段金龙(1984-), 男, 河南民权人, 博士, 讲师, 主要从事地理信息及水土资源遥感研究。E-mail:
以中国中部典型农业区的土壤和地表水体数据为例,基于改良的土壤多样性计量方法计算并统计了1 km网格尺度下的土壤类型个数、土壤构成组分多样性、土壤空间分布多样性和地表水体空间分布多样性等多类数据指数,探索了区域土壤与地表水体在地理空间分布格局上的内在联系。结果表明:①研究区内最具代表性土类潮土和褐土(两者面积加和占研究区总面积85%,两者空间分布多样性均大于0.8)的空间分布格局与区域地表水体的空间分布格局之间存在数据联系,回归分析中的判定系数
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 (
耕地质量下降、水土流失、土壤酸化、土壤退化、生物多样性减少等问题都对当代中国的粮食安全造成影响[
土壤多样性理论与研究方法在21世纪初引入中国[
选取河南省中部、东部和北部的典型区域为研究区,包括平顶山市(部分区域)、漯河市(部分区域)、许昌市、郑州市、安阳市、鹤壁市、濮阳市、新乡市、开封市、商丘市和周口市(部分区域),区域总面积66 574 km2。区内地形多以平原为主,高程范围–52~1 662 m,其中86% 的区域高程值低于200 m,为区域内的农业生产提供了有利条件。研究区属暖温带季风气候,四季分明,农业基础条件较好,以小麦–玉米轮作种植为主,是河南省小麦主产区,该区的粮食产出对河南省乃至全国粮食安全具有重要意义。研究区境内河流分属海河流域、黄河流域及淮河流域,年平均降水量700 mm,土壤类型共包含14个土类、32个亚类、94个土属。
研究选用2000—2014年美国Landsat系列卫星数据(其中2013年及以后数据使用OLI_TIRS传感器数据,其余使用TM或ETM+传感器数据),所有数据均获取自5月份左右,云量均小于5%。其余研究数据包括基于第二次全国土壤普查的研究区土壤图矢量数据、行政区划矢量数据、DEM数据、统计年鉴数据等。数据运行环境为ENVI 4.8和ArcGIS 10.2。
研究使用以下改良的土壤多样性计量方法[
式中:
本研究首先对所选研究区的遥感数据进行土地利用监督分类,提取其中的地表水体信息(主要由河流、湖泊、水库、鱼塘、高等级沟渠等地表水资源类型组成),地表水体的分类结果由基于Google Earth高清卫片的目视解译方法进行精度验证。2010年开工的南水北调中线工程、近20年高速城市化发展造成的土地利用变化、气候变化等因素都对研究区的地表水体分布特征造成了显著影响,为获取更加客观的研究区地表水体常态分布,本研究对基础遥感数据进行初期筛选,选择平均云量小于5% 的5月份左右数据,同时每个县市选择2000年左右及2014年左右的两组数据进行土地利用监督分类,取两组地表水体分类结果的公共部分作为该县市的地表水体分布最终数据(
研究区地理位置
Geographic location of the study area
研究区地表水体及分区域分布
Distribution of surface water and subregion
计算并统计了3种分区域分割方式下,各分区域内1 km网格尺度下的地表水体空间分布多样性、土壤亚类个数及其构成组分多样性、土属个数及其构成组分多样性(
3种分区域分割方式下的地表水体信息及土壤信息
Information of surface water and soil under three subregion methods
分区域分割方式 | 分区编号 | 网格个数 | 地表水体空间分布多样性 | 土壤亚类个数 | 土壤亚类构成组分多样性 | 土属个数 | 土属构成组分多样性 |
地理邻近 | 1 | 6 830 | 0.766 | 20 | 0.758 | 45 | 0.718 |
2 | 6 911 | 0.811 | 11 | 0.466 | 22 | 0.788 | |
3 | 6 777 | 0.787 | 21 | 0.653 | 39 | 0.780 | |
4 | 6 785 | 0.795 | 10 | 0.405 | 23 | 0.698 | |
5 | 6 749 | 0.670 | 23 | 0.665 | 52 | 0.797 | |
6 | 6 657 | 0.784 | 11 | 0.489 | 24 | 0.681 | |
7 | 6 662 | 0.741 | 8 | 0.143 | 15 | 0.612 | |
8 | 6 910 | 0.769 | 8 | 0.275 | 16 | 0.692 | |
9 | 6 867 | 0.693 | 19 | 0.812 | 43 | 0.804 | |
10 | 6 849 | 0.759 | 6 | 0.401 | 17 | 0.719 | |
经度邻近 | 1 | 6 924 | 0.669 | 26 | 0.704 | 56 | 0.827 |
2 | 6 814 | 0.737 | 25 | 0.755 | 62 | 0.787 | |
3 | 6 756 | 0.753 | 25 | 0.800 | 58 | 0.805 | |
4 | 6 718 | 0.750 | 22 | 0.680 | 46 | 0.734 | |
5 | 6 702 | 0.793 | 16 | 0.645 | 37 | 0.783 | |
6 | 6 701 | 0.799 | 13 | 0.329 | 25 | 0.671 | |
7 | 6 734 | 0.789 | 11 | 0.268 | 22 | 0.631 | |
8 | 6 760 | 0.791 | 10 | 0.400 | 24 | 0.736 | |
9 | 6 872 | 0.746 | 10 | 0.334 | 21 | 0.726 | |
10 | 7 016 | 0.767 | 10 | 0.266 | 19 | 0.678 | |
纬度邻近 | 1 | 6 991 | 0.786 | 20 | 0.681 | 39 | 0.807 |
2 | 6 751 | 0.796 | 22 | 0.704 | 47 | 0.809 | |
3 | 6 757 | 0.781 | 22 | 0.530 | 41 | 0.728 | |
4 | 6 801 | 0.804 | 16 | 0.534 | 31 | 0.701 | |
5 | 6 750 | 0.728 | 23 | 0.521 | 48 | 0.691 | |
6 | 6 725 | 0.761 | 21 | 0.458 | 45 | 0.692 | |
7 | 6 706 | 0.724 | 20 | 0.514 | 43 | 0.723 | |
8 | 6 728 | 0.756 | 14 | 0.533 | 34 | 0.719 | |
9 | 6 791 | 0.775 | 18 | 0.534 | 37 | 0.722 | |
10 | 6 997 | 0.699 | 17 | 0.641 | 39 | 0.761 |
对上述统计数据进行一元线性回归分析发现,在地理邻近和经度邻近分区域分割方式下,土壤亚类个数与土壤亚类构成组分多样性、土属个数与土属构成组分多样性之间都存在明显的正相关关系(
土壤亚类个数与其构成组分多样性的关系
Relationships between soil subgroup amount and its constituent diversity
土属个数与其构成组分多样性的关系
Relationships between soil family amount and its constituent diversity
研究发现,在地理邻近和经度邻近分区域分割方式下,地表水体空间分布多样性与土壤亚类个数、土属个数之间都存在一定的负相关关系(
地表水体空间分布多样性与土壤亚类个数的关系
Relationships between surface water spatial distribution diversity and soil subgroup amount
地表水体空间分布多样性与土属个数的关系
Relationships between surface water spatial distribution diversity and soil family amount
在以往常规的成土因素相关分析中,一般均着眼于气候、生物、母质、地形、时间、内动力地质作用以及人类活动等因素对土壤形成的作用分析,而从土壤形成角度探讨土壤分布现状与这些成土因素交互影响的相关报道较少出现。上一章节的研究内容主要分析区域地表水体的空间分布特征对区域内土壤构成混乱程度的整体影响,本节尝试分析单一土壤类型与区域地表水体空间分布的交互影响。
当土壤分类级别由土属变为土类时,不同土壤类别间的理化性质具有更大的区别,为深入探索区域土壤分布与地表水体空间分布格局之间存在的客观联系,基于前期研究的相关方法及理论,对研究区内的土壤分类单元(以土类为例)进行筛选,选择潮土和褐土这两种土类作为研究区的代表性土壤类型进行后续研究,这两种土类同时满足面积最大(分别占研究区土壤总面积的65.08% 和19.93%)和空间分布最广泛(1 km网格尺度下的土壤空间分布多样性均大于0.8)的代表性土壤类型选取原则(
研究区土类信息统计
Statistics of soil groups in research area
土类名称 | 总面积(km2) | 空间分布多样性 | 土类名称 | 总面积(km2) | 空间分布多样性 | |
潮土 | 41848.72 | 0.960 | 砂姜黑土 | 3170.27 | 0.739 | |
粗骨土 | 1616.85 | 0.691 | 石质土 | 1718.24 | 0.698 | |
风砂土 | 1043.74 | 0.672 | 水稻土 | 47.79 | 0.389 | |
褐土 | 12812.68 | 0.860 | 新积土 | 75.96 | 0.431 | |
红粘土 | 230.52 | 0.533 | 盐土 | 24.59 | 0.334 | |
黄褐土 | 1390.24 | 0.660 | 紫色土 | 56.96 | 0.413 | |
碱土 | 95.17 | 0.465 | 棕壤 | 168.74 | 0.501 |
代表性土类分布
Distribution of representative soil groups
潮土是一种受地下潜水影响和作用的半水成土壤,是由潴育化过程和旱耕熟化影响的腐殖质积累过程发育而形成的。潮土分布地区地形平坦,地下水埋深较浅,水热资源较为丰富,一般多具有比较悠久的地区农业历史。潮土是河南省面积最大、分布最广的一个土类[
分区域分割方式下代表性土类的空间分布多样性统计
Statistics of spatial distribution diversities of representative soil groups in subregions
分区编号 | 潮土 | 褐土 | |||||||
地理邻近分区 | 经度邻近分区 | 纬度邻近分区 | 地理邻近分区 | 经度邻近分区 | 纬度邻近分区 | ||||
1 | 0.767 | 0.722 | 0.916 | 0.939 | 0.956 | 0.883 | |||
2 | 0.987 | 0.804 | 0.936 | 0.539 | 0.936 | 0.831 | |||
3 | 0.953 | 0.891 | 0.975 | 0.824 | 0.890 | 0.758 | |||
4 | 0.991 | 0.934 | 0.967 | 0.000 | 0.824 | 0.764 | |||
5 | 0.713 | 0.962 | 0.954 | 0.977 | 0.830 | 0.844 | |||
6 | 0.986 | 0.991 | 0.962 | 0.696 | 0.643 | 0.843 | |||
7 | 0.997 | 0.994 | 0.959 | 0.000 | 0.000 | 0.842 | |||
8 | 0.989 | 0.993 | 0.960 | 0.264 | 0.000 | 0.845 | |||
9 | 0.827 | 0.983 | 0.944 | 0.900 | 0.000 | 0.827 | |||
10 | 0.971 | 0.983 | 0.913 | 0.265 | 0.264 | 0.688 |
代表性土壤(潮土)空间分布多样性与地表水体空间分布多样性的关系
Relationships between spatial distribution diversity of representative soil group (Ochri-Aquic Cambosol) and surface water
褐土是河南省仅次于潮土的第二大土类,是在暖温带半湿润季风气候、干旱森林和灌木草原植被下,经过黏化过程和钙积过程发育而成的半淋溶性土壤,褐土区地下水位多在10 m以下,有的达数十米,因此水要素一般不参加褐土的成土过程[
代表性土壤(褐土)空间分布多样性与地表水体空间分布多样性的关系
Relationships between spatial distribution diversity of representative soil group (Hapli-Ustic Argosol) and surface water
本节研究结果表明,改良的土壤多样性计量方法可以应用于某一具体土壤类型的空间分布格局与水要素空间分布格局的交互关系研究,而且这种定量化的分析方法不仅适用于潮土这类与水要素存在密切联系的土壤类型,同时还适用于褐土这类与水要素没有太大联系的土壤类型。
1) 河南省最具代表性的土类——潮土的空间分布格局与区域地表水体的空间分布格局存在密切联系,两者的空间分布离散性之间存在较为明显的正相关关系,一元线性回归分析中的判定系数
2) 在分区域研究中,地理邻近和经度邻近分区域分割方式下的数据结果表现相近,但其均与纬度邻近分区的数据结果不一致。鉴于地理邻近分区理念与“相邻相近”的地理学第一定律更加贴合,在后续研究中将主要使用地理邻近分区方式探索不同区域水、土资源间的交互关系。
3) 土壤和地表水体空间分布格局之间的交互关系在大尺度和小尺度研究区中存在不同表现,从水、土资源的地理空间分布角度来看,水要素作为土壤形成过程中的必要环节,在小尺度区域中,由于生物、母质等其他成土因素发生突变的概率较小,因此水要素对土壤形成的影响占比较大;但在大尺度区域中,相比于水要素,其他成土因素一般存在较大的变化,因此其他成土因素对土壤形成的影响更加重要。
4) 基于资源空间分布离散性分析的土壤多样性计量方法及理论除了能够定量化描述区域地表水体空间分布对区域内土壤丰富度指数的影响,还能有效地应用于某个具体土壤类型与地表水要素空间分布格局的交互关系研究,这在本研究中得到有效证明。在未来相关研究中,将首先考虑研究区尺度,即研究区面积大小对研究结论的影响,另外考虑尝试分析不同地形、母质等条件下水、土资源空间分布格局交互性的不同体现。同时,本研究的相关研究理念及方法也为其他资源类型的空间分布格局评价及交互关系研究提供了新的思路。
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