典型岩溶区土壤颜色空间自相关和空间分布研究

尹辉　李晖　蒋忠诚

摘要：基于自定义的土壤颜色量化方法，运用地统计学与GIS技术，将室内布点和实地监测相结合，对果化示范区土壤颜色的空间自相关和空间分布进行了研究。结果表明，果化示范区土壤颜色的空间分布存在正向的全局空间自相关，空间自相关尺度为2200m。土壤颜色的空间样点呈现出平行线型的空间分布格局，土壤颜色的空间结构在1～2200m区间内为空间集聚，在2200～2800m区间内为空间孤立。示范区棕色土壤广泛分布，黄棕色和黄褐色土壤仅呈小块状的零星分布。

关键词：土壤颜色；空间自相关；空间分布；典型岩溶区

中图分类号：S152.2+4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）09-2198-04

表层土壤颜色是土壤圈重要的自然属性之一，常用于辨别和研究不同的土壤类型、不同的土壤性状和不同的土壤养分特征。相关研究表明，土壤有机质含量与其光谱中可见光的反射特征有一定的相关关系。从某种角度上说，土壤颜色可以反映土壤有机质的空间含量，属于土壤肥力的重要指标。利用土壤颜色所反映的土壤反射光谱特征来反演和划分土壤有机质含量，可为相关农业部门提供种植和管理依据。位于中国西南典型岩溶峰丛洼地的果化示范区，石漠化较为严重。土壤肥力较低，改善示范区的土壤理化性状有助于当地石漠化的综合治理和生态环境恢复，是值得深入开展的科学问题。纵观典型岩溶峰丛洼地土壤理化指标的相关成果，绝大多数仍处于定性研究层面，半定量和定量研究尚处于起步阶段，特别是对于生态较为脆弱、环境可容纳能力较低、环境失衡严重、农业生产较为落后的典型岩溶地区，土壤指标的空间量化研究非常薄弱，且缺乏从土壤取样尺度到土壤理化指标空间变异和空间格局的系统量化研究。然而，作为典型岩溶区的土壤重要理化指标之一，土壤颜色空间尺度的定量化分析研究亟待开展。据此，以果化示范区为例，开展典型岩溶区土壤颜色的空间量化研究，探讨土壤颜色的空间自相关和空间分异格局，旨在为果化示范区及其他典型岩溶区的土壤养分评估、农业生产和生态重建提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

果化示范区是中国“十五”科技攻关课题“喀斯特峰丛洼地生态重建技术与示范”和“十一五”科技支撑计划课题“喀斯特峰丛山地脆弱生态系统重建技术研究”的石漠化治理与生态重建示范区，也是立体农业生态模式综合示范区。果化示范区始建于2001年。位于广西百色市平果县果化镇（图1），北纬23°22′28.7″-23°23′40.7″，东经107°22′40.8″-107°23′56.9″，属典型岩溶背景下的峰丛洼地地貌类型。区内降水丰富。但年内分配不均。土壤主要为棕色和黄棕色石灰土，土地利用类型以种植玉米、黄豆的早作坡耕地为主，几乎不存在牧草地、果园和地表水体，植被类型主要为稀疏林地、灌丛和低矮灌草，绝大多数植物是阳生灌木和草本植物。

1.2 图件来源与处理

研究区的行政区、地形图、alos遥感影像等图件主要来源于中国地质科学院岩溶与石漠化研究室。本研究的前期工作是将行政区划图、地形图导入ArcGIS软件进行空间参考的赋值和空间坐标的几何校正，在ENVI软件平台下完成遥感影像的遥感预处理，包括空间定标、校正大气、校正水平和垂直误差图件的空间校正，并将融合、裁剪、增强后的影像用于空间样点的布设，可为实地监测样点的选取提供依据。

1.3 样点选取与实地监测

空间样点选取原则：以果化示范区行政区划图为调研路线选择的依据，同时与前期预处理好的遥感影像相结合，在图像上进行基于网格的空间布点。并导出各待监测样点的经纬度。2011年9月，将待调研的样点坐标导入GPS，将GPS的空间参考与计算机相匹配（本研究选择投影坐标系下高斯克吕格3°带36带的空间投影），完成土壤样点的空间导航。实地监测时，考虑到土壤空间环境的相似性与差异性，同时兼顾峰丛洼地的地形、交通可达性、人类活动等因素，对部分土壤样点进行空间调整并记录实际监测点的空间坐标，最终得到191个有效监测样点（图2）。为避免表层土壤枯枝落叶层的干扰，每个样点均挖取约5cm深度的表层土壤，将对应的空间坐标和颜色属性共同作为土壤颜色空间格局分析的基础数据源。

1.4 量化方法

由于土壤颜色指标在GIS的空间属性库中属于文本格式的字段类型，难以进行空间量化研究。考虑到量化的常规性与可行性，将土壤颜色进行空间赋值时要充分考虑到GIS空间属性库的数值编码方式。由于GIS在进行诸如空间重分类、空间可视化、空间分级等操作中。多数将计算结果以自然数“1，2，3…”等形式表示，本研究遵从GIS这一空间赋值原则，将石灰土颜色赋值如下：棕色赋值为1.黄棕色赋值为2.黄褐色赋值为3.各赋值均在ArcGIS平台的空间属性库中统一完成。

1.5 数据处理与分析

主要从果化示范区土壤颜色的空间自相关和空间变异两方面展开，前者运用Geoda9.2空间自相关软件完成土壤颜色MoransI指数、空间权重矩阵和空间自相关数值的模拟和计算，并在ArcGIS9.3平台下完成空间自相关图件的绘制：后者基于地统计学软件GS+7.0和ArcGIS 9.3相结合的方法，首先将原始数据导入地统计学软件GS+7.0，得到土壤颜色的半方差模型参数，然后将各拟合参数记录下来，输出土壤颜色的空间变异结果，最后在ArcGIS 9.3平台下运行地统计学模块，打开该模块的参数赋值界面，填入GS+7.0模拟的数值，得到果化示范区土壤颜色的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 空间自相关格局

2.1.1 全局空间自相关性 由图3可知，示范区土壤颜色的Morans I指数为正向的空间关联，表明土壤颜色的空间分布存在正向的全局空间自相关，土壤颜色样点的高、低值呈现出平行线型的空间分布格局。

图4表明，间隔距离为1-2200m空间范围的Morans I指数为正值，表明果化示范区存在土壤颜色的空间集聚效应：间隔距离为2200-2800m空间范围的MoransI指数为负值，表明果化示范区存在土壤颜色的空间孤立效应。可见，空间集聚和空间孤立的临界点是2200m，即为果化示范区土壤颜色的空间自相关尺度。

2.1.2 局部空间自相关性 从局部空间自相关研究结果（图5）可以看出，示范区土壤颜色的空间集聚区分布较为明显，主要表现为陇尧屯中、西部“高-高”型与龙何耕作区多数区域“低-低”型的空间集聚分布；土壤颜色的空间孤立分布范围较小，分布形式也较为单一，主要表现在“高一低”型空间孤立区缺失，仅“低-高”型空间孤立区少量分布在“高-高”型空间集聚区周围或附近。

2.2 空间变异与空间分布

从土壤颜色半方差变异函数的拟合情况来看，球状模型满足决定系数R²较大、模型拟合残差较小的最优标准。据此，选取球状模型对土壤颜色空间变异进行模型拟合，得到表1所示的果化示范区土壤颜色最优空间变异拟合值和图6所示的土壤颜色空间插值图。从表1可以看出，示范区土壤颜色的最小空间变程为843.0m，C⁰/S小于25%，表明土壤颜色的空间结构特征具有较强的空间自相关性。

从图7所示的空间插值图可见，示范区土壤以棕色土分布为主，黄棕色和黄褐色土壤仅呈小块状的零星分布。实地调查结果表明，示范区的土壤颜色在总体上以黄、棕、褐3类色泽差异较小的相近色系为主，颜色上的色泽差异主要与当地的土地利用类型、人为施肥种类与数量、当地群众的农业耕作方式及管理措施等的差异密切相关：①作为果化生态重建与石漠化综合治理核心示范点的龙何屯及其耕作区早在20世纪90年代末就被拟定为典型岩溶区脆弱生态环境的重点科研对象之一，有关专家、学者对果化示范区的生态修复与石漠化治理、土壤监测与空间分析、土地利用与降水调蓄等方面做了大量的科学研究工作。随着近30年来山地脆弱生态系统的重建与石漠化治理，不论是土地整理、坡改梯，还是大型蓄水水柜（布洋1号泉和布洋2号泉）的修筑、名特优红心火龙果的引种、有机肥的人为施用等各方面农业措施建设都早于布尧屯和陇尧屯，进而促使龙何屯成为率先打破传统的坡地、旱地耕种玉米与黄豆的“靠天吃饭”农业生产模式的生态示范性屯落。在土壤人为施用有机肥方面，由于龙何耕作区的西南角龙何上距离龙何屯较近，田间管理较为完善，人为施肥量较大。导致土壤分布有土壤肥力较大的褐色土壤：龙何屯耕作区已大面积种植特色经济作物火龙果，当地群众在经济效益的带动下，对火龙果种植区耕作与管理的积极性有了显著提升，确保了该耕作区的土壤肥力：⑦布尧屯屯落面积较小。其耕作区中部地势相对较低，坡面流失的部分肥沃土壤汇集于此，各类灌草长势较好：而耕作区西南角的中心地带地势较其南部及北端略高，受坡面表层冲刷作用的影响，该中心地带的表层肥沃土壤多流失至其南翼，部分到达其北端，从而导致该区域的土壤颜色在感观上呈现出条带状差异；③陇尧屯土壤呈黄棕色的区域正好位于陇尧屯屯落内部及其周围地带，实地调查发现，该屯落的主要农作物集中种植在屯落耕作区的东南部，仅有少量种植在屯落内部及其周围。屯落内部除少量地块种植蔬菜、大豆、甘蔗等以外，在屯落的中心地带种植了大量供牛羊食用的牧草。由于牧草的种植并不需要精细的田间管理，加上当地群众的农业耕作和施肥重心主要放在其东南部的产粮耕作区，致使该屯落中心地带的土壤有机质含量相对较低，土壤颜色相对较浅。

3 结论

基于土壤颜色的量化原则与方法，运用地统计学与GIS技术。将室内布点和实地监测相结合，对果化示范区土壤颜色的空间自相关和空间分布进行了研究，结论如下。

1）示范区土壤颜色的空间分布存在正向的全局空间自相关，其空间自相关尺度为2200m。示范区土壤颜色的半方差函数模型符合球状模型，最小空间变程为843.0m。

2）示范区土壤颜色以棕色广泛分布，黄棕色和黄褐色土壤仅呈小块状的零星分布。实地调查结果表明，示范区的土壤颜色在总体上以黄、棕、褐3类色泽差异较小的相近色系为主，颜色上的色泽差异主要与当地的土地利用类型，人为施肥种类与数量、当地群众的农业耕作方式及管理措施等的差异密切相关。