土壤景观研究综述

沙昱 福州格致中学，福州 350018

土壤景观研究综述

沙昱 福州格致中学，福州 350018

土壤景观研究日益受到土壤科学家的重视，其中土壤景观领域的本征尺度、监测尺度、分析尺度以及三者之间的约束关系是研究的核心。文中就相关的土壤景观多尺度性、土壤景观等级结构热点进行了回顾分析，得出一些重要的土壤景观研究结论。

土壤景观；多尺度；遥感

土壤景观定量化研究日益受到土壤科学家的重视，近十年内世界各国土壤科学家开展了大量研究，试图将数字地形分析、GIS技术和土壤调查技术相结合，通过对景观信息的分析预测土壤属性信息，土壤景观定量研究近年来已成为土壤学科一个非常活跃的研究领域。

土壤景观多尺度性是普遍存在的客观现象，关系着土壤景观精确化制图。目前国内外利用小波分析进行土壤景观多尺度研究的实例较少，其关键原因在于传统土壤景观研究结果多采用描述性知识来表达，人们对土壤景观等级结构的复杂性和空间不确定性认识较浅，数值化的土壤景观信息尚未得到有效利用和重视。

多尺度是地学领域的前沿关注点之一，尺度根植于自然界复杂等级结构之中。景观生态学家们明确提出尺度和尺度推移是该领域研究的核心论题之一，地理学家认为尺度具有学科“横断”性质，地理对象的空间格局—尺度转换模式和转换效果是目前亟待研究的科学问题。地学领域的尺度内涵包括本征尺度、监测尺度[3]和分析尺度三个方面。本征尺度是一种客观尺度，与地学对象存在的复杂等级结构和时间空间上的相变或节律密切相关，监测尺度为实验观测尺度，如采样点涉及范围、观测时间间隔和遥感影像的空间时间分辨率，分析尺度为主题尺度（或分类数目）、空间粒度和幅度，显然三类尺度之间存在因果关系和本质-表征的对应关系（即匹配性）。

土壤是地学领域的重要分支，是地表生物、气候、母质、地形、时间和人类活动综合作用的产物。土壤景观是由明确的土壤类型及其关联要素如地质、地貌、坡度、覆被、水文、气候等共同叠加形成的综合体，土壤景观存在复杂的等级结构，其本征尺度客观存在。与地理对象普遍存在的多尺度一样，土壤景观要素都存在着多尺度特性，这些景观要素的空间变异性特征与尺度约束密切相关。随着现代地球观测技术发展，土壤景观要素中的植被覆盖、水和地表热量等可以应用遥感手段进行定量监测，遥感数据的时间、空间和波谱分辨率就是监测尺度，另外传统土壤调查采样的空间密度和频度也是监测尺度。将监测结果进行空间表达的土壤景观制图成果体现了分析尺度信息（如分类数目、制图粒度和幅度等）。土壤景观领域的本征尺度、监测尺度、分析尺度以及三者之间的约束关系是多尺度研究的核心。目前在土壤景观研究领域，景观要素的多尺度变异特征为学者们探索的热点。

土壤属性的多尺度研究涉及土壤水、土壤养分因子的多尺度空间变异性。土壤水方面包括：融雪后梭梭林地土壤水的多尺度空间异质性，喀斯特洼地表层土壤水分的空间异质性及其尺度效应，不同尺度网格膜下滴灌土壤水盐的空间变异性分析，不同尺度下田间土壤水分和混合电导率空间变异性与套合结构模型，黄河三角洲多尺度土壤盐分的空间分异。土壤养分因子的多尺度研究中，包括南方丘陵区不同尺度下土壤氮素含量的分布特征研究，东灵山地区辽东栎林主要土壤因子的Haar小波分解，基于二进小波变换极大模法的土壤腐殖酸NM R谱信号滤噪，不同尺度下低山茶园土壤阳离子交换量空间变异性研究，丘陵地区不同尺度下土壤养分空间变异特征的研究，黑土有机质和速效氮磷不同尺度空间异质性分析，黄土高原土壤养分空间变异的多尺度分析。

水土流失多尺度效应重在讨论多尺度的土壤侵蚀评价指数、流域径流泥沙对多尺度植被变化响应、侵蚀产沙等方面。

土壤景观研究方面，使用土壤属性-景观定量模型进行制图为新趋势 。将定量化的地形因子信息与土壤性质（养分元素含量、粒度组成等）联系起来，建立二者之间的定量化模型，用以预测未有地面监测数据区域的土壤属性因子，数字地形高程（DEM）的比例尺大小是模型适用性的关键节点，其中蕴涵着土壤属性因子（如养分含量）和景观要素（地形因子）之间的尺度对应性问题。在土壤景观领域，遥感手段早已得到了应用，但主要应用于地物解译，而数值化的遥感指数在土壤景观研究领域的应用尚不多。目前景观要素如植被覆盖常常可以用定量化的遥感植被指数来表示，景观要素的多尺度问题已为景观生态学家们关注，例如NDVI（归一化植被指数）与地形因子之间相关关系受尺度影响 ，NDVI的空间多尺度特征受区域地质构造影响。由此可见，遥感数据可以提供数值化的景观要素信息，使土壤景观要素以及要素间的耦合关系的多尺度定量化分析具有可靠的数据基础。

图1 景观尺度的研究对象

由此可见，土壤景观相关研究领域的多尺度分析已经成为学者共同关注热点，目前现状研究的主要特征为三方面：

（1）基于采样点上的土壤属性因子（如水分、养分）空间变异性特征，这种变异性利用地统计学模型来描述，变异性特征的原因分析较少，土壤属性因子变异性研究目标乃是力图将有限点上离散的监测结果扩展到连续地表空间。

（2）其次是建立土壤属性与多尺度景观因子（如地形）之间的统计模型，应用于土壤景观制图。这种方法本质上是观测尺度（实地监测尺度）的有限扩展，地形因子的空间分辨率起着控制作用。地形因子与土壤属性因子之间的关系并不是单纯的线性关联，更多是一种非线性关系，与尺度约束有关。

（3）多尺度分析方法通常为地统计学的半方差分析，其他多尺度定量方法较少使用。在相同研究对象上应用不同的多尺度分析方法，比较研究结果和可靠性的更是罕见。

基于对上述研究现状的回顾性总结评价，可以明确土壤景观存在着具有多尺度特性的属性因子和景观要素，而如何确定土壤景观系统尺度是其中的科学难点。正如John Wiens在《景观生态学热点议题》中提出的如何定义具有多尺度特性的各种生态环境因子的生态系统特征尺度一样。土壤景观系统尺度的确定直接关系着景观类型识别的详细程度和景观类型界线划分的适宜范围。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.187