土壤侵蚀是世界性的生态环境问题之一，也是我国面临的重要危机，已经引起广泛重视。土壤侵蚀定量研究主要通过野外调查法、径流小区监测、人工降雨和核素示踪，以及遥感调查等方法获取数据。土壤磁化率技术作为土壤侵蚀研究的新方法，从20世纪中期第五届国际土壤大会介绍土壤磁性^[1]开始，关于土壤磁性原理的研究逐渐增多。Le Borgne^[2]首次利用磁性测量技术丰富土壤学的研究方法。20世纪70年代，Mullins^[3]阐述环境磁学的相关知识，并系统地总结土壤磁性矿物颗粒的性质及其发生理论，为土壤磁性研究奠定坚实的基础。近几十年，土壤磁化率技术在土壤侵蚀领域的应用日益发展起来，这种优化的分析手段能够帮助研究者全面理解坡面侵蚀沉积过程，从而预报并有效预防土壤侵蚀。

磁性是自然界物质普遍存在的客观规律，但磁性的强弱会因土壤的物质组成和结构而异，不同物质的磁性差异很大。土壤属于弱磁性物质，其磁性不易被直接感知，通常需要借助仪器获取。土壤磁化率是表征土壤磁性强弱的定量指标和直接度量，反映物质被磁化的难易程度，其大小正比于土壤黏粒含量。最早的环境磁学侧重于古环境的研究，磁测手段也繁琐复杂，随着科学技术的发展，电子磁化率仪为快速简单地获取土壤磁性指标提供可能，土壤磁化率被应用于土壤侵蚀研究的案例越来越多。一般而言，未受扰动的土壤剖面具有表层磁化率增强现象，而且土壤磁化率高低与成土环境有显著的相关性^[3-4]。受侵蚀影响的坡面，土壤磁化率因土壤颗粒在坡面侵蚀、搬运与沉积而发生改变。因此，借助土壤磁化率在坡面及剖面上的异质性，能够反演长时间序列和广空间尺度的土壤侵蚀和再分配过程。

已有的综述性文章注重水土保持与宏观研究手段，尚未分析近些年磁化率技术在水土保持领域的发展进展，缺乏基于磁化率技术的土壤侵蚀研究的系统整理。笔者梳理相关文献资料，阐述土壤磁性与土壤侵蚀规律的内在联系，从时空分布、磁性载体类型和指标量定等角度，综述基于磁化率技术的土壤侵蚀研究。

土壤磁性在坡面和剖面上的分布规律与地形和母质关系密切。在不同的成土环境下，经过漫长的成土过程，相同环境下的土壤形成各自的地带性特征。对于弱磁性母质发育的土壤而言，磁化率随土壤深度的增加逐渐减小，母质层磁化率最低，即表层增强性。表层增强性规律在温带地区的土壤中较明显，而在干旱区和低温区不明显^[2-4]。de Jong等^[5]认为侵蚀区剖面土壤磁化率随土层深度的增加而变化，证实土壤磁化率的表层增强性并将磁化率技术与不同地貌(坡面)部位的土壤剖面特征建立联系，由于坡下土壤受淋溶作用影响，土壤中亚铁磁性矿物发生转化，因此磁化率值偏小，与弱磁性母质发育的土壤剖面的磁性规律有异。

我国地域辽阔，地带性和非地带性土壤广泛分布，不同类型土壤的磁性具有较强的异质性。我国的自然土壤磁性研究于20世纪80年代起步，初期成果主要为土壤磁性理论和土壤磁性调查的研究。刘孝义等^[6]对我国东北地区几种主要土壤进行磁测，建立各类型的土壤有机质与磁化率的关系。卢升高^[4]和俞劲炎等^[7]系统地梳理环境磁学和土壤磁性的相关理论基础，并汇总我国南方地区的土壤磁性数据库。近年来，磁化率技术被成功应用于土壤侵蚀和土壤再分配研究。

磁化率异质性普遍存在于长期受人类耕作活动影响的农地坡面，地形、耕作方式和管理措施等因素决定坡面土壤的运移规律^[8]。土壤中细小的黏粒具有较高的磁性，是土壤磁性的主要来源，因此，土壤磁化率值反映土壤质地，揭示土壤颗粒的分离与搬运过程。磁化率技术在土壤侵蚀领域的研究正处于发展阶段，其研究载体有自然土壤和人工磁性物质2类。

土壤磁性的大小受成土过程和成土环境影响，超顺磁性颗粒的数量直接影响土壤磁性，超顺磁性颗粒在土壤侵蚀过程中被搬运至坡下，在坡下呈现出磁性富集现象。Dearing等^[9-10]首次将磁化率技术应用到土壤再分配研究中，阐述磁化率的坡面异质性并证实土壤再分配现象的存在。在地形、降水、土地利用类型等数据的基础上，磁学技术有助于综合分析和理解土壤侵蚀和堆积过程，为土壤侵蚀预报提供有力支撑。Karchegani等^[11]和Rahimi等^[12]将¹³⁷Cs活度和磁化率2种方法结合，探究伊朗西部弱磁性石灰岩母质坡面土壤磁性分异规律。然而，并没有确切的证据表明土壤磁性与¹³⁷Cs活度存在联系，但两者均能够应用于土壤侵蚀预报研究。Royall^[13]分析表层土壤磁性的空间异质性规律，建立耕作均一化模型，估算点上的土壤侵蚀深度和面上的土壤侵蚀量。该研究是利用土壤磁性定量评价土壤侵蚀的里程碑，以土壤侵蚀的土层厚度为纽带，估算坡面土壤侵蚀量及土壤侵蚀速率，已被应用于多个国家和地区。我国自然土壤磁性与坡面土壤再分配的研究起步较晚，以东北黑土区为主要研究区域，证明将土壤磁性应用在土壤再分配研究的有效性，并定量地评价坡面土壤侵蚀，进而探索不同地区、不同侵蚀类型的磁性示踪技术。Liu等^[14]和Yu等^[15]在东北黑土区农地坡面展开研究，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，分析土壤再分配规律，探究小流域尺度土壤磁化率变异特征及其与¹³⁷Cs活度之间的关系，结果表明：坡位和土地利用等因素对土壤磁化率的再分配方式具有重要影响。在时间尺度上，开垦年限反映土壤侵蚀的发展趋势，开垦年限越长，土壤磁性的异质性越强，土壤侵蚀越严重。此外，Liu等^[16]和Ding等^[17]初步验证土壤磁性指标在干旱、半干旱地区指示风力侵蚀的可行性，Cao等^[18]建立指纹示踪指标体系，评价土壤磁性应用于石漠化地区识别土壤侵蚀变化的潜力。

包括粉煤灰、塑料磁性颗粒和复合磁性颗粒等，其磁性远大于自然土壤磁性，可控制磁性大小、粒径大小和混合密度等指标，适用于不同时空环境下的实验场景。Hussian等^[19]比较铁路附近农地与非农地相同坡位的粉煤灰含量，评价该地区土壤侵蚀导致的土壤再分配规律，在142年间，坡面表层10.6 cm或46%的土壤被侵蚀。Olson等^[20]利用粉煤灰含量和土壤磁化率指标评价农地和还林地坡面土壤侵蚀规律，发现还林地的磁化率值均大于农地。Parsons等^[21]首次利用磁赤铁矿粉末示踪土壤沉积物的运移，监测泥沙运动状况。Gennadiev等^[22]在俄罗斯莫斯科周边采集土壤样品，测定土壤磁化率，分离磁性矿物颗粒和球状磁性颗粒(spherical magnetic particles，SMPs)，认为土壤磁化率方法适用于定量地评价土壤侵蚀与沉积强度。董元杰等^[23]以粉煤灰为载体，探究鲁东山区小流域坡面土壤侵蚀规律，不断改进人工磁性示踪剂的特性，试图最大程度地接近天然土壤磁性物质。人工磁性示踪剂在土壤侵蚀领域的应用为实验条件下的研究提供了新的载体，使实验场景中的土壤磁性可调可控，但人工磁性示踪剂的粒径组成、密度和吸附性等性质与自然土壤存在一定差异，二者坡面运移规律是否一致仍需验证。

研究者不断整合快速经济的磁测手段，试图将磁学手段融入地理学研究方法。有学者认为，磁化率能可靠地识别河湖相悬浮物和沉积物的物质来源，将其应用在单次洪水事件中是一种简单、高效、无损的测量输沙量的方法，并且能够细致地调查沉积物来源。此后，土壤磁化率测定法被应用于确定土壤侵蚀沉积物和泥沙来源的研究中。小流域内的土壤侵蚀和沉积是一个复杂的系统，俞立中等^[24]提出针对单因子指纹识别技术的磁混合模型，在不考虑其他复杂过程对土壤磁性影响的情况下，建立小流域沉积物来源与沉积物磁性物质之间的联系，估算不同沉积物来源的比例。设定自变量为不同物质来源的质量分数(%)，各物源的质量比例之和为100%，而因变量为与其对应的磁参数，各物源对应的参数与质量比例之积的总和为沉积物的磁性参数值，在符合以上要求的数据集中，进行多元回归分析，误差最小的组合即拟合值最接近沉积物磁测值的组合^[25]。

粉煤灰(fly ash)是一种由化石燃料燃烧产生的磁性小颗粒，随降水均匀沉降到土壤表面，可来自不同的燃烧源，针对蒸汽动力器械的活动区域，粉煤灰是研究土壤侵蚀的有效示踪剂和时间标记物^[26]。Jones等^[27]提出利用粉煤灰自然沉降判断侵蚀时间的新思路，利用历史时期铁路沿线的粉煤灰估算特定时段的土壤侵蚀量。Gennadiev等^[28]将利用¹³⁷Cs活度估算土壤流失量的比例模型直接用于SMPs(0~50 cm)与侵蚀量的定量关系。Olson等^[29]提供一种计算不同时间段侵蚀量和侵蚀速率的方法——利用¹³⁷Cs法估算1960年至今的土壤流失量，和利用粉煤灰含量计算化石燃料燃烧以来的土壤流失量，两者的差值即为中间时段的流失量。Ventura等^[30]研制一种磁性塑料珠，在微型小区的人工降雨条件下确定相应坡面位置的土壤侵蚀量，结果表明：磁性示踪剂含量和土壤侵蚀量呈线性正相关，该方法能够定性地反映小区尺度的土壤侵蚀/沉积状况。Liu等^[31]将人工磁性示踪剂应用于黄土高原地区，将示踪剂和自然土壤混合，设置多种模式(入渗或冲刷)探究混合物属性，验证人工磁性示踪剂应用于该地区地带性土壤的可行性。

研究者发挥人工磁性物质可控性强、易于识别等优势，利用多种类型的磁性物质模拟土壤颗粒的运移过程，有针对性地将磁化率技术应用于不同时空尺度下的模拟实验，但应注重人工磁性物质与土壤颗粒的附着程度的评价。

为克服单一示踪技术的不足，验证磁化率技术的应用潜力，2种或多种示踪方法相结合的复合示踪成为土壤侵蚀定量化新手段。de Jong等^[32]将磁化率与¹³⁷Cs示踪技术结合，应用于农地土壤再分配的研究，但剖面土壤磁化率变异很大，且受¹³⁷Cs半衰期制约，无法验证20世纪60年代以前的土壤流失量。Hutchinson^[33]应用土壤磁化率及放射性核素(¹³⁷Cs和²¹⁰Pb)活度等指标，综合评价英国丘陵地区某小流域-湖泊系统典型流域的侵蚀状况与泥沙来源。Royall^[13]明确土壤侵蚀规律与泥沙运移情况，并评价土壤磁化率技术在该区域的适用性。土壤磁化率空间分布与其他土壤理化性质相结合，将能更好地解释坡面土壤再分配过程，有助于将磁化率和土壤侵蚀量建立联系。Ayoubi等^[34]和Rahimi等^[12]测定伊朗石灰质土壤的磁化率与¹³⁷Cs活度2种指标，他们认为磁化率的变异性只能解释45%的¹³⁷Cs活度变异性，磁化率作为石灰质土壤侵蚀的土壤坡面示踪需要深入研究。

利用复合指标评价土壤侵蚀量的研究将空间尺度扩展至小流域，但不能保证时间尺度的连续性及延展性，磁化率技术与放射性核素示踪的精度存在差异，复合示踪时的匹配程度有待进一步探索。

借助自然土壤磁性量化土壤侵蚀量存在一定困难，研究瓶颈在于将土壤磁性与土壤侵蚀过程建立定量联系。农地土壤健康与农业生产和生态环境息息相关，农地坡面尺度的土壤侵蚀主要受周期性人为活动影响，耕作扰动表层土壤，使土壤在坡面表层重新分配，这一过程具有可追溯、可预测和周期性等特征，有助于土壤侵蚀预报模型的建立。

Royall^[13]首次提出利用农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)。该模型假设土壤磁性在耕层呈现均一化，侵蚀发生后，表层被侵蚀出现部分缺失，下一个耕作周期耕层磁化率发生变化，参考未侵蚀区域的土壤剖面磁化率特征，计算耕层磁化率模拟值，建立表层土壤磁化率值与侵蚀深度之间的关系，确定土壤侵蚀深度^[35]。Jordanova等^[36-37]利用T-H模型预报黑钙土农地长期累积的土壤流失速率，将低频磁化率、频率磁化率以及饱和等温剩磁应用到T-H模型中，利用土壤质地系数比较底层与耕层土壤磁化率的差异，即

式中：Δχ为底层与耕层土壤磁化率的差异，%；χ_coarse为样品中粗颗粒(直径＞63 μm)的磁化率，10^-8 m³/kg；χ_fine为样品中细颗粒(直径≤63 μm)的磁化率，10^-8 m³/kg；χ_bulk为样品总体的磁化率，10^-8 m³/kg。

Yu等^[38]将T-H模型引入我国东北黑土区，并在T-H模型的基础上加入沉积厚度指标，通过估算坡面侵蚀深度和沉积厚度，实现坡面尺度上侵蚀量、沉积量和净侵蚀量的估算。磁化率技术有利于开展景观尺度的土壤侵蚀空间分布调查，同时，综合考虑环境等影响因素以及选择适当的参考剖面，对于正确应用磁化率示踪方法十分重要。

磁化率技术在土壤侵蚀领域的应用研究正处于从定性到定量的发展阶段，前期成果主要是对坡面或小流域土壤再分配的定性描述，依托多载体、多指标、多角度、多尺度^[39]量化分析土壤颗粒的运移过程，侧重于经验型的定量评价模型稳步发展。

以土壤磁化率和土壤侵蚀为关键词搜索，筛选基于磁化率技术的中外土壤侵蚀研究论文92篇，其中英文论文71篇，中文论文21篇，时间跨度60余年(1955—2019年)，包括4篇文献综述。

统计发表年份及作者所属地区，分析研究成果的时间线及空间网，如图 1所示。时间上划分为：1980年以前、1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年和2011年以后；空间上划分为欧洲、中国、美洲、大洋洲和其他地区。结果表明，1980年以前，研究成果全部分布在欧洲地区，随后美洲和中国地区的研究成果开始出现，且有比例呈逐渐增加的趋势。大洋洲的成果分布在1991—2000年和2011年以后。随着时间的推移，基于磁化率技术的中外土壤侵蚀研究从单一地区向全球发展，中国地区的研究比例也不断增加。2010年以后，中国相关研究的比例可达40%~50%。根据磁性载体种类划分，其中有64篇基于自然土壤磁性研究论文，占总论文数的69.6%，有24篇基于人工磁性物质的研究论文，占总论文数的26.1%，有4篇综述论文，占总论文数的4.4%。

图 1(Fig. 1)

图 1 基于磁化率技术的土壤侵蚀研究时空分布 Fig. 1 Spatial-temporal pattern on soil erosion using magnetic susceptibility technique

土壤侵蚀研究方法的发展脚步从未停歇，新技术新理念不断完善传统方法的短板。随着科学技术的发展，磁化率技术被应用到地学相关领域，与传统方法和核素示踪法相比，在以下方面仍需深入研究。

1) 磁化率技术在土壤侵蚀领域的应用起步较晚，研究团队相对简单，相关成果呈点源分布。主要来自几个地区和研究团队，如美国Olson团队、加拿大的de Jong团队、英国的Dearing团队、伊朗的Ayoubi团队、中国的董元杰团队和张科利团队等，还未在世界范围内形成成熟的研究网络。

2) 磁化率技术在土壤侵蚀领域的应用仍处于定性研究阶段。磁化率技术的原理、剖面规律、地带性分异特征等已经明了，并在业界达成共识，但现有研究成果多对经验性规律进行总结梳理和推断假设，需建立土壤磁化率与土壤侵蚀间的定量关系，使利用土壤磁化率指标预报土壤侵蚀成为可能，进而实现通用模型的推广。

3) 近年来，出现了利用土壤磁化率估算土壤侵蚀量的研究，如根据土壤磁性指标估算侵蚀深度，从而间接计算坡面尺度的土壤侵蚀量，没有直接建立土壤磁化率与侵蚀量的关系。建立基于土壤磁性的土壤侵蚀评价理论与指标体系，分析和揭示土壤侵蚀规律与土壤磁性变异的内在关系是如今研究的关键。

磁化率技术借助自然土壤磁性的时空异质性和人工磁性颗粒的磁性特征，能够反演长时间序列和广空间尺度的土壤侵蚀和再分配过程。然而，基于土壤磁性的土壤侵蚀研究呈点源分布，尚处于发展阶段，缺乏对土壤侵蚀过程和机理的定量表达。