全 文 ：海南岛不同地形上某些土壤化学性质的多样性分析*
张学雷* * 陈 杰 张甘霖
(中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室,南京 210008)
摘要 多样性指数长时间以来在生态学领域被用于分析不同生态体的发生规律. 将类似手段用于某些
土壤化学性质(土壤 pH 值、表层阳离子代换量和表层有机质含量)多样性的分析中,讨论了基于海南岛土
壤地体数字化数据库( SOT ER) ,通过对不同地形上土壤 pH 值、表层阳离子代换量和表层有机质含量类
别 SOTER单元的丰富度指数( S)、多样性指数( Shannon 指数 H ! )和均匀度指数( Pielou E)的计算, 建立
了类别多度分布模型, 并在地理信息系统环境中实现了海南岛不同地形上土壤化学性质多样性分析的数
字化表达. 研究表明,上述研究路线具有可操作性 ,几种多样性指数和多度分布模型的建立可以较好地反
映不同地形上土壤化学性质类别的空间变异特点 .因此, SOTER单元作为土壤性质多样性的测度单元是
可行的.
关键词 海南岛 SOTER数据库 多样性指数 多度分布模型 土壤化学性质 地形 GIS 空间分析
文章编号 1001- 9332( 2004) 08- 1368- 05 中图分类号 S159 文献标识码 A
Landformbased pedodiversity of some soil chemical properties in Hainan Island, China. ZHANG Xuelei, CHEN
Jie, ZHANG Ganlin ( S tate K ey L aborator y of Soil and Sustainable Agr icultur e, I nstituy te of Soil Science, Chi
nese A cademy of Sciences , Nanj ing 210008, China) . Chin. J . A ppl . Ecol. , 2004, 15( 8) : 1368~ 1372.
Diversity indices and abundance distribution models are the statistical tools having been applied by ecologists for
decades to analyze the intr insic regularities of various ecological entities. In this work, similar techniques w ere
used to analyze the pedodiv ersity o f some soil chemical properties in Hainan Island, China, and discussions w ere
conducted on the basis of related SOTER digital databases. Through t he calculation of the richness ( S ) , diversity
( H! ) and evenness ( E ) of pH value, CEC and organic matter content in surface soil of differ ent landforms and
the establishment and application of the multidistribution models of these soil chemical pr operties, t he pedodiv er
sity of some soil chemical properties of differ ent landforms in Hainan Island in the GIS environment could be ex
pressed digitally.
Key words Hainan Island, SOTER digital databases, Diversity index , Soil chemical properties, L andforms,
Abundance distr ibution models, GIS spatial analysis.
* 国家自然科学基金资助项目( 40171044) .
* * 通讯联系人.
2003- 05- 23收稿, 2003- 09- 04接受.
1 引 言
多年以来, 生物多样性测度十分普遍[ 1, 2, 7~ 10] ,
然而土壤多样性( pedodiversity )的测度相比之下却
鲜有进展,尽管这些方面的研究内容一定是丰富的,
也应该被认知. 因为包括土壤多样性在内的地多样
性( geodiversity)测度,对研究地球的地质历史、发展
过程及其模拟, 气候与景观的变迁,生命的起源与进
化,皆有重要意义. 最近, 土壤学家开始涉足与生物
学家相似的问题,如种类的多样性指数的表达、多度
模型的分布规律等[ 5, 6] . 与生物多样性研究领域不
同,在研究土壤多样性的时候,定量化的方法难以确
定. Ibez等[ 5]试图通过制定自然或半自然 ( semi
natural)土壤保护的科学指标,来影响整个欧洲保护
生物与土壤多样性的政策.
由于这些不可更新的自然资源具有定性和定量
化地反映景观生态系统的结构, 在评估某一疆域生
态值的时候, 需要考虑包括土壤多样性在内的诸多
地多样性(如地形多样性、岩石多样性)的特征化与
定量化.同时,这也为研究不同地区环境下生态环境
结构及其定量化开辟了新的途径[ 6] .
事实上, 朴素的土壤多样性概念从土壤调查与
土壤分类的开始阶段便在对土壤变异的研究中得到
应用,目前所缺乏的是规范的土壤多样性概念和完
善的土壤多样性计量框架. 也正因为如此,这方面发
人深思的开创性初步研究结果令人鼓舞. 作为土壤
计量学的重要组成部分, 新发展起来的土壤多样性
分析理论被认为是对计量土壤学的最新发展和值得
深入研究的最新领域. 作为一种创新的方法,土壤多
样性研究应在土壤系统的重新评估、土地利用与管
理,以及自然资源与环境保护方面发挥更大的作用.
应 用 生 态 学 报 2004 年 8 月 第 15 卷 第 8 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Aug 2004, 15( 8)∀1368~ 1372
此前,我们已经将包括土壤多样性、地形多样性
在内的地多样性理论与方法介绍到中国[ 3, 15] , 并且
在海南 SOTER 数据库的支持下, 对海南省诸如成
土母质[ 4]、地形和土壤[ 14]等地学要素的多样性特点
进行多方位、多层次的分析研究.继上述对土壤等地
学要素类型多样性研究后, 本文对土壤的发生性质
进行多样性的分析,作为土壤多样性理论与方法探
索的深入和延伸.
2 研究地区与研究方法
21 研究地区概况
海南岛位于中国南部,面积 34 # 104 km2 ,人口 724 万,
行政区划上是一个年轻的省份. 由于海南岛地处热带地区,
各自然要素的发育演化趋向成熟与彻底(如土壤发育至富铁
土、铁铝土) , 自然环境条件多样性丰富. 该区气候属于热带
季风型,年均温 22~ 26 ∃ , 年均降水东部约 2 000 mm、西部
约 1 000 mm.
22 研究方法
221 数据收集与处理 数据源自海南省 SOTER 数据库,
对有属性数据库连接的 SOTER 图斑进行有关数据的提取、
计算、模型跟踪以及 GIS 空间分析. SOTER 是土壤地体数
字化数据库( soil and terr ain digital databases)的简写,是新近
发展起来的一种集地形地貌、地质状况和土壤类型及属性于
一体的计算机化的现代制图方法. SOTER方法论的基础是,
通过系统划分具有明确定义和常常重复出现的自然地理区
域,利用现代信息技术, 建立一个包括数据化的地图单元和
它的属性数据的土壤地体数据库. SOTER 方法以地形、岩
性和土壤作为 3类基础数据, 划分%均一&的地形岩性土壤
单元, 即 SOT ER 单元, 单元的空间关系由 G1S 管理. 相应
地,每一个 SOTER 单元都包含全面的地形、岩性、土壤信
息,共 118 个属性.这些数据以关系型数据库进行管理, 它们
包括:地体、地体组分、地体组分数据、土壤组分、剖面、发生
层数据库等 6个子库, 通过特定的标识码连接.本研究选取
土壤信息库中的 pH 值、表层阳离子代换量和表层有机质含
量几项土壤化学性质作为计算内容.
222 分析方法 主要分析方法是对不同地形上包含的土
壤化学性质信息的 SOTER 单元的丰富度指数、多样性指数
和均匀度指数进行计算, 建立了各种性质类别多度分布模
型,并在地理信息系统环境中实现了海南岛不同地形土壤化
学性质多样性的数字化表达. 与生物多样性分析相似, 我们
选用丰富度指数 S(指不同地形上包含的各种土壤化学性质
信息的 SOTER 单元的数目)、E 均匀度指数( Pielou 指数, 指
不同地形上包含各种土壤化学性质信息的 SOT ER 单元出
现的比例)和多样性指数 H∋( Shannon 指数)进行有关计算.
H∋ = - p iln p i
式中, H∋是 Shannon指数, p i 通过n i / N 而得, n i 是被第 i 包
含特定土壤化学性质信息的 SOTER单元的数目或面积, N
是某种地形 SOTER 单元的总数目或总面积. 观测 H∋值和其
最大值 Hmax (所有包含各种土壤化学性质信息的 SOTER 单
元等概率出现时的 H∋值)的关系被用来计量均匀指数 (即
Pielou 均匀指数) . 均匀指数用于表征不同地形区域内各种
土壤化学性质类别分布的均衡程度:
E= H∋/ H max= H∋/ lnS
式中, S 为类别丰富度, E 取值范围为 0 至 1之间 .
物种单元多度分布模型在生态学研究中常被使用,如几
何分布模型( geometric ser ies model)、断棒分布模型( br oken
stick model)等. 通过试验,作为这几个模型混合物( a mixture
of several models)的对数正态模型( lognormal model) 适用于
我们的数据.
单位长度被任意选点截断成 2 段, 在第 2 段上再被任意
选点截断成 2 段, 这样得到的 3 段再按照上述做法被任意截
断下去, 依次类推所得到的所有线段的长度分布符合对数正
态模型. 在生态学中,对数正态模型被解释为: 在一个多物种
环境资源的群社中, 所有物种按上述规律划分, 每一个种类
按照其在整个物种环境资源的份额出现, 所有种类的多度分
布符合对数正态模型. 此方法也曾在土壤学领域中被用于模
拟土壤聚合体( agg regates)和颗粒( part iclesize)的组成. 对数
正态模型的数学涵义, 可用方程表示:
f ( x ) =
1
22y exp
- ( lo gx - y) 2
22
式中, y 和y 分别是随机变量平均值( random variable mean)
和 y= logx 的标准方差( standard deviation) .
参数 !也被用来表征此分布:
!= y log2
2logST - log ( 22y) )
式中, ST 为种类总数.当此参数等于 1 时, 被称为规范对数
正态分布( canonical lognormal distribution) .
3 结果与讨论
31 多样性指数的计算与分析
我们根据包含特定土壤化学性质信息的 SOT
ER单元计算出以上 3 个指数, 以 H ∋1、H∋2、H ∋3、
E 1、E 2、E 3 和 S1、S 2、S 3 表示, 脚注 1、2、3分别指
土壤 pH 值、表层阳离子代换量和表层有机质含量
几项土壤化学性质相应的多样性指数 H ∋、丰富度指
数 S 和均匀度指数E (表 1) .从表 1可以看出: 1)平
原地形上发育的土壤 pH 值类别多样性指数最高
( 132) , 具有最高的多度值( 6种) , 而中坡度山地地
形上发育的土壤 pH 值类别具有最低的多样性指数
( 069)和多度值( 2 种) ; 谷底和中坡度山地上的土
壤 pH 值类别之间差别不大( 6、9、9个图斑和 5、4个
图斑) , 分布均匀, 所以有最高的均匀度指数( 099) ,
13698 期 张学雷等:海南岛不同地形上某些土壤化学性质的多样性分析
表 1 某些土壤化学性质多样性指数(H∋)、丰富度指数( S)和均匀度指数( E)
Table 1 Diversity indices calculated by the SOTER units relating to some soil chemical properties
地形 Landforms H∋1 H∋2 H∋3 E 1 E2 E 3 S 1 S 2 S 3
谷地 Valley 107 063 113 097 057 081 3 3 4
低坡度坡麓 Lowgradient foot slope 089 085 114 081 077 082 3 3 4
平原 Plain 132 100 141 074 062 079 6 5 6
谷底 Valley floor 108 106 098 099 096 089 3 3 3
中坡度丘陵 Mediumgradient hill 102 105 107 073 076 077 4 4 4
中坡度山地 Mediumgradient mountain 069 064 096 099 092 088 2 2 3
切割平原 Dissected plain 077 092 120 070 084 075 3 3 5
高坡度丘陵 Highgradient hill 127 082 116 080 075 084 5 3 4
高坡度山地 Highgradient mountain 089 091 128 064 083 079 4 3 5
而高坡度山地上发育的土壤 4个 pH 值类别之间相
差悬殊(最多 174个图斑,最少只有 6个图斑) . 2)谷
底地形上的土壤表层阳离子代换量类别具有较高的
多样性指数( 106) , 平原多度值最高( 5种) ,中坡度
山地具有最少的多度值( 2)和几乎最小的多样性指
数( 064) .谷底上 3种类别出现的图斑数目差别不
大( 9、10和 5个图斑) , 因此具有最高的均匀度指数
( 096) ,相反,谷地上的 3个类别出现的图斑数差别
大(最多 29, 最少 3个图斑) , 均匀度较低( 057) . 3)
平原上土壤表层有机质含量的类别多样性指数最高
( 141) ,多度值也是最多( 6种) ,中坡度山地这两个
值都最低; 谷底地形上土壤表层有机质含量的类别
出现的较为均匀,切割平原最不均匀.
32 不同地形上某些土壤化学性质的 SOTER单
元多度分布模型分析
使用%物种多样性和丰富度&软件( Species Di
versity and Richness, versionHenderson, 1998) , 计算
了 3种指数和多度分布模型.首先,要建立模型运行
所需数据集(表 2) , 可用 Microsoft Excel或其他数
据库软件完成.
其次,模型运行后给出不同地形上包含的不同
土壤化学性质信息的 SOTER单元, 表 3 列出了以
高坡度山地地形( TM )上土壤表层有机质为类别的
多度观测值( observed)和理想值( expected) .它们被
排列成多度等级, 每一个等级的上限值 ( upper
bound of each class)也同时给出.
表 2 从 SOTER数据库中提取的用于模型运行的数据集
Table 2 Data set col lected from SOTER databases for modeling
项目
Item
谷地
Valley
低坡度坡麓
Lowgradient
foot slope
平原
Plain
谷底
Valley
floor
中坡度丘陵
M edium
gradient
hill
中坡度山地
Medium
gradient
mount ain
切割平原
Dissected
plain
高坡度丘陵
High
g radient
hill
高坡度山地
High
g radient
mountain
pH
35~ 45 9 0 58 6 49 5 12 30 107
46~ 55 11 39 207 9 61 4 81 46 174
56~ 65 16 29 141 9 13 0 18 33 6
66~ 75 0 5 47 0 2 0 0 2 12
76~ 85 0 0 4 0 0 0 0 5 0
86~ 95 0 0 8 0 0 0 0 0 0
合计 T otal 36 73 465 24 125 9 111 116 299
阳离子交换量 CEC( cmol(kg1)
0~ 50 3 27 235 9 31 0 68 5 38
51~ 100 29 42 179 10 66 3 27 67 77
101~ 150 4 4 44 5 27 6 16 44 184
151~ 250 0 0 1 0 1 0 0 0 0
251~ 400 0 0 6 0 0 0 0 0 0
合计 T otal 36 73 465 24 125 9 111 116 299
有机质 Organic mat ter( g(kg- 1)
0~ 50 0 2 97 0 0 0 2 0 0
51~ 100 10 26 195 10 11 4 34 8 57
101~ 150 5 32 70 3 30 1 55 22 12
151~ 250 19 13 91 11 74 4 14 62 160
251~ 350 2 0 6 0 10 0 6 24 40
351~ 1000 0 0 6 0 0 0 0 0 30
合计 T otal 36 73 465 24 125 9 111 116 299
1370 应 用 生 态 学 报 15 卷
表 3 高坡度山地( TM)上土壤表层有机质类别多度分布
Table 3 Observed and expected abundances of SOTER units for land
form TM
多度等级
Abundance class
上限值
Upper limit
观测值
Observed
理想值
Expected
1 25 0 000700
2 45 0 003792
3 85 0 018132
4 165 1 057871
5 325 1 115800
6 645 2 141110
7 1285 0 103400
8 2565 1 059189
图 1 海南岛平原地形上土壤 pH 值( a)、表层阳离子代换量类别( b)
和表层有机质含量类别( c)的分布
Fig. 1 Map of the SOTER un it s relat ing to dif ferent types of pH value
( a) , CEC ( b) and organic mat ter ( c) for landform LP in Hainan .
图例 0为其他地形及相应的土壤性质类别 Legend 0 represents all
other landforms an d their related soil properties.
最后,模型还给出了观测值和理想值之间的卡
方( chisquared)检验结果, 高坡度山地地形上土壤
表层有机质类别( SOT ER 单元)多度分布差异显著
( P< 005) .由此可见, 该数据集符合对数正态模型
( data fits a log normal model) .
33 利用地理信息系统进行空间分析与表达
在地理信息系统软件 Arcview , 可以方便地显
示不同地形上包含的各种土壤化学性质信息的
SOTER单元的各种属性( ID码、数目、地理位置、面
积等) [ 11~ 13] .平原地形上土壤 pH 值、表层阳离子代
换量和表层有机质含量类别的分布特点见图 1. 在
该软件的图例编辑工具( legend edit tool)中, 可以得
到统计结果: 在 1443个图斑中, 除去城镇、水域等,
具有土壤信息的 SOTER图斑有 1258个, 符合平原
地形上的土壤 pH 值、土壤表层阳离子代换量类别
和表层有机质含量类别分别有 6、5 和 6 种, 共计
465个 SOT ER单元.
4 讨 论
多样性指数、多度分布模型等统计手段长时间
以来应用在生态学领域, 本研究将类似手段用于土
壤 pH 值、表层阳离子代换量和表层有机质含量等
某些土壤化学性质多样性的分析中, 讨论基于海南
岛土壤地形体数字化数据库( SOTER) , 通过对不
同地形上土壤 pH 值、表层阳离子代换量和表层有
机质含量等某些土壤化学性质类别的丰富度指数
( S )、多样性指数( Shannon指数 H∋)和均匀度指数
( Pielou E )的计算, 类别多度分布模型的建立与应
用,进而在地理信息系统环境中实现了海南岛不同
地形上土壤化学性质类别多样性的数字化表达. 研
究表明,上述研究路线具有可操作性,几种多样性指
数和多度分布模型的建立可以较好地反映不同地形
上土壤化学性质类别的空间变异特点, 从而说明选
取 SOTER单元作为土壤性质多样性的测度单元是
可行的.除本文研究的结论外,我们还计算了海南岛
不同母质上某些土壤物理和化学性质的多样性、不
同地形上某些土壤物理性质多样性等, 它们共同组
成了海南岛土壤发生性质的固有特点, 对保护环境
多样性和热带土壤的利用十分有意义.
致谢 本研究计算数据来源于海南岛 SOT ER 数据库.该数
据库由中国科学院南京土壤研究所、中国热带农业科学院和
国际土壤信息参比中心在联合国发展计划署项目 ( UNDP
Project CPR/ 96/ 105/ A99)资助下合作完成.
13718 期 张学雷等:海南岛不同地形上某些土壤化学性质的多样性分析
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作者简介 张学雷, 男, 1960 年生,副研究员, 主要从事土壤
资源与信息系统研究, 发表论文 50 余篇. T el: 8625
6881275, Email: XLZhang@ issas. ac. cn
1372 应 用 生 态 学 报 15 卷