遼陽(yáng)—丹東地區(qū)黑土地地表基質(zhì)有效土層分布規(guī)律及影響因素
——以鳳城市為例

艾曉軍，陳占生，耿國(guó)帥，羅學(xué)輝

（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地球物理調(diào)查中心，河北 廊坊 065000）

黑土是地球上珍貴的土壤資源[1，2]，被稱為土壤中的“大熊貓”。我國(guó)東北黑土區(qū)（又稱“寒地黑土區(qū)”）為全球三大黑土區(qū)之一，近年來(lái)由于長(zhǎng)期高強(qiáng)度、超負(fù)荷地利用黑土地，造成了黑土流失，以及土壤貧瘠化、酸化、鹽堿化和污染[3，4]。嚴(yán)重的水土流失會(huì)導(dǎo)致黑土層厚度明顯變薄，至少已有4.47 萬(wàn)km2的黑土流失[5]。據(jù)估算，東北黑土厚度正以0.7～1 cm/a 的速度流失，而黑土的形成極為緩慢，每形成1 cm 厚的黑土需要200～400 a[6]。據(jù)1979 年我國(guó)第2 次土壤普查結(jié)果，東北地區(qū)的黑土層厚度為16～72 cm，平均為44 cm 左右；但2003 年以后，黑土層厚度在40 cm 以下的地區(qū)約有50%，許多地方的黑土層已經(jīng)消失。因此，保護(hù)黑土地，提升黑土地耕地質(zhì)量，實(shí)施東北黑土區(qū)水土流失綜合治理刻不容緩，這也是守住“谷物基本自給、口糧絕對(duì)安全”戰(zhàn)略底線的重要保障[7]。2020 年為貫徹落實(shí)新時(shí)代生態(tài)文明建設(shè)思想、服務(wù)自然資源部“兩統(tǒng)一”職責(zé)任務(wù)，自然資源地表基質(zhì)層調(diào)查首次在河北省保定地區(qū)開展試點(diǎn)工作[8，9]；2022 年黑土地地表基質(zhì)調(diào)查在東北全面展開，其中查明黑土區(qū)有效土層厚度是地表基質(zhì)調(diào)查的任務(wù)之一，這對(duì)黑土保護(hù)和黑土厚度監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。

遼寧省東部地區(qū)以低山丘陵為主，具有有效土層淺薄，土壤侵蝕和水土流失潛在危險(xiǎn)程度高的地域特點(diǎn)。有效土層厚度是指作物能夠利用的母質(zhì)層以上的土體總厚度，當(dāng)有障礙層時(shí)則為障礙層以上的土層厚度[10，11]。有效土層厚度是評(píng)價(jià)耕地質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。不同地形的土壤有效土層厚度、灌溉能力以及其他自然條件因子不同，最終對(duì)作物生長(zhǎng)和土壤養(yǎng)分積累的影響不同。如，丘陵和盆地區(qū)域耕地質(zhì)量偏低，導(dǎo)致作物產(chǎn)量偏低；平原區(qū)地勢(shì)平坦，有利于作物生長(zhǎng)；湖積平原區(qū)和濱海平原區(qū)地下水位淺，容易造成土壤鹽漬化。田面坡度（農(nóng)田坡面與水平面的夾角度數(shù)）也對(duì)土壤質(zhì)量具有一定的影響。如，山地丘陵地區(qū)坡度大，易造成水土流失嚴(yán)重，土層厚度降低，耕地質(zhì)量下降；伴隨水土及養(yǎng)分的流失，坡下地塊耕地質(zhì)量也受到?jīng)_擊。目前獲取有效土層厚度的方法主要有剖面調(diào)查插值法和基于探地雷達(dá)的有效土層厚度估算法。李巖等[12]利用采集到的栗鈣土層厚度數(shù)據(jù)，在GIS 平臺(tái)下，采用地統(tǒng)計(jì)插值法（克里金/協(xié)克里金）和確定性內(nèi)插法（反距離加權(quán)/徑向基函數(shù)）兩類共8種方法對(duì)栗鈣土層厚度的空間分布進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示，新增耕地土壤人為擾動(dòng)大，有效土層厚度分層信息不明顯，僅憑開挖剖面調(diào)查不易獲取。張世文等[13]采取探地雷達(dá)對(duì)新增耕地的土壤有效土層厚度進(jìn)行估算，并對(duì)探地雷達(dá)探測(cè)新墾區(qū)土層厚度的方法和精度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)利用此方法測(cè)量土層厚度的變化是可行的。于秀秀等[14]也發(fā)現(xiàn)，利用探地雷達(dá)測(cè)得的土層厚度結(jié)果與實(shí)際調(diào)查情況吻合較好。為快速獲取土層厚度信息，李俐等[15]提出利用土壤機(jī)械阻力判別土壤層次結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種便攜式圓錐儀，在加速度補(bǔ)償修正非勻速誤差的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了土層結(jié)構(gòu)及土層厚度信息的精細(xì)獲取。解迎革等[16]通過(guò)在野外試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)土壤電阻率的實(shí)地?cái)鄬訏呙?，將其結(jié)果與實(shí)際測(cè)定得到的基巖特征電阻率相結(jié)合，成功地進(jìn)行了林地土層厚度預(yù)測(cè)。李鳳鳴等[17]認(rèn)為，在測(cè)定坡地土壤厚度時(shí)將貫入法與電阻成像法結(jié)合在一起使用會(huì)更加有效。張婧等[18]在地形復(fù)雜、耕地細(xì)碎、采樣點(diǎn)密度不足的黃土丘陵區(qū)，基于數(shù)字高程模型（digital elevation model，簡(jiǎn)稱DEM） 數(shù)據(jù)生成地形因子，依據(jù)地形因子將研究區(qū)劃分為不同地形單元，利用克里金插值法對(duì)各地形單元進(jìn)行分層插值，通過(guò)疊加不同地形單元的插值結(jié)果，得到全區(qū)域的土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布，結(jié)果表明，該方法的預(yù)測(cè)精度明顯高于全局插值法。此前，對(duì)于地形影響大的土壤有效土層的空間插值都是采用全局插值。本次研究選用坡度、坡向和地形位置指數(shù)為參數(shù)，基于高程模型生成地形因子，依據(jù)地形因子將鳳城市劃分不同地形單元，利用克里金插值法對(duì)各地形單元分層插值，通過(guò)分層插值準(zhǔn)確得到鳳城市土壤有效土層厚度分布圖，本次針對(duì)土壤有效土層厚度采用分層插值屬于首次。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鳳城市為遼寧省轄縣級(jí)市，由丹東市代管，位于遼寧東部，地處黃海北岸，地形地貌以山地丘陵為主，南部有帶狀平原。地勢(shì)北高南低，地形復(fù)雜多樣，海拔高度為4.8～1 208 m。研究區(qū)耕地面積為823.13 km2，耕地細(xì)碎，分布于全市各種地形單元中（圖1）。鳳城市成土母質(zhì)主要為花崗巖和板巖，土壤類型主要為棕壤、粗骨土、草甸土、水稻土和褐土。共收集756 個(gè)采樣點(diǎn)，約每7.29 km2有1 個(gè)采樣點(diǎn)，不同地形的采樣間距不均勻（圖2）。

圖2 數(shù)字鄉(xiāng)村國(guó)家合作圖譜Fig.2 Digital rural country cooperation map

1.2 有效土層厚度的調(diào)查方法

本次有效土層厚度調(diào)查點(diǎn)的部署原則是以地形為主，兼顧土地利用類型和土壤類型分區(qū)抽樣調(diào)查布設(shè)。按照事先部署的樣點(diǎn)，應(yīng)用GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行野外定位，根據(jù)不同地形和土壤厚度，分別采用洛陽(yáng)鏟、天然剖面、人工剖面調(diào)查方法，獲取鳳城市土壤有效土層厚度。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本研究所用數(shù)據(jù)包括分辨率為90 m 的DEM 數(shù)據(jù)［來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（www.gscloud.cn）］、土壤有效土層厚度數(shù)據(jù)（來(lái)源于2022 年遼陽(yáng)黑土地表基質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目）和土地利用類型數(shù)據(jù)（來(lái)源于國(guó)土三調(diào)）。利用Gis 軟件對(duì)數(shù)字高程模型進(jìn)行地形因子提??；采用SPSS 軟件對(duì)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，并進(jìn)行分層克里金插值，獲取鳳城市有效土層厚度分布圖；利用鳳城市有效土層厚度調(diào)查值和坐標(biāo)，采用Gis 軟件，分別統(tǒng)計(jì)不同土地利用類型、土壤類型、地形單元調(diào)查點(diǎn)的分布情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 鳳城市有效土層厚度的分布特征

756 個(gè)樣本的土壤有效土層厚度為5～265 cm，樣本間差異較大，其中最大厚度出現(xiàn)在草河街道保衛(wèi)范家堡，最小厚度出現(xiàn)在東湯鎮(zhèn)三河村。2.1.1 不同土地利用類型的有效土層厚度分布特征 根據(jù)三調(diào)圖斑提取調(diào)查點(diǎn)的土地利用類型，統(tǒng)計(jì)不同土地利用類型的有效土層厚度。結(jié)果（表1）顯示，不同土地利用類型的有效土層平均厚度順序?yàn)榉N植園地＞林地＞草地＞耕地＞水域，其中最大厚度樣點(diǎn)分布在種植園地，最小厚度樣點(diǎn)分布在林地。

表1 不同土地利用類型的有效土層厚度Table 1 Effective soil layer thickness of different land use types

2.1.2 不同土壤類型的有效土層厚度分布特征 鳳城市耕地土壤類型以棕壤為主，主要分布在低山丘陵的坡崗、緩坡、坡腳等地；草甸土、水稻土交錯(cuò)分布在溝谷和河流兩岸的沖積平原[19]。根據(jù)第2 次土壤調(diào)查數(shù)據(jù)，提取部署點(diǎn)的土壤類型，統(tǒng)計(jì)不同土壤類型的有效土層厚度。結(jié)果（表2）顯示，不同土壤類型的有效土層平均厚度順序?yàn)樗就粒静莸橥粒敬止峭粒咀厝溃竞滞?，其中最大和最小厚度樣點(diǎn)均分布在棕壤。

表2 不同土壤類型的有效土層厚度Table 2 Effective soil layer thickness of different soil types

2.1.3 不同地形單元的有效土層厚度分布特征 地形單元的劃分，目前根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況選取坡度（slope）、坡向（aspect）和地形位置指數(shù)（topographicposition index，簡(jiǎn)稱TPI）3 個(gè)地形指標(biāo)較多[18]，其中，坡度采用李俊清等[20]森林生態(tài)學(xué)中的方法分為平坡、緩坡、斜坡和陡坡，坡向分為陰坡（337.5°～22.5°，22.5°～67.5°）、半陰坡（67.5°～112.5°，292.5°～337.5°）、半陽(yáng)坡（112.5°157.5°，247.5°～292.5°）、陽(yáng)坡（157.5°～247.5°）和平地5 個(gè)等級(jí)。本文采用這3 個(gè)地形指標(biāo)，將鳳城市地形單元?jiǎng)澐殖?1 類，分別是溝谷、坡腳、陰坡、半陰坡、平地、陡坡、陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡、坡肩、山脊和平頂峰（圖3）；然后采用組平均法進(jìn)行系統(tǒng)聚類，將這11 個(gè)地形單元分成6 類，分別是溝谷、坡底、坡肩、山脊、陽(yáng)坡和陰坡。采用部署點(diǎn)提取值的方法，分別獲取每個(gè)調(diào)查點(diǎn)的地形類型，統(tǒng)計(jì)不同地形單元的有效土層厚度。結(jié)果（表3）顯示，不同地形單元的有效土層平均厚度順序?yàn)槠录纾娟幤拢娟?yáng)坡＞坡腳＞溝谷＞山脊，其中最大厚度樣點(diǎn)分布在坡腳，最小厚度樣點(diǎn)分布在溝谷。

表3 不同地形單元的有效土層厚度Table 3 Effective soil layer thickness of different topographic units

圖3 地形單元?jiǎng)澐种笜?biāo)Fig.3 Topographic unit division index

2.1.4 有效土層厚度的橫向分布特征 基于地形分類，利用調(diào)查數(shù)據(jù)，采用普通克里金插值方法[21]，制作鳳城市有效土層厚度分布圖，據(jù)此分析鳳城市有效土層厚度的分布規(guī)律。結(jié)果（圖4）顯示，根據(jù)鳳城市有效土層厚度的實(shí)際情況，將鳳城市有效土層厚度分為4 級(jí)。厚度≤20 cm 的土壤主要分布在北部地區(qū)（石城鎮(zhèn)、愛陽(yáng)鎮(zhèn)、賽馬鎮(zhèn)），該區(qū)域海拔相對(duì)較高，均在600 m 之上；厚度為21～40 cm 的土壤分布最廣，幾乎覆蓋全市；厚度為41～60 cm 的土壤主要分布在中部地區(qū)；厚度≥61 cm 的土壤主要分布在南部地區(qū)。

圖4 鳳城市有效土層厚度分布圖Fig.4 Effective soil layer thickness distribution of Fengcheng

2.2 鳳城市有效土層厚度分布的影響因素

地形、生物、母質(zhì)、氣候和時(shí)間是土壤形成的五大關(guān)鍵因素。對(duì)工作區(qū)來(lái)說(shuō)，影響土壤有效土層厚度的因素分為自然因素和社會(huì)因素，其中自然因素主要是成土因素，社會(huì)因素主要是土地利用方式，土地利用方式對(duì)土層有效厚度的影響在一定程度上反映了人為活動(dòng)引起的土壤性狀變化[22]。在自然因素中，氣候、生物和時(shí)間對(duì)所有調(diào)查點(diǎn)的影響是近似一致的，因此，本文中主要討論地形和母質(zhì)對(duì)有效土層厚度的影響。

2.2.1 地形對(duì)有效土層厚度的影響 地形要素是最基本的自然地形單元，影響著地表物質(zhì)遷移和能量轉(zhuǎn)換，最終影響著土壤的土層厚度。地形要素包括海拔、坡向、坡度和坡位等，在鳳城市地區(qū)利用TPI、坡向和坡度對(duì)該區(qū)地形進(jìn)行劃分。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，鳳城市山脊有效土層厚度最薄；相對(duì)而言，坡肩的土層厚度最厚，其次是陰坡、陽(yáng)坡、坡腳、溝谷。山脊土層最薄，坡肩土層最厚，與鳳城市的土壤母質(zhì)有關(guān)。鳳城市土壤母質(zhì)以花崗巖為主，該類巖石主要由長(zhǎng)石類礦物、暗色礦物（云母和角閃石）和石英等組成，暗色礦物易風(fēng)化，石英最不易風(fēng)化，由于差異風(fēng)化的影響以及石英的存在，該類巖石發(fā)育的土壤表層以砂土、砂質(zhì)壤土或壤質(zhì)砂土為主，較松散，極易受到流水的侵蝕，在上坡部位幾乎沒(méi)有土壤分布，而在坡肩地帶會(huì)堆積較厚的松散層。

坡向分為陽(yáng)坡（包括半陽(yáng)坡）和陰坡（包括半陰坡） 兩類。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，陰坡的土層厚度大于陽(yáng)坡。這與坡向影響太陽(yáng)光的接收，造成土壤溫度不同有關(guān)。陽(yáng)坡接收的日照較多，與陰坡相比，溫度較高，土壤水分蒸發(fā)量較大，土壤水分條件相對(duì)較差，容易發(fā)生干旱，造成植被生長(zhǎng)狀況不佳；陰坡上植被生長(zhǎng)好，不容易發(fā)生水土流失，使得地表坡度較陽(yáng)坡緩和，土層厚度也較深。從實(shí)際情況看，陰坡上除了耕地外還分布著大量的喬木林，而陽(yáng)坡上分布的主要是灌木林，這也反映了生物對(duì)土層厚度的影響。

2.2.2 母質(zhì)對(duì)有效土層厚度的影響 根據(jù)鳳城市地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，提取鳳城市巖石類型分布信息，利用調(diào)查點(diǎn)的有效土層厚度，制作不同基巖形成的土層厚度箱線圖。結(jié)果（圖5）顯示，中生代陸相沉積巖發(fā)育的土層厚度中值和分布范圍最大，其次為太古代—元古代深變質(zhì)巖、太古代變質(zhì)侵入巖、中酸性巖漿巖、古生代以碳酸鹽巖為主的海相沉積巖；元古代淺變質(zhì)巖發(fā)育的土層最薄，這類巖石的特點(diǎn)是石英含量高，而石英是最成熟、最不容易風(fēng)化的礦物，故其成土厚度也是最小的。鳳城市附近分布著大量中酸性花崗巖，花崗巖風(fēng)化成的土質(zhì)主要形成砂質(zhì)壤土、壤質(zhì)砂土和砂土等砂質(zhì)含量較高的壤土，砂質(zhì)壤土保水能力差，不利于植物生長(zhǎng)，容易發(fā)生水土流失。

圖5 不同基巖發(fā)育的土層厚度箱線圖Fig.5 Boxplot of soil layer thickness for different bedrock development

3 結(jié)論與討論

鳳城市地貌類型屬于遼東山地丘陵，在當(dāng)前黑土層加速變薄和逐漸消失的嚴(yán)峻形勢(shì)下，摸清該區(qū)有效土層厚度的本底值，對(duì)監(jiān)測(cè)遼陽(yáng)—丹東地區(qū)水土流失具有十分重要的意義。山地類型有效土層厚度分布特征與地形和成土母質(zhì)關(guān)系密切，鳳城市有效土層厚度分布具有北部薄、中間中等、南部厚的特點(diǎn)。針對(duì)不同地形單元有效土層厚度的分布特點(diǎn)和成土類型，根據(jù)宜林則林、宜耕則耕的原則，建議鳳城市坡度＞15°的坡肩位置和陰坡上盡量種樹育林，不適合種植莊稼，種植莊稼更容易引起土壤流失。