基于不同空間粒度的土壤和地表水體分布多樣性及其相關(guān)性分析

郭 漩，任圓圓，張學(xué)雷

(鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院/自然資源與生態(tài)環(huán)境研究所，河南 鄭州 450001)

基于不同空間粒度的土壤和地表水體分布多樣性及其相關(guān)性分析

郭 漩，任圓圓，張學(xué)雷*

(鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院/自然資源與生態(tài)環(huán)境研究所，河南 鄭州 450001)

選取河南省和江蘇省共6個(gè)典型區(qū)域作為研究樣區(qū)，將空間粒度引入并應(yīng)用于土壤和地表水體多樣性的研究中，分析優(yōu)勢(shì)土屬和稀有土屬空間分布多樣性指數(shù)、地表水體空間分布面積指數(shù)及長(zhǎng)度指數(shù)的粒度響應(yīng)類型，并研究指數(shù)間的相關(guān)關(guān)系及其穩(wěn)定性，旨在分析土壤與地表水體在空間分布格局形成上的相關(guān)性。結(jié)果表明：隨著空間粒度的增加，優(yōu)勢(shì)土屬和稀有土屬空間分布多樣性指數(shù)及地表水體空間分布面積指數(shù)的空間粒度響應(yīng)類型均屬于無(wú)響應(yīng)型，而地表水體空間分布長(zhǎng)度指數(shù)的空間粒度響應(yīng)類型屬于無(wú)規(guī)律型；土壤和地表水體在空間分布上存在一定的關(guān)聯(lián)性，其中林州市水土資源的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)且相關(guān)關(guān)系穩(wěn)定。

土壤； 地表水體； 多樣性； 粒度效應(yīng)； 關(guān)聯(lián)分析

土壤是聯(lián)系自然環(huán)境中有機(jī)界和無(wú)機(jī)界的中心環(huán)節(jié)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中起著非常重要的作用[1-2]。水資源作為自然環(huán)境的特殊資源，是人類生存和生產(chǎn)活動(dòng)的重要條件，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必備的物質(zhì)基礎(chǔ)。另外，水資源與土壤的關(guān)系相當(dāng)密切，水分作為成土因素之一，在土壤形成過(guò)程中起著不可或缺的作用[3]。目前，我國(guó)的水土資源空間分布不均衡[4]，而土壤與水資源在空間上的匹配程度將會(huì)直接影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，需要對(duì)土壤和地表水資源的空間分布多樣性及兩者的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行深入研究。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在仙農(nóng)熵指數(shù)的基礎(chǔ)上探索了土壤和地表水體空間分布多樣性的特征，并取得了明顯進(jìn)展[5-8]，但對(duì)土壤和地表水體空間分布多樣性的分析主要是從水體面積、土壤構(gòu)成組分多樣性等方面進(jìn)行單獨(dú)研究[3,8]，對(duì)于不同形態(tài)地表水體與土壤空間分布的相關(guān)關(guān)系研究尚未見(jiàn)報(bào)道。為此，對(duì)優(yōu)勢(shì)土屬(DSF)、稀有土屬(RSF)、面狀水體和線狀水體的空間分布多樣性指數(shù)進(jìn)行研究，以生態(tài)學(xué)中的空間粒度為介質(zhì)，分析各指數(shù)的粒度響應(yīng)類型，并探討指數(shù)間的相關(guān)關(guān)系及其穩(wěn)定性，旨在分析土壤與地表水體在空間分布格局形成上的相關(guān)性，為合理使用水土資源提供數(shù)據(jù)支持與決策依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

河南省位于我國(guó)中東部、黃河中下游，地勢(shì)基本上是西高東低，地表水體多呈線狀分布。江蘇省位于我國(guó)大陸東部沿海中心，長(zhǎng)江、淮河下游，地形以平原為主，地勢(shì)較低，省域內(nèi)既有長(zhǎng)江橫穿其南部，又有太湖、洪澤湖兩大淡水湖，因此，其地表水體既呈線狀又呈面狀分布。本研究分別選取河南省中北部的林州市、湯陰縣和鄭州市，以及江蘇省中南部的寶應(yīng)縣、南京市、常熟市作為研究區(qū)域，其具體位置及地表水體分布見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)位置及2013年地表水體分布情況

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

研究所用的土壤數(shù)據(jù)來(lái)自全國(guó)第二次土壤普查數(shù)據(jù)，遙感數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)地球資源衛(wèi)星Landsat7 TM數(shù)據(jù)(研究時(shí)期Ⅰ和Ⅱ)和Landsat8 OLI傳感器數(shù)據(jù)(研究時(shí)期Ⅲ)，地表水體數(shù)據(jù)從遙感影像上提取，詳見(jiàn)表1。數(shù)據(jù)處理步驟如下：使用ENVI 5.1對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類，利用ArcGIS 10.0提取出其中的地表水體信息，生成線狀水體和面狀水體矢量圖，計(jì)算出不同形態(tài)地表水體的空間分布多樣性指數(shù)，分析土壤圖并計(jì)算各地區(qū)DSF和RSF的空間分布多樣性指數(shù)，研究其粒度效應(yīng)曲線，運(yùn)用SPSS 21.0的Pearson積矩相關(guān)系數(shù)對(duì)各個(gè)指數(shù)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析。

表1 遙感數(shù)據(jù)獲取年份及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.3 研究方法

1.3.1 粒度推繹法 生態(tài)學(xué)中，需要用簡(jiǎn)單的數(shù)字來(lái)描述復(fù)雜的景觀格局，景觀格局指數(shù)便由此產(chǎn)生。粒度是描述空間尺度的基本單位[9-10]，景觀格局指數(shù)存在一定的粒度效應(yīng)，即同一景觀在不同空間粒度下景觀格局指數(shù)也會(huì)不同。因此，在某空間粒度下的景觀格局指數(shù)以及指數(shù)間的相關(guān)關(guān)系并不一定能推廣到其他粒度[11-12]。本研究采用粒度上推的方法，綜合考慮研究區(qū)范圍、影像分辨率以及地表水體形態(tài)特征等因素，同時(shí)參考生態(tài)學(xué)領(lǐng)域景觀研究所選擇的尺度大小[13-14]，確定采樣空間粒度共13個(gè)，分別為10、15、25、35、50、60、80、100、120、140、160、180、200 m。景觀格局指數(shù)隨采樣粒度增加的變化趨勢(shì)一般分為4種類型：上升型、下降型、無(wú)規(guī)律型及無(wú)響應(yīng)型[14]。

1.3.2 土壤空間分布多樣性指數(shù) 為分析各研究區(qū)土壤空間分布多樣性特征，選取土壤空間分布多樣性值以及斑塊面積最大的土屬作為DSF，將土壤空間分布多樣性值小于0.2的確定為RSF，同時(shí)為保證研究中在最大采樣空間粒度下計(jì)算的多樣性指數(shù)有意義，選擇RSF中斑塊面積最大的土屬作為首位RSF。各土屬空間分布多樣性指數(shù)計(jì)算公式[15]如下。

(1)

式中，Yh表示研究區(qū)內(nèi)某種土屬的空間分布多樣性指數(shù)，取值區(qū)間為[0,1]，當(dāng)土屬空間分布不均勻時(shí)，取值為0；當(dāng)土屬的每個(gè)斑塊都均勻分布時(shí)，Yh取值為1。S表示1 km×1 km網(wǎng)格尺度下空間網(wǎng)格的總個(gè)數(shù)。pi表示第i個(gè)空間網(wǎng)格中某種土屬斑塊面積占總面積的比例，i=1，2，…，S。

1.3.3 地表水體空間分布多樣性指數(shù) 研究區(qū)域的地表水體是指土地利用分類體系中的河流、湖泊、溝渠、水庫(kù)和坑塘等水域及水利設(shè)施用地，由于本研究包括3個(gè)江蘇省研究樣區(qū)，區(qū)域內(nèi)多水田，且其與土壤空間分布關(guān)系緊密，因此，監(jiān)督分類時(shí)將水田也分到水域及水利設(shè)施用地類別中。其中，河流等地表水體呈線狀分布，而湖泊等呈面狀分布，在描述地表水體空間分布多樣性時(shí)需考慮描述不同形態(tài)地表水體空間分布多樣性的適宜指數(shù)。本研究采用中心線提取法對(duì)面狀水體和線狀水體加以區(qū)分，以空間粒度10 m時(shí)提取到的水體中心線為標(biāo)準(zhǔn)，將提取不到中心線的面狀水體分割出來(lái)，利用公式(1)計(jì)算面狀水體空間分布面積指數(shù)(MSHDAI)， 此時(shí)，pi表示第i個(gè)空間網(wǎng)格中面狀水體面積占研究區(qū)總面積的比例，Yh表示研究區(qū)內(nèi)面狀水體的空間分布面積指數(shù)，其余的線狀水體使用公式(2)[16]計(jì)算其空間分布長(zhǎng)度指數(shù)。

(2)

式中，IL為線狀水體空間分布長(zhǎng)度指數(shù)(MSHDLI)，IL越接近1，說(shuō)明該研究區(qū)內(nèi)線狀水體數(shù)量越多，空間分布越均勻；Li為第i個(gè)網(wǎng)格里線狀水體中心線長(zhǎng)度占區(qū)域線狀水體中心線總長(zhǎng)度的比例，i=1,2,…,S。

1.3.4 土壤與地表水體空間分布多樣性的關(guān)聯(lián)分析 本研究利用Pearson積矩相關(guān)系數(shù)中雙變量分析的方法[17]對(duì)土壤及地表水體空間分布4個(gè)指數(shù)間的相關(guān)性進(jìn)行分析，計(jì)算公式如下。

r(A,B)=±m(xù)ax[|rl(A,B)|,|rnl(A,B)|]

(3)

rnl(A,B)=±m(xù)ax[|rl(lnA,B)|,|rl(A,lnB)|,|rl(lnA,lnB)|]

(4)

式中，A為YDSF或者YRSF，B為MSHDAI或者M(jìn)SHDLI，r(A,B)表示A和B兩指數(shù)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，rl(A,B)表示兩指數(shù)間的線性相關(guān)系數(shù)，rnl(A,B)表示非線性相關(guān)系數(shù)，其正負(fù)號(hào)均與所取原始值的正負(fù)號(hào)保持一致。r(A,B)取值范圍為[0,1]，當(dāng)土壤與地表水體的空間分布沒(méi)有任何關(guān)系時(shí)，其值為0；當(dāng)兩者的空間分布完全相同時(shí)，r(A,B)=1。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤空間分布多樣性特征

在1 km×1 km網(wǎng)格尺度下分別計(jì)算研究區(qū)各土屬的空間分布多樣性值，確定各研究區(qū)的優(yōu)勢(shì)土屬和首位稀有土屬，詳見(jiàn)表2。其中，湯陰縣和南京市各土屬空間分布多樣性值均大于0.2。因此，兩研究區(qū)無(wú)稀有土屬。

具體分析各研究區(qū)中DSF與首位RSF的空間分布情況發(fā)現(xiàn)，每種土屬斑塊的空間位置均分布正常，沒(méi)有位于研究區(qū)邊緣。進(jìn)一步對(duì)各土屬在不同空間粒度下的多樣性指數(shù)進(jìn)行計(jì)算并生成粒度效應(yīng)曲線(圖2)發(fā)現(xiàn)，隨著空間粒度增加，各研究區(qū)YDSF與YRSF基本未發(fā)生變化，粒度效應(yīng)曲線屬于無(wú)響應(yīng)型，說(shuō)明土壤在不同空間粒度下的多樣性指數(shù)較為穩(wěn)定，土壤斑塊對(duì)粒度變化無(wú)響應(yīng)。

表2 各研究區(qū)優(yōu)勢(shì)土屬和首位稀有土屬分布情況

圖2 各研究區(qū)優(yōu)勢(shì)土屬和部分首位稀有土屬空間分布多樣性指數(shù)的粒度效應(yīng)曲線

2.2 地表水體空間分布多樣性特征

采用中心線提取法分別提取出面狀水體和線狀水體，在不同空間粒度下計(jì)算二者的空間分布多樣性指數(shù)。由圖3—5可知，隨著空間粒度增加，各研究區(qū)在每個(gè)研究時(shí)期內(nèi)的MSHDAI均無(wú)明顯變化，粒度效應(yīng)曲線屬于無(wú)響應(yīng)型，說(shuō)明面狀水體對(duì)空間粒度變化無(wú)明顯響應(yīng);而線狀水體的粒度效應(yīng)曲線則屬于無(wú)規(guī)律型，MSHDLI在空間粒度為10～60 m時(shí)無(wú)明顯變化，在60～140 m時(shí)下降速度加快，在140～200 m時(shí)呈無(wú)規(guī)律狀態(tài)?？傮w而言，無(wú)論是面狀水體還是線狀水體，江蘇省研究區(qū)地表水體空間分布多樣性指數(shù)大于河南省研究區(qū)。

圖3 各研究區(qū)地表水體空間分布多樣性指數(shù)的粒度效應(yīng)曲線(研究時(shí)期Ⅰ)

圖4 各研究區(qū)地表水體空間分布多樣性指數(shù)的粒度效應(yīng)曲線(研究時(shí)期Ⅱ)

圖5 各研究區(qū)地表水體空間分布多樣性指數(shù)的粒度效應(yīng)曲線(研究時(shí)期Ⅲ)

2.3 土壤、地表水體空間分布多樣性的相關(guān)性及其粒度效應(yīng)

對(duì)各研究區(qū)的土壤空間分布多樣性指數(shù)(YDSF、YRSF)與不同形態(tài)地表水體空間分布多樣性指數(shù)(MSHDAI、MSHDLI)進(jìn)行相關(guān)性分析(表3)發(fā)現(xiàn)，不同研究時(shí)期，土壤空間分布多樣性指數(shù)與地表水體空間分布多樣性間的相關(guān)關(guān)系發(fā)生巨大變化的是寶應(yīng)縣和常熟市，寶應(yīng)縣YDSF與MSHDAI、常熟市YDSF與MSHDAI間的相關(guān)關(guān)系時(shí)而為正時(shí)而為負(fù)，這是由于本研究將水田劃分到了水域及水利設(shè)施用地類別中，對(duì)于南部的研究樣區(qū)來(lái)說(shuō)，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，不同研究時(shí)期內(nèi)水田的面積變化較大，因此，土壤與地表水體空間分布多樣性指數(shù)間的相關(guān)關(guān)系不穩(wěn)定。而同樣為江蘇省研究樣區(qū)的南京市，其城鎮(zhèn)化進(jìn)程遠(yuǎn)大于寶應(yīng)縣和常熟市，水田面積近年來(lái)變化不大，因此，指數(shù)間相關(guān)性沒(méi)有發(fā)生質(zhì)的變化。另外,具體分析發(fā)現(xiàn)，林州市MSHDLI與YDSF、YRSF間相關(guān)性均達(dá)顯著或極顯著水平，這是由于研究區(qū)內(nèi)多為山地，地表水體大部分為線狀水體，因此,土壤空間分布多樣性指數(shù)與地表水體空間分布多樣性指數(shù)間的相關(guān)性顯著，而其他研究區(qū)大部分水土資源空間分布多樣性指數(shù)間相關(guān)性差。

表3 土壤、地表水體空間分布多樣性指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)

注：*、**分別表示相關(guān)性顯著(P<0.05)、極顯著(P<0.01)。

對(duì)土壤與地表水體空間分布多樣性指數(shù)間相關(guān)關(guān)系穩(wěn)定的林州市進(jìn)行不同空間粒度下MSHDLI與YDSF、YRSF的相關(guān)系數(shù)分析(圖6)發(fā)現(xiàn)，隨著空間粒度增大，在研究時(shí)期Ⅰ，林州市YDSF與MSHDLI間的相關(guān)關(guān)系由極顯著正相關(guān)(P<0.01)變?yōu)闃O顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，YRSF與MSHDLI間的相關(guān)關(guān)系由極

顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)變?yōu)闃O顯著正相關(guān)(P<0.01)，在空間粒度為140 m時(shí)2組指數(shù)間均無(wú)相關(guān)關(guān)系；但在研究時(shí)期Ⅱ和研究時(shí)期Ⅲ，YDSF、YRSF與MSHDLI的相關(guān)系數(shù)不具有明顯的粒度效應(yīng)，指數(shù)間相關(guān)關(guān)系穩(wěn)定，且正負(fù)性未發(fā)生變化，絕對(duì)值趨近于1。說(shuō)明近年來(lái)林州市土壤與地表水體空間分布相關(guān)關(guān)系穩(wěn)定，水土資源利用更加合理。

圖6 林州市土壤與地表水體空間分布多樣性指數(shù) 間相關(guān)系數(shù)的粒度效應(yīng)曲線

3 結(jié)論

本研究對(duì)河南、江蘇典型樣區(qū)土壤及不同形態(tài)地表水體的空間分布多樣性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，隨著空間粒度增加，DSF與RSF的空間多樣性指數(shù)對(duì)空間粒度的響應(yīng)類型基本上屬于無(wú)響應(yīng)型。前人研究發(fā)現(xiàn)，某些研究區(qū)YRSF的粒度效應(yīng)曲線會(huì)出現(xiàn)小幅度變化情況，這是由于其首位RSF斑塊位于研究區(qū)的邊緣位置，采樣過(guò)程中隨著粒度的增加，土壤斑塊會(huì)超出研究區(qū)邊界，引起其空間分布多樣性指數(shù)的變化[5]。而本研究中首位RSF的空間位置均分布正常，因此與前人研究結(jié)論不完全相同。對(duì)于地表水體空間分布多樣性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，MSHDAI與MSHDLI的粒度響應(yīng)類型分別為無(wú)響應(yīng)型和無(wú)規(guī)律型，說(shuō)明面狀水體對(duì)空間粒度的變化無(wú)明顯響應(yīng)，而線狀水體對(duì)空間粒度的響應(yīng)呈無(wú)規(guī)律狀態(tài)。另外，江蘇省研究區(qū)上述兩指數(shù)值普遍高于河南省研究區(qū)，說(shuō)明江蘇省地表水體空間分布更均勻。對(duì)各研究區(qū)土壤與地表水體空間分布多樣性指數(shù)間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，林州市土壤與地表水體空間分布多樣性指數(shù)間的相關(guān)性顯著，水土資源空間分布相關(guān)關(guān)系穩(wěn)定，其中,YDSF與MSHDLI呈極顯著正相關(guān)，YRSF與MSHDLI呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。另外，水田面積變化較大的寶應(yīng)縣和常熟市水土資源間相關(guān)關(guān)系不穩(wěn)定，而地處平原地區(qū)的鄭州市、湯陰縣和南京市指數(shù)間相關(guān)性差。

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Distribution Diversity and Correlation Analysis of Soil and Surface Water Body Based on Different Spatial Grain Size

GUO Xuan,REN Yuanyuan,ZHANG Xuelei*

(School of Hydraulic and Environmental Engineering，Zhengzhou University/Institute of Natural Resources and Eco-environment，Zhengzhou 450001，China )

Six typical areas from Henan province and Jiangsu province were selected as the study cases.The study was conducted by using different types of spatial distribution diversity index and spatial grain size method to analyze the spatial distribution characteristics of soil and surface water body.The granularity response type of space distribution diversities of dominant soil genus(YDSF) and rare soil genus(YRSF),modified Shannon diversity area index(MSHDAI) as well as space distribution length index (MSHDLI) and the stability of correlation among the four indexes were also analyzed specifically.The results showed that as the size of space growing,YDSF,YRSFand MSHDAI of the response spatial granularity belonged to no-responsive type,while MSHDLI belonged to the irregular type.There was a certain correlation between the spatial distribution of soil and surface water body.Especially the correlation of soil and water resources in Linzhou city was strong and stable.

soil; surface water body; diversity; grain size effect; correlation analysis

2016-10-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41571208)

郭 漩(1993-)，女，河南南陽(yáng)人，在讀碩士研究生，研究方向：水土資源多樣性。E-mail:gx930707@163.com

*通訊作者：張學(xué)雷(1960-)，男，江蘇沛縣人，教授，主要從事運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)和3S技術(shù)對(duì)土壤、土地資源的分析與研究。 E-mail:zxlzzu@zzu.edu.cn

S152

A

1004-3268(2017)04-0055-06