土壤景觀研究綜述

沙昱 福州格致中學(xué)，福州 350018

土壤景觀研究綜述

沙昱 福州格致中學(xué)，福州 350018

土壤景觀研究日益受到土壤科學(xué)家的重視，其中土壤景觀領(lǐng)域的本征尺度、監(jiān)測(cè)尺度、分析尺度以及三者之間的約束關(guān)系是研究的核心。文中就相關(guān)的土壤景觀多尺度性、土壤景觀等級(jí)結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)進(jìn)行了回顧分析，得出一些重要的土壤景觀研究結(jié)論。

土壤景觀；多尺度；遙感

土壤景觀定量化研究日益受到土壤科學(xué)家的重視，近十年內(nèi)世界各國(guó)土壤科學(xué)家開(kāi)展了大量研究，試圖將數(shù)字地形分析、GIS技術(shù)和土壤調(diào)查技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)對(duì)景觀信息的分析預(yù)測(cè)土壤屬性信息，土壤景觀定量研究近年來(lái)已成為土壤學(xué)科一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域。

土壤景觀多尺度性是普遍存在的客觀現(xiàn)象，關(guān)系著土壤景觀精確化制圖。目前國(guó)內(nèi)外利用小波分析進(jìn)行土壤景觀多尺度研究的實(shí)例較少，其關(guān)鍵原因在于傳統(tǒng)土壤景觀研究結(jié)果多采用描述性知識(shí)來(lái)表達(dá)，人們對(duì)土壤景觀等級(jí)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和空間不確定性認(rèn)識(shí)較淺，數(shù)值化的土壤景觀信息尚未得到有效利用和重視。

多尺度是地學(xué)領(lǐng)域的前沿關(guān)注點(diǎn)之一，尺度根植于自然界復(fù)雜等級(jí)結(jié)構(gòu)之中。景觀生態(tài)學(xué)家們明確提出尺度和尺度推移是該領(lǐng)域研究的核心論題之一，地理學(xué)家認(rèn)為尺度具有學(xué)科“橫斷”性質(zhì)，地理對(duì)象的空間格局—尺度轉(zhuǎn)換模式和轉(zhuǎn)換效果是目前亟待研究的科學(xué)問(wèn)題。地學(xué)領(lǐng)域的尺度內(nèi)涵包括本征尺度、監(jiān)測(cè)尺度[3]和分析尺度三個(gè)方面。本征尺度是一種客觀尺度，與地學(xué)對(duì)象存在的復(fù)雜等級(jí)結(jié)構(gòu)和時(shí)間空間上的相變或節(jié)律密切相關(guān)，監(jiān)測(cè)尺度為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)尺度，如采樣點(diǎn)涉及范圍、觀測(cè)時(shí)間間隔和遙感影像的空間時(shí)間分辨率，分析尺度為主題尺度（或分類數(shù)目）、空間粒度和幅度，顯然三類尺度之間存在因果關(guān)系和本質(zhì)-表征的對(duì)應(yīng)關(guān)系（即匹配性）。

土壤是地學(xué)領(lǐng)域的重要分支，是地表生物、氣候、母質(zhì)、地形、時(shí)間和人類活動(dòng)綜合作用的產(chǎn)物。土壤景觀是由明確的土壤類型及其關(guān)聯(lián)要素如地質(zhì)、地貌、坡度、覆被、水文、氣候等共同疊加形成的綜合體，土壤景觀存在復(fù)雜的等級(jí)結(jié)構(gòu)，其本征尺度客觀存在。與地理對(duì)象普遍存在的多尺度一樣，土壤景觀要素都存在著多尺度特性，這些景觀要素的空間變異性特征與尺度約束密切相關(guān)。隨著現(xiàn)代地球觀測(cè)技術(shù)發(fā)展，土壤景觀要素中的植被覆蓋、水和地表熱量等可以應(yīng)用遙感手段進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)，遙感數(shù)據(jù)的時(shí)間、空間和波譜分辨率就是監(jiān)測(cè)尺度，另外傳統(tǒng)土壤調(diào)查采樣的空間密度和頻度也是監(jiān)測(cè)尺度。將監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行空間表達(dá)的土壤景觀制圖成果體現(xiàn)了分析尺度信息（如分類數(shù)目、制圖粒度和幅度等）。土壤景觀領(lǐng)域的本征尺度、監(jiān)測(cè)尺度、分析尺度以及三者之間的約束關(guān)系是多尺度研究的核心。目前在土壤景觀研究領(lǐng)域，景觀要素的多尺度變異特征為學(xué)者們探索的熱點(diǎn)。

土壤屬性的多尺度研究涉及土壤水、土壤養(yǎng)分因子的多尺度空間變異性。土壤水方面包括：融雪后梭梭林地土壤水的多尺度空間異質(zhì)性，喀斯特洼地表層土壤水分的空間異質(zhì)性及其尺度效應(yīng)，不同尺度網(wǎng)格膜下滴灌土壤水鹽的空間變異性分析，不同尺度下田間土壤水分和混合電導(dǎo)率空間變異性與套合結(jié)構(gòu)模型，黃河三角洲多尺度土壤鹽分的空間分異。土壤養(yǎng)分因子的多尺度研究中，包括南方丘陵區(qū)不同尺度下土壤氮素含量的分布特征研究，東靈山地區(qū)遼東櫟林主要土壤因子的Haar小波分解，基于二進(jìn)小波變換極大模法的土壤腐殖酸NM R譜信號(hào)濾噪，不同尺度下低山茶園土壤陽(yáng)離子交換量空間變異性研究，丘陵地區(qū)不同尺度下土壤養(yǎng)分空間變異特征的研究，黑土有機(jī)質(zhì)和速效氮磷不同尺度空間異質(zhì)性分析，黃土高原土壤養(yǎng)分空間變異的多尺度分析。

水土流失多尺度效應(yīng)重在討論多尺度的土壤侵蝕評(píng)價(jià)指數(shù)、流域徑流泥沙對(duì)多尺度植被變化響應(yīng)、侵蝕產(chǎn)沙等方面。

土壤景觀研究方面，使用土壤屬性-景觀定量模型進(jìn)行制圖為新趨勢(shì) 。將定量化的地形因子信息與土壤性質(zhì)（養(yǎng)分元素含量、粒度組成等）聯(lián)系起來(lái)，建立二者之間的定量化模型，用以預(yù)測(cè)未有地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)區(qū)域的土壤屬性因子，數(shù)字地形高程（DEM）的比例尺大小是模型適用性的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其中蘊(yùn)涵著土壤屬性因子（如養(yǎng)分含量）和景觀要素（地形因子）之間的尺度對(duì)應(yīng)性問(wèn)題。在土壤景觀領(lǐng)域，遙感手段早已得到了應(yīng)用，但主要應(yīng)用于地物解譯，而數(shù)值化的遙感指數(shù)在土壤景觀研究領(lǐng)域的應(yīng)用尚不多。目前景觀要素如植被覆蓋常常可以用定量化的遙感植被指數(shù)來(lái)表示，景觀要素的多尺度問(wèn)題已為景觀生態(tài)學(xué)家們關(guān)注，例如NDVI（歸一化植被指數(shù)）與地形因子之間相關(guān)關(guān)系受尺度影響 ，NDVI的空間多尺度特征受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響。由此可見(jiàn)，遙感數(shù)據(jù)可以提供數(shù)值化的景觀要素信息，使土壤景觀要素以及要素間的耦合關(guān)系的多尺度定量化分析具有可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 景觀尺度的研究對(duì)象

由此可見(jiàn)，土壤景觀相關(guān)研究領(lǐng)域的多尺度分析已經(jīng)成為學(xué)者共同關(guān)注熱點(diǎn)，目前現(xiàn)狀研究的主要特征為三方面：

（1）基于采樣點(diǎn)上的土壤屬性因子（如水分、養(yǎng)分）空間變異性特征，這種變異性利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)模型來(lái)描述，變異性特征的原因分析較少，土壤屬性因子變異性研究目標(biāo)乃是力圖將有限點(diǎn)上離散的監(jiān)測(cè)結(jié)果擴(kuò)展到連續(xù)地表空間。

（2）其次是建立土壤屬性與多尺度景觀因子（如地形）之間的統(tǒng)計(jì)模型，應(yīng)用于土壤景觀制圖。這種方法本質(zhì)上是觀測(cè)尺度（實(shí)地監(jiān)測(cè)尺度）的有限擴(kuò)展，地形因子的空間分辨率起著控制作用。地形因子與土壤屬性因子之間的關(guān)系并不是單純的線性關(guān)聯(lián)，更多是一種非線性關(guān)系，與尺度約束有關(guān)。

（3）多尺度分析方法通常為地統(tǒng)計(jì)學(xué)的半方差分析，其他多尺度定量方法較少使用。在相同研究對(duì)象上應(yīng)用不同的多尺度分析方法，比較研究結(jié)果和可靠性的更是罕見(jiàn)。

基于對(duì)上述研究現(xiàn)狀的回顧性總結(jié)評(píng)價(jià)，可以明確土壤景觀存在著具有多尺度特性的屬性因子和景觀要素，而如何確定土壤景觀系統(tǒng)尺度是其中的科學(xué)難點(diǎn)。正如John Wiens在《景觀生態(tài)學(xué)熱點(diǎn)議題》中提出的如何定義具有多尺度特性的各種生態(tài)環(huán)境因子的生態(tài)系統(tǒng)特征尺度一樣。土壤景觀系統(tǒng)尺度的確定直接關(guān)系著景觀類型識(shí)別的詳細(xì)程度和景觀類型界線劃分的適宜范圍。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.187