河南省成土母質(zhì)與土壤空間分布多樣性的特征*

任圓圓 張學雷 李笑瑩 孫 鵬 段金龍

（1 鄭州大學水利與環(huán)境學院，自然資源與生態(tài)環(huán)境研究所，鄭州 450001）

（2 鄭州輕工業(yè)學院社會發(fā)展研究中心，鄭州 450002）

（3 河南工業(yè)大學信息科學與工程學院，鄭州 450001）

基于經(jīng)典的道庫恰耶夫?qū)W說，土壤是由母質(zhì)、氣候、生物、地形和時間五大自然因素綜合作用的產(chǎn)物。其中，因巖石裸露出地表風化為疏松的碎屑物質(zhì)而形成的成土母質(zhì)是土壤的物質(zhì)基礎(chǔ)，在母質(zhì)不斷地同動植物界與大氣進行物質(zhì)和能量交換的過程中形成了土壤[1]。土壤多樣性的研究自20 世紀90年代初在西班牙興起并引入國內(nèi)之后取得了顯著進展，已成為21 世紀以來土壤地理學領(lǐng)域前沿性的研究內(nèi)容[2-4]，但其如何與地貌單元[5-6]、巖石單元[7]等其他資源的多樣性進行比較是其未來主要的挑戰(zhàn)[8]。目前，從土壤多樣性向地多樣性的發(fā)展是相關(guān)領(lǐng)域的最新研究趨勢[9-10]。地多樣性的概念由澳大利亞地質(zhì)學家Sharples[11]提出，目前在國內(nèi)外的研究中其含義由最初的地質(zhì)地貌多樣性擴展至地形、母質(zhì)、植被和水體等與土壤發(fā)生關(guān)系密切的地學要素[8,12-15]。即從單一土壤多樣性研究向地形、土地利用、水體、母質(zhì)和植被等要素多樣性的研究擴展。

在自然景觀中，多樣性分析能夠獨立地或是關(guān)聯(lián)性地應(yīng)用到其中的所有要素，并作為一種數(shù)學工具去表達其空間分布模式，對地學要素中的成土母質(zhì)來說亦是如此[10]。關(guān)于成土母質(zhì)和土壤間的關(guān)系，宋迪思等[16]分析了湘東丘陵4 種典型母質(zhì)上發(fā)育土壤的中紅外吸收光譜特征；姜坤等[17]探討了廣東省不同母質(zhì)發(fā)育的不同土壤的顆粒組成及分布的分形維數(shù)特征；劉昭兵等[18]研究了湖南省兩種不同母質(zhì)發(fā)育土壤的稻米鎘積累差異；董玲玲等[19]探究了貴陽市喀斯特山區(qū)9 種不同母質(zhì)上發(fā)育的土壤類型在理化性質(zhì)上的差異；張學雷等[20]基于海南島土壤與地形數(shù)字化數(shù)據(jù)庫，嘗試建立不同成土母質(zhì)上地形類別多度分布模型，并實現(xiàn)其相關(guān)的數(shù)字化表達；李超等[21]根據(jù)山西省黃土母質(zhì)上土壤的石灰反應(yīng)強度估測CaCO3和pH 含量。以上研究取得了一定的進展，但除了張學雷等早期的初步研究外，均未從多樣性的角度對成土母質(zhì)與土壤之間的關(guān)系進行深入分析。

鑒于此，本文在前人相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，從多樣性的角度來分析河南省成土母質(zhì)和土壤的構(gòu)成組分多樣性、各成土母質(zhì)上發(fā)育的土壤分類級別的豐富度指數(shù)、分支率和在發(fā)生上的對應(yīng)關(guān)系，之后在5 km×5 km 網(wǎng)格尺度下探討不同母質(zhì)上典型土類的空間分布離散性特征并計算了河南省母質(zhì)和土壤的空間分布多樣性和二者間的相關(guān)系數(shù)，以期從多樣性這一新的視角來研究成土母質(zhì)與土壤要素的空間分布多樣性特征，并不斷豐富從土壤多樣性向地多樣性的有關(guān)研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河南?。ǖ靥?10°21′～116°39′E、31°23′～36°22′N之間）是位于我國中原腹地的大省，位于黃河中下游，因大部分地區(qū)在黃河以南，故稱河南。《禹貢》將中國分為九州，河南省分屬于豫州，故簡稱“豫”。東西長580 km，南北寬530 km，面積有16 萬余平方千米，約占全國總面積的1.74%。截至2017年底，河南共下轄17 個地級市、1 個省直轄縣級市，52 個市轄區(qū)、20 個縣級市、85 個縣，省會鄭州。

河南省屬暖溫帶—亞熱帶、濕潤—半濕潤季風氣候，地形總體可以概括為 “三山兩盆一平原”，西為黃土高原東側(cè)的山地丘陵區(qū)，東為黃河、淮河淤積而成的黃淮海平原區(qū)。土壤類型眾多，形態(tài)各異，同時橫跨海河、黃河、淮河、長江四大水系，境內(nèi)1500 多條河流縱橫交織。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

土壤數(shù)據(jù)來自第二次全國土壤普查全省數(shù)字化土壤圖（河南省土肥站），見圖1a）。成土母質(zhì)數(shù)據(jù)是綜合土壤母質(zhì)[1]的分類并依據(jù)土壤分類土屬級別中母質(zhì)信息予以歸納概括而成，并運用ArcGIS10.2軟件的空間數(shù)據(jù)處理和分析功能得到河南省6 個主要成土母質(zhì)大類，見圖1b）。由該圖可知：河南省的成土母質(zhì)較為復雜，山區(qū)主要是各種巖石風化的殘坡積物、洪積物及黃土；在平原地區(qū)則為沖積物、洪積物、河湖相沉積物和風積物。

圖1 河南省土壤圖（土類級別）（a））和母質(zhì)分類圖（b）） Fig.1 Soil and parent material classification maps of Henan Province

數(shù)據(jù)處理步驟：（1）運用經(jīng)典的仙農(nóng)熵公式測度方法計算了不同成土母質(zhì)和土壤要素的豐富度指數(shù)、構(gòu)成組分多樣性，并對河南省不同成土母質(zhì)對 應(yīng)的土壤類別個數(shù)、分支率和二者在發(fā)生上的對應(yīng)關(guān)系進行分析。（2）運用改進的仙農(nóng)熵公式測度方法在5 km×5 km 網(wǎng)格尺度下計算各個母質(zhì)上的土類空間分布多樣性值，以便分析母質(zhì)對土壤類型空間分布多樣性產(chǎn)生的影響。（3）運用改進的仙農(nóng)熵公式計算河南省的成土母質(zhì)和土壤的空間分布多樣性，并探索二者間的相關(guān)性。

1.3 多樣性測度方法

為更好地評價研究對象的空間分布離散性，使用改進的仙農(nóng)熵變形公式：

式中，S和pi定義為：（1）表示土壤構(gòu)成組分多樣性時：S為土類個數(shù)（即豐富度指數(shù)），pi為第i個土類占該土類總面積的比例。此處，多樣性指數(shù)Yh[22]表示在研究區(qū)內(nèi)所有分類單元在數(shù)量構(gòu)成上的均勻程度，這時Yh形同Pielou 均勻度指數(shù)[23]。（2）表示土壤空間分布多樣性時：S為空間網(wǎng)格的數(shù)目，pi為第i個空間網(wǎng)格里某個土類面積占該土類總面積的比例，多樣性指數(shù)Yh為在研究區(qū)內(nèi)土壤空間分布的多樣性特征，用來描述土壤分布的離散性程度和多樣性格局。多樣性指數(shù)Yh取值區(qū)間為[0,1]，當研究對象的相對豐度分布極度不均勻，即當一個或者少數(shù)幾個對象占支配地位時，Yh取值趨于0；當每個對象都均勻分布時，Yh取值等于1。

1.4 關(guān)聯(lián)分析法

為更好地確定母質(zhì)和土類多樣性之間的相關(guān)關(guān)系，使用以下關(guān)聯(lián)系數(shù)：

式中，A和B分別表示土壤母質(zhì)類型和土類類型（土類/亞類/土屬級別），r（A,B）[24]表示母質(zhì)類型A和每類土類類型B之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，Yh（A）和Yh（B）分別表示母質(zhì)和土類的空間分布多樣性指數(shù)，應(yīng)用式（1）進行計算，Yh（A,B）表示母質(zhì)類型A和土類類型B公共斑塊的空間分布多樣性。具體計算公式如下：

式中，p（i,j）為聯(lián)合分布概率，表示第i個空間網(wǎng)格里母質(zhì)類型A和第j個空間網(wǎng)格里土類類型B同時包含時的面積比。r（A,B）的取值范圍為[0,1]，該關(guān)聯(lián)系數(shù)反映了母質(zhì)和土類之間在空間分布上的相關(guān)性，定量地描述了研究區(qū)域內(nèi)母質(zhì)和土類這兩個要素在空間分布上相互疊置的程度。隨著該系數(shù)值的增加，兩個要素相互重疊的部分增多，關(guān)聯(lián)性增加。

2 結(jié)果與討論

2.1 成土母質(zhì)和土壤類型的構(gòu)成組分多樣性

表1計算了河南省不同成土母質(zhì)和土壤分類的構(gòu)成組分多樣性，由此可知：（1）就豐富度指數(shù)而言，成土母質(zhì)和土類類型的個數(shù)分別為6 和15；（2）就構(gòu)成組分多樣性而言，從土類、亞類到土屬其構(gòu)成組分多樣性值呈上升趨勢，且土屬的構(gòu)成組分多樣性值最高（0.81），母質(zhì)的構(gòu)成組分多樣性值為0.87，這說明母質(zhì)和土壤類型在河南省的分布均較為均勻，復雜程度較高。（3）綜合對比，成土母質(zhì)類型雖少但其構(gòu)成組分多樣性值高于土類，說明若干母質(zhì)均有可能發(fā)育形成同一種土壤類型，這在一定程度上也與母質(zhì)和土壤在河南省分布的位置、面積大小及其二者分類系統(tǒng)的分支率有關(guān)。

2.2 母質(zhì)和土壤類別多樣性間的發(fā)生關(guān)系

不同母質(zhì)上發(fā)育的土壤類型各異，統(tǒng)計不同母質(zhì)上發(fā)育的土類、亞類和土屬類型的個數(shù)及分支率，結(jié)果見表2（表注為不同母質(zhì)下土類、亞類和土屬類別的分支率計算公式）。由表2可知：（1）在6 大類母質(zhì)類型中，每一類發(fā)育形成的土類豐富度不一，有的母質(zhì)發(fā)育著多種土壤，有的母質(zhì)只有某種土類發(fā)育；（2）殘積、坡積物母質(zhì)在河南省的面積最大且其發(fā)育的土類、亞類和土屬數(shù)量均最多，土壤類型最為復雜多樣；（3）6 種母質(zhì)下發(fā)育的土壤類型隨著分類級別從土類、亞類到土屬，其豐富度指數(shù)呈上升趨勢但其上升的幅度不同，造成不同級別間分支率差別大；（4）除了黃土與紅土母質(zhì)和河湖相沉積物母質(zhì)外，其他母質(zhì)上所發(fā)育土壤分類系統(tǒng)的分支率呈現(xiàn)從高級別到低級別遞減的趨勢，佐證了多數(shù)情況下土壤分類系統(tǒng)框架中較低分類單元向下分支數(shù)值較其較高分類單元間的值有所降低的基本規(guī)律；（5）由圖2a）和圖2b）可知各成土母質(zhì)的面積比例與其發(fā)育的土類豐富度和亞類豐富度之間沒有明顯的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)小于0.3 屬弱正相關(guān)關(guān)系；但其與土屬的豐富度指數(shù)間的相關(guān)性有一定的提高，其值為0.51，表明二者達到中等正相關(guān)關(guān)系，如圖2c 所示。

表1 河南省不同母質(zhì)和土壤分類的構(gòu)成組分多樣性 Table1 Parent material and soil composition diversities in Henan Province

表2 河南省不同成土母質(zhì)對應(yīng)的土壤類別數(shù)量及分支率 Table2 Number of soil types and bifurcation ratio relative to type of soil forming parent materials in Henan

圖2 不同成土母質(zhì)的面積比例與土壤豐富度之間的線性相關(guān)關(guān)系 Fig.2 Linear correlation between proportion of soil parent material in area and soil richness relative to type of parent material

2.3 母質(zhì)和土壤類別多樣性在發(fā)生上的對應(yīng)關(guān)系

表3統(tǒng)計了河南省不同成土母質(zhì)上發(fā)育的土類類型，結(jié)合表2進而將省內(nèi)15 種土類與不同母質(zhì)間的發(fā)生對應(yīng)關(guān)系類型分為：

（1）一對多（即一種土類類型發(fā)育在多種母質(zhì)上）：如潮土、褐土、黃褐土和水稻土等，均發(fā)育在3 種不同的母質(zhì)上，棕壤和砂姜黑土在2 種不同的母質(zhì)上，顯示出不同程度的土壤發(fā)育程度及特征。以潮土為例（表4），在河流沖積物、洪積物和河湖相沉積物3 種不同母質(zhì)上發(fā)育的亞類個數(shù)分別為6、1、3，發(fā)育的土屬個數(shù)分別為24、1、3；褐土在洪積物和殘積、坡積物上和黃土與紅土母質(zhì)上發(fā)育的亞類個數(shù)分別為5、4、4，發(fā)育的土屬個數(shù)分別為12、13、12；黃褐土主要發(fā)育在洪積物、黃土與紅土母質(zhì)上和殘積、坡積物母質(zhì)上的亞類個數(shù)分別為2、4、2，對應(yīng)的土屬個數(shù)均為6、5、2；就水稻土而言，在河流沖積物、黃土與紅土和殘積、坡積物母質(zhì)上發(fā)育的亞類個數(shù)分別為1、3、1，發(fā)育的土屬個數(shù)分別為1、3、1；棕壤在黃土與紅土母質(zhì)上發(fā)育的亞類主要是棕壤和棕壤性土，對應(yīng)的土屬分別是黃土棕壤和棕壤性土，而其在殘積、坡積物上發(fā)育了3 個土壤亞類（白漿化棕壤、棕壤和棕壤性土）和11 個土屬類型；砂漿黑土在洪積物和河湖相沉積物上發(fā)育的 2 個亞類均是砂姜黑土和石灰性砂姜黑土，發(fā)育的土屬個數(shù)分別為2 個和6 個。

（2）一對一（即一種土類類型發(fā)育在一種土壤母質(zhì)上）：如堿土、鹽土、紅黏土、粗骨土、石質(zhì)土、紫色土、新積土、風砂土和黃棕壤。6 種母質(zhì)類型上均發(fā)育有獨特的土類類型，反映出土壤及其母質(zhì)在發(fā)生上的特質(zhì)性。其中，殘積、坡積物下發(fā)育的特有土類類型有4 個，其他5 個母質(zhì)類型均發(fā)育1 種特定土壤類型，如堿土僅發(fā)育在河流沖積物母質(zhì)上，黃河大堤外側(cè)因受高水位側(cè)滲影響呈帶狀分布著堿化土壤，鹽土僅發(fā)育在洪積物母質(zhì)上。

（3）多對一（即多種土壤類型發(fā)育在一種土壤母質(zhì)上）：除風砂土外，其他土類均屬于此類型。其中，殘積、坡積物母質(zhì)發(fā)育的土類類型最多，共8個土類，洪積物、黃土與紅土發(fā)育了5 種土類類型，河湖相沉積物發(fā)育了4 種土類類型，河流沖積物發(fā)育了3 種土類類型。

2.4 不同成土母質(zhì)對土類空間分布多樣性的影響

通過ArcGIS10.2 空間分析并運用式（1）計算，得出每一種成土母質(zhì)上發(fā)育的土類類型的空間分布多樣性指數(shù)值（圖3）。由此可知：殘積、坡積物母質(zhì)上發(fā)育的土類中，粗骨土是空間分布離散性程度最高且面積最大的土類（0.88，15 556 km2），是該母質(zhì)上的優(yōu)勢土類，河流沖積物母質(zhì)上的優(yōu)勢土類是潮土（0.97，50 465 km2），河湖相沉積物母質(zhì)上的優(yōu)勢土類是砂姜黑土（0.90，9 689 km2）；洪積物母質(zhì)和黃土與紅土母質(zhì)上空間分布離散性最高的土類均是黃褐土，其值分別為（0.86，11 755 km2），（0.85，9 811 km2），但其面積在該母質(zhì)所發(fā)育的土類中均是次高值，面積最大的土類均是褐土，其值分別為（0.83，12 264 km2），（0.81，11 639 km2）；風積物母質(zhì)上僅發(fā)育了風砂土一種土類，其空間分布離散性值是0.91。

表3 河南省不同成土母質(zhì)對應(yīng)的土類 Table3 Soil groups corresponding to each soil forming parent material in Henan Province

表4 潮土在不同母質(zhì)類型下的發(fā)育狀況 Table4 Development of Hapli aquic cambosol relative to parent material

以潮土、褐土和棕壤為例，可見其在不同母質(zhì)上的空間分布（圖4）。其中，由圖4a）可知，河南省的潮土分布在河流沖積物、洪積物和河湖相沉積物這3種母質(zhì)上，且主要分布在東部的河流沖積物上，其次在西南部南陽盆地的河流沖積物上以及南部的河湖相沉積物上。圖4b），河南省的褐土主要分布在殘積、坡積物，黃土和紅土及洪積物這3 種母質(zhì)上，且主要分布在西部的殘積、坡積物上其次在西北部的黃土與紅土上，西南部的洪積物上也有一些分布。圖4c）可見，河南省的棕壤主要分布在殘積、坡積物與黃土與紅土這兩種母質(zhì)上，且主要分布在西部的殘積、坡積物，在西北部和南部的黃土與紅土母質(zhì)上也有少許分布。

圖3 不同母質(zhì)發(fā)育的土類的空間分布多樣性 Fig.3 Spatial distribution diversity of soil group relative to parent material

圖4 潮土、褐土和棕壤在河南省不同母質(zhì)上的分布狀況 Fig.4 Distribution of Hapli aquic cambosol，Hapli ustic argosol and Hapli udic argosol in Henan Province relative to parent material

2.5 不同母質(zhì)和土類空間分布多樣性的關(guān)聯(lián)性

河南省母質(zhì)和土類在5 km 網(wǎng)格尺度下的空間分布多樣性指數(shù)值見表5和表6，就土類空間分布多樣性而言，潮土是河南省面積最大、空間分布多樣性值最高的土類類型，其值分別為51 895 km2和0.89，鹽土是面積最小、空間分布多樣性值最低的土類類型。就母質(zhì)空間分布多樣性而言，河流沖積物是分布面積最大，空間分布多樣性值最大的母質(zhì)類型，其值分別為50 581 km2和0.89，這說明該土壤母質(zhì)在河南省的離散性程度最高，此外，殘積、坡積物的空間分布離散性值為0.86，其值稍低于河流沖積物、洪積物和黃土與紅土母質(zhì)，但其土壤發(fā)育的豐富度指數(shù)最高。

運用式（2）計算河南省成土母質(zhì)和土類二者間的關(guān)聯(lián)性（表7），總體上來看，6 大類成土母質(zhì)與15 種土類間有不同程度的相關(guān)性，潮土與河流沖積物母質(zhì)、風砂土與風積物母質(zhì)間的相關(guān)系數(shù)接近于1，是高度正相關(guān)關(guān)系，這說明潮土多由河流沖積物母質(zhì)發(fā)育而來，同時風砂土母質(zhì)只能發(fā)育出一種土類。洪積物母質(zhì)與潮土間的相關(guān)性最弱，相關(guān)系數(shù)大于0.3，為弱正相關(guān)關(guān)系；縱向來看，殘積、坡積物母質(zhì)與15 個土類的相關(guān)系數(shù)最多（8 個），其次是黃土與紅土母質(zhì)與土類有6 個相關(guān)系數(shù)，風積物母質(zhì)僅與風砂土有相關(guān)性。

表5 河南省土類空間分布多樣性 Table5 Spatial distribution diversities of soil group in Henan Province

表6 河南省母質(zhì)空間分布多樣性 Table6 Spatial distribution diversities of parent material in Henan Province

表7 河南省土類和土壤母質(zhì)空間分布多樣性的相關(guān)性 Table7 Correlation matrix of soil groups with parent materials in spatial distribution diversity in Henan Province

續(xù)表

3 結(jié) 論

河南省共有6 類成土母質(zhì)，分別為殘積、坡積物母質(zhì)、洪積物、黃土與紅土、河湖相沉積物、河流沖積物和風積物，且在5 km×5 km 網(wǎng)格尺度下河流沖積物是面積最大、空間分布離散性程度最高的母質(zhì)，風積物母質(zhì)是面積最小且空間分布離散性值最低的母質(zhì)類型。與土壤分類系統(tǒng)相比，成土母質(zhì)分類系統(tǒng)構(gòu)成相對簡單，雖其豐富度指數(shù)最小但構(gòu)成組分多樣性值高于土類，這與二者分類系統(tǒng)的分支率有關(guān)。在6 大類母質(zhì)類型中，每一類發(fā)育形成的土類豐富度不一，殘積、坡積物母質(zhì)發(fā)育的土壤類型最為復雜，15 種土類與不同成土母質(zhì)間的對應(yīng)關(guān)系可分為一對多，一對一和多對一類型，展現(xiàn)母質(zhì)與土壤多樣性特征的發(fā)生學基礎(chǔ)。6 大類成土母質(zhì)與15 種土類間有不同程度的相關(guān)性，其中，潮土與河流沖積物母質(zhì)、風砂土與風積物母質(zhì)間的相關(guān)性最強，洪積物母質(zhì)與潮土間的相關(guān)性最弱。綜上，不同成土母質(zhì)與各個土壤類型在發(fā)生關(guān)系上存在差異，各個母質(zhì)上發(fā)育的土類豐富度和空間分布離散性程度不同，且母質(zhì)空間分布多樣性與土類空間分布多樣性間存在相關(guān)性。