河南省成土母质与土壤空间分布多样性的特征*

任圆圆 张学雷 李笑莹 孙 鹏 段金龙

（1 郑州大学水利与环境学院，自然资源与生态环境研究所，郑州 450001）

（2 郑州轻工业学院社会发展研究中心，郑州 450002）

（3 河南工业大学信息科学与工程学院，郑州 450001）

基于经典的道库恰耶夫学说，土壤是由母质、气候、生物、地形和时间五大自然因素综合作用的产物。其中，因岩石裸露出地表风化为疏松的碎屑物质而形成的成土母质是土壤的物质基础，在母质不断地同动植物界与大气进行物质和能量交换的过程中形成了土壤[1]。土壤多样性的研究自20 世纪90年代初在西班牙兴起并引入国内之后取得了显著进展，已成为21 世纪以来土壤地理学领域前沿性的研究内容[2-4]，但其如何与地貌单元[5-6]、岩石单元[7]等其他资源的多样性进行比较是其未来主要的挑战[8]。目前，从土壤多样性向地多样性的发展是相关领域的最新研究趋势[9-10]。地多样性的概念由澳大利亚地质学家Sharples[11]提出，目前在国内外的研究中其含义由最初的地质地貌多样性扩展至地形、母质、植被和水体等与土壤发生关系密切的地学要素[8,12-15]。即从单一土壤多样性研究向地形、土地利用、水体、母质和植被等要素多样性的研究扩展。

在自然景观中，多样性分析能够独立地或是关联性地应用到其中的所有要素，并作为一种数学工具去表达其空间分布模式，对地学要素中的成土母质来说亦是如此[10]。关于成土母质和土壤间的关系，宋迪思等[16]分析了湘东丘陵4 种典型母质上发育土壤的中红外吸收光谱特征；姜坤等[17]探讨了广东省不同母质发育的不同土壤的颗粒组成及分布的分形维数特征；刘昭兵等[18]研究了湖南省两种不同母质发育土壤的稻米镉积累差异；董玲玲等[19]探究了贵阳市喀斯特山区9 种不同母质上发育的土壤类型在理化性质上的差异；张学雷等[20]基于海南岛土壤与地形数字化数据库，尝试建立不同成土母质上地形类别多度分布模型，并实现其相关的数字化表达；李超等[21]根据山西省黄土母质上土壤的石灰反应强度估测CaCO3和pH 含量。以上研究取得了一定的进展，但除了张学雷等早期的初步研究外，均未从多样性的角度对成土母质与土壤之间的关系进行深入分析。

鉴于此，本文在前人相关研究的基础上，从多样性的角度来分析河南省成土母质和土壤的构成组分多样性、各成土母质上发育的土壤分类级别的丰富度指数、分支率和在发生上的对应关系，之后在5 km×5 km 网格尺度下探讨不同母质上典型土类的空间分布离散性特征并计算了河南省母质和土壤的空间分布多样性和二者间的相关系数，以期从多样性这一新的视角来研究成土母质与土壤要素的空间分布多样性特征，并不断丰富从土壤多样性向地多样性的有关研究。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河南省（地处110°21′～116°39′E、31°23′～36°22′N之间）是位于我国中原腹地的大省，位于黄河中下游，因大部分地区在黄河以南，故称河南。《禹贡》将中国分为九州，河南省分属于豫州，故简称“豫”。东西长580 km，南北宽530 km，面积有16 万余平方千米，约占全国总面积的1.74%。截至2017年底，河南共下辖17 个地级市、1 个省直辖县级市，52 个市辖区、20 个县级市、85 个县，省会郑州。

河南省属暖温带—亚热带、湿润—半湿润季风气候，地形总体可以概括为 “三山两盆一平原”，西为黄土高原东侧的山地丘陵区，东为黄河、淮河淤积而成的黄淮海平原区。土壤类型众多，形态各异，同时横跨海河、黄河、淮河、长江四大水系，境内1500 多条河流纵横交织。

1.2 数据来源与处理

土壤数据来自第二次全国土壤普查全省数字化土壤图（河南省土肥站），见图1a）。成土母质数据是综合土壤母质[1]的分类并依据土壤分类土属级别中母质信息予以归纳概括而成，并运用ArcGIS10.2软件的空间数据处理和分析功能得到河南省6 个主要成土母质大类，见图1b）。由该图可知：河南省的成土母质较为复杂，山区主要是各种岩石风化的残坡积物、洪积物及黄土；在平原地区则为冲积物、洪积物、河湖相沉积物和风积物。

图1 河南省土壤图（土类级别）（a））和母质分类图（b）） Fig.1 Soil and parent material classification maps of Henan Province

数据处理步骤：（1）运用经典的仙农熵公式测度方法计算了不同成土母质和土壤要素的丰富度指数、构成组分多样性，并对河南省不同成土母质对 应的土壤类别个数、分支率和二者在发生上的对应关系进行分析。（2）运用改进的仙农熵公式测度方法在5 km×5 km 网格尺度下计算各个母质上的土类空间分布多样性值，以便分析母质对土壤类型空间分布多样性产生的影响。（3）运用改进的仙农熵公式计算河南省的成土母质和土壤的空间分布多样性，并探索二者间的相关性。

1.3 多样性测度方法

为更好地评价研究对象的空间分布离散性，使用改进的仙农熵变形公式：

式中，S和pi定义为：（1）表示土壤构成组分多样性时：S为土类个数（即丰富度指数），pi为第i个土类占该土类总面积的比例。此处，多样性指数Yh[22]表示在研究区内所有分类单元在数量构成上的均匀程度，这时Yh形同Pielou 均匀度指数[23]。（2）表示土壤空间分布多样性时：S为空间网格的数目，pi为第i个空间网格里某个土类面积占该土类总面积的比例，多样性指数Yh为在研究区内土壤空间分布的多样性特征，用来描述土壤分布的离散性程度和多样性格局。多样性指数Yh取值区间为[0,1]，当研究对象的相对丰度分布极度不均匀，即当一个或者少数几个对象占支配地位时，Yh取值趋于0；当每个对象都均匀分布时，Yh取值等于1。

1.4 关联分析法

为更好地确定母质和土类多样性之间的相关关系，使用以下关联系数：

式中，A和B分别表示土壤母质类型和土类类型（土类/亚类/土属级别），r（A,B）[24]表示母质类型A和每类土类类型B之间的关联系数，Yh（A）和Yh（B）分别表示母质和土类的空间分布多样性指数，应用式（1）进行计算，Yh（A,B）表示母质类型A和土类类型B公共斑块的空间分布多样性。具体计算公式如下：

式中，p（i,j）为联合分布概率，表示第i个空间网格里母质类型A和第j个空间网格里土类类型B同时包含时的面积比。r（A,B）的取值范围为[0,1]，该关联系数反映了母质和土类之间在空间分布上的相关性，定量地描述了研究区域内母质和土类这两个要素在空间分布上相互叠置的程度。随着该系数值的增加，两个要素相互重叠的部分增多，关联性增加。

2 结果与讨论

2.1 成土母质和土壤类型的构成组分多样性

表1计算了河南省不同成土母质和土壤分类的构成组分多样性，由此可知：（1）就丰富度指数而言，成土母质和土类类型的个数分别为6 和15；（2）就构成组分多样性而言，从土类、亚类到土属其构成组分多样性值呈上升趋势，且土属的构成组分多样性值最高（0.81），母质的构成组分多样性值为0.87，这说明母质和土壤类型在河南省的分布均较为均匀，复杂程度较高。（3）综合对比，成土母质类型虽少但其构成组分多样性值高于土类，说明若干母质均有可能发育形成同一种土壤类型，这在一定程度上也与母质和土壤在河南省分布的位置、面积大小及其二者分类系统的分支率有关。

2.2 母质和土壤类别多样性间的发生关系

不同母质上发育的土壤类型各异，统计不同母质上发育的土类、亚类和土属类型的个数及分支率，结果见表2（表注为不同母质下土类、亚类和土属类别的分支率计算公式）。由表2可知：（1）在6 大类母质类型中，每一类发育形成的土类丰富度不一，有的母质发育着多种土壤，有的母质只有某种土类发育；（2）残积、坡积物母质在河南省的面积最大且其发育的土类、亚类和土属数量均最多，土壤类型最为复杂多样；（3）6 种母质下发育的土壤类型随着分类级别从土类、亚类到土属，其丰富度指数呈上升趋势但其上升的幅度不同，造成不同级别间分支率差别大；（4）除了黄土与红土母质和河湖相沉积物母质外，其他母质上所发育土壤分类系统的分支率呈现从高级别到低级别递减的趋势，佐证了多数情况下土壤分类系统框架中较低分类单元向下分支数值较其较高分类单元间的值有所降低的基本规律；（5）由图2a）和图2b）可知各成土母质的面积比例与其发育的土类丰富度和亚类丰富度之间没有明显的线性相关关系，相关系数小于0.3 属弱正相关关系；但其与土属的丰富度指数间的相关性有一定的提高，其值为0.51，表明二者达到中等正相关关系，如图2c 所示。

表1 河南省不同母质和土壤分类的构成组分多样性 Table1 Parent material and soil composition diversities in Henan Province

表2 河南省不同成土母质对应的土壤类别数量及分支率 Table2 Number of soil types and bifurcation ratio relative to type of soil forming parent materials in Henan

图2 不同成土母质的面积比例与土壤丰富度之间的线性相关关系 Fig.2 Linear correlation between proportion of soil parent material in area and soil richness relative to type of parent material

2.3 母质和土壤类别多样性在发生上的对应关系

表3统计了河南省不同成土母质上发育的土类类型，结合表2进而将省内15 种土类与不同母质间的发生对应关系类型分为：

（1）一对多（即一种土类类型发育在多种母质上）：如潮土、褐土、黄褐土和水稻土等，均发育在3 种不同的母质上，棕壤和砂姜黑土在2 种不同的母质上，显示出不同程度的土壤发育程度及特征。以潮土为例（表4），在河流冲积物、洪积物和河湖相沉积物3 种不同母质上发育的亚类个数分别为6、1、3，发育的土属个数分别为24、1、3；褐土在洪积物和残积、坡积物上和黄土与红土母质上发育的亚类个数分别为5、4、4，发育的土属个数分别为12、13、12；黄褐土主要发育在洪积物、黄土与红土母质上和残积、坡积物母质上的亚类个数分别为2、4、2，对应的土属个数均为6、5、2；就水稻土而言，在河流冲积物、黄土与红土和残积、坡积物母质上发育的亚类个数分别为1、3、1，发育的土属个数分别为1、3、1；棕壤在黄土与红土母质上发育的亚类主要是棕壤和棕壤性土，对应的土属分别是黄土棕壤和棕壤性土，而其在残积、坡积物上发育了3 个土壤亚类（白浆化棕壤、棕壤和棕壤性土）和11 个土属类型；砂浆黑土在洪积物和河湖相沉积物上发育的 2 个亚类均是砂姜黑土和石灰性砂姜黑土，发育的土属个数分别为2 个和6 个。

（2）一对一（即一种土类类型发育在一种土壤母质上）：如碱土、盐土、红黏土、粗骨土、石质土、紫色土、新积土、风砂土和黄棕壤。6 种母质类型上均发育有独特的土类类型，反映出土壤及其母质在发生上的特质性。其中，残积、坡积物下发育的特有土类类型有4 个，其他5 个母质类型均发育1 种特定土壤类型，如碱土仅发育在河流冲积物母质上，黄河大堤外侧因受高水位侧渗影响呈带状分布着碱化土壤，盐土仅发育在洪积物母质上。

（3）多对一（即多种土壤类型发育在一种土壤母质上）：除风砂土外，其他土类均属于此类型。其中，残积、坡积物母质发育的土类类型最多，共8个土类，洪积物、黄土与红土发育了5 种土类类型，河湖相沉积物发育了4 种土类类型，河流冲积物发育了3 种土类类型。

2.4 不同成土母质对土类空间分布多样性的影响

通过ArcGIS10.2 空间分析并运用式（1）计算，得出每一种成土母质上发育的土类类型的空间分布多样性指数值（图3）。由此可知：残积、坡积物母质上发育的土类中，粗骨土是空间分布离散性程度最高且面积最大的土类（0.88，15 556 km2），是该母质上的优势土类，河流冲积物母质上的优势土类是潮土（0.97，50 465 km2），河湖相沉积物母质上的优势土类是砂姜黑土（0.90，9 689 km2）；洪积物母质和黄土与红土母质上空间分布离散性最高的土类均是黄褐土，其值分别为（0.86，11 755 km2），（0.85，9 811 km2），但其面积在该母质所发育的土类中均是次高值，面积最大的土类均是褐土，其值分别为（0.83，12 264 km2），（0.81，11 639 km2）；风积物母质上仅发育了风砂土一种土类，其空间分布离散性值是0.91。

表3 河南省不同成土母质对应的土类 Table3 Soil groups corresponding to each soil forming parent material in Henan Province

表4 潮土在不同母质类型下的发育状况 Table4 Development of Hapli aquic cambosol relative to parent material

以潮土、褐土和棕壤为例，可见其在不同母质上的空间分布（图4）。其中，由图4a）可知，河南省的潮土分布在河流冲积物、洪积物和河湖相沉积物这3种母质上，且主要分布在东部的河流冲积物上，其次在西南部南阳盆地的河流冲积物上以及南部的河湖相沉积物上。图4b），河南省的褐土主要分布在残积、坡积物，黄土和红土及洪积物这3 种母质上，且主要分布在西部的残积、坡积物上其次在西北部的黄土与红土上，西南部的洪积物上也有一些分布。图4c）可见，河南省的棕壤主要分布在残积、坡积物与黄土与红土这两种母质上，且主要分布在西部的残积、坡积物，在西北部和南部的黄土与红土母质上也有少许分布。

图3 不同母质发育的土类的空间分布多样性 Fig.3 Spatial distribution diversity of soil group relative to parent material

图4 潮土、褐土和棕壤在河南省不同母质上的分布状况 Fig.4 Distribution of Hapli aquic cambosol，Hapli ustic argosol and Hapli udic argosol in Henan Province relative to parent material

2.5 不同母质和土类空间分布多样性的关联性

河南省母质和土类在5 km 网格尺度下的空间分布多样性指数值见表5和表6，就土类空间分布多样性而言，潮土是河南省面积最大、空间分布多样性值最高的土类类型，其值分别为51 895 km2和0.89，盐土是面积最小、空间分布多样性值最低的土类类型。就母质空间分布多样性而言，河流冲积物是分布面积最大，空间分布多样性值最大的母质类型，其值分别为50 581 km2和0.89，这说明该土壤母质在河南省的离散性程度最高，此外，残积、坡积物的空间分布离散性值为0.86，其值稍低于河流冲积物、洪积物和黄土与红土母质，但其土壤发育的丰富度指数最高。

运用式（2）计算河南省成土母质和土类二者间的关联性（表7），总体上来看，6 大类成土母质与15 种土类间有不同程度的相关性，潮土与河流冲积物母质、风砂土与风积物母质间的相关系数接近于1，是高度正相关关系，这说明潮土多由河流冲积物母质发育而来，同时风砂土母质只能发育出一种土类。洪积物母质与潮土间的相关性最弱，相关系数大于0.3，为弱正相关关系；纵向来看，残积、坡积物母质与15 个土类的相关系数最多（8 个），其次是黄土与红土母质与土类有6 个相关系数，风积物母质仅与风砂土有相关性。

表5 河南省土类空间分布多样性 Table5 Spatial distribution diversities of soil group in Henan Province

表6 河南省母质空间分布多样性 Table6 Spatial distribution diversities of parent material in Henan Province

表7 河南省土类和土壤母质空间分布多样性的相关性 Table7 Correlation matrix of soil groups with parent materials in spatial distribution diversity in Henan Province

续表

3 结 论

河南省共有6 类成土母质，分别为残积、坡积物母质、洪积物、黄土与红土、河湖相沉积物、河流冲积物和风积物，且在5 km×5 km 网格尺度下河流冲积物是面积最大、空间分布离散性程度最高的母质，风积物母质是面积最小且空间分布离散性值最低的母质类型。与土壤分类系统相比，成土母质分类系统构成相对简单，虽其丰富度指数最小但构成组分多样性值高于土类，这与二者分类系统的分支率有关。在6 大类母质类型中，每一类发育形成的土类丰富度不一，残积、坡积物母质发育的土壤类型最为复杂，15 种土类与不同成土母质间的对应关系可分为一对多，一对一和多对一类型，展现母质与土壤多样性特征的发生学基础。6 大类成土母质与15 种土类间有不同程度的相关性，其中，潮土与河流冲积物母质、风砂土与风积物母质间的相关性最强，洪积物母质与潮土间的相关性最弱。综上，不同成土母质与各个土壤类型在发生关系上存在差异，各个母质上发育的土类丰富度和空间分布离散性程度不同，且母质空间分布多样性与土类空间分布多样性间存在相关性。