劉鯤遠(yuǎn)，喻明月，王旭楠，張?zhí)煸t

（遼寧師范大學(xué)，大連116029）

引言

土壤侵蝕是一個(gè)全球性的環(huán)境問題，其導(dǎo)致地球表面的有機(jī)物和肥沃土壤的大量流失。利用土壤磁性研究土壤侵蝕對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)和生態(tài)資源具有積極意義。一般情況下，未受擾動(dòng)的土壤剖面呈現(xiàn)出表層磁化率增強(qiáng)現(xiàn)象，并且土壤磁化率高低與成土環(huán)境具有顯著的相關(guān)性。受侵蝕影響的坡面，土壤磁化率因土壤顆粒在坡面侵蝕、搬運(yùn)與沉積而發(fā)生改變。因此，借助土壤磁化率在坡面及剖面上的異質(zhì)性，能夠反演長(zhǎng)時(shí)間序列和大空間尺度的土壤侵蝕和再分配過程。土壤磁化率（MS）技術(shù)作為一個(gè)所需樣品少，耗費(fèi)時(shí)間短，且精度相對(duì)較可靠、經(jīng)濟(jì)而快速的測(cè)定土壤磁性的方法，并且已經(jīng)在一些研究中加以運(yùn)用。如Jordanova D 等[1]利用磁性估算土壤耕作侵蝕量—保加利亞為例的研究；Liang Liu 等[2]利用磁化率識(shí)別東北黑土農(nóng)田土壤再分配模式；Yue Yu 等[3]使用磁化率對(duì)東北地區(qū)土壤再分配影響的評(píng)價(jià)。對(duì)于土壤類型為棕壤的研究也有運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)，如董元杰等[4]對(duì)坡面侵蝕土壤磁化率及磁性示蹤試驗(yàn)的研究；馬玉增等[5]在碧霞湖流域采樣進(jìn)行坡面侵蝕土壤化學(xué)性質(zhì)對(duì)磁化率影響機(jī)理的研究。土壤磁化率技術(shù)已運(yùn)用到學(xué)術(shù)研究中，但同時(shí)磁化率技術(shù)的研究有待進(jìn)一步完善，如在多個(gè)坡面、小流域或景觀尺度驗(yàn)證其可行性與準(zhǔn)確性。但國(guó)內(nèi)外針對(duì)大連地區(qū)棕壤磁化率與土壤侵蝕關(guān)系的研究仍較少。

基于此，選擇遼寧省大連市瓦房店市炮臺(tái)鎮(zhèn)的代表性耕地坡面作為采樣區(qū)，從坡上至坡下等間隔布設(shè)采樣點(diǎn)，并選取地勢(shì)平坦、無開墾歷史、無侵蝕和沉積作用的地塊，作為對(duì)比區(qū)域。運(yùn)用磁化率技術(shù)對(duì)該區(qū)采樣的樣品進(jìn)行磁性大小的測(cè)量，意于探究得出大連市棕壤剖面土壤磁性變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省大連市瓦房店市炮臺(tái)鎮(zhèn)，大連地處北溫帶，三面環(huán)海，屬暖溫帶季風(fēng)氣候，同時(shí)又具有海洋性氣候特征。所屬水系多數(shù)入海，主要水系為黃海海域和渤海海域兩大水系。山地丘陵多，平原低地少，整個(gè)地形為北高南低，北寬南窄；地勢(shì)由中央軸部向東南和西北兩側(cè)的黃、渤海傾斜，面向黃海一側(cè)長(zhǎng)而緩；喀斯特地貌和海蝕地貌比較發(fā)育。大連市地表水來源主要為大氣降水，集中于7、8月份。據(jù)中國(guó)土壤帶劃分的垂直地域分異規(guī)律，大連市的土壤類型以棕壤為主。大連地區(qū)屬暖溫帶落葉闊葉林區(qū)域之北部落葉櫟林亞地帶，遼東丘陵、平原栽培植被赤松、蒙古櫟、麻櫟林區(qū)。

所選研究區(qū)為炮臺(tái)鎮(zhèn)的一處耕地，炮臺(tái)鎮(zhèn)位于瓦房店市最南端。采樣區(qū)周圍建筑主要為農(nóng)戶住所，距離公路等公共場(chǎng)所有一定的距離，受外在因素?cái)_動(dòng)較低。采樣地區(qū)坡度較緩，分布在0～4.5°之間。采樣地地勢(shì)較為平坦。

1.2 采樣與分析

1.2.1 野外采樣。本項(xiàng)目所需的樣品均在2019年10月采集，農(nóng)地采樣點(diǎn)的分布如圖1 所示，同一坡度采樣點(diǎn)的間隔距離大致相同，林地采樣點(diǎn)位置選在坡地的東南方。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖

采樣點(diǎn)根據(jù)坡度大小選取，為了減小誤差并避免人類活動(dòng)的影響，在樣點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)取樣，采用多點(diǎn)混合的方式取樣的間隔距離，每個(gè)樣點(diǎn)選取三個(gè)重復(fù)，其平均值為樣點(diǎn)磁化率，在農(nóng)地和林地每一采樣點(diǎn)使用取土鉆取50 cm 土壤，以10 cm 作為一個(gè)采樣間隔，取每一土層中部4～6 cm 的土壤裝入2×2×2 cm3的無磁性立方盒，將同一采樣點(diǎn)的樣品裝入透明密封袋中，共采集兩類樣品225個(gè)，其中坡耕地210個(gè)、林地15個(gè)，用來作為測(cè)定磁化率的樣品。

除農(nóng)地和林地采樣點(diǎn)取樣之外，使用100 cm3環(huán)刀取土器在高坡度、中坡度、低坡度地區(qū)即圖一中103、203、302 三個(gè)取樣點(diǎn)，每一點(diǎn)采集土層深度為0～20 cm、20～40 cm 的兩個(gè)表層環(huán)刀土樣品，用來作為測(cè)定坡面理化性質(zhì)的樣品。

1.2.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。將所有從野外采集的土樣及時(shí)至于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，并且去除明顯可見的動(dòng)植物殘?bào)w及砂礫。將分散土用木棒磨碎后，用孔徑為2 mm 篩子（18 號(hào)篩）篩選。將過2 mm 篩的土樣分別放入廣口瓶中，并貼好標(biāo)簽。將裝入立方盒的土樣風(fēng)干處理后，測(cè)定盒重、土樣重量和樣品密度。

將一部分處理好的分散土土樣用來測(cè)土壤的理化性質(zhì)，包括土壤pH 值、化學(xué)元素和土壤粒徑等數(shù)據(jù)。土壤pH 值用pH S-3B 精密pH 計(jì)測(cè)定，水土比例為1：1?；瘜W(xué)元素含量用日本Rigaku 公司全自動(dòng)掃描型X 射線熒光光譜儀測(cè)定。土壤粒徑使用Beckmancoulter LS13320 系列全自動(dòng)激光粒度分析儀測(cè)定。

將處理好的210個(gè)農(nóng)地土壤樣品和15個(gè)林地土壤樣品，測(cè)量盒重和土樣重量后，進(jìn)行磁性測(cè)定，分別在低頻（0.47 kHz）和高頻（4.7 kHz）外磁場(chǎng)下，使用英國(guó)Bartington MS2 磁化率儀測(cè)定土壤磁化率，測(cè)量土樣磁化率之前和之后均測(cè)量空氣值，以監(jiān)測(cè)儀器的穩(wěn)定程度，計(jì)算時(shí)去除空氣值，得到土壤樣品磁化率值[6]。通過磁化率計(jì)算公式計(jì)算每個(gè)土壤樣品的低頻質(zhì)量磁化率、高頻質(zhì)量磁化率和頻率磁化率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本次測(cè)定后得到數(shù)據(jù)包括：低頻體積磁化率、高頻體積磁化率、土壤機(jī)械組成、土壤組分、土壤酸堿度。

關(guān)于土壤機(jī)械組成的處理，對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)采用USDA 質(zhì)地分類方法分類，根據(jù)黏粒、粉粒、砂粒的體積百分比繪制土壤質(zhì)地三角圖。通過XRD 測(cè)試-SQX計(jì)算結(jié)果測(cè)定土壤組分，計(jì)算土壤中各化學(xué)元素含量并記錄，同土壤酸堿度、土壤機(jī)械組成共同說明該地土壤性質(zhì)。

樣品數(shù)據(jù)記錄及初步計(jì)算使用Microsoft Excel 軟件進(jìn)行，通過公式計(jì)算每個(gè)土壤樣品的低頻質(zhì)量磁化率、高頻質(zhì)量磁化率和頻率磁化率。

公式如下：

其中，M 為磁化強(qiáng)度（T）；H 為外加磁場(chǎng)強(qiáng)度（A·m-1）；κ 為體積磁化率；ρ 為土壤容重（g·cm-3）；X 為質(zhì)量磁化率（10-8·m3·kg-1）；Xlf為低頻質(zhì)量磁化率（10-8·m3·kg-1）；Xhf為高頻質(zhì)量磁化率（10-8·m3·kg-1）；Xfd為頻率磁化率（%）。

利用Origin Pro 軟件，得到3 種磁化率的剖面圖以及3 張磁化率箱式圖。利用ArcGIS 軟件進(jìn)行地學(xué)分析和制圖，收集研究區(qū)遙感影像和DEM，應(yīng)用ArcGIS Toolbox 的Slope 模塊計(jì)算研究區(qū)坡度，最終得到區(qū)域影像圖及區(qū)域坡度圖。通過ArcGIS 運(yùn)用反距離權(quán)重法（IDW），得到低頻、高頻質(zhì)量磁化率、頻率磁化率表層和底層插值圖。

公式如下：

其中di0是第i個(gè)已知點(diǎn)到待插點(diǎn)的距離，p 是權(quán)指數(shù)，為大于等于1 的常數(shù)。

本次實(shí)驗(yàn)共取樣225 組數(shù)據(jù)，其中303 點(diǎn)中10至20 厘米處數(shù)值異常偏大，經(jīng)分析認(rèn)為是取樣時(shí)夾雜了如鐵制品一類的雜質(zhì)，故使用0 至10 厘米和20至30 厘米的平均值代替。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤樣品理化性質(zhì)分析

本次實(shí)驗(yàn)將通過對(duì)土壤的機(jī)械組成、土壤的化學(xué)元素含量、酸堿度、磁化率四個(gè)方面進(jìn)行分析與檢測(cè)，從而對(duì)樣地土壤進(jìn)行描述與分析。

本次土壤理化性質(zhì)測(cè)定樣品為樣地土壤表層（0～20 cm）和土壤底層（20～40 cm）土樣各三組，共六組樣品，其中1，3，5 組為0～20 cm；2，4，6 組為20～40 cm。

2.1.1 土壤機(jī)械組成分析。不同土壤顆粒組成對(duì)土壤磁化率造成不同影響，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，六組土壤樣品機(jī)械組成及平均值如表1 和表2 所示。

表1 樣地土壤樣品體積百分比及對(duì)應(yīng)粒徑分類

表2 樣地土壤樣品體積百分比平均值及對(duì)應(yīng)粒徑分類

根據(jù)USDA 質(zhì)地分類方法和表中黏粒、粉粒、砂粒的體積百分比，繪制土壤質(zhì)地三角圖，如圖2。

圖2 USDA 土壤質(zhì)地三角圖

由圖表可知，樣地土壤顆粒含量主要集中在2～50 um和50～2000 um 的粒徑范圍內(nèi)，該樣地表層土壤質(zhì)地為粉（砂）壤土，深層為砂質(zhì)壤土。表層和深層土壤機(jī)械組成的變化說明坡面土壤在自然或人為作用下會(huì)分布不均，土壤顆粒的遷移轉(zhuǎn)化意味著坡面土壤中磁性顆粒發(fā)生了分散遷移，從而引起磁化率的變化。通常來說，坡面表層土壤磁化率的變化與土壤顆粒中粘粒、砂粒組分含量的變化關(guān)系較密切。

2.1.2 土壤化學(xué)元素分析。通過XRD 測(cè)試-SQX 計(jì)算結(jié)果分別測(cè)定六份樣品的土壤組分，并計(jì)算土壤中各化學(xué)元素含量。

可知，樣地化學(xué)元素主要為氧元素，占總量的50.3%，其次為硅，占總量的27.6%，鋁、鐵、碳、鉀、鈣分別位列第三至七位，其余元素含量均小于1%。另外，鋅、銅、鎳、鉛、汞等重金屬也少量存在于樣地土壤之中，這些重金屬元素對(duì)土壤磁化率會(huì)產(chǎn)生一定影響。

土壤中磁性礦物的含量決定了質(zhì)量磁化率的大小，反過來說，土壤磁化率可以指示一個(gè)地區(qū)的鐵元素及近鐵元素或重金屬元素與近鐵元素形成的化合物的含量。通過大多數(shù)文獻(xiàn)記載表明，土壤磁化率與重金屬元素成顯著正相關(guān)關(guān)系。

2.1.3 土壤pH 分析。土壤pH 值用以表示土壤酸堿度，它影響著土壤的性質(zhì)以及各種元素的遷移轉(zhuǎn)化。根據(jù)《DZ／T0295-2016 土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》，進(jìn)行土壤酸堿度分級(jí)評(píng)價(jià)，對(duì)本次實(shí)驗(yàn)6 組樣品分別進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果pH 值見表3。

表3 樣地土壤樣品對(duì)應(yīng)pH 及平均值

樣品pH 平均值為7.68，介于7.5 至8.5 之間，樣地土壤呈堿性。土壤pH 的高低會(huì)影響細(xì)菌繁殖，造成土壤中次生磁性礦物含量增加，從而間接影響了土壤的磁化率。一般來說，pH 與土壤磁化率成正相關(guān)，與侵蝕強(qiáng)度成負(fù)相關(guān)。

2.2 土壤磁性的剖面變化規(guī)律

通過對(duì)研究區(qū)的土壤磁化率分析，由圖3 可見，其垂直方向的磁化率數(shù)值較高，平均低頻質(zhì)量磁化率為79.9×10-8m3/kg，該數(shù)值大于一般棕壤的磁化率，而最高值達(dá)到129.0×10-8m3/kg，變化范圍在（21.2～129.0）×10-8m3/kg 之間。頻率磁化率的平均值為9.4%。

同時(shí)由圖3 可見，研究區(qū)在剖面方向上的質(zhì)量磁化率變化總體上呈現(xiàn)出由表層至深層逐漸降低的趨勢(shì)。該現(xiàn)象與磁性礦物在土壤剖面中的分布特征是相契合的，即在物理、化學(xué)等成土作用下，表層土壤磁化率大于底層的磁化率。土壤磁化率的變幅較強(qiáng)。其次，頻率磁化率的變化總體上則呈現(xiàn)出由表層至深層逐漸增大的趨勢(shì)。頻率磁化率的大小代表著土壤中所含超順磁性顆粒的多少，即代表著剖面土壤的超順磁性顆粒逐漸增多。

圖3 低頻質(zhì)量磁化率、高頻質(zhì)量磁化率、頻率磁化率剖面變化規(guī)律

此外，通過圖3 對(duì)林地的土壤磁化率對(duì)比分析，所選研究區(qū)的林地土壤磁化率呈現(xiàn)出中間層數(shù)值增大底層數(shù)值降低的趨勢(shì)，不具有明顯的表層增強(qiáng)型。雖然其底層土壤數(shù)值低于表層，但是中間層的土壤磁化率卻稍高于表層。同時(shí)對(duì)比研究區(qū)的土壤磁化率，林地的平均土壤磁化率大于研究區(qū)。這是由于林地剖面土壤侵蝕強(qiáng)度所致，游離態(tài)氧化鐵含量較高。而相較于其他多種棕壤土地利用類型的磁化率平均值和變化趨勢(shì)，所選研究區(qū)未表現(xiàn)出異常變化，其數(shù)值低于草地及茶園等其他農(nóng)用土地利用類型，與前人研究結(jié)果相一致。

由圖4 可見，土壤磁化率的總體變化趨勢(shì)的確具有表層增強(qiáng)性。不過土壤磁化率在表層出現(xiàn)兩個(gè)異常值，且皆大于表層土壤的土壤磁化率。這是由于所選研究區(qū)為收割不久的玉米坡耕地，表層土壤有機(jī)質(zhì)含量高，取樣時(shí)無法完全剔除所致。

2.3 土壤磁性的坡面變化規(guī)律

在坡面方向上，分別選取0～20 cm 層與40～50 cm層作為表層與深層。由圖5 可見，表層土壤的磁化率坡上至坡下呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。坡上的土壤磁化率最低值為61.4×10-8m3/kg。坡下最大值可達(dá)到103.9×10-8m3/kg。變化范圍超過40×10-8m3/kg。不過研究區(qū)的坡度并不大，所以出現(xiàn)該變化趨勢(shì)的原因可能有以下兩點(diǎn)。其一，由于坡下臨近公路與菜園，受人為擾動(dòng)使有機(jī)質(zhì)增多所致。其二，亦可能是由于農(nóng)耕期間雨水的搬運(yùn)作用，使坡上富含磁性礦物的土壤組分運(yùn)動(dòng)到坡下，受到一定的土壤侵蝕，致使坡下的土壤磁化率增大。而通過圖5 可知，表層土壤的頻率磁化率在302 點(diǎn)達(dá)到最大值，數(shù)值為10.5%，105 點(diǎn)則為最小值，數(shù)值為7.2%，整體上分布較平均。除此之外，表層土壤亦會(huì)受到局部地區(qū)小氣候如熱力環(huán)流等現(xiàn)象的影響使表層土壤的磁性礦物發(fā)生再分配過程。

圖4 質(zhì)量磁化率與頻率磁化率箱線圖

圖5 表層低頻、高頻、頻率磁化率坡面分配情況

由圖6 可見深層土壤磁化率的變化趨勢(shì)，即土壤磁化率由105、106 兩點(diǎn)逐漸向坡下遞增，呈現(xiàn)出一定的階梯狀，且在303 點(diǎn)達(dá)到最大值?？傮w上出現(xiàn)階梯狀的原因則是坡度與土壤侵蝕所致，研究區(qū)左側(cè)地勢(shì)較高，右側(cè)較低，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的搬運(yùn)堆積，形成階梯狀趨勢(shì)。深層頻率磁化率亦表現(xiàn)出一定變化規(guī)律，總體上為左側(cè)低、右側(cè)高，整體分布略顯平均，與表層土壤的頻率磁化率分布規(guī)律相似?？傮w而言的態(tài)勢(shì)說明表層與深層的超順磁性顆粒分布均較平均。

此外，探究與坡度關(guān)系，通過對(duì)比坡度圖與坡面的土壤磁化率分布圖（圖7）可見，坡度較大處的土壤磁化率偏低，坡度較小處的土壤磁化率較大。除特殊點(diǎn)位外，坡面上的土壤磁化率分布規(guī)律與坡度表現(xiàn)出一定負(fù)相關(guān)性。

圖6 深層低頻、高頻、頻率磁化率坡面分配情況

圖7 坡度與磁化率

3 結(jié)論

3.1 剖面土壤磁性變化規(guī)律

在剖面尺度上，大連市棕壤土壤磁化率的分布規(guī)律總體上具有表層增強(qiáng)性，即其土壤磁化率與土層深度呈顯著負(fù)相關(guān)。而土壤的頻率磁化率則與土層深度呈正相關(guān)，頻率磁化率隨著土層深度的增加而增加。但在0 至50 cm 的測(cè)量范圍內(nèi)，土壤的理化性質(zhì)會(huì)有所改變并對(duì)土壤中的磁性礦物的含量產(chǎn)生一定影響，所測(cè)的土壤pH 值反映著土壤有機(jī)質(zhì)的含量，而有機(jī)質(zhì)含量則與土壤的磁化率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)土壤中的化學(xué)元素和重金屬物質(zhì)，則會(huì)直接影響土壤的磁化率數(shù)值。

3.2 坡面土壤磁性變化規(guī)律

坡面尺度上，土壤磁性的變化規(guī)律主要與坡度表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)。即坡度大的地方，土壤磁化率小。該現(xiàn)象主要與土壤侵蝕相關(guān)，在雨水、重力及風(fēng)力的影響下，坡上土壤被搬運(yùn)到坡下，而表層又具有較高的土壤磁性，使得坡度較大的地方磁化率低，而坡下磁化率較高。與此同時(shí)，土壤的理化性質(zhì)與人為擾動(dòng)亦會(huì)對(duì)土壤磁化率的分布發(fā)生改變。此外，局部地區(qū)所形成的小氣候局部的熱力環(huán)流對(duì)土壤中磁性礦物的再分配也起到一定作用。

4 展望

基于以上研究，為驗(yàn)證土壤磁化率對(duì)棕壤地區(qū)土壤侵蝕的研究的可行性提供新鮮有力的證據(jù)，為拓展土壤磁性的研究范圍提供幫助。同時(shí)明確遼東地區(qū)坡耕地磁化率分布規(guī)律，有助于規(guī)劃土地資源，為提高糧食產(chǎn)量制定合理的農(nóng)業(yè)政策。