王宏志,潘方杰,周 勇,徐新良,李仁東,劉目興

1 地理過程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 武漢 430079 2 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101 3 中國科學(xué)院測量與地球物理研究所, 武漢 430077

?

異質(zhì)景觀條件下江漢平原土壤的空間分異

王宏志1,潘方杰1,周 勇1,徐新良2,*,李仁東3,劉目興1

1 地理過程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 武漢 430079 2 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101 3 中國科學(xué)院測量與地球物理研究所, 武漢 430077

景觀異質(zhì)與土壤分異息息相關(guān)。以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以海拔50m、100m為界,將江漢平原劃分為平原湖區(qū)景觀、平緩崗地景觀及起伏丘陵景觀3種類型。在ArcGIS 10支持下,將江漢平原土壤圖與景觀類型圖進(jìn)行疊置分析,提取不同景觀類型片區(qū)各土壤亞類斑塊周長、面積等信息,計(jì)算了各景觀類型片區(qū)各土壤亞類的分維數(shù)、平均斑塊面積、穩(wěn)定度等信息,定量分析了江漢平原各景觀類型片區(qū)土壤空間分異特征,結(jié)論如下：(1)不同景觀類型區(qū)各土壤亞類分布差異明顯,起伏丘陵景觀區(qū)主要以紅壤和黃棕壤地帶性土壤為主；平原湖區(qū)潮土和水稻土等耕作土非常發(fā)育；平緩崗地區(qū)地帶性土壤和耕作土壤平分秋色。(2)連片性較好的土壤亞類呈現(xiàn)不同的景觀選擇性：耕作土集中分布于平原湖區(qū)景觀片區(qū)；地帶性土壤多集中分布于丘陵和崗地景觀片區(qū)。(3)平原湖區(qū)面積很大,各類土壤都有發(fā)育的空間,土壤亞類之間分維數(shù)和穩(wěn)定度差別比較大；平緩崗地景觀區(qū)由于面積非常局限,土壤亞類發(fā)生發(fā)育受到空間的限制,邊界破碎化,分維數(shù)平均都比較大,斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)均比較復(fù)雜,穩(wěn)定度差別較小。(4)主要土壤亞類的分維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)值一定程度地反映了各主要土壤亞類的最匹配的景觀類型,即能夠提供其發(fā)生發(fā)育的最佳條件。研究有利于深入認(rèn)識土壤形成和演化規(guī)律,為土壤資源的合理利用及定向培育服務(wù)。

景觀類型；土壤亞類；連片性；分維數(shù)；江漢平原

開放系統(tǒng)中景觀異質(zhì)性是決定物質(zhì)能量狀態(tài)、流向的重要結(jié)構(gòu)[1-2],具有尺度等級性。海拔高度是產(chǎn)生景觀異質(zhì)性的重要因素之一,從大尺度上來看,海拔高度通過調(diào)節(jié)水熱條件影響景觀異質(zhì)性；從小尺度來看,海拔高度通過決定水分和物質(zhì)的運(yùn)移方向等方面影響景觀異質(zhì)性,一定程度上決定了土壤顆粒粒徑和土壤水狀況,進(jìn)而在土壤空間分異方面有重要表現(xiàn)[3]。研究異質(zhì)景觀對于土壤空間分異的影響,有利于深入認(rèn)識土壤演化規(guī)律,為土壤資源的合理利用及定向培育服務(wù)。

另一方面,分形理論為空間分異研究提供了有力的定量分析方法,該理論于20世紀(jì)70年代由美籍法國科學(xué)家B. Mandelbrot提出,在描述復(fù)雜不規(guī)則幾何形狀嵌套的自然空間現(xiàn)象方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢[6],在土壤研究方面也得到了廣泛應(yīng)用。微觀方面如不同經(jīng)營模式下土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分維特征[7]、土壤空隙的分形模型與透水性計(jì)量[8]等,宏觀方面如土壤類型的空間分異特征等研究[9-12]。

鑒于對異質(zhì)景觀下土壤類型空間分異特征差異的定量研究尚較缺乏,擬以江漢平原這一自然地理單元為案例研究區(qū)對此進(jìn)行探討。江漢平原(29°26′—31°10′N,111°30′—114°32′E)地處長江中游、湖北省中南部,總面積約為31036 km2[13-14],是湖北乃至全國重要的糧食產(chǎn)區(qū)和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地。江漢平原由西北向東南微傾,中南部主體屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺江漢斷拗,自古近紀(jì)始本區(qū)一直處于下沉過程中,堆積作用旺盛,形成了海拔50m以下的平原湖區(qū)景觀；而北部、西部則逐漸抬升,形成海拔50m以上的平緩崗地景觀及海拔100—500m的起伏丘陵景觀[15]。這種異質(zhì)景觀格局長期控制著江漢平原土壤成土母質(zhì)分異和水分條件差異。擬在土壤數(shù)據(jù)庫和DEM數(shù)據(jù)支持下,利用分形分析方法,研究景觀異質(zhì)對土壤亞類的空間分異、斑塊穩(wěn)定度、連片度等特征的影響,揭示江漢平原景觀異質(zhì)性對區(qū)域土壤空間分異的作用。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及處理

1.1.1 江漢平原土壤數(shù)據(jù)庫

以ArcGIS 10.0為操作平臺,建立了江漢平原土壤數(shù)據(jù)庫,其數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是全國第二次土壤普查成果,包括江漢平原土壤類型矢量圖、代表土層特征表、江漢平原區(qū)劃圖、土地利用圖、江漢平原土壤環(huán)境數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)等。其中江漢平原土壤類型矢量圖層底圖來源于《湖北省分縣土壤圖集》[16]。該圖集是基于1∶1萬的外業(yè)土壤調(diào)查的基礎(chǔ)上逐步縮編而成,原圖制圖單元是土種。受限于縣域面積和圖幅大小的限制,各縣比例尺在1∶10萬到1∶20萬之間。采用統(tǒng)一的投影系統(tǒng)對各縣圖件進(jìn)行配準(zhǔn)和數(shù)字化。本研究中將土種圖斑合并至亞類進(jìn)行研究,研究區(qū)涉及8個(gè)土壤類型、18個(gè)土壤亞類。

1.1.2 江漢平原異質(zhì)景觀劃分

江漢平原由近代強(qiáng)烈沉降的江漢盆地承受長江漢江的沖積沉積物而形成,其景觀差異主要表現(xiàn)在地貌類型、河湖關(guān)系、土地利用方式與程度等方面的差異,受高程影響很大[15,17-18],可以近似地以海拔高度來劃分景觀類型：海拔50m以下主要為平原湖區(qū)景觀；海拔50m以上100m以下主要為平緩崗地景觀；海拔100m以上主要為起伏丘陵景觀。從研究區(qū)DEM矢量圖中提取50m、100m等高線,以此為界,將江漢平原劃分上述3類景觀類型區(qū)。DEM影像來源于中科院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站,下載格式為.IMG,空間分辨率為30m,投影類型為UTM/WGS84。研究區(qū)共涉及12幅GDEM影像,通過拼接、裁剪以及坐標(biāo)、投影轉(zhuǎn)換、高程計(jì)算與賦值,將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量DEM,并進(jìn)行平滑處理。

1.1.3 不同景觀類型下土壤信息提取

將江漢平原景觀類型區(qū)矢量圖與土壤類型矢量圖進(jìn)行疊置分析,得到不同景觀類型區(qū)的土壤類型分布圖(見圖1),提取各景觀類型區(qū)土壤亞類面積及其斑塊數(shù)量信息(表1)。

1.2 周長-面積雙對數(shù)分維模型

分形理論在定量描述具有不規(guī)則、粗糙、支離破碎的自然結(jié)構(gòu)時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢[6]。分形維數(shù)的計(jì)算方法發(fā)展了很多種類型,經(jīng)典方法有自相似維數(shù)和盒計(jì)數(shù)維數(shù)等；周長-面積法是從經(jīng)典算法演化而來,廣泛地應(yīng)用于景觀要素圖斑的分形特征、鑲嵌結(jié)構(gòu)[19-20]及土壤斑塊的形態(tài)結(jié)構(gòu)[12]等研究,其表達(dá)式為：

P1/DA1/2

(1)

對式(1)兩邊分別取對數(shù):

(2)

式中,A為某個(gè)(類)不規(guī)則面狀圖形的面積,P為該(或該類)圖形的周長,C為待定常數(shù),D則為該(或該類)圖形的分維數(shù)。分?jǐn)?shù)維圖形雖然一般都非常復(fù)雜,但其復(fù)雜程度卻可用非整數(shù)維去量化。對某一土壤類型而言,將各斑塊的周長、面積的對數(shù)值作回歸分析擬合,可得到該類型土壤斑塊的周長、面積對數(shù)值擬合直線的斜率值(2/D),2除以直線斜率值的商即是各土壤類型的分維數(shù)D。D值在1—2之間,D值越大,表示土壤斑塊空間鑲嵌結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。理論上,當(dāng)D=1時(shí),表示土壤斑塊為正方形；當(dāng)D=2時(shí),土壤斑塊全部被邊界填滿；D=1.5時(shí),土壤斑塊邊界隨機(jī)性最高,土壤類型斑塊空間鑲嵌結(jié)構(gòu)最不穩(wěn)定,可以采用|1.5-D|表示土壤類型斑塊空間鑲嵌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[21-22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 江漢平原異質(zhì)景觀與土壤空間分異

江漢平原主體由長江、漢江及其支流的河流沖積物和湖相沉積物堆積而成[15]。域內(nèi)3種景觀類型面積構(gòu)成為：平原湖區(qū)景觀占85.67%、平緩崗地景觀7.58%和起伏丘陵景觀平原景觀6.76%。區(qū)內(nèi)水域面積為3201 km2,土壤面積為27835 km2。對不同景觀類型下土壤亞類面積、斑塊數(shù)量信息及空間分布特征進(jìn)行分析(圖1和表1),顯示江漢平原異質(zhì)景觀與土壤空間分異具有明顯的空間關(guān)聯(lián)。

圖1 江漢平原不同景觀類型下土壤空間分布Fig.1 The Distribution map of Soil Subgroups under different landscapes

2.1.1 不同景觀類型下優(yōu)勢土壤類型及其破碎度差異明顯

江漢平原地帶性土壤為紅壤和黃棕壤,由于開發(fā)利用條件優(yōu)越,耕作土壤如水稻土和潮土十分發(fā)育。區(qū)域大平小不平的微景觀格局奠定了土壤空間分異的物質(zhì)能量基礎(chǔ)。從表1可見,不同景觀類型區(qū)土壤面積構(gòu)成和斑塊數(shù)量結(jié)構(gòu)具有顯著差異。

起伏丘陵景觀土壤類型面積結(jié)構(gòu)為：紅壤和黃棕壤等地帶性土壤占51.58%、巖性土占25.08%、耕作土壤(包括水稻土和潮土)占23.32%,可見起伏丘陵景觀土壤以地帶性土壤和巖性土為主,占土壤總面積的76.66%。平原湖區(qū)景觀土壤面積結(jié)構(gòu)為耕作土壤96.23%、地帶性土壤2.61%、巖性土0.0066%、草甸土和沼澤土1.15%,可見平原湖區(qū)景觀耕作土壤占絕對優(yōu)勢。平緩崗地景觀水稻土53.03%、潮土占5.33%、巖性土占2.82%、地帶性土壤占38.66%、其他土壤占0.15%,可見平緩崗地景觀耕作土壤和地帶性土壤均占比較大的份額,具有明顯的過渡特色。

就斑塊數(shù)量構(gòu)成而言,起伏丘陵景觀耕作土壤斑塊占50.77%,地帶性土壤斑塊占42.35%；對比其面積構(gòu)成可見,耕作土壤面積比例遠(yuǎn)小于其斑塊數(shù)量比例,而地帶性土壤面積構(gòu)成比例和其斑塊數(shù)量構(gòu)成比例相當(dāng),說明起伏丘陵景觀區(qū)耕作土壤斑塊相對破碎。平原湖區(qū)景觀耕作土壤斑塊數(shù)量占88.33%,地帶性土壤斑塊數(shù)量占11.05%；對比其面積構(gòu)成可見,耕作土壤面積比例略大于其斑塊數(shù)量比例,而地帶性土壤面積比例遠(yuǎn)小于其斑塊數(shù)量比例,說明平原湖區(qū)景觀區(qū)地帶性土壤斑塊破碎。

總之,起伏丘陵景觀區(qū)地帶性土壤為主且破碎度小,平原湖區(qū)景觀區(qū)以耕作土為主且破碎度小,平緩崗地景觀區(qū)土壤類型構(gòu)成呈現(xiàn)出明顯的過渡特征。

2.1.2 主要土壤亞類的景觀類型分布差異明顯

江漢平原耕作土壤主要包括水稻土和潮土。水稻土總面積為14779.22km2,分為淹育型、潴育型、潛育型、沼澤型、側(cè)滲型水稻土等亞類,其中潴育型水稻土亞類土質(zhì)最為優(yōu)良,熟化程度較高,分布最廣,面積最大,占水稻土總面積的67.55%。潴育型水稻土面積的景觀構(gòu)成分別為：平原湖區(qū)85.71%、平緩崗地10.39%、起伏丘陵為3.90%,這種巨大差異是由江漢平原的景觀類型優(yōu)勢度的差別決定的,而各景觀類型內(nèi)部,潴育型水稻土在土壤中面積占比分別為：平原湖區(qū)景觀35.9%、平緩崗地景觀49.2%、起伏丘陵景觀20.7%。可見,江漢平原潴育型水稻土分布受景觀類型限制較小。潮土總面積為9837.67 km2,分潮土和灰潮土兩個(gè)亞類,其中灰潮土面積占94.16%?；页蓖撩娣e的景觀構(gòu)成為：平原湖區(qū)景觀98.80%,平緩崗地景觀1.14%和起伏丘陵景觀0.065%。而各景觀類型內(nèi)部,灰潮土的占比分別為：平原湖區(qū)景觀38.4%、平緩崗地景觀5.0%、起伏丘陵景觀0.03%；可見江漢平原灰潮土分布受景觀影響很大。

表1 江漢平原不同景觀類型下土壤亞類及其斑塊數(shù)

江漢平原地帶性土壤有紅壤和黃棕壤兩類,有棕紅壤、紅壤性土、黃棕壤和黃棕壤性土4個(gè)亞類,其中黃棕壤亞類面積最大,分布最廣。黃棕壤面積的景觀構(gòu)成：平原湖區(qū)27.3%、平緩崗地29.6%和起伏丘陵43.2%。各景觀類型內(nèi)部黃棕壤的構(gòu)成比例差別懸殊,分別占平原湖區(qū)景觀、平緩崗地景觀、起伏丘陵景觀區(qū)的2%、24.9%和39.5%?？梢婞S棕壤主要分布于起伏丘陵景觀區(qū),平緩崗地景觀區(qū)次之,平原湖區(qū)景觀區(qū)比例很少。

2.1.3 各土壤亞類不同景觀類型下的連片性差異明顯

土壤類型在各景觀類型下的平均斑塊面積可以表示該土壤類型的連片性或破碎程度。各景觀類型土壤亞類平均斑塊面積總體差異很大,平原湖區(qū)景觀區(qū)土壤亞類斑塊平均面積最大,為2.28 km2；起伏丘陵景觀區(qū)次之,為1.14 km2；平緩崗地景觀區(qū)最小,為0.29 km2。平原湖區(qū)景觀區(qū)地勢平坦,土壤發(fā)育的景觀因子如水熱條件、母質(zhì)條件、地下水位等差異較小,土壤集中連片分布,平均斑塊面積最大；平緩崗地景觀區(qū)由于空間局限且分布分散,平均斑塊面積最小；丘陵地貌區(qū)平均斑塊面積介于兩者之間。

各代表土壤亞類在不同景觀下的連片性特征差異鮮明(表2)。潴育型水稻土雖然在崗地景觀內(nèi)部面積構(gòu)成中比例最高,連片性卻最差,平均斑塊面積僅有0.52 km2；而在平原湖區(qū)景觀區(qū)平均斑塊面積達(dá)到2.85 km2,顯示出很好的連片性；在起伏丘陵景觀區(qū),潴育型水稻土平均斑塊面積為0.74 km2,連片性也較差。而灰潮土在平緩崗地景觀區(qū)和起伏丘陵景觀區(qū)平均斑塊面積均非常小,僅有0.06 km2；而在平原湖區(qū)景觀區(qū)平均斑塊面積達(dá)到3.94 km2,呈現(xiàn)出很好的連片性。相反地,黃棕壤在起伏丘陵景觀區(qū)平均斑塊面積為1.88 km2,表現(xiàn)出最好的連片性；而在平緩崗地景觀區(qū)和平原湖區(qū)景觀區(qū)平均斑塊面積分別為0.58 km2和0.67 km2,連片性均較差。

可見,耕作土在平原湖區(qū)景觀區(qū)連片性最好,地帶性土壤在起伏丘陵區(qū)連片性最好。

表2 不同景觀類型區(qū)各土壤亞類的平均斑塊面積/km2

2.2 不同景觀區(qū)各土壤亞類空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和穩(wěn)定性分析

2.2.1 各景觀類型下各土壤亞類空間分形結(jié)構(gòu)驗(yàn)證分析

圖2 平原湖區(qū)淹育型水稻土、潴育型水稻土斑塊周長-面積雙對數(shù)散點(diǎn)圖及關(guān)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

分形分析為描述土壤空間分布的復(fù)雜性提供了新的定量方法。提取各景觀類型區(qū)各土壤亞類周長與面積數(shù)據(jù),根據(jù)公式(2),利用Eviews7.0軟件得出各土壤亞類周長—面積的雙對數(shù)散點(diǎn)分布圖(圖2,限于篇幅,僅以平原湖區(qū)景觀類型下兩個(gè)土壤亞類進(jìn)行示例),并進(jìn)行線性回歸分析,求出回歸方程(表3)和相關(guān)系數(shù)的平方(R2)。其中,平原湖區(qū)景觀區(qū)粗質(zhì)沼澤土和紫泥土、起伏丘陵景觀區(qū)側(cè)滲型水稻土及平緩崗地景觀區(qū)粗質(zhì)沼澤土斑塊數(shù)量很少,不能建立土壤亞類斑塊的周長-面積關(guān)系函數(shù)(在表3中以“/”來表示,同時(shí)各景觀區(qū)缺失的亞類也用“/”來表示)。

各景觀類型區(qū)各土壤亞類斑塊的周長-面積關(guān)系均可以通過R2顯著性檢驗(yàn)(表3),除了無法建立回歸關(guān)系的土壤亞類外,其他各土壤亞類斑塊的周長-面積雙對數(shù)關(guān)系顯著,顯示江漢平原各景觀類型區(qū)各土壤亞類空間分形結(jié)構(gòu)特征客觀存在。

表3 江漢平原各景觀類型區(qū)土壤類型斑塊的周長(P,m)-面積(A,m2)關(guān)系

2.2.2 各景觀類型片區(qū)各土壤亞類斑塊空間鑲嵌結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性特征

由(2)式和表3可以得出不同景觀類型區(qū)各土壤亞類的分維數(shù)D,表示該土壤亞類斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度；并計(jì)算出|D-1.5|值,表示其斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度(表4)。

表4 各景觀類型區(qū)各土壤亞類分維數(shù)(D)及穩(wěn)定性指數(shù)(|D-1.5|)

平原湖區(qū)面積很大,各類土壤都有發(fā)育的空間,土壤亞類之間分維數(shù)和穩(wěn)定度差別都比較大(均為0.38)。區(qū)內(nèi)草甸沼澤土分維數(shù)最大(1.49),斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)最復(fù)雜,其穩(wěn)定性指數(shù)最小(0.01)即穩(wěn)定性最差；中性紫泥土最小(1.12),斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)最簡單,其穩(wěn)定性指數(shù)最大(0.38)即穩(wěn)定性最好。前者降水變化和人類活動影響很大,所以結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差；后者主要受地質(zhì)過程本底決定,所以結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高。

平緩崗地景觀區(qū)由于面積非常局限,受空間的限制,土壤亞類邊界比較破碎,分維數(shù)平均都比較大,斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)復(fù)雜,分維數(shù)和穩(wěn)定度差別都比較小(均為0.21)。區(qū)內(nèi)棕紅壤分維數(shù)最大(1.41),斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)最復(fù)雜,穩(wěn)定性指數(shù)最小(0.09)即穩(wěn)定性最差；棕紅壤亞類被各類泛域土壤包圍,其斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)決定于周圍土壤的結(jié)構(gòu),比較復(fù)雜。潛育型水稻土分維數(shù)最小(1.20),斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)最簡單,其穩(wěn)定性指數(shù)最大(0.3)即穩(wěn)定性最好；潛育型水稻土是景觀類型內(nèi)地勢低、排水不良的所在,自然條件限制較大,所以斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高。

起伏丘陵景觀區(qū)除棕色石灰土外,潮土分維數(shù)最大(1.52),斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)最復(fù)雜,其穩(wěn)定性指數(shù)最小(0.02)即穩(wěn)定性最差；淺色草甸土分維數(shù)最小(1.06),斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)最簡單,其穩(wěn)定性指數(shù)最大(0.44)。潮土受人類活動影響大,后者受地形影響大。

主要土壤亞類的分維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)值很好地反映了景觀對土壤空間分異的影響,一定程度地反映了各主要土壤亞類的最適宜景觀類型。潴育型水稻土是江漢平原的當(dāng)家田,在平原湖區(qū)分維數(shù)最小,斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)最簡單,也最穩(wěn)定；平緩崗地區(qū)次之；起伏丘陵區(qū)結(jié)構(gòu)最復(fù)雜,穩(wěn)定性也最差?；页蓖潦墙瓭h平原主要的旱作土壤,在起伏丘陵區(qū)分維數(shù)最小,斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)最簡單,也最穩(wěn)定；平緩崗地區(qū)次之；平原湖區(qū)結(jié)構(gòu)最復(fù)雜,穩(wěn)定性也最差。黃棕壤是江漢平原主要的地帶性土壤,雖然各個(gè)景觀區(qū)內(nèi)分維數(shù)差別不是很大,仍然顯示出在起伏丘陵區(qū)分維數(shù)最小,斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)最簡單,也最穩(wěn)定。

3 結(jié)論

基于景觀生態(tài)學(xué)理論和分形理論,對江漢平原不同景觀類型下的土壤空間分異特征進(jìn)行了定量分析,結(jié)論如下：

(1)不同景觀類型區(qū)各土壤亞類分布差異明顯,起伏丘陵景觀區(qū)主要以紅壤和黃棕壤地帶性土壤為主；平原湖區(qū)景觀區(qū)水稻土和潮土等耕作土非常發(fā)育；平緩崗地景觀區(qū)地帶性土壤和耕作土壤平分秋色。

(2)連片性較好的土壤亞類呈現(xiàn)不同的景觀類型選擇性：連片性較好的耕作土壤亞類集中分布于平原湖區(qū)景觀片區(qū)；連片性較好的地帶性土壤亞類多集中分布于丘陵和崗地景觀片區(qū)。

(3)平原湖區(qū)面積很大,各類土壤都有發(fā)育的空間,土壤亞類之間分維數(shù)和穩(wěn)定度差別比較大；平緩崗地景觀區(qū)由于面積非常局限,土壤亞類發(fā)生發(fā)育受到空間的限制,邊界破碎化,分維數(shù)平均都比較大,斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)均比較復(fù)雜,穩(wěn)定度差別較小。

(4)主要土壤亞類的分維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)值一定程度地反映了各主要土壤亞類的最匹配的景觀類型,即能夠提供其發(fā)生發(fā)育的最佳條件的景觀。潴育型水稻土最匹配的景觀類型是平原湖區(qū)；灰潮土是起伏丘陵區(qū)；黃棕壤是起伏丘陵區(qū)。

研究有利于深入認(rèn)識土壤發(fā)生和演化規(guī)律,為土壤資源的合理利用及定向培育服務(wù)。

[1] 肖篤寧, 布仁倉, 李秀珍. 生態(tài)空間理論與景觀異質(zhì)性. 生態(tài)學(xué)報(bào), 1997, 17(5): 453-461.

[2] 趙玉濤, 余新曉, 關(guān)文彬. 景觀異質(zhì)性研究評述. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2002, 13(4): 495-500.

[3] 張維理, 徐愛國, 張認(rèn)連, 冀宏杰. 土壤分類研究回顧與中國土壤分類系統(tǒng)的修編. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 47(16): 3214-3230.

[4] Li J R, Okin G S, Alvarez L, Epstein H. Effects of wind erosion on the spatial heterogeneity of soil nutrients in two desert grassland communities. Biogeochemistry, 2008, 88(1): 73-88.

[5] Zuo X A, Zhao X Y, Zhao H L, Guo Y R, Zhang T H, Cui J Y. Spatial pattern and heterogeneity of soil organic carbon and nitrogen in sand dunes related to vegetation change and geomorphic position in Horqin Sandy Land, Northern China. Environmental Monitoring and Assessment, 2010, 164(1/4): 29-42.

[6] Mandelbrot B B, Passoja D E, Paullay A J. Fractal character of fracture surfaces of metals. Nature, 1984, 308(5961): 721-722.

[7] 吳承禎, 洪偉. 不同經(jīng)營模式土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分形特征研究. 土壤學(xué)報(bào), 1999, 36(2): 162-167.

[8] Xu Y F, Sun D A.A fractal model for soil pores and its application to determination of water permeability.Physica A: Statistical Mechanics and its Applications,2002,316(1):56-64.

[9] 李揚(yáng), 王冬梅, 信忠保. 漓江水陸交錯(cuò)帶植被與土壤空間分異規(guī)律. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013, 29(6): 121-128.

[10] 楊茹瑋, 史學(xué)正, 于東升, 黃耀, 徐茂, 潘賢章, 金洋, 劉林旺. 基于1:5萬數(shù)據(jù)庫研究土壤空間分異及其影響因素——以江蘇省無錫和常州市為例. 土壤學(xué)報(bào), 2006, 43(3): 369-375.

[11] 楊鋒, 吳克寧, 呂巧靈. 基于1:20萬數(shù)據(jù)庫的河南省土壤空間分異及其影響因素研究. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2008, 24(1): 425-430.

[12] 朱曉華, 楊秀春, 蔡運(yùn)龍. 中國土壤空間分布的分形與分維. 土壤學(xué)報(bào), 2005, 42(6): 881-888.

[13] Wang H Z, Shao Q H, Li R D, Song M J, Zhou Y. Governmental policies drive the LUCC trajectories in the Jianghan Plain. Environmental Monitoring and Assessment, 2013, 185(12): 10521-10536.

[14] 王宏志, 宋明潔, 李仁東, 喻光明. 江漢平原建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的時(shí)空特征與驅(qū)動力分析. 長江流域資源與環(huán)境, 2011, 20(4): 416-421.

[15] 《湖北農(nóng)業(yè)地理》編寫組. 湖北農(nóng)業(yè)地理. 武漢: 湖北人民出版社, 1980.

[16] 湖北省農(nóng)牧業(yè)廳.湖北省分縣土壤圖集. 武漢: 湖北省農(nóng)牧業(yè)廳, 1986.

[17] 金伯欣, 鄧兆仁, 李新民.江漢平原湖群綜合研究. 武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社, 1992.

[18] 王宏志, 李仁東, 毋河海. 基于空間分析的土地利用垂直分異研究. 長江流域資源與環(huán)境, 2002, 11(6): 531-535.

[19] 徐建華, 艾南山, 金炯, 樊勝岳. 西北干旱區(qū)景觀要素鑲嵌結(jié)構(gòu)的分形研究——以黑河流域?yàn)槔? 干旱區(qū)研究, 2001, 18(1): 35-39.

[20] 徐建華, 方創(chuàng)琳, 岳文澤. 基于RS與GIS的區(qū)域景觀鑲嵌結(jié)構(gòu)研究. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 23(2): 365-375.

[21] Feder J. Fractals. New York: Plenum Press, 1988.

[22] 曾維軍, 侯明明, 徐恒, 常河. 三湖流域土地利用類型穩(wěn)定性指數(shù)空間變異分析. 昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2012, 37(4): 6-13, 18-18.

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

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271534, 41371183, 40771088)；華中師范大學(xué)中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)(CCNU15ZD001)；湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2015CFA141)

2015-03-31;

日期:2015-12-29

10.5846/stxb201503310634

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xuxl@lreis.ac.cn

王宏志,潘方杰,周勇,徐新良,李仁東,劉目興.異質(zhì)景觀條件下江漢平原土壤的空間分異.生態(tài)學(xué)報(bào),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.