于 悅，張科利，劉 亮，張 威

(1.遼寧師范大學地理科學學院，116029，遼寧大連；2.北京師范大學地理科學學部地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，100875，北京；3.北京師范大學地理科學學部地理學院，100875，北京；4.南京林業(yè)大學林學院，210037，南京)

土壤侵蝕是世界性的生態(tài)環(huán)境問題之一，也是我國面臨的重要危機，已經引起廣泛重視。土壤侵蝕定量研究主要通過野外調查法、徑流小區(qū)監(jiān)測、人工降雨和核素示蹤，以及遙感調查等方法獲取數(shù)據(jù)。土壤磁化率技術作為土壤侵蝕研究的新方法，從20世紀中期第五屆國際土壤大會介紹土壤磁性[1]開始，關于土壤磁性原理的研究逐漸增多。Le Borgne[2]首次利用磁性測量技術豐富土壤學的研究方法。20世紀70 年代，Mullins[3]闡述環(huán)境磁學的相關知識，并系統(tǒng)地總結土壤磁性礦物顆粒的性質及其發(fā)生理論，為土壤磁性研究奠定堅實的基礎。近幾十年，土壤磁化率技術在土壤侵蝕領域的應用日益發(fā)展起來，這種優(yōu)化的分析手段能夠幫助研究者全面理解坡面侵蝕沉積過程，從而預報并有效預防土壤侵蝕。

磁性是自然界物質普遍存在的客觀規(guī)律，但磁性的強弱會因土壤的物質組成和結構而異，不同物質的磁性差異很大。土壤屬于弱磁性物質，其磁性不易被直接感知，通常需要借助儀器獲取。土壤磁化率是表征土壤磁性強弱的定量指標和直接度量，反映物質被磁化的難易程度，其大小正比于土壤黏粒含量。最早的環(huán)境磁學側重于古環(huán)境的研究，磁測手段也繁瑣復雜，隨著科學技術的發(fā)展，電子磁化率儀為快速簡單地獲取土壤磁性指標提供可能，土壤磁化率被應用于土壤侵蝕研究的案例越來越多。一般而言，未受擾動的土壤剖面具有表層磁化率增強現(xiàn)象，而且土壤磁化率高低與成土環(huán)境有顯著的相關性[3-4]。受侵蝕影響的坡面，土壤磁化率因土壤顆粒在坡面侵蝕、搬運與沉積而發(fā)生改變。因此，借助土壤磁化率在坡面及剖面上的異質性，能夠反演長時間序列和廣空間尺度的土壤侵蝕和再分配過程。

已有的綜述性文章注重水土保持與宏觀研究手段，尚未分析近些年磁化率技術在水土保持領域的發(fā)展進展，缺乏基于磁化率技術的土壤侵蝕研究的系統(tǒng)整理。筆者梳理相關文獻資料，闡述土壤磁性與土壤侵蝕規(guī)律的內在聯(lián)系，從時空分布、磁性載體類型和指標量定等角度，綜述基于磁化率技術的土壤侵蝕研究。

1 土壤磁性特征與侵蝕的關系

1.1 剖面土壤磁性特征

土壤磁性在坡面和剖面上的分布規(guī)律與地形和母質關系密切。在不同的成土環(huán)境下，經過漫長的成土過程，相同環(huán)境下的土壤形成各自的地帶性特征。對于弱磁性母質發(fā)育的土壤而言，磁化率隨土壤深度的增加逐漸減小，母質層磁化率最低，即表層增強性。表層增強性規(guī)律在溫帶地區(qū)的土壤中較明顯，而在干旱區(qū)和低溫區(qū)不明顯[2-4]。de Jong等[5]認為侵蝕區(qū)剖面土壤磁化率隨土層深度的增加而變化，證實土壤磁化率的表層增強性并將磁化率技術與不同地貌(坡面)部位的土壤剖面特征建立聯(lián)系，由于坡下土壤受淋溶作用影響，土壤中亞鐵磁性礦物發(fā)生轉化，因此磁化率值偏小，與弱磁性母質發(fā)育的土壤剖面的磁性規(guī)律有異。

我國地域遼闊，地帶性和非地帶性土壤廣泛分布，不同類型土壤的磁性具有較強的異質性。我國的自然土壤磁性研究于20 世紀80 年代起步，初期成果主要為土壤磁性理論和土壤磁性調查的研究。劉孝義等[6]對我國東北地區(qū)幾種主要土壤進行磁測，建立各類型的土壤有機質與磁化率的關系。盧升高[4]和俞勁炎等[7]系統(tǒng)地梳理環(huán)境磁學和土壤磁性的相關理論基礎，并匯總我國南方地區(qū)的土壤磁性數(shù)據(jù)庫。近年來，磁化率技術被成功應用于土壤侵蝕和土壤再分配研究。

1.2 坡面表層土壤磁性特征

磁化率異質性普遍存在于長期受人類耕作活動影響的農地坡面，地形、耕作方式和管理措施等因素決定坡面土壤的運移規(guī)律[8]。土壤中細小的黏粒具有較高的磁性，是土壤磁性的主要來源，因此，土壤磁化率值反映土壤質地，揭示土壤顆粒的分離與搬運過程。磁化率技術在土壤侵蝕領域的研究正處于發(fā)展階段，其研究載體有自然土壤和人工磁性物質2類。

1.2.1 自然土壤磁性變化與土壤遷移 土壤磁性的大小受成土過程和成土環(huán)境影響，超順磁性顆粒的數(shù)量直接影響土壤磁性，超順磁性顆粒在土壤侵蝕過程中被搬運至坡下，在坡下呈現(xiàn)出磁性富集現(xiàn)象。Dearing等[9-10]首次將磁化率技術應用到土壤再分配研究中，闡述磁化率的坡面異質性并證實土壤再分配現(xiàn)象的存在。在地形、降水、土地利用類型等數(shù)據(jù)的基礎上，磁學技術有助于綜合分析和理解土壤侵蝕和堆積過程，為土壤侵蝕預報提供有力支撐。Karchegani等[11]和Rahimi等[12]將137Cs活度和磁化率2種方法結合，探究伊朗西部弱磁性石灰?guī)r母質坡面土壤磁性分異規(guī)律。然而，并沒有確切的證據(jù)表明土壤磁性與137Cs活度存在聯(lián)系，但兩者均能夠應用于土壤侵蝕預報研究。Royall[13]分析表層土壤磁性的空間異質性規(guī)律，建立耕作均一化模型，估算點上的土壤侵蝕深度和面上的土壤侵蝕量。該研究是利用土壤磁性定量評價土壤侵蝕的里程碑，以土壤侵蝕的土層厚度為紐帶，估算坡面土壤侵蝕量及土壤侵蝕速率，已被應用于多個國家和地區(qū)。

我國自然土壤磁性與坡面土壤再分配的研究起步較晚，以東北黑土區(qū)為主要研究區(qū)域，證明將土壤磁性應用在土壤再分配研究的有效性，并定量地評價坡面土壤侵蝕，進而探索不同地區(qū)、不同侵蝕類型的磁性示蹤技術。Liu等[14]和Yu等[15]在東北黑土區(qū)農地坡面展開研究，探明不同坡面、不同坡位、不同土地利用的土壤磁化率分布特征，分析土壤再分配規(guī)律，探究小流域尺度土壤磁化率變異特征及其與137Cs活度之間的關系，結果表明：坡位和土地利用等因素對土壤磁化率的再分配方式具有重要影響。在時間尺度上，開墾年限反映土壤侵蝕的發(fā)展趨勢，開墾年限越長，土壤磁性的異質性越強，土壤侵蝕越嚴重。此外，Liu等[16]和Ding等[17]初步驗證土壤磁性指標在干旱、半干旱地區(qū)指示風力侵蝕的可行性，Cao等[18]建立指紋示蹤指標體系，評價土壤磁性應用于石漠化地區(qū)識別土壤侵蝕變化的潛力。

1.2.2 人工磁性物質 包括粉煤灰、塑料磁性顆粒和復合磁性顆粒等，其磁性遠大于自然土壤磁性，可控制磁性大小、粒徑大小和混合密度等指標，適用于不同時空環(huán)境下的實驗場景。Hussian等[19]比較鐵路附近農地與非農地相同坡位的粉煤灰含量，評價該地區(qū)土壤侵蝕導致的土壤再分配規(guī)律，在142年間，坡面表層10.6 cm或46%的土壤被侵蝕。Olson等[20]利用粉煤灰含量和土壤磁化率指標評價農地和還林地坡面土壤侵蝕規(guī)律，發(fā)現(xiàn)還林地的磁化率值均大于農地。Parsons等[21]首次利用磁赤鐵礦粉末示蹤土壤沉積物的運移，監(jiān)測泥沙運動狀況。Gennadiev等[22]在俄羅斯莫斯科周邊采集土壤樣品，測定土壤磁化率，分離磁性礦物顆粒和球狀磁性顆粒(spherical magnetic particles，SMPs)，認為土壤磁化率方法適用于定量地評價土壤侵蝕與沉積強度。董元杰等[23]以粉煤灰為載體，探究魯東山區(qū)小流域坡面土壤侵蝕規(guī)律，不斷改進人工磁性示蹤劑的特性，試圖最大程度地接近天然土壤磁性物質。

人工磁性示蹤劑在土壤侵蝕領域的應用為實驗條件下的研究提供了新的載體，使實驗場景中的土壤磁性可調可控，但人工磁性示蹤劑的粒徑組成、密度和吸附性等性質與自然土壤存在一定差異，二者坡面運移規(guī)律是否一致仍需驗證。

1.3 沉積物磁性特征與沉積搬運

研究者不斷整合快速經濟的磁測手段，試圖將磁學手段融入地理學研究方法。有學者認為，磁化率能可靠地識別河湖相懸浮物和沉積物的物質來源，將其應用在單次洪水事件中是一種簡單、高效、無損的測量輸沙量的方法，并且能夠細致地調查沉積物來源。此后，土壤磁化率測定法被應用于確定土壤侵蝕沉積物和泥沙來源的研究中。小流域內的土壤侵蝕和沉積是一個復雜的系統(tǒng)，俞立中等[24]提出針對單因子指紋識別技術的磁混合模型，在不考慮其他復雜過程對土壤磁性影響的情況下，建立小流域沉積物來源與沉積物磁性物質之間的聯(lián)系，估算不同沉積物來源的比例。設定自變量為不同物質來源的質量分數(shù)(%)，各物源的質量比例之和為100%，而因變量為與其對應的磁參數(shù)，各物源對應的參數(shù)與質量比例之積的總和為沉積物的磁性參數(shù)值，在符合以上要求的數(shù)據(jù)集中，進行多元回歸分析，誤差最小的組合即擬合值最接近沉積物磁測值的組合[25]。

2 利用土壤磁性定量評價土壤侵蝕

2.1 人工磁性示蹤劑

粉煤灰(fly ash)是一種由化石燃料燃燒產生的磁性小顆粒，隨降水均勻沉降到土壤表面，可來自不同的燃燒源，針對蒸汽動力器械的活動區(qū)域，粉煤灰是研究土壤侵蝕的有效示蹤劑和時間標記物[26]。Jones等[27]提出利用粉煤灰自然沉降判斷侵蝕時間的新思路，利用歷史時期鐵路沿線的粉煤灰估算特定時段的土壤侵蝕量。Gennadiev等[28]將利用137Cs活度估算土壤流失量的比例模型直接用于SMPs(0～50 cm)與侵蝕量的定量關系。Olson等[29]提供一種計算不同時間段侵蝕量和侵蝕速率的方法——利用137Cs法估算1960年至今的土壤流失量，和利用粉煤灰含量計算化石燃料燃燒以來的土壤流失量，兩者的差值即為中間時段的流失量。Ventura等[30]研制一種磁性塑料珠，在微型小區(qū)的人工降雨條件下確定相應坡面位置的土壤侵蝕量，結果表明：磁性示蹤劑含量和土壤侵蝕量呈線性正相關，該方法能夠定性地反映小區(qū)尺度的土壤侵蝕/沉積狀況。Liu等[31]將人工磁性示蹤劑應用于黃土高原地區(qū)，將示蹤劑和自然土壤混合，設置多種模式(入滲或沖刷)探究混合物屬性，驗證人工磁性示蹤劑應用于該地區(qū)地帶性土壤的可行性。

研究者發(fā)揮人工磁性物質可控性強、易于識別等優(yōu)勢，利用多種類型的磁性物質模擬土壤顆粒的運移過程，有針對性地將磁化率技術應用于不同時空尺度下的模擬實驗，但應注重人工磁性物質與土壤顆粒的附著程度的評價。

2.2 與137Cs法相結合的土壤磁性示蹤

為克服單一示蹤技術的不足，驗證磁化率技術的應用潛力，2種或多種示蹤方法相結合的復合示蹤成為土壤侵蝕定量化新手段。de Jong等[32]將磁化率與137Cs示蹤技術結合，應用于農地土壤再分配的研究，但剖面土壤磁化率變異很大，且受137Cs半衰期制約，無法驗證20世紀60年代以前的土壤流失量。Hutchinson[33]應用土壤磁化率及放射性核素(137Cs和210Pb)活度等指標，綜合評價英國丘陵地區(qū)某小流域-湖泊系統(tǒng)典型流域的侵蝕狀況與泥沙來源。Royall[13]明確土壤侵蝕規(guī)律與泥沙運移情況，并評價土壤磁化率技術在該區(qū)域的適用性。土壤磁化率空間分布與其他土壤理化性質相結合，將能更好地解釋坡面土壤再分配過程，有助于將磁化率和土壤侵蝕量建立聯(lián)系。Ayoubi等[34]和Rahimi等[12]測定伊朗石灰質土壤的磁化率與137Cs活度2種指標，他們認為磁化率的變異性只能解釋45%的137Cs活度變異性，磁化率作為石灰質土壤侵蝕的土壤坡面示蹤需要深入研究。

利用復合指標評價土壤侵蝕量的研究將空間尺度擴展至小流域，但不能保證時間尺度的連續(xù)性及延展性，磁化率技術與放射性核素示蹤的精度存在差異，復合示蹤時的匹配程度有待進一步探索。

2.3 耕作均一化模型(T-H Model)

借助自然土壤磁性量化土壤侵蝕量存在一定困難，研究瓶頸在于將土壤磁性與土壤侵蝕過程建立定量聯(lián)系。農地土壤健康與農業(yè)生產和生態(tài)環(huán)境息息相關，農地坡面尺度的土壤侵蝕主要受周期性人為活動影響，耕作擾動表層土壤，使土壤在坡面表層重新分配，這一過程具有可追溯、可預測和周期性等特征，有助于土壤侵蝕預報模型的建立。

Royall[13]首次提出利用農地土壤剖面特征估算土壤流失量的耕作均一化模型(T-H model，tillage-homogenization model)。該模型假設土壤磁性在耕層呈現(xiàn)均一化，侵蝕發(fā)生后，表層被侵蝕出現(xiàn)部分缺失，下一個耕作周期耕層磁化率發(fā)生變化，參考未侵蝕區(qū)域的土壤剖面磁化率特征，計算耕層磁化率模擬值，建立表層土壤磁化率值與侵蝕深度之間的關系，確定土壤侵蝕深度[35]。Jordanova等[36-37]利用T-H模型預報黑鈣土農地長期累積的土壤流失速率，將低頻磁化率、頻率磁化率以及飽和等溫剩磁應用到T-H模型中，利用土壤質地系數(shù)比較底層與耕層土壤磁化率的差異，即

(1)

式中：Δχ為底層與耕層土壤磁化率的差異，%；χcoarse為樣品中粗顆粒(直徑>63 μm)的磁化率，10-8m3/kg；χfine為樣品中細顆粒(直徑≤63 μm)的磁化率，10-8m3/kg；χbulk為樣品總體的磁化率，10-8m3/kg。

Yu等[38]將T-H模型引入我國東北黑土區(qū)，并在T-H模型的基礎上加入沉積厚度指標，通過估算坡面侵蝕深度和沉積厚度，實現(xiàn)坡面尺度上侵蝕量、沉積量和凈侵蝕量的估算。磁化率技術有利于開展景觀尺度的土壤侵蝕空間分布調查，同時，綜合考慮環(huán)境等影響因素以及選擇適當?shù)膮⒖计拭妫瑢τ谡_應用磁化率示蹤方法十分重要。

磁化率技術在土壤侵蝕領域的應用研究正處于從定性到定量的發(fā)展階段，前期成果主要是對坡面或小流域土壤再分配的定性描述，依托多載體、多指標、多角度、多尺度[39]量化分析土壤顆粒的運移過程，側重于經驗型的定量評價模型穩(wěn)步發(fā)展。

3 基于土壤磁性研究土壤侵蝕的論文分析

以土壤磁化率和土壤侵蝕為關鍵詞搜索，篩選基于磁化率技術的中外土壤侵蝕研究論文92篇，其中英文論文71篇，中文論文21篇，時間跨度60余年(1955—2019年)，包括4篇文獻綜述。

統(tǒng)計發(fā)表年份及作者所屬地區(qū)，分析研究成果的時間線及空間網(wǎng)，如圖1所示。時間上劃分為：1980年以前、1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年和2011年以后；空間上劃分為歐洲、中國、美洲、大洋洲和其他地區(qū)。結果表明，1980年以前，研究成果全部分布在歐洲地區(qū)，隨后美洲和中國地區(qū)的研究成果開始出現(xiàn)，且有比例呈逐漸增加的趨勢。大洋洲的成果分布在1991—2000年和2011年以后。隨著時間的推移，基于磁化率技術的中外土壤侵蝕研究從單一地區(qū)向全球發(fā)展，中國地區(qū)的研究比例也不斷增加。2010年以后，中國相關研究的比例可達40%～50%。根據(jù)磁性載體種類劃分，其中有64篇基于自然土壤磁性研究論文，占總論文數(shù)的69.6%，有24篇基于人工磁性物質的研究論文，占總論文數(shù)的26.1%，有4篇綜述論文，占總論文數(shù)的4.4%。

圖1 基于磁化率技術的土壤侵蝕研究時空分布Fig.1 Spatial-temporal pattern on soil erosion using magnetic susceptibility technique

4 展望

土壤侵蝕研究方法的發(fā)展腳步從未停歇，新技術新理念不斷完善傳統(tǒng)方法的短板。隨著科學技術的發(fā)展，磁化率技術被應用到地學相關領域，與傳統(tǒng)方法和核素示蹤法相比，在以下方面仍需深入研究。

1)磁化率技術在土壤侵蝕領域的應用起步較晚，研究團隊相對簡單，相關成果呈點源分布。主要來自幾個地區(qū)和研究團隊，如美國Olson 團隊、加拿大的de Jong團隊、英國的Dearing團隊、伊朗的Ayoubi團隊、中國的董元杰團隊和張科利團隊等，還未在世界范圍內形成成熟的研究網(wǎng)絡。

2)磁化率技術在土壤侵蝕領域的應用仍處于定性研究階段。磁化率技術的原理、剖面規(guī)律、地帶性分異特征等已經明了，并在業(yè)界達成共識，但現(xiàn)有研究成果多對經驗性規(guī)律進行總結梳理和推斷假設，需建立土壤磁化率與土壤侵蝕間的定量關系，使利用土壤磁化率指標預報土壤侵蝕成為可能，進而實現(xiàn)通用模型的推廣。

3)近年來，出現(xiàn)了利用土壤磁化率估算土壤侵蝕量的研究，如根據(jù)土壤磁性指標估算侵蝕深度，從而間接計算坡面尺度的土壤侵蝕量，沒有直接建立土壤磁化率與侵蝕量的關系。建立基于土壤磁性的土壤侵蝕評價理論與指標體系，分析和揭示土壤侵蝕規(guī)律與土壤磁性變異的內在關系是如今研究的關鍵。

磁化率技術借助自然土壤磁性的時空異質性和人工磁性顆粒的磁性特征，能夠反演長時間序列和廣空間尺度的土壤侵蝕和再分配過程。然而，基于土壤磁性的土壤侵蝕研究呈點源分布，尚處于發(fā)展階段，缺乏對土壤侵蝕過程和機理的定量表達。