異質景觀條件下江漢平原土壤的空間分異

王宏志,潘方杰,周 勇,徐新良,李仁東,劉目興

1 地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室,華中師范大學城市與環境科學學院, 武漢 430079 2 資源與環境信息系統國家重點實驗室, 中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101 3 中國科學院測量與地球物理研究所, 武漢 430077

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異質景觀條件下江漢平原土壤的空間分異

王宏志1,潘方杰1,周 勇1,徐新良2,*,李仁東3,劉目興1

1 地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室,華中師范大學城市與環境科學學院, 武漢 430079 2 資源與環境信息系統國家重點實驗室, 中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101 3 中國科學院測量與地球物理研究所, 武漢 430077

景觀異質與土壤分異息息相關。以DEM數據為基礎,以海拔50m、100m為界,將江漢平原劃分為平原湖區景觀、平緩崗地景觀及起伏丘陵景觀3種類型。在ArcGIS 10支持下,將江漢平原土壤圖與景觀類型圖進行疊置分析,提取不同景觀類型片區各土壤亞類斑塊周長、面積等信息,計算了各景觀類型片區各土壤亞類的分維數、平均斑塊面積、穩定度等信息,定量分析了江漢平原各景觀類型片區土壤空間分異特征,結論如下：(1)不同景觀類型區各土壤亞類分布差異明顯,起伏丘陵景觀區主要以紅壤和黃棕壤地帶性土壤為主；平原湖區潮土和水稻土等耕作土非常發育；平緩崗地區地帶性土壤和耕作土壤平分秋色。(2)連片性較好的土壤亞類呈現不同的景觀選擇性：耕作土集中分布于平原湖區景觀片區；地帶性土壤多集中分布于丘陵和崗地景觀片區。(3)平原湖區面積很大,各類土壤都有發育的空間,土壤亞類之間分維數和穩定度差別比較大；平緩崗地景觀區由于面積非常局限,土壤亞類發生發育受到空間的限制,邊界破碎化,分維數平均都比較大,斑塊鑲嵌結構均比較復雜,穩定度差別較小。(4)主要土壤亞類的分維數和穩定性指數值一定程度地反映了各主要土壤亞類的最匹配的景觀類型,即能夠提供其發生發育的最佳條件。研究有利于深入認識土壤形成和演化規律,為土壤資源的合理利用及定向培育服務。

景觀類型；土壤亞類；連片性；分維數；江漢平原

開放系統中景觀異質性是決定物質能量狀態、流向的重要結構[1-2],具有尺度等級性。海拔高度是產生景觀異質性的重要因素之一,從大尺度上來看,海拔高度通過調節水熱條件影響景觀異質性；從小尺度來看,海拔高度通過決定水分和物質的運移方向等方面影響景觀異質性,一定程度上決定了土壤顆粒粒徑和土壤水狀況,進而在土壤空間分異方面有重要表現[3]。研究異質景觀對于土壤空間分異的影響,有利于深入認識土壤演化規律,為土壤資源的合理利用及定向培育服務。

另一方面,分形理論為空間分異研究提供了有力的定量分析方法,該理論于20世紀70年代由美籍法國科學家B. Mandelbrot提出,在描述復雜不規則幾何形狀嵌套的自然空間現象方面具有獨特的優勢[6],在土壤研究方面也得到了廣泛應用。微觀方面如不同經營模式下土壤團粒結構的分維特征[7]、土壤空隙的分形模型與透水性計量[8]等,宏觀方面如土壤類型的空間分異特征等研究[9-12]。

鑒于對異質景觀下土壤類型空間分異特征差異的定量研究尚較缺乏,擬以江漢平原這一自然地理單元為案例研究區對此進行探討。江漢平原(29°26′—31°10′N,111°30′—114°32′E)地處長江中游、湖北省中南部,總面積約為31036 km2[13-14],是湖北乃至全國重要的糧食產區和農產品生產基地。江漢平原由西北向東南微傾,中南部主體屬于揚子準地臺江漢斷拗,自古近紀始本區一直處于下沉過程中,堆積作用旺盛,形成了海拔50m以下的平原湖區景觀；而北部、西部則逐漸抬升,形成海拔50m以上的平緩崗地景觀及海拔100—500m的起伏丘陵景觀[15]。這種異質景觀格局長期控制著江漢平原土壤成土母質分異和水分條件差異。擬在土壤數據庫和DEM數據支持下,利用分形分析方法,研究景觀異質對土壤亞類的空間分異、斑塊穩定度、連片度等特征的影響,揭示江漢平原景觀異質性對區域土壤空間分異的作用。

1 研究方法

1.1 數據來源及處理

1.1.1 江漢平原土壤數據庫

以ArcGIS 10.0為操作平臺,建立了江漢平原土壤數據庫,其數據基礎是全國第二次土壤普查成果,包括江漢平原土壤類型矢量圖、代表土層特征表、江漢平原區劃圖、土地利用圖、江漢平原土壤環境數據、社會經濟等數據等。其中江漢平原土壤類型矢量圖層底圖來源于《湖北省分縣土壤圖集》[16]。該圖集是基于1∶1萬的外業土壤調查的基礎上逐步縮編而成,原圖制圖單元是土種。受限于縣域面積和圖幅大小的限制,各縣比例尺在1∶10萬到1∶20萬之間。采用統一的投影系統對各縣圖件進行配準和數字化。本研究中將土種圖斑合并至亞類進行研究,研究區涉及8個土壤類型、18個土壤亞類。

1.1.2 江漢平原異質景觀劃分

江漢平原由近代強烈沉降的江漢盆地承受長江漢江的沖積沉積物而形成,其景觀差異主要表現在地貌類型、河湖關系、土地利用方式與程度等方面的差異,受高程影響很大[15,17-18],可以近似地以海拔高度來劃分景觀類型：海拔50m以下主要為平原湖區景觀；海拔50m以上100m以下主要為平緩崗地景觀；海拔100m以上主要為起伏丘陵景觀。從研究區DEM矢量圖中提取50m、100m等高線,以此為界,將江漢平原劃分上述3類景觀類型區。DEM影像來源于中科院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站,下載格式為.IMG,空間分辨率為30m,投影類型為UTM/WGS84。研究區共涉及12幅GDEM影像,通過拼接、裁剪以及坐標、投影轉換、高程計算與賦值,將柵格數據轉換為矢量DEM,并進行平滑處理。

1.1.3 不同景觀類型下土壤信息提取

將江漢平原景觀類型區矢量圖與土壤類型矢量圖進行疊置分析,得到不同景觀類型區的土壤類型分布圖(見圖1),提取各景觀類型區土壤亞類面積及其斑塊數量信息(表1)。

1.2 周長-面積雙對數分維模型

分形理論在定量描述具有不規則、粗糙、支離破碎的自然結構時具有獨特的優勢[6]。分形維數的計算方法發展了很多種類型,經典方法有自相似維數和盒計數維數等；周長-面積法是從經典算法演化而來,廣泛地應用于景觀要素圖斑的分形特征、鑲嵌結構[19-20]及土壤斑塊的形態結構[12]等研究,其表達式為：

P1/DA1/2

(1)

對式(1)兩邊分別取對數:

(2)

式中,A為某個(類)不規則面狀圖形的面積,P為該(或該類)圖形的周長,C為待定常數,D則為該(或該類)圖形的分維數。分數維圖形雖然一般都非常復雜,但其復雜程度卻可用非整數維去量化。對某一土壤類型而言,將各斑塊的周長、面積的對數值作回歸分析擬合,可得到該類型土壤斑塊的周長、面積對數值擬合直線的斜率值(2/D),2除以直線斜率值的商即是各土壤類型的分維數D。D值在1—2之間,D值越大,表示土壤斑塊空間鑲嵌結構越復雜。理論上,當D=1時,表示土壤斑塊為正方形；當D=2時,土壤斑塊全部被邊界填滿；D=1.5時,土壤斑塊邊界隨機性最高,土壤類型斑塊空間鑲嵌結構最不穩定,可以采用|1.5-D|表示土壤類型斑塊空間鑲嵌結構的穩定性[21-22]。

2 結果與分析

2.1 江漢平原異質景觀與土壤空間分異

江漢平原主體由長江、漢江及其支流的河流沖積物和湖相沉積物堆積而成[15]。域內3種景觀類型面積構成為：平原湖區景觀占85.67%、平緩崗地景觀7.58%和起伏丘陵景觀平原景觀6.76%。區內水域面積為3201 km2,土壤面積為27835 km2。對不同景觀類型下土壤亞類面積、斑塊數量信息及空間分布特征進行分析(圖1和表1),顯示江漢平原異質景觀與土壤空間分異具有明顯的空間關聯。

圖1 江漢平原不同景觀類型下土壤空間分布Fig.1 The Distribution map of Soil Subgroups under different landscapes

2.1.1 不同景觀類型下優勢土壤類型及其破碎度差異明顯

江漢平原地帶性土壤為紅壤和黃棕壤,由于開發利用條件優越,耕作土壤如水稻土和潮土十分發育。區域大平小不平的微景觀格局奠定了土壤空間分異的物質能量基礎。從表1可見,不同景觀類型區土壤面積構成和斑塊數量結構具有顯著差異。

起伏丘陵景觀土壤類型面積結構為：紅壤和黃棕壤等地帶性土壤占51.58%、巖性土占25.08%、耕作土壤(包括水稻土和潮土)占23.32%,可見起伏丘陵景觀土壤以地帶性土壤和巖性土為主,占土壤總面積的76.66%。平原湖區景觀土壤面積結構為耕作土壤96.23%、地帶性土壤2.61%、巖性土0.0066%、草甸土和沼澤土1.15%,可見平原湖區景觀耕作土壤占絕對優勢。平緩崗地景觀水稻土53.03%、潮土占5.33%、巖性土占2.82%、地帶性土壤占38.66%、其他土壤占0.15%,可見平緩崗地景觀耕作土壤和地帶性土壤均占比較大的份額,具有明顯的過渡特色。

就斑塊數量構成而言,起伏丘陵景觀耕作土壤斑塊占50.77%,地帶性土壤斑塊占42.35%；對比其面積構成可見,耕作土壤面積比例遠小于其斑塊數量比例,而地帶性土壤面積構成比例和其斑塊數量構成比例相當,說明起伏丘陵景觀區耕作土壤斑塊相對破碎。平原湖區景觀耕作土壤斑塊數量占88.33%,地帶性土壤斑塊數量占11.05%；對比其面積構成可見,耕作土壤面積比例略大于其斑塊數量比例,而地帶性土壤面積比例遠小于其斑塊數量比例,說明平原湖區景觀區地帶性土壤斑塊破碎。

總之,起伏丘陵景觀區地帶性土壤為主且破碎度小,平原湖區景觀區以耕作土為主且破碎度小,平緩崗地景觀區土壤類型構成呈現出明顯的過渡特征。

2.1.2 主要土壤亞類的景觀類型分布差異明顯

江漢平原耕作土壤主要包括水稻土和潮土。水稻土總面積為14779.22km2,分為淹育型、潴育型、潛育型、沼澤型、側滲型水稻土等亞類,其中潴育型水稻土亞類土質最為優良,熟化程度較高,分布最廣,面積最大,占水稻土總面積的67.55%。潴育型水稻土面積的景觀構成分別為：平原湖區85.71%、平緩崗地10.39%、起伏丘陵為3.90%,這種巨大差異是由江漢平原的景觀類型優勢度的差別決定的,而各景觀類型內部,潴育型水稻土在土壤中面積占比分別為：平原湖區景觀35.9%、平緩崗地景觀49.2%、起伏丘陵景觀20.7%。可見,江漢平原潴育型水稻土分布受景觀類型限制較小。潮土總面積為9837.67 km2,分潮土和灰潮土兩個亞類,其中灰潮土面積占94.16%。灰潮土面積的景觀構成為：平原湖區景觀98.80%,平緩崗地景觀1.14%和起伏丘陵景觀0.065%。而各景觀類型內部,灰潮土的占比分別為：平原湖區景觀38.4%、平緩崗地景觀5.0%、起伏丘陵景觀0.03%；可見江漢平原灰潮土分布受景觀影響很大。

表1 江漢平原不同景觀類型下土壤亞類及其斑塊數

江漢平原地帶性土壤有紅壤和黃棕壤兩類,有棕紅壤、紅壤性土、黃棕壤和黃棕壤性土4個亞類,其中黃棕壤亞類面積最大,分布最廣。黃棕壤面積的景觀構成：平原湖區27.3%、平緩崗地29.6%和起伏丘陵43.2%。各景觀類型內部黃棕壤的構成比例差別懸殊,分別占平原湖區景觀、平緩崗地景觀、起伏丘陵景觀區的2%、24.9%和39.5%。可見黃棕壤主要分布于起伏丘陵景觀區,平緩崗地景觀區次之,平原湖區景觀區比例很少。

2.1.3 各土壤亞類不同景觀類型下的連片性差異明顯

土壤類型在各景觀類型下的平均斑塊面積可以表示該土壤類型的連片性或破碎程度。各景觀類型土壤亞類平均斑塊面積總體差異很大,平原湖區景觀區土壤亞類斑塊平均面積最大,為2.28 km2；起伏丘陵景觀區次之,為1.14 km2；平緩崗地景觀區最小,為0.29 km2。平原湖區景觀區地勢平坦,土壤發育的景觀因子如水熱條件、母質條件、地下水位等差異較小,土壤集中連片分布,平均斑塊面積最大；平緩崗地景觀區由于空間局限且分布分散,平均斑塊面積最小；丘陵地貌區平均斑塊面積介于兩者之間。

各代表土壤亞類在不同景觀下的連片性特征差異鮮明(表2)。潴育型水稻土雖然在崗地景觀內部面積構成中比例最高,連片性卻最差,平均斑塊面積僅有0.52 km2；而在平原湖區景觀區平均斑塊面積達到2.85 km2,顯示出很好的連片性；在起伏丘陵景觀區,潴育型水稻土平均斑塊面積為0.74 km2,連片性也較差。而灰潮土在平緩崗地景觀區和起伏丘陵景觀區平均斑塊面積均非常小,僅有0.06 km2；而在平原湖區景觀區平均斑塊面積達到3.94 km2,呈現出很好的連片性。相反地,黃棕壤在起伏丘陵景觀區平均斑塊面積為1.88 km2,表現出最好的連片性；而在平緩崗地景觀區和平原湖區景觀區平均斑塊面積分別為0.58 km2和0.67 km2,連片性均較差。

可見,耕作土在平原湖區景觀區連片性最好,地帶性土壤在起伏丘陵區連片性最好。

表2 不同景觀類型區各土壤亞類的平均斑塊面積/km2

2.2 不同景觀區各土壤亞類空間結構復雜性和穩定性分析

2.2.1 各景觀類型下各土壤亞類空間分形結構驗證分析

圖2 平原湖區淹育型水稻土、潴育型水稻土斑塊周長-面積雙對數散點圖及關系式Fig.2 Diagram of the relations of lnP&lnA of Submerged paddy soil and Waterlogged paddy soil patches in Plain Lake Landscape Area

分形分析為描述土壤空間分布的復雜性提供了新的定量方法。提取各景觀類型區各土壤亞類周長與面積數據,根據公式(2),利用Eviews7.0軟件得出各土壤亞類周長—面積的雙對數散點分布圖(圖2,限于篇幅,僅以平原湖區景觀類型下兩個土壤亞類進行示例),并進行線性回歸分析,求出回歸方程(表3)和相關系數的平方(R2)。其中,平原湖區景觀區粗質沼澤土和紫泥土、起伏丘陵景觀區側滲型水稻土及平緩崗地景觀區粗質沼澤土斑塊數量很少,不能建立土壤亞類斑塊的周長-面積關系函數(在表3中以“/”來表示,同時各景觀區缺失的亞類也用“/”來表示)。

各景觀類型區各土壤亞類斑塊的周長-面積關系均可以通過R2顯著性檢驗(表3),除了無法建立回歸關系的土壤亞類外,其他各土壤亞類斑塊的周長-面積雙對數關系顯著,顯示江漢平原各景觀類型區各土壤亞類空間分形結構特征客觀存在。

表3 江漢平原各景觀類型區土壤類型斑塊的周長(P,m)-面積(A,m2)關系

2.2.2 各景觀類型片區各土壤亞類斑塊空間鑲嵌結構的復雜性和穩定性特征

由(2)式和表3可以得出不同景觀類型區各土壤亞類的分維數D,表示該土壤亞類斑塊鑲嵌結構的復雜程度；并計算出|D-1.5|值,表示其斑塊鑲嵌結構的穩定程度(表4)。

表4 各景觀類型區各土壤亞類分維數(D)及穩定性指數(|D-1.5|)

平原湖區面積很大,各類土壤都有發育的空間,土壤亞類之間分維數和穩定度差別都比較大(均為0.38)。區內草甸沼澤土分維數最大(1.49),斑塊鑲嵌結構最復雜,其穩定性指數最小(0.01)即穩定性最差；中性紫泥土最小(1.12),斑塊鑲嵌結構最簡單,其穩定性指數最大(0.38)即穩定性最好。前者降水變化和人類活動影響很大,所以結構復雜、穩定性差；后者主要受地質過程本底決定,所以結構簡單、穩定性高。

平緩崗地景觀區由于面積非常局限,受空間的限制,土壤亞類邊界比較破碎,分維數平均都比較大,斑塊鑲嵌結構復雜,分維數和穩定度差別都比較小(均為0.21)。區內棕紅壤分維數最大(1.41),斑塊鑲嵌結構最復雜,穩定性指數最小(0.09)即穩定性最差；棕紅壤亞類被各類泛域土壤包圍,其斑塊鑲嵌結構決定于周圍土壤的結構,比較復雜。潛育型水稻土分維數最小(1.20),斑塊鑲嵌結構最簡單,其穩定性指數最大(0.3)即穩定性最好；潛育型水稻土是景觀類型內地勢低、排水不良的所在,自然條件限制較大,所以斑塊鑲嵌結構簡單、穩定性高。

起伏丘陵景觀區除棕色石灰土外,潮土分維數最大(1.52),斑塊鑲嵌結構最復雜,其穩定性指數最小(0.02)即穩定性最差；淺色草甸土分維數最小(1.06),斑塊鑲嵌結構最簡單,其穩定性指數最大(0.44)。潮土受人類活動影響大,后者受地形影響大。

主要土壤亞類的分維數和穩定性指數值很好地反映了景觀對土壤空間分異的影響,一定程度地反映了各主要土壤亞類的最適宜景觀類型。潴育型水稻土是江漢平原的當家田,在平原湖區分維數最小,斑塊鑲嵌結構最簡單,也最穩定；平緩崗地區次之；起伏丘陵區結構最復雜,穩定性也最差。灰潮土是江漢平原主要的旱作土壤,在起伏丘陵區分維數最小,斑塊鑲嵌結構最簡單,也最穩定；平緩崗地區次之；平原湖區結構最復雜,穩定性也最差。黃棕壤是江漢平原主要的地帶性土壤,雖然各個景觀區內分維數差別不是很大,仍然顯示出在起伏丘陵區分維數最小,斑塊鑲嵌結構最簡單,也最穩定。

3 結論

基于景觀生態學理論和分形理論,對江漢平原不同景觀類型下的土壤空間分異特征進行了定量分析,結論如下：

(1)不同景觀類型區各土壤亞類分布差異明顯,起伏丘陵景觀區主要以紅壤和黃棕壤地帶性土壤為主；平原湖區景觀區水稻土和潮土等耕作土非常發育；平緩崗地景觀區地帶性土壤和耕作土壤平分秋色。

(2)連片性較好的土壤亞類呈現不同的景觀類型選擇性：連片性較好的耕作土壤亞類集中分布于平原湖區景觀片區；連片性較好的地帶性土壤亞類多集中分布于丘陵和崗地景觀片區。

(3)平原湖區面積很大,各類土壤都有發育的空間,土壤亞類之間分維數和穩定度差別比較大；平緩崗地景觀區由于面積非常局限,土壤亞類發生發育受到空間的限制,邊界破碎化,分維數平均都比較大,斑塊鑲嵌結構均比較復雜,穩定度差別較小。

(4)主要土壤亞類的分維數和穩定性指數值一定程度地反映了各主要土壤亞類的最匹配的景觀類型,即能夠提供其發生發育的最佳條件的景觀。潴育型水稻土最匹配的景觀類型是平原湖區；灰潮土是起伏丘陵區；黃棕壤是起伏丘陵區。

研究有利于深入認識土壤發生和演化規律,為土壤資源的合理利用及定向培育服務。

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The spatial differentiation of soil in heterogeneous landscapes of the Jianghan Plain

WANG Hongzhi1, PAN Fangjie1, ZHOU Yong1, XU Xinliang2,*, LI Rendong3, LIU Muxing1

1 Key Laboratory for Geographical Process Analysis & Simulation, Hubei Province, College of Urban & Environmental Sciences, Central China Normal University, Wuhan 430079, China 2StateKeyLaboratoryofResourcesandEnvironmentalInformationSystem,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China3InstituteofGeodesyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430077,China

Landscape heterogeneity is closely related to soil differentiation. The Jianghan Plain is divided into three landscape types: Plain Lake, Gently Gradated Mounds, and Rolling Hills, delineated according to contour lines of 50 m and 100 m, based on DEM data. The overlay analysis of the soil and landscape type maps was done to extract data describing the soil subgroup patches, as well as their perimeters and areas, etc. in different landscape types. This analysis was supported by the ArcGIS10 platform. Then, some indices, such as the fractal dimension, average patch area, and stability index were calculated to quantitatively analyze the spatial differentiation of the soil in different landscape types. The results are as follows: (1) There is significant spatial differentiation of soil subgroups in different landscape types. The Rolling Hills landscape is mainly composed of zonal soils, including red soil and yellow brown soil. Arable soil types such as fluvo-aquic and paddy soil are very well developed in the Plain Lake landscape, while zonal and arable soils are equally represented in the Gently Gradated Mounds landscape. (2) Every subgroup soil with good connectivity exhibited a landscape selectivity bias. Arable soils with good connectivity appear to be mostly concentrated in the Plain Lake landscape, while the most concentrated zonal soils are found in the Gently Gradated Mounds and Rolling Hills landscapes. (3) The Plain Lake landscape on the Jianghan Plain is large enough that all soil subgroups were found to be well developed in that area. Thus, the differences among the fractal dimension (Dvalues) or the stability index values of the different soil subgroups are larger, which can better reflect soil intrinsic characteristics. However, in the Gently Gradated Mounds landscape, soil development and evolution is restricted by space, so the boundaries of the soil subgroups are fragmented and the associated fractal dimension values (Dvalues) are larger on average. The larger fractal dimension values (Dvalues) reflect the more complex mosaic structures of the soil subgroup patches in that landscape. However, because theDvalues are universally larger in the Gently Gradated Mounds landscape, the differences among the fractal dimension values of the different soil subgroup patches are smaller, as are the stability index values of the soil subgroup patches. (4) The value of the fractal dimension, or the stability index of a soil subgroup, reveals the best-matched landscape type to some degree, which in turn provides the ideal conditions for the soil subgroup to develop or evolve well. This research improves our understanding of the evolution of soil, and facilitates the rational use and the directed breeding of soil resources.

landscape type; soil subgroup; connectivity; fractal dimension; Jianghan Plain

國家自然科學基金項目(41271534, 41371183, 40771088)；華中師范大學中央高校基本業務費(CCNU15ZD001)；湖北省自然科學基金重點項目(2015CFA141)

2015-03-31;

日期:2015-12-29

10.5846/stxb201503310634

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xuxl@lreis.ac.cn

王宏志,潘方杰,周勇,徐新良,李仁東,劉目興.異質景觀條件下江漢平原土壤的空間分異.生態學報,2016,36(18):5682-5690.

Wang H Z, Pan F J, Zhou Y, Xu X L, Li R D, Liu M X.The spatial differentiation of soil in heterogeneous landscapes of the Jianghan Plain.Acta Ecologica Sinica,2016,36(18):5682-5690.