土壤、土地利用多樣性及其與相關景觀指數的關聯分析

張學雷 ，屈永慧 ，任圓圓 ，趙斐斐

1.鄭州大學水利與環境學院，河南 鄭州450001；2.鄭州大學自然資源與生態環境研究所，河南 鄭州450001

土地利用的變化是短期內人類活動對自然環境資源施加影響的顯著表現形式，土地利用變化研究已成為目前地理學和生態學界研究的熱點之一（劉黎明，2010；白元等，2013；Wu和Ruschmannm，2007）。土地利用方式和強度在一定程度上反映了人類活動對自然生態系統干擾的性質和過程，而土壤作為人類活動賴以生存的物質基礎，也是土地利用格局形成的基礎條件，它在空間上的分布格局將在一定程度上影響土地利用的空間格局及其演變過程（Chen等，2001；曾輝等，2001；Gunilla和Olsson，2000；馬克明和傅伯杰，2000；張學雷和龔子同，2003）。目前更多地從社會、經濟方面探討土地利用格局的演變及其對區域生態環境的影響，而從自然環境方面探討各種背景因子的空間分布與土地利用之間的相互關系的研究相對較少（Filser等，2002；王敏等，2013）。將在生態學領域中應用廣泛的多樣性理論引入到土地利用與土壤空間分布格局的相互關系的研究中，對于探討自然因素(如土壤)在土地利用變化過程中的地位和作用具有重要意義，同時有利于辨識不同景觀地區土地利用變化中自然和人為驅動因子的貢獻和差異。20世紀90年代Ibá?ez等（2009）將多樣性的概念與方法引入到土壤空間變異或空間可變性的研究中，使得定量化描述土壤空間分布格局問題成為可能（Ibá?ez等，2009；Ibá?ez和DeAlba，1999）。此后，土壤多樣性的概念和研究方法逐漸被人所知并被各國的土壤學家所使用。各國學者基于各地數據在不同尺度下進行了土壤多樣性相關研究，美國學者（Yinyan等，2003）對美國全國土壤多樣性進行研究發現，農業化和城市化是導致美國土壤多樣性降低的首要原因。另外，在研究中結合了諸如土地利用方式、嵌套性分析、歸一化植被指數、土壤發育等不同要素（Yabuki等，2009；張學雷等，2003；張學雷等，2008；張學雷等，2004；段金龍和張學雷，2012），段金龍（段金龍等，2013；段金龍和張學雷，2011）等首次將多樣性理論用于評價土地利用類型變化和水體空間分布特征，從而使多樣性在土壤學、地理學（張學雷，2014）和景觀生態學等地學領域的研究視野變得更為開闊。

本研究以河南省中部偏南包括漯河市、平頂山市、許昌市為研究區, 運用土壤多樣性理論和景觀生態學原理, 對土地利用和土壤類型的空間分布格局進行了定量分析與評價。通過探究景觀斑塊基本特征指數與空間分布多樣性指數和構成組分多樣性指數之間的關聯性， 分析了土地利用類型與土壤類型空間分布之間的相互關系，為土地利用方式和土壤類型空間分布格局的研究提供了新的視角。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

本研究選取的研究區位于河南中部偏南（圖1），北緯 31°23'～36°22'，東經 110°21'～116°39'之間，屬于溫熱帶季風氣候，包括漯河市、平頂山市、許昌市。研究區總面積為10517.19 km2。研究區內，少量為山地，其余都是平原；研究區含有 22個土壤亞類、51個土屬，其中潮褐土、褐土、潮土、黃褐土和脫潮土的面積在1000 km2以上，這5種土壤類型的面積占研究區總面積的61.41%。是小麥、棉花、油料、煙葉等農產品的生產基地，同時也是重要的食品生產基地。另外，平頂山市是河南省煤礦的主要產地之一，含有豐富的礦產資源，境內有沙河、汝河、澧河、甘江河等 31條河流，大中型水庫175座，庫容28億m3，年平均降水量在620 mm以上。許昌市北臨萬里黃河，西依伏牛山脈、中岳嵩山，東、南接黃淮海大平原，年平均降水量640.9 mm。漯河市年平均降水量786 mm，境內有沙潁河、沙河、澧河等河流。

1.2 數據源

研究所用遙感數據均為美國地球資源衛星（Landsat）的TM或ETM+的傳感器數據（表1），由于兩景圖像季節相近，研究忽略數據間的時相差異。由于每一時期的兩景圖像季節相近，研究忽略數據間的時相差異。其他相關數據包括比例尺為1:100萬的第二次土壤普查的河南省土壤矢量數據，漯河市、平頂山市、許昌市的行政區劃矢量數據和相關統計資料等。借助ENVI4.5進行影像的波段合成、幾何校正、監督分類并根據Google earth進行目視解譯，利用 ArcGIS10.0進行圖像裁剪和相關屬性統計分析。

1.3 研究方法

1.3.1 多樣性方法

經典的土壤多樣性計算公式，即仙農熵公式如下：

式中，H為仙農指數，為通過計算所得，為被第i個土壤類別個體所覆蓋的面積，N為研究區的總面積（張學雷等，2004）。H表示土壤種類的多樣性分布程度，取值范圍是［0，lnS］，當一個土壤類別占據全部面積時取0，當所有土類均勻分布時取極大值lnS，S表示土壤類別數。

為更好地表征研究對象空間分布的均勻程度和空間離散度，使用如下仙農熵變形公式：

表1 遙感數據年份統計Table 1 Statistics of remote sensing data

式中，S和Yh定義如下：

1)在土壤和土地利用的構成組分多樣性里，S表示研究區土壤亞類的數目或土地利用類型總數目，Pi表示研究區第i個土壤亞類或土地利用類型的相對多度，其中Pi=ni/N（ni為被第i類土地利用類型或亞類所覆蓋的面積，N為研究區總面積）。在此前提下，多樣性指數Yh表示研究區內土壤類型或土地利用在組成分布上的多樣性特征，即所有分類單元在組成分布上的均勻程度。

2）在土壤和土地利用空間分布多樣性里，利用ArcGIS中的空間分布功能，引入空間網格的概念，S表示研究區空間網格的總數目，Pi表示第i個空間網格里某一類土壤亞類（或土地利用類型）的面積占研究區該土壤亞類（或土地利用類型）總面積的比例。多樣性指數Yh表征研究區內某類土壤或土地利用類型在空間分布上的情況，即為研究對象空間分布的多樣性格局問題。

以上兩種情況，多樣性指數Yh的取值區間為[0，1]，在構成組分多樣性里，取值越大，說明研究區的每種土壤類型或土地利用類別分布越均勻。如果趨于0，說明研究區的土壤類型或土地利用類別分布不均衡，即某一類或少數幾類土壤或土地利用類型占據了研究區。在空間分布多樣性里，當單個土壤類型或土地利用類別的相對豐度分布極度不均勻，即對象集中分布在研究區少數幾個網格時，Yh取值趨于0；當對象在研究區網格中均勻分布時，Yh取值等于1。此方法涉及到空間網格的概念，為土地利用變化及土地利用類型的分布提供了空間格局的研究視角。能為決策者對于一個地區的土地利用規劃提供有力的決策支持。

1.3.2 關聯分析的測度方法

為探究多樣性指數與景觀指數之間的關聯性，定義了一種關于兩者之間相關性的關聯系數，其公式為：

式中，A和B分別為多樣性指數和景觀指數，r(A, B)即為兩者之間的關聯系數，其符號與所取值的原始值符號保持一致。其中，rl(A,B)為兩者之間的線性相關系數（Pearson積矩相關系數）；rnl(A,B)為兩者的非線性相關系數，定義如下：

式中，rl(lnA,B)、rl(A, lnB)和rl(lnA, lnB)分別為多樣性的自然對數與景觀指數、多樣性指數與景觀指數的自然對數和多樣性指數的自然對數與景觀指數的自然對數之間的Pearson積矩相關系數，rnl(A,B)的符號與所取值的原始值符號一致。

最后，在P=0.01和P=0.05下進行顯著性檢驗。當|r|>0.8,P<0.01時，為顯著相關關系；當0.7<|r|<0.8,P<0.01時，為明顯變化趨勢關系；當|r|<0.7,P>0.01時，為無相關關系。

1.3.3 常見景觀指數的測度方法

描述斑塊類型水平的常見的景觀指數主要有面積指數（PLAND）、平均斑塊面積（MPS，Mean Patch Area）、景觀分離度（DIVISION，Landscape Division Index）和平均斑塊形狀指數（MSI）等（表2）。

2 結果與分析

2.1 異網格尺度下土壤和土地利用空間分布多樣性特征

本研究引入空間網格的概念，將空間分布多樣性用于評估土壤和土地利用的離散程度。空間分布多樣性的計算步驟是：（1）根據研究區行政邊界，在ArcGIS中生成與研究區相匹配的空間網格，利用ArcMap工具中的Create Fishnet生成研究區1 km×1km、3 km×3 km、5 km×5 km三種網格尺度下的網格圖；（2）將土壤圖或土地利用圖與不同尺度下的網格疊加，可計算出不同網格編號中不同土壤類別或土地利用類型的面積。利用公式（2）計算土壤或土地利用在不同網格尺度下的空間分布多樣性指數（見表 3）。離散性可以評價單一土壤類別在研究區的分布狀態是否連片集中，利用空間網格計算出的空間分布多樣性指數，可以量化研究對象的空間分布離散性（段金龍和張學雷，2011）。所以，面積最大的土壤亞類，潮褐土（1545.646 km2）的空間分布多樣性指數（0.790）也是最高的，說明潮褐土在研究區的空間分布離散性較高，即在研究區呈均勻分布。其次，黃褐土（1271.498 km2，0.732）、褐土（1228.286 km2，0.780）、潮土（1212.895 km2，0.772）的空間分布多樣性指數相對較高，說明其空間分布離散性較高即呈均勻、集中分布趨勢。另外，在三種網格尺度下，土壤空間分布多樣性指數平均值小于0.300的亞類分別是紅粘土、濕潮土、棕壤性土，說明這些土壤類型的空間分布離散性較低，面積指數較小，分布范圍也較小，屬于研究區的稀有土壤。

表2 景觀斑塊基本指數及其生態意義（禹樸家等，2010；陳文波等，2002）Table 2 landscape indices and their ecological meaning of pitch type

表3 土壤空間分布多樣性統計表Table 3 Statistics of soil spatial distribution diversity

表3、4分別統計了在1 km、3 km和5 km網格尺度下土壤亞類和土地利用的空間分布多樣性指數?？梢园l現，在不同網格尺度下土壤和土地利用的空間分布多樣性指數不同，而同一種土壤或土地利用類型在不同網格尺度下具有相似的分異規律，如研究區 22種土壤亞類以及城鎮用地、農用地、自然綠地的空間分布多樣性指數均隨著網格尺度的變大而逐漸減小，但是水域和交通運輸用地的空間分布多樣性指數則隨著網格尺度的變大呈遞減趨勢。從景觀生態學的角度可以解釋上述情況，因為自然綠地和交通運輸用地屬于不同的景觀類型，所以其空間分布規律有差異，網狀景觀（水體、交通運輸用地）空間連接性高，隨著網格尺度的增大，空間離散性也增高，所以空間分布多樣性指數會增大。而基底景觀（農用地）和散布狀景觀（城鎮、自然綠地、土壤亞類），隨著網格尺度的增大，空間離散性降低，所以空間分布多樣性指數會減小。

表4統計了研究區2001年和2007年6種土地利用的空間分布多樣性特征。農用地的空間分布多樣性指數在兩個時期均取最大值，2001年是0.978，2007年是0.977，說明研究區的土地利用方式以農用地為主。說明位于河南省中部偏南以平原為主的研究區的土地多用于農業生產。另外，水域的空間分布多樣性指數2001年為0.799，2007年為0.798，表明研究區的水資源空間分布離散性較高，即分布相對比較均勻，相對豐富的水資源比較有利于農業生產。另外，交通運輸用地的空間分布多樣性指數由2001年的0.873增加到2007年的0.883，表明該研究區交通道路分布比較均勻，而作為城市化進程的主要衡量因子，交通運輸用地分布范圍逐年增加，可以推斷研究區的城市化進程在迅速發展。

從表 2的景觀斑塊基本特征指數計算公式看，對于特定的某一土地利用類型的MPS、DIVISION、MSI指數均與景觀斑塊數量N直接相關；對于斑塊數量的確定，受主觀制圖因素的影響使同時期同地區同一土地利用類型的斑塊數量不同，并且水域和交通運輸用地這種網狀景觀，由于在空間分布上具有連續性而難以判定斑塊數目N。例如，表4中2001年交通運輸用地的斑塊數量為4699，2007年為498；隨著城市化進程逐漸推進，交通運輸用地的分布會越來越廣泛，單純用景觀指數無法解釋研究區土地利用變化的驅動因子。故通過單一景觀指數討論研究區的土地利用變化和空間分布特征顯然是不合適的。利用公式（1）計算的空間分布多樣性指數則與 N無關且能定量反映研究對象空間分布的離散性程度。因而景觀生態學原理與多樣性理論的結合提高了分析土壤和土地利用的空間分布格局的精準性。

表4 土地利用空間分布多樣性指數及景觀斑塊基本特征指數Table 4 Land use spatial distribution diversity and landscape indices

2.2 土壤和土地利用構成組分多樣性的相關性

利用公式（1）和景觀指數計算公式，計算了研究區各縣市的土壤構成組分多樣性以及 2001年和 2007年的土地利用構成組分多樣性和土壤、土地的平均斑塊面積指數（見表5）。構成組分多樣性表征研究區所有分類單元（6種土地利用類型或22種土壤亞類）在組成分布上的均勻程度。對于土地利用構成組分多樣性，2007年的各縣市的土地利用構成組分多樣性普遍高于 2001年，表明研究區各縣市城市化進程均在快速發展，使土地利用類型趨于均勻化；對于同時期的 12個縣市，平頂山市區 和許昌市區的土地利用構成組分多樣性指數均較高，2001年平頂山市為0.764，許昌市為0.591，2007年分別為0.742，0.551。說明這兩個地區城市化程度較高；而2001年的構成組分多樣性比2007年的要高，城市化進程的加快，大量農用地成為建筑用地，使得土地均勻程度降低。從而說明人類活動對土地利用格局的影響較大。

構成組分多樣性表征研究區所有分類單元（6種土地利用類型或 22種土壤亞類）在組成分布上的豐富度即均勻程度。為探索土壤類型空間分布豐富度與土地利用方式之間的關系，圖2中分析了土壤與土地利用之間構成組分多樣性指數、平均斑塊面積指數之間的相關性。圖2(a)和圖2(b)表明，土地利用類型與土壤的構成組分多樣性之間不存在相關性，二者之間的相關系數2001年為：0.090，2007年為：0.057，說明土壤類型均勻分布的地區，土地利用類型不一定會均勻分布。而二者之間的平均斑塊面積指數之間存在明顯的相關性，相關系數2001年為：0.685，2007年為，0.587。說明土地利用類型的豐富多樣性與土壤類型的豐富多樣性無明顯的關系，但土壤斑塊的大小對土地利用斑塊的大小影響較大，土壤類型的空間分布特征在一定程度上將影響土地利用的空間分布格局和變化過程。人類活動改變了土地利用格局，而土地利用格局的變化又會一定程度上改變土壤類別的多樣性，即改變了研究區土壤類型空間分布的豐富度、均勻度，土壤類型的空間分布格局與土地利用類型的變化過程之間是相互影響的。

表5 土壤和土地利用構成組分多樣性統計表Table 5 Statistics of composition distribution diversity of soil and land use

2.3 土壤、土地利用空間分布多樣性指數、景觀指數的關聯性

圖3（a）表明了研究區土壤類型的面積指數與空間分布多樣性指數之間的關系，圖3（b）表示研究區土地利用類型面積指數與空間分布多樣性指數之間的相關關系。土地利用的面積指數與多樣性指數之間沒有明顯的正相關關系，相關系數僅為0.437，表明土地利用空間分布多樣性指數隨著面積指數的增加而沒有明顯的增長趨勢。但對于土壤，面積指數與空間分布多樣性指數之間存在明顯的正相關關系，相關系數高達 0.990，表明土壤類型的面積指數越大，其空間分布多樣性指數越高。

將平均斑塊面積指數與空間分布多樣性指數進行相關性分析，圖3（c）表明土壤的平均斑塊面積指數與空間分布多樣性指數之間存在一定的正相關關系，相關系數為 0.599，即隨著土壤平均斑塊面積的增加，其多樣性指數呈上升趨勢。從圖3(d)可以發現，土地利用空間分布多樣性指數與平均斑塊面積指數之間并不存在正相關關系，即土地的平均斑塊面積大小對其空間分布的離散性沒有明顯影響。

斑塊形狀指數可以反映斑塊形狀的復雜程度，但它主要反映斑塊的狹長程度即偏離正方形或是圓形的程度。斑塊形狀指數越小，斑塊的形狀越規則、簡單，長短軸比值越小，斑塊的幾何形狀越趨近于正方形或圓形，受到人類的干擾較大；相反，斑塊形狀指數越大，斑塊的形狀越復雜，受到的人類的干擾程度較小。圖3（e）的土壤空間分布多樣性指數與平均斑塊形狀指數之間具有一定的正相關關系，相關系數為 0.612，圖 3（f）的土地利用空間分布多樣性指數與平均斑塊形狀指數之間則具有明顯的正相關關系，相關系數高達 0.895。說明人類活動對土地利用格局的干擾程度較強，而對土壤類型的空間分布格局影響相對較小。因為土壤受自然因素的影響顯著，而對土地利用類型來說人為因素的干擾程度比自然因素的影響更強烈。人類活動改變土地利用斑塊的形狀及空間分布離散性比改變土壤類型斑塊的形狀和空間分布格局相對比較容易。

以上研究可以發現，面積指數、平均斑塊面積的大小可直觀反映土壤類型、土地利用類型面積的多少，平均斑塊形狀指數可反映人類行為對土地、土壤的干擾程度。空間分布多樣性則反映了研究區土壤類型、土地利用空間分布的離散性程度，而構成組分多樣性表征研究區所有分類單元（6種土地利用類型或 22種土壤亞類）在組成分布上的豐富度即均勻程度。通過以上多樣性指數與景觀指數的關聯性分析可以發現，土壤類型的空間分布格局與土地利用類型的變化過程之間是相互影響的。土地利用變化多樣性的引入對于評價區域土壤類型的空間分布具有實際意義，為傳統宏觀上的土壤類型的空間分布格局研究、土地利用的規劃提供了新的研究角度和數據補充。

3 結論

土壤作為人類賴以生存的自然資源之一，為人類活動的發展提供了基礎條件，也在一定程度上決定著區域土地利用的空間特征和變化過程。研究土地利用類型的空間格局與土壤類型的空間分布的相互關系，對于探討自然因素(如土壤) 在土地利用中的地位和作用具有重要意義。將多樣性理論與景觀生態學原理應用到土地利用和土壤空間分布格局的評價中，分析了土地利用與土壤空間分布的相關性，得出以下結論:（1）在不同網格尺度下土壤和土地利用的空間分布多樣性指數不同，而同一種土壤或土地利用類型在不同網格尺度下具有相似的分異規律，隨著網格尺度的增大，網狀景觀（水體、交通運輸用地）的空間離散性也增高。而基底景觀（農用地）和散布狀景觀（城鎮、自然綠地、土壤類型），隨著網格尺度的增大，其空間離散性降低。（2）對于土壤類型和土地利用，兩者的構成組分多樣性之間不具有明顯的相關性，而平均斑塊面積則具有一定的相關性，相關系數 2001年是0.685，2007年是0.587，說明土地利用類型的豐富多樣性與土壤類型的豐富多樣性無明顯的關系，但土壤斑塊的大小對土地利用斑塊的大小影響較大，土壤類型的空間分布特征在一定程度上將影響土地利用的空間分布格局和變化過程。（3）土壤類型的面積指數、平均斑塊面積指數與土壤空間分布多樣性之間具有極顯著的相關性, 相關系數分別0.990，0.599。隨著面積指數、平均斑塊面積的增加，空間分布多樣性指數將呈遞增趨勢。而土地利用的面積指數、平均斑塊面積指數與其空間分布多樣性指數之間的相關性較差。土壤的平均斑塊形狀指數與多樣性指數之間存在顯著的正相關關系，相關系數為 0.612；但土地利用的平均斑塊形狀指數與多樣性之間具有極顯著的相關性，相關系數高達0.895。人類活動改變土地利用斑塊的形狀及空間分布離散性比改變土壤類型斑塊的形狀和空間分布格局相對比較容易。

CHEN L D,WANG J , Fu B J , et al.2001.Land use change in a small catchment of northern Loess Plateau, China[J].AgricultureEcosystem and Environment, 86 (2): 163-172.

FILSER J , MEBES K H, WINTER K, et al.2002.Long-term dynamics and interrelationships of soil Collembola and microorganisms in an arable landscape following land use change[J].Geoderma, 105 : 201-221.

GUNILLA E and OLSSON A.2000.Landscape change patterns in mountains, land use and environmental diversity, Mid-Norway 1960～1993[J].Landscape Ecology, 15 (2): 155-170.

IBá?EZ J J, ARNOLD R W, AHRENS R J.2009.The fractal mind of pedologists(soil taxonomists and soil surveyors) [J].Ecological complexity, 6(3):286-293.

IBá?EZ J J, DEALBA S.1999.On the concept of pedodiversity and its measurement.A reply[J].Geoderma, 93:339-344.

WU N, RUSCHMANNM M.2007.Loop closure for enhanced win percentage in an air operation[C].Proc of the American Control Conference,1097-1102.

YABUKI T, MATSUMURA Y, NAKATANI Y.Evaluation of pedodiversity and land use diversity in terms of the Shannon entropy[DB/OL].[2009-05-19] http://cdsweb.cern.ch/record/1178038.

YINYAN GUO, PENG GONG, RONALD AMUNDSON.2003.Pedodiversity and land use in the United States[J].Geoderma,117(1-2): 99-115.

白元,徐海量,劉新華,等.2013.塔里木河干流耕地動態變化及其景觀格局[J].土壤學報, 03: 492-500.

曾輝,孔寧寧,李書娟.2001.臥龍自然保護區人為活動對景觀結構的影響[J].生態學報, 21(12): 1994-2001.

陳文波,肖篤寧,李秀珍.2002.景觀指數分類、應用及構建研究[J].應用生態學報, 01: 121-125.

段金龍,屈永慧,張學雷.2013.地表水空間分布與土壤類別多樣性關聯分析[J].農業機械學報, 06:110-116.

段金龍,張學雷.2011.基于仙農熵的土壤多樣性和土地利用多樣性關聯評價[J].土壤學報, 48(5):893-903.

段金龍, 張學雷.2012.區域地表水體、歸一化植被指數與熱環境多樣性格局的關聯分析[J].應用生態學報, 10: 2812-2820.

劉黎明.2010.土地資源學[M].中國農業大學出版社, 290-292.

馬克明,傅伯杰.2000.北京東靈山地區的景觀格局及其破碎化評價[J].植物生態學報, 24(3): 320-326.

王敏,孟浩,白楊,等.2013.上海市土地利用空間格局與地表溫度關系研究[J].生態環境學報, 02: 343-350.

禹樸家,徐海量,喬木,等.2010.瑪納斯河流域土壤類型空間分布格局分析[J].土壤學報, 06: 1050-1059.

張學雷,陳杰,龔子同.2004.土壤多樣性理論在歐美的實踐及在我國土壤景觀研究中的應用前景[J].生態學報, 05:1063-1072.

張學雷,陳杰,檀滿枝,龔子同.2003.土壤多樣性理論方法的新近發展與應用[J].地球科學進展, 03:374-379.

張學雷, 龔子同.2003.人為誘導下中國的土壤退化問題[J].生態環境,03: 317-321.

張學雷,王輝,張薇,等.2008.土壤系統分類與生物系統分類體系中的多樣性特征對比分析[J].土壤學報, 01:1-8.

張學雷.2014.土壤多樣性：土壤地理學研究的契機[J].土壤, 46（1）:1-6.