整合多种方法揭示黑土区流域土壤侵蚀时空格局

《Land Degradation & Development》：Integrating Multiple Approaches to Reveal the Spatiotemporal Pattern of Soil Erosion in Mollisol Watershed

　　

尽管已开发出众多预测方法，但在流域尺度上科学估算土壤侵蚀的时空格局仍具挑战性。在本研究中，研究人员利用沉降放射性核素²¹⁰Pb_ex（铅-210过剩）和¹³⁷Cs（铯-137）来估算中国东北黑土区流域的年均土壤侵蚀与沉积。此外，研究人员还采用了中国土壤流失方程（Chinese Soil Loss Equation, CSLE）和基于指纹识别技术的源-汇理论来追溯黑土区流域的土壤侵蚀历史。结果表明，²¹⁰Pb_ex和¹³⁷Cs预测的年均土壤侵蚀速率因来源和环境行为差异而不一致，分别为107.4 t ha^?1 a^?1（超过60年）和27.3 t ha^?1 a^?1（自1963年以来）。然而，两种方法估算的侵蚀面积占流域总面积的比例相似，介于50.4%至53.2%之间。²¹⁰Pb_ex显示侵蚀主要发生在北向坡，而¹³⁷Cs则显示南向坡，仅在沉积位置上有部分一致。CSLE预测的侵蚀与¹³⁷Cs方法显著相关（p < 0.05），但与²¹⁰Pb_ex方法不相关。结合遥感和源-汇理论，研究人员推测，从20世纪初至1963年，复合侵蚀和沟蚀是主要类型，而从1963年至2021年，降雨引起的坡面侵蚀成为主要类型。土壤侵蚀主要发生在1963年之前的农田开垦初期，而次生林能有效减少土壤侵蚀。早期无水土保持的土地开垦导致了初始阶段的显著侵蚀，但随着土地管理实践的改善，土壤侵蚀速率趋于稳定。总体而言，这些方法的整合能够有效追溯土壤侵蚀的空间格局，并确定长期历史时期内的侵蚀类型转变。本研究强调，土壤侵蚀评估应在长时间尺度上整合多种方法，以科学指导黑土区的土壤侵蚀控制策略。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
土壤侵蚀对农业生产和生态环境质量构成严重威胁，制定合理的侵蚀控制方案依赖于对土壤侵蚀历史的清晰认识。目前，用于预测土壤侵蚀的方法众多，例如基于过程的WEPP（Water Erosion Prediction Project）模型和基于USLE（Universal Soil Loss Equation）系列的模型（如USLE、RUSLE、MUSLE、CSLE），但这些模型仅能模拟水蚀，且在不同时间尺度上精度有限。沉降放射性核素¹³⁷Cs和²¹⁰Pb_ex结合土壤容重可精准追溯特定时期的侵蚀与沉积，但无法区分侵蚀类型。以往研究多集中于坡面尺度，采样点有限，缺乏流域尺度的系统分析，尤其难以揭示复杂景观和地形影响下的侵蚀-沉积格局。黑土（Mollisol）是全球广泛分布的肥沃土壤，但在中国东北黑土区，土壤侵蚀已导致土壤质量和作物产量显著下降，威胁粮食安全。因此，亟需在流域尺度上整合多种方法，以科学认知土壤侵蚀的历史演变过程，为制定有效的控制措施提供依据。该研究发表在《Land Degradation》期刊上。

**研究方法**
研究人员在黑龙江省海伦市光荣流域（1.86 km²）开展研究，共设置119个采样点，采集0–20 cm、20–25 cm和25–30 cm三个土层的357个土壤样品。主要关键技术方法包括：（1）基于¹³⁷Cs和²¹⁰Pb_ex的放射性核素示踪法，用于估算年均土壤侵蚀速率；（2）基于指纹识别技术的源-汇理论，分析各子流域对沉积区的贡献；（3）CSLE模型，模拟降雨引起的坡面侵蚀；（4）空间分析，采用反距离加权（IDW）插值和全局莫兰指数（Moran's I）进行空间自相关分析。研究区域为典型黑土，土地利用以农田（86.9%）和次生林为主，开垦始于20世纪初。

**研究结果**

**3.1 流域内¹³⁷Cs和²¹⁰Pb_ex的比活度**
¹³⁷Cs和²¹⁰Pb_ex的比活度范围分别为0–9.70 Bq kg^?1和0–42.79 Bq kg^?1，且空间变异随土层加深而增大。¹³⁷Cs比活度在三个土层中空间格局相似，而²¹⁰Pb_ex的空间格局差异较大，在靠近沟道或水力通道的区域比活度较低。

**3.2 两种方法对土壤侵蚀的估算**
¹³⁷Cs方法预测的年均土壤侵蚀速率为27.34 t ha^?1 a^?1，²¹⁰Pb_ex方法为107.41 t ha^?1 a^?1，后者高出约74.5%。两种方法估算的侵蚀面积比例相似（53.2% vs 50.4%），但空间格局不同：¹³⁷Cs显示侵蚀主要发生在部分坡顶、沟道周边和南向坡，而²¹⁰Pb_ex显示北向坡、林地和村庄区域侵蚀严重。在坡向、坡度和耕作方式分组内，同一方法估算的侵蚀无显著差异，但²¹⁰Pb_ex方法在>8°坡度上显著高于其他坡度。

**3.3 源-汇理论与三种方法对侵蚀的估算**
基于指纹技术的源-汇分析表明，在0–30 cm土层中，子区域4和5是沉积区的主要源区；在0–300 cm和0–500 cm土层中，子区域3和6成为主要源区。然而，¹³⁷Cs和²¹⁰Pb_ex方法估算的侵蚀与源区贡献比例之间无显著回归关系（p > 0.05），而CSLE方法与源区贡献比例在0–300 cm和0–500 cm土层中呈显著正相关（p < 0.05）。

**讨论与结论**
**讨论**部分指出：¹³⁷Cs方法反映1963年以来的侵蚀（约58年），而²¹⁰Pb_ex方法反映超过100年的累积侵蚀，因此后者估算值更高。早期无保护的开垦导致1963年前侵蚀严重，随后土地管理改善使侵蚀速率趋于稳定。CSLE与¹³⁷Cs方法显著相关，但与²¹⁰Pb_ex不相关，表明降雨引起的坡面侵蚀是近58年的主要类型。空间差异源于两种方法的计算原理不同：¹³⁷Cs受核活动影响，²¹⁰Pb_ex依赖自然大气沉降。土壤有机质（SOM）是影响两种方法表现的关键因素，它与¹³⁷Cs比活度在所有土层显著相关，但与²¹⁰Pb_ex仅在20–25 cm和25–30 cm土层显著相关。相比²¹⁰Pb_ex，¹³⁷Cs的垂向分布更稳定，更适合追溯本流域1963年以来的侵蚀。子区域5因坡度较高、土地利用单一，CSLE与¹³⁷Cs方法在该区域显著相关，表明地形和土地利用均匀性可减少方法间的差异。

**结论**部分翻译如下：总体而言，¹³⁷Cs和²¹⁰Pb_ex分别可用于追溯中国东北黑土区60年和超过60年的复合侵蚀引起的土壤流失。CSLE、¹³⁷Cs、²¹⁰Pb_ex方法以及源-汇理论和遥感的整合，能够追踪土壤侵蚀的时空演变，并揭示长期历史时期内不同侵蚀类型间的转变。尽管本研究纳入了大量流域尺度数据集，但未来仍需扩展研究区域并开发新方法，以更好地表征全球不同区域黑土区土壤侵蚀的空间格局和历史。