不同地形條件下貴州省主要土壤類型的空間分異

陳清霞 陸曉輝 趙文軒 劉玉晶 牟葉果

摘要：不同地形部位發(fā)育的土壤屬性及其類型差異明顯，探究山區(qū)不同地形條件下土壤類型的空間分異規(guī)律，對土壤資源的合理利用和定向培育具有重要意義。研究運用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)和周長-面積法，分析探討了不同海拔和坡度條件下貴州省主要土壤類型的空間分異與山地復(fù)雜地形條件的關(guān)系。結(jié)果表明：不同海拔和坡度條件下土壤類型空間分布差異明顯。黃壤和紫色土在海拔>900～1 400 m、坡度>6°～15°之間的平均斑塊面積最大、連片性最好、斑塊構(gòu)成最簡單，而紅壤則以海拔147～900 m、坡度>15°～25°間的連片性最好、穩(wěn)定性指數(shù)最高;紅色石灰土和水稻土連片性最好的坡度區(qū)間分別為>6°～15°和0°～6°，兩者分布面積最大的海拔區(qū)間均為147～900 m，且隨海拔和坡度增加兩者的分維數(shù)也逐漸增大;草甸土和黃棕壤、棕色石灰土和棕壤連片性最好的坡度區(qū)間均為6°～15°、分維數(shù)最小的坡度區(qū)間分別為0°～6°和>6°～15°，四者均在海拔>1 900～2 890 m間的連片性最好、斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)最簡單;分維數(shù)表明黃色石灰土在0°～6°間的斑塊結(jié)構(gòu)最簡單，而黑色石灰土則在>25°地區(qū)復(fù)雜度最低，但兩者均在海拔>900～1 400 m、坡度>6°～15°之間的連片性最好。在貴州山地復(fù)雜地形條件下，土壤類型的連片性和分維數(shù)在一定程度上能夠反映出主要土壤類型發(fā)生發(fā)育的最佳地形條件。

關(guān)鍵詞：海拔;坡度;連片性;分形特征;貴州省

中圖分類號：S159.2 ??文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）07-0205-09

收稿日期：2021-07-31

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：41867001）;貴州師范大學(xué)學(xué)術(shù)新苗培養(yǎng)及創(chuàng)新探索專項[編號：黔科合平臺人才（2018）5769-23];貴州師范大學(xué)博士科研項目[編號：GZNUD（2017）7號]。

作者簡介：陳清霞（1995—），女，貴州遵義人，碩士研究生，從事土壤發(fā)生與分類研究。E-mail：2237481706@qq.com。

通信作者：陸曉輝，博士，教授，從事土壤發(fā)生與分類研究。E-mail：lu_xiaohui@126.com。

土壤是分布在地球表面上具有一定肥力并能生長植物的疏松表層，其空間分布特征對區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有非常重要的影響[1]。由于土壤在形成發(fā)育過程中同時受到自然和人文兩大因素的影響，在空間分布上也具有很大的差異性[2]。地形作為土壤形成發(fā)育的五大成土因素之一，直接影響著土壤的水熱狀況和地表物質(zhì)能量的流動，從而在很大程度上決定了土壤的物理化學(xué)性質(zhì)和生物過程，使得不同地形部位下發(fā)育的土壤屬性及其類型有很大的差異[3]。

分形理論在定量描述不規(guī)則、支離破碎、非均質(zhì)但具有自相似特征的復(fù)雜自然結(jié)構(gòu)等方面具有其獨特的優(yōu)勢，利用分形維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)可以直觀地描述土壤空間形態(tài)分布與成土環(huán)境條件之間的定量關(guān)系[4]。目前，基于分形理論研究土壤結(jié)構(gòu)特征和土壤類型空間分異的研究已有較多成果，朱曉華等采用分形方法對中國土壤的空間分形特征研究發(fā)現(xiàn)，我國土壤類型在空間分布上表現(xiàn)出從華南至東北至西北分維數(shù)逐漸增大的趨勢[5];王艷艷等研究表明，分形結(jié)構(gòu)方法能夠指示土壤水力性質(zhì)，并能通過建立分形模型反演土壤結(jié)構(gòu)[6];白一茹等采用分形方法對土壤粒徑分布單重的分形結(jié)構(gòu)特征進行研究發(fā)現(xiàn)，土壤粒徑分布分形維數(shù)可以體現(xiàn)土壤粒徑的分布情況，并可利用土壤粒徑分形維數(shù)估算土壤孔隙分形維數(shù)[7-8]。綜上可知，以往研究多集中于對單一土壤屬性或土壤類型空間分形特征的研究，對于不同地形條件下土壤類型空間分形特征的研究還相對較少，因此探究地形因子與土壤類型空間分異的關(guān)系，對于了解土壤的空間分布特征及其形成演化規(guī)律等方面均具有重要意義。

貴州省地處云貴高原東部斜坡地帶，地勢由西向東梯級下降，最大高差可達(dá)2 743 m。同時該區(qū)又是我國西南巖溶地區(qū)的中心，在喀斯特地貌與非喀斯特地貌的雙重作用下，區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，山地丘陵與洼地谷地交錯分布[9]。獨特的地形地貌為土壤的形成發(fā)育提供了復(fù)雜多變的自然環(huán)境條件，這必將引起貴州省土壤屬性和類型呈現(xiàn)出一定的空間變異特征。基于此，本研究采用分形理論中的周長-面積法，對貴州省不同海拔和坡度條件下土壤類型的空間分異特征進行定量研究，探究山地環(huán)境復(fù)雜地形因子下土壤類型的空間分異規(guī)律，以期為貴州省土壤資源的合理利用和定向培育提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省位于云貴高原東部，地理位置24°37′～29°13′N、103°36′～109°35′E，是內(nèi)陸山地省份。貴州省土地總面積17.62 km2，其中山地和丘陵就占了92.5%。區(qū)內(nèi)地勢總體西北高、東南低，地形連綿起伏、山脈縱橫交錯，平均海拔在1 100 m左右[10]。在大陸性氣候和海洋性氣候的交替作用下，年平均氣溫在14～16 ℃之間，年降水量為 1 100～1 300 mm，具有濕潤亞熱帶氣候的特點[11]。貴州省土壤在復(fù)雜的地質(zhì)地貌和特殊的氣候條件下，形成了多樣的土壤類型，其中以紅壤、黃壤和黃棕壤等地帶性土壤為主（圖1），占了土壤總面積的60.29%，受母巖特性制約的巖性土壤石灰土和紫色土占土壤總面積的23.14%，人工耕種熟化的水稻土等及其他約占16.57%[12]。

1.2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.2.1 海拔和坡度因子提取 2021年3月在地理空間數(shù)據(jù)云平臺下載貴州省GDEMV2 30M 的高程數(shù)據(jù)，通過ArcGIS 10.6軟件提取坡度數(shù)據(jù)，并對坡度和高程數(shù)據(jù)進行重分類、柵格轉(zhuǎn)矢量、消除碎斑以及融合同類項等處理，最后得到高程和坡度分級的矢量圖。

1.2.2 不同海拔和坡度類型下土壤空間分異信息提取 在ArcGIS 10.6中分別將提取的海拔分級圖和坡度分級圖與土壤類型圖（來源于貴州省自然資源廳，其比例尺為1 ∶2 500 000）進行疊加分析得到土壤類型在不同海拔或坡度分級下的分布信息以及面積和周長數(shù)據(jù)，最后通過分形理論的周長-面積法對不同海拔和坡度等級下土壤類型的分形維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)進行計算[13]，其表達(dá)式為

ln ?A r=2D ln ?P r +ln ?C。（1）

式中：A r表示某類不規(guī)則面狀圖形的面積;P r表示該類圖形的周長;C為待定常數(shù);D則為該類圖形的分維數(shù)，分維數(shù)D可以通過求取各土壤類型的周長-面積對數(shù)擬合直線的斜率（2/D）來得到。分維數(shù)D的取值范圍在1～2之間，其大小能夠定量描述土壤邊界的曲折性，D值越大表明土壤斑塊邊界越破碎、空間結(jié)構(gòu)特征越復(fù)雜，反之亦然。土壤斑塊空間鑲嵌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可以通過|1.5-D |來計算，其值越大，斑塊構(gòu)成越簡單。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔條件下土壤類型的空間分形特征

根據(jù)《貴州省農(nóng)業(yè)地貌區(qū)劃》[14]高程分級標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實際地勢情況，將貴州省高程分為4個級別，其中147～900 m占研究區(qū)總面積的35.98%、>900～1 400 m占總面積的42.75%、>1 400～1 900 m 占總面積的14.79%、>1 900～2 890 m占總面積的6.47%。由圖2可知，貴州省海拔高度呈現(xiàn)出由西北向東南逐漸遞減的規(guī)律，并以中部高原區(qū)的分布范圍最大，斑塊連片性最好。

2.1.1 不同海拔區(qū)優(yōu)勢土壤類型及連片性 由表1可看出，貴州省優(yōu)勢土壤類型在海拔147～1 900 m 之間均為黃壤（黃壤亞類、黃壤性土），而在>1 900～2 890 m則以黃棕壤（暗黃棕壤、黃棕壤性土）為主，不同海拔區(qū)間下各土壤類型分布連片性（平均斑塊面積越大、連片性越好）具有明顯差異。草甸土、黃棕壤、棕壤和棕色石灰土僅分布于海拔 1 400 m 以上的地區(qū)，且分布面積和平均斑塊面積均在>1 900～2 890 m間最大、連片性最好，而紅壤（紅壤亞類、黃紅壤、紅壤性土）和紅色石灰土則僅分布于海拔1 400 m以下地區(qū)，且平均斑塊面積和分布面積均在147～900 m之間出現(xiàn)最大值。黃壤（黃壤亞類、黃壤性土）、黑色石灰土、黃色石灰土和紫色土（石灰性紫色土、酸性紫色土）均在>900～1 400 m 間的分布面積最大，連片性最好，而水稻土（潛育型水稻土、潴育型水稻土、滲育型水稻土、脫潛型水稻土、育型水稻土）則在147～900 m之間的面積分布最大、連片性最好。

2.1.2 不同海拔高度下土壤類型的分維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù) 分形分析為土壤空間分異提供了定量的表達(dá)方法，通過表2中 r 2對不同海拔高度下土壤斑塊的周長-面積關(guān)系式進行顯著性檢驗表明，除了個別土壤類型在相應(yīng)海拔區(qū)間內(nèi)由于斑塊數(shù)量太少無法建立周長-面積關(guān)系式外，不同海拔區(qū)間內(nèi)各土壤類型斑塊的周長-面積雙對數(shù)關(guān)系顯著，表明不同海拔高度下各土壤類型的空間分形結(jié)構(gòu)特征客觀存在。

由圖3可知，不同海拔條件下，各土壤類型的分維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)具有明顯差異。隨海拔高度增加，草甸土、黃棕壤、棕色石灰土和棕壤的分維數(shù)逐漸減小、斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)越來越簡單，而紅壤、紅色石灰土和水稻土的分維數(shù)則逐漸增大、斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。黃壤、黑色石灰土、黃色石灰土和紫色土的分維數(shù)隨海拔高度增加表現(xiàn)出先減小再增加的趨勢，且均在 >900～1 400 m之間呈現(xiàn)最小值，說明這幾種土壤在該海拔區(qū)間的斑塊破碎度最低、穩(wěn)定性最好。

2.2 不同坡度條件下土壤類型的空間分形特征

參照湯國安等對坡度分級方法的比較研究[15]，本研究將貴州省坡度分為0°～6°、>6°～15°、>15°～25°和 > 25° 等4個級別，各坡度等級面積分別占研究區(qū)總面積的7.66%、50.72%、29.74%、11.88%。結(jié)合圖4可知，>6°～15°占了研究區(qū)土地總面積的一半，且集中分布在中部地區(qū)，貴州省地形呈現(xiàn)出中部平坦而四周起伏較大的特點。

2.2.1 不同坡度條件下優(yōu)勢土壤類型及連片性 由表3可知，各坡度區(qū)間的優(yōu)勢土壤類型均為黃壤，各土壤類型在不同坡度區(qū)間下的連片性具有明顯差異。草甸土、黃棕壤、黃壤、石灰土、紫色土和棕壤在>6°～15°間的分布面積和平均斑塊面積最大、分布連片性最好，而紅壤則在>15°～25°間的分布面積最大、斑塊連片性最好。水稻土在>6°～15°之間的分布面積最大，但以0°～6°間的斑塊連片性最好、分布最為集中。

2.2.2 不同坡度下土壤類型的分維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù) 由不同坡度條件下各土壤類型斑塊的周長-面積關(guān)系式（表4） 中的 r 2可知，除了個別水稻土在>25°區(qū)域由于數(shù)量太少無法建立周長-面積關(guān)系外，不同坡度條件下各類型土壤均存在不同程度的分形特征。

由圖5可知，紅壤（紅壤亞類、黃紅壤、紅壤性土）、黃壤（黃壤亞類、黃壤性土）、紫色土（石灰性紫色土和酸性紫色土）、棕色石灰土和棕壤的分維數(shù)均隨坡度增加表現(xiàn)出先減小再增加的趨勢，其中紅壤在坡度>15°～25°間的穩(wěn)定性指數(shù)最高、斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)最簡單，而黃壤、紫色土、棕色石灰土和棕壤則以>6°～15°間的分維數(shù)最小，穩(wěn)定性程度最好;隨坡度增加，黃棕壤（暗黃棕壤和黃棕壤性土）和水稻土（潛育型水稻土、潴育型水稻土、滲育型水稻土、脫潛型水稻土、淹育型水稻土） 表現(xiàn)出分維數(shù)逐漸增大而穩(wěn)定性指數(shù)逐漸減小的趨勢，而草甸土、黑色石灰土、黃色石灰土和紅色石灰土的分維數(shù)則表現(xiàn)出先增加再減小的特點，且均以坡度>15°～25°間的分維數(shù)最大、斑塊破碎程度最高。

3 討論與結(jié)論

土壤在地理上的分布，既受生物氣候條件的影響，在大尺度上表現(xiàn)出水平分布規(guī)律和垂直分異規(guī)律，又與區(qū)域性成土因素相適應(yīng)表現(xiàn)出中域或微域分布規(guī)律。貴州自然地理環(huán)境具有過渡性、復(fù)雜性和特殊性的特點，因而反映在土壤類型和分布上也具有區(qū)域性[16]。

本研究表明， 貴州省土壤在不同海拔和坡度條件下，其空間分布具有明顯的差異性。其中紅壤在海拔147～900 m、坡度>15°～25°間的分布面積最大、穩(wěn)定性指數(shù)最高，這是由于紅壤是在長期高溫和干濕季交替條件下形成的土壤，而貴州省在海拔900 m以下、坡度>15°～25°地區(qū)水熱組合條件好，冬季短、夏季炎熱且長，屬于南亞熱帶，因此有利于紅壤的形成[17]。黃壤作為貴州省面積最大的地帶性土壤，其發(fā)育的地形地貌多樣[18]，從黔西北 1 900 m 的中山到黔中1 000 m的高原面再到東南部海拔500 m左右的丘陵均有分布，但本研究發(fā)現(xiàn)黃壤分布最集中連片的屬中海拔（>900～1 400 m）、地勢較緩（>6°～15°）的高原的主體部分，原因在于中部高原區(qū)地勢較平緩，在溫和濕潤和常綠闊葉林生物氣候條件下，土壤有機質(zhì)含量較為豐富、鐵鋁含量高，多演化為黃壤[12]。草甸土、黃棕壤和棕壤均在海拔>1 900～2 890 m的分布面積最大、連片性最好、斑塊結(jié)構(gòu)最簡單，這是由于>1 900～2 890 m為貴州海拔最高地區(qū)，該區(qū)冬季受西南暖流的影響，氣候干燥降水少，夏季降水多，具有干濕季節(jié)明顯的特點，由于海拔高而氣溫低，有利于黃棕壤的累積黏化過程，因此大面積發(fā)育的地帶性土壤為黃棕壤[16，19]。棕壤和草甸土是貴州省土壤垂直帶中位于黃棕壤之上的地帶性土壤，其中草甸土多分布在氣候冷涼、風(fēng)大霧多，海拔在1 900 m以上的山地垂直帶的上部，而棕壤僅分布于黔西北海拔2 400 m以上的地段[20];由于黃棕壤發(fā)育程度較差、分布地形部位陡峭，而草甸土多位于地形較平坦的山頂[16]，所以在0°～6°之間草甸土和黃棕壤的分維數(shù)最小、斑塊破碎度最低，而棕壤則在>6°～15°間的分維數(shù)最小，斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)最簡單。

除地帶性土壤外，貴州省還廣泛分布著石灰土、紫色土和水稻土等非地帶性土壤。其中紅色石灰土以海拔147～900 m、坡度>6°～15°間的分布面積最大、連片性最好，且隨海拔和坡度增加其分維數(shù)也逐漸增大，原因在于紅色石灰土發(fā)育程度較好，其分布片區(qū)與紅壤類似，多分布于海拔較低、地勢較緩的河谷地帶[16];分維數(shù)表明黃色石灰土在0°～6°間的斑塊結(jié)構(gòu)最簡單，而黑色石灰土則在>25°地區(qū)復(fù)雜度更低，但兩者均在海拔>900～1 400 m、坡度>6°～15°之間的分布面積最大、連片性最好，這主要是由于>900～1 400 m屬于貴州中部的高原季風(fēng)溫和濕潤氣候，有利于黑色石灰土和黃色石灰土形成，其中黑色石灰土較黃色石灰土的發(fā)育程度差、土層薄，零星而又廣泛地分布于植被蓋度較好的山體中部區(qū)域[16]，所以其在> 25°區(qū)域穩(wěn)定性程度均高于其他亞類土壤;棕色石灰土在海拔1 900 m以上的平均斑塊面積最大、分維數(shù)最小、斑塊連片性好，而在不同度區(qū)間其分維數(shù)變化較大，其原因是在貴州省1 900 m以上北亞熱帶溫良濕潤氣候環(huán)境里的矮化落葉闊葉林植被作用下，有利于棕色石灰土的形成發(fā)育，但由于巖溶山區(qū)地勢起伏大，且棕色石灰土在地域上多呈斑塊狀鑲嵌于其他地帶性土壤之中[16]，因而其分維數(shù)變化較大。紫色土在海拔>900～1 400 m、坡度>6°～15°之間的分布面積最大、連片性最好、斑塊構(gòu)成較為簡單，原因在于紫色土母巖疏松、具有快速物理崩解和頻繁的侵蝕過程，在海拔較高、坡度陡的地區(qū)，由于土層淺薄、水土流失快風(fēng)化也快，紫色土易向下滑落，因而多分布于地勢較緩的丘陵地貌區(qū)[16]。水稻土是水耕熟化過程作用下形成的一類耕作土壤[21]，由于低海拔地勢較緩地區(qū)水熱條件較為豐富、有利于人類開發(fā)利用，因此貴州省水稻土大部分分布在海拔 147～900 m、坡度≤25°的地區(qū)，僅在西部地區(qū)最高可分布于2 300 m以上。但由于貴州巖溶地貌發(fā)育典型、且整體水熱條件較好，適于水稻土發(fā)育，所以在不同坡度區(qū)間均有水稻土分布，如在>25°的坡耕地地區(qū)，由于水土沖刷強烈、水源缺乏加之運肥困難，也會形成淹育型水稻土;在低洼槽谷區(qū)由于積水難排，易形成潛育性水稻土;在山谷或山?jīng)_地段，稻田由于巖溶地下水的入侵或者山坡裂隙水的影響，常形成冷爛田。

4 展望

在貴州省不同海拔和坡度條件下，主要土壤類型分形結(jié)構(gòu)特征差異明顯，土壤類型的連片性和分維數(shù)在一定程度上能夠反映出貴州山區(qū)主要土壤類型發(fā)生發(fā)育的最佳地形條件。在不同海拔和坡度條件下，貴州主要土壤類型呈現(xiàn)一定的空間分布規(guī)律。

貴州省低海拔（147～900 m）地區(qū)有利于紅壤、紅色石灰土和水稻土的發(fā)育，但紅壤所處坡度較水稻土和紅色石灰土要高，因此在低海拔地勢平坦地區(qū)可種植水稻及其他對水熱條件要求較高的農(nóng)作物，而在坡度較陡地區(qū)則可因地制宜發(fā)展旱糧牛馬果及防護林等產(chǎn)業(yè)。

中海拔（>900～1 400 m）地區(qū)水熱條件較好，多以黃壤、黃色石灰土、紫色土和黑色石灰土發(fā)育最為典型，其中發(fā)育程度最差的黑色石灰土所處坡度較其他3種土壤要陡，因此地勢較緩的黃壤和酸性紫色土地區(qū)可發(fā)展茶、馬鈴薯、花生和天麻等喜酸作物，而在地勢較陡的堿性土壤地區(qū)則可規(guī)?；N植辣椒、烤煙、油菜以及油桐等作物，在坡度大于25°、水土流失和石漠化嚴(yán)重地區(qū)則可發(fā)展以生態(tài)保護為主的旅游產(chǎn)業(yè)。

草甸土、黃棕壤、棕色石灰土和棕壤在貴州省土壤總面積中只占了一小部分，且多發(fā)育于貴州省海拔在1 900 m以上的西北地區(qū)，該地區(qū)氣候冷涼，所以產(chǎn)業(yè)升級可向豬牛羊等畜牧業(yè)方向發(fā)展。

貴州作為典型山地省份，在今后土壤資源利用和定向培育中，應(yīng)充分考慮不同海拔與坡度條件下土壤類型的空間分布特征，秉承新發(fā)展理念，結(jié)合貴州省12個農(nóng)業(yè)特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)（茶葉、食用菌、蔬菜、牛羊、特色林業(yè)、水果、生豬、中藥材、刺梨、生態(tài)漁業(yè)、辣椒、生態(tài)家禽），因地制宜合理利用土壤資源，發(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢，形成區(qū)域特色，讓寶貴的土壤資源更好服務(wù)于實際需求。

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