基于“3S”的廣西典型巖溶區(qū)土壤厚度空間格局研究

尹 輝, 李 暉, 蔣忠誠, 楊奇勇

(1.惠州學院 旅游系, 廣東 惠州 516007; 2.廣西師范大學 環(huán)境與資源學院,廣西 桂林 541004; 3.中國地質(zhì)科學院巖溶地質(zhì)研究所, 廣西 桂林 541004)

基于“3S”的廣西典型巖溶區(qū)土壤厚度空間格局研究

尹 輝1, 李 暉2,3, 蔣忠誠3, 楊奇勇3

(1.惠州學院 旅游系, 廣東 惠州 516007; 2.廣西師范大學 環(huán)境與資源學院,廣西 桂林 541004; 3.中國地質(zhì)科學院巖溶地質(zhì)研究所, 廣西 桂林 541004)

運用地統(tǒng)計學與GIS技術(shù)，將室內(nèi)布點和實地監(jiān)測相結(jié)合，對廣西典型巖溶區(qū)果化示范區(qū)土壤厚度的空間格局進行了研究。結(jié)果表明：果化示范區(qū)土壤厚度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2 200 m。土壤厚度以“低—低”型空間集聚為主要分布類型，其空間結(jié)構(gòu)在1～2 200 m區(qū)間內(nèi)為空間集聚；而在2 200～2 800 m區(qū)間內(nèi)為空間孤立。土壤厚度的半方差函數(shù)模型符合球狀模型，最小空間變程為500.0 m，該變程可作為區(qū)內(nèi)土壤厚度樣點間隔的布設依據(jù)。土壤厚度空間分布不均勻，主要呈條帶狀、弧狀和少量斑狀分布，分布梯度較為明顯。本研究可為果化示范區(qū)及相似巖溶峰叢洼地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、石漠化治理和生態(tài)重建提供參考。

土壤; 厚度; 空間自相關(guān); 空間變異; 典型巖溶區(qū)

巖溶區(qū)土壤具有成土慢、易流失、土層薄且分布不連續(xù)等特點[1]。受自然環(huán)境和人類活動的影響，我國西南巖溶區(qū)的石漠化現(xiàn)象較為嚴重[2-4]。在脆弱的巖溶生態(tài)環(huán)境中，土層厚度是巖溶區(qū)石漠化的主要評估指標之一[5]。近年來，土壤厚度空間格局的相關(guān)研究已受到越來越多學者的高度重視。王紹強等[6]基于地統(tǒng)計學和GIS技術(shù)，對我國土壤土層厚度的空間變異特征進行了分析；劉憲春[7]以野外采樣調(diào)查為依據(jù)，輔以統(tǒng)計學和GIS技術(shù),從不同角度探討了東北漫崗黑土層厚度、土體厚度等土壤指標的空間變化規(guī)律；謝運杰等[8]運用GIS技術(shù)，對黑龍江典型土壤有效土壤厚度進行了實地調(diào)研；曾憲勤等[9]運用插釬法，對北京市密云縣山區(qū)坡面土壤厚度的空間分布規(guī)律進行了調(diào)查分析，并對土壤厚度與海拔、坡向等的關(guān)系進行了探索；尹亮[10]運用經(jīng)典統(tǒng)計學與地統(tǒng)計學相結(jié)合的方法，對貴州省金沙縣烏箐河小流域土壤厚度的空間變異及其分布格局進行了研究?？v觀土壤厚度空間格局的相關(guān)研究成果，在研究方法上已由傳統(tǒng)的量化統(tǒng)計轉(zhuǎn)向基于“3S”技術(shù)的地統(tǒng)計學與經(jīng)典統(tǒng)計學相結(jié)合的空間研究，在技術(shù)手段與監(jiān)測精度上有了質(zhì)的飛躍。而較其它土壤理化指標的空間格局研究而言，土壤厚度空間格局的相關(guān)研究仍較為薄弱，特別是對于土壤淺薄、作物單產(chǎn)低、生態(tài)環(huán)境脆弱的巖溶區(qū)，缺乏從土壤厚度空間關(guān)聯(lián)與空間異質(zhì)到樣點布設尺度的系統(tǒng)性研究。而作為巖溶區(qū)重要生態(tài)環(huán)境因子之一的土壤厚度，相關(guān)科學問題的提出與實地監(jiān)測工作的開展，可為區(qū)域性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、石漠化治理和生態(tài)重建提供科學依據(jù)。據(jù)此，本文以典型巖溶峰叢洼地——果化示范區(qū)為例，從巖溶區(qū)土層厚度的空間自相關(guān)和空間變異兩個角度，系統(tǒng)性地探討土壤厚度的空間格局，希冀為相似研究區(qū)的土壤厚度空間格局評估工作提供借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

果化示范區(qū)是我國“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”科技支撐計劃課題“喀斯特峰叢洼地脆弱生態(tài)系統(tǒng)重建技術(shù)研究”的石漠化治理與生態(tài)重建，以及立體農(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)，主要為距果化鎮(zhèn)5 km處的龍何屯、布堯屯和隴堯屯及其各自的耕作區(qū)，地理坐標為23°22′28.7″—23°23′40.7″N，107°22′40.8″—107°23′56.9″E，總監(jiān)測面積約為2.71 km2。示范區(qū)屬典型峰叢洼地，海拔為176.4～535.0 m，地處區(qū)域構(gòu)造龍味背斜北翼，北西向斷裂發(fā)育，出露的地層主要為石炭系上統(tǒng)(C3)和二疊系下統(tǒng)(P1)。示范區(qū)屬于亞熱帶季風性氣候，年均氣溫約為21℃，區(qū)內(nèi)總體降水量豐富，年均降水量多達1 322.3 mm，但時間分配不均，降水年內(nèi)變化較大。示范區(qū)土壤以巖溶石灰土為主，主要發(fā)育棕色石灰土和黃棕色石灰土。示范區(qū)幾乎不存在園地、牧草地和地表水域，土地利用類型以種植玉米、黃豆的旱作坡耕地為主，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種類，如紅背山麻桿(Alchorneatrewioides)、黃荊條(VitexnegundoLinn)、灰毛漿果楝(Cipadessacinerascens)、類蘆(Neyraudiareynaudiana)、青香茅(Gramineae)、蔓生秀竹(Microsteniumvagans)等。

1.2 圖件來源與處理

平果果化示范區(qū)的主要圖件有：果化自然屯區(qū)劃圖、1∶1萬5 m等高距地形圖、地質(zhì)圖、2009年9月的alos高分辨率遙感影像(全色2.5 m分辨率，多光譜10 m分辨率)。以ArcGIS 9.3為操作平臺，完成果化自然屯區(qū)劃圖和1∶1萬地形圖的空間配準和矢量化，生成數(shù)字化高程圖(DEM)、坡度圖等圖件；運用Envi 4.8遙感軟件，對alos影像進行輻射定標、大氣校正、正射校正、影像融合、影像裁剪等處理，為果化示范區(qū)土壤厚度的空間布點作準備。

1.3 樣點選取與實地監(jiān)測

將上述專題數(shù)據(jù)提取到ArcGIS 9.3空間處理平臺，運用投影轉(zhuǎn)換工具，將各圖層的空間參考轉(zhuǎn)換為高斯—克呂格投影坐標系下的“Beijing_1954_3_Degree_GK_Zone_36”北京54投影坐標系，按照標準格網(wǎng)進行均勻布點，并將準采樣點的坐標輸入GPS，于2011年9—10月進行樣點定位和監(jiān)測。實際監(jiān)測過程中，對于待測樣點落在難以到達的險峰、深谷、陡密樹林深處等區(qū)域，在待測樣點5～50 m內(nèi)進行調(diào)整，并用GPS記下實際監(jiān)測樣點的坐標，如不能調(diào)整，則該監(jiān)測樣點剔除。遵照這個原則共得到圖1所示的有效監(jiān)測樣點191個(各樣點的平均間距約為120 m，樣點密度約為70個/km2)。

野外實地監(jiān)測應用GPS的精確定位技術(shù)，依據(jù)土壤樣點的地理坐標，采取野外實地定位方法進行土壤剖面的調(diào)查。由于巖溶區(qū)土壤較為淺薄，每個土壤剖面均挖取至基巖可見為止。對于土壤厚度不足0.5 m的土壤樣點，用卷尺量取土層厚度，對于土壤厚度大于0.5 m的土壤樣點，在已挖取土壤剖面的基礎上，將鐵釬插入與基巖接觸的土層底部，用皮尺零刻度按壓在與土壤表層接觸的鐵釬部位，抽出鐵釬，將皮尺的另一端拉直，量測插入土壤的鐵釬長度值，作為該樣點的土壤厚度。同一土壤樣點，重復3次測量，將3次測量所得的土壤厚度均值填入土壤樣點剖面調(diào)查表，作為土壤厚度空間分析的基礎數(shù)據(jù)源。

圖1 果化示范區(qū)土壤樣點布設圖

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

首先，將野外實地監(jiān)測的每一個土壤樣點的地理坐標、土壤厚度值和空間環(huán)境信息輸入Excel中，導入ArcGIS 9.3并定義為WGS 1984投影坐標系，生成shp格式的土壤厚度樣點布設圖(圖1)，并運用ArcGIS 9.3的投影轉(zhuǎn)換工具，將shp文件的WGS 1984坐標系轉(zhuǎn)為“Beijing_1954_3_Degree_GK_Zone_36”北京54投影坐標系。然后，將投影轉(zhuǎn)換后的shp文件，導入空間自相關(guān)軟件Geoda 9.2完成土壤厚度空間權(quán)重矩陣、Moran′I指數(shù)和空間自相關(guān)性的計算，得到土壤厚度Moran散點圖、土壤厚度Moran′I指數(shù)圖、土壤厚度空間自相關(guān)和Lisa顯著性水平分布圖；再將shp文件的屬性信息導入地統(tǒng)計學軟件GS+7.0，得到土壤厚度半方差函數(shù)圖，并擬合出最優(yōu)變異函數(shù)模型，得到相應的塊金值(C0)、基臺值(Sill)、變程(m)等主要參數(shù)；最后，打開ArcGIS 9.3的地統(tǒng)計模塊，參照GS+7.0已模擬的模型參數(shù)，完成shp格式土壤厚度的空間插值，并根據(jù)示范區(qū)邊界，在ArcGIS 9.3出圖界面輸出土壤厚空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤厚度的空間自相關(guān)格局

2.1.1 土壤厚度的全局空間自相關(guān)性 由圖2可知，示范區(qū)土壤厚度的Moran指數(shù)為正向的空間關(guān)聯(lián)，表明土壤厚度的空間分布存在正向的全局空間自相關(guān)。土壤厚度樣點多數(shù)位于第三象限，屬于“低—低”型空間集聚類型，表明多數(shù)土壤厚度的低值區(qū)為附近的低值區(qū)所包圍。從土壤厚度的高、低值空間集聚結(jié)構(gòu)來看，“低—低”型空間集聚較為集中，而“高—高”型空間集聚則較為分散。

圖2 土壤厚度Moran散點圖

圖3表明，示范區(qū)土壤厚度的Moran′sI標準化指數(shù)在1～2 200 m區(qū)間內(nèi)為正值，表明土壤厚度的空間結(jié)構(gòu)在1～2 200 m區(qū)間內(nèi)為空間集聚；而土壤厚度的Moran′s I標準化指數(shù)在2 200～2 800 m區(qū)間內(nèi)為負值，表明土壤厚度的空間結(jié)構(gòu)在2 200～2 800 m區(qū)間內(nèi)為空間孤立，從而得到示范區(qū)土壤厚度的空間自相關(guān)尺度為2 200 m。

圖3 土壤厚度間隔距離與Moran′s I指數(shù)

2.1.2 土壤厚度的局部空間自相關(guān)性 圖4可見，示范區(qū)土壤厚度的空間分布存在明顯的空間集聚區(qū)：龍何耕作區(qū)北部的土壤厚度呈現(xiàn)出“高—高”型空間集聚區(qū)；隴堯西部的土壤厚度呈現(xiàn)出“低—低”型的空間集聚區(qū)；土壤厚度空間分布的“高—低”型和“低—高”型空間孤立區(qū)較少，其中，土壤厚度的“高—低”型空間孤立區(qū)主要分布在“低—低”型空間集聚區(qū)附近，而“低─高”型空間孤立區(qū)則主要伴隨“高—高”型空間集聚區(qū)出現(xiàn)。

2.2 土壤厚度的空間分布格局

表1可見，示范區(qū)土壤厚度的半方差函數(shù)模型符合球狀模型，其決定系數(shù)R2為0.641，擬合殘差僅為0.009，說明土壤厚度半方差函數(shù)模型的擬合效果較好，能夠反映示范區(qū)土壤厚度的空間結(jié)構(gòu)特征。示范區(qū)土壤厚度的C0/Sill值為26.84之間(表1)，表明示范區(qū)土壤厚度約25%的變異性是由空間隨機部分引起的，而約75%的變異性是由土壤厚度的結(jié)構(gòu)性變異引起的，其空間結(jié)構(gòu)具有中等強度的空間自相關(guān)。

圖4 土壤厚度區(qū)域空間關(guān)聯(lián)和Lisa顯著性水平分布

土壤指標模型塊金值C0基臺值SillC0/Sill變程/mR2殘差RSS土壤厚度球狀0.0510.19026.84490.00.6410.009

從圖5所示的土壤厚度空間插值結(jié)果可知，示范區(qū)土壤厚度的空間分布不均，主要呈條帶狀、弧狀和少量斑狀分布，梯度分布較為明顯。土壤厚度的空間集聚結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為：龍何耕作區(qū)的北部呈現(xiàn)出高值區(qū)空間集聚；隴堯屯的中、西部地區(qū)則呈現(xiàn)出低值區(qū)空間集聚。從屯落尺度的土壤厚度集聚中心來看，龍何耕作區(qū)北部高值區(qū)的空間集聚較為明顯，但因龍何屯以北的區(qū)域被道路和峰叢隔斷，難以形成完整的閉合型集聚中心；龍何屯北部、布堯屯南部和隴堯屯東南部呈現(xiàn)出次一級的高值集聚中心，而隴堯中偏北的山峰區(qū)域則呈現(xiàn)出低值集聚中心。

圖5 土壤厚度空間插值

從土壤厚度分布來看，龍何屯及其耕作區(qū)的土壤厚度略高于布堯屯和隴堯屯，主要與龍何屯開展過較大規(guī)模的土地整理有關(guān)，龍何屯的土地整理工作從坡改梯、平整土地、土壤改造以及相應的農(nóng)業(yè)措施著手，實現(xiàn)了龍何屯保土增厚的預期效果。從布堯屯和隴堯屯的實地調(diào)查來看，布堯屯和隴堯屯的土壤厚度主要與地形條件直接相關(guān)：地勢較為低平的屯落附近，以及各屯落耕作區(qū)的平整區(qū)域和低洼地段，土壤厚度相對較大；而山體高度、坡度較大的地段和巖石裸露率較高的區(qū)塊，土壤厚度相對較薄。

2.3 土壤厚度的合理取樣間隔

與經(jīng)典統(tǒng)計學方法相比，地統(tǒng)計學方法在樣點的空間布局、取樣形狀、布局方式和取樣設計的有效性等方面更具優(yōu)勢。因而，在確保土壤厚度研究精度的前提下，確定示范區(qū)土壤厚度的合理取樣間隔，除考慮土壤厚度的統(tǒng)計學特征以外還要考慮其空間結(jié)構(gòu)特性。一般而言，空間變程決定了取樣間隔的大小，其變程越大，取樣間隔可相應加大，其取樣密度可漸趨稀疏，取樣數(shù)目可相應減少，從而降低了土壤取樣所需的人力、物力和財力損耗。由半方差函數(shù)模擬的變異參數(shù)可知，若進行較大尺度的土壤厚度空間監(jiān)測，土壤厚度的最小空間變程即為土壤空間監(jiān)測樣點的最適取樣間隔。由表1可見，示范區(qū)土壤厚度的最小空間變程490.0 m(約500.0 m)，可作為區(qū)內(nèi)土壤樣點間隔的布設依據(jù)。

3 結(jié)論與討論

空間自相關(guān)分析表明，果化示范區(qū)土壤厚度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2 200 m；半方差函數(shù)分析表明：果化示范區(qū)土壤厚度變異性為26.84%的結(jié)構(gòu)性變異，屬于中等強度的空間自相關(guān)?？臻g插值分析表明，果化示范區(qū)土壤厚度空間分布不均，主要呈條帶狀、弧狀和少量斑狀分布，分布梯度較為明顯。其中，龍何耕作區(qū)的北部呈現(xiàn)出高值區(qū)空間集聚；隴堯屯的中、西部地區(qū)則呈現(xiàn)出低值區(qū)空間集聚。

相關(guān)研究表明，典型巖溶區(qū)的土壤理化指標空間變異較大[11-13]，若直接進行大尺度的區(qū)域高密度取樣，勢必會產(chǎn)生極大的人力、物力和財力消耗；而大尺度的低密度取樣，又難免會因監(jiān)測樣點數(shù)量的不夠而影響其研究精度[14]。可見，探討土壤樣點的布設尺度是急待系統(tǒng)研究的科學問題。針對土壤理化指標的合理取樣，在考慮土壤指標統(tǒng)計特征的同時，還應考慮其空間結(jié)構(gòu)性，特別應結(jié)合地統(tǒng)計學中的空間變程來決定土壤樣點的取樣間隔，以明確取樣形狀和布局方式，制定出合理高效的取樣方案。本文在土壤厚度空間尺度的研究方面，將微尺度、高密度的室內(nèi)布點和小區(qū)域?qū)嵉乇O(jiān)測相結(jié)合，應用地統(tǒng)計學與GIS技術(shù)，探索空間異質(zhì)性較大的巖溶區(qū)土壤厚度最適取樣間隔：本研究表明，示范區(qū)土壤厚度的最小空間變程約為500.0 m，該變程可作為區(qū)內(nèi)土壤厚度樣點間隔的布設依據(jù)，相關(guān)研究方法可為相似研究區(qū)土壤理化指標樣點的空間布設、空間自相關(guān)和空間變異研究提供科學借鑒。

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StudyonSpatialPatternofSoilThicknessinTypicalKarstAreainGuangxiBasedon‘3S’Technology

YIN Hui1, LI Hui2,3, JIANG Zhong-cheng3, YANG Qi-yong3

(1.TourismDepartment,HuizhouUniversity,Huizhou,Guangdong516007,China; 2.CollegeofEnvironment&Resources,GuangxiNormalUniversity,Guilin,Guangxi541004,China; 3.InstituteofKarstGeology,CAGS,Guilin,Guangxi541004,China)

By using geo-statistics and GIS, combining indoor sampling point distribution and field monitoring of soil thickness in typical karst area of Guohua demonstration zone in Guangxi, the spatial pattern characteristics of soil thickness were studied. The results showed that the spatial distribution of soil thickness showed obviously positive global spatial autocorrelation. The spatial autocorrelation distance of soil thickness was 2 200 m. The ‘low-low’ spatial agglomeration was the main spatial distribution type, showing two types of spatial structures: the one was spatial agglomeration between 1 m to 2 200 m in spatial distances, the other was spatial isolation between 2 200 m to 2 800 m in spatial distances. Soil thickness of the semivariance function models was well in accord with spherical model. The minimum spatial variable scale of soil thickness was nearly 500.0 m, which could be served as the best interval of soil thickness for sampling point distribution in Guohua demonstration zone. The soil thickness showed uneven banded, arc-shaped and small amounts of porphyritic distribution, and the gradient distribution was obvious. This paper is of great theory and reference significance to guide agricultural production, to manage desertification, and to reconstruct the ecology in typical karst peak cluster-depressions of Guohua demonstration zone and other similar karst areas.

soil; thickness; spatial autocorrelation; spatial variability; typical karst area

2013-12-02

：2014-02-04

國家科技支撐計劃(2010BAE00739-02);廣西自然科學資助項目(2013GXNSFBA019222);巖溶所所控項目(121237128100212);桂林市科學研究與技術(shù)開發(fā)項目(20110120-6,20120122-2,20120125-1);廣西師范大學教育發(fā)展基金會教師成長基金(JS2012009，JS2012012);廣西教育廳科研項目(201106LX070、201203YB028、2013YB040);惠州學院博士科研啟動項目(C513.0206)

尹輝(1983—),男,廣西桂林人,講師,博士,主要研究方向為土壤、生態(tài)和“3S技術(shù)”。E-mail:yinhui741852963@163.com

李暉(1981—),男,河南南陽人,副教授,博士,主要從事水文水資源與生態(tài)環(huán)境等方面的研究。E-mail:lh1029@126.com

S159

：A

：1005-3409(2014)06-0025-05