查理思，吳克寧，曹 植，鞠 兵

(1．中國地質(zhì)大學(北京)土地科學技術(shù)學院，北京 100083;2．國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100035;3．中國科學院 地理科學與資源研究所，北京 100101)

砂姜黑土是我國主要的中低產(chǎn)土壤之一，然而砂姜黑土地區(qū)氣候資源條件較好，水資源豐富且便于灌溉，土壤潛在肥力較高，具有較大的生產(chǎn)潛力。合理改良利用土壤，按照分區(qū)治理原則，有必要了解砂姜黑土土類及土屬的分布范圍，從而進行相應的整治，以提高其生產(chǎn)力［1-4］。

土壤制圖是獲取土壤信息的基本手段，在土壤科學發(fā)展中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。隨著現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展和環(huán)境模型模擬精度的提高，對土壤的空間和屬性信息的詳細程度都提出了更高的要求。為了滿足快速發(fā)展的大量高精度土壤信息需求，采用新的方法開展數(shù)字土壤制圖是土壤科學新興的研究方向，以定量土壤－景觀模型為理論基礎(chǔ)、以空間分析和數(shù)學方法為技術(shù)手段的土壤制圖方法日益成為研究熱點［5-6］。

數(shù)字土壤制圖主要根據(jù)數(shù)字形式的土壤形成環(huán)境數(shù)據(jù)或?qū)傩詳?shù)據(jù)直接生產(chǎn)數(shù)字格式的土壤圖，其優(yōu)點可以對土壤類型或土壤屬性預測的精度進行估計［7］。隨著GIS和RS的廣泛應用，土壤研究者獲取和分析各種景觀數(shù)據(jù)的能力突飛猛進，土壤學尤其是土壤發(fā)生學的深入研究使土壤—景觀分析的理論基礎(chǔ)日益堅固，長期的土壤調(diào)查積累了豐富的土壤—景觀關(guān)系方面的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗知識，這些都為土壤—景觀量化模型的建立奠定了基礎(chǔ)［8］。

1 材料與方法

1．1 砂姜黑土區(qū)概況

河南省的砂姜黑土在自然地域上，主要分布在黃淮平原、南陽盆地的湖坡洼地，大別、桐柏、伏牛、太行山前的交接洼地也有零星分布。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，全省砂姜黑土面積為127．24萬hm2，其中耕地面積為124．79萬 hm2，分別占全省土壤和耕地面積的 9．25%和 13．94%，屬面積較大的土類［10］。許昌、漯河、平頂山、洛陽、周口、商丘、新作、焦作、安陽等地市的砂姜黑土多與潮土、褐土呈復區(qū)分布，南陽、信陽、駐馬店等地區(qū)的砂姜黑土常和黃褐土、黃棕壤呈復區(qū)交錯分布。

1．2 砂姜黑土區(qū)的主要成土因素條件

圖1 河南省年均氣溫Fig．1 Annual average temperature of Henan Province

圖．2 河南省年降水量Fig．2 Annual precipitation of Henan Province

1．2．2 地形 地形是指地表以上分布的固定性物體共同呈現(xiàn)出的高低起伏的各種狀態(tài)，可用海拔高度來表示。砂姜黑土主要分布區(qū)為古河湖積平原、山前交界洼地和南陽盆地中心的湖坡地等地貌單元。如淮北平原和南陽盆地的洪汝河、唐白河、沙穎河流域的中下游地區(qū)的二坡地、河間洼地、碟形洼地及槽形洼地等。其特點是地勢低平，海拔35～60 m，坡降1/4 000～1/10 000，但也有地勢比較高的如南陽盆地中心的湖坡洼地海拔80～100 m，坡降1/1 000～1/2 000，安陽、焦作等市的山前洪積扇與平原交接的洼地海拔60～80 m，坡降1/2 000～1/3 000［9-10］。具體情況可見河南省數(shù)字高程圖(圖3)。

圖3 河南省數(shù)字高程圖Fig．3 The DEM of Henan Province

圖4 河南省石灰性成土母質(zhì)Fig．4 The calcarious soil parentmaterial of Henan Province

1．2．3 成土母質(zhì) 成土母質(zhì)是形成土壤基本的原始物質(zhì)，可用土壤母質(zhì)層物質(zhì)來表示?；幢鄙敖谕恋哪纲|(zhì)屬于第四系上更新統(tǒng)新蔡組與南陽盆地的新野組河湖相沉積，以湖相沉積為主為灰黑色亞黏土和灰黃色亞黏土互層，呈薄層水平分布。這些沉積物中含有較多的HCO3－和Ca2+的富集區(qū)，為砂姜黑土的形成提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。南陽盆地新野組巖性為湖積的黑色亞黏土、黃色亞黏土和砂的互層，厚10～20 m［9-10］。這是目前大多數(shù)學者所認同的結(jié)論［10-15］，但也有學者認為成土母質(zhì)是黃土性古老沉積物［16-17］。他們研究發(fā)現(xiàn)成土母質(zhì)無明顯的沉積層次，不符合“緊沙慢淤”的流水分選規(guī)律，所以成土母質(zhì)應該是晚更新世的產(chǎn)物。當時，由于風力搬運形成了厚達數(shù)百米的黃土高原，并且風力搬運比水力更廣闊、更深遠，所以能為分布面積較大的砂姜黑土形成提供了充足的成土母質(zhì)。具體情況可見河南省石灰性成圖母質(zhì)分布圖(圖4)。

1．3 砂姜黑土土屬的空間關(guān)系

通常把相同氣候、母質(zhì)、成土年齡下，由于地形和排水條件上的差異引起的具有不同特征的一系列土壤稱為土鏈［18］。土鏈的概念不僅指出了造成土屬差異的原因，也指明了土屬的空間關(guān)系。在其他環(huán)境因素一致的條件下，了解一定區(qū)域內(nèi)土屬的空間關(guān)系，有助于預測更大區(qū)域內(nèi)土屬的分布情況［19］。

在河南主要砂姜黑土區(qū)，即南陽盆地和豫東南平原，分別選取一片其他環(huán)境相同的區(qū)域進行野外調(diào)查，記錄不同砂姜黑土土屬所在的海拔高度(表1、2)，在同一區(qū)域，地貌類型相對單一的情況下，即同一坡度上，高度差異能有效的指示地形差異，也能表明土屬的空間關(guān)系。

從調(diào)查結(jié)果可看出各土屬分布高度的差異，總體來講，在同一片區(qū)域內(nèi)，(石灰性)砂姜黑土地勢最高，漂白砂姜黑土次之，(石灰性)覆蓋砂姜黑土再次之，(石灰性)青黑土為最低。其空間關(guān)系如圖5，根據(jù)相關(guān)資料［20-23］，地形通過影響碎屑物質(zhì)和水的遷移和聚集，以及地下水位高低，間接影響排水條件，從而深刻影響土壤的發(fā)育，最終形成土鏈。在眾多湖泊洼地中，碟形洼地或槽形洼地中心，由于地下水位較高，積水時間長，干濕交替機會少，一般沒有鈣積現(xiàn)象［14］，所以(石灰性)青黑土通體無砂姜或砂姜含量少，而越接近洼地邊緣，地勢相對較高，故干濕交替明顯，鈣淀積作用強，形成砂姜或砂姜磐。洼地邊緣至中心的緩坡上，由于地形傾斜，易形成了漂白砂姜黑土，在洼地中心附近會積累坡積物或洪積物等，進而形成(石灰性)覆蓋砂姜黑土。由此印證得知，正是由于砂姜黑土分布的高度不同，其所在地形差異導致砂姜黑土形成一系列土屬。

表1 南陽盆地區(qū)及豫東南平原區(qū)砂姜黑土土屬海拔調(diào)查Tab．1 The survey of altitude of lime concretion black soil genus in Nanyang basin

1．4 研究方法

數(shù)字土壤制圖的原理主要基于土壤—景觀模型，模型視土壤為成土要素的綜合作用下形成的，因此可從環(huán)境狀況推導得出土壤的性質(zhì)或類型［24-25］，可通過公示表示為:S=f(Cl，O，R，P，T)，簡稱 clorpt函數(shù)式［7］。式中，S代表土壤，Cl為氣候，O為生物，R為地形，P為母質(zhì)，T為時間。這5大成土因素始終是同時地、不可分割地影響著土壤的發(fā)生和發(fā)展，同等重要和不可相互代替地參加了土壤的形成過程，制約著土壤的形成和演化，不同土壤的分布由于受到成土因素地理分布規(guī)律的影響而具有地理規(guī)律性［18］。

土壤—景觀模型是一種預測模型，用來從對景觀要素的觀察得到土壤類型及其空間分布或者土壤性質(zhì)及其趨勢的描述。雖然土壤隨景觀變化而變化的實際情況非常復雜，并且在不同的區(qū)域可能會有非常不同的變化方式［8］，但通過研究的積累，為模型逐步增加細節(jié)使模型的預測結(jié)果越來越符合土壤的實際空間分布狀況［26-28］。

本研究以河南砂姜黑土整體特征為變量，即是否具有黑土層和脫潛層，砂姜層為輔助判斷。避免選土壤屬性如有機質(zhì)、全氮等作為建立土壤—景觀模型的變量，因為土壤屬性具有較大的可變性，以其建立的土壤—景觀模型具有不穩(wěn)定性［29］。通過GIS和RS技術(shù)獲得砂姜黑土區(qū)主要成土因素數(shù)據(jù)，即氣候、地形及成土母質(zhì)，相比生物和時間等數(shù)據(jù)，較易獲取且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，進行數(shù)字量化分析可操作性強，科學合理構(gòu)建砂姜黑土土類景觀模型。在土類景觀模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)土屬的空間關(guān)系，通過加入高程分類數(shù)據(jù)，探討模擬砂姜黑土土屬景觀模型。

眼前又回放了妻子手機里的那些圖片，曾參加過法律業(yè)大學習的他，清楚自己的問題很嚴重，判二十年是一點問題都沒有的。就此失去自由，要到白發(fā)蒼蒼時才能傴僂著走出監(jiān)獄。那么，揚揚怎么辦，最重要的是，揚揚肚子里的自己的種怎么辦。

圖5 砂姜黑土土屬空間關(guān)系Fig．5 The spatial relation of lime concretion black soil genus

1．4．1 土類數(shù)字制圖方法 通過調(diào)查與分析，形成砂姜黑土的氣候條件一般為年均溫大于14℃，年降水量700～1 000 mm，該氣候特點決定著砂姜黑土土體中物質(zhì)的淋洗與淀積過程［9-10］，從而形成其獨有的特征;砂姜黑土主要分布的地形一般為低洼地，通過野外調(diào)查并結(jié)合有關(guān)資料，其海拔范圍為35～120 m，這些區(qū)域通常地下水位高，在1～2 m，雨季來臨地下水位可上升到1 m或接近地表，一些湖洼地常有季節(jié)性積水，地形低洼為砂姜黑土形成過程中水的參與提供了重要條件［9-10］;砂姜黑土母質(zhì)經(jīng)綜合考慮，選擇石灰性母質(zhì)，包括古河湖沉積物和黃土性沉積物［9-17］。運用ArcGIS10．1軟件，對所有的成土要素數(shù)據(jù)進行預處理，包括統(tǒng)一各數(shù)據(jù)圖層的坐標系、規(guī)范圖層要素的幾何數(shù)據(jù)、對DEM柵格數(shù)據(jù)進行矢量化。然后，基于地理信息系統(tǒng)的二值非權(quán)重布爾邏輯模型，對處理過后的成土要素數(shù)據(jù)進行疊加運算(overlay)［30］，即對砂姜黑土對應的各主要成土條件所在區(qū)域進行疊加，以此推導砂姜黑土土類的分布范圍。

1．4．2 土屬數(shù)字制圖方法 在砂姜黑土土類圖的基礎(chǔ)上，運用ArcGIS10．1軟件，基于Jenks的“自然間斷點分級法”［31］，對砂姜黑土區(qū)高程進行分類間隔加以識別，“自然間斷點”類別基于高程數(shù)據(jù)中固有的自然分組，對相似值進行最恰當?shù)胤纸M，并可使各個類之間的差異最大化。高程數(shù)據(jù)將被劃分為3類，對于這些類，會在數(shù)據(jù)值的差異相對較大的位置處設(shè)置其邊界。根據(jù)高程類別將土類區(qū)域劃分為三片環(huán)形地帶，參照土屬空間關(guān)系，并結(jié)合野外土屬海拔調(diào)查結(jié)果，對自然間斷點進行修正。預測出砂姜黑土土屬分布區(qū)域，即地勢最低地帶為(石灰性)青黑土，最高為(石灰性)砂姜黑土，兩者中間為(石灰性)覆蓋砂姜黑土和漂白砂姜黑土。

2 結(jié)果和討論

2．1 砂姜黑土土類分布圖

根據(jù)土類數(shù)字制圖方法所得疊加區(qū)域為砂姜黑土相應的景觀模型，從而得出砂姜黑土的分布范圍(圖6)。由圖可見砂姜黑土主要分布在南陽盆地和豫東南平原一帶，這與實際情況是一致的。

為了進一步驗證數(shù)字土類數(shù)字制圖的精確性，即砂姜黑土的面積和分布與實際相差程度。將數(shù)字圖與調(diào)查圖進行疊加分析(圖7)，調(diào)查圖是根據(jù)全國第二次土壤普查河南區(qū)的數(shù)據(jù)生成［32］。經(jīng)統(tǒng)計，數(shù)字圖面積比調(diào)查圖面積少4．95%，間接證明了砂姜黑土區(qū)的母質(zhì)不全為河湖相沉積物。重疊區(qū)域分別占數(shù)字圖和調(diào)查圖86．08%和81．81%，集中分布在豫東南平原東中部和南陽盆地南部。

圖6 河南省砂姜黑土數(shù)字土類圖Fig．6 The digitalmap of lime concretion black soil group in Henan Province

圖7 河南省砂姜黑土數(shù)字與調(diào)查對比Fig．7 The comparative of digital and investigative lime concretion black soil in Henan Province

同時注意到兩者不重疊區(qū)域，在南陽盆地，調(diào)查圖范圍比數(shù)字圖廣，紅色部分即為調(diào)查圖斑多出部分，主要分布在盆地邊緣，另外，調(diào)查圖斑在河南北部也有零星分布，均在地勢比數(shù)字成圖區(qū)高處。這是由于地下水在砂姜黑土的形成中發(fā)揮了重要作用［16］，所以盡管某些地方地勢較高，但同時地下水位也較高且富含游離碳酸鈣，也會形成砂姜黑土，如表1中6、7號剖面。在豫東南平原西部和南部邊緣，情況相反，綠色部分為數(shù)字圖斑多出部分，在平原西部，分布著潁河水系，多為潮土，但通過野外調(diào)查，發(fā)現(xiàn)存在砂姜黑土，如表2中13、14剖面，這說明數(shù)字制圖方法能在一定程度上彌補調(diào)查缺失的地方。在平原南部，淮河干流及支流流經(jīng)而過，這些地方水系發(fā)達，水資源豐富，人們可以開發(fā)修建水田，通過野外調(diào)查，南部主要為水稻土和潮土，這說明該方法還需考慮人為和地表徑流因素的影響。

2．2 砂姜黑土土屬分布圖

根據(jù)土屬數(shù)字制圖方法，按“自然間斷點分級法”，高程分類基本符合土屬空間關(guān)系，在豫東南平原，地勢最低地帶上界為56 m，而根據(jù)野外調(diào)查，一般情況下，40 m以上就開始出現(xiàn)覆蓋或漂白砂姜黑土，對此進行了修正。

在豫東南平原，海拔相對較低的紅色帶(35～40 m)為(石灰性)青黑土區(qū)域，地勢相比較高的綠色帶(84～120 m)為(石灰性)砂姜黑土區(qū)域，兩者之間黃色帶(41～83 m)為(石灰性)覆蓋砂姜黑土和漂白砂姜黑土區(qū)域。

在南陽盆地，由于南陽盆地整體地勢較高于豫東南平原，所以該區(qū)域內(nèi)，平均海拔相比較高，紅色帶(73～94 m)為(石灰性)青黑土區(qū)域，黃色帶為(95～107 m)(石灰性)覆蓋砂姜黑土和漂白砂姜黑土區(qū)域，綠色帶(108～120 m)為(石灰性)砂姜黑土區(qū)域。

經(jīng)統(tǒng)計，紅黃綠三色帶面積比例約為1∶4．19∶1．02(圖8)，這與各色帶對應調(diào)查土屬面積比例1．34∶4．62∶1相接近。其中，(石灰性)青黑土比調(diào)查結(jié)果少 20．6%，(石灰性)覆蓋砂姜黑土和漂白砂姜黑土比調(diào)查結(jié)果少3．3%，(石灰性)砂姜黑土比調(diào)查結(jié)果多8．7%。由此可見，砂姜黑土數(shù)字圖面積與調(diào)查圖面積偏差主要在于(石灰性)青黑土。

圖8 河南省數(shù)字砂姜黑土土屬圖Fig．8 The digitalmap of lime concretion black soil genus in Henan Province

圖9 河南省調(diào)查砂姜黑土土屬地理區(qū)域分布Fig．9 The investigativemap of lime concretion black soil genus in Henan Province

由于調(diào)查圖斑十分細碎(圖9)，土屬分布凌亂，現(xiàn)有條件下的數(shù)字圖斑相比太大，不便與之疊加，只可進行對照比較。可觀察到，兩者土屬整體變化趨勢相同，海拔從低到高，砂姜黑土區(qū)依次主要分布(石灰性)青黑土，(石灰性)覆蓋砂姜黑土，(石灰性)砂姜黑土，在南陽盆地表現(xiàn)尤為明顯。在豫東南平原，差異較大，在平原南部出現(xiàn)較大面積的漂白砂姜黑土，這可能與此處較濕熱的氣候條件有關(guān)，由于雨量充沛、光照充足，從而風華淋洗作用較強［9-10］，如表2中9、12剖面?？傮w來看，豫東南地勢平緩，(石灰性)覆蓋砂姜黑土占主要面積，如表2中10、11、13、14剖面，(石灰性)砂姜黑土較少，雖各個海拔高度均有分布，但均分布在每個圖斑邊緣，即小區(qū)域內(nèi)海拔相對較高處。大部分單個圖斑內(nèi)部土屬變化也基本反映了土屬的空間關(guān)系特征，(石灰性)青黑土一般分布在(石灰性)覆蓋砂姜黑土區(qū)域內(nèi)，即海拔相對較低處。

3 結(jié)論

基于土壤—景觀模型，運用ArcGIS10．1軟件對環(huán)境因子進行篩選疊加，即選擇符合砂姜黑土形成的景觀條件，疊加各符合條件各要素圖層，疊加區(qū)域為砂姜黑土土類分布范圍。將數(shù)字土類圖與調(diào)查土類圖進行疊加比較，兩者吻合較好，重合度達到80%以上。說明該方法在大尺度上，就單個土壤類型，具有一定的科學合理性，并在一定程度上預測了砂姜黑土土類分布范圍，可彌補調(diào)查制圖方法不便開展和遺漏的地方，并間接證明了砂姜黑土的成土母質(zhì)為石灰性母質(zhì)，不僅河湖相沉積物，還包括黃土性母質(zhì)。差異之處為人為、地下水和地表徑流因素所致，為砂姜黑土數(shù)字制圖的完善提供了研究方向。

通過野外調(diào)查，并結(jié)合相關(guān)資料，得出土屬的空間分布特征。一般情況下，(石灰性)青黑土分布在碟形洼地或槽形洼地中心，在洼地中心附近為(石灰性)覆蓋砂姜黑土，(石灰性)砂姜黑土位于相對地勢較高的洼地邊緣，洼地邊緣至中心的緩坡上，為漂白砂姜黑土。以此為依據(jù)，在土類圖的基礎(chǔ)上，根據(jù)各土屬高程的差異，預測各土屬的分布范圍。將數(shù)字土屬圖與調(diào)查土屬圖進行對照比較，兩者雖然土屬面積大小和比例相近，而且整體變化趨勢以及大部分單個調(diào)查圖斑內(nèi)土屬變化趨勢印證了土屬的空間關(guān)系，但(石灰性)青黑土面積與調(diào)查差異較大，并且各土屬具體分布情況差異較大，特別是豫東南平原區(qū)，情況變得復雜，這說明砂姜黑土土屬景觀模型還需做進一步優(yōu)化，需獲取更詳細的地形資料，可通過攝影測量或是野外測量獲取分辨率更高的DEM數(shù)據(jù)，也需對不同土屬形成的氣候條件做進一步研究，如降雨量等級、積溫、降雨量與氣溫時間同步變化關(guān)系等氣候指標。

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