典型巖溶區土壤顏色空間自相關和空間分布研究

尹輝　李暉　蔣忠誠

摘要：基于自定義的土壤顏色量化方法，運用地統計學與GIS技術，將室內布點和實地監測相結合，對果化示范區土壤顏色的空間自相關和空間分布進行了研究。結果表明，果化示范區土壤顏色的空間分布存在正向的全局空間自相關，空間自相關尺度為2200m。土壤顏色的空間樣點呈現出平行線型的空間分布格局，土壤顏色的空間結構在1～2200m區間內為空間集聚，在2200～2800m區間內為空間孤立。示范區棕色土壤廣泛分布，黃棕色和黃褐色土壤僅呈小塊狀的零星分布。

關鍵詞：土壤顏色；空間自相關；空間分布；典型巖溶區

中圖分類號：S152.2+4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）09-2198-04

表層土壤顏色是土壤圈重要的自然屬性之一，常用于辨別和研究不同的土壤類型、不同的土壤性狀和不同的土壤養分特征。相關研究表明，土壤有機質含量與其光譜中可見光的反射特征有一定的相關關系。從某種角度上說，土壤顏色可以反映土壤有機質的空間含量，屬于土壤肥力的重要指標。利用土壤顏色所反映的土壤反射光譜特征來反演和劃分土壤有機質含量，可為相關農業部門提供種植和管理依據。位于中國西南典型巖溶峰叢洼地的果化示范區，石漠化較為嚴重。土壤肥力較低，改善示范區的土壤理化性狀有助于當地石漠化的綜合治理和生態環境恢復，是值得深入開展的科學問題。縱觀典型巖溶峰叢洼地土壤理化指標的相關成果，絕大多數仍處于定性研究層面，半定量和定量研究尚處于起步階段，特別是對于生態較為脆弱、環境可容納能力較低、環境失衡嚴重、農業生產較為落后的典型巖溶地區，土壤指標的空間量化研究非常薄弱，且缺乏從土壤取樣尺度到土壤理化指標空間變異和空間格局的系統量化研究。然而，作為典型巖溶區的土壤重要理化指標之一，土壤顏色空間尺度的定量化分析研究亟待開展。據此，以果化示范區為例，開展典型巖溶區土壤顏色的空間量化研究，探討土壤顏色的空間自相關和空間分異格局，旨在為果化示范區及其他典型巖溶區的土壤養分評估、農業生產和生態重建提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

果化示范區是中國“十五”科技攻關課題“喀斯特峰叢洼地生態重建技術與示范”和“十一五”科技支撐計劃課題“喀斯特峰叢山地脆弱生態系統重建技術研究”的石漠化治理與生態重建示范區，也是立體農業生態模式綜合示范區。果化示范區始建于2001年。位于廣西百色市平果縣果化鎮（圖1），北緯23°22′28.7″-23°23′40.7″，東經107°22′40.8″-107°23′56.9″，屬典型巖溶背景下的峰叢洼地地貌類型。區內降水豐富。但年內分配不均。土壤主要為棕色和黃棕色石灰土，土地利用類型以種植玉米、黃豆的早作坡耕地為主，幾乎不存在牧草地、果園和地表水體，植被類型主要為稀疏林地、灌叢和低矮灌草，絕大多數植物是陽生灌木和草本植物。

1.2 圖件來源與處理

研究區的行政區、地形圖、alos遙感影像等圖件主要來源于中國地質科學院巖溶與石漠化研究室。本研究的前期工作是將行政區劃圖、地形圖導入ArcGIS軟件進行空間參考的賦值和空間坐標的幾何校正，在ENVI軟件平臺下完成遙感影像的遙感預處理，包括空間定標、校正大氣、校正水平和垂直誤差圖件的空間校正，并將融合、裁剪、增強后的影像用于空間樣點的布設，可為實地監測樣點的選取提供依據。

1.3 樣點選取與實地監測

空間樣點選取原則：以果化示范區行政區劃圖為調研路線選擇的依據，同時與前期預處理好的遙感影像相結合，在圖像上進行基于網格的空間布點。并導出各待監測樣點的經緯度。2011年9月，將待調研的樣點坐標導入GPS，將GPS的空間參考與計算機相匹配（本研究選擇投影坐標系下高斯克呂格3°帶36帶的空間投影），完成土壤樣點的空間導航。實地監測時，考慮到土壤空間環境的相似性與差異性，同時兼顧峰叢洼地的地形、交通可達性、人類活動等因素，對部分土壤樣點進行空間調整并記錄實際監測點的空間坐標，最終得到191個有效監測樣點（圖2）。為避免表層土壤枯枝落葉層的干擾，每個樣點均挖取約5cm深度的表層土壤，將對應的空間坐標和顏色屬性共同作為土壤顏色空間格局分析的基礎數據源。

1.4 量化方法

由于土壤顏色指標在GIS的空間屬性庫中屬于文本格式的字段類型，難以進行空間量化研究。考慮到量化的常規性與可行性，將土壤顏色進行空間賦值時要充分考慮到GIS空間屬性庫的數值編碼方式。由于GIS在進行諸如空間重分類、空間可視化、空間分級等操作中。多數將計算結果以自然數“1，2，3…”等形式表示，本研究遵從GIS這一空間賦值原則，將石灰土顏色賦值如下：棕色賦值為1.黃棕色賦值為2.黃褐色賦值為3.各賦值均在ArcGIS平臺的空間屬性庫中統一完成。

1.5 數據處理與分析

主要從果化示范區土壤顏色的空間自相關和空間變異兩方面展開，前者運用Geoda9.2空間自相關軟件完成土壤顏色MoransI指數、空間權重矩陣和空間自相關數值的模擬和計算，并在ArcGIS9.3平臺下完成空間自相關圖件的繪制：后者基于地統計學軟件GS+7.0和ArcGIS 9.3相結合的方法，首先將原始數據導入地統計學軟件GS+7.0，得到土壤顏色的半方差模型參數，然后將各擬合參數記錄下來，輸出土壤顏色的空間變異結果，最后在ArcGIS 9.3平臺下運行地統計學模塊，打開該模塊的參數賦值界面，填入GS+7.0模擬的數值，得到果化示范區土壤顏色的空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 空間自相關格局

2.1.1 全局空間自相關性 由圖3可知，示范區土壤顏色的Morans I指數為正向的空間關聯，表明土壤顏色的空間分布存在正向的全局空間自相關，土壤顏色樣點的高、低值呈現出平行線型的空間分布格局。

圖4表明，間隔距離為1-2200m空間范圍的Morans I指數為正值，表明果化示范區存在土壤顏色的空間集聚效應：間隔距離為2200-2800m空間范圍的MoransI指數為負值，表明果化示范區存在土壤顏色的空間孤立效應。可見，空間集聚和空間孤立的臨界點是2200m，即為果化示范區土壤顏色的空間自相關尺度。

2.1.2 局部空間自相關性 從局部空間自相關研究結果（圖5）可以看出，示范區土壤顏色的空間集聚區分布較為明顯，主要表現為隴堯屯中、西部“高-高”型與龍何耕作區多數區域“低-低”型的空間集聚分布；土壤顏色的空間孤立分布范圍較小，分布形式也較為單一，主要表現在“高一低”型空間孤立區缺失，僅“低-高”型空間孤立區少量分布在“高-高”型空間集聚區周圍或附近。

2.2 空間變異與空間分布

從土壤顏色半方差變異函數的擬合情況來看，球狀模型滿足決定系數R²較大、模型擬合殘差較小的最優標準。據此，選取球狀模型對土壤顏色空間變異進行模型擬合，得到表1所示的果化示范區土壤顏色最優空間變異擬合值和圖6所示的土壤顏色空間插值圖。從表1可以看出，示范區土壤顏色的最小空間變程為843.0m，C⁰/S小于25%，表明土壤顏色的空間結構特征具有較強的空間自相關性。

從圖7所示的空間插值圖可見，示范區土壤以棕色土分布為主，黃棕色和黃褐色土壤僅呈小塊狀的零星分布。實地調查結果表明，示范區的土壤顏色在總體上以黃、棕、褐3類色澤差異較小的相近色系為主，顏色上的色澤差異主要與當地的土地利用類型、人為施肥種類與數量、當地群眾的農業耕作方式及管理措施等的差異密切相關：①作為果化生態重建與石漠化綜合治理核心示范點的龍何屯及其耕作區早在20世紀90年代末就被擬定為典型巖溶區脆弱生態環境的重點科研對象之一，有關專家、學者對果化示范區的生態修復與石漠化治理、土壤監測與空間分析、土地利用與降水調蓄等方面做了大量的科學研究工作。隨著近30年來山地脆弱生態系統的重建與石漠化治理，不論是土地整理、坡改梯，還是大型蓄水水柜（布洋1號泉和布洋2號泉）的修筑、名特優紅心火龍果的引種、有機肥的人為施用等各方面農業措施建設都早于布堯屯和隴堯屯，進而促使龍何屯成為率先打破傳統的坡地、旱地耕種玉米與黃豆的“靠天吃飯”農業生產模式的生態示范性屯落。在土壤人為施用有機肥方面，由于龍何耕作區的西南角龍何上距離龍何屯較近，田間管理較為完善，人為施肥量較大。導致土壤分布有土壤肥力較大的褐色土壤：龍何屯耕作區已大面積種植特色經濟作物火龍果，當地群眾在經濟效益的帶動下，對火龍果種植區耕作與管理的積極性有了顯著提升，確保了該耕作區的土壤肥力：⑦布堯屯屯落面積較小。其耕作區中部地勢相對較低，坡面流失的部分肥沃土壤匯集于此，各類灌草長勢較好：而耕作區西南角的中心地帶地勢較其南部及北端略高，受坡面表層沖刷作用的影響，該中心地帶的表層肥沃土壤多流失至其南翼，部分到達其北端，從而導致該區域的土壤顏色在感觀上呈現出條帶狀差異；③隴堯屯土壤呈黃棕色的區域正好位于隴堯屯屯落內部及其周圍地帶，實地調查發現，該屯落的主要農作物集中種植在屯落耕作區的東南部，僅有少量種植在屯落內部及其周圍。屯落內部除少量地塊種植蔬菜、大豆、甘蔗等以外，在屯落的中心地帶種植了大量供牛羊食用的牧草。由于牧草的種植并不需要精細的田間管理，加上當地群眾的農業耕作和施肥重心主要放在其東南部的產糧耕作區，致使該屯落中心地帶的土壤有機質含量相對較低，土壤顏色相對較淺。

3 結論

基于土壤顏色的量化原則與方法，運用地統計學與GIS技術。將室內布點和實地監測相結合，對果化示范區土壤顏色的空間自相關和空間分布進行了研究，結論如下。

1）示范區土壤顏色的空間分布存在正向的全局空間自相關，其空間自相關尺度為2200m。示范區土壤顏色的半方差函數模型符合球狀模型，最小空間變程為843.0m。

2）示范區土壤顏色以棕色廣泛分布，黃棕色和黃褐色土壤僅呈小塊狀的零星分布。實地調查結果表明，示范區的土壤顏色在總體上以黃、棕、褐3類色澤差異較小的相近色系為主，顏色上的色澤差異主要與當地的土地利用類型，人為施肥種類與數量、當地群眾的農業耕作方式及管理措施等的差異密切相關。