大連市棕壤剖面土壤磁性變化規(guī)律研究

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

土壤侵蝕是一個全球性的環(huán)境問題，其導(dǎo)致地球表面的有機物和肥沃土壤的大量流失。利用土壤磁性研究土壤侵蝕對于實際生產(chǎn)和生態(tài)資源具有積極意義。一般情況下，未受擾動的土壤剖面呈現(xiàn)出表層磁化率增強現(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，能夠反演長時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)作為一個所需樣品少，耗費時間短，且精度相對較可靠、經(jīng)濟而快速的測定土壤磁性的方法，并且已經(jīng)在一些研究中加以運用。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]使用磁化率對東北地區(qū)土壤再分配影響的評價。對于土壤類型為棕壤的研究也有運用此項技術(shù)，如董元杰等[4]對坡面侵蝕土壤磁化率及磁性示蹤試驗的研究；馬玉增等[5]在碧霞湖流域采樣進行坡面侵蝕土壤化學(xué)性質(zhì)對磁化率影響機理的研究。土壤磁化率技術(shù)已運用到學(xué)術(shù)研究中，但同時磁化率技術(shù)的研究有待進一步完善，如在多個坡面、小流域或景觀尺度驗證其可行性與準(zhǔn)確性。但國內(nèi)外針對大連地區(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，并選取地勢平坦、無開墾歷史、無侵蝕和沉積作用的地塊，作為對比區(qū)域。運用磁化率技術(shù)對該區(qū)采樣的樣品進行磁性大小的測量，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，整個地形為北高南低，北寬南窄；地勢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)為炮臺鎮(zhèn)的一處耕地，炮臺鎮(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，距離公路等公共場所有一定的距離，受外在因素擾動較低。采樣地區(qū)坡度較緩，分布在0～4.5°之間。采樣地地勢較為平坦。

1.2 采樣與分析

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

圖1 采樣點分布圖

采樣點根據(jù)坡度大小選取，為了減小誤差并避免人類活動的影響，在樣點內(nèi)進行隨機取樣，采用多點混合的方式取樣的間隔距離，每個樣點選取三個重復(fù)，其平均值為樣點磁化率，在農(nóng)地和林地每一采樣點使用取土鉆取50 cm 土壤，以10 cm 作為一個采樣間隔，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，將同一采樣點的樣品裝入透明密封袋中，共采集兩類樣品225個，其中坡耕地210個、林地15個，用來作為測定磁化率的樣品。

除農(nóng)地和林地采樣點取樣之外，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 三個取樣點，每一點采集土層深度為0～20 cm、20～40 cm 的兩個表層環(huán)刀土樣品，用來作為測定坡面理化性質(zhì)的樣品。

1.2.2 室內(nèi)實驗。將所有從野外采集的土樣及時至于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，并且去除明顯可見的動植物殘體及砂礫。將分散土用木棒磨碎后，用孔徑為2 mm 篩子（18 號篩）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 計測定，水土比例為1：1?；瘜W(xué)元素含量用日本Rigaku 公司全自動掃描型X 射線熒光光譜儀測定。土壤粒徑使用Beckmancoulter LS13320 系列全自動激光粒度分析儀測定。

將處理好的210個農(nóng)地土壤樣品和15個林地土壤樣品，測量盒重和土樣重量后，進行磁性測定，分別在低頻（0.47 kHz）和高頻（4.7 kHz）外磁場下，使用英國Bartington MS2 磁化率儀測定土壤磁化率，測量土樣磁化率之前和之后均測量空氣值，以監(jiān)測儀器的穩(wěn)定程度，計算時去除空氣值，得到土壤樣品磁化率值[6]。通過磁化率計算公式計算每個土壤樣品的低頻質(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、土壤機械組成、土壤組分、土壤酸堿度。

關(guān)于土壤機械組成的處理，對測定數(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 測試-SQX計算結(jié)果測定土壤組分，計算土壤中各化學(xué)元素含量并記錄，同土壤酸堿度、土壤機械組成共同說明該地土壤性質(zhì)。

樣品數(shù)據(jù)記錄及初步計算使用Microsoft Excel 軟件進行，通過公式計算每個土壤樣品的低頻質(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 為磁化強度（T）；H 為外加磁場強度（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個已知點到待插點的距離，p 是權(quán)指數(shù)，為大于等于1 的常數(shù)。

本次實驗共取樣225 組數(shù)據(jù)，其中303 點中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

本次實驗將通過對土壤的機械組成、土壤的化學(xué)元素含量、酸堿度、磁化率四個方面進行分析與檢測，從而對樣地土壤進行描述與分析。

本次土壤理化性質(zhì)測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 土壤機械組成分析。不同土壤顆粒組成對土壤磁化率造成不同影響，經(jīng)統(tǒng)計，六組土壤樣品機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應(yīng)粒徑分類

表2 樣地土壤樣品體積百分比平均值及對應(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。表層和深層土壤機械組成的變化說明坡面土壤在自然或人為作用下會分布不均，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 測試-SQX 計算結(jié)果分別測定六份樣品的土壤組分，并計算土壤中各化學(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，這些重金屬元素對土壤磁化率會產(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)評價規(guī)范》，進行土壤酸堿度分級評價，對本次實驗6 組樣品分別進行檢測，檢測結(jié)果pH 值見表3。

表3 樣地土壤樣品對應(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)，與侵蝕強度成負(fù)相關(guān)。

2.2 土壤磁性的剖面變化規(guī)律

通過對研究區(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。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。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。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 對林地的土壤磁化率對比分析，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，不具有明顯的表層增強型。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。同時對比研究區(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，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的確具有表層增強性。不過土壤磁化率在表層出現(xiàn)兩個異常值，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，表層土壤有機質(zhì)含量高，取樣時無法完全剔除所致。

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。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)該變化趨勢的原因可能有以下兩點。其一，由于坡下臨近公路與菜園，受人為擾動使有機質(zhì)增多所致。其二，亦可能是由于農(nóng)耕期間雨水的搬運作用，使坡上富含磁性礦物的土壤組分運動到坡下，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 點達(dá)到最大值，數(shù)值為10.5%，105 點則為最小值，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，即土壤磁化率由105、106 兩點逐漸向坡下遞增，呈現(xiàn)出一定的階梯狀，且在303 點達(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)地勢較高，右側(cè)較低，經(jīng)過長時間的搬運堆積，形成階梯狀趨勢。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。總體而言的態(tài)勢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 的測量范圍內(nèi)，土壤的理化性質(zhì)會有所改變并對土壤中的磁性礦物的含量產(chǎn)生一定影響，所測的土壤pH 值反映著土壤有機質(zhì)的含量，而有機質(zhì)含量則與土壤的磁化率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。同時土壤中的化學(xué)元素和重金屬物質(zhì)，則會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，土壤的理化性質(zhì)與人為擾動亦會對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，為驗證土壤磁化率對棕壤地區(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。