辽阳—丹东地区黑土地地表基质有效土层分布规律及影响因素——以凤城市为例

艾晓军，陈占生，耿国帅，罗学辉

（中国地质调查局地球物理调查中心，河北 廊坊 065000）

黑土是地球上珍贵的土壤资源[1，2]，被称为土壤中的“大熊猫”。我国东北黑土区（又称“寒地黑土区”）为全球三大黑土区之一，近年来由于长期高强度、超负荷地利用黑土地，造成了黑土流失，以及土壤贫瘠化、酸化、盐碱化和污染[3，4]。严重的水土流失会导致黑土层厚度明显变薄，至少已有4.47 万km2的黑土流失[5]。据估算，东北黑土厚度正以0.7～1 cm/a 的速度流失，而黑土的形成极为缓慢，每形成1 cm 厚的黑土需要200～400 a[6]。据1979 年我国第2 次土壤普查结果，东北地区的黑土层厚度为16～72 cm，平均为44 cm 左右；但2003 年以后，黑土层厚度在40 cm 以下的地区约有50%，许多地方的黑土层已经消失。因此，保护黑土地，提升黑土地耕地质量，实施东北黑土区水土流失综合治理刻不容缓，这也是守住“谷物基本自给、口粮绝对安全”战略底线的重要保障[7]。2020 年为贯彻落实新时代生态文明建设思想、服务自然资源部“两统一”职责任务，自然资源地表基质层调查首次在河北省保定地区开展试点工作[8，9]；2022 年黑土地地表基质调查在东北全面展开，其中查明黑土区有效土层厚度是地表基质调查的任务之一，这对黑土保护和黑土厚度监测具有十分重要的意义。

辽宁省东部地区以低山丘陵为主，具有有效土层浅薄，土壤侵蚀和水土流失潜在危险程度高的地域特点。有效土层厚度是指作物能够利用的母质层以上的土体总厚度，当有障碍层时则为障碍层以上的土层厚度[10，11]。有效土层厚度是评价耕地质量的一项重要指标。不同地形的土壤有效土层厚度、灌溉能力以及其他自然条件因子不同，最终对作物生长和土壤养分积累的影响不同。如，丘陵和盆地区域耕地质量偏低，导致作物产量偏低；平原区地势平坦，有利于作物生长；湖积平原区和滨海平原区地下水位浅，容易造成土壤盐渍化。田面坡度（农田坡面与水平面的夹角度数）也对土壤质量具有一定的影响。如，山地丘陵地区坡度大，易造成水土流失严重，土层厚度降低，耕地质量下降；伴随水土及养分的流失，坡下地块耕地质量也受到冲击。目前获取有效土层厚度的方法主要有剖面调查插值法和基于探地雷达的有效土层厚度估算法。李岩等[12]利用采集到的栗钙土层厚度数据，在GIS 平台下，采用地统计插值法（克里金/协克里金）和确定性内插法（反距离加权/径向基函数）两类共8种方法对栗钙土层厚度的空间分布进行了预测，结果显示，新增耕地土壤人为扰动大，有效土层厚度分层信息不明显，仅凭开挖剖面调查不易获取。张世文等[13]采取探地雷达对新增耕地的土壤有效土层厚度进行估算，并对探地雷达探测新垦区土层厚度的方法和精度进行了研究，发现利用此方法测量土层厚度的变化是可行的。于秀秀等[14]也发现，利用探地雷达测得的土层厚度结果与实际调查情况吻合较好。为快速获取土层厚度信息，李俐等[15]提出利用土壤机械阻力判别土壤层次结构，设计了一种便携式圆锥仪，在加速度补偿修正非匀速误差的基础上，实现了土层结构及土层厚度信息的精细获取。解迎革等[16]通过在野外试验点对土壤电阻率的实地断层扫描，将其结果与实际测定得到的基岩特征电阻率相结合，成功地进行了林地土层厚度预测。李凤鸣等[17]认为，在测定坡地土壤厚度时将贯入法与电阻成像法结合在一起使用会更加有效。张婧等[18]在地形复杂、耕地细碎、采样点密度不足的黄土丘陵区，基于数字高程模型（digital elevation model，简称DEM） 数据生成地形因子，依据地形因子将研究区划分为不同地形单元，利用克里金插值法对各地形单元进行分层插值，通过叠加不同地形单元的插值结果，得到全区域的土壤有机质含量空间分布，结果表明，该方法的预测精度明显高于全局插值法。此前，对于地形影响大的土壤有效土层的空间插值都是采用全局插值。本次研究选用坡度、坡向和地形位置指数为参数，基于高程模型生成地形因子，依据地形因子将凤城市划分不同地形单元，利用克里金插值法对各地形单元分层插值，通过分层插值准确得到凤城市土壤有效土层厚度分布图，本次针对土壤有效土层厚度采用分层插值属于首次。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

凤城市为辽宁省辖县级市，由丹东市代管，位于辽宁东部，地处黄海北岸，地形地貌以山地丘陵为主，南部有带状平原。地势北高南低，地形复杂多样，海拔高度为4.8～1 208 m。研究区耕地面积为823.13 km2，耕地细碎，分布于全市各种地形单元中（图1）。凤城市成土母质主要为花岗岩和板岩，土壤类型主要为棕壤、粗骨土、草甸土、水稻土和褐土。共收集756 个采样点，约每7.29 km2有1 个采样点，不同地形的采样间距不均匀（图2）。

图2 数字乡村国家合作图谱Fig.2 Digital rural country cooperation map

1.2 有效土层厚度的调查方法

本次有效土层厚度调查点的部署原则是以地形为主，兼顾土地利用类型和土壤类型分区抽样调查布设。按照事先部署的样点，应用GPS 卫星定位系统进行野外定位，根据不同地形和土壤厚度，分别采用洛阳铲、天然剖面、人工剖面调查方法，获取凤城市土壤有效土层厚度。

1.3 数据来源及处理

本研究所用数据包括分辨率为90 m 的DEM 数据［来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云网站（www.gscloud.cn）］、土壤有效土层厚度数据（来源于2022 年辽阳黑土地表基质调查项目）和土地利用类型数据（来源于国土三调）。利用Gis 软件对数字高程模型进行地形因子提取；采用SPSS 软件对样点数据进行描述性统计分析，并进行分层克里金插值，获取凤城市有效土层厚度分布图；利用凤城市有效土层厚度调查值和坐标，采用Gis 软件，分别统计不同土地利用类型、土壤类型、地形单元调查点的分布情况。

2 结果与分析

2.1 凤城市有效土层厚度的分布特征

756 个样本的土壤有效土层厚度为5～265 cm，样本间差异较大，其中最大厚度出现在草河街道保卫范家堡，最小厚度出现在东汤镇三河村。2.1.1 不同土地利用类型的有效土层厚度分布特征 根据三调图斑提取调查点的土地利用类型，统计不同土地利用类型的有效土层厚度。结果（表1）显示，不同土地利用类型的有效土层平均厚度顺序为种植园地＞林地＞草地＞耕地＞水域，其中最大厚度样点分布在种植园地，最小厚度样点分布在林地。

表1 不同土地利用类型的有效土层厚度Table 1 Effective soil layer thickness of different land use types

2.1.2 不同土壤类型的有效土层厚度分布特征 凤城市耕地土壤类型以棕壤为主，主要分布在低山丘陵的坡岗、缓坡、坡脚等地；草甸土、水稻土交错分布在沟谷和河流两岸的冲积平原[19]。根据第2 次土壤调查数据，提取部署点的土壤类型，统计不同土壤类型的有效土层厚度。结果（表2）显示，不同土壤类型的有效土层平均厚度顺序为水稻土＞草甸土＞粗骨土＞棕壤＞褐土，其中最大和最小厚度样点均分布在棕壤。

表2 不同土壤类型的有效土层厚度Table 2 Effective soil layer thickness of different soil types

2.1.3 不同地形单元的有效土层厚度分布特征 地形单元的划分，目前根据研究区实际情况选取坡度（slope）、坡向（aspect）和地形位置指数（topographicposition index，简称TPI）3 个地形指标较多[18]，其中，坡度采用李俊清等[20]森林生态学中的方法分为平坡、缓坡、斜坡和陡坡，坡向分为阴坡（337.5°～22.5°，22.5°～67.5°）、半阴坡（67.5°～112.5°，292.5°～337.5°）、半阳坡（112.5°157.5°，247.5°～292.5°）、阳坡（157.5°～247.5°）和平地5 个等级。本文采用这3 个地形指标，将凤城市地形单元划分成11 类，分别是沟谷、坡脚、阴坡、半阴坡、平地、陡坡、阳坡、半阳坡、坡肩、山脊和平顶峰（图3）；然后采用组平均法进行系统聚类，将这11 个地形单元分成6 类，分别是沟谷、坡底、坡肩、山脊、阳坡和阴坡。采用部署点提取值的方法，分别获取每个调查点的地形类型，统计不同地形单元的有效土层厚度。结果（表3）显示，不同地形单元的有效土层平均厚度顺序为坡肩＞阴坡＞阳坡＞坡脚＞沟谷＞山脊，其中最大厚度样点分布在坡脚，最小厚度样点分布在沟谷。

表3 不同地形单元的有效土层厚度Table 3 Effective soil layer thickness of different topographic units

图3 地形单元划分指标Fig.3 Topographic unit division index

2.1.4 有效土层厚度的横向分布特征 基于地形分类，利用调查数据，采用普通克里金插值方法[21]，制作凤城市有效土层厚度分布图，据此分析凤城市有效土层厚度的分布规律。结果（图4）显示，根据凤城市有效土层厚度的实际情况，将凤城市有效土层厚度分为4 级。厚度≤20 cm 的土壤主要分布在北部地区（石城镇、爱阳镇、赛马镇），该区域海拔相对较高，均在600 m 之上；厚度为21～40 cm 的土壤分布最广，几乎覆盖全市；厚度为41～60 cm 的土壤主要分布在中部地区；厚度≥61 cm 的土壤主要分布在南部地区。

图4 凤城市有效土层厚度分布图Fig.4 Effective soil layer thickness distribution of Fengcheng

2.2 凤城市有效土层厚度分布的影响因素

地形、生物、母质、气候和时间是土壤形成的五大关键因素。对工作区来说，影响土壤有效土层厚度的因素分为自然因素和社会因素，其中自然因素主要是成土因素，社会因素主要是土地利用方式，土地利用方式对土层有效厚度的影响在一定程度上反映了人为活动引起的土壤性状变化[22]。在自然因素中，气候、生物和时间对所有调查点的影响是近似一致的，因此，本文中主要讨论地形和母质对有效土层厚度的影响。

2.2.1 地形对有效土层厚度的影响 地形要素是最基本的自然地形单元，影响着地表物质迁移和能量转换，最终影响着土壤的土层厚度。地形要素包括海拔、坡向、坡度和坡位等，在凤城市地区利用TPI、坡向和坡度对该区地形进行划分。通过分析发现，凤城市山脊有效土层厚度最薄；相对而言，坡肩的土层厚度最厚，其次是阴坡、阳坡、坡脚、沟谷。山脊土层最薄，坡肩土层最厚，与凤城市的土壤母质有关。凤城市土壤母质以花岗岩为主，该类岩石主要由长石类矿物、暗色矿物（云母和角闪石）和石英等组成，暗色矿物易风化，石英最不易风化，由于差异风化的影响以及石英的存在，该类岩石发育的土壤表层以砂土、砂质壤土或壤质砂土为主，较松散，极易受到流水的侵蚀，在上坡部位几乎没有土壤分布，而在坡肩地带会堆积较厚的松散层。

坡向分为阳坡（包括半阳坡）和阴坡（包括半阴坡） 两类。通过分析发现，阴坡的土层厚度大于阳坡。这与坡向影响太阳光的接收，造成土壤温度不同有关。阳坡接收的日照较多，与阴坡相比，温度较高，土壤水分蒸发量较大，土壤水分条件相对较差，容易发生干旱，造成植被生长状况不佳；阴坡上植被生长好，不容易发生水土流失，使得地表坡度较阳坡缓和，土层厚度也较深。从实际情况看，阴坡上除了耕地外还分布着大量的乔木林，而阳坡上分布的主要是灌木林，这也反映了生物对土层厚度的影响。

2.2.2 母质对有效土层厚度的影响 根据凤城市地质调查数据，提取凤城市岩石类型分布信息，利用调查点的有效土层厚度，制作不同基岩形成的土层厚度箱线图。结果（图5）显示，中生代陆相沉积岩发育的土层厚度中值和分布范围最大，其次为太古代—元古代深变质岩、太古代变质侵入岩、中酸性岩浆岩、古生代以碳酸盐岩为主的海相沉积岩；元古代浅变质岩发育的土层最薄，这类岩石的特点是石英含量高，而石英是最成熟、最不容易风化的矿物，故其成土厚度也是最小的。凤城市附近分布着大量中酸性花岗岩，花岗岩风化成的土质主要形成砂质壤土、壤质砂土和砂土等砂质含量较高的壤土，砂质壤土保水能力差，不利于植物生长，容易发生水土流失。

图5 不同基岩发育的土层厚度箱线图Fig.5 Boxplot of soil layer thickness for different bedrock development

3 结论与讨论

凤城市地貌类型属于辽东山地丘陵，在当前黑土层加速变薄和逐渐消失的严峻形势下，摸清该区有效土层厚度的本底值，对监测辽阳—丹东地区水土流失具有十分重要的意义。山地类型有效土层厚度分布特征与地形和成土母质关系密切，凤城市有效土层厚度分布具有北部薄、中间中等、南部厚的特点。针对不同地形单元有效土层厚度的分布特点和成土类型，根据宜林则林、宜耕则耕的原则，建议凤城市坡度＞15°的坡肩位置和阴坡上尽量种树育林，不适合种植庄稼，种植庄稼更容易引起土壤流失。