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东北黑土区土壤侵蚀严重,土地退化问题突出,如不加以控制将会威胁东北甚至我国粮食安全。容许土壤流失量作为划分非侵蚀区与侵蚀区的判别标准,是进行水土流失治理的前提。我国水利部对东北黑土区制定了其容许土壤流失量标准为200t/km2·a,但该标准的制定,缺乏足够的科学依据。本文以东北典型黑土区为研究区域,利用放射性14C定年手段以及生产力指数(PI)模型,从黑土的成土年龄及生产力角度入手,尝试在该方面做一些深入的探讨,以期为东北黑土区制定合理的容许土壤流失量提供科学帮助。研究主要结论如下:
(1)从农地(坡顶、坡中、坡底)、草甸地、尿坑地、人工林和天然林五种土地利用方式下的七个剖面理化性质特征分析,发现:七个剖面土壤粘粒含量的逐层变化程度是最小的,而砂粒、粉粒含量随着土壤深度的增加分别出现增加和减小的趋势;七个剖面逐层土壤有机碳(SOC)平均含量大小顺序为:草甸土>天然林>人工林>尿坑地>坡底农地>坡顶农地>坡中农地,其中坡顶农地土壤有机碳数值与坡中农地相近;土壤有机碳含量随深度增加而降低并可以分为三个层次:0-30cm的快速递减层,30-100cm的渐变层以及100cm以下的稳定层;七个剖面逐层土壤均呈现出酸性,但pH值相差不大,主要集中在5.5~6.5之间;全N含量变化规律与土壤有机碳有一定的相似性,均随着剖面深度的增加而降低;七个剖面表层土壤之间的全P含量差异并不十分明显,在土壤剖面上均是随着剖面深度的增加而减小;七个剖面之间全K含量剖面变化规律性并不明显,在剖面中底层全K含量均高于表层。
(2)利用放射性14C手段对研究区农地(坡顶、坡中、坡底)、尿坑地、天然林五个剖面中的58个土样进行了14C年龄测定,共得到55个14C有效数据,结果发现:55个14C数据中相对误差大于5%的仅为4个,而且均出现在测试土样的表层,14C测试年龄的剖面分布特征为随着剖面深度的增加,14C年龄不断增大:利用INTCAL04和CalPal校正程序对14C年龄进行校正后,绝大部分14C校正年龄大于14C年龄,且随着14C年龄的增大,14C年龄与14C校正年龄之间的绝对偏差进一步加大;研究区农地(坡顶、坡中、坡底)、尿坑地、天然林五个剖面土壤均是晚更新世(Q3)及全新世(Q4)时期的产物,五个剖面随着深度的增加,14C校正年龄也呈现出明显增加趋势,说明典型黑土向上发育的特点;在不考虑坡底农地中的两个“异常点”的情况下,五个剖面最大14C年龄分别是18899±92CalaB.P.(坡顶农地),7039±131CalaB.P.(坡中农地),24957±382CalaB.P.(坡底农地),15904±265CalaB.P.(尿坑地),6384±67CalaB.P.(天然林),根据回归计算所得的各剖面平均成土速率分别为0.070mm/a(坡顶农地),0.099mm/a(坡中农地),0.086mm/a(坡底农地),0.094mm/a.(尿坑地),0.092mm/a(天然林)。
(3)基于五个剖面平均成土速率所对应的容许土壤流失量分别是91.00t/km2·a(坡顶农地),128.70t/km2·a(坡中农地),111.80t/km2·a(坡底农地),122.20t/km2·a(尿坑地),119.60t/km2·a(天然林),平均容许土壤流失量为114.66t/km2·a,均低于水利部制定的标准。
(4)利用生产力指数(PI)模型,基于剖面理化性质,对研究区剖面的生产力指数,敏感性指数进行计算,在选取100年1%的生产力损失的情况下,容许土壤流失量分别为255.43t/km2·a(坡顶农地),244.29t/km2·a(坡中农地),185.19t/km2·a(坡底农地),199.10t/km2·a(草甸地),211.27t/km2·a(尿坑地),166.10t/km2·a(人工林),159.08t/km2·a(天然林)。
(5)鉴于东北目前黑土的退化情况,壤流失量值可作为当前标准的重要参考值,作者建议以平均成土速率法计算所得的容许土日后可以根据实际情况进行相应变动。