中国东北黑土发育的时空演化与潜在驱动因素：多代用指标地质记录的综合

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Spatiotemporal evolution and potential drivers of black soil development in Northeast China: A synthesis of multi-proxy geological records

　　

摘要 理解中国东北典型黑土的成因、演化及其潜在驱动机制对于其生态保护和可持续利用至关重要。然而，黑土形成和发育的框架——包括其起始、高峰和确立的时间，以及与气候因素的关系——仍缺乏足够的约束。这里，我们综合了来自中国东北松嫩黑土区（BSR）的 38 个已发表黑土序列，时间跨度为过去 30 ka。我们的方法将绝对定年与贝叶斯年龄 - 深度模型相结合，通过外推和内插来约束岩性单元的年龄。我们进一步将黑土演化历史与综合的定量古气候记录进行比较，并量化气候变量对区域黑土发育的单独贡献。我们的结果表明，不同岩性单元数量和百分比的共同变化提供了揭示过去黑土演化的有用指标。在 ~24 ka 之前，黄土沉积主导了现代典型 BSR，初始黑土形成发生在 ~24 至 16.5 ka 之间。随后，黑土在末次冰消期和早全新世期间逐渐增加，无论是丰度还是空间范围都是如此。到了中 - 晚全新世，黑土几乎完全取代了黄土，成为主导景观，确立了该区域黑土现代时空分布格局。定量分析表明，在年际至夏季尺度上，年均降水量（MAP）和风况是影响最大的两个气候变量（分别占 72.71% 和 75.23%），尽管其效应相反。然而，在生长季尺度上，MAP 和生长季温度（Tgrow）共同促进黑土发育（合计占 72.22%）。这些发现凸显了在未来增暖增湿趋势下，减少风蚀和风扰是中国东北黑土保护的关键。

引言 受中国北方地质时间尺度上气候和植被时空分异的影响（Chen et al., 2008, Chen et al., 2015, Chen et al., 2019），自然土壤的空间分布表现出明显的经度地带性。这种地带性表现为在中国东北半湿润至湿润地区出现暗棕壤、黑钙土、淋溶土（相当于引用的参考文献中的暗棕林土）和沼泽土（草甸土）；在中国华北半湿润至半干旱带出现初育土（棕壤）和淋溶土（褐森林土）；以及在中国西北半干旱至干旱区出现栗钙土、褐钙土和灰漠土（Zhu and He, 1992; Chen, 2010; Fig. 1A）。与上述跨越不同水分条件的土壤相比，黑土——包括暗棕壤和黑钙土——是深色腐殖质土壤，以持续的腐殖质积累和淋溶为特征。这些土壤主要发育在温带半湿润季风气候下，支撑着森林 - 草甸或草甸状植被（Wei and Meng, 2017; Han and Li, 2018; Zhang et al., 2020; Yang et al., 2023; Zhang et al., 2023）。由于其深厚的腐殖质层、高内在肥力（Yu et al., 2006; Zhang, 2010a）、良好的理化性质（Dai et al., 2024）和强大的生物活性（Guo et al., 2023），黑土具有重要的农业重要性（Gong et al., 2009; Gerasimova, 2010）。

全球范围内，黑土覆盖面积约 7.25 × 10^6 km^2（FAO, 2022），占全球土壤的约 5.6%（或无冰陆地表面的 ~7%）。它们主要分布在北半球中高纬度的密西西比河流域、乌克兰平原和中国东北，以及南半球的潘帕斯草原（Zhang, 2010b; Liu et al., 2012; Zhang et al., 2020）。在中国，黑土区（BSR）主要分布在中国东北，包括松嫩平原、三江平原、大兴安岭西麓和长白山西坡（Sun et al., 2024）。该区域以暗棕壤、黑钙土、栗钙土和灰森林土为主，估计总面积为 55.6 × 10^4 km^2（Liu et al., 2021; Fig. 1A）。过去几十年，该区域被 intensive 耕作，特别是用于粮食生产，并继续在中国乃至全球粮食安全中发挥着关键作用（Cheng et al., 2018; FAO, 2022）。然而，由于长期耕作，加上 intensifying 风蚀和水蚀（Duan et al., 2011; Liu et al., 2013; Zhang et al., 2015; Wang et al., 2022）以及反复的冻融过程（Fan et al., 2004; Xu et al., 2010），中国东北的黑土逐渐变薄并空间破碎化。同时，土壤结构恶化，伴随养分含量的显著下降（Xu et al., 2010）。这一趋势对黑土资源的可持续利用和全球粮食安全构成了严重威胁。因此，BSR 已成为水土保持工作的重点。

了解中国东北黑土的成因、发育及潜在驱动机制是该区域生态保护和可持续利用的前提。然而，关于黑土发育的起始、高峰和衰退年龄，以及其演化的时空框架及其对区域气候变化的响应，仍存在相当大的争议。黑龙江嫩江北小流域典型黑土剖面附近的高分辨率常规 14C 测年表明，黑土最初发育于 ~24–19 cal ka BP，即晚更新世——这一结果与黑龙江省齐齐哈尔市附近剖面的 AMS 14C 测年结果大致一致（Cui et al., 2021）。相比之下，位于松辽平原东部的海伦市多个剖面的 AMS 14C 测年表明，大多数黑土形成于早至中全新世（Song et al., 2020, Song et al., 2022a; Chen et al., 2022）。最新的光释光（OSL）测年证据表明，基于分布在中国东北 BSR 南部、中部和北部的 YA、HL、LD、SH 和 LS 剖面获得的 OSL 年龄，黑土形成始于末次冰消期（~16 ka）（Yang et al., 2023; Zhang et al., 2024a; Shi et al., 2024）。此外，典型黑土下伏地层的 OSL 测年间接证据表明土壤发育跨度为 ~65–2 ka，可追溯至末次冰盛期（Zhang et al., 2024b）。总之，这些证据表明，典型黑土的年龄在东北中国 BSR 的不同地貌和地点存在很大差异。因此，黑土发育的起始时间以及随后的大规模扩张（高峰）仍未得到很好的约束，这阻碍了我们了解该区域黑土形成的发育历史和时空格局。更关键的是，由于黑土形成和演化历史的不确定性，土壤发育与区域气候之间的关系仍然模糊。尽管一些研究强调了降水和温度在黑土形成和演化中的主导作用（Cui et al., 2008; Wei and Meng, 2017; Zhang and Jiao, 2020; Song et al., 2022a; Shi et al., 2024），但单个气候因素在区域尺度上的相对贡献仍未量化。因此，从区域视角重建黑土的发育轨迹并量化各种气候因素的单独贡献至关重要。这些信息将为未来全球气候变化情景下黑土资源的高效和可持续管理提供理论基础。

如上所述，仅基于有限数量的代表性沉积序列的黑土发育过程重建本质上是不完整的，这是由于地理环境、地貌条件、岩性组合、定年方案和采样分辨率的差异造成的。为此，Liu 等人（2022）提出，古土壤单元数量和比例的共同变化是亚洲夏季风边界（ASMB）古环境变化的稳健替代指标。他们的方法依赖于绝对年龄的内插或外推来约束多个剖面内岩性单元的边界，从而揭示区域尺度的古土壤发育模式，特别是在中国东北典型黑土区附近的呼伦贝尔和科尔沁沙地。事实上，贝叶斯年龄 - 深度建模（Blaauw and Christen, 2011）已被证明在建立年代框架方面优于传统的内插/外推方法（Li et al., 2014; Xu et al., 2020; Liu et al., 2022）。对岩性单元变化的综合——每个单元反映特定的沉积环境或表面过程——可以进一步从区域视角产生可靠的时空框架。此外，多元线性回归（MLR）等统计方法与传统定性比较相比具有明显优势，因为它们能够定量评估多个潜在强迫因素的单独贡献（Liu et al., 2022）。

在此背景下，我们基于 38 个代表性沉积剖面，提出了过去 30 ka 中国东北松嫩黑土子区域黑土时空演化的综合。利用已发表的降水量、温度（包括季节变化）和风况记录，我们进一步量化了多个气候因素对典型黑土发育的相对贡献。具体而言，本研究旨在：(1) 通过整合贝叶斯年龄 - 深度建模和基于 ArcGIS 的空间分析，以 0.5 ka 为间隔重建黑土发育的时空动态；(2) 基于年均降水量（MAP）、年均温度（MAT）、夏季温度/最热月平均温度（ST/Tw）、生长季温度（Tgrow）和风强度的定性及定量替代指标，表征同一时间分辨率下典型黑土形成的气候背景；(3) 使用定性评估和定量统计方法，识别并量化控制区域黑土演化的主要气候驱动因素。总之，我们的发现为理解中国东北典型黑土的发育提供了稳健的框架，特别强调了各种气候变量在地质时间尺度上塑造这些土壤演化历史中的差异作用。

章节片段 区域概况
以暗棕壤和黑钙土的空间分布作为诊断标准，Liu 等人（2021）划定了中国东北黑土区（BSR）内典型黑土区（TBSR）的边界。TBSR 包括三个主要子区域——蒙东、松嫩和三江黑土区——总面积约为 33.3 × 10^4 km^2。其中，松嫩黑土子区域覆盖 21 × 10^4 km^2（图 1B），主要位于

数据来源
为了阐明黑土的发育历史及其与各种气候因素的关系，我们汇编了一套基础数据集，包括：(1) 具有绝对定年结果和明确定义的岩性单元的已发表典型黑土剖面；(2) 代表性的定量古气候记录，包括 MAT、MAP、ST/Tw 和 Tgrow，均源自现代校正；以及 (3) 亚洲冬季风（风况）的定性记录。具体而言，我们汇编了

30 ka 以来中国东北松嫩黑土区的黑土时空发育
自 30 ka 以来，中国东北典型黑土区（TBSR）各种岩性单元综合的数量和百分比，以及总记录数量的变化，如图 2 所示。总体而言，粘土、风成沙和湖相沙的数量和百分比非常低，这意味着这些单元在过去 30 ka 的松嫩 BSR 中很少见。相比之下，黑土和黄土的数量和百分比显著更高，意味着

结论 通过综合已发表的典型黑土剖面数据以及定性和定量古气候记录，我们重建了过去 30 ka 中国东北黑土发育的时空模式及其环境背景。这一综合为阐明黑土形成与区域气候变化的关系提供了地质框架。我们的主要结论如下：24 ka 之前，黄土景观主导了现代

CRediT 作者贡献声明
刘兵：撰写 – 原稿、方法学、形式分析、概念构思。郑晓：撰写 – 原稿、资源、方法学、概念构思。杜和强：资源、调查。李森：资源、调查。

梁晓磊：资源、调查。未引用参考文献：Li et al., 2018
利益冲突声明：作者声明他们与他人或组织没有可能不当影响本研究的财务和个人关系，对于任何产品、服务和/或公司，没有可能被解释为影响本文提出的立场或本文审查的任何性质或种类的专业或其他个人利益。
致谢：本工作由国家重点研发计划（2024YFD1501400）和国家自然科学基金（42671221）共同资助。我们感谢扬·布洛门达尔博士对英文进行的润色。
刘冰 | 郑晓 | 杜荷强 | 李森 | 梁晓磊
中国科学院西北生态环境资源研究院干旱地区生态安全与可持续发展重点实验室，中国 兰州 730000