河南省砂姜黑土土类和土属的数字制图研究

查理思，吴克宁，曹 植，鞠 兵

(1．中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京 100083;2．国土资源部土地整治重点实验室，北京 100035;3．中国科学院 地理科学与资源研究所，北京 100101)

砂姜黑土是我国主要的中低产土壤之一，然而砂姜黑土地区气候资源条件较好，水资源丰富且便于灌溉，土壤潜在肥力较高，具有较大的生产潜力。合理改良利用土壤，按照分区治理原则，有必要了解砂姜黑土土类及土属的分布范围，从而进行相应的整治，以提高其生产力［1-4］。

土壤制图是获取土壤信息的基本手段，在土壤科学发展中发挥了至关重要的作用。随着现代精准农业的发展和环境模型模拟精度的提高，对土壤的空间和属性信息的详细程度都提出了更高的要求。为了满足快速发展的大量高精度土壤信息需求，采用新的方法开展数字土壤制图是土壤科学新兴的研究方向，以定量土壤－景观模型为理论基础、以空间分析和数学方法为技术手段的土壤制图方法日益成为研究热点［5-6］。

数字土壤制图主要根据数字形式的土壤形成环境数据或属性数据直接生产数字格式的土壤图，其优点可以对土壤类型或土壤属性预测的精度进行估计［7］。随着GIS和RS的广泛应用，土壤研究者获取和分析各种景观数据的能力突飞猛进，土壤学尤其是土壤发生学的深入研究使土壤—景观分析的理论基础日益坚固，长期的土壤调查积累了丰富的土壤—景观关系方面的数据和经验知识，这些都为土壤—景观量化模型的建立奠定了基础［8］。

1 材料与方法

1．1 砂姜黑土区概况

河南省的砂姜黑土在自然地域上，主要分布在黄淮平原、南阳盆地的湖坡洼地，大别、桐柏、伏牛、太行山前的交接洼地也有零星分布。据调查统计，全省砂姜黑土面积为127．24万hm2，其中耕地面积为124．79万 hm2，分别占全省土壤和耕地面积的 9．25%和 13．94%，属面积较大的土类［10］。许昌、漯河、平顶山、洛阳、周口、商丘、新作、焦作、安阳等地市的砂姜黑土多与潮土、褐土呈复区分布，南阳、信阳、驻马店等地区的砂姜黑土常和黄褐土、黄棕壤呈复区交错分布。

1．2 砂姜黑土区的主要成土因素条件

图1 河南省年均气温Fig．1 Annual average temperature of Henan Province

图．2 河南省年降水量Fig．2 Annual precipitation of Henan Province

1．2．2 地形 地形是指地表以上分布的固定性物体共同呈现出的高低起伏的各种状态，可用海拔高度来表示。砂姜黑土主要分布区为古河湖积平原、山前交界洼地和南阳盆地中心的湖坡地等地貌单元。如淮北平原和南阳盆地的洪汝河、唐白河、沙颖河流域的中下游地区的二坡地、河间洼地、碟形洼地及槽形洼地等。其特点是地势低平，海拔35～60 m，坡降1/4 000～1/10 000，但也有地势比较高的如南阳盆地中心的湖坡洼地海拔80～100 m，坡降1/1 000～1/2 000，安阳、焦作等市的山前洪积扇与平原交接的洼地海拔60～80 m，坡降1/2 000～1/3 000［9-10］。具体情况可见河南省数字高程图(图3)。

图3 河南省数字高程图Fig．3 The DEM of Henan Province

图4 河南省石灰性成土母质Fig．4 The calcarious soil parentmaterial of Henan Province

1．2．3 成土母质 成土母质是形成土壤基本的原始物质，可用土壤母质层物质来表示。淮北砂姜黑土的母质属于第四系上更新统新蔡组与南阳盆地的新野组河湖相沉积，以湖相沉积为主为灰黑色亚黏土和灰黄色亚黏土互层，呈薄层水平分布。这些沉积物中含有较多的HCO3－和Ca2+的富集区，为砂姜黑土的形成提供了丰富的物质基础。南阳盆地新野组岩性为湖积的黑色亚黏土、黄色亚黏土和砂的互层，厚10～20 m［9-10］。这是目前大多数学者所认同的结论［10-15］，但也有学者认为成土母质是黄土性古老沉积物［16-17］。他们研究发现成土母质无明显的沉积层次，不符合“紧沙慢淤”的流水分选规律，所以成土母质应该是晚更新世的产物。当时，由于风力搬运形成了厚达数百米的黄土高原，并且风力搬运比水力更广阔、更深远，所以能为分布面积较大的砂姜黑土形成提供了充足的成土母质。具体情况可见河南省石灰性成图母质分布图(图4)。

1．3 砂姜黑土土属的空间关系

通常把相同气候、母质、成土年龄下，由于地形和排水条件上的差异引起的具有不同特征的一系列土壤称为土链［18］。土链的概念不仅指出了造成土属差异的原因，也指明了土属的空间关系。在其他环境因素一致的条件下，了解一定区域内土属的空间关系，有助于预测更大区域内土属的分布情况［19］。

在河南主要砂姜黑土区，即南阳盆地和豫东南平原，分别选取一片其他环境相同的区域进行野外调查，记录不同砂姜黑土土属所在的海拔高度(表1、2)，在同一区域，地貌类型相对单一的情况下，即同一坡度上，高度差异能有效的指示地形差异，也能表明土属的空间关系。

从调查结果可看出各土属分布高度的差异，总体来讲，在同一片区域内，(石灰性)砂姜黑土地势最高，漂白砂姜黑土次之，(石灰性)覆盖砂姜黑土再次之，(石灰性)青黑土为最低。其空间关系如图5，根据相关资料［20-23］，地形通过影响碎屑物质和水的迁移和聚集，以及地下水位高低，间接影响排水条件，从而深刻影响土壤的发育，最终形成土链。在众多湖泊洼地中，碟形洼地或槽形洼地中心，由于地下水位较高，积水时间长，干湿交替机会少，一般没有钙积现象［14］，所以(石灰性)青黑土通体无砂姜或砂姜含量少，而越接近洼地边缘，地势相对较高，故干湿交替明显，钙淀积作用强，形成砂姜或砂姜磐。洼地边缘至中心的缓坡上，由于地形倾斜，易形成了漂白砂姜黑土，在洼地中心附近会积累坡积物或洪积物等，进而形成(石灰性)覆盖砂姜黑土。由此印证得知，正是由于砂姜黑土分布的高度不同，其所在地形差异导致砂姜黑土形成一系列土属。

表1 南阳盆地区及豫东南平原区砂姜黑土土属海拔调查Tab．1 The survey of altitude of lime concretion black soil genus in Nanyang basin

1．4 研究方法

数字土壤制图的原理主要基于土壤—景观模型，模型视土壤为成土要素的综合作用下形成的，因此可从环境状况推导得出土壤的性质或类型［24-25］，可通过公示表示为:S=f(Cl，O，R，P，T)，简称 clorpt函数式［7］。式中，S代表土壤，Cl为气候，O为生物，R为地形，P为母质，T为时间。这5大成土因素始终是同时地、不可分割地影响着土壤的发生和发展，同等重要和不可相互代替地参加了土壤的形成过程，制约着土壤的形成和演化，不同土壤的分布由于受到成土因素地理分布规律的影响而具有地理规律性［18］。

土壤—景观模型是一种预测模型，用来从对景观要素的观察得到土壤类型及其空间分布或者土壤性质及其趋势的描述。虽然土壤随景观变化而变化的实际情况非常复杂，并且在不同的区域可能会有非常不同的变化方式［8］，但通过研究的积累，为模型逐步增加细节使模型的预测结果越来越符合土壤的实际空间分布状况［26-28］。

本研究以河南砂姜黑土整体特征为变量，即是否具有黑土层和脱潜层，砂姜层为辅助判断。避免选土壤属性如有机质、全氮等作为建立土壤—景观模型的变量，因为土壤属性具有较大的可变性，以其建立的土壤—景观模型具有不稳定性［29］。通过GIS和RS技术获得砂姜黑土区主要成土因素数据，即气候、地形及成土母质，相比生物和时间等数据，较易获取且数据稳定，进行数字量化分析可操作性强，科学合理构建砂姜黑土土类景观模型。在土类景观模型的基础上，根据土属的空间关系，通过加入高程分类数据，探讨模拟砂姜黑土土属景观模型。

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图5 砂姜黑土土属空间关系Fig．5 The spatial relation of lime concretion black soil genus

1．4．1 土类数字制图方法 通过调查与分析，形成砂姜黑土的气候条件一般为年均温大于14℃，年降水量700～1 000 mm，该气候特点决定着砂姜黑土土体中物质的淋洗与淀积过程［9-10］，从而形成其独有的特征;砂姜黑土主要分布的地形一般为低洼地，通过野外调查并结合有关资料，其海拔范围为35～120 m，这些区域通常地下水位高，在1～2 m，雨季来临地下水位可上升到1 m或接近地表，一些湖洼地常有季节性积水，地形低洼为砂姜黑土形成过程中水的参与提供了重要条件［9-10］;砂姜黑土母质经综合考虑，选择石灰性母质，包括古河湖沉积物和黄土性沉积物［9-17］。运用ArcGIS10．1软件，对所有的成土要素数据进行预处理，包括统一各数据图层的坐标系、规范图层要素的几何数据、对DEM栅格数据进行矢量化。然后，基于地理信息系统的二值非权重布尔逻辑模型，对处理过后的成土要素数据进行叠加运算(overlay)［30］，即对砂姜黑土对应的各主要成土条件所在区域进行叠加，以此推导砂姜黑土土类的分布范围。

1．4．2 土属数字制图方法 在砂姜黑土土类图的基础上，运用ArcGIS10．1软件，基于Jenks的“自然间断点分级法”［31］，对砂姜黑土区高程进行分类间隔加以识别，“自然间断点”类别基于高程数据中固有的自然分组，对相似值进行最恰当地分组，并可使各个类之间的差异最大化。高程数据将被划分为3类，对于这些类，会在数据值的差异相对较大的位置处设置其边界。根据高程类别将土类区域划分为三片环形地带，参照土属空间关系，并结合野外土属海拔调查结果，对自然间断点进行修正。预测出砂姜黑土土属分布区域，即地势最低地带为(石灰性)青黑土，最高为(石灰性)砂姜黑土，两者中间为(石灰性)覆盖砂姜黑土和漂白砂姜黑土。

2 结果和讨论

2．1 砂姜黑土土类分布图

根据土类数字制图方法所得叠加区域为砂姜黑土相应的景观模型，从而得出砂姜黑土的分布范围(图6)。由图可见砂姜黑土主要分布在南阳盆地和豫东南平原一带，这与实际情况是一致的。

为了进一步验证数字土类数字制图的精确性，即砂姜黑土的面积和分布与实际相差程度。将数字图与调查图进行叠加分析(图7)，调查图是根据全国第二次土壤普查河南区的数据生成［32］。经统计，数字图面积比调查图面积少4．95%，间接证明了砂姜黑土区的母质不全为河湖相沉积物。重叠区域分别占数字图和调查图86．08%和81．81%，集中分布在豫东南平原东中部和南阳盆地南部。

图6 河南省砂姜黑土数字土类图Fig．6 The digitalmap of lime concretion black soil group in Henan Province

图7 河南省砂姜黑土数字与调查对比Fig．7 The comparative of digital and investigative lime concretion black soil in Henan Province

同时注意到两者不重叠区域，在南阳盆地，调查图范围比数字图广，红色部分即为调查图斑多出部分，主要分布在盆地边缘，另外，调查图斑在河南北部也有零星分布，均在地势比数字成图区高处。这是由于地下水在砂姜黑土的形成中发挥了重要作用［16］，所以尽管某些地方地势较高，但同时地下水位也较高且富含游离碳酸钙，也会形成砂姜黑土，如表1中6、7号剖面。在豫东南平原西部和南部边缘，情况相反，绿色部分为数字图斑多出部分，在平原西部，分布着颍河水系，多为潮土，但通过野外调查，发现存在砂姜黑土，如表2中13、14剖面，这说明数字制图方法能在一定程度上弥补调查缺失的地方。在平原南部，淮河干流及支流流经而过，这些地方水系发达，水资源丰富，人们可以开发修建水田，通过野外调查，南部主要为水稻土和潮土，这说明该方法还需考虑人为和地表径流因素的影响。

2．2 砂姜黑土土属分布图

根据土属数字制图方法，按“自然间断点分级法”，高程分类基本符合土属空间关系，在豫东南平原，地势最低地带上界为56 m，而根据野外调查，一般情况下，40 m以上就开始出现覆盖或漂白砂姜黑土，对此进行了修正。

在豫东南平原，海拔相对较低的红色带(35～40 m)为(石灰性)青黑土区域，地势相比较高的绿色带(84～120 m)为(石灰性)砂姜黑土区域，两者之间黄色带(41～83 m)为(石灰性)覆盖砂姜黑土和漂白砂姜黑土区域。

在南阳盆地，由于南阳盆地整体地势较高于豫东南平原，所以该区域内，平均海拔相比较高，红色带(73～94 m)为(石灰性)青黑土区域，黄色带为(95～107 m)(石灰性)覆盖砂姜黑土和漂白砂姜黑土区域，绿色带(108～120 m)为(石灰性)砂姜黑土区域。

经统计，红黄绿三色带面积比例约为1∶4．19∶1．02(图8)，这与各色带对应调查土属面积比例1．34∶4．62∶1相接近。其中，(石灰性)青黑土比调查结果少 20．6%，(石灰性)覆盖砂姜黑土和漂白砂姜黑土比调查结果少3．3%，(石灰性)砂姜黑土比调查结果多8．7%。由此可见，砂姜黑土数字图面积与调查图面积偏差主要在于(石灰性)青黑土。

图8 河南省数字砂姜黑土土属图Fig．8 The digitalmap of lime concretion black soil genus in Henan Province

图9 河南省调查砂姜黑土土属地理区域分布Fig．9 The investigativemap of lime concretion black soil genus in Henan Province

由于调查图斑十分细碎(图9)，土属分布凌乱，现有条件下的数字图斑相比太大，不便与之叠加，只可进行对照比较。可观察到，两者土属整体变化趋势相同，海拔从低到高，砂姜黑土区依次主要分布(石灰性)青黑土，(石灰性)覆盖砂姜黑土，(石灰性)砂姜黑土，在南阳盆地表现尤为明显。在豫东南平原，差异较大，在平原南部出现较大面积的漂白砂姜黑土，这可能与此处较湿热的气候条件有关，由于雨量充沛、光照充足，从而风华淋洗作用较强［9-10］，如表2中9、12剖面。总体来看，豫东南地势平缓，(石灰性)覆盖砂姜黑土占主要面积，如表2中10、11、13、14剖面，(石灰性)砂姜黑土较少，虽各个海拔高度均有分布，但均分布在每个图斑边缘，即小区域内海拔相对较高处。大部分单个图斑内部土属变化也基本反映了土属的空间关系特征，(石灰性)青黑土一般分布在(石灰性)覆盖砂姜黑土区域内，即海拔相对较低处。

3 结论

基于土壤—景观模型，运用ArcGIS10．1软件对环境因子进行筛选叠加，即选择符合砂姜黑土形成的景观条件，叠加各符合条件各要素图层，叠加区域为砂姜黑土土类分布范围。将数字土类图与调查土类图进行叠加比较，两者吻合较好，重合度达到80%以上。说明该方法在大尺度上，就单个土壤类型，具有一定的科学合理性，并在一定程度上预测了砂姜黑土土类分布范围，可弥补调查制图方法不便开展和遗漏的地方，并间接证明了砂姜黑土的成土母质为石灰性母质，不仅河湖相沉积物，还包括黄土性母质。差异之处为人为、地下水和地表径流因素所致，为砂姜黑土数字制图的完善提供了研究方向。

通过野外调查，并结合相关资料，得出土属的空间分布特征。一般情况下，(石灰性)青黑土分布在碟形洼地或槽形洼地中心，在洼地中心附近为(石灰性)覆盖砂姜黑土，(石灰性)砂姜黑土位于相对地势较高的洼地边缘，洼地边缘至中心的缓坡上，为漂白砂姜黑土。以此为依据，在土类图的基础上，根据各土属高程的差异，预测各土属的分布范围。将数字土属图与调查土属图进行对照比较，两者虽然土属面积大小和比例相近，而且整体变化趋势以及大部分单个调查图斑内土属变化趋势印证了土属的空间关系，但(石灰性)青黑土面积与调查差异较大，并且各土属具体分布情况差异较大，特别是豫东南平原区，情况变得复杂，这说明砂姜黑土土属景观模型还需做进一步优化，需获取更详细的地形资料，可通过摄影测量或是野外测量获取分辨率更高的DEM数据，也需对不同土属形成的气候条件做进一步研究，如降雨量等级、积温、降雨量与气温时间同步变化关系等气候指标。

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