土壤與地表水體空間分布格局的交互關系研究①

段金龍，張 戈，任圓圓，張學雷，李衛東

土壤與地表水體空間分布格局的交互關系研究①

段金龍1，張 戈2，任圓圓3，張學雷4*，李衛東1

(1河南工業大學信息科學與工程學院，鄭州 450001；2河南省農業科學院作物設計中心，鄭州 450003；3鄭州輕工業學院社會發展研究中心，鄭州 450002；4 鄭州大學自然資源與生態環境研究所，鄭州 450001)

以中國中部典型農業區的土壤和地表水體數據為例，基于改良的土壤多樣性計量方法計算并統計了1 km網格尺度下的土壤類型個數、土壤構成組分多樣性、土壤空間分布多樣性和地表水體空間分布多樣性等多類數據指數，探索了區域土壤與地表水體在地理空間分布格局上的內在聯系。結果表明：①研究區內最具代表性土類潮土和褐土(兩者面積加和占研究區總面積85%，兩者空間分布多樣性均大于0.8)的空間分布格局與區域地表水體的空間分布格局之間存在數據聯系，回歸分析中的判定系數2大于0.5，這與水要素在兩種土壤類型成土過程中所起的作用密切相關。②研究區面積的增加一般會造成地表水體對區域內土壤類型數量的影響作用減弱。與其他成土因素相比，水要素在土壤形成中影響作用的重要程度與研究尺度的大小有關。③基于資源地理空間分布離散性分析的土壤多樣性計量方法及理論為水、土等不同資源類型的空間分布格局評價及其交互關系研究提供了理論及數據支持。

土壤多樣性；地表水體；土壤形成；河南省

耕地質量下降、水土流失、土壤酸化、土壤退化、生物多樣性減少等問題都對當代中國的糧食安全造成影響[1]。土壤是農業生產的基礎，土壤的肥沃程度和灌溉條件直接決定了農作物的生長發育狀況。氣候、生物、母質、地形、時間、內動力地質作用以及人類活動等因素都對土壤的發生產生影響，而降水因素是影響土壤發生的最主要氣候因素之一[2]。河流、湖泊等地表水體類型是水資源的重要組成部分，地表水體時空分布與大氣降水之間存在著密切聯系[3-4]，因此地表水體時空分布與土壤發生間也存在直接聯系。與此同時，如何對土壤和水這類自然資源類型的空間分布格局進行有效的定量化表達對糧食安全問題的相關研究也具有一定意義。土壤多樣性(pedodiversity)是21世紀以來世界土壤地理學研究領域的前沿性內容[5-8]，它可以定量化地描述土壤的空間變異性和不同土壤類型的分布格局問題，為土壤發生、土壤資源保護和可持續合理利用提供理論及數據支持。近年來，基于土壤多樣性的相關研究結合了地形地貌[9]、數學結構[10-11]、土壤資源保護[12]、土地利用變化[13-15]、自然遺產[16]等不同研究要素，使土壤多樣性這一研究專題在國內外均獲得了長足發展。

土壤多樣性理論與研究方法在21世紀初引入中國[17-18]，涉及該領域的報道近年來出現了系列性研究[19-23]。在本項目的前期研究中，為深入探索水要素在土壤形成中所起的作用，使用了一種改良的土壤多樣性計量方法并嘗試將其引入水、土資源間的關聯性分析中，這些研究發現地表水體的空間分布與區域內的土壤種類構成存在一定聯系[24]。但這些研究結論是在市縣級別(面積低于5 000 km2)[24]的研究區數據中獲得，研究尺度較小，相關研究結論是否具有普適性仍存疑問，同時前期研究內容僅分析了地表水體對區域土壤構成的影響作用，并未分析土壤分布對水體空間分布的反向影響。以上述研究內容為理論和方法基礎，以中國中部典型農業區為例，本研究探索了地表水體分布對區域土壤構成的影響，然后從地理空間分布格局角度分析了具體土壤類型(以研究區內代表性土類為例)對區域地表水體分布的影響，以期對水、土兩種重要自然要素在區域空間分布格局上的交互關系研究以及水要素在土壤形成中的作用評價進行進一步探索，并為計量土壤學的發展、區域土地資源的合理配置和農業發展提供理論及數據支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

選取河南省中部、東部和北部的典型區域為研究區，包括平頂山市(部分區域)、漯河市(部分區域)、許昌市、鄭州市、安陽市、鶴壁市、濮陽市、新鄉市、開封市、商丘市和周口市(部分區域)，區域總面積66 574 km2。區內地形多以平原為主，高程范圍–52 ～ 1 662 m，其中86% 的區域高程值低于200 m，為區域內的農業生產提供了有利條件。研究區屬暖溫帶季風氣候，四季分明，農業基礎條件較好，以小麥–玉米輪作種植為主，是河南省小麥主產區，該區的糧食產出對河南省乃至全國糧食安全具有重要意義。研究區境內河流分屬海河流域、黃河流域及淮河流域，年平均降水量700 mm，土壤類型共包含14個土類、32個亞類、94個土屬。

1.2 數據來源

研究選用2000—2014年美國Landsat系列衛星數據(其中2013年及以后數據使用OLI_TIRS傳感器數據，其余使用TM或ETM+傳感器數據)，所有數據均獲取自5月份左右，云量均小于5%。其余研究數據包括基于第二次全國土壤普查的研究區土壤圖矢量數據、行政區劃矢量數據、DEM數據、統計年鑒數據等。數據運行環境為ENVI 4.8和ArcGIS 10.2。

1.3 研究方法

研究使用以下改良的土壤多樣性計量方法[13]對水、土資源的分布格局特征和關聯性進行綜合分析：

式中：和p的定義如下：①在土壤構成組分多樣性里，表示土壤分類單元個數，p表示第個土壤類型在所有土壤類型總面積里所占的比例。在此前提下，多樣性指數Y表示研究區內土壤構成組分的多樣性特征，即所有分類單元在數量構成上的均勻程度。②在土壤(地表水體)空間分布多樣性里，表示空間網格的數目，p表示第個空間網格里某個土壤類型(地表水體)的面積在該土壤類型(地表水體)總面積里所占的比例。在此前提下，多樣性指數Y表示研究區內該土壤分類單元(地表水體)的空間分布多樣性特征，它表征了單個土壤類型(地表水體)的空間分布離散性程度，即空間分布的多樣性格局問題。兩種情況下，多樣性指數Y取值區間同為[0, 1]，當相對豐度分布極度不均勻，也就是當一個或者少數幾個對象占支配地位時，例如研究區內只有一種土壤類型(情況①)或所有地表水體只分布在一個空間網格中(情況②)時，Y取值趨于0；當每個對象都均勻分布時，例如研究區內有多種土壤類型且各自面積相等(情況①)或地表水體在每個空間網格中均有分布且各自面積相等(情況②)時，Y取值等于1。在情況①下，Y、Y的分子部分和分別等同于傳統土壤多樣性計量方法中的Pielou均勻度指數、Shannon多樣性指數和豐富度指數，而情況②涉及空間網格概念，因此在評價系統內(土壤分類系統或土地利用分類系統等)特定分類單元的空間分布離散性特征(即地理空間分布格局問題)時表現得比傳統土壤多樣性計量方法更加直觀和精確。

本研究首先對所選研究區的遙感數據進行土地利用監督分類，提取其中的地表水體信息(主要由河流、湖泊、水庫、魚塘、高等級溝渠等地表水資源類型組成)，地表水體的分類結果由基于Google Earth高清衛片的目視解譯方法進行精度驗證。2010年開工的南水北調中線工程、近20年高速城市化發展造成的土地利用變化、氣候變化等因素都對研究區的地表水體分布特征造成了顯著影響，為獲取更加客觀的研究區地表水體常態分布，本研究對基礎遙感數據進行初期篩選，選擇平均云量小于5% 的5月份左右數據，同時每個縣市選擇2000年左右及2014年左右的兩組數據進行土地利用監督分類，取兩組地表水體分類結果的公共部分作為該縣市的地表水體分布最終數據(圖2A)，而基于面積信息的面狀矢量水體比單純基于長度的線狀矢量水體包含更多水要素信息，能夠更加準確地評價區域地表水體的空間分布格局。經過圖層疊置分析等處理后，發現最終的地表水體幾乎都由河流、湖泊及少部分水庫、魚塘構成，而研究區內的水庫、魚塘等非自然水體類型也與其附近的河流、湖泊等自然水體類型密切相關。為更加客觀及全面地評價研究區不同區域間土壤與地表水體空間分布格局的交互關系，將研究樣區基于地理鄰近原則、經度鄰近原則、緯度鄰近原則分別劃分為面積相等的10個分區域，并分別計算3種不同的分區域分割方式下分區域內的地表水體空間分布多樣性、土屬構成組分多樣性和土壤亞類構成組分多樣性，并評價3種多樣性之間的關系，即地理鄰近分割原則下的圖2B，經度鄰近分割原則下的圖2C，緯度鄰近分割原則下的圖2D。選取研究區內的代表性土類為例，計算分區域土類空間分布多樣性，結合分區域地表水體空間分布多樣性的計算結果和代表性土類的理化性質，對代表性土類和地表水體之間的地理分布交互關系進行初步探索。

2 結果與分析

2.1 土壤分類單元數目與土壤構成組分多樣性的相關性

計算并統計了3種分區域分割方式下，各分區域內1 km網格尺度下的地表水體空間分布多樣性、土壤亞類個數及其構成組分多樣性、土屬個數及其構成組分多樣性(表1)，在土壤圖數據分析中刪除了居民點、河中沙丘、水系等非土壤類斑塊。

對上述統計數據進行一元線性回歸分析發現，在地理鄰近和經度鄰近分區域分割方式下，土壤亞類個數與土壤亞類構成組分多樣性、土屬個數與土屬構成組分多樣性之間都存在明顯的正相關關系(圖3A、圖3B、圖4A、圖4B)，但在緯度鄰近分區域分割方式下，兩組數據卻并不存在明顯聯系(圖3C、圖4C)。對研究結果進行F檢驗，在95% 的置信水平下，圖3A、圖3B、圖4A、圖4B中的F值分別為0.001 391、0.000 074、0.031 923、0.003 967，均小于0.05，回歸分析結果有效；圖3C、圖4C中的F值分別為0.883 052、0.749 711，均大于0.05，回歸分析結果無效。地理鄰近和經度鄰近分區域分割方式下的此種數據表現與前期研究中的相關結論[24]相一致，而緯度鄰近分區下的數據表現不一致。在此做出如下結論：隨著區域內土壤分類單元數量的增加，區域內的土壤構成一般也將會變得更加均勻，但這一現象在不同緯度地區的橫向對比中無明顯表現。

2.2 地表水體空間分布多樣性與土壤分類單元數目的相關性

研究發現，在地理鄰近和經度鄰近分區域分割方式下，地表水體空間分布多樣性與土壤亞類個數、土屬個數之間都存在一定的負相關關系(圖5A、圖5B、圖6A、圖6B)，但在緯度鄰近分區域分割方式下，兩組數據卻并不存在明顯聯系(圖5C、圖6C)。對研究結果進行F檢驗，在95% 的置信水平下，圖5A、圖5B、圖6A、圖6B中的F值分別為0.162 385、0.032 202、0.086 470、0.053 044，少部分回歸分析結果有效；圖5C、圖6C的F值分別為0.929 129、0.442 140，回歸分析結果無效。上述研究發現與前期研究中的相關結論[24]存在明顯區別，前期研究在小尺度(5 000 km2左右)研究區數據支持下發現地表水體的離散性分布特征與區域土壤分類單元數目之間存在更加明顯的負相關關系。在此做出如下結論：區域地表水體更加離散的空間分布特征會造成區域內土壤分類單元數目的減少，但這種現象隨著研究區面積的增加將會逐漸弱化，也即在大尺度研究區內，除水要素以外的其他成土因素將對區域土壤構成產生主要影響，但在小尺度研究區內，生物、母質、地形、時間、內動力地質作用以及人類活動等成土因素相對固定，因此小尺度研究區內的水要素分布特征將對區域土壤構成產生主要影響。

表1 3種分區域分割方式下的地表水體信息及土壤信息

2.3 代表性土類分布對區域地表水體空間分布格局的影響

在以往常規的成土因素相關分析中，一般均著眼于氣候、生物、母質、地形、時間、內動力地質作用以及人類活動等因素對土壤形成的作用分析，而從土壤形成角度探討土壤分布現狀與這些成土因素交互影響的相關報道較少出現。上一章節的研究內容主要分析區域地表水體的空間分布特征對區域內土壤構成混亂程度的整體影響，本節嘗試分析單一土壤類型與區域地表水體空間分布的交互影響。

當土壤分類級別由土屬變為土類時，不同土壤類別間的理化性質具有更大的區別，為深入探索區域土壤分布與地表水體空間分布格局之間存在的客觀聯系，基于前期研究的相關方法及理論，對研究區內的土壤分類單元(以土類為例)進行篩選，選擇潮土和褐土這兩種土類作為研究區的代表性土壤類型進行后續研究，這兩種土類同時滿足面積最大(分別占研究區土壤總面積的65.08% 和19.93%)和空間分布最廣泛(1 km網格尺度下的土壤空間分布多樣性均大于0.8)的代表性土壤類型選取原則(表2、圖7)。

潮土是一種受地下潛水影響和作用的半水成土壤，是由潴育化過程和旱耕熟化影響的腐殖質積累過程發育而形成的。潮土分布地區地形平坦，地下水埋深較淺，水熱資源較為豐富，一般多具有比較悠久的地區農業歷史。潮土是河南省面積最大、分布最廣的一個土類[25]。計算并統計了3種分區域分割方式下，各分區域內1 km網格尺度下的潮土、褐土空間分布多樣性(表3)，結合各分區域分割方式下的地表水體空間分布多樣性數據(表1)，研究發現，隨著區域內潮土空間分布多樣性的升高，地表水體的空間分布離散性也有升高的趨勢，這一現象在地理鄰近和經度鄰近分區域分割方式下表現明顯(圖8A、圖8B)，但在緯度鄰近分區方式下無表現(圖8C)。對上述研究結果進行F檢驗，在95% 的置信水平下，圖8A、圖8B、圖8C中的F值分別為0.017 086、0.000 727、0.486 264，地理鄰近和經度鄰近分區域分割方式下的回歸分析結果有效，緯度鄰近分區方式下無效。研究認為形成該數據現象的原因有兩個：一是區域地表水體分布對土壤形成的影響，即潮土的成土條件之一是區域性的潮濕水分狀況，因此分區域內高分布離散性的地表水體為潮土的形成提供了有利條件；二是發揮潮土生產潛力的前提是發展灌溉，即研究區內潮土區廣闊的適種性要求加強農田水利設施建設，而潮土區多為平原地形也為農田水利設施的建設提供了客觀上的有利條件，因此潮土分布離散性的增強往往給區域內地表水體分布離散性的增強提供了反作用力。

表2 研究區土類信息統計

表3 分區域分割方式下代表性土類的空間分布多樣性統計

褐土是河南省僅次于潮土的第二大土類，是在暖溫帶半濕潤季風氣候、干旱森林和灌木草原植被下，經過黏化過程和鈣積過程發育而成的半淋溶性土壤，褐土區地下水位多在10 m以下，有的達數十米，因此水要素一般不參加褐土的成土過程[25]。由于褐土在研究區內的分布特征所限，在某些分區內無褐土分布(分區內褐土面積為0)或僅有極少量分布(分區內褐土面積占研究區褐土總面積的比例低于0.1%)，為客觀分析褐土的空間分布對地表水體空間分布造成的影響，在回歸分析中刪除了地理鄰近分區域分割方式下的4、7、8、10和經度鄰近分區域分割方式下的7、8、9、10號分區數據點。研究發現，在地理鄰近和經度鄰近分區域分割方式下，隨著區域內褐土空間分布多樣性的升高，地表水體空間分布離散性有降低趨勢(圖9A、圖9B)，但在緯度鄰近分區方式下該數據現象無表現(圖9C)。對上述研究結果進行F檢驗，在95% 的置信水平下，圖9A、圖9B、圖9C中的F值分別為0.074 677、0.072 122、0.446 920，3種分區方式下的回歸分析結果均無效，但地理鄰近和經度鄰近分區域分割方式下的F值很接近0.05，這主要是由于刪除無效數據點以后造成數據點總數過少引起的，但圖9A、圖9B的回歸方程仍具有一定分析價值。后續研究中，將單獨對褐土的主要分布區域進行分區域分析，應該能得到更加準確的擬合方程。本研究認為，由于水要素一般不參與褐土的成土過程，因此褐土與地表水體之間在空間分布格局上存在一定的負相關變化關系。

本節研究結果表明，改良的土壤多樣性計量方法可以應用于某一具體土壤類型的空間分布格局與水要素空間分布格局的交互關系研究，而且這種定量化的分析方法不僅適用于潮土這類與水要素存在密切聯系的土壤類型，同時還適用于褐土這類與水要素沒有太大聯系的土壤類型。

3 結論

1)河南省最具代表性的土類——潮土的空間分布格局與區域地表水體的空間分布格局存在密切聯系，兩者的空間分布離散性之間存在較為明顯的正相關關系，一元線性回歸分析中的判定系數2達到0.5以上；而另一代表性土類——褐土的空間分布格局與區域地表水體的空間分布格局之間卻表現出較為明顯的負相關變化關系，判定系數2也達到0.5以上。上述數據現象與水要素在兩種土壤類型成土過程中所起的重要程度密切相關。

2)在分區域研究中，地理鄰近和經度鄰近分區域分割方式下的數據結果表現相近，但其均與緯度鄰近分區的數據結果不一致。鑒于地理鄰近分區理念與“相鄰相近”的地理學第一定律更加貼合，在后續研究中將主要使用地理鄰近分區方式探索不同區域水、土資源間的交互關系。

3)土壤和地表水體空間分布格局之間的交互關系在大尺度和小尺度研究區中存在不同表現，從水、土資源的地理空間分布角度來看，水要素作為土壤形成過程中的必要環節，在小尺度區域中，由于生物、母質等其他成土因素發生突變的概率較小，因此水要素對土壤形成的影響占比較大；但在大尺度區域中，相比于水要素，其他成土因素一般存在較大的變化，因此其他成土因素對土壤形成的影響更加重要。

4)基于資源空間分布離散性分析的土壤多樣性計量方法及理論除了能夠定量化描述區域地表水體空間分布對區域內土壤豐富度指數的影響，還能有效地應用于某個具體土壤類型與地表水要素空間分布格局的交互關系研究，這在本研究中得到有效證明。在未來相關研究中，將首先考慮研究區尺度，即研究區面積大小對研究結論的影響，另外考慮嘗試分析不同地形、母質等條件下水、土資源空間分布格局交互性的不同體現。同時，本研究的相關研究理念及方法也為其他資源類型的空間分布格局評價及交互關系研究提供了新的思路。

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Study on Interactive Relationship Between Spatial Distribution Pattern of Soil and Surface Water

DUAN Jinlong1, ZHANG Ge2, REN Yuanyuan3, ZHANG Xuelei4*, LI Weidong1

(1 College of Information Science and Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China; 2 Crop Design Center, Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450003, China; 3 Social Development Research Center, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China; 4 Institute of Natural Resources and Eco-environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

An improved pedodiversity methodology was applied for exploring the intrinsic relationship of the geo-spatial distribution patterns between the regional soil and surface water in a typical agricultural region of central China.Several parameters, such as the number of soil types, soil constituent diversity, soil spatial distribution diversity, and surface water spatial distribution diversity, were calculated and analyzed with 1 km grid scale.The results showed that the most representative soil groups in the study area were Ochri-Aquic Cambosol and Hapli-Ustic Argosol, and whose area in total accounted of 85% of the total area of the study region and their spatial distribution diversity were greater than 0.8.There was a data connection between the spatial distribution pattern of these two representative soil groups and the spatial distribution pattern of the regional surface water, the coefficient of determination (2) was above 0.5, which was closely related to the role of water factor in soil-formation process of these two soil groups.The increase in the area of the study region would generally reduce the effect of surface water on the number of regional soil types.Compared with other soil-forming factors, the importance of the influence of water factor in soil formation was related to the size of study scale.The improved measurement methods and theories of pedodiversity which based on the discreteness analysis of the geo-spatial distribution of resources could provide a theoretical and data support for the evaluation of the spatial distribution pattern of different resource types (such as water and soil) and their interactive relationship.

Pedodiversity; Surface water; Soil formation; Henan Province

S151；P966

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.05.024

段金龍, 張戈, 任圓圓, 等.土壤與地表水體空間分布格局的交互關系研究.土壤, 2021, 53(5): 1072–1080.

國家自然科學基金項目 (41701237；41571208)資助。

通訊作者(ZXLzzu@zzu.edu.cn)

段金龍(1984—)，男，河南民權人，博士，講師，主要從事地理信息及水土資源遙感研究。E-mail: 215385212@qq.com