大连市棕壤剖面土壤磁性变化规律研究

2020-11-14刘鲲远喻明月王旭楠张天诏

国土与自然资源研究 2020年6期

刘鲲远，喻明月，王旭楠，张天诏

（辽宁师范大学，大连116029）

引言

土壤侵蚀是一个全球性的环境问题，其导致地球表面的有机物和肥沃土壤的大量流失。利用土壤磁性研究土壤侵蚀对于实际生产和生态资源具有积极意义。一般情况下，未受扰动的土壤剖面呈现出表层磁化率增强现象，并且土壤磁化率高低与成土环境具有显著的相关性。受侵蚀影响的坡面，土壤磁化率因土壤颗粒在坡面侵蚀、搬运与沉积而发生改变。因此，借助土壤磁化率在坡面及剖面上的异质性，能够反演长时间序列和大空间尺度的土壤侵蚀和再分配过程。土壤磁化率（MS）技术作为一个所需样品少，耗费时间短，且精度相对较可靠、经济而快速的测定土壤磁性的方法，并且已经在一些研究中加以运用。如Jordanova D 等[1]利用磁性估算土壤耕作侵蚀量—保加利亚为例的研究；Liang Liu 等[2]利用磁化率识别东北黑土农田土壤再分配模式；Yue Yu 等[3]使用磁化率对东北地区土壤再分配影响的评价。对于土壤类型为棕壤的研究也有运用此项技术，如董元杰等[4]对坡面侵蚀土壤磁化率及磁性示踪试验的研究；马玉增等[5]在碧霞湖流域采样进行坡面侵蚀土壤化学性质对磁化率影响机理的研究。土壤磁化率技术已运用到学术研究中，但同时磁化率技术的研究有待进一步完善，如在多个坡面、小流域或景观尺度验证其可行性与准确性。但国内外针对大连地区棕壤磁化率与土壤侵蚀关系的研究仍较少。

基于此，选择辽宁省大连市瓦房店市炮台镇的代表性耕地坡面作为采样区，从坡上至坡下等间隔布设采样点，并选取地势平坦、无开垦历史、无侵蚀和沉积作用的地块，作为对比区域。运用磁化率技术对该区采样的样品进行磁性大小的测量，意于探究得出大连市棕壤剖面土壤磁性变化规律。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于辽宁省大连市瓦房店市炮台镇，大连地处北温带，三面环海，属暖温带季风气候，同时又具有海洋性气候特征。所属水系多数入海，主要水系为黄海海域和渤海海域两大水系。山地丘陵多，平原低地少，整个地形为北高南低，北宽南窄；地势由中央轴部向东南和西北两侧的黄、渤海倾斜，面向黄海一侧长而缓；喀斯特地貌和海蚀地貌比较发育。大连市地表水来源主要为大气降水，集中于7、8月份。据中国土壤带划分的垂直地域分异规律，大连市的土壤类型以棕壤为主。大连地区属暖温带落叶阔叶林区域之北部落叶栎林亚地带，辽东丘陵、平原栽培植被赤松、蒙古栎、麻栎林区。

所选研究区为炮台镇的一处耕地，炮台镇位于瓦房店市最南端。采样区周围建筑主要为农户住所，距离公路等公共场所有一定的距离，受外在因素扰动较低。采样地区坡度较缓，分布在0～4.5°之间。采样地地势较为平坦。

1.2 采样与分析

1.2.1 野外采样。本项目所需的样品均在2019年10月采集，农地采样点的分布如图1 所示，同一坡度采样点的间隔距离大致相同，林地采样点位置选在坡地的东南方。

图1 采样点分布图

采样点根据坡度大小选取，为了减小误差并避免人类活动的影响，在样点内进行随机取样，采用多点混合的方式取样的间隔距离，每个样点选取三个重复，其平均值为样点磁化率，在农地和林地每一采样点使用取土钻取50 cm 土壤，以10 cm 作为一个采样间隔，取每一土层中部4～6 cm 的土壤装入2×2×2 cm3的无磁性立方盒，将同一采样点的样品装入透明密封袋中，共采集两类样品225个，其中坡耕地210个、林地15个，用来作为测定磁化率的样品。

除农地和林地采样点取样之外，使用100 cm3环刀取土器在高坡度、中坡度、低坡度地区即图一中103、203、302 三个取样点，每一点采集土层深度为0～20 cm、20～40 cm 的两个表层环刀土样品，用来作为测定坡面理化性质的样品。

1.2.2 室内实验。将所有从野外采集的土样及时至于阴凉通风处自然风干，并且去除明显可见的动植物残体及砂砾。将分散土用木棒磨碎后，用孔径为2 mm 筛子（18 号筛）筛选。将过2 mm 筛的土样分别放入广口瓶中，并贴好标签。将装入立方盒的土样风干处理后，测定盒重、土样重量和样品密度。

将一部分处理好的分散土土样用来测土壤的理化性质，包括土壤pH 值、化学元素和土壤粒径等数据。土壤pH 值用pH S-3B 精密pH 计测定，水土比例为1：1。化学元素含量用日本Rigaku 公司全自动扫描型X 射线荧光光谱仪测定。土壤粒径使用Beckmancoulter LS13320 系列全自动激光粒度分析仪测定。

将处理好的210个农地土壤样品和15个林地土壤样品，测量盒重和土样重量后，进行磁性测定，分别在低频（0.47 kHz）和高频（4.7 kHz）外磁场下，使用英国Bartington MS2 磁化率仪测定土壤磁化率，测量土样磁化率之前和之后均测量空气值，以监测仪器的稳定程度，计算时去除空气值，得到土壤样品磁化率值[6]。通过磁化率计算公式计算每个土壤样品的低频质量磁化率、高频质量磁化率和频率磁化率。

1.3 数据处理

本次测定后得到数据包括：低频体积磁化率、高频体积磁化率、土壤机械组成、土壤组分、土壤酸碱度。

关于土壤机械组成的处理，对测定数据采用USDA 质地分类方法分类，根据黏粒、粉粒、砂粒的体积百分比绘制土壤质地三角图。通过XRD 测试-SQX计算结果测定土壤组分，计算土壤中各化学元素含量并记录，同土壤酸碱度、土壤机械组成共同说明该地土壤性质。

样品数据记录及初步计算使用Microsoft Excel 软件进行，通过公式计算每个土壤样品的低频质量磁化率、高频质量磁化率和频率磁化率。

公式如下：

其中，M 为磁化强度（T）；H 为外加磁场强度（A·m-1）；κ 为体积磁化率；ρ 为土壤容重（g·cm-3）；X 为质量磁化率（10-8·m3·kg-1）；Xlf为低频质量磁化率（10-8·m3·kg-1）；Xhf为高频质量磁化率（10-8·m3·kg-1）；Xfd为频率磁化率（%）。

利用Origin Pro 软件，得到3 种磁化率的剖面图以及3 张磁化率箱式图。利用ArcGIS 软件进行地学分析和制图，收集研究区遥感影像和DEM，应用ArcGIS Toolbox 的Slope 模块计算研究区坡度，最终得到区域影像图及区域坡度图。通过ArcGIS 运用反距离权重法（IDW），得到低频、高频质量磁化率、频率磁化率表层和底层插值图。

公式如下：

其中di0是第i个已知点到待插点的距离，p 是权指数，为大于等于1 的常数。

本次实验共取样225 组数据，其中303 点中10至20 厘米处数值异常偏大，经分析认为是取样时夹杂了如铁制品一类的杂质，故使用0 至10 厘米和20至30 厘米的平均值代替。

2 结果与讨论

2.1 土壤样品理化性质分析

本次实验将通过对土壤的机械组成、土壤的化学元素含量、酸碱度、磁化率四个方面进行分析与检测，从而对样地土壤进行描述与分析。

本次土壤理化性质测定样品为样地土壤表层（0～20 cm）和土壤底层（20～40 cm）土样各三组，共六组样品，其中1，3，5 组为0～20 cm；2，4，6 组为20～40 cm。

2.1.1 土壤机械组成分析。不同土壤颗粒组成对土壤磁化率造成不同影响，经统计，六组土壤样品机械组成及平均值如表1 和表2 所示。

表1 样地土壤样品体积百分比及对应粒径分类

表2 样地土壤样品体积百分比平均值及对应粒径分类

根据USDA 质地分类方法和表中黏粒、粉粒、砂粒的体积百分比，绘制土壤质地三角图，如图2。

图2 USDA 土壤质地三角图

由图表可知，样地土壤颗粒含量主要集中在2～50 um和50～2000 um 的粒径范围内，该样地表层土壤质地为粉（砂）壤土，深层为砂质壤土。表层和深层土壤机械组成的变化说明坡面土壤在自然或人为作用下会分布不均，土壤颗粒的迁移转化意味着坡面土壤中磁性颗粒发生了分散迁移，从而引起磁化率的变化。通常来说，坡面表层土壤磁化率的变化与土壤颗粒中粘粒、砂粒组分含量的变化关系较密切。

2.1.2 土壤化学元素分析。通过XRD 测试-SQX 计算结果分别测定六份样品的土壤组分，并计算土壤中各化学元素含量。

可知，样地化学元素主要为氧元素，占总量的50.3%，其次为硅，占总量的27.6%，铝、铁、碳、钾、钙分别位列第三至七位，其余元素含量均小于1%。另外，锌、铜、镍、铅、汞等重金属也少量存在于样地土壤之中，这些重金属元素对土壤磁化率会产生一定影响。

土壤中磁性矿物的含量决定了质量磁化率的大小，反过来说，土壤磁化率可以指示一个地区的铁元素及近铁元素或重金属元素与近铁元素形成的化合物的含量。通过大多数文献记载表明，土壤磁化率与重金属元素成显著正相关关系。

2.1.3 土壤pH 分析。土壤pH 值用以表示土壤酸碱度，它影响着土壤的性质以及各种元素的迁移转化。根据《DZ／T0295-2016 土地质量地球化学评价规范》，进行土壤酸碱度分级评价，对本次实验6 组样品分别进行检测，检测结果pH 值见表3。

表3 样地土壤样品对应pH 及平均值

样品pH 平均值为7.68，介于7.5 至8.5 之间，样地土壤呈碱性。土壤pH 的高低会影响细菌繁殖，造成土壤中次生磁性矿物含量增加，从而间接影响了土壤的磁化率。一般来说，pH 与土壤磁化率成正相关，与侵蚀强度成负相关。

2.2 土壤磁性的剖面变化规律

通过对研究区的土壤磁化率分析，由图3 可见，其垂直方向的磁化率数值较高，平均低频质量磁化率为79.9×10-8m3/kg，该数值大于一般棕壤的磁化率，而最高值达到129.0×10-8m3/kg，变化范围在（21.2～129.0）×10-8m3/kg 之间。频率磁化率的平均值为9.4%。

同时由图3 可见，研究区在剖面方向上的质量磁化率变化总体上呈现出由表层至深层逐渐降低的趋势。该现象与磁性矿物在土壤剖面中的分布特征是相契合的，即在物理、化学等成土作用下，表层土壤磁化率大于底层的磁化率。土壤磁化率的变幅较强。其次，频率磁化率的变化总体上则呈现出由表层至深层逐渐增大的趋势。频率磁化率的大小代表着土壤中所含超顺磁性颗粒的多少，即代表着剖面土壤的超顺磁性颗粒逐渐增多。

图3 低频质量磁化率、高频质量磁化率、频率磁化率剖面变化规律

此外，通过图3 对林地的土壤磁化率对比分析，所选研究区的林地土壤磁化率呈现出中间层数值增大底层数值降低的趋势，不具有明显的表层增强型。虽然其底层土壤数值低于表层，但是中间层的土壤磁化率却稍高于表层。同时对比研究区的土壤磁化率，林地的平均土壤磁化率大于研究区。这是由于林地剖面土壤侵蚀强度所致，游离态氧化铁含量较高。而相较于其他多种棕壤土地利用类型的磁化率平均值和变化趋势，所选研究区未表现出异常变化，其数值低于草地及茶园等其他农用土地利用类型，与前人研究结果相一致。

由图4 可见，土壤磁化率的总体变化趋势的确具有表层增强性。不过土壤磁化率在表层出现两个异常值，且皆大于表层土壤的土壤磁化率。这是由于所选研究区为收割不久的玉米坡耕地，表层土壤有机质含量高，取样时无法完全剔除所致。

2.3 土壤磁性的坡面变化规律

在坡面方向上，分别选取0～20 cm 层与40～50 cm层作为表层与深层。由图5 可见，表层土壤的磁化率坡上至坡下呈现逐渐增加的趋势。坡上的土壤磁化率最低值为61.4×10-8m3/kg。坡下最大值可达到103.9×10-8m3/kg。变化范围超过40×10-8m3/kg。不过研究区的坡度并不大，所以出现该变化趋势的原因可能有以下两点。其一，由于坡下临近公路与菜园，受人为扰动使有机质增多所致。其二，亦可能是由于农耕期间雨水的搬运作用，使坡上富含磁性矿物的土壤组分运动到坡下，受到一定的土壤侵蚀，致使坡下的土壤磁化率增大。而通过图5 可知，表层土壤的频率磁化率在302 点达到最大值，数值为10.5%，105 点则为最小值，数值为7.2%，整体上分布较平均。除此之外，表层土壤亦会受到局部地区小气候如热力环流等现象的影响使表层土壤的磁性矿物发生再分配过程。

图4 质量磁化率与频率磁化率箱线图

图5 表层低频、高频、频率磁化率坡面分配情况

由图6 可见深层土壤磁化率的变化趋势，即土壤磁化率由105、106 两点逐渐向坡下递增，呈现出一定的阶梯状，且在303 点达到最大值。总体上出现阶梯状的原因则是坡度与土壤侵蚀所致，研究区左侧地势较高，右侧较低，经过长时间的搬运堆积，形成阶梯状趋势。深层频率磁化率亦表现出一定变化规律，总体上为左侧低、右侧高，整体分布略显平均，与表层土壤的频率磁化率分布规律相似。总体而言的态势说明表层与深层的超顺磁性颗粒分布均较平均。

此外，探究与坡度关系，通过对比坡度图与坡面的土壤磁化率分布图（图7）可见，坡度较大处的土壤磁化率偏低，坡度较小处的土壤磁化率较大。除特殊点位外，坡面上的土壤磁化率分布规律与坡度表现出一定负相关性。

图6 深层低频、高频、频率磁化率坡面分配情况

图7 坡度与磁化率

3 结论

3.1 剖面土壤磁性变化规律

在剖面尺度上，大连市棕壤土壤磁化率的分布规律总体上具有表层增强性，即其土壤磁化率与土层深度呈显著负相关。而土壤的频率磁化率则与土层深度呈正相关，频率磁化率随着土层深度的增加而增加。但在0 至50 cm 的测量范围内，土壤的理化性质会有所改变并对土壤中的磁性矿物的含量产生一定影响，所测的土壤pH 值反映着土壤有机质的含量，而有机质含量则与土壤的磁化率呈现正相关关系。同时土壤中的化学元素和重金属物质，则会直接影响土壤的磁化率数值。

3.2 坡面土壤磁性变化规律

坡面尺度上，土壤磁性的变化规律主要与坡度表现出负相关。即坡度大的地方，土壤磁化率小。该现象主要与土壤侵蚀相关，在雨水、重力及风力的影响下，坡上土壤被搬运到坡下，而表层又具有较高的土壤磁性，使得坡度较大的地方磁化率低，而坡下磁化率较高。与此同时，土壤的理化性质与人为扰动亦会对土壤磁化率的分布发生改变。此外，局部地区所形成的小气候局部的热力环流对土壤中磁性矿物的再分配也起到一定作用。