艾曉軍，陳占生，耿國帥，羅學輝

（中國地質(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，近年來由于長期高強度、超負荷地利用黑土地，造成了黑土流失，以及土壤貧瘠化、酸化、鹽堿化和污染[3，4]。嚴重的水土流失會導致黑土層厚度明顯變薄，至少已有4.47 萬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 年我國第2 次土壤普查結果，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，保護黑土地，提升黑土地耕地質(zhì)量，實施東北黑土區(qū)水土流失綜合治理刻不容緩，這也是守住“谷物基本自給、口糧絕對安全”戰(zhàn)略底線的重要保障[7]。2020 年為貫徹落實新時代生態(tài)文明建設思想、服務自然資源部“兩統(tǒng)一”職責任務，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)查的任務之一，這對黑土保護和黑土厚度監(jiān)測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程度高的地域特點。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，當有障礙層時則為障礙層以上的土層厚度[10，11]。有效土層厚度是評價耕地質(zhì)量的一項重要指標。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，最終對作物生長和土壤養(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，導致作物產(chǎn)量偏低；平原區(qū)地勢平坦，有利于作物生長；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 平臺下，采用地統(tǒng)計插值法（克里金/協(xié)克里金）和確定性內(nèi)插法（反距離加權/徑向基函數(shù)）兩類共8種方法對栗鈣土層厚度的空間分布進行了預測，結果顯示，新增耕地土壤人為擾動大，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]采取探地雷達對新增耕地的土壤有效土層厚度進行估算，并對探地雷達探測新墾區(qū)土層厚度的方法和精度進行了研究，發(fā)現(xiàn)利用此方法測量土層厚度的變化是可行的。于秀秀等[14]也發(fā)現(xiàn)，利用探地雷達測得的土層厚度結果與實際調(diào)查情況吻合較好。為快速獲取土層厚度信息，李俐等[15]提出利用土壤機械阻力判別土壤層次結構，設計了一種便攜式圓錐儀，在加速度補償修正非勻速誤差的基礎上，實現(xiàn)了土層結構及土層厚度信息的精細獲取。解迎革等[16]通過在野外試驗點對土壤電阻率的實地斷層掃描，將其結果與實際測定得到的基巖特征電阻率相結合，成功地進行了林地土層厚度預測。李鳳鳴等[17]認為，在測定坡地土壤厚度時將貫入法與電阻成像法結合在一起使用會更加有效。張婧等[18]在地形復雜、耕地細碎、采樣點密度不足的黃土丘陵區(qū)，基于數(shù)字高程模型（digital elevation model，簡稱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各地形單元進行分層插值，通過疊加不同地形單元的插值結果，得到全區(qū)域的土壤有機質(zhì)含量空間分布，結果表明，該方法的預測精度明顯高于全局插值法。此前，對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各地形單元分層插值，通過分層插值準確得到鳳城市土壤有效土層厚度分布圖，本次針對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。地勢北高南低，地形復雜多樣，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 個采樣點，約每7.29 km2有1 個采樣點，不同地形的采樣間距不均勻（圖2）。

圖2 數(shù)字鄉(xiāng)村國家合作圖譜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。按照事先部署的樣點，應用GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行野外定位，根據(jù)不同地形和土壤厚度，分別采用洛陽鏟、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)［來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡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)（來源于2022 年遼陽黑土地表基質(zhì)調(diào)查項目）和土地利用類型數(shù)據(jù)（來源于國土三調(diào)）。利用Gis 軟件對數(shù)字高程模型進行地形因子提取；采用SPSS 軟件對樣點數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析，并進行分層克里金插值，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，采用Gis 軟件，分別統(tǒng)計不同土地利用類型、土壤類型、地形單元調(diào)查點的分布情況。

2 結果與分析

2.1 鳳城市有效土層厚度的分布特征

756 個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)查點的土地利用類型，統(tǒng)計不同土地利用類型的有效土層厚度。結果（表1）顯示，不同土地利用類型的有效土層平均厚度順序為種植園地＞林地＞草地＞耕地＞水域，其中最大厚度樣點分布在種植園地，最小厚度樣點分布在林地。

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)，提取部署點的土壤類型，統(tǒng)計不同土壤類型的有效土層厚度。結果（表2）顯示，不同土壤類型的有效土層平均厚度順序為水稻土＞草甸土＞粗骨土＞棕壤＞褐土，其中最大和最小厚度樣點均分布在棕壤。

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)實際情況選取坡度（slope）、坡向（aspect）和地形位置指數(shù)（topographicposition index，簡稱TPI）3 個地形指標較多[18]，其中，坡度采用李俊清等[20]森林生態(tài)學中的方法分為平坡、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°）、半陽坡（112.5°157.5°，247.5°～292.5°）、陽坡（157.5°～247.5°）和平地5 個等級。本文采用這3 個地形指標，將鳳城市地形單元劃分成11 類，分別是溝谷、坡腳、陰坡、半陰坡、平地、陡坡、陽坡、半陽坡、坡肩、山脊和平頂峰（圖3）；然后采用組平均法進行系統(tǒng)聚類，將這11 個地形單元分成6 類，分別是溝谷、坡底、坡肩、山脊、陽坡和陰坡。采用部署點提取值的方法，分別獲取每個調(diào)查點的地形類型，統(tǒng)計不同地形單元的有效土層厚度。結果（表3）顯示，不同地形單元的有效土層平均厚度順序為坡肩＞陰坡＞陽坡＞坡腳＞溝谷＞山脊，其中最大厚度樣點分布在坡腳，最小厚度樣點分布在溝谷。

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 地形單元劃分指標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。結果（圖4）顯示，根據(jù)鳳城市有效土層厚度的實際情況，將鳳城市有效土層厚度分為4 級。厚度≤20 cm 的土壤主要分布在北部地區(qū)（石城鎮(zhèn)、愛陽鎮(zhèn)、賽馬鎮(zhèn)），該區(qū)域海拔相對較高，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)、氣候和時間是土壤形成的五大關鍵因素。對工作區(qū)來說，影響土壤有效土層厚度的因素分為自然因素和社會因素，其中自然因素主要是成土因素，社會因素主要是土地利用方式，土地利用方式對土層有效厚度的影響在一定程度上反映了人為活動引起的土壤性狀變化[22]。在自然因素中，氣候、生物和時間對所有調(diào)查點的影響是近似一致的，因此，本文中主要討論地形和母質(zhì)對有效土層厚度的影響。

2.2.1 地形對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、坡向和坡度對該區(qū)地形進行劃分。通過分析發(fā)現(xiàn)，鳳城市山脊有效土層厚度最??；相對而言，坡肩的土層厚度最厚，其次是陰坡、陽坡、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。鳳城市土壤母質(zhì)以花崗巖為主，該類巖石主要由長石類礦物、暗色礦物（云母和角閃石）和石英等組成，暗色礦物易風化，石英最不易風化，由于差異風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，在上坡部位幾乎沒有土壤分布，而在坡肩地帶會堆積較厚的松散層。

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

2.2.2 母質(zhì)對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)查點的有效土層厚度，制作不同基巖形成的土層厚度箱線圖。結果（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，這類巖石的特點是石英含量高，而石英是最成熟、最不容易風化的礦物，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，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 結論與討論

鳳城市地貌類型屬于遼東山地丘陵，在當前黑土層加速變薄和逐漸消失的嚴峻形勢下，摸清該區(qū)有效土層厚度的本底值，對監(jiān)測遼陽—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。針對不同地形單元有效土層厚度的分布特點和成土類型，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。