從土壤多樣性到地多樣性的研究進展

導 讀

土壤作為自然資源最重要的要素之一，從地球系統觀點看，土壤是地球的皮膚，是一個歷史自然綜合體；從生態學角度剖析，它是生態系統的樞紐，也是受人類智慧和勞動影響的人工生態系統。在自然景觀中，多樣性分析能夠獨立地或是關聯性地應用到其中的所有要素，並作為一種數學工具去表達其空間分布模式，地土壤學的方法使得這一重要方向的研究向前邁進了一步。

文/任圓圓 1,2，張學雷 1,2* ((1 鄭州大學水利與環境學院； 2 鄭州大學自然資源與生態環境研究所)

來源：《土壤》（2018年第2期）

自然資源各要素或者地學要素皆隨著空間和時 間而有所變異和動態演化。縱觀幾個世紀的歷史，自然科學家觀察到在忽略這些研究對象性質的情況下， 某些景觀具有更高的異質性(如生物物種、岩石、地 形和土壤等)。土壤作為自然資源最重要的要素之一，從地球系統觀點看，土壤是地球的皮膚，是一個歷史自然綜合體；從生態學角度剖析，它是生態系統的樞紐，也是受人類智慧和勞動影響的人工生態系統。在自然景觀中，多樣性分析能夠獨立地或是關聯性地應用到其中的所有要素，並作為一種數學工具去表達其空間分布模式，地土壤學的方法使得這一重要方向的研究向前邁進了一步。

20世紀90年代初期，Ibá?ez 等運用由生態學 家發展而來的數學工具去研究土壤多樣性並建立了一個全新的術語「pedodiversity」，隨後陸續發表了一 些解釋分析土壤多樣性主要測度方法的文章，從此真正開啟了土壤多樣性理論方法的探索。之後，土壤多 樣性很快被引入到中國並一直在研究之中，並取得了一定的研究成果。在國內外的相關研究中，一般使用經典的和改進的仙農熵公式(Shannon entropy)探索 多樣性的格局及關聯性。繼2013年 4 月美國CRC出版的專著《土壤多樣性(Pedodiversity)》之後，2016年德國斯普林格(Springer-Verlag)國際出版社新出專著《地土壤學(Geopedology)》，邀請世界上有關領域代表性國家的學者，結合地形地貌學和土壤學對土壤和景觀進行研究，目的是為了探索一種可能性，加入土壤、地質地貌類別和生物群落用一個綜合的和全面的方法去描述地表系統的結構和多樣性。

該書包含前言和5大部分(33個章節)，涵蓋了諸多學科領域包括地土壤學的基礎知識、測度技術與方法以及在土地 退化和土地利用規劃方面的應用。這些學科領域由針對不同地學要素及有關內容的作者撰寫且互相補充與關聯。書中，荷蘭J.A.Zinck 主要介紹了地土壤學 的基礎知識、與土壤及地形的關係、重點和目標、在土壤景觀中的地位；墨西哥N. Barrera-Bassols和西 班牙Juan José Ibá?ez 等提出了用不同的方法來建立 和分析土壤和景觀多樣性在空間和時間上的關係；阿根廷 C. Angueira 和 D. J. Bedendo等旨在處理土壤模 式識別和製圖的不同空間模型技術、土壤屬性特點和 土壤環境風險管理的相關性；墨西哥G. Bocco 和哥倫比亞 H. J. López Salgado 等致力於運用地貌和土壤分析結合空間分析模型和地球觀測信息進行土地退 化和地質災害研究；西班牙P. Escribano 和委內瑞拉P. García Montero 等主要研究了土地利用規劃和土地分區問題。從該書的結構和分章內容可以看出，土壤 學研究已經開始從土壤本身向諸多地學要素綜合及

相關性分析擴展，土壤多樣性研究也從中得到啟迪， 從單一土壤要素的多樣性分析向著影響土壤發生和演變的其他地學要素，如地形、土地利用、水體、氣 候、母質和植被等之間多樣性格局的關聯分析與研究 擴展，似乎可以確認如此學術思路的提升將從本質上改變傳統土壤學、土壤多樣性研究的模式，為更全面探索從土壤多樣性到地多樣性或者自然資源多樣性 的演化和生態可持續發展提供新的理論基礎和研究 方法。

1 從土壤多樣性到地多樣性概念的提出

多樣性起源並最先應用在生態學領域，在環境調查的很多方面，多樣性的概念是最基本的。對其概念的闡述具有代表性的是Huston，Magurran和 Ibá?ez 等，認為多樣性在本質上有3個組成部分： 分類單元多樣性(豐富度)；個體在分類單元內的 分布方式(均勻度)；嘗試用單一的值把和都包含的多樣性指數。此外，豐富度分布模型提供了最適合觀察對象的模式，比如等比數列、對數分布、對數 正態系列、冪定律和丰度分布模型等。

土壤多樣性受生物多樣性的啟發而建立，儘管生物多樣性研究已經被公認為是生態學領域的主要 課題之一，且在過去的60多年內有大量的生物學著 作和文獻。但關於土壤多樣性，第一個嘗試在特定研究區分析土壤多樣性的土壤學家是 Fridland，遺憾的是其提議並沒有得到重視且未得到其本人的深入報道。之後，Ibá?ez等引入數學方法(豐富度、仙農 多樣性指數、仙農均勻度)來研究空間土壤分布格局的多樣性，對土壤多樣性的研究興趣才被喚醒。從土壤多樣性研究至今，在國際間已經取得很大的進展， 2013年美國 CRC 出版著作《Pedodiversity》，總結了土壤多樣性的研究進展、發展與應用及前景與挑戰。土壤多樣性在 20世紀90年代初在西班牙興起之後，很快也被引入到中國，早期涉及的主要內容 有城市化對土壤多樣性的影響、用經典的仙農熵 指數對土壤多樣性進行研究、土壤分類系統和生物分類系統的對比研究。而後，對土壤與土地利用、土壤與地表水體、土壤與景觀指數的多樣性等進行研究。目前，將生態學領域的空間粒度、空間分布長度指數(MSHDLI)引入到土壤多樣性 的研究中，且將土壤與更多的地學要素(地形、水體、 母質、植被等)相結合來研究其特徵和相關性。目前，土壤多樣性的相關研究內容已經成為 21 世紀以來土 壤地理學較為前沿性的研究內容之一[23,12]。

1992年里約峰會之後，以及後來由 Wilson 和 Peter[24] 提議建立的新辭彙「生物多樣性 (biodiversity)」在公眾輿論形成影響後，澳大利亞土壤學家 McBratney[25]建議使用新詞「pedodiversity」， 另一位澳大利亞地質學家 Sharples提出了「地多樣性(geodiversity)」的概念。根據 Gray地多樣性被定義如下：「地質的(岩石，礦物，化石)，地貌的(地形， 演化進程)和土壤性狀的自然範圍，它包含自身的組 成、關係、性質和體系」，需要說明的是，地多樣性中的「地」(geo)最初指地質地貌，但目前國內外的 研究實踐已經將範圍擴展到與土壤發生密切相關的 地學要素，包括地質地貌、地形、母質、水體和植被等。但是，尚未提出任何的指數或數學方法去量化在 特定時間內多於一種自然資源要素的多樣性。一定程 度上，是由於缺乏國際間普遍的分類系統(universal classifications)，這種分類結構的缺失妨礙了進行比較 性的研究以便探索不同環境下的空間模式規律和定 律。即使單獨分析各個地學要素多樣性，也較為容易 地聯想到這些要素之間發生上的聯繫，將彼此多樣性 格局進行關聯分析與研究仍提供了新的角度來認識 土壤及其影響要素多樣性關係的機理，並展現出良好 的前景。

2 從土壤多樣性到地多樣性的方法論研究

根據地學要素性狀特徵的不同，選取不同的改進 型仙儂熵指數來表達。在評價研究對象為土壤、地形、 母質等面狀要素時，測度方法使用空間分布面積指數 Yh，地表水體(河流)等線狀要素使用空間分布長度指 數(MSHDLI)。

2.1 空間分布面積指數(Modified Shannon diversity area index，MSHDAI)

式中：S和pi定義為：表土壤、地形、母質構成組 分多樣性時：S為土壤、地形、母質個數，pi為第i個土壤、地形、母質占該土壤、地形、母質總面積的 比例。在這裡，多樣性指數Yh表示在研究區內所有 分類單元在數量構成上的均勻程度，這時Yh形同 Pielou 均勻度指數]；表土壤、地形、母質空間分 布多樣性時：S為空間網格的數目，pi為第i個空間網格里某個土壤、地形、母質面積占該土壤、地形、 母質總面積的比例，多樣性指數Yh為在研究區內土壤、地形、母質空間分布的多樣性特徵，用來描述土壤、地形、母質分布的離散性程度和多樣性格局。多樣性指數Yh取值區間為 [0, 1]，當研究對象的相對丰度分布極度不均勻，即當一個或者少數幾個對象占支 配地位時，Yh取值趨於0；當每個對象都均勻分布時，Yh取值等於1。

2.2 空間分布長度指數(Modified Shannon diversity length index，MSHDLI)

式中：IL為地表水體空間分布長度指數，取值為[0, 1]；i = 1, 2, … , S；S為某網格尺度下的網格數目， Li為第i個網格里水網長度占區域水網總長度的比 例。當有且僅有一個網格中含有水網時，IL為0；而當所有網格中均含有水網且分布較為均勻時， IL趨近於1。

3 從土壤多樣性到地多樣性的研究模式

土壤是陸地生態系統的重要組成部分，在歷史上被看作是政府和私人利益的經濟資源，隨著人們逐漸 增長的關於土壤在全球生物化學和生態學上的作用 而開始受到重視。2003年美國加州大學伯克利分校 的 Ronald Amundson及課題組相關成員研究了官方公布的1.3萬個土系的相關信息，根據多樣性測度方法計算後得出結論：有4500餘種「稀有土壤」， 其通常是獨一無二的生物氣候、地質地形及生態系統相互作用的產物。此外，基於美國土壤地理資料庫 (STATSGO) 探索了土壤多樣性的量化特徵，研究指出美國的地方性土壤應當被重點保護，這對整個生態 系統的保護是有益的。土壤具有遺傳特性並且可以 按照它們的「文化價值」進行分類。土壤遺產，類似 地質遺產，對於旅遊業和娛樂業來說具有重要的科學 和教育意義，為環境影響分析提供了基礎。在土地規 劃中應當評價並考慮到土壤遺產的豐富度和多樣性， 其有利於延續和平衡特殊生態系統的土壤景觀。

之前，Petersen 等，Williams 和 Houseman以及Ibá?ez和 Feoli有關土壤多樣性和生物多樣性間的對比分析引起人們關注。Ibá?ez指出生物多樣性和土壤多樣性通常呈正相關關係，並且有相似的空間模式。國內，張學雷等利用中國土壤分類系統與生物系統分類進行對比，結果表明二者具有很高的相似性，主要表現在數學結構和多樣性特徵上。土壤多樣性與其他地學要素或自然資源要素多樣性間關係的研究，包括土壤多樣性與生物多樣性、土地覆蓋多樣性、水體多樣性、氣候多樣性、地形多樣性和岩性多樣性(lithological diversity)也陸續有一些報道。

3.1 土壤多樣性與地形

關於地形地貌學和土壤學之間的基本關係眾所 周知：地形演變進程和已形成的地形類別促進了土壤 的形成和分布，反過來，土壤的發展對地貌景觀的演 變有影響。然而，儘管兩大學科之間更密切的結合是一個明確的趨勢，現有的文獻很少能夠提供一些關於 如何真正將土壤和地形相結合或綜合分析的結論。土壤空間變異性一直被看作是理解生態模式的 一個關鍵問題。Ibá?ez等和 Parsons指出土壤是主要的非生物生境異質性構成組分之一，反映一些環境因素的影響，地形作為景觀要素，其數據應該得到 重視並分析。Ibá?ez等研究的文獻中土壤和地形多樣性均受到注意。其中，Ibá?ez等在1:20 000 比例尺尺度下研究了西班牙中部山脈兩個流域間盆地的土壤多樣性-地區間的關係，河流等級與盆地面積平均值呈正相關關係。同樣地，盆地面積-土壤豐富度間的關係符合冪律。但是，很少有研究去分析更多要素間的關係，如生物多樣性與地形、岩性多樣性與地形、生物多樣性與地形之間的關係。Ibá?ez 等和 Toomanian指出土壤多樣性和地形多樣性之間呈正相關關係，土壤多樣性和岩性多樣性之間也是如此；Ibá?ez 等指出地形、地質和土壤作為一種不可再生的自然資源，其多樣性的描述和量化在評估景觀 的生態價值時應該被考慮到。這強調了需要一個可檢 驗的假設去論證闡述、量化和構建景觀時空模型；Ibá?ez等根據生態學文獻中描述的物種-面積的關 系和多度分布模型(abundance distribution models)發現植物多樣性、地形多樣性和土壤多樣性的模式有很 大的相似之處，這表明生物的和非生物的構成組分的控制和結構有普遍的相似之處。此外，Pavlopoulos 等指出可用地貌地圖來研究土壤-地形間的關係；Salda?a 等指出土壤和地形的平均密度是研究其空 間異質性的一個可行性指標。

在國內，檀滿枝等在山東省 1:100 萬 SOTER資料庫的支持下，運用經典的仙農熵測度方法對不同地形上的土壤類型多樣性及分布模式進行研究；張學 雷等基於海南島土壤-地形體資料庫(SOTER)，對研究區不同地形上土壤發生層次、土層厚度和土壤容重等土壤性質的豐富度指數、多樣性指數和均勻度指 數進行計算並探索分布模式；本文作者近期嘗試以地 形為基礎對河南省的土壤多樣性格局進行分析，並對 河南省地形、土壤和地表水體多樣性格局的特徵及關聯分析進行研究。 因此，土壤多樣性和地形地貌多樣性似乎遵循類似的模式，其模式的統計隨著時間和面積而增加，表明系統的複雜性在增加。實際上，生物多樣性、地貌 多樣性和土壤多樣性的模式有很大的相似之處。

3.2 土壤多樣性與土地利用

城市規模的迅速擴張和城市人口的迅速增加在一定程度上破壞了全球的土壤多樣性，且這種擴張帶來的衝擊在50~100a中仍將繼續，土壤多樣性處於 危險之中。Guo 等證明土地利用變化導致一 些土系已經瀕臨滅絕。同樣地，Lo Papa等展示了 在西西里島過去的53 a間喪失的土壤多樣性，並運 用馬爾科夫鏈和元胞自動機展示了引人注目的預測 場景，Dazzi等研究了農村地區農業工業化過程所 引起的干擾。這些研究表明，隨著城市化和工業化的 發展，將有越來越多的自然土壤演變為城市土壤，在改變自然土壤類型的同時也使之喪失了固有的生產 和生態功能。

Zhang等研究了在中國經濟高速發展過程中，土地利用變化對土壤多樣性的影響及其產生的生態 環境效應。段金龍和張學雷以南京市為例對土壤和土地利用多樣性進行關聯評價，並對中國中、東部典型區域的土壤與土地利用多樣性的關聯性進行對比研究。張學雷等對河南省中南部樣區的土壤、 土地利用多樣性與相關景觀指數的關聯性進行研究。 鍾國敏等對鄭州市的土壤多樣性和土地利用多樣 性的關聯性進行分析。

綜上，將多樣性的理論運用到土壤和土地利用多 樣性間的關聯評價上是切實可行的，人類活動帶來的 土地利用導致一些自然土壤的消失，對土壤多樣性和 土地利用多樣性進行研究可以了解土地利用變化帶 來的土壤多樣性的變化及二者之間相關性的變化。

3.3 土壤多樣性與水體

關於土壤和地表水體多樣性間的關係，國內外也有一些研究。Ibá?ez運用多樣性指數描述西班牙一定等級體系的流域盆地中土壤地貌景觀的複雜性， 也用相同的方法來分析河流切割地貌的演變，指出流 水下切和流域的等級化通過時間過程導致了河網的地貌單元數量增加了大約75%，土壤豐富度增加了51.5%。Toomanian 和 Esfandiarpoor以及 Phillips發現土壤多樣性-面積關係在河流階地的年代序列上符合指數定律。Hupp指出隨著河網的不斷發展， 地貌單元的數量和地表植物群的豐富度間為正相關。

段金龍等探索了一定網格尺度下中國中東部典型樣區土壤和地表水體多樣性和河南省典型樣區地表水空間分布與土壤類別多樣性的關聯性，文中用空間分布面積指數來衡量地表水體多樣性，且研究 樣區局限在較小的行政區域。任圓圓和張學雷將空間粒度方法引入到地表水體多樣性的研究之中，並用空間分布長度指數探討中國中、東部典型縣域土壤與地表水體多樣性的粒度效應及關聯分析。

3.4 土壤多樣性與植被

在自然界中，土壤和植被相互依存，且有明顯的協同進化關係，植被在土壤的形成及演變過程中起著 主導作用，反過來，土壤使得植被得以存活，兩者之間多樣性關係對於彼此發生及演化有重要的指示意義。Westhoff 和 van der Maarel指出歐洲植物地理 學院把植物社會學稱為是一門專註於植物群落分類 的學科，它有植物社會學命名的國際編碼。綜合分類系統劃分植物自然植被單元考慮了所有影響植 物群落多樣性分布的環境變數，通過把他們添加到每 一種綜合分類的正式命名中。比如，在生物氣候學領 域，綜合分類方法主要考慮了基於多種多樣自然植被 為基礎的植物群落和氣候因素去發展植物景觀的分類。然而，Rivas-Martínez指出地植物學學派也 考慮了土壤的、地貌的和岩性的異質性特徵來分類植 物-土壤在景觀水平層面上的關係。在綜合分類系統 框架中，植物群落命名包括術語比如 climatophilous 氣候群落(只取決於氣候因素的植物群落，)喜鹼性群 落(指生長在富含鹽基營養成分、偏鹼性土壤類別上 的植物群落)；硅質群落(指生長在營養成分貧乏、偏酸性土壤類別上的植物群落)，另外還有與富含鈣質 土壤類別密切相關的喜鈣性群落。總之，這些多因素 中主要是氣候，也包含土壤的、地貌的和岩性的，它 們之間的多樣性關係密切而有意義。在國內，段金龍 等將多樣性理論應用於區域熱環境的空間離散性 評價中，通過多樣性的研究方法，將一定區域內地表 水體、歸一化植被指數和地表溫度等要素結合起來， 研究表明高的植被覆蓋度往往伴隨著較低的地表溫 度，更高的地表水體或植被覆蓋空間分布多樣性則意 味著更好的環境質量。

4 結語

將地形、土地利用、水體和植被等地學要素加入到土壤多樣性的研究中，有利於更深入了解土壤多樣 性的格局和空間離散性分布及其成因。繼土壤多樣性 研究實踐以來，如何把握從土壤多樣性到地多樣性的 研究跨越，並將它們之間的發生機理有機結合，具有很大的應用前景和研究空間，從國內外研究實踐來看 也符合土壤地理學的研究趨勢，儘管存在挑戰性。一方面，土壤的變異是一個自然過程主導的，但土壤分類是人為定義的系統，對於地學的諸多自然要素，通 過多樣性各種指數的計算，能否把分類系統(人為刻 畫)和土壤變異(自然主導)兩者區分開來分別研究土 壤多樣性與地多樣性間的關係？另一方面，地多樣性 包含較多的自然要素，如何更好地整合土壤多樣性與 它們的關係，並將研究成果應用到社會發展、生態系 統的可持續性等方面還都有待探索。

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