土壤厚度演化模型理论方法研究进展

        近日，团队刘金涛老师、硕士生赵薇联合中国科学院地球化学研究所刘彧研究员在《土壤学报》在线发表了题为“土壤厚度演化模型理论方法研究进展”的学术论文，该论文总结了土壤厚度演化模型理论方法的研究进展，评价了不同土壤生成及输移模型的适用性，指出了现有问题和未来方向，该方向的研究对水文学、土壤学及地貌学等多个学科领域的研究和实践均具有非常重要的意义。

        全球平均土壤厚度仅约为1m，但土壤厚度的空间分布信息在地貌、生态及水文科学等领域的研究和实践中具有重要价值。由于其具有显著的空间异质性，基于现有土壤制图产品、地球物理勘测及经验统计模型难以获取流域尺度土壤厚度分布信息，亟待发展土壤厚度预测的过程机理模型。本文回顾了土壤厚度演化模型理论方法的研究进展，评价了不同土壤生成及输移模型的适用性。研究指出土壤化学风化成土等机理仍不清晰是制约模型发展的理论瓶颈。此外，模型的方法体系有待完善，亟待进一步发展土壤生成率和输移率的函数形式及其参数的估计方法等，指出物理与随机结合的模拟方法以及基于数学物理途径的参数确定方法等有望解决模型应用中遇到的难题。最后，在土壤厚度演化模型基础上，提出发展基于流域协同演化理论的土壤发生学模型是定量预测土壤理化全要素发生所亟需突破的难点之一。

        本研究从土壤厚度演化模型理论方法出发，首先对模型理论发展进行概述，总结了山坡地貌演化理论和山坡土壤输移过程理论的发展过程，基于不同学者研究成果的基础上，总结出目前仍需进一步揭示土壤形成的化学变化过程以定量解析复杂的化学侵蚀通量，并帮助建立更完整的连续性方程。总体而言，土壤厚度演化模型考虑了土壤输移和成土的物理机制，这类模型可以量化地质年代尺度上的土壤生成、输移及土壤厚度的演化过程，通过模型对流域土壤厚度演化的模拟可以更好地了解地貌演化的过程和轨迹。

图 1 山坡风化层剖面演化过程  

        随后，本研究总结现有土壤生成模型，山坡土壤输移模型，流域土壤厚度演化模型，分析各自模型的适用条件和优缺点，对现有模型存在问题进行了总结，为未来模型的发展方向提供一定的基础。同时，本研究总结模型参数测定方法，首先介绍土壤生成速率的测定方法，其中包含地球化学元素质量平衡法、时间序列法、土壤残留时间法和稳态法四种方法。其次介绍了土壤输移速率的测定方法，重点介绍了其中利用放射性核素半衰期互异的特点示踪不同时间尺度上的土壤输移速率方法，该方法极大地推动了地貌演化理论及土壤厚度演化模型的应用。

图 2 土壤生成速率随土壤厚度变化函数  

表 1 土壤输移模型总结  

注：上式中 q _t 为径流侵蚀驱动的土壤输移通量（ L ² /T ）； kt 为沉积物输移系数（ L/T ）；▽ z 为坡度； A 为集水面积（ L ² ）； z 为地表高程（ L ）； m 和 n 为常数； q _d 为扩散驱动的单宽土壤输移通量（ L ² /T ）； k _d 为扩散系数（ L ² /T ）； k _{d ’} 为扩散系数（ L/T ）； h 为土壤厚度（ L ）； Sc 为临界坡度。

        最后，本研究给出了有关模型发展的三点建议：（1）发展物理与随机结合的模拟方法，以解决机理模型应用时存在的诸多不确定性；（2）研究基于数学物理途径的参数确定方法，给出同位素测定方法的替代解决方案，推进模型理论的实际应用；（3）在土壤厚度演化模型基础上，融合土壤发生学模型发展流域协同演化模型，提升对地球生态系统物质循环预测的能力水平。