河南省多級地貌特征及與土壤多樣性的關系①

任圓圓，張學雷

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河南省多級地貌特征及與土壤多樣性的關系①

任圓圓1,2，張學雷1*

(1 鄭州大學水利與環境學院，自然資源與生態環境研究所，鄭州 450001；2 鄭州輕工業學院社會發展研究中心，鄭州 450002)

從土壤多樣性向地多樣性發展符合土壤地理學的研究趨勢，選擇河南省作為研究區，將地貌這一主要的地學要素加入到土壤多樣性的研究中，并用改進的仙農熵公式對多級地貌空間分布多樣性及其與土壤多樣性的相關性進行探討。首先，對河南省1︰175萬地貌類型圖進行矢量化得到地貌類型等級系統；然后，對地貌和土壤的構成組分多樣性和2種不同分類體系的分支率進行計算并分析其特征；最后，在3 km×3 km網格尺度下分析地貌和土壤多樣性間的相關性。研究表明：河南省共有3個一級地貌，12個二級地貌和37個三級地貌；隨著土壤和地貌分類的等級細化，其分類個數和構成組分多樣性值均呈上升趨勢，即土壤和地貌所有分類單元在數量構成上的均勻程度越來越高；兩種分類系統中，土壤分類較地貌分類有更詳細的分類體系，且分支率有較大范圍的變化；河南省一級地貌、二級地貌和三級地貌的空間分布多樣性值和面積值均最大的類型分別是流水地貌、沖積平原和泛濫平坦地，是不同級別的優勢地貌類型；一級地貌類型與土類、亞類和土屬多樣性間存在緊密的相關關系，且以流水地貌與土壤多樣性間的相關性最強。

地貌；土壤多樣性；河南省；仙農熵；關聯性

在自然景觀中，多樣性分析能夠獨立地或是關聯性地應用到其中的所有要素，并作為一種數學工具去表達其空間分布模式[1]。土壤多樣性自20世紀90年代初期由西班牙學者Ibá?ez等[2-3]提出發展至今其研究已經成為21世紀以來土壤地理學較為前沿的研究內容之一[4-7]。土壤多樣性的研究趨勢正在從單一的土壤要素向影響土壤發生和演變的其他地學要素(土地利用、地形、水體、母質和植被等)擴展[8-12]。2016年德國斯普林格(Springer-Verlag)國際出版社新出專著《地土壤學(Geopedology)》[8-12]提出的地-土壤學的方法使得這一重要方向的研究向前邁進了一步。地形地貌作為主要的地學要素，是土壤五大主要成土因素綜合作用中的重要一環，其主要通過母質接受光、熱條件的差異及降水和水分在地表的重新分配，從而在成土過程中產生重要影響[13]。

關于土壤和地貌要素之間的關系，Pavlopoulos等[14]指出可用地貌地圖來研究土壤-地形間的關系；Toomanian等[15]研究了伊朗原始山谷的土壤多樣性和成土作用間的關系；檀滿枝等[16]和張學雷等[17]在不同的研究區以SOTER數據庫為基礎對不同地形上的土壤豐富度指數、土層厚度和土壤容重等指標進行了探索；任圓圓和張學雷[18]以河南省為例總結了土壤多樣性研究的經典算法，并用改進的仙農熵公式這一新的測度方法對不同地形下的土壤空間分布格局進行探索，以期在方法論上得以提升。目前。運用改進的仙農熵公式對多級地貌特征及其與土壤多樣性關系的研究報道甚少。

為此，本文在以上研究的基礎上，獲取河南省多級地貌分類矢量化結果，并用改進的仙農熵公式對地貌空間分布多樣性、土壤和地貌要素的構成組分多樣性、分支率及二者間的相關性進行分析，以期用新的視角探索地貌和土壤要素多樣性間的關聯程度，并為土壤多樣性向地多樣性的研究趨勢打下基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

河南省位于黃河中下游，介于110°21′ ~ 116°39′E，31°23′ ~ 36°22′N，是我國中原腹地的大省，東西長580 km，南北寬530 km，面積有16萬余km2。河南省氣候類型多樣，秦嶺-淮河一線貫穿河南省，該線以北的地區屬于暖溫帶，以南屬于亞熱帶、濕潤-半濕潤氣候。地形總體可以概括為“三山兩盆一平原”，西為黃土高原東側的山地丘陵區，東為黃河、淮河淤積而成的黃淮海平原區。河南省橫跨海河、黃河、淮河、長江四大水系。土壤類型眾多，共計有7個土綱，11個亞綱，17個土類，42個亞類，133個土屬，428個土種[13]。

1.2 數據來源與處理

河南省的土壤數據來自第二次土壤普查全省數字化土壤圖(河南省土肥站)。地貌分類數據來自利用ArcGIS10.0軟件對1︰175萬河南省地貌類型圖的矢量化，該數據源較概略，但尚能基本反映多級地貌單元的空間多樣性分布特征，下一步嘗試獲取更為詳細的數據源。在以上獲取到的地貌分類圖和土壤分類圖的基礎上對兩個要素的多樣性特征及相關性進行分析，具體步驟如下：①計算河南省地貌構成組分多樣性(一級、二級和三級地貌)、土壤構成組分多樣性(土類、亞類和土屬)和兩種分類系統下的分支率并研究其特征；②探索3 km × 3 km網格尺度下河南省的地貌空間分布多樣性和土壤空間分布多樣性特征；③分別計算一級地貌與土類、亞類和土屬間公共斑塊的空間分布多樣性以便分析兩要素間的相關關系。

1.3 研究方法

1.3.1 改進的仙農熵公式 為更好地評價研究對象的空間分布離散性，使用改進的仙農熵公式：

式中：和p定義為：①表土壤/地貌構成組分多樣性時：為土壤/地貌個數，p為第個土壤/地貌占該土壤/地貌總面積的比例。在這里，多樣性指數Y[19]表示在研究區內所有分類單元在數量構成上的均勻程度，這時Y形同Pielou均勻度指數[20]。②表土壤/地貌空間分布多樣性時：為空間網格的數目，p為第個空間網格里某個土壤/地貌面積占該土壤/地貌總面積的比例，多樣性指數Y為在研究區內土壤/地貌空間分布的多樣性特征，用來描述土壤/地貌分布的離散性程度和多樣性格局。多樣性指數Y取值區間為[0, 1]，當研究對象的相對豐度分布極度不均勻，即當一個或者少數幾個對象占支配地位時，Y取值趨于0；當每個對象都均勻分布時，Y取值等于1。

1.3.2 關聯分析法 為確定地貌和土壤多樣性之間的相關關系，使用以下關聯系數：

式中：A和B分別表示地貌類型和土壤類型(土類、亞類、土屬級別)，(A,B)[21]表示地貌類型A和每類土壤類型B之間的關聯系數，Y(A)和Y(B)分別表示地貌和土壤的空間分布多樣性指數，應用式(1)進行計算，Y(A,B)表示地貌類型A和土壤類型B公共斑塊的空間分布多樣性。具體計算公式如下：

式中：(i,j)為聯合分布概率，表示第個空間網格里地貌類型A和第個空間網格里土壤類型B同時包含時的面積比。(A,B)的取值范圍為[0, 1]，該關聯系數反映了地貌和土壤之間在空間分布上的相關性，定量地描述了研究區域內地貌和土壤這兩個要素在空間分布上相互疊置的程度。隨著該系數值的增加，兩個要素相互重疊的部分增多，關聯性增加。

2 結果與分析

2.1 地貌分類結果

河南省地貌分類等級情況見表1，一級地貌有3個，二級地貌有12個，三級地貌有37個。且流水地貌內包含6個二級地貌、23個三級地貌，黃土地貌內包含3個二級地貌、7個三級地貌，巖溶地貌內包含3個二級地貌、7個三級地貌。

河南省的地貌類型分布情況見圖1，由該圖可知：一級地貌類型中以流水地貌為主，且在河南省內幾乎均有分布；巖溶地貌主要集中分布在西北部和西南部；黃土地貌主要分布在西部。二級地貌分布狀況以沖積平原為主，主要分布在中東部；侵蝕剝蝕中山集中分布在西部；洪積平原主要分布在西南部，北部也有少許分布；侵蝕剝蝕低山從東南部延伸到中西部。三級地貌分布中泛濫平坦地有較多分布，低緩平原集中分布在東南部，河谷平原主要分布在南陽盆地和黃河西段的南北部。

表1 河南省地貌類型等級系統

2.2 土壤類型及空間分布

河南省土類、亞類和土屬圖見圖2，其中土類15個，亞類39個，土屬138個，空間分布特征大致為：土類級別以潮土、褐土和黃褐土為主，分別集中分布在河南省的東部、西部和南部。此外，砂姜黑土有兩個主要的分布區域，西南部的分布主要沿條帶狀的潮土形成，這與河流的沖積作用有關，東部偏南的位置也有分布。水稻土主要分布在東南部，位于信陽市境內；亞類級別以分布在東部的潮土、西南部的黃褐土及西部的中性粗骨土和褐土性土為主，砂姜黑土也有較大面積的分布；土屬級別中以潮土、黃沙黃褐土和麻砂質粗骨土為主，分別分布在河南省的東部、中南部和西部。

2.3 地貌、土壤構成組分多樣性和分支率

圖3是河南省地貌和土壤分類的構成組分多樣性，由該圖可知：①隨著地貌等級從一級地貌、二級地貌到三級地貌，其分類數量和構成組分多樣性值均處于上升趨勢且變化幅度較大(從0.38到0.81)，這說明隨著不同等級分類變細，地貌從明顯的區域性分布變為趨于均勻分布。②河南省土壤構成組分多樣性隨著分類級別從土類、亞類到土屬，其數量和多樣性值均呈上升趨勢，說明土壤所有分類單元在數量構成上的均勻程度越來越高，且最小值為0.74，這說明河南省土壤分布整體較均勻。③從總體上看，土壤類型的個數整體大于地貌類型的個數，土壤構成組分多樣性值與地貌構成組分多樣性值相比也是如此。

從表2可以看出，兩要素分類系統中土壤的分支率較地貌分支率有較大范圍的變化，分類等級中有更豐富的分支，也有較為單一的分支，且土壤分類較地貌分類有更詳細的分類體系。在地貌分支率中，流水地貌的分支較黃土和巖溶地貌來說較為豐富。

2.4 地貌空間分布多樣性

表3、4和5分別是河南省一級地貌、二級地貌和三級地貌的空間分布多樣性，3個表均按照空間分布多樣性值由大到小排序。

由表3可知：河南省一級地貌分類中的優勢地貌是流水地貌，其空間分布多樣性值、面積值和圖斑個數均最大，且空間分布離散性值高達0.99，這說明其空間分布極為均勻，從圖1也可以直觀看出。其次，地貌空間分布多樣性值次高的是黃土地貌，其面積和多樣性值與流水地貌相比差距較大，分布在西部。此外，黃土地貌和巖溶地貌在面積總量上有一定差別，但二者的空間分布離散性值較為接近。

圖1 河南省一級、二級和三級地貌圖

由表4知：沖積平原的空間分布離散性值最高(0.94)、面積最大(85 269.11 km2)，且圖斑個數最多，是二級地貌分類中的優勢地貌；12個二級地貌中多樣性值由大到小排序后前6個類型均屬于流水地貌，這也在一定程度上說明了流水地貌與各自然要素有著更多的發生學影響與聯系；黃土覆蓋的中山其空間分布離散性最低(0.45)，且面積最小(630.79 km2)，是二級地貌分類中的稀有地貌類型。

由表5可以看出：泛濫平坦地(所屬二級地貌為沖積平原)空間分布離散性值最高(0.86)，面積最大(35 665.91 km2)，是三級地貌分類中的優勢地貌類型；巖溶地貌中的中起伏中山(所屬二級地貌是溶蝕侵蝕中山)多樣性值最低(0.26)，且面積最小(84.97 km2)，是該分類中的稀有地貌類型；37個二級地貌中多樣性值由大到小排序后前12個類型均屬于流水地貌。

綜上，流水地貌分布占主導優勢，該地貌類型對于土壤的發育和形成有一定程度的影響。

圖2 河南省土類、亞類和土屬圖

圖3 河南省地貌和土壤分類構成組分多樣性

表2 河南省土壤和地貌分類的分支率

注：分支率BR=N/N+1，1表示土屬或三級地貌，2表示亞類或二級地貌；3表示土類或一級地貌；4表示整個土壤/地貌系統分類。

表3 河南省一級地貌空間分布多樣性

2.5 地貌和土壤空間分布多樣性的關聯性

利用式(3)和 (4)分別計算地貌和土壤的空間分布多樣性，利用式(5)計算一級地貌和土類、亞類和土屬公共斑塊的空間分布多樣性，并用式(2)對二者的關聯系數進行計算(表6和表7)，探索地貌和土壤在空間分布上的交互關系。關聯系數越大說明地貌和土壤之間的關系越復雜，在空間上的重疊程度越高，反之越低。

表4 河南省二級地貌空間分布多樣性

表5 河南省三級地貌空間分布多樣性

表6 不同土類與一級地貌分類的相關系數

從表6可以看出：①所有土類與流水地貌均相關，且有93% 的關聯系數大于0.6，這說明二者發生關系復雜且有緊密聯系。其中，相關性最強的是潮土(0.95)，表明流水地貌更適宜潮土的發育；相關性最弱的是鹽土(0.40)，但鹽土僅分布在流水地貌上，黃土地貌和巖溶地貌上均無該土類。此外，堿土(0.57)和水稻土(0.87)也是僅分布在流水地貌上的土壤類型，與一級地貌中的其他類型不相關。②15個土類中與黃土地貌、巖溶地貌相關的類型均有11個，相關性最強的分別是褐土(0.91)和石質土(0.86)，相關性最弱的分別是新積土(0.14)和新積土(0.17)。③除水稻土、鹽土、堿土、風砂土和黃褐土外，其他土類與一級地貌、二級地貌和三級地貌均相關，且70% 的土類與流水地貌的相關性最強。

考慮到亞類與一級地貌和土屬與一級地貌的相關系數計算數據量大、表格內容過多，故對其相關系數的情況進行整理與歸納，結果見表7。由表7可知：39個亞類與不同一級地貌分類的相關性中，流水地貌與所有亞類均相關，且相關系數在0.5 ~ 0.8之間的居多，占總相關系數的74%；56% 的亞類與黃土地貌相關，且在所有相關的系數中，其值在0 ~ 0.5之間的居多；62% 的亞類與巖溶地貌相關。138個土屬與不同的一級地貌分類中，99% 的土屬與流水地貌相關，且相關性值在0.5 ~ 0.8之間的居多；45% 土屬與黃土地貌相關，相關性值多在0 ~ 0.5之間；49% 的土屬與巖溶地貌相關。

表7 不同亞類、土屬與一級地貌分類間的相關性

注：表中括號內數據為相關系數。

綜合分析表6和表7可知：①與黃土地貌相關性最強的土類、亞類和土屬分別是褐土、石灰性褐土和紅土性土，相關性最弱的分別是新積土、脫潮土和固定草甸風砂土。在暖溫帶半濕潤的山地和丘陵地區，干、濕、冷、暖交替的氣候條件為褐土形成中土體物質的分解及上下運行提供了條件。由于褐土發育的地貌和母質母巖較為復雜，在黃土質低山、洪積扇的中上部和丘陵的塬頭分布有碳酸鹽褐土又稱石灰性褐土。石灰性褐土上層為黃色，下層為紅色，若受外力作用影響后紅色物質裸露在外則形成紅土性土。相關性較弱的土壤類型在黃土地貌上有零星分布。②與流水地貌相關性最強的土類、亞類和土屬分別是潮土、潮土和兩合土，相關性最弱的分別是鹽土、草甸鹽土和鈣質褐土。潮土和兩合土主要發育在河流沉積母質上，河南省分布有黃河、淮河和衛河等河流，該沖積區域內沉積物質深厚，地下水位埋深在3 m左右，地勢開闊平坦，比降小，在暖溫帶和亞熱帶半濕潤生物氣候條件下，受區域性水文地質、成土母質、人類開墾和耕作等因素綜合作用而形成的。但同時潮土的分布受地貌格局的影響，在大面積的潮土分布區域內，在地勢低洼的較干旱區域，地下水位埋深淺，則可能形成鹽土和堿土，多以斑塊狀或條帶狀間插其中，而鈣質褐土在流水地貌區域內有零星分布。③與巖溶地貌相關性最強的土類、亞類和土屬分別是石質土、鈣質石質土和鈣質石質土，相關性最弱的分別是新積土、堿化潮土和沖積土。石質土是以各種類型的巖石為母巖，進行初期發育的始成土類。由于植被稀少，水土流失嚴重，土體中未有物質的淋溶與沉淀，土層薄，在河南省不同石質山地均可見到。其中，在石灰巖為主的巖石風化母質上形成了鈣質石質土，其土層僅有10 cm左右，含大量的礫石，其下的基巖為石灰巖類，不少面積為裸巖，土體有石灰反應。相關性較弱的土壤類型在巖溶地貌上有零星的分布。

綜上，地貌和土壤空間分布多樣性之間存在緊密的相關關系，且流水地貌與土壤多樣性間的關系最為緊密。

3 結論

河南省有3個一級地貌、12個二級地貌和37個三級地貌類型，土壤類型有15個土類、39個亞類和138個土屬。不同級別的優勢地貌類型分別為流水地貌、沖積平原和泛濫平坦地，其空間分布多樣性和面積值在同等級的分類中均為最大值。隨著地貌和土壤分類等級細化，其分類個數和構成組分多樣性值呈上升趨勢，即所有分類單元在數量構成上的均勻程度越來越高，且兩個分類系統中，與地貌分類系統相比，土壤分類是更詳細的分類體系，且分支率變化范圍較大。

流水地貌與15個土類和39個亞類均相關，相關性最強的土類為潮土，這說明該地貌類型適宜潮土的發育和形成，且99% 的土屬也與流水地貌相關。15個土類中與黃土地貌、巖溶地貌相關的均有11個，相關性最強的分別是褐土(0.91)和石質土(0.86)；亞類中有56%以上的類型與黃土地貌和巖溶地貌相關，且相關系數在0 ~ 0.5之間的居多；45% 以上的土屬與黃土地貌和巖溶地貌相關。

綜上，地貌和土壤多樣性間關系密切，尤以流水地貌與土類、亞類和土屬多樣性之間的相關性最強。

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Multi-class Geomorphic Diversity and Its Relationship with Pedodiversity in Henan Province

REN Yuanyuan1,2, ZHANG Xuelei1*

(1 School of Hydraulic and Environmental Engineering, Institute of Natural Resources and Eco-environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 2 Social Development Research Center of Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China)

The development from pedodiversity to geodiversity conforms to the trend of soil geography research. Henan Province was selected for applying modified Shannon entropy equation to the geomorphic types as the main geological factor added to the soils in the study of diversity. Multi-class geomorphic spatial diversity and its correlation with soil diversity were discussed. Firstly, the 1︰1 750 000 landscape type map was vectorized to get the geomorphic type system of Henan Province. Then, geomorphic and soil composition diversity and bifurcation rations(BR) are calculated for soil and geomorphic classification systems. Lastly, the correlation between geomorphic diversity and pedodiversity at a resolution of 1 km ×1 km is discussed. Results showed that the richness of 1st , 2nd and 3rd level landform are numbered from 3, 12 to 37. As soil and geomorphic classification levels are getting finer and the classification number and form composition diversity values are accordingly on the rise trend. That is to say, soil and geomorphic tyeps are both growing higher either in richness number or diversity values. Soil classification is a more detailed classification system than geomorphic classification system with its larger range change of the bifurcation rations. The largest spatial distribution and area of 1st level landform are water flowing plain , 2nd level landform alluvial and 3rd level landform flood plain, dominating types respectively to the different levels. Between 1st level landform and soil group, soil subgroup and soil family there exists the closest tie while the correlation between landform water flowing plain and diversity of soil group is the strongest.

Geomorphic; Pedodiversity; Henan Province; Shannon entropy; Relationship

國家自然科學基金項目(41571208)資助。

通訊作者(zxlzzu@zzu.edu.cn)

任圓圓(1987—)，女，河南襄城人，博士，主要從事水土資源多樣性的研究。E-mail: ayuan6710@163.com

K903；S151

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.01.020