基于磁化率技术的黑土坡面土壤再分配识别及定量评价研究

Soil erosion is a global environmental issue that induces soil degradation and land resource decreasing. The Black Soil Region in Northeast China is experiencing serious soil erosion. It is significant meaningful to complete soil erosion theories and protect the sustainable utilization of black soil resources by studying soil redistribution on black soil hillslope. The magnetic susceptibility technology provides an ease and rapid way to estimate long-time and wide-spatial soil erosion and soil redistribution. However, more quantitative researches are still needed in predicting soil loss. This project utilizes magnetic susceptibility on black soil farmland slope in different cultivation periods to corroborate hillslope soil redistribution. By means of building and revising Tillage-Homogenization Model, this study estimates soil erosion rate on hillslope and reveals soil redistribution patterns at different slope positions. The objectives of this project are to explore the approach to spatially and temporally identify soil erosion and deposition, and to validate the feasibility of quantitatively evaluate soil erosion using magnetic susceptibility. The achievement can skillfully support the soil erosion mechanism research and soil loss prediction in the Black Soil Region, meanwhile, is of great practical significance to reasonable utilization of regional soil resources and sustainable development of local agriculture.

土壤侵蚀是全球性的环境问题，已成为导致土壤退化与土地生产力下降的主要原因之一。我国东北黑土区土壤侵蚀严重，开展黑土区土壤侵蚀研究对完善土壤侵蚀理论和保护黑土资源可持续利用具有重要意义。廉价而高效的磁化率技术已被成功应用于阐述长时间序列和广空间尺度的土壤侵蚀及其再分配过程，目前仍需在定量评价方面深入研究。基于此，本项目拟采用磁化率技术，以不同开垦年限的东北黑土坡耕地为研究对象，借助土壤磁性指标反演坡面土壤再分配规律。通过建立和完善具有适用性的耕作归一化模型，划分各坡面部位，揭示不同坡位土壤再分配规律，估算坡面土壤侵蚀速率，明确不同开垦年限坡耕地土壤侵蚀速率，旨在探索黑土坡面土壤侵蚀和泥沙沉积的时空识别方法，验证利用磁化率技术定量评价土壤侵蚀的可行性。研究结果将为黑土区土壤侵蚀机理探究和坡面水土流失预报提供技术支撑，对区域土壤资源的合理利用与农业的可持续生产具有重要的现实意义。

黑土具有肥力高、耕性强等特点，被誉为“耕地中的大熊猫”。由于长期不合理利用，黑土资源遭受严重的水力侵蚀，面临土层变薄、土壤质量降低、土地生产力减弱等严峻挑战。本项目在理论上从时空分布、磁性载体类型和指标量定等角度总结了土壤侵蚀磁性研究的发展脉络和研究热点，并分析其文献计量学意义；在实践中选取黑龙江省鹤山农场开垦年限为30a、50a、60a和110a的典型黑土坡面，每个坡面等间距采集剖面土壤样品，划分为3个坡面位置，在相邻区域选取林地参考点，以相同的原则采样，共采集土壤样品2497个，测定其磁化率和其他理化性质，分析土壤磁化率在坡面尺度的时空异质性，探讨黑土区耕地坡面土壤侵蚀规律，引入并改进耕作均一化模型，估算不同开垦年限坡面土壤侵蚀量和年侵蚀速率。结果表明，土壤侵蚀磁性研究处于发展阶段，成果数量多，涉及地理范围广，但国家、机构和作者间的合作有待加强。根据参考点土壤磁化率值划分坡面侵蚀区和沉积区，坡上和坡中为侵蚀区，坡下为沉积区，前者磁化率值小于后者，表征坡上表层土壤被剥离搬运至坡下发生沉积，符合坡面土壤侵蚀的一般规律。随着开垦年限的增加，坡上与坡下表层土壤磁化率值差异显著，表现出较强的坡面异质性，说明人类耕作活动加速坡面土壤侵蚀，开垦时间与土壤再分配呈非线性相关，其拟合曲线符合幂函数关系，r2为0.50~0.86。不同时空耦合下的土壤侵蚀速率为1963.2 t·km-2·yr-1 ~ -19610.6 t·km-2·yr-1，侵蚀最深达80.11cm，开与前人研究成果具有可比性。本研究揭示了不同开垦年限黑土坡耕地的土壤侵蚀规律，验证了土壤磁性表征土壤侵蚀规律的可行性，据此定量评价了坡耕地土壤侵蚀速率，研究结果扩充了土壤水蚀预测的新方法，能够为东北黑土区水土流失预报与防治提供理论依据，有利于区域农业可持续发展和生态环境保护。