异质景观条件下江汉平原土壤的空间分异

王宏志,潘方杰,周 勇,徐新良,李仁东,刘目兴

1 地理过程分析与模拟湖北省重点实验室,华中师范大学城市与环境科学学院, 武汉 430079 2 资源与环境信息系统国家重点实验室, 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101 3 中国科学院测量与地球物理研究所, 武汉 430077



异质景观条件下江汉平原土壤的空间分异

王宏志1,潘方杰1,周 勇1,徐新良2,*,李仁东3,刘目兴1

1 地理过程分析与模拟湖北省重点实验室,华中师范大学城市与环境科学学院, 武汉 430079 2 资源与环境信息系统国家重点实验室, 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101 3 中国科学院测量与地球物理研究所, 武汉 430077

景观异质与土壤分异息息相关。以DEM数据为基础,以海拔50m、100m为界,将江汉平原划分为平原湖区景观、平缓岗地景观及起伏丘陵景观3种类型。在ArcGIS 10支持下,将江汉平原土壤图与景观类型图进行叠置分析,提取不同景观类型片区各土壤亚类斑块周长、面积等信息,计算了各景观类型片区各土壤亚类的分维数、平均斑块面积、稳定度等信息,定量分析了江汉平原各景观类型片区土壤空间分异特征,结论如下：(1)不同景观类型区各土壤亚类分布差异明显,起伏丘陵景观区主要以红壤和黄棕壤地带性土壤为主；平原湖区潮土和水稻土等耕作土非常发育；平缓岗地区地带性土壤和耕作土壤平分秋色。(2)连片性较好的土壤亚类呈现不同的景观选择性：耕作土集中分布于平原湖区景观片区；地带性土壤多集中分布于丘陵和岗地景观片区。(3)平原湖区面积很大,各类土壤都有发育的空间,土壤亚类之间分维数和稳定度差别比较大；平缓岗地景观区由于面积非常局限,土壤亚类发生发育受到空间的限制,边界破碎化,分维数平均都比较大,斑块镶嵌结构均比较复杂,稳定度差别较小。(4)主要土壤亚类的分维数和稳定性指数值一定程度地反映了各主要土壤亚类的最匹配的景观类型,即能够提供其发生发育的最佳条件。研究有利于深入认识土壤形成和演化规律,为土壤资源的合理利用及定向培育服务。

景观类型；土壤亚类；连片性；分维数；江汉平原

开放系统中景观异质性是决定物质能量状态、流向的重要结构[1-2],具有尺度等级性。海拔高度是产生景观异质性的重要因素之一,从大尺度上来看,海拔高度通过调节水热条件影响景观异质性；从小尺度来看,海拔高度通过决定水分和物质的运移方向等方面影响景观异质性,一定程度上决定了土壤颗粒粒径和土壤水状况,进而在土壤空间分异方面有重要表现[3]。研究异质景观对于土壤空间分异的影响,有利于深入认识土壤演化规律,为土壤资源的合理利用及定向培育服务。

另一方面,分形理论为空间分异研究提供了有力的定量分析方法,该理论于20世纪70年代由美籍法国科学家B. Mandelbrot提出,在描述复杂不规则几何形状嵌套的自然空间现象方面具有独特的优势[6],在土壤研究方面也得到了广泛应用。微观方面如不同经营模式下土壤团粒结构的分维特征[7]、土壤空隙的分形模型与透水性计量[8]等,宏观方面如土壤类型的空间分异特征等研究[9-12]。

鉴于对异质景观下土壤类型空间分异特征差异的定量研究尚较缺乏,拟以江汉平原这一自然地理单元为案例研究区对此进行探讨。江汉平原(29°26′—31°10′N,111°30′—114°32′E)地处长江中游、湖北省中南部,总面积约为31036 km2[13-14],是湖北乃至全国重要的粮食产区和农产品生产基地。江汉平原由西北向东南微倾,中南部主体属于扬子准地台江汉断拗,自古近纪始本区一直处于下沉过程中,堆积作用旺盛,形成了海拔50m以下的平原湖区景观；而北部、西部则逐渐抬升,形成海拔50m以上的平缓岗地景观及海拔100—500m的起伏丘陵景观[15]。这种异质景观格局长期控制着江汉平原土壤成土母质分异和水分条件差异。拟在土壤数据库和DEM数据支持下,利用分形分析方法,研究景观异质对土壤亚类的空间分异、斑块稳定度、连片度等特征的影响,揭示江汉平原景观异质性对区域土壤空间分异的作用。

1 研究方法

1.1 数据来源及处理

1.1.1 江汉平原土壤数据库

以ArcGIS 10.0为操作平台,建立了江汉平原土壤数据库,其数据基础是全国第二次土壤普查成果,包括江汉平原土壤类型矢量图、代表土层特征表、江汉平原区划图、土地利用图、江汉平原土壤环境数据、社会经济等数据等。其中江汉平原土壤类型矢量图层底图来源于《湖北省分县土壤图集》[16]。该图集是基于1∶1万的外业土壤调查的基础上逐步缩编而成,原图制图单元是土种。受限于县域面积和图幅大小的限制,各县比例尺在1∶10万到1∶20万之间。采用统一的投影系统对各县图件进行配准和数字化。本研究中将土种图斑合并至亚类进行研究,研究区涉及8个土壤类型、18个土壤亚类。

1.1.2 江汉平原异质景观划分

江汉平原由近代强烈沉降的江汉盆地承受长江汉江的冲积沉积物而形成,其景观差异主要表现在地貌类型、河湖关系、土地利用方式与程度等方面的差异,受高程影响很大[15,17-18],可以近似地以海拔高度来划分景观类型：海拔50m以下主要为平原湖区景观；海拔50m以上100m以下主要为平缓岗地景观；海拔100m以上主要为起伏丘陵景观。从研究区DEM矢量图中提取50m、100m等高线,以此为界,将江汉平原划分上述3类景观类型区。DEM影像来源于中科院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站,下载格式为.IMG,空间分辨率为30m,投影类型为UTM/WGS84。研究区共涉及12幅GDEM影像,通过拼接、裁剪以及坐标、投影转换、高程计算与赋值,将栅格数据转换为矢量DEM,并进行平滑处理。

1.1.3 不同景观类型下土壤信息提取

将江汉平原景观类型区矢量图与土壤类型矢量图进行叠置分析,得到不同景观类型区的土壤类型分布图(见图1),提取各景观类型区土壤亚类面积及其斑块数量信息(表1)。

1.2 周长-面积双对数分维模型

分形理论在定量描述具有不规则、粗糙、支离破碎的自然结构时具有独特的优势[6]。分形维数的计算方法发展了很多种类型,经典方法有自相似维数和盒计数维数等；周长-面积法是从经典算法演化而来,广泛地应用于景观要素图斑的分形特征、镶嵌结构[19-20]及土壤斑块的形态结构[12]等研究,其表达式为：

P1/DA1/2

(1)

对式(1)两边分别取对数:

(2)

式中,A为某个(类)不规则面状图形的面积,P为该(或该类)图形的周长,C为待定常数,D则为该(或该类)图形的分维数。分数维图形虽然一般都非常复杂,但其复杂程度却可用非整数维去量化。对某一土壤类型而言,将各斑块的周长、面积的对数值作回归分析拟合,可得到该类型土壤斑块的周长、面积对数值拟合直线的斜率值(2/D),2除以直线斜率值的商即是各土壤类型的分维数D。D值在1—2之间,D值越大,表示土壤斑块空间镶嵌结构越复杂。理论上,当D=1时,表示土壤斑块为正方形；当D=2时,土壤斑块全部被边界填满；D=1.5时,土壤斑块边界随机性最高,土壤类型斑块空间镶嵌结构最不稳定,可以采用|1.5-D|表示土壤类型斑块空间镶嵌结构的稳定性[21-22]。

2 结果与分析

2.1 江汉平原异质景观与土壤空间分异

江汉平原主体由长江、汉江及其支流的河流冲积物和湖相沉积物堆积而成[15]。域内3种景观类型面积构成为：平原湖区景观占85.67%、平缓岗地景观7.58%和起伏丘陵景观平原景观6.76%。区内水域面积为3201 km2,土壤面积为27835 km2。对不同景观类型下土壤亚类面积、斑块数量信息及空间分布特征进行分析(图1和表1),显示江汉平原异质景观与土壤空间分异具有明显的空间关联。

图1 江汉平原不同景观类型下土壤空间分布Fig.1 The Distribution map of Soil Subgroups under different landscapes

2.1.1 不同景观类型下优势土壤类型及其破碎度差异明显

江汉平原地带性土壤为红壤和黄棕壤,由于开发利用条件优越,耕作土壤如水稻土和潮土十分发育。区域大平小不平的微景观格局奠定了土壤空间分异的物质能量基础。从表1可见,不同景观类型区土壤面积构成和斑块数量结构具有显著差异。

起伏丘陵景观土壤类型面积结构为：红壤和黄棕壤等地带性土壤占51.58%、岩性土占25.08%、耕作土壤(包括水稻土和潮土)占23.32%,可见起伏丘陵景观土壤以地带性土壤和岩性土为主,占土壤总面积的76.66%。平原湖区景观土壤面积结构为耕作土壤96.23%、地带性土壤2.61%、岩性土0.0066%、草甸土和沼泽土1.15%,可见平原湖区景观耕作土壤占绝对优势。平缓岗地景观水稻土53.03%、潮土占5.33%、岩性土占2.82%、地带性土壤占38.66%、其他土壤占0.15%,可见平缓岗地景观耕作土壤和地带性土壤均占比较大的份额,具有明显的过渡特色。

就斑块数量构成而言,起伏丘陵景观耕作土壤斑块占50.77%,地带性土壤斑块占42.35%；对比其面积构成可见,耕作土壤面积比例远小于其斑块数量比例,而地带性土壤面积构成比例和其斑块数量构成比例相当,说明起伏丘陵景观区耕作土壤斑块相对破碎。平原湖区景观耕作土壤斑块数量占88.33%,地带性土壤斑块数量占11.05%；对比其面积构成可见,耕作土壤面积比例略大于其斑块数量比例,而地带性土壤面积比例远小于其斑块数量比例,说明平原湖区景观区地带性土壤斑块破碎。

总之,起伏丘陵景观区地带性土壤为主且破碎度小,平原湖区景观区以耕作土为主且破碎度小,平缓岗地景观区土壤类型构成呈现出明显的过渡特征。

2.1.2 主要土壤亚类的景观类型分布差异明显

江汉平原耕作土壤主要包括水稻土和潮土。水稻土总面积为14779.22km2,分为淹育型、潴育型、潜育型、沼泽型、侧渗型水稻土等亚类,其中潴育型水稻土亚类土质最为优良,熟化程度较高,分布最广,面积最大,占水稻土总面积的67.55%。潴育型水稻土面积的景观构成分别为：平原湖区85.71%、平缓岗地10.39%、起伏丘陵为3.90%,这种巨大差异是由江汉平原的景观类型优势度的差别决定的,而各景观类型内部,潴育型水稻土在土壤中面积占比分别为：平原湖区景观35.9%、平缓岗地景观49.2%、起伏丘陵景观20.7%。可见,江汉平原潴育型水稻土分布受景观类型限制较小。潮土总面积为9837.67 km2,分潮土和灰潮土两个亚类,其中灰潮土面积占94.16%。灰潮土面积的景观构成为：平原湖区景观98.80%,平缓岗地景观1.14%和起伏丘陵景观0.065%。而各景观类型内部,灰潮土的占比分别为：平原湖区景观38.4%、平缓岗地景观5.0%、起伏丘陵景观0.03%；可见江汉平原灰潮土分布受景观影响很大。

表1 江汉平原不同景观类型下土壤亚类及其斑块数

江汉平原地带性土壤有红壤和黄棕壤两类,有棕红壤、红壤性土、黄棕壤和黄棕壤性土4个亚类,其中黄棕壤亚类面积最大,分布最广。黄棕壤面积的景观构成：平原湖区27.3%、平缓岗地29.6%和起伏丘陵43.2%。各景观类型内部黄棕壤的构成比例差别悬殊,分别占平原湖区景观、平缓岗地景观、起伏丘陵景观区的2%、24.9%和39.5%。可见黄棕壤主要分布于起伏丘陵景观区,平缓岗地景观区次之,平原湖区景观区比例很少。

2.1.3 各土壤亚类不同景观类型下的连片性差异明显

土壤类型在各景观类型下的平均斑块面积可以表示该土壤类型的连片性或破碎程度。各景观类型土壤亚类平均斑块面积总体差异很大,平原湖区景观区土壤亚类斑块平均面积最大,为2.28 km2；起伏丘陵景观区次之,为1.14 km2；平缓岗地景观区最小,为0.29 km2。平原湖区景观区地势平坦,土壤发育的景观因子如水热条件、母质条件、地下水位等差异较小,土壤集中连片分布,平均斑块面积最大；平缓岗地景观区由于空间局限且分布分散,平均斑块面积最小；丘陵地貌区平均斑块面积介于两者之间。

各代表土壤亚类在不同景观下的连片性特征差异鲜明(表2)。潴育型水稻土虽然在岗地景观内部面积构成中比例最高,连片性却最差,平均斑块面积仅有0.52 km2；而在平原湖区景观区平均斑块面积达到2.85 km2,显示出很好的连片性；在起伏丘陵景观区,潴育型水稻土平均斑块面积为0.74 km2,连片性也较差。而灰潮土在平缓岗地景观区和起伏丘陵景观区平均斑块面积均非常小,仅有0.06 km2；而在平原湖区景观区平均斑块面积达到3.94 km2,呈现出很好的连片性。相反地,黄棕壤在起伏丘陵景观区平均斑块面积为1.88 km2,表现出最好的连片性；而在平缓岗地景观区和平原湖区景观区平均斑块面积分别为0.58 km2和0.67 km2,连片性均较差。

可见,耕作土在平原湖区景观区连片性最好,地带性土壤在起伏丘陵区连片性最好。

表2 不同景观类型区各土壤亚类的平均斑块面积/km2

2.2 不同景观区各土壤亚类空间结构复杂性和稳定性分析

2.2.1 各景观类型下各土壤亚类空间分形结构验证分析

图2 平原湖区淹育型水稻土、潴育型水稻土斑块周长-面积双对数散点图及关系式Fig.2 Diagram of the relations of lnP&lnA of Submerged paddy soil and Waterlogged paddy soil patches in Plain Lake Landscape Area

分形分析为描述土壤空间分布的复杂性提供了新的定量方法。提取各景观类型区各土壤亚类周长与面积数据,根据公式(2),利用Eviews7.0软件得出各土壤亚类周长—面积的双对数散点分布图(图2,限于篇幅,仅以平原湖区景观类型下两个土壤亚类进行示例),并进行线性回归分析,求出回归方程(表3)和相关系数的平方(R2)。其中,平原湖区景观区粗质沼泽土和紫泥土、起伏丘陵景观区侧渗型水稻土及平缓岗地景观区粗质沼泽土斑块数量很少,不能建立土壤亚类斑块的周长-面积关系函数(在表3中以“/”来表示,同时各景观区缺失的亚类也用“/”来表示)。

各景观类型区各土壤亚类斑块的周长-面积关系均可以通过R2显著性检验(表3),除了无法建立回归关系的土壤亚类外,其他各土壤亚类斑块的周长-面积双对数关系显著,显示江汉平原各景观类型区各土壤亚类空间分形结构特征客观存在。

表3 江汉平原各景观类型区土壤类型斑块的周长(P,m)-面积(A,m2)关系

2.2.2 各景观类型片区各土壤亚类斑块空间镶嵌结构的复杂性和稳定性特征

由(2)式和表3可以得出不同景观类型区各土壤亚类的分维数D,表示该土壤亚类斑块镶嵌结构的复杂程度；并计算出|D-1.5|值,表示其斑块镶嵌结构的稳定程度(表4)。

表4 各景观类型区各土壤亚类分维数(D)及稳定性指数(|D-1.5|)

平原湖区面积很大,各类土壤都有发育的空间,土壤亚类之间分维数和稳定度差别都比较大(均为0.38)。区内草甸沼泽土分维数最大(1.49),斑块镶嵌结构最复杂,其稳定性指数最小(0.01)即稳定性最差；中性紫泥土最小(1.12),斑块镶嵌结构最简单,其稳定性指数最大(0.38)即稳定性最好。前者降水变化和人类活动影响很大,所以结构复杂、稳定性差；后者主要受地质过程本底决定,所以结构简单、稳定性高。

平缓岗地景观区由于面积非常局限,受空间的限制,土壤亚类边界比较破碎,分维数平均都比较大,斑块镶嵌结构复杂,分维数和稳定度差别都比较小(均为0.21)。区内棕红壤分维数最大(1.41),斑块镶嵌结构最复杂,稳定性指数最小(0.09)即稳定性最差；棕红壤亚类被各类泛域土壤包围,其斑块镶嵌结构决定于周围土壤的结构,比较复杂。潜育型水稻土分维数最小(1.20),斑块镶嵌结构最简单,其稳定性指数最大(0.3)即稳定性最好；潜育型水稻土是景观类型内地势低、排水不良的所在,自然条件限制较大,所以斑块镶嵌结构简单、稳定性高。

起伏丘陵景观区除棕色石灰土外,潮土分维数最大(1.52),斑块镶嵌结构最复杂,其稳定性指数最小(0.02)即稳定性最差；浅色草甸土分维数最小(1.06),斑块镶嵌结构最简单,其稳定性指数最大(0.44)。潮土受人类活动影响大,后者受地形影响大。

主要土壤亚类的分维数和稳定性指数值很好地反映了景观对土壤空间分异的影响,一定程度地反映了各主要土壤亚类的最适宜景观类型。潴育型水稻土是江汉平原的当家田,在平原湖区分维数最小,斑块镶嵌结构最简单,也最稳定；平缓岗地区次之；起伏丘陵区结构最复杂,稳定性也最差。灰潮土是江汉平原主要的旱作土壤,在起伏丘陵区分维数最小,斑块镶嵌结构最简单,也最稳定；平缓岗地区次之；平原湖区结构最复杂,稳定性也最差。黄棕壤是江汉平原主要的地带性土壤,虽然各个景观区内分维数差别不是很大,仍然显示出在起伏丘陵区分维数最小,斑块镶嵌结构最简单,也最稳定。

3 结论

基于景观生态学理论和分形理论,对江汉平原不同景观类型下的土壤空间分异特征进行了定量分析,结论如下：

(1)不同景观类型区各土壤亚类分布差异明显,起伏丘陵景观区主要以红壤和黄棕壤地带性土壤为主；平原湖区景观区水稻土和潮土等耕作土非常发育；平缓岗地景观区地带性土壤和耕作土壤平分秋色。

(2)连片性较好的土壤亚类呈现不同的景观类型选择性：连片性较好的耕作土壤亚类集中分布于平原湖区景观片区；连片性较好的地带性土壤亚类多集中分布于丘陵和岗地景观片区。

(3)平原湖区面积很大,各类土壤都有发育的空间,土壤亚类之间分维数和稳定度差别比较大；平缓岗地景观区由于面积非常局限,土壤亚类发生发育受到空间的限制,边界破碎化,分维数平均都比较大,斑块镶嵌结构均比较复杂,稳定度差别较小。

(4)主要土壤亚类的分维数和稳定性指数值一定程度地反映了各主要土壤亚类的最匹配的景观类型,即能够提供其发生发育的最佳条件的景观。潴育型水稻土最匹配的景观类型是平原湖区；灰潮土是起伏丘陵区；黄棕壤是起伏丘陵区。

研究有利于深入认识土壤发生和演化规律,为土壤资源的合理利用及定向培育服务。

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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

国家自然科学基金项目(41271534, 41371183, 40771088)；华中师范大学中央高校基本业务费(CCNU15ZD001)；湖北省自然科学基金重点项目(2015CFA141)

2015-03-31;

日期:2015-12-29

10.5846/stxb201503310634

*通讯作者Corresponding author.E-mail: xuxl@lreis.ac.cn

王宏志,潘方杰,周勇,徐新良,李仁东,刘目兴.异质景观条件下江汉平原土壤的空间分异.生态学报,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.