劉 凱，魏明輝，戴慧敏，劉國棟，賈樹海，宋運紅，梁 帥

1.中國地質調查局 沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽 110034；2.自然資源部 黑土地演化與生態(tài)效應重點實驗室，遼寧 沈陽 110034；3.遼寧省黑土地演化與生態(tài)效應重點實驗室，遼寧 沈陽 110034；4.沈陽農(nóng)業(yè)大學，遼寧 沈陽 110866

0 引言

東北黑土區(qū)是全球四大黑土分布區(qū)之一［1］，也是我國重要的商品糧基地，其糧食總產(chǎn)量占全國1/4，商品糧產(chǎn)量占全國1/3.黑土區(qū)土壤具有養(yǎng)分含量豐富、結構良好、土壤肥力高等優(yōu)勢［2］，但自20 世紀初大面積開墾以來，由于長期的高強度利用，加之土壤侵蝕，土壤質量顯著下降，主要表現(xiàn)為變“瘦”、變硬和變薄.變“瘦”是指土壤肥力下降，尤其表現(xiàn)為土壤有機質含量的降低，黑土肥力下降現(xiàn)狀和機制方面的研究在近年來取得了重要進展［3-7］.變硬指土壤的物理結構受到破壞，主要表現(xiàn)為土壤容重增加［8］，相關研究成果多見報道［9-10］.但在區(qū)域尺度上，黑土層厚度的研究需要基于大量的野外實地調查，因此關于黑土層厚度時空變化的研究成果相對較少，黑土層的變薄情況依然不明.

深厚的黑土層（或腐殖質層）是黑土最本質的特征之一，黑土層厚度能夠反映土壤的發(fā)育程度，也是野外鑒別土壤肥力的重要指標［11-12］，同時黑土層厚度的變化對判斷黑土的退化程度也有重要的指示意義［13］.東北黑土層的厚度在文獻中多有提及，但說法不一，且多無確切的數(shù)據(jù)來源.沈波等［14］在黑土區(qū)調查的結果顯示，黑土平均每年流失厚度為0.7～1 cm，一些地方黑土厚度已從開墾初期的80～100 cm 減少到20～30 cm.劉丙友［15］指出典型黑土區(qū)內每年流失表層黑土0.3～1 cm，黑土厚度已由20 世紀50 年代的平均60～70 cm，下降到目前的平均20～30 cm.于磊等［16］提出黑土層每年減少0.4-0.5 cm，局部黑土層由開墾初期的60～70 cm 減少到20～30 cm.解運杰等［17］指出，黑龍江省典型黑土的黑土層厚度自開墾以來下降明顯，黑土層厚度在40～60 cm 的土壤面積僅占黑土面積的0.1%，黑土層厚度20～40 cm 的土壤面積占黑土面積的94.7%.從區(qū)域性的土壤調查工作來看，20 世紀80 年代開展的第二次土壤普查（以下簡稱“二普”）相對較為系統(tǒng)，具有較詳細的野外調查記錄，并據(jù)此編制了全國1 ∶100 萬土壤圖.張之一［18］根據(jù)“二普”土壤剖面記錄情況，對黑龍江省和吉林省的黑土層厚度按照薄層（＜30 cm）、中層（30～60 cm）和厚層（＞60 cm）進行了統(tǒng)計，3 個厚度的土壤比例大致為4∶4∶2.

黑土層的減薄會造成土壤生產(chǎn)力的急劇下降［12，19］，但東北黑土區(qū)黑土層厚度變化特征尚未查清，亟需開展相關研究.為查明東北地區(qū)黑土層在近40 年的時空變化特征，本研究團隊于2017 年對“二普”記錄的典型土壤剖面進行了實地調查，通過土壤剖面判斷黑土層厚度，并與“二普”數(shù)據(jù)進行比較，從而較準確地研究黑土層厚度變化情況，為黑土地保護決策提供數(shù)據(jù)支撐.

1 材料與方法

1.1 土壤剖面選擇

本次黑土層厚度調查以“二普”的典型土壤剖面為調查對象，數(shù)據(jù)庫來源于國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心.該數(shù)據(jù)庫共有典型土壤剖面2 473 個，其中東北地區(qū)土壤剖面約450 個，每個剖面含有地理位置、土壤剖面分層數(shù)據(jù)以及不同層次的有機質含量等參數(shù).由于受當時技術限制，“二普”土壤剖面的位置并沒有經(jīng)緯度坐標，而是以描述性信息為主，因此在野外調查前，先在地圖上按照描述信息盡可能將剖面位置準確地投在地圖上，在野外調查時根據(jù)土壤景觀或土地利用方式等信息進行位置調整，使調查位置更接近“二普”的實際位置.

在選定點位后，通過挖掘土壤剖面或土壤淺鉆的方式進行土壤剖面的觀察（圖1），并劃定土壤層次.黑土層厚度主要依靠土壤層次特征以及Munssel 比色卡進行判定.參考中國土壤系統(tǒng)分類和美國土壤系統(tǒng)分類中暗沃土層的顏色要求，土壤潤態(tài)條件下，明度≤3，彩度≤3 的層位判定為黑土層［20-21］.如果局部地區(qū)黑土厚度空間變異性較大，需在附近打多個鉆孔確認黑土層的平均厚度.2017 年6—10 月，共調查了171 個土壤剖面，經(jīng)室內反復篩選，有61 個土壤剖面與“二普”有較嚴格的對應關系，其中黑土剖面14 個，草甸土剖面14 個，黑鈣土剖面11 個，暗棕壤剖面10 個，其他土壤（潮土、新積土、沼澤土、風沙土、棕壤、褐土等）剖面12 個，其中有53 個剖面采自旱田，8 個采自林地.土壤剖面調查位置見圖2.

圖1 部分土壤剖面照片F(xiàn)ig.1 Photographs of soil profiles

圖2 土壤剖面點位圖Fig.2 Location map of soil profiles

1.2 黑土層厚度比較

采用比較法研究黑土層厚度的變化.由于土壤發(fā)生學分層時會存在過渡層，如AhB 層、BAh層等，為便于比較，需對本次調查和“二普”的黑土層厚度進行數(shù)學轉換，特制定如下規(guī)則：1）黑土層厚度=Ah厚度＋AhB厚度×2/3，或Ah厚度＋BAh厚度×1/3，并經(jīng)剖面照片驗證通過；2）參考AhB 層或BAh層的形態(tài)學特征，如團?；驁F塊結構計入，核狀結構則不計入；3）O 層（枯枝落葉層）不計入黑土層厚度；4）白漿化黑土由于特殊發(fā)生學層次E 層（白漿層）的存在，黑土層厚度不能連續(xù)計算，故不參與統(tǒng)計分析.

2 結果與分析

2.1 黑土層厚度變化情況

對61 個土壤剖面實測厚度和“二普”記錄厚度進行統(tǒng)計（表1）.結果顯示，兩期黑土層厚度分布均呈左偏形態(tài)（圖3）.“二普”黑土層厚度在17～141 cm，平均值為44 cm，中位數(shù)為38 cm，2017 年實測黑土層厚度在5～105 cm，平均值為31.32 cm，中位數(shù)為25 cm.共有52 個土壤剖面的黑土層厚度減薄，9 個土壤剖面黑土層增厚，厚度變化范圍為-45～＋35 cm，集中分布于-20～＋10 cm 之間，平均值為-12.67 cm，中位數(shù)為-12 cm，說明黑土層整體呈減薄趨勢.與“二普”相比，黑土層厚度的減薄比例平均值為-25.4%，說明黑土層厚度在37 年內平均減薄了約1/4，黑土層平均減薄速率為0.32 m/a，與前人的觀點基本吻合［15］.黑土層厚度變化值與“二普”黑土層厚度整體成負相關關系（圖4），即黑土層初始厚度越大，其減薄的厚度越大.

圖3 黑土層厚度直方圖Fig.3 Histogram of black soil layer thickness

圖4 黑土層厚度變化值與“二普”黑土層厚度散點圖Fig.4 Scatter diagram of black soil layer thickness variation vs.thickness by the 2nd national soil survey

表1 黑土層厚度統(tǒng)計表Table 1 Statistics of black soil layer thickness

2.2 黑土層厚度變化的空間分布

黑土層厚度的空間分布具有一定規(guī)律性，整體表現(xiàn)為遼寧省最薄、黑龍江省和吉林省較厚的分布特征（圖5A、B）.遼寧省黑土層實測厚度在8～25 cm 之間，平均值僅16.5 cm.黑龍江省和吉林省實測黑土層厚度平均值分別為33.38 cm 和37.47 cm，中位數(shù)均為30 cm（表2）.

表2 四?。▍^(qū)）黑土層實測厚度及變化量統(tǒng)計表Table 2 Statistics of surveyed thickness and variations of black soil layer in four provinces/regions

經(jīng)單因素方差檢驗，四?。▍^(qū)）黑土層厚度的變化值具有顯著差異.在過去近40 年的時間里，吉林省黑土層厚度減薄最為嚴重（圖5C），平均減薄了23.65 cm，遼寧省和內蒙古自治區(qū)黑土層平均減薄厚度分別為11.83 cm 和10.33 cm，而黑龍江省黑土層減薄最小，平均減薄了6.83 cm.

黑土層減薄比例結果顯示，吉林、遼寧、內蒙古和黑龍江的黑土層減薄比例平均值分別為40.96%、37.22%、21.52%和11.80%（圖5D），減薄速率分別為0.64、0.32、0.28 和0.18 cm/a.

圖5 黑土層厚度分布及變化圖Fig.5 Distribution and variation of black soil thickness

綜上可知，無論從黑土層減薄厚度和減薄比例看，吉林省的情況最為嚴重，雖然目前黑土層平均厚度仍在30 cm 以上，但其減薄比例和速率最大.吉林省的南部已經(jīng)是黑土土類分布的南端，如果在這樣的侵蝕速率下，黑土層逐漸變薄，土壤將發(fā)生逆向演替，即黑土→黑黃土→黃黑土→破皮黃→黃土，土壤肥力及土地生產(chǎn)力可能會快速下降.遼寧省黑土層減薄厚度在10 cm 左右，雖然與內蒙古類似，但由于遼寧省“二普”的黑土層厚度本底較薄，因此其下降比例達到37.22%，遠高于內蒙古的21.52%.

2.3 不同類型土壤黑土層厚度變化情況

不同類型土壤的黑土層發(fā)育程度往往不同，但另一方面，即使是同一種土壤類型，在不同地區(qū)也會表現(xiàn)出較明顯的差異性.本次調查的土壤類型包括黑土、黑鈣土、暗棕壤、草甸土以及其他土壤類型，經(jīng)單因素方差檢驗，各土壤類型的黑土層厚度及變化量在P≤0.05 水平上均不顯著.原因主要是本次調查的土壤剖面空間跨度大，氣候-生物條件范圍廣，同一類型土壤的黑土層厚度變異性較大（圖6）.這說明不能簡單地利用土壤類型來研究黑土層厚度變化，還要考慮研究區(qū)土壤類型的空間分布范圍，在上一節(jié)中，各省（區(qū)）黑土層厚度具有顯著差異也表明，在區(qū)域尺度上，黑土所處空間位置對黑土層發(fā)育的重要性要大于土壤類型的作用［22］.

圖6 不同土壤類型黑土層厚度箱線圖Fig.6 Box plot of black soil layer thickness by soil types

3 黑土層厚度變化原因分析

3.1 氣候因素

在全球及區(qū)域尺度上，氣候對土壤有機質的積累和黑土層的形成往往起到?jīng)Q定性作用［23］.一方面，氣候通過影響地表植被類型及其生物量，控制有機質進入土壤環(huán)境中的數(shù)量和深度；另一方面，水熱因素通過影響土壤微生物活性，控制了土壤有機質的分解與礦化速率，進而影響有機質的積累量［24］.溫度越高，土壤微生物對有機質的分解率越高［25］，土壤有機質積累越慢［26］，越不利于黑土層的形成，因此遼寧的黑土層發(fā)育厚度要薄于吉林和黑龍江.

近代以來，隨著人類工業(yè)文明的興起，全球氣候發(fā)生劇烈變化，整體表現(xiàn)為氣溫的顯著升高和降雨的不均勻性［27］.東北地區(qū)是中國緯度最高的地區(qū)，同時也是氣溫升高最顯著的地區(qū)之一［28］.1961—2017 年，東北區(qū)域年平均氣溫升高速率為0.31 ℃/10 a，高于全國同期平均升溫速率和全球近50 年升溫速率［29］.溫度升高會提高土壤微生物活性，加快有機質的分解［30］，進而對黑土層的發(fā)育產(chǎn)生負面效應.但同時也有研究表明，氣溫升高并不是中國北方土壤有機質下降的主導因素［31］.利用東北地區(qū)1980 年和2015 年的氣溫數(shù)據(jù)（來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心），計算了東三省土壤調查點所在位置的氣溫變化值，并與黑土層厚度變化進行相關性分析（圖7）.結果顯示，吉林省黑土層減薄厚度與氣溫升高值呈顯著的負相關性（P＜0.05），說明溫度升高越明顯的地區(qū)，土壤有機質下降越明顯，黑土層的厚度也呈現(xiàn)減薄的趨勢.黑龍江省和遼寧省的黑土層厚度與氣溫沒有顯著相關性，可能與調查點比較分散有關，其他因素的影響要強于溫度變化，從而掩蓋了氣候對黑土層厚度的作用.

圖7 黑土層厚度變化與氣溫變化散點圖Fig.7 Scatter plot of black soil layer thickness variation vs.temperature change

3.2 侵蝕作用

東北黑土區(qū)地形以漫川漫崗為主，特征為坡緩坡長，平原區(qū)坡度一般為1～5°，山前沖洪積臺地坡度多在3～8°［32］，這種地貌下，黑土水蝕發(fā)育，對黑土層的減薄具有重要影響［33］.水蝕作用主要發(fā)生在坡的上部，坡上黑土水分飽和后形成徑流，沿坡面向坡下流失，部分表層黑土可形成固體徑流，由坡上轉移到坡下，甚至流入江河.面蝕最嚴重的時期主要發(fā)生在春季耕作前，表層黑土解凍后隨水流一起流失，在作物生長季，由于有植被的影響，面蝕較弱.在緩坡底部，黑土的堆積作用通常大于侵蝕作用［34］，造成黑土的空間再分布，這也是本次調查中個別土壤黑土層增厚的原因.

為了探討黑土層厚度變化與侵蝕的關系，利用DEM 數(shù)據(jù)計算了調查點位的坡度值（圖8）.線性回歸分析結果表明，各省黑土層厚度變化值與坡度之間均不具有顯著的相關性.前人研究表明，坡度、坡長和土壤所處位置都對侵蝕強度產(chǎn)生影響［12］，因此在區(qū)域尺度上，難以用坡度等單個指標來定量分析侵蝕對黑土減薄的影響.近期一項研究表明，松遼平原東部黑土區(qū)水蝕對黑土的侵蝕速率在0～3 mm/a，在此速率下，黑土層可能在113 a 后侵蝕消失［35］，因此侵蝕對黑土的影響不容忽視.

圖8 黑土層厚度變化與坡度散點圖Fig.8 Scatter plot of black soil layer thickness variation vs.slope gradient

4 黑土層厚度研究展望

黑土層厚度是東北黑土地的一個重要指標，但至今研究程度較低.未來應著重開展以下兩個方面工作：一是制定科學的黑土層厚度判定規(guī)則，二是加強黑土層厚度的空間制圖方法研究.

4.1 黑土層厚度判定

在土壤調查中，土壤顏色通常是野外劃定土壤層次的最直觀方式，Munsell 色卡可以將土壤顏色定量化，但仍具有較大的主觀性和異讀性，導致厚度監(jiān)測的準確度不高.有學者提出利用圖像處理判別黑土層厚度的方法［36-37］，即對土壤剖面拍照后，利用計算機進行圖像處理后劃定土壤層次，然而受照相設備、土樣特性、照相環(huán)境等影響，較難達到理想的判別結果，不利于大面積推廣使用.近年來有學者利用便攜式測色儀測定不同深度風干土壤的顏色指標［38］，建立了相對可靠的土壤色調、明度、彩度與有機質含量的模型.這種通過儀器設備將顏色定量化的方式應在黑土層判定中開展實踐探索.

4.2 黑土層厚度空間制圖

黑土層的厚度空間分布圖有助于直觀感受黑土的薄厚分布及變化情況，對于制定黑土保護措施具有重要意義.黑土厚度空間制圖首先要建立標準的黑土厚度判定方法，然后根據(jù)制圖比例尺按相應密度測定區(qū)域內一定數(shù)量點位的黑土層厚度，最后結合GIS 手段，以土壤類型、地形地貌和土地利用方式等作為環(huán)境影響因子，建立黑土層厚度與影響因子間的關系方程［39］.目前在景觀尺度已有土壤厚度制圖的相關研究［33，40-41］，但由于區(qū)域尺度土壤厚度的空間變異性大，其空間制圖方法和精度仍是挑戰(zhàn).

5 結論

與近40 年前相比，本次調查的61 個土壤剖面中，有52 個土壤剖面黑土層厚度減薄，9 個土壤剖面黑土層增厚，厚度變化范圍為-45～＋35 cm，整體呈減薄趨勢，平均減薄了約1/4，減薄速率為0.38 cm/a.

在空間上，吉林省黑土層厚度減薄最為嚴重，平均減薄了23.65 cm，減薄比例達到40.96%.遼寧省和內蒙古東部黑土層平均減薄厚度分別為11.83 cm 和10.33 cm，但遼寧省減薄比例達到37.22%.黑龍江省黑土層厚度變化最小，平均減薄了6.83 cm.

水蝕作用是東北地區(qū)黑土層減薄的重要因素，本研究發(fā)現(xiàn)，氣溫升高能加快土壤有機質的分解，對黑土層的發(fā)育和保持具有負面效應.

致謝：感謝國家科技資源共享服務平臺-國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心（http：//soil.geodata.cn）和中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心（www.resdc.cn）提供的數(shù)據(jù)支撐；感謝沈陽農(nóng)業(yè)大學徐威副教授對本文給予的指導.