起源于信息论领域的多样性概念和分析方法最先被应用于计算生物的物种分布和遗传变异特征,而创立于20世纪90年代的土壤多样性理论及其研究方法借鉴了多样性在生物学中的应用经验,系统地描述了土壤在某一特定区域的可变性,这种可变性与该区域的土壤类型、成土条件等有直接或间接的联系^{[1, 2]}。

从西班牙人Ibáñez等^[3]开创了土壤多样性这一研究领域开始,国外涉及该领域的研究报道不断出现^[4~7],而研究方法也日趋成熟。本世纪初,张学雷等^{[8, 9]}将土壤多样性理论与研究方法引入中国,并基于海南岛土壤-地形体数字化数据库（SOTER）^[10]对海南岛的地形、母质、某些土壤性质等做了探索性的研究。近年来,张学雷等^[11]还将嵌套子集概念引入土壤多样性研究中,应用该方法分析了长江三角洲地区城镇化占用土地的时空变化及其对土壤多样性的影响。

将土壤多样性理论引入土地利用的分析与评价是近年来该领域研究的最新趋势,对土壤与土地利用之间交互关系的研究^[12~15]在城市化进程不断推进的今天具有重要意义。结合前人研究方法及经验,选取河南省和江苏省这两个自然条件和区域发展水平明显不同的省份作为研究区,通过对不同级别行政区域（省级、县级）土壤数据和不同时段遥感数据的相关研究,定性定量地描述了各研究区的土壤多样性与土地利用多样性特征。研究将土壤地理学领域前沿性的土壤多样性理论与方法引入土地资源管理中,计算了各土地利用类型的多样性数值,并通过连接系数的提出深入分析了不同区域、不同政策导向和不同城市化发展程度背景下土壤与土地利用的交互关系,为土壤资源的可持续利用提供重要的科学依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

选取河南、江苏两省省会城市郑州和南京市,以及典型县域原阳县和如皋市为主要研究区域,进行对比分析研究。南京市和如皋市位于中国大陆东部沿海中心,两市经济发达,地形以平原为主,河湖众多,属温带向亚热带的过渡性气候。郑州市和原阳县位于中国中部偏东、黄河中下游,郑州市是中国重要的经济、交通、能源、水利、通信枢纽,原阳县地处黄河故道,两地区同属暖温带季风气候。郑州市和南京市为各自省份省会及经济、政治、文化中心,代表两省最发达地区;原阳县和如皋市为两省典型县域,代表欠发达地区。

1.2 数据来源及运行环境

研究所用遥感数据均为美国地球资源卫星（Landsat）的TM传感器数据,分为3个时期（1986~1988年、2000~2001年、2004~2006年）,时期编码分别为①、②、③。其他相关数据包括基于第二次土壤普查和系统分类参比下的土壤图矢量数据、各研究区统计年鉴等。研究使用遥感软件ArcGIS 9.3和ENVI 4.5。

1.3 研究方法

通过两省数据间的横向对比和不同时期的纵向对比,对不同背景下的区域土壤多样性和土地利用多样性进行深层次分析。首先使用ENVI软件中的监督分类法处理基础遥感数据,在Google Earth卫星图片的精确校正下,获取了各研究区的土地利用分类矢量数据。以土属为基本单元评价土壤多样性指数,计算了各研究区土壤和土地利用的构成组分多样性及空间分布多样性。研究还通过关联系数的建立评价了各研究区典型土壤和土地利用之间的空间分布相关性。

参照《土地利用现状分类》国家标准（2007版）并结合研究区实际,将土地分为7种利用方式：自然绿地、水域及水利设施用地、农用地、城镇建筑用地、交通运输用地、工矿仓储用地和其他用地。自然绿地主要为山区林地、公园等;水域及水利设施用地包括河流、湖泊、水库、鱼塘、灌溉用沟渠等;农用地包括耕地、低城市化区域等;城镇建筑用地仅包括各研究区主城区及较大乡镇;交通运输用地主要为机场及高级别道路;其他用地主要为滩涂和大面积闲置用地。

使用仙农熵变形公式以更好地评价对象的空间离散性：

Yh=-∑i=1SpilnpilnS（1）

式（1）中,在土壤和土地利用的构成组分多样性里,S表示土属个数或者土地利用种类个数,p_i表示第i个土属或者土地利用在所有土属或土地利用总面积里所占的比例。在此前提下,多样性指数Y_h表示在研究区内土壤或土地利用构成组分的多样性特征,即所有分类单元在数量构成上的均匀程度,这时Y_h形同Pielou均匀度指数^[2]。而在土壤和土地利用的空间分布多样性里,S表示空间网格的数目,p_i表示第i个空间网格里某个土属或某类土地利用的面积在该土属或土地利用总面积里所占的比例。在此前提下,多样性指数Y_h表示在研究区内土壤或土地利用空间分布的多样性特征,它表征了单个土壤或单个土地利用分布的离散性程度,即空间分布的多样性格局问题。

在两种情况下,多样性指数Y_h取值区间同为[0,1],当相对丰度分布极度不均匀,也就是当一个或者少数几个对象占支配地位时,Y_h取值趋于0;当每个对象都均匀分布时,Y_h取值等于1。

为确定土壤和土地利用空间分布多样性之间的相互关系,本文建立了一个关于土壤和土地利用的关联系数。公式如下：

r(A,B)=2Yh(A,B)Yh(A)+Yh(B)（2）

式（2）中,A和B分别代表典型土壤类型和每类土地利用类型,r(A,B)表示典型土壤和每类土地利用之间的关联系数。Y_h (A)、Y_h (B)和Y_h (A,B)的定义如下：

Yh(A)=-∑i=1SpilnpilnS（3）

Yh(B)=-∑j=1SpjlnpjlnS（4）

Yh(A,B)=-∑i=1S∑j=1Sp(i,j)lnp(i,j)lnS（5）

式（3）~（5）中,Y_h (A)代表某类典型土壤的空间分布多样性指数,Y_h (B)代表某类土地利用类型的空间分布多样性指数,p_(i,j)称为联合概率,表示典型土壤A和某类土地利用类型B同时包含时的面积比,Y_h (A,B)表示典型土壤和某类土地利用公共斑块的空间分布多样性。

r(A,B)的取值范围为[0,1],当土壤和土地利用的空间分布没有任何关系,即Y_h(A,B)=0时,r(A,B)=0;当土壤和土地利用的空间分布完全相同,即Y_h(A)=Y_h (B)= Y_h(A,B) 时,r(A,B)=1。由此判定随r(A,B)数值的增加,典型土壤和某类土地利用类型之间相互重叠的部分增多,两者之间的关联性增加。该关联系数反映了土壤与土地利用之间的空间分布相关性,它定量地描述了研究区内土壤与土地利用在空间分布上相互叠置的程度,它的取值由土壤斑块和土地利用斑块的分布及网格尺度所决定。

2 结果与分析

2.1 土地利用分类结果

研究区土地利用情况见图1,图2和表1。

注:①表示1986~1988年;②表示2000~2001年;③表示2004~2006年,下同.

2.2 土壤和土地利用构成组分多样性

研究以土属为基本单元评价土壤多样性,表2表明土壤的构成组分多样性随研究区土属个数的增加而增加,郑州市最大,即各研究区中郑州市的土壤构成最为均匀,如皋市最小,即各研究区中如皋市的土壤构成最为单一。在土地利用构成组分多样性的计算中,除如皋市以外（如皋市时期①内水域所占比例过大,达到19.55%,土地利用情况较特殊）,其余各研究区土地利用类型的组成均匀程度几乎都随时间的推进不断增加,结合表1中的面积变化和各研究区实际情况,发现造成这一趋势的原因主要是占土地利用主体地位的农用地不断减少,并转化为城镇建筑用地、交通运输用地等其他土地利用类型,使得各研究区土地利用类型的组成分布更加均匀,即城市化进程的推进往往造成该指数数值的增大。郑州市的土地利用构成组分多样性在时期①~②内增加0.020,②~③内增加0.050,这表明时期②以后该市的城市化进程才开始高速发展;南京市在时期①~②内增加0.117,

②~③内增加0.062,同时该市在各个时期都有最高的构成组分多样性数值,这表明南京市城市化进程的推进高速而稳定。原阳县在时期①~③内仅增加0.017,这表明在研究期内该研究区的城市化进程缓慢,农用地始终占据土地利用的统治地位;如皋市情况特殊,水域及水利设施用地面积大幅减少（在时期①~③内所占研究区比例由19.55%下降为2.69%）,尽管城镇建筑用地增加明显（在时期①~③内所占研究区比例由1.00%上升到3.26%）,但作为主要土地利用方式的农用地面积也不断增加（在时期①~③内所占研究区比例由79.14%上升到92.66%）,农用地在研究区内的统治地位不断增强,使得土地利用构成混乱程度减弱。

2.3 土壤和土地利用空间分布多样性

表3,表4和表5为各研究区土壤和土地利用在3 km×3 km网格尺度下的空间分布多样性。本研究定义土壤空间分布多样性小于0.200的土属类型为各自研究区内的稀有土属。郑州市和南京市的稀有土属数目分别为6和0（表3）,这说明郑州市比南京市存在更多分布范围较小的非常见土属,;原阳县和如皋市的稀有土属数目分别为1和2（表4）,这说明两地的非常见土属存有量相近。郑州市、原阳县、南京市和如皋市各自范围内面积最大的土属分别为砂土、小两合土、马肝土属、高沙土,它们同时还是各自研究区内空间分布多样性最高的土属,即分布最广泛的土属,故选取这4类土属作为各自研究区典型土壤类型参与后续研究。

农用地的空间分布多样性指数在各研究区各时期的土地利用空间分布多样性中均最大,说明各研究区的农用地均为分布最广泛的土地利用类型,这也与本研究中农用地的定义有关。所有研究区中城镇建筑用地和交通运输用地的空间分布多样性都随时间逐步增加,作为城市化发展程度主要衡量因子,这两类土地利用类型的分布范围逐步增大,表明城市化进程在各研究区都有不同程度发展。在时期①~③内,郑州市城镇建筑用地和交通运输用地空间分布多样性指数的变化量分别为0.118和0.036,南京市分别为0.135和0.280,说明南京市城市化进程的分布范围增加值略高于郑州市;原阳县统计值分别为0.244和0.127,如皋市分别为0.106和0.161,说明县级研究区中,原阳县的城镇建筑用地分布范围变化更大,而如皋市的交通运输用地变化更大。郑州市和南京市自然绿地和工矿仓储用地的空间分布多样性都比较高,与其各自研究区内多山的实际情况相符,但在土地利用分类过程中,在Google Earth支持下发现,除矿山用地外,郑州市的山地有很大部分被开垦为农田,而南京市的山地多保持自然原貌以发展旅游业,因此南京市的自然绿地分布最为广泛。

2.4 典型土壤和土地利用空间分布关联分析

在3 km×3 km网格尺度下,选取砂土、小两合土、马肝土属、高沙土为各自研究区典型土壤,计算了郑州市、原阳县、南京市、如皋市各自典型土壤与不同研究时期土地利用分类之间的关联系数（表6）,探索了土壤与土地利用在空间分布上的交互关系。

表6显示除如皋市外,其他各研究区典型土壤同农用地的关联系数均呈递减趋势,说明典型土壤上的农用地空间分布离散性减弱,这与城市化发展下耕地面积的不断减少有直接关系。为探寻不同研究区城市化进程区别,将城镇建筑用地、交通运输用地和工矿仓储用地这3类土地利用作为城市化主要衡量因子（城市化要素）,数据显示各研究区典型土壤同这三类土地利用之间的关联系数随研究时期的推进有不同程度增加,结合关联系数的定义,表明各研究区典型土壤上的城市化要素在分布范围上呈扩大趋势,这也与城市发展实际相符。按研究时期推进,计算了三者与典型土壤关联系数的平均值（图3）。图3显示南京市和如皋市的典型土壤与城市化要素关联系数变化率更大,即有更多比例的典型土壤转化为城市化用地。综上所述,南京市的城市化进程比郑州市更明显,这一趋势同时表现在城市化规模上和城市化要素的空间分布上,而原阳县与如皋市的城市化进程无明显区别。

3 结 论

为定量描述河南省和江苏省土壤类型与土地利用类型之间交互关系的不同特点,研究计算了两个省份典型区域的土壤和土地利用构成组分多样性和空间分布多样性指数,并提出一种用于评价土壤和土地利用空间分布相关性的关联系数。研究表明：省级和县级尺度上,河南省的土壤构成均比江苏省均匀,其中郑州市的土壤构成组分多样性为0.779,土壤构成均匀程度最高,如皋市为0.582,土壤构成最为单一。在土地利用构成组分多样性研究中,发现江苏省省级城市的城市化程度高于河南省,其城市化进程高速发展的时间早于河南省;在县级城市对比中,未发现明显区别。在土地利用空间分布多样性研究中,发现江苏省省级城市城镇建筑用地的分布离散性增加值略高于河南省;县级城市对比中,未发现明显区别。在典型土壤和土地利用关联分析中,发现江苏省省级城市的城市化程度比河南省更明显,这一趋势表现在城市化要素的空间分布上;县级城市对比中,未发现明显区别。

多样性概念及相关研究方法在目标的构成组分和空间分布离散性评价中具有广阔的应用前景,本文为评价不同资源要素间的交互关系提供了一种新的思路与方法,通过探索不同自然资源要素间的空间分布相关性,为资源的可持续利用提供科学依据。

The authors have declared that no competing interests exist.

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参考文献

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