土壤與地表水體空間分布格局的交互關(guān)系研究①

段金龍，張 戈，任圓圓，張學(xué)雷，李衛(wèi)東

土壤與地表水體空間分布格局的交互關(guān)系研究①

段金龍1，張 戈2，任圓圓3，張學(xué)雷4*，李衛(wèi)東1

(1河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001；2河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物設(shè)計(jì)中心，鄭州 450003；3鄭州輕工業(yè)學(xué)院社會(huì)發(fā)展研究中心，鄭州 450002；4 鄭州大學(xué)自然資源與生態(tài)環(huán)境研究所，鄭州 450001)

以中國中部典型農(nóng)業(yè)區(qū)的土壤和地表水體數(shù)據(jù)為例，基于改良的土壤多樣性計(jì)量方法計(jì)算并統(tǒng)計(jì)了1 km網(wǎng)格尺度下的土壤類型個(gè)數(shù)、土壤構(gòu)成組分多樣性、土壤空間分布多樣性和地表水體空間分布多樣性等多類數(shù)據(jù)指數(shù)，探索了區(qū)域土壤與地表水體在地理空間分布格局上的內(nèi)在聯(lián)系。結(jié)果表明：①研究區(qū)內(nèi)最具代表性土類潮土和褐土(兩者面積加和占研究區(qū)總面積85%，兩者空間分布多樣性均大于0.8)的空間分布格局與區(qū)域地表水體的空間分布格局之間存在數(shù)據(jù)聯(lián)系，回歸分析中的判定系數(shù)2大于0.5，這與水要素在兩種土壤類型成土過程中所起的作用密切相關(guān)。②研究區(qū)面積的增加一般會(huì)造成地表水體對(duì)區(qū)域內(nèi)土壤類型數(shù)量的影響作用減弱。與其他成土因素相比，水要素在土壤形成中影響作用的重要程度與研究尺度的大小有關(guān)。③基于資源地理空間分布離散性分析的土壤多樣性計(jì)量方法及理論為水、土等不同資源類型的空間分布格局評(píng)價(jià)及其交互關(guān)系研究提供了理論及數(shù)據(jù)支持。

土壤多樣性；地表水體；土壤形成；河南省

耕地質(zhì)量下降、水土流失、土壤酸化、土壤退化、生物多樣性減少等問題都對(duì)當(dāng)代中國的糧食安全造成影響[1]。土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，土壤的肥沃程度和灌溉條件直接決定了農(nóng)作物的生長發(fā)育狀況。氣候、生物、母質(zhì)、地形、時(shí)間、內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用以及人類活動(dòng)等因素都對(duì)土壤的發(fā)生產(chǎn)生影響，而降水因素是影響土壤發(fā)生的最主要?dú)夂蛞蛩刂籟2]。河流、湖泊等地表水體類型是水資源的重要組成部分，地表水體時(shí)空分布與大氣降水之間存在著密切聯(lián)系[3-4]，因此地表水體時(shí)空分布與土壤發(fā)生間也存在直接聯(lián)系。與此同時(shí)，如何對(duì)土壤和水這類自然資源類型的空間分布格局進(jìn)行有效的定量化表達(dá)對(duì)糧食安全問題的相關(guān)研究也具有一定意義。土壤多樣性(pedodiversity)是21世紀(jì)以來世界土壤地理學(xué)研究領(lǐng)域的前沿性內(nèi)容[5-8]，它可以定量化地描述土壤的空間變異性和不同土壤類型的分布格局問題，為土壤發(fā)生、土壤資源保護(hù)和可持續(xù)合理利用提供理論及數(shù)據(jù)支持。近年來，基于土壤多樣性的相關(guān)研究結(jié)合了地形地貌[9]、數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)[10-11]、土壤資源保護(hù)[12]、土地利用變化[13-15]、自然遺產(chǎn)[16]等不同研究要素，使土壤多樣性這一研究專題在國內(nèi)外均獲得了長足發(fā)展。

土壤多樣性理論與研究方法在21世紀(jì)初引入中國[17-18]，涉及該領(lǐng)域的報(bào)道近年來出現(xiàn)了系列性研究[19-23]。在本項(xiàng)目的前期研究中，為深入探索水要素在土壤形成中所起的作用，使用了一種改良的土壤多樣性計(jì)量方法并嘗試將其引入水、土資源間的關(guān)聯(lián)性分析中，這些研究發(fā)現(xiàn)地表水體的空間分布與區(qū)域內(nèi)的土壤種類構(gòu)成存在一定聯(lián)系[24]。但這些研究結(jié)論是在市縣級(jí)別(面積低于5 000 km2)[24]的研究區(qū)數(shù)據(jù)中獲得，研究尺度較小，相關(guān)研究結(jié)論是否具有普適性仍存疑問，同時(shí)前期研究內(nèi)容僅分析了地表水體對(duì)區(qū)域土壤構(gòu)成的影響作用，并未分析土壤分布對(duì)水體空間分布的反向影響。以上述研究內(nèi)容為理論和方法基礎(chǔ)，以中國中部典型農(nóng)業(yè)區(qū)為例，本研究探索了地表水體分布對(duì)區(qū)域土壤構(gòu)成的影響，然后從地理空間分布格局角度分析了具體土壤類型(以研究區(qū)內(nèi)代表性土類為例)對(duì)區(qū)域地表水體分布的影響，以期對(duì)水、土兩種重要自然要素在區(qū)域空間分布格局上的交互關(guān)系研究以及水要素在土壤形成中的作用評(píng)價(jià)進(jìn)行進(jìn)一步探索，并為計(jì)量土壤學(xué)的發(fā)展、區(qū)域土地資源的合理配置和農(nóng)業(yè)發(fā)展提供理論及數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選取河南省中部、東部和北部的典型區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，包括平頂山市(部分區(qū)域)、漯河市(部分區(qū)域)、許昌市、鄭州市、安陽市、鶴壁市、濮陽市、新鄉(xiāng)市、開封市、商丘市和周口市(部分區(qū)域)，區(qū)域總面積66 574 km2。區(qū)內(nèi)地形多以平原為主，高程范圍–52 ～ 1 662 m，其中86% 的區(qū)域高程值低于200 m，為區(qū)域內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了有利條件。研究區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)條件較好，以小麥–玉米輪作種植為主，是河南省小麥主產(chǎn)區(qū)，該區(qū)的糧食產(chǎn)出對(duì)河南省乃至全國糧食安全具有重要意義。研究區(qū)境內(nèi)河流分屬海河流域、黃河流域及淮河流域，年平均降水量700 mm，土壤類型共包含14個(gè)土類、32個(gè)亞類、94個(gè)土屬。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究選用2000—2014年美國Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)(其中2013年及以后數(shù)據(jù)使用OLI_TIRS傳感器數(shù)據(jù)，其余使用TM或ETM+傳感器數(shù)據(jù))，所有數(shù)據(jù)均獲取自5月份左右，云量均小于5%。其余研究數(shù)據(jù)包括基于第二次全國土壤普查的研究區(qū)土壤圖矢量數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)運(yùn)行環(huán)境為ENVI 4.8和ArcGIS 10.2。

1.3 研究方法

研究使用以下改良的土壤多樣性計(jì)量方法[13]對(duì)水、土資源的分布格局特征和關(guān)聯(lián)性進(jìn)行綜合分析：

式中：和p的定義如下：①在土壤構(gòu)成組分多樣性里，表示土壤分類單元個(gè)數(shù)，p表示第個(gè)土壤類型在所有土壤類型總面積里所占的比例。在此前提下，多樣性指數(shù)Y表示研究區(qū)內(nèi)土壤構(gòu)成組分的多樣性特征，即所有分類單元在數(shù)量構(gòu)成上的均勻程度。②在土壤(地表水體)空間分布多樣性里，表示空間網(wǎng)格的數(shù)目，p表示第個(gè)空間網(wǎng)格里某個(gè)土壤類型(地表水體)的面積在該土壤類型(地表水體)總面積里所占的比例。在此前提下，多樣性指數(shù)Y表示研究區(qū)內(nèi)該土壤分類單元(地表水體)的空間分布多樣性特征，它表征了單個(gè)土壤類型(地表水體)的空間分布離散性程度，即空間分布的多樣性格局問題。兩種情況下，多樣性指數(shù)Y取值區(qū)間同為[0, 1]，當(dāng)相對(duì)豐度分布極度不均勻，也就是當(dāng)一個(gè)或者少數(shù)幾個(gè)對(duì)象占支配地位時(shí)，例如研究區(qū)內(nèi)只有一種土壤類型(情況①)或所有地表水體只分布在一個(gè)空間網(wǎng)格中(情況②)時(shí)，Y取值趨于0；當(dāng)每個(gè)對(duì)象都均勻分布時(shí)，例如研究區(qū)內(nèi)有多種土壤類型且各自面積相等(情況①)或地表水體在每個(gè)空間網(wǎng)格中均有分布且各自面積相等(情況②)時(shí)，Y取值等于1。在情況①下，Y、Y的分子部分和分別等同于傳統(tǒng)土壤多樣性計(jì)量方法中的Pielou均勻度指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)，而情況②涉及空間網(wǎng)格概念，因此在評(píng)價(jià)系統(tǒng)內(nèi)(土壤分類系統(tǒng)或土地利用分類系統(tǒng)等)特定分類單元的空間分布離散性特征(即地理空間分布格局問題)時(shí)表現(xiàn)得比傳統(tǒng)土壤多樣性計(jì)量方法更加直觀和精確。

本研究首先對(duì)所選研究區(qū)的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用監(jiān)督分類，提取其中的地表水體信息(主要由河流、湖泊、水庫、魚塘、高等級(jí)溝渠等地表水資源類型組成)，地表水體的分類結(jié)果由基于Google Earth高清衛(wèi)片的目視解譯方法進(jìn)行精度驗(yàn)證。2010年開工的南水北調(diào)中線工程、近20年高速城市化發(fā)展造成的土地利用變化、氣候變化等因素都對(duì)研究區(qū)的地表水體分布特征造成了顯著影響，為獲取更加客觀的研究區(qū)地表水體常態(tài)分布，本研究對(duì)基礎(chǔ)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行初期篩選，選擇平均云量小于5% 的5月份左右數(shù)據(jù)，同時(shí)每個(gè)縣市選擇2000年左右及2014年左右的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用監(jiān)督分類，取兩組地表水體分類結(jié)果的公共部分作為該縣市的地表水體分布最終數(shù)據(jù)(圖2A)，而基于面積信息的面狀矢量水體比單純基于長度的線狀矢量水體包含更多水要素信息，能夠更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)區(qū)域地表水體的空間分布格局。經(jīng)過圖層疊置分析等處理后，發(fā)現(xiàn)最終的地表水體幾乎都由河流、湖泊及少部分水庫、魚塘構(gòu)成，而研究區(qū)內(nèi)的水庫、魚塘等非自然水體類型也與其附近的河流、湖泊等自然水體類型密切相關(guān)。為更加客觀及全面地評(píng)價(jià)研究區(qū)不同區(qū)域間土壤與地表水體空間分布格局的交互關(guān)系，將研究樣區(qū)基于地理鄰近原則、經(jīng)度鄰近原則、緯度鄰近原則分別劃分為面積相等的10個(gè)分區(qū)域，并分別計(jì)算3種不同的分區(qū)域分割方式下分區(qū)域內(nèi)的地表水體空間分布多樣性、土屬構(gòu)成組分多樣性和土壤亞類構(gòu)成組分多樣性，并評(píng)價(jià)3種多樣性之間的關(guān)系，即地理鄰近分割原則下的圖2B，經(jīng)度鄰近分割原則下的圖2C，緯度鄰近分割原則下的圖2D。選取研究區(qū)內(nèi)的代表性土類為例，計(jì)算分區(qū)域土類空間分布多樣性，結(jié)合分區(qū)域地表水體空間分布多樣性的計(jì)算結(jié)果和代表性土類的理化性質(zhì)，對(duì)代表性土類和地表水體之間的地理分布交互關(guān)系進(jìn)行初步探索。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤分類單元數(shù)目與土壤構(gòu)成組分多樣性的相關(guān)性

計(jì)算并統(tǒng)計(jì)了3種分區(qū)域分割方式下，各分區(qū)域內(nèi)1 km網(wǎng)格尺度下的地表水體空間分布多樣性、土壤亞類個(gè)數(shù)及其構(gòu)成組分多樣性、土屬個(gè)數(shù)及其構(gòu)成組分多樣性(表1)，在土壤圖數(shù)據(jù)分析中刪除了居民點(diǎn)、河中沙丘、水系等非土壤類斑塊。

對(duì)上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，在地理鄰近和經(jīng)度鄰近分區(qū)域分割方式下，土壤亞類個(gè)數(shù)與土壤亞類構(gòu)成組分多樣性、土屬個(gè)數(shù)與土屬構(gòu)成組分多樣性之間都存在明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖3A、圖3B、圖4A、圖4B)，但在緯度鄰近分區(qū)域分割方式下，兩組數(shù)據(jù)卻并不存在明顯聯(lián)系(圖3C、圖4C)。對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行F檢驗(yàn)，在95% 的置信水平下，圖3A、圖3B、圖4A、圖4B中的F值分別為0.001 391、0.000 074、0.031 923、0.003 967，均小于0.05，回歸分析結(jié)果有效；圖3C、圖4C中的F值分別為0.883 052、0.749 711，均大于0.05，回歸分析結(jié)果無效。地理鄰近和經(jīng)度鄰近分區(qū)域分割方式下的此種數(shù)據(jù)表現(xiàn)與前期研究中的相關(guān)結(jié)論[24]相一致，而緯度鄰近分區(qū)下的數(shù)據(jù)表現(xiàn)不一致。在此做出如下結(jié)論：隨著區(qū)域內(nèi)土壤分類單元數(shù)量的增加，區(qū)域內(nèi)的土壤構(gòu)成一般也將會(huì)變得更加均勻，但這一現(xiàn)象在不同緯度地區(qū)的橫向?qū)Ρ戎袩o明顯表現(xiàn)。

2.2 地表水體空間分布多樣性與土壤分類單元數(shù)目的相關(guān)性

研究發(fā)現(xiàn)，在地理鄰近和經(jīng)度鄰近分區(qū)域分割方式下，地表水體空間分布多樣性與土壤亞類個(gè)數(shù)、土屬個(gè)數(shù)之間都存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖5A、圖5B、圖6A、圖6B)，但在緯度鄰近分區(qū)域分割方式下，兩組數(shù)據(jù)卻并不存在明顯聯(lián)系(圖5C、圖6C)。對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行F檢驗(yàn)，在95% 的置信水平下，圖5A、圖5B、圖6A、圖6B中的F值分別為0.162 385、0.032 202、0.086 470、0.053 044，少部分回歸分析結(jié)果有效；圖5C、圖6C的F值分別為0.929 129、0.442 140，回歸分析結(jié)果無效。上述研究發(fā)現(xiàn)與前期研究中的相關(guān)結(jié)論[24]存在明顯區(qū)別，前期研究在小尺度(5 000 km2左右)研究區(qū)數(shù)據(jù)支持下發(fā)現(xiàn)地表水體的離散性分布特征與區(qū)域土壤分類單元數(shù)目之間存在更加明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在此做出如下結(jié)論：區(qū)域地表水體更加離散的空間分布特征會(huì)造成區(qū)域內(nèi)土壤分類單元數(shù)目的減少，但這種現(xiàn)象隨著研究區(qū)面積的增加將會(huì)逐漸弱化，也即在大尺度研究區(qū)內(nèi)，除水要素以外的其他成土因素將對(duì)區(qū)域土壤構(gòu)成產(chǎn)生主要影響，但在小尺度研究區(qū)內(nèi)，生物、母質(zhì)、地形、時(shí)間、內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用以及人類活動(dòng)等成土因素相對(duì)固定，因此小尺度研究區(qū)內(nèi)的水要素分布特征將對(duì)區(qū)域土壤構(gòu)成產(chǎn)生主要影響。

表1 3種分區(qū)域分割方式下的地表水體信息及土壤信息

2.3 代表性土類分布對(duì)區(qū)域地表水體空間分布格局的影響

在以往常規(guī)的成土因素相關(guān)分析中，一般均著眼于氣候、生物、母質(zhì)、地形、時(shí)間、內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用以及人類活動(dòng)等因素對(duì)土壤形成的作用分析，而從土壤形成角度探討土壤分布現(xiàn)狀與這些成土因素交互影響的相關(guān)報(bào)道較少出現(xiàn)。上一章節(jié)的研究內(nèi)容主要分析區(qū)域地表水體的空間分布特征對(duì)區(qū)域內(nèi)土壤構(gòu)成混亂程度的整體影響，本節(jié)嘗試分析單一土壤類型與區(qū)域地表水體空間分布的交互影響。

當(dāng)土壤分類級(jí)別由土屬變?yōu)橥令悤r(shí)，不同土壤類別間的理化性質(zhì)具有更大的區(qū)別，為深入探索區(qū)域土壤分布與地表水體空間分布格局之間存在的客觀聯(lián)系，基于前期研究的相關(guān)方法及理論，對(duì)研究區(qū)內(nèi)的土壤分類單元(以土類為例)進(jìn)行篩選，選擇潮土和褐土這兩種土類作為研究區(qū)的代表性土壤類型進(jìn)行后續(xù)研究，這兩種土類同時(shí)滿足面積最大(分別占研究區(qū)土壤總面積的65.08% 和19.93%)和空間分布最廣泛(1 km網(wǎng)格尺度下的土壤空間分布多樣性均大于0.8)的代表性土壤類型選取原則(表2、圖7)。

潮土是一種受地下潛水影響和作用的半水成土壤，是由潴育化過程和旱耕熟化影響的腐殖質(zhì)積累過程發(fā)育而形成的。潮土分布地區(qū)地形平坦，地下水埋深較淺，水熱資源較為豐富，一般多具有比較悠久的地區(qū)農(nóng)業(yè)歷史。潮土是河南省面積最大、分布最廣的一個(gè)土類[25]。計(jì)算并統(tǒng)計(jì)了3種分區(qū)域分割方式下，各分區(qū)域內(nèi)1 km網(wǎng)格尺度下的潮土、褐土空間分布多樣性(表3)，結(jié)合各分區(qū)域分割方式下的地表水體空間分布多樣性數(shù)據(jù)(表1)，研究發(fā)現(xiàn)，隨著區(qū)域內(nèi)潮土空間分布多樣性的升高，地表水體的空間分布離散性也有升高的趨勢(shì)，這一現(xiàn)象在地理鄰近和經(jīng)度鄰近分區(qū)域分割方式下表現(xiàn)明顯(圖8A、圖8B)，但在緯度鄰近分區(qū)方式下無表現(xiàn)(圖8C)。對(duì)上述研究結(jié)果進(jìn)行F檢驗(yàn)，在95% 的置信水平下，圖8A、圖8B、圖8C中的F值分別為0.017 086、0.000 727、0.486 264，地理鄰近和經(jīng)度鄰近分區(qū)域分割方式下的回歸分析結(jié)果有效，緯度鄰近分區(qū)方式下無效。研究認(rèn)為形成該數(shù)據(jù)現(xiàn)象的原因有兩個(gè)：一是區(qū)域地表水體分布對(duì)土壤形成的影響，即潮土的成土條件之一是區(qū)域性的潮濕水分狀況，因此分區(qū)域內(nèi)高分布離散性的地表水體為潮土的形成提供了有利條件；二是發(fā)揮潮土生產(chǎn)潛力的前提是發(fā)展灌溉，即研究區(qū)內(nèi)潮土區(qū)廣闊的適種性要求加強(qiáng)農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)，而潮土區(qū)多為平原地形也為農(nóng)田水利設(shè)施的建設(shè)提供了客觀上的有利條件，因此潮土分布離散性的增強(qiáng)往往給區(qū)域內(nèi)地表水體分布離散性的增強(qiáng)提供了反作用力。

表2 研究區(qū)土類信息統(tǒng)計(jì)

表3 分區(qū)域分割方式下代表性土類的空間分布多樣性統(tǒng)計(jì)

褐土是河南省僅次于潮土的第二大土類，是在暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候、干旱森林和灌木草原植被下，經(jīng)過黏化過程和鈣積過程發(fā)育而成的半淋溶性土壤，褐土區(qū)地下水位多在10 m以下，有的達(dá)數(shù)十米，因此水要素一般不參加褐土的成土過程[25]。由于褐土在研究區(qū)內(nèi)的分布特征所限，在某些分區(qū)內(nèi)無褐土分布(分區(qū)內(nèi)褐土面積為0)或僅有極少量分布(分區(qū)內(nèi)褐土面積占研究區(qū)褐土總面積的比例低于0.1%)，為客觀分析褐土的空間分布對(duì)地表水體空間分布造成的影響，在回歸分析中刪除了地理鄰近分區(qū)域分割方式下的4、7、8、10和經(jīng)度鄰近分區(qū)域分割方式下的7、8、9、10號(hào)分區(qū)數(shù)據(jù)點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，在地理鄰近和經(jīng)度鄰近分區(qū)域分割方式下，隨著區(qū)域內(nèi)褐土空間分布多樣性的升高，地表水體空間分布離散性有降低趨勢(shì)(圖9A、圖9B)，但在緯度鄰近分區(qū)方式下該數(shù)據(jù)現(xiàn)象無表現(xiàn)(圖9C)。對(duì)上述研究結(jié)果進(jìn)行F檢驗(yàn)，在95% 的置信水平下，圖9A、圖9B、圖9C中的F值分別為0.074 677、0.072 122、0.446 920，3種分區(qū)方式下的回歸分析結(jié)果均無效，但地理鄰近和經(jīng)度鄰近分區(qū)域分割方式下的F值很接近0.05，這主要是由于刪除無效數(shù)據(jù)點(diǎn)以后造成數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)過少引起的，但圖9A、圖9B的回歸方程仍具有一定分析價(jià)值。后續(xù)研究中，將單獨(dú)對(duì)褐土的主要分布區(qū)域進(jìn)行分區(qū)域分析，應(yīng)該能得到更加準(zhǔn)確的擬合方程。本研究認(rèn)為，由于水要素一般不參與褐土的成土過程，因此褐土與地表水體之間在空間分布格局上存在一定的負(fù)相關(guān)變化關(guān)系。

本節(jié)研究結(jié)果表明，改良的土壤多樣性計(jì)量方法可以應(yīng)用于某一具體土壤類型的空間分布格局與水要素空間分布格局的交互關(guān)系研究，而且這種定量化的分析方法不僅適用于潮土這類與水要素存在密切聯(lián)系的土壤類型，同時(shí)還適用于褐土這類與水要素沒有太大聯(lián)系的土壤類型。

3 結(jié)論

1)河南省最具代表性的土類——潮土的空間分布格局與區(qū)域地表水體的空間分布格局存在密切聯(lián)系，兩者的空間分布離散性之間存在較為明顯的正相關(guān)關(guān)系，一元線性回歸分析中的判定系數(shù)2達(dá)到0.5以上；而另一代表性土類——褐土的空間分布格局與區(qū)域地表水體的空間分布格局之間卻表現(xiàn)出較為明顯的負(fù)相關(guān)變化關(guān)系，判定系數(shù)2也達(dá)到0.5以上。上述數(shù)據(jù)現(xiàn)象與水要素在兩種土壤類型成土過程中所起的重要程度密切相關(guān)。

2)在分區(qū)域研究中，地理鄰近和經(jīng)度鄰近分區(qū)域分割方式下的數(shù)據(jù)結(jié)果表現(xiàn)相近，但其均與緯度鄰近分區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)果不一致。鑒于地理鄰近分區(qū)理念與“相鄰相近”的地理學(xué)第一定律更加貼合，在后續(xù)研究中將主要使用地理鄰近分區(qū)方式探索不同區(qū)域水、土資源間的交互關(guān)系。

3)土壤和地表水體空間分布格局之間的交互關(guān)系在大尺度和小尺度研究區(qū)中存在不同表現(xiàn)，從水、土資源的地理空間分布角度來看，水要素作為土壤形成過程中的必要環(huán)節(jié)，在小尺度區(qū)域中，由于生物、母質(zhì)等其他成土因素發(fā)生突變的概率較小，因此水要素對(duì)土壤形成的影響占比較大；但在大尺度區(qū)域中，相比于水要素，其他成土因素一般存在較大的變化，因此其他成土因素對(duì)土壤形成的影響更加重要。

4)基于資源空間分布離散性分析的土壤多樣性計(jì)量方法及理論除了能夠定量化描述區(qū)域地表水體空間分布對(duì)區(qū)域內(nèi)土壤豐富度指數(shù)的影響，還能有效地應(yīng)用于某個(gè)具體土壤類型與地表水要素空間分布格局的交互關(guān)系研究，這在本研究中得到有效證明。在未來相關(guān)研究中，將首先考慮研究區(qū)尺度，即研究區(qū)面積大小對(duì)研究結(jié)論的影響，另外考慮嘗試分析不同地形、母質(zhì)等條件下水、土資源空間分布格局交互性的不同體現(xiàn)。同時(shí)，本研究的相關(guān)研究理念及方法也為其他資源類型的空間分布格局評(píng)價(jià)及交互關(guān)系研究提供了新的思路。

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Study on Interactive Relationship Between Spatial Distribution Pattern of Soil and Surface Water

DUAN Jinlong1, ZHANG Ge2, REN Yuanyuan3, ZHANG Xuelei4*, LI Weidong1

(1 College of Information Science and Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China; 2 Crop Design Center, Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450003, China; 3 Social Development Research Center, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China; 4 Institute of Natural Resources and Eco-environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

An improved pedodiversity methodology was applied for exploring the intrinsic relationship of the geo-spatial distribution patterns between the regional soil and surface water in a typical agricultural region of central China.Several parameters, such as the number of soil types, soil constituent diversity, soil spatial distribution diversity, and surface water spatial distribution diversity, were calculated and analyzed with 1 km grid scale.The results showed that the most representative soil groups in the study area were Ochri-Aquic Cambosol and Hapli-Ustic Argosol, and whose area in total accounted of 85% of the total area of the study region and their spatial distribution diversity were greater than 0.8.There was a data connection between the spatial distribution pattern of these two representative soil groups and the spatial distribution pattern of the regional surface water, the coefficient of determination (2) was above 0.5, which was closely related to the role of water factor in soil-formation process of these two soil groups.The increase in the area of the study region would generally reduce the effect of surface water on the number of regional soil types.Compared with other soil-forming factors, the importance of the influence of water factor in soil formation was related to the size of study scale.The improved measurement methods and theories of pedodiversity which based on the discreteness analysis of the geo-spatial distribution of resources could provide a theoretical and data support for the evaluation of the spatial distribution pattern of different resource types (such as water and soil) and their interactive relationship.

Pedodiversity; Surface water; Soil formation; Henan Province

S151；P966

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.05.024

段金龍, 張戈, 任圓圓, 等.土壤與地表水體空間分布格局的交互關(guān)系研究.土壤, 2021, 53(5): 1072–1080.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (41701237；41571208)資助。

通訊作者(ZXLzzu@zzu.edu.cn)

段金龍(1984—)，男，河南民權(quán)人，博士，講師，主要從事地理信息及水土資源遙感研究。E-mail: 215385212@qq.com