河南省土壤及地形與耕地多樣性格局的特征①

李笑瑩，張學雷*，任圓圓

河南省土壤及地形與耕地多樣性格局的特征①

李笑瑩1,2，張學雷1,2*，任圓圓1,2

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

耕地分布受眾多自然因素的影響，土壤、地形與之密切相關。選取河南省作為研究區，利用改進的仙農熵測度法和互熵關聯分析法對河南省地形、土壤與耕地多樣性格局特征進行分析。結果表明：河南省18個地市的地形、土壤的構成組分多樣性與各要素的類別豐富度有關，與面積大小呈弱相關；其中地形、土壤與其豐富度值的相關系數分別為0.79和0.35，而與面積大小的相關系數小于0.1。基于土壤空間分布多樣性指數大小的分級劃分河南省的優勢土類是潮土和褐土，劣勢土類是鹽土和堿土，且不同地市的土壤空間分布多樣性格局有顯著差異，顯示河南省土壤類型的豐富性。土壤及地形要素與耕地多樣性格局的相關性表現為：地形與耕地的空間分布多樣性相關關系除豫南的盆地和豫西丘陵、山地外，整體為平原>丘陵>山地；土壤與耕地的空間分布多樣性之間的關聯度與河南省土壤空間分布多樣性的格局特征具有基本一致性。

河南省；地形；土壤；耕地；多樣性；相關性

土壤多樣性的提出與發展立足于生態學，20 世紀90年代初期，西班牙學者Ibá?ez等運用由生態學家發展而來的數學工具對土壤多樣性理論進行探索與應用，2001年土壤多樣性理論被引入我國[1-5]。目前國內外關于土壤多樣性的研究主要有地形地貌學與土壤多樣性的關系、土壤和景觀的多樣性在空間和時間上的關系、土壤多樣性與土地利用規劃，及分區的問題等方面[6-12]；綜合來看，土壤多樣性研究已經從自身的發展向多地學要素融合，并且展開了相關性分析[13]。本研究從日本Yabuki等[14]關于城市土壤多樣性與土地利用方式多樣性，及孫燕瓷等[15]、郭漩等[16]關于城鎮化發展與土壤多樣性、多地學要素的關聯性的有關研究中受到啟發，基于不同的土地利用方式考慮，選取耕地與土壤及地形要素進行多樣性格局特征關系的分析。耕地既是重要的土地資源也是重要的土地利用方式之一[17]，學術界對耕地有關問題的研究與地學要素息息相關，如翁倩等[18]對土壤水分狀況空間分布特征進行研究，趙明松等[19]、杜佩穎等[20]對耕地表層土壤養分變化特征進行分析，江葉楓等[21]、譚永忠等[22]和李士成等[23]對耕地土壤有機碳空間變異的主控因素及中國耕地面積變化格局進行分析。本研究將耕地的空間分布多樣性與土壤及地形要素的多樣性格局特征相結合，從新的視覺角度探索河南省土壤及地形與耕地多樣性格局的特征及相關關系，以期為耕地的合理利用及農業管理措施提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

河南省地理坐標為31°23′ ~ 36°22′N，110°21′ ~ 116°39′E，地處華北平原南部的黃河中下游地區，東臨山東、安徽，西接陜西，南連湖北，北界河北、山西，總面積為16.7萬km2，依據自然環境的變遷和社會經濟的發展，河南省被劃分為5個區(圖1)。河南省整體屬于溫帶大陸性季風氣候，多數地區處于暖溫帶，南部跨亞熱帶，具有四季分明、日照充足、雨熱同期的氣候特點，降雨以6—8月份最多，全年無霜期201 ~285 d，有利于多種農作物的種植。河南省地勢走向為西高東低，位于北、西、南的太行山、伏牛山、桐柏山和大別山沿省界呈半環形分布，中、東部為黃淮海沖積平原，境內有平原、丘陵、山地、盆地4種地形分布，且盆地主要分布在西南部。河南省土類豐富，主要有褐土、潮土、棕壤、黃褐土等15種類型，因氣候、地形等因素的影響其分布位置有顯著差異，如潮土主要在河谷平原與山間谷地；褐土主要在豫西、豫北的低山、丘陵地區；典型稀缺土壤鹽土和堿土主要在黃河兩岸的現背河洼地和古背河洼地。

1.2 數據來源與處理

研究中的遙感數據為美國地球資源衛星(Landsat 8)的OLI影像，河南省域范圍內的18個地市遙感數據獲取時間為2015年5—9月。土壤數據為第二次土壤普查數字化土壤圖(圖2)；地形圖(圖3)由河南省原始DEM數據獲得，通過提取山體陰影并疊加渲染，利用高程值提取出平原、丘陵、山地，又以10 m等高線為基準獲得盆地。研究區采用WGS坐標系，投影采用UTM投影，利用ENVI 4.5將研究區的OLI影像按照《土地利用現狀分類》國家標準(2007版)劃分為6類土地利用，首先選用6、5、4波段對影像進行合成，然后再對合成的影像進行校正、圖像增強、監督分類，其中監督分類采用最大似然法，并結合Google Earth高清地圖對影像進行比對和校正，最后在ArcGIS 10.0中對監督分類結果進行矢量化(圖4)。

1.3 研究方法

傳統的多樣性測度方法包括豐富度指數、種類豐富程度的多樣性表達指數、種類豐富程度的多度分布模型[24]，在土壤多樣性研究中有經典的仙農熵公式即多樣性、均勻度指數、豐富度指數和改進的仙農熵公式Y[25]，經典的土壤多樣性指數僅表示土壤分類單元的數目、分類單元構成的復雜程度等，而改進的仙農熵公式可以利用網格尺度更好地評價研究對象的空間分布特征。隨著研究方法的引入和變化，土壤多樣性研究也與土地利用變化、城市化、生物多樣性等相結合[26]，因此本研究應用改進的仙農熵公式探索多地學要素和耕地的多樣性特征及關聯性。

圖1 河南省行政區劃分

圖2 河南省土壤圖

圖3 河南省的地形類別圖

圖4 河南省土地利用分類

1.3.1 仙農熵的變形公式

式中：當表示土壤構成組分多樣性時，為土類/地形單元個數，P表示第個土類/地形占所有土類/地形總面積的比例，這時Y表示所有分類單元在數量構成上的均勻度指數。當表示土壤/地形空間分布多樣性時，為空間網格總數目，P表示第個空間網格里某一土類/地形占所有土類/地形總面積的比例，這時Y表示的是單個土類空間分布的多樣性格局。在以上兩種情況下，Y的取值范圍是[0–1]，當只有一個或者少數幾個對象占支配地位時，取值趨近于0，說明研究對象的相對豐度極不均勻，反之取值越接近1，說明研究對象分布越均勻。

1.3.2 互熵關聯分析

式中：和分別代表某類地形(或土類)和耕地面積，(,)表示某類地形(或土類)和耕地面積的關聯系數。(,)的取值范圍為[0–1]，當地形(或土壤)類別和耕地面積的空間分布完全相同時，(,)=1，即地形(或土壤)類別和耕地面積的空間分布關系最為密切；當(,)=0時，即地形(或土壤)類別和耕地面積的空間分布完全沒有關系。

2 結果與討論

2.1 地形、土壤的構成組分多樣性

表1 土壤及地形的構成組分多樣性

分析河南省地形、土壤的構成組分多樣性特征可得(表1)：①就地形而言：濟源的構成組分多樣性最大，為0.931，其地形類別數量分布相對最均衡；南陽和駐馬店同樣有4種地形，構成組分多樣性卻有顯著差異，分別是0.925和0.386；商丘、開封、漯河、濮陽和周口皆為0，只有1種類別地形。②就土壤而言：漯河的土壤構成組分多樣性最大，為0.867，有4種土類；平頂山和南陽的土壤構成組分多樣性僅次于漯河，為0.844和0.822，土類數目11種，前者種類不多但較均勻，后者種類較多但均勻度不及前者；其他地市周口、商丘、濮陽、開封的土壤構成組分多樣性分別是0.292、0.136、0.082、0.067，多呈不均勻分布且各有所差別。

進一步探索地形和土壤的類別數目、面積大小與構成組分多樣性之間的相關性(圖5)，結果表明：①地形和土壤類別數目與其構成組分多樣性存在一定的相關性，且地形類別個數的相關性高于土壤類別數目的相關性，達到0.79；②地形與土壤的面積大小與構成組分多樣性的相關性極低，不足0.1；說明地形、土壤的構成組分均勻程度與各要素的面積大小呈極弱相關性。

圖5 構成組分多樣性與土壤及地形要素數量、面積的關系

2.2 地形、土壤及耕地的空間分布多樣性

2.2.1 地形的空間分布多樣性 網格尺寸的選取對地形/土壤的空間分布多樣性有不同的影響，根據段金龍等[26]對多種網格尺度應用的研究并依據河南省18個地市的行政范圍大小，本研究選用1 km × 1 km網格進行計算(公式(1))地形的空間分布多樣性指數并分析了地形面積與其空間分布多樣性的關系(表2)，結果表明：①18個地市的地形空間分布多樣性指數均接近于1，說明地形分布整體呈高均勻狀態。②研究區內所有的平原和丘陵的多樣性指數均大于0.7，說明平原、丘陵在河南省整體分布較為均勻；而山地的分布各地市間差異較明顯，其中最大的是三門峽為0.985，最小的是駐馬店為0.494。③僅南陽和駐馬店有盆地分布，多樣性指數分別為0.914和0.710，說明盆地在這兩個地區分布比較均勻，且南陽市盆地的分布均勻程度更高，面積占優勢地位。④商丘、開封、濮陽、漯河、周口有且僅有平原一種地形，多樣性指數均接近于1，說明平原在這5個地市空間分布均勻且普遍。⑤除僅有平原分布的5個地市外，其他地市的地形空間分布多樣性特征表現為隨面積增加或減少，空間分布多樣性指數呈現出與之相應的一致性。⑥計算地形面積和多樣性的相關系數可得：地形面積與其空間分布多樣性呈正相關關系，相關系數達0.80；河南省的4種地形中，盆地面積與其空間分布格局的相關性最強為0.82，這與南陽、駐馬店盆地分布集中且空間廣導致均勻程度高有關；而平原、丘陵、山地的面積與空間分布格局的相關性較為相似且均勻。

2.2.2 土壤及耕地的空間分布多樣性 河南省共有15種土類，采用與地形空間分布多樣性研究相同的網格尺度即1 km × 1 km網格進行測度；將多樣性指數Y取值[0–1]劃分為[0.0–0.2]、[0.2–0.4]、[0.4–0.6]、[0.6–0.8]、[0.8–1.0] 5個等級，以此來判別土壤的空間分布狀態(表3、圖6)。研究結果表明：就土壤空間分布格局而言：①河南省的優勢土類是潮土和褐土，以潮土或褐土作為一級土類分布的地市多達10個，如三門峽、鶴壁、許昌等，空間分布多樣性指數為[0.8–1.0]，說明優勢土類整體分布的均勻性(圖7)。②信陽和南陽的一級土類均沒有潮土和褐土分布，信陽的一級土類是水稻土、黃褐土、黃棕壤，南陽的一級土類是砂姜黑土、粗骨土、黃褐土，與土壤的地帶性和地方性分布規律有關。③依據土壤空間分布等級的劃分，許昌和新鄉共有5級分類，說明這兩個地市的土類空間分布均勻程度具有顯著差異，且新鄉共有12個土類，占河南省土類個數的80%，說明新鄉各類別土壤分布較廣。④漯河與許昌、新鄉相反，有1級土類和2級土類分布，且最小的指數是0.642，說明漯河的土類分布整體呈現均勻狀態。⑤河南省的劣勢土類是鹽土和堿土，僅分布在商丘、開封、新鄉和濮陽，在對應的地市范圍內被劃分為4級或5級土類，空間分布相對不均勻，多呈零星分布(圖7)。就耕地空間分布格局而言，河南省的耕地空間分布多樣性均大于0.9，說明作為中國農業大省，耕地在整體上空間分布均勻，如東部的周口(0.995)與西部的三門峽(0.927)耕地空間分布多樣性雖略有差異，但皆屬于高水平均勻態勢。

表2 地形面積與空間分布多樣性

注：“–”表示該地市無該地形分布。

表3 土壤及耕地的空間分布多樣性

續表3

地市土類數分級土壤類型多樣性 土壤(均值)耕地 駐馬店71潮土、砂姜黑土、黃褐土0.8790.989 2石質土、粗骨土0.700 3水稻土、黃棕壤0.481 許昌71潮土、褐土0.9000.990 2砂姜黑土、粗骨土0.738 3石質土0.412 4棕壤0.278 5黃褐土0.147 商丘71潮土0.9910.993 2砂姜黑土0.661 3堿土、風砂土0.526 4鹽土、石質土、褐土0.250 新鄉121潮土0.9580.979 2石質土、粗骨土、褐土、風砂土0.692 3新積土、棕壤、水稻土、砂姜黑土0.497 4鹽土、紅黏土0.361 5堿土0.196 開封51潮土0.9890.988 2風砂土0.629 4新積土0.313 5鹽土、堿土0.169 鄭州91潮土、褐土0.9000.976 2粗骨土、紅黏土、風砂土0.650 3新積土、棕壤、石質土、紫色土0.482 漯河41潮土、砂姜黑土、黃褐土0.8620.989 2褐土0.642 濮陽31潮土0.9830.989 3風砂土0.544 4堿土0.276 焦作81潮土、褐土0.8810.979 2新積土、石質土、粗骨土0.676 3砂姜黑土0.517 4棕壤、紅黏土0.325 洛陽101棕壤、粗骨土、紅黏土、褐土0.8520.975 2潮土、紫色土0.662 3石質土、黃棕壤0.486 4水稻土、砂姜黑土0.368

續表3

地市土類數分級土壤類型多樣性 土壤(均值)耕地 周口51潮土、砂姜黑土0.9130.995 3褐土0.442 4風砂土、黃褐土0.347 濟源71褐土0.9470.932 2潮土、石質土、粗骨土0.739 3棕壤、水稻土0.456 4新積土0.383 平頂山111粗骨土、褐土、黃褐土0.8630.962 2棕壤、潮土、砂姜黑土、黃棕壤0.658 3石質土0.572 4水稻土、紫色土、紅黏土0.304 安陽81潮土、石質土、褐土0.8690.966 2風砂土0.633 3棕壤、砂姜黑土、粗骨土0.506 5紅黏土0.186

圖6 河南省土壤多樣性分級圖

圖7 河南省典型土類

2.3 土壤、地形與耕地空間分布多樣性格局的關聯性

選取1 km × 1 km、5 km × 5 km、10 km × 10 km 3種網格尺度計算耕地的分布變化。由表4可知：①河南省的優勢土類潮土、褐土和耕地的相關性最強，在3種網格尺度下相關系數均接近或大于0.9；其次是分布在河南南部(南陽、信陽)的黃褐土、砂姜黑土、水稻土與耕地的相關性次之；與耕地相關性最弱的是河南省的劣勢土類堿土和鹽土，其中鹽土的相關性系數在10 km網格下僅有0.342，說明劣勢土類上耕地空間分布狀況差。②地形與耕地的相關性規律大致為平原>丘陵>盆地>山地，且地形與耕地空間分布格局的關聯性整體上較高。③地形、土壤與耕地的相關性共同點是隨著網格尺度的增大相關系數越來越小，網格尺度的變化在一定程度上影響著要素之間的相關關系。

表4 異網格尺度下地形、土壤與耕地的關聯分析

表4反映了河南省的所有土類及地形在不同網格尺度下與耕地的空間分布多樣性格局的關聯性，為進一步反映河南省區域自然環境和社會經濟發展狀況的不同，又將河南省劃分出5個次級區域豫北、豫中、豫南、豫東、豫西為基準，選取1 km × 1 km網格進行土壤、地形與耕地的空間分布多樣性格局相關性分析。結果表明(圖8)：①各區域中優勢土類潮土與耕地的相關性整體最大。②砂姜黑土和石質土在5個區域與耕地的空間分布多樣性有不同的相關程度，與這兩類土壤在區域上分布不均勻有關。③劣勢土類鹽土和堿土僅分布在豫北和豫東的部分地區，因此與耕地的相關性也僅發生在這兩個區域，但是相關性較低，為0.4左右。④從區域差異看，豫北土壤與耕地的相關性最大為潮土，最小為堿土；豫中土壤與耕地的相關性最大的是褐土，最小的是水稻土，相關性為0，豫中水稻土分布甚少；豫南土壤與耕地的相關性最大的是黃褐土、最小的是褐土，相關性為0；豫東土壤與耕地的相關性最大為潮土、最小為石質土；豫西土壤與耕地的相關性最大為褐土、最小為風砂土。圖9是河南省5個次區域地形與耕地的空間分布多樣性的相關關系：①豫北和豫中地區的地形與耕地的相關關系為平原>丘陵>山地；而豫南地區有盆地分布，其相關程度表現為平原>盆地>丘陵>山地；豫西則相反，平原的相關程度最低；豫東僅有平原分布，其與耕地的相關程度在5個區域中最大，為0.998。②除豫南的山地與耕地的相關程度最低為0.406外，其他整體相對均勻，說明地形與耕地的相關程度較好。

3 結論

1)地形、土壤的構成組分多樣性與各要素的類別數量有一定的相關性，而要素面積大小與其構成組分多樣性呈弱相關。

2)河南省18個地市的地形、土壤及耕地空間多樣性分布格局特征表現為整體均勻狀態，不同地區間有所差異。

圖8 土壤與耕地的空間分布多樣性的關聯分析

圖9 地形與耕地的空間分布多樣性的關聯分析

3)地形的空間分布多樣性與面積大小有較強的相關性，相關系數達0.8；由土壤空間分布多樣性指數分級可得，河南省的優勢土類為潮土和褐土，劣勢土類為鹽土和堿土。

4)無論是從河南省整體布局來看，還是從5個次區域來看，地形、土壤的空間分布多樣性都與耕地的空間分布多樣性密切相關；其中河南省的地形與耕地空間分布多樣性關系除豫南盆地和豫西丘陵、山地外，整體表現為：平原>丘陵>山地；河南省的土壤與耕地空間分布多樣性相關關系與土壤的空間分布多樣性變化整體具有一致性，即隨著網格尺度和5區域的改變，土壤與耕地的相關關系與河南省的各土類及各區域的土類空間分布多樣性格局變化具有相似規律。

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Diversity Characteristics and Correlation Among Soil, Terrain and Arable Land in Henan Province

LI Xiaoying1,2, ZHANG Xuelei1,2*, REN Yuanyuan1,2

(1 School of Hydraulic and Environmental Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 2 Institute of Natural Resources and Eco-environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

The distribution of the arable land is basically influenced by many natural factors among which soil and terrain play fundamental roles. In order to explore the relationship among the arable land, soil and terrain, Henan Province was selected as the research area by using the modified Shannon entropy measure and mutual entropy correlation analysis method to analyze the characteristics and relevance of the diversity patterns of soil, terrain and the arable land of Henan Province. The results showed that the diversity of terrain and soil composition of 18 cities in Henan Province is highly related to the richness number of the corresponding element, but irrelevant to the size of its area. The correlation coefficients of terrain, soil and number of the related element categories were 0.79 and 0.35 respectively, but the correlation coefficient with area was less than 0.1. In addition, the correlation coefficient between terrain spatial diversity and area of Henan Province reaches as high to 0.8. According to the classification of soil spatial distribution diversity index (Y), the dominant soils in Henan Province are Chao soil () and Cinnamon soil () while the inferior soils are Saline soil () and Alkaline soil (). And the spatial distribution pattern of soil diversity in different cities has significant differences, reflecting the richness of the soils in Henan Province. The correlation among soil, terrain and arable land is as follows: the correlation order between topography and spatial distribution of the arable land is plain > hilly > mountain, except for the basin in the south of Henan and the hills and mountains in the west of Henan. And that between the spatial distribution of soil and the arable land is basically consistent with the spatial distribution pattern of soil in Henan Province.

Henan Province; Terrain; Soil; Arable land; Diversity; Correlation

國家自然科學基金項目(41571208)資助。

(zxlzzu@zzu.edu.cn)

李笑瑩(1994—)，女，河南鞏義人，碩士研究生，主要從事土地資源多樣性研究。E-mail: 1535174053@qq.com

S159

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.04.020