張亮亮，齊雁冰，劉姣姣，陳 洋，秦倩如，于曉杰

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100)

多樣性是表征生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜程度的基本指征[1]，20世紀(jì)90年代西班牙學(xué)者Ibanez將多樣性概念引入到土壤學(xué)的研究之中，從而在傳統(tǒng)土壤學(xué)研究中提出了一個(gè)全新的土壤多樣性的概念，并就此提出一個(gè)新詞“Pedodiversity”用于表示土壤多樣性[2-4]，而后不斷引起不同國(guó)家土壤地理學(xué)者的研究興趣，先后有西班牙、中國(guó)、美國(guó)、意大利等國(guó)家將注意力聚焦到該研究領(lǐng)域。Ibanez等[5]通過(guò)研究實(shí)踐證實(shí)了多樣性計(jì)量方法用于土壤空間變異和分布格局分析的可能性。Toomanian等[6]對(duì)伊朗的土壤多樣性和成土因素進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)通過(guò)仙農(nóng)熵定量評(píng)價(jià)土壤和土壤景觀演化具有良好效果。21世紀(jì)初，以張學(xué)雷為代表的我國(guó)土壤學(xué)家首次引入多樣性概念與方法[7-9]，并在河南、山東、江蘇和海南島等地區(qū)展開(kāi)一系列相關(guān)研究[10-14]。

土地利用程度反映了人類活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的影響，而土壤是土地利用中最主要的利用對(duì)象，土地利用方式的改變影響著土壤多樣性的格局，土壤的空間及結(jié)構(gòu)均勻狀況直接決定著土地利用的方向和程度，因此二者關(guān)系密切[15-18]。隨著人類利用土地強(qiáng)度的逐漸提高，土壤資源退化成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，學(xué)者們開(kāi)始著手研究土地利用對(duì)土壤多樣性的影響，但大多研究?jī)H停留在現(xiàn)象觀察與理論指導(dǎo)上，缺乏對(duì)土壤多樣性變化特征及其影響因子的深入研究。美國(guó)學(xué)者首次進(jìn)行了土地利用對(duì)土壤多樣性影響的初步定量化研究，其研究結(jié)果為后來(lái)者提供了思路[19-20]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者開(kāi)始深入地將土壤分布與土地利用、水資源分布等其他自然資源相結(jié)合以進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析研究[21-24]，進(jìn)一步拓展了土壤多樣性研究的應(yīng)用范圍。

土壤在生態(tài)系統(tǒng)中扮演著相當(dāng)重要的角色[25]，土壤類型與土地利用方式兩者的空間分布關(guān)系密切。本研究以陜西省西安市為例，借助張學(xué)雷等[8]提出的仙農(nóng)熵變形公式以及關(guān)聯(lián)系數(shù)，以土屬作為基本單元，計(jì)算和分析不同地形分級(jí)的土壤多樣性指數(shù)，異網(wǎng)格尺度下土壤與土地利用構(gòu)成組分及分布多樣性指數(shù)以及典型土壤與不同時(shí)期土地利用空間分布的關(guān)聯(lián)系數(shù)，對(duì)關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行定性定量化描述，以為研究區(qū)土地利用和土壤多樣性保護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

西安是陜西省省會(huì)，位于黃河流域中部的關(guān)中平原，地理坐標(biāo) 107°40′～109°49′ E 和 33°39′～34°45′N。北部為沖積平原，南部為剝蝕山地，地形特征復(fù)雜，是我國(guó)中西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)、政治、文化發(fā)展的核心城市之一。將其下轄的10區(qū)3縣(包括碑林區(qū)、灞橋區(qū)、長(zhǎng)安區(qū)、未央?yún)^(qū)、新城區(qū)、蓮湖區(qū)、雁塔區(qū)、閻良區(qū)、臨潼區(qū)、高陵區(qū)，戶縣、周至縣、藍(lán)田縣)作為研究區(qū)域(圖1)。研究區(qū)土地總面積10 108 km2。由于研究區(qū)土壤的成土母質(zhì)類型復(fù)雜，植被種類眾多，河流縱橫交錯(cuò)，地下水位相差懸殊，人類活動(dòng)影響程度不一，因而土壤構(gòu)成紛繁復(fù)雜。土壤大致可分為褐土、土、潮土、水稻土、黃綿土、紅黏土、新積土、紫色土、棕壤、暗棕壤、沼澤土和亞高山草甸土等12個(gè)土類，24個(gè)土壤亞類，51個(gè)土屬。

圖1 研究區(qū)位置Fig. 1 Location of study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

研究數(shù)據(jù)主要包括1995年、2005年和2010年西安市土地利用數(shù)據(jù)集、我國(guó)第二次土壤普查的西安市土壤矢量數(shù)據(jù)，由美國(guó) NASA提供的 ASTER GDEM V2西安市30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)以及西安市縣級(jí)行政區(qū)劃圖和西安市統(tǒng)計(jì)年鑒等資料。

數(shù)據(jù)處理內(nèi)容主要包括 DEM 分級(jí)處理，通過(guò)ArcGIS軟件重分類工具將 DEM數(shù)據(jù)按不同海拔高度劃分為4個(gè)等級(jí)；并在ArcGIS中將裁剪的土地利用數(shù)據(jù)以及重分類的DEM數(shù)據(jù)分別與土壤類型矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析操作，對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析研究。

1.3 研究方法

在不同地形分級(jí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算土壤多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù)3個(gè)測(cè)度指標(biāo)，對(duì)土壤多樣性進(jìn)行分析[26]，并利用段金龍等[27]提出的仙農(nóng)熵變形公式以及關(guān)聯(lián)系數(shù)，結(jié)合空間網(wǎng)格概念說(shuō)明城鎮(zhèn)化過(guò)程中兩者間的交互關(guān)系。

1.3.1 多樣性測(cè)度方法 土壤多樣性的經(jīng)典公式，即仙農(nóng)熵公式如下：

為更好地評(píng)價(jià)對(duì)象的空間離散性，借助如下仙農(nóng)熵變形公式：

1.3.2 關(guān)聯(lián)分析測(cè)度方法 為探究土壤空間分布和土地利用空間分布之間的相互關(guān)系，借助關(guān)聯(lián)系數(shù)，公式如下[28]:

以上3個(gè)公式中字符定義均與段金龍等[27]相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔高度土壤多樣性特征

地形地貌在土壤的形成發(fā)育過(guò)程中扮演著相當(dāng)重要的角色，而高程所表征的地形變化最為明顯，因此選用高程這一地形因子，借助公式(1)對(duì)不同海拔高度上發(fā)育的土壤多樣性分別進(jìn)行研究，將西安市DEM 劃分為 D1(200～400 m)、D2(400～600 m)、D3(600～1 000 m)和 D4(＞1 000 m)4 個(gè)等級(jí)。

表1 不同地貌上發(fā)育土壤的豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)Table 1 Indices of soil richness, diversity and evenness in different elevations

由表1可知，西安市僅有11.5% 的土壤分布在400 m以下，而且海拔在1 000 m以上的土壤占達(dá)28.6%。在4種不同海拔區(qū)內(nèi)土壤多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)呈現(xiàn)出明顯的垂直分布規(guī)律，豐富度指數(shù)隨著海拔高度的升高而提高，而均勻度指數(shù)和多樣性指數(shù)則表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，這是由研究區(qū)所處位置決定的。西安市南毗鄰北秦嶺主脊與關(guān)中平原形成鮮明界線，而占西安市土壤面積比重最大的兩個(gè)土類分別是褐土和棕壤，棕壤占全市土壤面積比例達(dá)到32.17%，主要分布在秦嶺山地海拔1 000 m以上地帶，褐土則主要分布于海拔1 000 m以下的秦嶺低山、驪山及山麓洪積扇頂部，占全市土壤面積的16.18%，這一點(diǎn)與我國(guó)中、東部地區(qū)土壤與地形關(guān)系的研究結(jié)果有一定差異，原因就在于后者相對(duì)高差較小，海拔引起的土壤類型差異不顯著。

2.2 土壤和土地利用多樣性分析

2.2.1 土壤和土地利用構(gòu)成組分多樣性 西安土壤總計(jì)有51個(gè)土屬，6個(gè)土地利用類型。由圖2可以看出，研究區(qū)土壤構(gòu)成組分多樣性指數(shù)為0.78，表明西安市非某一種土壤類型占據(jù)主導(dǎo)地位，而是土壤分布相對(duì)均勻，混亂程度高，面積占比最高的麻骨石棕壤性土土屬也僅占15.8%。1995年、2005年和2010年土地利用構(gòu)成組分多樣性值分別為0.727、0.738和0.746，而處于我國(guó)中東部的南京市及鄭州市的土地利用構(gòu)成組分多樣性指數(shù)均在0.5以下[18,23]，西安市土地利用均勻度明顯高于這兩個(gè)城市，其原因可能是西安市土地利用沒(méi)有南京市及鄭州市緊張，且西安市農(nóng)用地、林業(yè)用地及草地所占比例相對(duì)均勻。1995—2005年西安市土地利用構(gòu)成多樣性指數(shù)僅增加0.011，表明10年間西安市土地利用構(gòu)成的混亂程度提高不明顯；而 2005—2010年的5年間這一指數(shù)增長(zhǎng)了0.008。結(jié)合近15年西安市發(fā)展實(shí)際，盡管由于耕地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)建設(shè)用地等其他用地類型，導(dǎo)致城鎮(zhèn)建設(shè)用地混亂程度增大，但1995—2005年間農(nóng)用地減少及建設(shè)用地增加的幅度非常小，而2005年后西安市城市化進(jìn)程有所加速。

圖2 西安市土壤和土地利用組分多樣性Fig. 2 Composition diversities of soils and land use types in Xi’an

2.2.2 土壤和土地利用空間分布多樣性 在對(duì)空間分布多樣性的研究中，網(wǎng)格尺度大小在一定程度上影響空間分布整體格局。為了更加準(zhǔn)確地分析空間分布多樣性，引入段金龍等[29]采用的空間網(wǎng)格理論，選擇5 km×5 km、3 km×3 km和1 km×1 km 3種尺度空間網(wǎng)格分別計(jì)算土壤和土地利用的空間分布多樣性，結(jié)果顯示，所有的土壤類型和土地利用類型均呈現(xiàn)出隨著網(wǎng)格密度的減小多樣性指數(shù)提高的規(guī)律，因此本文僅取3個(gè)網(wǎng)格密度的平均值來(lái)開(kāi)展多樣性分析(表2)。

表2 西安市土壤空間分布多樣性統(tǒng)計(jì)Table 2 Spatial distribution diversities of soils in Xi’an City

從表2可看出，西安市的51個(gè)土屬的土壤多樣性差異顯著，多樣性最低的僅為 0.023(黃綿土)，最高的為 0.793(麻骨石棕壤性土)，這與各土壤類型的分布面積相關(guān)。黃綿土在研究區(qū)僅有小面積集中分布，因此均勻性最低，而麻骨石棕壤性土面積達(dá)到1631.09 km2，分布相對(duì)更加分散，因此均勻性較高。研究區(qū)內(nèi)空間分布多樣性指數(shù)小于 0.20的土屬有 8類，分別為黃綿土、石灰性紫色土、青石泥棕壤性土、腐泥沼澤土、扁砂泥黃棕壤、扁砂泥白漿化棕壤、青石泥褐土性土，這些土屬是分布范圍極小的稀有土壤。單個(gè)土屬面積大于500 km2的有6類，分別為麻骨石棕壤性土(1 631.09 km2)、中性粗骨土(973.76 km2)、黃墡土(880.61 km2)、麻骨石褐土性土(623.08 km2)、潮土(606.27 km2)、油土(603.66 km2)，其土壤空間分布多樣性均在0.65以上，在空間分布相對(duì)均勻。

由表3可以看出，西安市除未利用地由于面積較小且集中分布引起空間分布多樣性較小外，其他土地利用均具有較高的空間分布多樣性，最低的水域空間分布多樣性值也達(dá)到 0.702，最高的農(nóng)用地達(dá)到0.927，表明西安市土地利用在空間上分布相對(duì)均勻。1995—2010年，農(nóng)用地面積持續(xù)減少了185.119 km2，建設(shè)用地持續(xù)增加193.677 km2，且2005—2010年農(nóng)用地減少和建設(shè)用地增加的幅度高于 1995—2005年，表明隨著時(shí)間推進(jìn)變化率越來(lái)越快，而多樣性指數(shù)均呈現(xiàn)小幅度降低的趨勢(shì)。農(nóng)用地面積減少多樣性指數(shù)也降低，主要是因?yàn)闇p少的農(nóng)用地主要是較為分散的零星小塊耕地，城鎮(zhèn)建設(shè)用地增加而多樣性降低的原因是城鎮(zhèn)帶動(dòng)式的連續(xù)發(fā)展，從而使均勻性降低。其他土地利用類型的面積及多樣性指數(shù)變化幅度也均非常小。

表3 西安市土地利用空間分布多樣性統(tǒng)計(jì)Table 3 Spatial distribution diversities of land use types in Xi’an City

2.3 典型土壤與土地利用空間分布的關(guān)聯(lián)性

在悠久的農(nóng)耕歷史背景下，人類的活動(dòng)對(duì)土壤形成發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響，在兼受自然和人為因素雙重影響下，經(jīng)人工培育而成的農(nóng)業(yè)土壤在研究區(qū)分布廣泛，以 塿土、潮土、水稻土等在褐土或黃土基礎(chǔ)上，經(jīng)自然淋溶黏化作用和幾千年耕種熟化后形成的農(nóng)業(yè)土壤為主。為探究土壤類型與土地利用之間的關(guān)聯(lián)程度，選取研究區(qū)農(nóng)業(yè)土壤 塿土、黃綿土以及用作林草地的棕壤和褐土4個(gè)土壤類型，分別選取其包含土屬中分布最為廣泛，即空間分布多樣性指數(shù)值最大的土屬類型油土(0.686)、黃墡土(0.779)、麻骨石棕壤性土(0.793)和麻骨石褐土性土(0.658)作為典型土壤類型，分別與兩個(gè)時(shí)期 6種土地利用類型進(jìn)行疊加分析，統(tǒng)計(jì)兩者間公共斑塊面積(表4)，并通過(guò)公式(2)計(jì)算出西安市4種典型土壤與土地利用在3種網(wǎng)格尺度下的關(guān)聯(lián)系數(shù)(表5)。

表4 西安市典型土壤的土地利用類型面積變化(km2)Table 4 Changes of areas of land use types under different typical soil types in Xi’an

由表4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，與油土和黃 墡土公共面積最大的兩種土地利用類型是農(nóng)用地和城鎮(zhèn)建筑用地，同時(shí)隨著研究時(shí)期的推進(jìn)，農(nóng)用地與兩種土壤類型的公共面積總體呈減小趨勢(shì)，而城鎮(zhèn)建筑用地則有明顯的增加。除這兩種農(nóng)業(yè)土壤外，山地土壤棕壤與各個(gè)土地利用的交叉面積也有一定變化，但隨著國(guó)家政策對(duì)林地的保護(hù)，林地面積有一定程度增加。這也表明，隨著人類活動(dòng)范圍擴(kuò)大以及對(duì)自然資源需求程度的變化，以土壤作為載體的城鎮(zhèn)建筑用地面積將會(huì)繼續(xù)增大，相應(yīng)面積的土壤生產(chǎn)功能將被剝奪。

表 5 西安市典型土壤與土地利用關(guān)聯(lián)系數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 5 Correlation coefficients typical soil types and land use types in Xi’an

由表5數(shù)據(jù)可看出，土壤類型與土地利用空間分布多樣性指數(shù)有一定程度的相似。本文將城鎮(zhèn)建筑用地面積變化作為城鎮(zhèn)化的主要權(quán)衡指標(biāo)，本研究結(jié)果顯示油土和黃墡土作為其主要土壤載體，其關(guān)聯(lián)系數(shù)在兩個(gè)時(shí)間區(qū)段均有一定增加。由此，表明關(guān)聯(lián)系數(shù)這一指標(biāo)同樣反映出隨時(shí)間推進(jìn)研究區(qū)這 4類典型土壤均不同程度向城鎮(zhèn)建筑用地轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致這部分土壤地表長(zhǎng)期封閉，也從側(cè)面反映出城市化發(fā)展會(huì)給土壤空間分布帶來(lái)極大威脅。另外結(jié)合表4、表5數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，兩者公共面積與其關(guān)聯(lián)系數(shù)總體上呈現(xiàn)公共面積增大關(guān)聯(lián)系數(shù)相應(yīng)越大的趨勢(shì)。但也有例外，如黃 墡土與林地的公共面積從 1995—2005年增加了3.795 km2，2005—2010年公共面積又減少了2.656 km2，但是其關(guān)聯(lián)系數(shù)卻持續(xù)小幅度減小0.068。表明典型土壤類型與土地利用的關(guān)聯(lián)程度不單由兩者公共面積決定，還與兩者間的空間斑塊分布、相交部分的空間分布以及網(wǎng)格尺度都有一定關(guān)系。

研究區(qū)典型土壤中有較大部分轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)建筑用地，其關(guān)聯(lián)程度也呈增強(qiáng)趨勢(shì)。這部分土壤經(jīng)轉(zhuǎn)化成為發(fā)揮承載功能的土壤，其中較大部分將不可避免地遭受地表密閉，同時(shí)將徹底喪失其本有的土壤生產(chǎn)能力或生態(tài)功能。另外，與土地利用方式不同，在特定的研究區(qū)域土壤資源的面積和分布區(qū)域是固定的，不會(huì)隨人類活動(dòng)而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)調(diào)整或空間上的轉(zhuǎn)移。因此，在城市規(guī)劃建設(shè)過(guò)程中，要采取有針對(duì)性的改良保護(hù)措施，讓土壤資源可持續(xù)利用也成為核心問(wèn)題之一，最大程度降低人類社會(huì)行為對(duì)土壤資源的不利影響[30]。

3 結(jié)論

以仙農(nóng)熵指數(shù)來(lái)計(jì)算西安市土壤及土地利用的結(jié)構(gòu)及空間分布多樣性及二者之間的關(guān)聯(lián)度，一方面可以對(duì)區(qū)域土壤及土地利用的均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)，另一方面可以了解區(qū)域土地利用對(duì)于土壤的影響，特別是城市的發(fā)展對(duì)于區(qū)域主要及珍貴土壤的占用與保護(hù)程度。受地貌復(fù)雜的影響，西安市土壤類型豐富，分布相對(duì)均勻，土壤和土地利用多樣性較高，在 1995—2010年的15年研究區(qū)間中，西安市整體上城市的擴(kuò)展對(duì)于主要的農(nóng)業(yè)土壤占用量不大，尚未出現(xiàn)重要土壤類型面臨嚴(yán)重威脅的局面，但2005年以后城市化進(jìn)程有所加速，對(duì)重要的農(nóng)業(yè)土壤油土的大量占用，應(yīng)引起重視。

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