河南省土壤与植被空间分布的多样性特征研究

植被作为土壤发育的主要形成因素之一,二者间关系密切。以河南省为研究样区,在中国1∶100万植被数据库的基础上获取河南省三级植被分类图,并运用改进的仙农熵公式计算植被和土壤要素的构成组分多样性及5 km×5 km网格尺度下二者的空间分布多样性。接着,将河南省划分为6个面积相近的次级研究区探讨不同分区优势植被(栽培植被)下发育的土壤类型状况。最后,计算一级植被类型和土类空间分布多样性的相关性。结果表明:①随着分类级别由高级别向低级别变化,植被和土壤要素的丰富度指数和构成组分多样性均呈上升趋势,且土壤类型的丰富度指数和构成组分多样性值整体上均大于植被类型的对应值。②栽培植被、两年三熟或一年两熟旱作和落叶果树分别是河南省的一级和二级优势植被类型,三级植被类型中有75%的区域被农作物覆盖,且甘薯、花生、大豆和小麦在河南省的种植比例高。③在6个不同的次级研究区内,西部分区栽培植被下发育的土类个数最多,但其面积在6个分区中最小;东部分区土类个数和构成组分多样性值均最低,但其面积最大。④11个一级植被类型与15个土类空间分布多样性间存在一定的相关性,相关比例达到61%。综上,植被和土壤类型的发育程度和空间分布特征存在差异,二者间具有一定的相关性。     

河南省成土母质与土壤空间分布多样性的特征

成土母质作为土壤发育的主要形成因素,二者间的关系密切。选取河南省作为研究区,从多样性的角度运用经典的仙农熵测度方法分析成土母质和土壤要素的构成组分多样性、不同母质基础上各土壤分类级别的多样性特征,并运用改进的仙农熵公式研究5 km×5 km网格尺度下不同成土母质对土类空间分布离散程度的影响及不同成土母质和土壤的空间分布多样性特征和相关性。结果表明:(1)成土母质类型虽少,但其构成组分多样性高于土类,这与二者分类系统的分支率有关;(2)6类母质类型中,残积、坡积物母质面积最大且发育土壤类型最为复杂;15种土壤类型与6类母质之间的关系有一对多、一对一和多对一3种类型;(3)不同母质上发育的土类的空间分布离散性程度不同,残积、坡积物母质上分布的优势土类为粗骨土,河流冲积物和河湖相沉积物母质上的优势土类分别是潮土和砂姜黑土,洪积物和黄土与红土母质上发育较好的两种土类为黄褐土和褐土,风积物母质上仅发育了风砂土一种土类;(4)潮土和河流冲积物母质分别是是河南省面积最大、空间分布多样性值最高的土类类型和成土母质类型,且成土母质与土类空间分布多样性间存在不同程度的相关性。综上,河南省的6大类成土母质与15种土类的构成组分多样性和空间分布离散性程度存在差异,且二者的空间分布多样性间存在一定的相关性。     

河南省地形、土壤和地表水体多样性格局特征

在水土资源多样性的研究中,地形要素对其空间分布形式和内在联系有重要影响。选取河南省作为研究区,在1 km×1 km网格尺度下以变形仙农熵公式计算河南省的地形空间分布多样性和土壤空间分布多样性(土类级别)及关联性,并将河南省划分为6个面积相近的次级区域,用空间分布面积指数(Y_h)计算地形、土壤的构成组分多样性,用空间分布长度指数(MSHDLI)计算地表水体多样性,对以上特征及关联性进行研究。结果表明:平原和潮土是河南省面积最大且空间分布离散性最高的地形类型和土类。地形与土壤之间关系密切,有76%以上的相关系数r值大于0.50,相关性高;6个分区中,东部分区为单一的平原地形但MSHDLI值次高,平原地形水系发育好,西部分区地形复杂且以山地为主但地表水体多样性指数MSHDLI值最小,山地条件下水系发育较简单;研究区面积相近的情况下,土类构成组分多样性值主要取决于土类间面积大小的均衡程度,与土类面积比例平均变化量之间呈负相关,R~2值为0.94;面状的地形和土壤构成组分多样性指数与线状的地表水体多样性指数间无明显相关性。综上所述,地形、土壤和地表水体三要素间关系密切,共同影响地多样性的空间格局。     

以地形为基础的河南省域土壤多样性的格局

选取河南省作为研究区域,对其DEM数据进行处理得到河南省地形分类图。以地形分类图为基础用经典的土壤构成组分多样性算法计算丰富度指数S、多样性指数H′和均匀度指数E,再使用改进的仙农熵指数(Yh)计算不同地形下每个土类面积占本土类总面积的比例及其在1 km×1 km网格尺度下的土壤空间分布多样性。结果表明:河南省主要有平原、丘陵、山地和盆地4种地形,且以平原地形为主;河南省有15种土类,从平原、丘陵、山地到盆地地形,土壤丰富度依次递减,且随着地形面积的增加,土类丰富度指数S也不断增加且二者拟合函数为多项式函数;多样性指数H′测度分析显示,4种地形下从土类、亚类到土属多样性值均处于递增趋势,且从平原、丘陵、山地到盆地地形,土类和亚类的多样性值呈"先上升后下降"趋势,土属一直呈"下降"趋势;土属的均匀程度高于土类和亚类的均匀程度,且从平原、丘陵、山地到盆地地形均匀度指数E/土壤构成组分多样性均呈"先上升再下降"趋势;土壤分支率与构成组分多样性间的拟合函数均为多项式函数。经研究,河南省地形和土壤的形成及空间分布多样性有密切的联系,如河南省广阔的平原赋予了潮土分布的地域背景条件,山地地形中山间谷底仅有少量潮土分布,然而平原地形下潮土空间分布斑块多、斑块面积大、空间分布多样性指数高而成为平原地形下空间分布离散性强的优势土壤类型,同时平原也是省内极少面积盐土和碱土仅有的分布区域;同样,山地和丘陵地形下面积最大且空间分布多样性值最大的土类均为褐土;盆地地形以黄褐土、砂姜黑土为主。通过对比,不同地形下指数Yh在空间分布表达上优于其他指数。     

中国中、东部典型县域土壤与地表水体多样性的粒度效应及关联性

选取河南省和江苏省的6个典型县域作为研究区,在1 km×1 km网格尺度下采用空间粒度方法研究优势土属(DSF)和稀有土属(RSF)的土壤多样性值、3个研究时期空间分布面积指数(MSHDAI)和空间分布长度指数(MSHDLI)的粒度响应类型和4个指数间的关联性和相关关系的粒度响应及稳定性。结果表明:土壤DSF和RSF多样性值对空间粒度的响应基本上属于"无响应型",且RSF空间位置位于研究区边缘时随着粒度的增大而影响土壤多样性的稳定性;地表水体多样性MSHDAI和MSHDLI指数对粒度的响应均属于"下降型",二者间及二者平均值间的尺度效应关系为多项式函数时,拟合度最高;2000—2013年间,襄城县和吴江区土壤和地表水体多样性间的相关性类型为稳定型,二者相关关系的粒度效应有显著正、负相关两种,且相关性均未发生本质性变化,具有一定的稳定性。林县、固始县和溧水县为不稳定型,如皋市由于水网密度过大未表现出相关性。由此可知,研究区的地形、水体形态和密度及人类活动干扰等是影响土壤和地表水体多样性关系的主要因素。     

地形及土壤多样性与耕地动态变化的相关分析

本文以河南豫北、豫中和豫南3个典型样区为研究对象,运用地统计学方法,从多样性、相关性角度定量分析了地形、土壤的多样性特征及其与耕地变化(2001年、2007年和2017年)面积的空间分布多样性特征的关系,以期为耕地资源动态变化的驱动力分析及合理利用提供新的研究角度。研究表明:1)豫北和豫中样区的地形构成组分多样性呈现出均匀性,豫南样区表现为相对单一性;各研究区的地形空间分布多样性为平原丘陵山地。2)豫南的土壤构成组分最为均匀且丰富,豫中的土壤构成组分相对单一;各研究区的典型土壤各异但总体上分布皆较均匀,各样区的土壤空间分布多样性的显著差异与地形条件密切相关。3)研究尺度影响地形、土壤空间分布多样性特征的表达, 3 km×3 km网格是相对适宜的研究尺度。4)地形和土壤的空间分布多样性指数与耕地变化面积空间分布都具有明显的相关性,其中地形中平原相关性较大,达0.95左右;各样区典型土壤如豫南的水稻土,豫中、豫北的褐土以及豫北的潮土的相关性更为明显,达0.9以上。综合来看,典型样区的地形、土壤因子的构成组分多样性及空间分布格局有显著差别;在不同网格尺度下,耕地的变化面积与地形、土壤因子的空间分布多样性指数密切相关。     

河南省土壤及地形与耕地多样性格局的特征

耕地分布受众多自然因素的影响,土壤、地形与之密切相关。选取河南省作为研究区,利用改进的仙农熵测度法和互熵关联分析法对河南省地形、土壤与耕地多样性格局特征进行分析。结果表明:河南省18个地市的地形、土壤的构成组分多样性与各要素的类别丰富度有关,与面积大小呈弱相关;其中地形、土壤与其丰富度值的相关系数分别为0.79和0.35,而与面积大小的相关系数小于0.1。基于土壤空间分布多样性指数大小的分级划分河南省的优势土类是潮土和褐土,劣势土类是盐土和碱土,且不同地市的土壤空间分布多样性格局有显著差异,显示河南省土壤类型的丰富性。土壤及地形要素与耕地多样性格局的相关性表现为:地形与耕地的空间分布多样性相关关系除豫南的盆地和豫西丘陵、山地外,整体为平原丘陵山地;土壤与耕地的空间分布多样性之间的关联度与河南省土壤空间分布多样性的格局特征具有基本一致性。     

市域尺度的稀有濒危土壤类型的界定与评价——以郑州市为例

在当今世界城市化高速发展的背景下,土壤资源的保护也越来越受到人们的关注,土壤多样性骤减也成为了全球关注的焦点,界定和评价稀有濒危土壤对于保护土壤资源及其多样性具有非常重要的指导意义。本文以郑州市为例,应用土壤类型密度和土壤多样性两种多样性测度方法分别对郑州市1 km×1 km和5 km×5 km网格尺度下基于不同分类级别的土壤空间多样性分布格局进行了分析和定量化研究;利用1988、2001、2007和2013年4期遥感资料进行土地利用分类,结合基于第二次土壤普查的1∶20万郑州市土壤图,采用多时相连续对比法对郑州市近25年来土地利用变化对土壤的扰动情况进行了分析;结合土壤多样性方法和传统评价方法界定和评价了稀有濒危土壤。结果表明,郑州市土壤整体分布较为均匀,且随着分类单元级别的降低,构成组分多样性指数升高,即分类越细,土壤类型分布越均匀;1988~2013年郑州市土壤受到非农建设扰动剧烈,干扰比例为16.01%,随着时间的推移,土壤受扰动的速度是呈上升趋势的;稀有土属有16种,濒危土属有2种,稀有濒危土属有4种。截止2013年濒危土属整体受到扰动比例高达35.38%,而稀有土属受到扰动比例为8.76%。     

土壤空间分布多样性研究中网格尺寸的选取策略

空间分布多样性是土壤多样性研究中最新的一种计量方法,而土壤斑块实际分布特征、斑块空间位置和网格尺寸是土壤空间分布多样性评价精度的主要影响因子。以河南省典型样区的土壤数据为例,从大尺寸(25 km)到小尺寸(500 m)依次计算了样区内各土属类型在13种网格尺寸下的空间分布多样性,并分析了不同网格尺寸下多样性数值的变化特征,以期探索土壤空间分布多样性评价中最佳网格尺寸的设置准则。研究表明：在以土属为基本分类单元的空间分布多样性评价中,使用3 ~ 1 km尺寸之间的网格为宜。在设置网格尺寸时,应首先保证所选网格面积至少小于或接近所有土壤分类单元中面积最小分类单元的面积。     

基于仙农熵的土壤多样性和土地利用多样性关联评价

以南京市为例,将多样性理论与方法应用于土壤和土地利用相关性评价中,对该市1986年和2003年的遥感数据进行了土地利用分类,计算了各土壤类型和各土地利用类型的构成组分多样性指数以及多网格尺度下的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相互关系的关联系数,求算了5 km网格尺度下南京市典型土种单元同9种土地利用类型之间的关联系数。研究结果表明,1986年至2003年这十余年间,南京市土地利用的构成组分变化明显,其中1986年的构成组分多样性为0.361,2003年为0.444。2003年南京市土地利用的空间分布离散性更高,5种主要土地利用类型的空间分布多样性均有明显增加。南京市典型土种与各土地利用类型关联系数的计算结果表明,多组关联系数的变化趋势相同,由此推断相比于1986年,2003年南京市土壤与土地利用之间的相互联系更为复杂多变。     

Challenges of pedodiversity in soil science

Soil diversity is not a completely new concept in soil science. It has been discussed from early times but it was not challenged this much broad. Ibañez with introducing the pedodiversity opened a new conceptual window to ease the induction of the soils complexity, spatial and temporal evolution and distribution. Pedodiversity now attracts more attention and goes to open new windows in soil science. Pedodiversity faces now with different challenges, which could be critical in its way on. Do the current soil diversity indices conceptually define all aspects of soil variability, or do we need to bind them with other characteristics like taxonomic distances? How is the soil individualism defined within the context of spatial variability and soil continuum? How are pedocomplexity, connectance, pedodiversity and soil spatial structure related? Can the changes of soil diversity be accounted as the rate of soil development? Can a range of pedodiversity index be a scale for soil series definition? Initial and some of current pedodiversity studies were/are focused on the concepts and measurement of pedodiversity and soil complexity indices of soilscape compared with the biological diversity and complexity. However, for the pedogenetic studies, the most important issues are the evolutionary concerns out of this approach compared with the other biotic systems. The new contexts, which should be more undertaken in future studies are: functional diversity, temporal diversity, study of soil and landform extinction and preservation. The last question could be: how pedodiversity could be changed under different understanding levels? A case study has been carried out in Charmahal and Bakhtiary province, Iran. Its objectives are the following: comparing the pedodiversity indices combined with and without taxonomic distances within tow replication of a geomorphic surface (Pi 111). What the pedodiversity says here? Did the unique calcification process which rules the soil formation here result in endemism or soil zonality? Do different pedodiversity indices correlate with the soil patterns?     

海南岛成土母质的地形多样性分析

多样性指数、多度分布模型等统计手段长时间以来在生态学领域被用于分析不同生态体的发生规律。本研究中将类似手段用于地形多样性 (作为地多样性的研究案例 )分析中 ,讨论基于海南岛土壤—地形体数字化数据库 (SOTER) ,通过对不同成土母质上地形类别的丰富度指数 (S)、多样性指数 (Shannon指数H′)和均匀度指数 (PielouE)的计算 ,不同成土母质上地形类别多度分布模型的建立与应用 ,进而在地理信息系统环境中实现海南岛不同成土母质的地形多样性分析的数字化表达     

Pedodiversity and Its Significance in the Context of Modern Soil Geography

Methodological basics of the study and quantitative assessment of pedodiversity are discussed. It is shown that the application of various indices and models of pedodiversity can be feasible for solving three major issues in pedology: a comparative geographical analysis of different territories, a comparative historical analysis of soil development in the course of landscape evolution, and the analysis of relationships between biodiversity and pedodiversity. Analogous geographic concepts of geodiversity and landscape diversity are also discussed. Certain limitations in the use of quantitative estimates of pedodiversity related to their linkage to the particular soil classification systems and with the initial soil maps are considered. Problems of the interpretation of the results of pedodiversity assessments are emphasized. It is shown that scientific explanations of biodiversity cannot be adequately applied in soil studies. Promising directions of further studies of pedodiversity are outlined. They include the assessment of the functional diversity of soils on the basis of data on their properties, integration with geostatistical methods of evaluation of soil variability, and assessment of pedodiversity on different scales.     

土壤多样性的概念、方法与研究进展

上世纪90年代开始的土壤多样性研究引起多方的兴趣,先后已经有西班牙、中国、美国等国家展开有关内容的研究。文章介绍了土壤多样性的基本概念、计量方法与数学模型及其在国内外的研究现状与最新发展,并对西班牙在爱琴海、美国全国范围以及中国海南岛和山东省的有关研究进展进行了初步评述。国内外研究表明,尽管作为新生事物有其不够完善的地方,土壤多样性研究可为土地利用及规划管理、环境保护、生物保护和自然保护区的设计、自然生态景观的维护和修复等方面提供服务,土壤多样性理论方法在土壤学及其他相关科学中仍具有良好的应用前景。     

Analysis on pedodiversity and spatial subset representativity—the German soil map 1:1,000,000

Knowledge about spatial soil variation in terms of measured pedodiversity, as well as the spatial distribution of soils in terms of spatial subset representativity, offers the possibility to estimate the quality and variance within a soil map. Additionally, it can help to identify representative sample locations. Demonstrated at the German soil map at a scale of 1:1,000,000, this study describes a methodology to analyze the distribution of taxonomical pedodiversity using the Simpson index and a new approach to derive representative spatial subsets based on a modified χ²‐test (χ_m²), which can be used as monitoring areas. To analyze the spatial composition of the soil map and to detect differences in the underlying mapping schemes of the German soil map 1:1,000,000, three different spatial data structures were studied: (1) the entire soil map, (2) the soil map segmented into geomorphological regions, and (3) the soil map segmented into the Federal States of Germany. Representative patches of varying sizes were statistically derived for all spatial subsets as well as the entire soil map ranging from 20 km × 20 km up to 70 km × 70 km. The results show that the measured pedodiversity is linked to both the geomorphology as well as the political borders of the Federal States. On the one hand, this reveals the uncertainty of measuring pedodiversity on the basis of soil‐class maps as the spatial representation of pedodiversity is influenced by the different mapping traditions and methods applied in the 16 Federal States of Germany. On the other hand, it allows the analysis of the aggregation schemes of different landscapes. The presented approach helps to understand large soilscapes and to compare different soil maps of different states and countries as well as to enhance the soil map with additional information. Furthermore, the representative patches can be used to select soil‐monitoring areas.     

Evaluating taxonomic adjacency as a source of soil map uncertainty

Soil types or map units are considered to be taxonomically adjacent if they differ in only one criterion, defined by an arbitrary threshold value. By treating soil types as nodes of a graph and taxonomic adjacency as the graph edges connecting nodes, algebraic graph theory can be used to produce a measurement of the uncertainty in a soil map associated with arbitrary classification boundaries between soil types. The largest eigenvalue of the adjacency matrix of a graph, the spectral radius, is an indication of network complexity. A larger spectral radius indicates a more complex network, and a greater degree of uncertainty or potential error associated with taxonomic adjacency. Benchmark values of spectral radius for cases of no taxonomic adjacency, including a single pair of adjacent soils, a chain or cycle‐type graph structure and a fully connected graph, are established so that taxonomic adjacency indices based on the spectral radius can be established. Examples are shown from two contrasting USA soil landscapes in the Ouachita Mountains, Arkansas, and the coastal plain of North Carolina, using both US Soil Taxonomy and the world reference base. The taxonomic adjacency indices are also useful in assessing soil richness and pedodiversity, with smaller values indicating a greater likelihood that identified soils represent distinct entities.