《Soil and Tillage Research》：The thickness and variation rate of mollic epipedon in the drylands of northeastern China over the past 40 years
编辑推荐：
mollic epipedon厚度时空变化研究：东北干旱区1980s-2020s的厚度监测方法（随机森林算法）与空间预测模型构建，揭示厚度年均减少0.25cm，受土壤类型（如Hapli-Udic Isohumosols最大45cm）和坡位（上坡0.38cm/y，下坡0.13cm/y）显著影响，为黑土保育提供数据支撑。
马丽霞|张高|胡文友|于东升|蒋俊|李德成|高磊|刘峰|王长坤|赵永坤|赵玉国|贾忠军|彭新华
中国科学院土壤科学研究所土壤与可持续农业国家重点实验室，南京 210008，中国
摘要
明确中国东北地区耕地表层土壤（mollis epipedon）的厚度及其时间变化率对于保护Mollisols土壤和保障粮食安全至关重要。然而，由于缺乏全面的数据集以及不同时期采样点在空间上的不匹配，准确测定表层土壤的厚度及其变化率具有挑战性。本研究主要旨在确定过去40年中国东北地区干旱地区表层土壤厚度的时空变化情况。我们开发了一种方法，用于识别20世纪80年代收集的4410个土壤剖面中的表层土壤厚度。20世纪20年代，我们提出了一种快速调查方法来测量表层土壤厚度。随后，我们分别使用随机森林算法为20世纪20年代和80年代的表层土壤厚度建立了空间预测模型。最后，通过结合采样点和空间分布数据，评估了过去40年干旱地区表层土壤的厚度及其变化情况。结果表明，无论是识别方法（R2 = 0.80，N = 69）还是快速调查方法（R2 = 0.91，N = 69），在测定表层土壤厚度方面都表现良好。空间预测模型在20世纪20年代和80年代也表现良好，其R2（RMSE）值分别为0.94（9.1厘米，N = 732）和0.94（8.8厘米，N = 4410）。空间分布数据显示，两个时期表层土壤厚度均呈从北向南递减的趋势，20世纪20年代的平均厚度为45.0厘米，过去40年的减薄速率为每年0.25厘米。采样点的结果支持了表层土壤厚度变化率的空间分布（R2 = 0.78，N = 69）。表层土壤的厚度及其变化率与土壤类型和坡度位置有关。Hapli-Udic Isohumosols土壤类型的表层土壤厚度最大，而Hapli-Udic Argosols土壤类型的厚度最小，前者的减薄速率最高（0.38厘米/年）。减薄速率随坡度位置的增加而减小，上坡、中坡和下坡的减薄速率分别为0.38厘米/年、0.27厘米/年和0.13厘米/年。这是首次利用大规模采样数据和机器学习方法对中国东北地区过去40年表层土壤厚度及其变化进行的大规模评估。这些发现为Mollisols土壤的保护提供了宝贵的技术和数据支持。
引言
Mollisols在中国土壤分类（Isohumosols）（Gong等人，2007年）、美国土壤分类（Soil Survey Staff，1999年）以及世界土壤资源参考数据库（Chernozems、Kastanozems或Phaeozems）（IUSS工作组WRB，2022年）中的定义有所不同。尽管存在这些差异，但这些定义的一个共同特点是具有富含有机碳（≥6克/千克）的黑色表层（湿润土壤的亮度和色度<3.5）。这使得Mollisols土壤非常适合农业生产（Batjes，2014年；Meng等人，2024年）。中国东北地区是世界上四个主要Mollisols土壤分布区之一，对粮食生产至关重要（Liu等人，2021a；Xie等人，2019年）。Mollisols土壤的表层土壤厚度是土壤肥力的关键指标，直接影响土壤生产力（Duan等人，2011年；Guo等人，2021年）。研究表明，表层土壤流失10厘米会导致大豆产量减少5.3%-12.4%，玉米产量减少9.4%-13.0%（Gao等人，2015年；Liu等人，2010年；Zhou等人，2015年）。因此，量化表层土壤的厚度及其变化对于确保粮食安全至关重要。
以往的研究主要集中在调查土壤层厚度、风化层和基岩深度上（Chen等人，2019年；Pelletier等人，2016年；Shangguan等人，2017年），很少关注表层土壤的具体厚度。一些研究使用了非破坏性的地面穿透雷达来测量土壤厚度（Liu等人，2021b）。然而，这种方法的准确性可能受环境条件的影响，限制了其普遍适用性。直接测量方法，如剖面挖掘和钻探（Zhang等人，2020年）更为常见，但存在局限性：前者劳动强度大且具有破坏性，而后者虽然效率高，可能会忽略小范围的厚度变化，从而降低测量的可靠性。因此，需要一种快速、准确且可靠的野外调查方法来评估表层土壤的厚度。
土壤厚度的变化通常通过侵蚀模型进行评估（Liu等人，2010年；Tang等人，2013年）。然而，在中国东北地区，复杂的侵蚀模式（风蚀、水蚀、融雪蚀和冻融蚀）使得单一类型的侵蚀模型不够适用（Zou等人，2024年）。此外，除了侵蚀之外，土壤压实和土壤有机质（SOM）的减少等因素也会影响耕地表层土壤厚度的变化（Zhang，2010年）。鉴于表层土壤的独特特性（Gong等人，2007年），估计的侵蚀率可能并不直接等同于表层土壤厚度的变化。因此，基于不同时期的数据集来评估表层土壤厚度的变化更为合适。20世纪80年代，中国的第二次全国土壤调查从多个采样点收集了大量土壤剖面数据（Yu等人，2007a）。然而，历史数据记录的是不同土壤层的厚度，而非表层土壤的厚度。因此，迫切需要开发一种方法，从历史土壤剖面中识别表层土壤的厚度，以用于评估其变化。
以往的研究通常使用观测站或采样点的数据来评估表层土壤厚度的变化（Fan等人，2005年）。然而，由于人类活动的复杂性以及受复杂地形影响的土壤侵蚀和沉积模式的变化，有限的观测站无法完全捕捉表层土壤厚度的区域变化（Liu等人，2023b；Shen等人，2023年）。不同时期的采样点也可能具有不同的特征和空间分布，这使得准确描述厚度变化变得困难。鉴于这些限制，需要进行空间预测，以克服基于点观测的不连续性，并更好地评估表层土壤厚度的区域变化和时间变化（Zhang等人，2020年）。
为了预测土壤厚度的空间分布，主要采用了三种方法：插值法、物理模型和经验模型（Kuriakose等人，2009年；Zhang等人，2020年）。插值方法包括地质统计和非地质统计技术，前者基于自相关理论，后者无法考虑协方差（Kuriakose等人，2009年；Sarkar等人，2013年）。物理模型基于风化、侵蚀和物理性质来预测厚度，需要大量的野外数据，这限制了它们在大尺度上的应用（Minasny和McBratney，1999年）。经验模型建立了土壤厚度与环境变量（如降水量、海拔）之间的统计关系，分为基于推断的方法和基于环境的方法。基于推断的方法利用已知的土壤厚度与植被和土壤类型等指标之间的关系，但常常忽略空间连续性和变化性（Treiber和Krusinger，1979年）。基于环境的方法则利用环境因素与土壤厚度之间的线性或非线性关系来预测空间分布（Lagomarsino等人，2017年；Mehnatkesh等人，2013年；Ziadat，2005年）。
最近关于预测土壤厚度空间分布的研究通常使用基于环境模型的方法，这些方法结合了地形、植被和土地利用等环境因素与机器学习算法（如随机森林RF）（Shangguan等人，2017年；Wang等人，2021年；Yan等人，2020年；Zhang等人，2020年）。这些研究通常在两个尺度上进行：流域尺度模型的空间分辨率为10米至30米（Kuriakose等人，2009年；Mehnatkesh等人，2013年；Sarkar等人，2013年；Wang等人，2021年；Zhang等人，2020年）和区域尺度模型的空间分辨率为100米至20公里（Pelletier等人，2016年；Shangguan等人，2017年）。总体而言，流域尺度模型的准确性更高（R2为52%-89.3%），而区域尺度模型的准确性较低（R2为23%-51%）。尽管随机森林在土壤厚度预测中广泛应用，但其在区域尺度上预测表层土壤厚度的准确性尚不明确。
本研究的主要目的是确定1980年代至2020年代中国东北地区干旱地区表层土壤的厚度及其变化率。具体而言，我们的目标是：（1）提出在20世纪80年代和20世纪20年代获取表层土壤厚度的方法；（2）使用RF算法为这两个时期开发表层土壤厚度的空间分布预测模型；（3）定量评估表层土壤的厚度及其变化，从而为Mollisols土壤的保护提供技术和数据支持。
研究区域
中国东北地区的Mollisols土壤分布区（经度：115.52°E - 135.09°E，纬度：38.72°N - 53.56°N）涵盖黑龙江省（HLJ）、吉林省（JL）、辽宁省（LN）以及内蒙古自治区（NM）的东部四个盟（Luo等人，2023年），面积约为1090,000平方公里，占中国总面积的约11%。该地区的地形以中部平原为主，三面环山，形成类似盆地的地形（图1a）。大约95%的耕地位于
快速调查和识别方法的准确性
2023年使用快速调查方法和剖面挖掘方法测量的表层土壤厚度之间的比较显示出显著的相关性（p < 0.001），相关系数R2为0.94，均方根误差（RMSE）为6.9厘米（y = 1.01x – 0.79，N = 69）（图3a），表明结合挖掘和土壤钻探的快速调查方法可以用来获取表层土壤厚度。从历史土壤剖面中识别的表层土壤厚度也与通过快速调查方法获得的厚度具有显著相关性
获取表层土壤厚度方法的可行性
虽然剖面挖掘方法能够准确捕捉特定采样点的表层土壤厚度，但它劳动强度大且具有破坏性。因此，也使用土壤钻探方法来研究表层土壤厚度（Gao等人，2024年）。然而，由于土壤压实，土壤钻探方法可能会低估表层土壤的厚度（图2a）。结合剖面挖掘和土壤钻探的快速调查方法更为合适（Gao等人，2024年）。
结论
为了明确中国东北地区干旱地区表层土壤的厚度及其变化率，首先以90米的空间分辨率绘制了1980年代至2020年的表层土壤厚度及其变化率。主要结论如下：结合挖掘和土壤钻探的快速调查方法可以在野外准确测量表层土壤厚度（R2 = 0.94，RMSE = 6.9厘米，N = 69）。从土壤剖面中识别的表层土壤厚度方法也同样有效（R2 = 0.80，RMSE
CRediT作者贡献声明
彭新华：概念构思。贾忠军：可视化、项目管理和资金筹集。赵玉国：项目管理和方法论。赵永坤：资源管理和数据管理。马丽霞：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、方法论、概念构思。蒋俊：资源管理和数据管理。于东升：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论、概念构思。胡文友：撰写——审稿与编辑、项目
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了中国科学院战略性重点研究计划（XDA28010100）、国家重点研发计划（2021YFD1500202、2024YFD1501102）的支持。我们感谢Tong Wang、Xin Wang、Jie Song、Qixun Ding、Mengmeng Luo、Fengqin Chi、Jiuming Zhang、Enjun Kuang、Yingde Xu、Yueyu Sui、Yimin Chen、Enze Xie、Chao Zhang等人在数据收集方面的帮助。匿名审稿人提出的宝贵建议也非常感谢
