尹輝　李暉　蔣忠誠

摘要：基于自定義的土壤顏色量化方法，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS技術(shù)，將室內(nèi)布點(diǎn)和實(shí)地監(jiān)測相結(jié)合，對果化示范區(qū)土壤顏色的空間自相關(guān)和空間分布進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，果化示范區(qū)土壤顏色的空間分布存在正向的全局空間自相關(guān)，空間自相關(guān)尺度為2200m。土壤顏色的空間樣點(diǎn)呈現(xiàn)出平行線型的空間分布格局，土壤顏色的空間結(jié)構(gòu)在1～2200m區(qū)間內(nèi)為空間集聚，在2200～2800m區(qū)間內(nèi)為空間孤立。示范區(qū)棕色土壤廣泛分布，黃棕色和黃褐色土壤僅呈小塊狀的零星分布。

關(guān)鍵詞：土壤顏色；空間自相關(guān)；空間分布；典型巖溶區(qū)

中圖分類號：S152.2+4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）09-2198-04

表層土壤顏色是土壤圈重要的自然屬性之一，常用于辨別和研究不同的土壤類型、不同的土壤性狀和不同的土壤養(yǎng)分特征。相關(guān)研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量與其光譜中可見光的反射特征有一定的相關(guān)關(guān)系。從某種角度上說，土壤顏色可以反映土壤有機(jī)質(zhì)的空間含量，屬于土壤肥力的重要指標(biāo)。利用土壤顏色所反映的土壤反射光譜特征來反演和劃分土壤有機(jī)質(zhì)含量，可為相關(guān)農(nóng)業(yè)部門提供種植和管理依據(jù)。位于中國西南典型巖溶峰叢洼地的果化示范區(qū)，石漠化較為嚴(yán)重。土壤肥力較低，改善示范區(qū)的土壤理化性狀有助于當(dāng)?shù)厥木C合治理和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)，是值得深入開展的科學(xué)問題?？v觀典型巖溶峰叢洼地土壤理化指標(biāo)的相關(guān)成果，絕大多數(shù)仍處于定性研究層面，半定量和定量研究尚處于起步階段，特別是對于生態(tài)較為脆弱、環(huán)境可容納能力較低、環(huán)境失衡嚴(yán)重、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較為落后的典型巖溶地區(qū)，土壤指標(biāo)的空間量化研究非常薄弱，且缺乏從土壤取樣尺度到土壤理化指標(biāo)空間變異和空間格局的系統(tǒng)量化研究。然而，作為典型巖溶區(qū)的土壤重要理化指標(biāo)之一，土壤顏色空間尺度的定量化分析研究亟待開展。據(jù)此，以果化示范區(qū)為例，開展典型巖溶區(qū)土壤顏色的空間量化研究，探討土壤顏色的空間自相關(guān)和空間分異格局，旨在為果化示范區(qū)及其他典型巖溶區(qū)的土壤養(yǎng)分評估、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)重建提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

果化示范區(qū)是中國“十五”科技攻關(guān)課題“喀斯特峰叢洼地生態(tài)重建技術(shù)與示范”和“十一五”科技支撐計(jì)劃課題“喀斯特峰叢山地脆弱生態(tài)系統(tǒng)重建技術(shù)研究”的石漠化治理與生態(tài)重建示范區(qū)，也是立體農(nóng)業(yè)生態(tài)模式綜合示范區(qū)。果化示范區(qū)始建于2001年。位于廣西百色市平果縣果化鎮(zhèn)（圖1），北緯23°22′28.7″-23°23′40.7″，東經(jīng)107°22′40.8″-107°23′56.9″，屬典型巖溶背景下的峰叢洼地地貌類型。區(qū)內(nèi)降水豐富。但年內(nèi)分配不均。土壤主要為棕色和黃棕色石灰土，土地利用類型以種植玉米、黃豆的早作坡耕地為主，幾乎不存在牧草地、果園和地表水體，植被類型主要為稀疏林地、灌叢和低矮灌草，絕大多數(shù)植物是陽生灌木和草本植物。

1.2 圖件來源與處理

研究區(qū)的行政區(qū)、地形圖、alos遙感影像等圖件主要來源于中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶與石漠化研究室。本研究的前期工作是將行政區(qū)劃圖、地形圖導(dǎo)入ArcGIS軟件進(jìn)行空間參考的賦值和空間坐標(biāo)的幾何校正，在ENVI軟件平臺下完成遙感影像的遙感預(yù)處理，包括空間定標(biāo)、校正大氣、校正水平和垂直誤差圖件的空間校正，并將融合、裁剪、增強(qiáng)后的影像用于空間樣點(diǎn)的布設(shè)，可為實(shí)地監(jiān)測樣點(diǎn)的選取提供依據(jù)。

1.3 樣點(diǎn)選取與實(shí)地監(jiān)測

空間樣點(diǎn)選取原則：以果化示范區(qū)行政區(qū)劃圖為調(diào)研路線選擇的依據(jù)，同時(shí)與前期預(yù)處理好的遙感影像相結(jié)合，在圖像上進(jìn)行基于網(wǎng)格的空間布點(diǎn)。并導(dǎo)出各待監(jiān)測樣點(diǎn)的經(jīng)緯度。2011年9月，將待調(diào)研的樣點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入GPS，將GPS的空間參考與計(jì)算機(jī)相匹配（本研究選擇投影坐標(biāo)系下高斯克呂格3°帶36帶的空間投影），完成土壤樣點(diǎn)的空間導(dǎo)航。實(shí)地監(jiān)測時(shí)，考慮到土壤空間環(huán)境的相似性與差異性，同時(shí)兼顧峰叢洼地的地形、交通可達(dá)性、人類活動等因素，對部分土壤樣點(diǎn)進(jìn)行空間調(diào)整并記錄實(shí)際監(jiān)測點(diǎn)的空間坐標(biāo)，最終得到191個(gè)有效監(jiān)測樣點(diǎn)（圖2）。為避免表層土壤枯枝落葉層的干擾，每個(gè)樣點(diǎn)均挖取約5cm深度的表層土壤，將對應(yīng)的空間坐標(biāo)和顏色屬性共同作為土壤顏色空間格局分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。

1.4 量化方法

由于土壤顏色指標(biāo)在GIS的空間屬性庫中屬于文本格式的字段類型，難以進(jìn)行空間量化研究?？紤]到量化的常規(guī)性與可行性，將土壤顏色進(jìn)行空間賦值時(shí)要充分考慮到GIS空間屬性庫的數(shù)值編碼方式。由于GIS在進(jìn)行諸如空間重分類、空間可視化、空間分級等操作中。多數(shù)將計(jì)算結(jié)果以自然數(shù)“1，2，3…”等形式表示，本研究遵從GIS這一空間賦值原則，將石灰土顏色賦值如下：棕色賦值為1.黃棕色賦值為2.黃褐色賦值為3.各賦值均在ArcGIS平臺的空間屬性庫中統(tǒng)一完成。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

主要從果化示范區(qū)土壤顏色的空間自相關(guān)和空間變異兩方面展開，前者運(yùn)用Geoda9.2空間自相關(guān)軟件完成土壤顏色MoransI指數(shù)、空間權(quán)重矩陣和空間自相關(guān)數(shù)值的模擬和計(jì)算，并在ArcGIS9.3平臺下完成空間自相關(guān)圖件的繪制：后者基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+7.0和ArcGIS 9.3相結(jié)合的方法，首先將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+7.0，得到土壤顏色的半方差模型參數(shù)，然后將各擬合參數(shù)記錄下來，輸出土壤顏色的空間變異結(jié)果，最后在ArcGIS 9.3平臺下運(yùn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)模塊，打開該模塊的參數(shù)賦值界面，填入GS+7.0模擬的數(shù)值，得到果化示范區(qū)土壤顏色的空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 空間自相關(guān)格局

2.1.1 全局空間自相關(guān)性 由圖3可知，示范區(qū)土壤顏色的Morans I指數(shù)為正向的空間關(guān)聯(lián)，表明土壤顏色的空間分布存在正向的全局空間自相關(guān)，土壤顏色樣點(diǎn)的高、低值呈現(xiàn)出平行線型的空間分布格局。

圖4表明，間隔距離為1-2200m空間范圍的Morans I指數(shù)為正值，表明果化示范區(qū)存在土壤顏色的空間集聚效應(yīng)：間隔距離為2200-2800m空間范圍的MoransI指數(shù)為負(fù)值，表明果化示范區(qū)存在土壤顏色的空間孤立效應(yīng)。可見，空間集聚和空間孤立的臨界點(diǎn)是2200m，即為果化示范區(qū)土壤顏色的空間自相關(guān)尺度。

2.1.2 局部空間自相關(guān)性 從局部空間自相關(guān)研究結(jié)果（圖5）可以看出，示范區(qū)土壤顏色的空間集聚區(qū)分布較為明顯，主要表現(xiàn)為隴堯屯中、西部“高-高”型與龍何耕作區(qū)多數(shù)區(qū)域“低-低”型的空間集聚分布；土壤顏色的空間孤立分布范圍較小，分布形式也較為單一，主要表現(xiàn)在“高一低”型空間孤立區(qū)缺失，僅“低-高”型空間孤立區(qū)少量分布在“高-高”型空間集聚區(qū)周圍或附近。

2.2 空間變異與空間分布

從土壤顏色半方差變異函數(shù)的擬合情況來看，球狀模型滿足決定系數(shù)R²較大、模型擬合殘差較小的最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)此，選取球狀模型對土壤顏色空間變異進(jìn)行模型擬合，得到表1所示的果化示范區(qū)土壤顏色最優(yōu)空間變異擬合值和圖6所示的土壤顏色空間插值圖。從表1可以看出，示范區(qū)土壤顏色的最小空間變程為843.0m，C⁰/S小于25%，表明土壤顏色的空間結(jié)構(gòu)特征具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性。

從圖7所示的空間插值圖可見，示范區(qū)土壤以棕色土分布為主，黃棕色和黃褐色土壤僅呈小塊狀的零星分布。實(shí)地調(diào)查結(jié)果表明，示范區(qū)的土壤顏色在總體上以黃、棕、褐3類色澤差異較小的相近色系為主，顏色上的色澤差異主要與當(dāng)?shù)氐耐恋乩妙愋汀⑷藶槭┓史N類與數(shù)量、當(dāng)?shù)厝罕姷霓r(nóng)業(yè)耕作方式及管理措施等的差異密切相關(guān)：①作為果化生態(tài)重建與石漠化綜合治理核心示范點(diǎn)的龍何屯及其耕作區(qū)早在20世紀(jì)90年代末就被擬定為典型巖溶區(qū)脆弱生態(tài)環(huán)境的重點(diǎn)科研對象之一，有關(guān)專家、學(xué)者對果化示范區(qū)的生態(tài)修復(fù)與石漠化治理、土壤監(jiān)測與空間分析、土地利用與降水調(diào)蓄等方面做了大量的科學(xué)研究工作。隨著近30年來山地脆弱生態(tài)系統(tǒng)的重建與石漠化治理，不論是土地整理、坡改梯，還是大型蓄水水柜（布洋1號泉和布洋2號泉）的修筑、名特優(yōu)紅心火龍果的引種、有機(jī)肥的人為施用等各方面農(nóng)業(yè)措施建設(shè)都早于布堯屯和隴堯屯，進(jìn)而促使龍何屯成為率先打破傳統(tǒng)的坡地、旱地耕種玉米與黃豆的“靠天吃飯”農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的生態(tài)示范性屯落。在土壤人為施用有機(jī)肥方面，由于龍何耕作區(qū)的西南角龍何上距離龍何屯較近，田間管理較為完善，人為施肥量較大。導(dǎo)致土壤分布有土壤肥力較大的褐色土壤：龍何屯耕作區(qū)已大面積種植特色經(jīng)濟(jì)作物火龍果，當(dāng)?shù)厝罕娫诮?jīng)濟(jì)效益的帶動下，對火龍果種植區(qū)耕作與管理的積極性有了顯著提升，確保了該耕作區(qū)的土壤肥力：⑦布堯屯屯落面積較小。其耕作區(qū)中部地勢相對較低，坡面流失的部分肥沃土壤匯集于此，各類灌草長勢較好：而耕作區(qū)西南角的中心地帶地勢較其南部及北端略高，受坡面表層沖刷作用的影響，該中心地帶的表層肥沃土壤多流失至其南翼，部分到達(dá)其北端，從而導(dǎo)致該區(qū)域的土壤顏色在感觀上呈現(xiàn)出條帶狀差異；③隴堯屯土壤呈黃棕色的區(qū)域正好位于隴堯屯屯落內(nèi)部及其周圍地帶，實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該屯落的主要農(nóng)作物集中種植在屯落耕作區(qū)的東南部，僅有少量種植在屯落內(nèi)部及其周圍。屯落內(nèi)部除少量地塊種植蔬菜、大豆、甘蔗等以外，在屯落的中心地帶種植了大量供牛羊食用的牧草。由于牧草的種植并不需要精細(xì)的田間管理，加上當(dāng)?shù)厝罕姷霓r(nóng)業(yè)耕作和施肥重心主要放在其東南部的產(chǎn)糧耕作區(qū)，致使該屯落中心地帶的土壤有機(jī)質(zhì)含量相對較低，土壤顏色相對較淺。

3 結(jié)論

基于土壤顏色的量化原則與方法，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS技術(shù)。將室內(nèi)布點(diǎn)和實(shí)地監(jiān)測相結(jié)合，對果化示范區(qū)土壤顏色的空間自相關(guān)和空間分布進(jìn)行了研究，結(jié)論如下。

1）示范區(qū)土壤顏色的空間分布存在正向的全局空間自相關(guān)，其空間自相關(guān)尺度為2200m。示范區(qū)土壤顏色的半方差函數(shù)模型符合球狀模型，最小空間變程為843.0m。

2）示范區(qū)土壤顏色以棕色廣泛分布，黃棕色和黃褐色土壤僅呈小塊狀的零星分布。實(shí)地調(diào)查結(jié)果表明，示范區(qū)的土壤顏色在總體上以黃、棕、褐3類色澤差異較小的相近色系為主，顏色上的色澤差異主要與當(dāng)?shù)氐耐恋乩妙愋?，人為施肥種類與數(shù)量、當(dāng)?shù)厝罕姷霓r(nóng)業(yè)耕作方式及管理措施等的差異密切相關(guān)。