土壤作为地球水圈、大气圈、生物圈与岩层圈的接触面，成为联系各圈层的纽带，有着平衡水循环、影响大气组成、提供生物生存条件和支持地质循环的作用。地形地貌是决定土壤类型的重要因素之一。将地形与土壤分布联系起来探讨不同地形上的土壤类型及土壤空间多样性分布，是国内学者研究的热点之一^[1]。中国是世界上土壤荒漠化最为严重的国家之一^[2]。人口的不断增加、对自然资源的不断索取和土壤的不断沙化危害着中国的土地资源安全。中国积极采取了一系列防治荒漠化的政策与措施，有效减缓了荒漠化进程^[3]。但是荒漠化地区仍然面临着巨大的土壤流失、植被和生物多样性减少的挑战。对中国荒漠化地区的地形、土壤特征及两者的相关性进行研究，不但可以了解荒漠化地区的现状，而且能为土壤及荒漠化研究提供重要支持。

近年来，部分学者对土壤多样性做了相关研究。21世纪初，陈杰等^[4]介绍了西班牙学者伊伯内兹提出的土壤多样性相关概念及计量方法；檀满枝等^[5]基于SOTER数据对山东省不同地形上土壤多样性及均匀度进行计算，研究各地形上土壤面积的分布情况；孙燕瓷等^[6]利用四期遥感资料研究了城市化背景下的土壤多样性时空变化，分析城市化对土壤多样性的影像；刘洪蓬等^[7]对罗布泊地区土壤进行多样性研究，以地质为基础分析土壤构成，总结土壤多样性的影响因素；毕如田等^[8]基于土壤图和DEM图，运用景观格局软件计算土壤的多样性和丰富度指数，分析了涑水河流域土壤类型的特征；任圆圆等^[9]对河南省域土壤多样性的空间分布格局进行了研究。由此可见，将地学要素与土壤多样性研究进行结合^[10-11]，整合两者间的关系，是当前土壤地理学的研究趋势。

本研究在总结已有研究的基础上，采用段金龙等^[12]改进的Shannon公式，选择中国面积最大的荒漠生态类型的国家级自然保护区——连古城国家级自然保护区作为研究区域，尝试将土壤多样性研究从生态学多样性方法向地学要素的空间分布离散性方法转变，并引入景观生态学的相关方法^[13-17]，应用丰富度、破碎度、均匀度和优势度等综合衡量土壤的分布情况，研究荒漠系统下不同地形的土壤分布特征，探讨空间尺度下的土壤多样性分布，对保护脆弱的荒漠生态系统、维护甘肃西部乃至中国西部国土安全具有重要意义。

1.   材料与方法

1.1   研究区概况

连古城国家级自然保护区位于甘肃省民勤县境内的荒漠区域内(N38°10′08″~39°09′10″，E103°30′00″~103°57′40″)，北、西、南三面被民勤绿洲包围，是腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠与民勤绿洲的天然缓冲带，总面积3900.57 km²。保护区属于温带大陆性极干旱气候，伴随有明显的蒙新沙漠气候特点，干燥温差大，蒸发强烈多风沙，光热充足降水少，晚霜较迟但早霜早。保护区位于武威盆地和民勤盆地内，总的地势是西南高、东北低。保护区多年平均降水量115.5 mm，而蒸发量却达2651.3 mm，是降水量的23倍。

1.2   研究方法

1.2.1   地形的划分

采集2016年民勤县遥感数据，运用ArcGIS 10.5空间分析模块对数据进行裁剪，得到保护区DEM数据，利用表面分析功能提取等高线，按照陆地上基本地形的划分标准，提取出平原、山地、丘陵和盆地4种地形，作为研究的基础数据。

1.2.2   土壤类型的划分

土壤数据来自连古城国家级自然保护区第2次科考的矢量数据，根据成土条件、成土过程和土壤表面属性对土壤类型及其亚类进行划分。

1.2.3   不同地形下的土壤分布

在20世纪90年代，西班牙学者伊伯内兹提出了用生态学的方法分析土壤多样性^[1]。普通的生态学多样性研究主要是计算土壤丰富度指数和Shannon指数，以衡量土壤类型及分布均匀程度^[10]。本研究将保护区1 km×1 km网格图、土壤图和地形图在ArcGIS中进行叠加分析，获取基础数据；引入景观生态学方法，以土壤类型亚类为单位，采用以下6种景观格局指数^[13-17]，探讨保护区土壤类型分布的多样性及离散程度。

(1)土壤丰富度指数(P_a)：衡量土壤类型的多少。

式中，S为土壤类型数。

(2)破碎度指数(C)：反映土壤被分割的破碎程度及其空间结构的复杂性。

式中，N_i为第i类土壤的斑块数；A_i为第i类土壤的总面积。

(3)多样性指数(H′)：反映土壤异质性及多样性，特别是土壤的类型非均衡分布状况。

This page contains the following errors:

Below is a rendering of the page up to the first error.

(4)均匀度指数(J)：反映土壤类别在地形上的分布均衡程度。

This page contains the following errors:

Below is a rendering of the page up to the first error.

(5)优势度指数(D)：反映某种土壤在所有研究区域中的支配优势程度。

(6)改进的Shannon指数^[12](Y_h)：反映土壤类型分布的空间离散程度和土壤多样性格局。

This page contains the following errors:

Below is a rendering of the page up to the first error.

2.   结果与分析

2.1   地形

由图1可见：用等高线将研究区分为平原、山地、丘陵和盆地4类。保护区内地形以平原为主，面积为 3458.40 km²，占保护区面积的 88.66%；山地面积为279.46 km²，占保护区面积的7.16%；丘陵面积为154.91 km²，占保护区面积的3.97%；盆地面积最小，仅为7.80 km²，占保护区面积的0.2%。

图  1  连古城国家级自然保护区地形图

Figure  1.  Topographic map of Liangucheng National Nature Reserve

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   土壤

由表1可知：连古城国家级自然保护区内土壤类型可划分为15个亚类，且土壤类型以风沙土为主，灰棕漠土次之，面积较少的为草甸土。由此可知：保护区内土壤沙化严重。

表  1  连古城国家级自然保护区土壤

Table  1.  Soil of Liangucheng National Nature Reserve

土壤类型 soil type		面积/km2 area	合计/km2 total	面积占比/% area ratio total
灰棕漠土 grey brown desert soil	灰棕漠土 grey brown desert soil	144.07	1116.56	28.63
	石膏灰棕漠土 gypsum lime brown desert soil	196.72
	山地灰棕漠土 grey brown desert soil in mountainous area	129.02
	沙化灰棕漠土 desertified grey-brown desert soil	60.05
	沙砾质灰棕漠土 gravel grey-brown desert soil	586.70
风沙土 aeolian sandy soil	固定风沙土 fixed aeolian sandy soil	42.24	2412.58	61.85
	半固定风沙土 semi-fixed aeolian sandy soil	288.98
	流动风沙土 mobilized aeolian sandy soil	2081.36
盐土 saline soil	盐土 saline soil	47.48	355.31	9.11
	草甸盐土 meadow saline soil	52.11
	残积盐土 residual saline soil	240.15
	沙化盐土 desertified saline soil	15.57
草甸土 meadow soil	草甸土 meadow soil	1.60	16.13	0.41
	荒漠化草甸土 desertification meadow soil	11.36
	灌耕草甸土 shrubbing meadow soil	3.17

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.3   不同地形下的土壤分布

2.3.1   土壤丰富度

由表2可知：平原、山地、盆地和丘陵的土壤丰富度指数依次递减，平原区具有研究区内的所有土壤种类，土壤丰富度指数最大；丘陵区内只有2种土壤。

表  2  连古城国家级自然保护区不同地形下的土壤的景观格局指数

Table  2.  Landscape pattern index of soil under different topography in Liangucheng National Nature Reserve

地形 terrain	土壤丰富度指数 soil richness index	土壤破碎度指数 soil fragmentation index	土壤多样性指数 soil diversity index	土壤均匀度 soil evenness index	土壤优势度 soil dominance index
平原plain	15	0.035	1.643	0.607	1.245
山地 mountainous region	6	0.061	1.463	0.817	0.149
盆地basin	3	0.897	1.048	0.954	0.051
丘陵hill	2	0.026	0.202	0.292	0.491

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.3.2   土壤破碎度

由图1和表2可知：盆地区土壤破碎度指数最大，即在单位面积内斑块数量比较多，单个斑块的面积较小，因而各个土壤斑块间的连接程度低，土壤生态系统较为脆弱。平原和丘陵区的土壤破碎度指数较小，说明区域内土壤的连接性较好，土壤斑块数量少，单个斑块面积大，该区域的土壤自然条件较好。

2.3.3   土壤多样性

由表2、3可知：保护区的土壤多样性指数在空间上具有较大的差别。平原区面积大，土壤种类最多，多样性指数最大；丘陵区仅有灰棕漠土和流动风沙土2种土壤，但这2种土壤的面积差别较大，因而区内土壤种类分布不均匀；盆地区面积最小，其土壤类型包括流动风沙土、盐土和草甸盐土，但由于这3种土壤面积相似，故盆地的土壤种类多样性高于丘陵。

表  3  连古城国家级自然保护区不同地形的土壤分布空间和离散程度

Table  3.  Spatial distribution and dispersion of soil distribution in different topography of Liangucheng Nature Reserve

土壤类型 soil type		平原 plain			山地 mountainous region			丘陵 hill			盆地 basin
		面积/ km2 area	改进的 Shannon指数 improved Shonnon’s index		面积/ km2 area	改进的 Shannon指数 improved Shonnon’s index		面积/ km2 area	改进的 Shannon指数 improved Shonnon’s index		面积/ km2 area	改进的 Shannon指数 improved Shonnon’s index
灰棕漠土 grey brown desert soil	灰棕漠土 grey brown desert soil	136.12	0.604		—	—		7.95	0.460		—	—
	石膏灰棕漠土 gypsum lime brown desert soil	139.21	0.608		57.51	0.698		—	—		—	—
	山地灰棕漠土 grey brown desert soil in mountainous area	68.85	0.538		60.17	0.703		—	—		—	—
	沙化灰棕漠土 desertified grey-brown desert soil	56.00	0.512		4.05	0.362		—	—		—	—
	沙砾质灰棕漠土 gravel grey-brown desert soil	562.36	0.754		24.34	0.609		—	—		—	—
风沙土 aeolian sandy soil	固定风沙土 fixed aeolian sandy soil	42.24	0.489		—	—		—	—		—	—
	半固定风沙土 semi-fixed aeolian sandy soil	272.24	0.692		16.74	0.497		—	—		—	—
	流动风沙土 mobilized aeolian sandy soil	1 816.10	0.883		116.65	0.797		146.96	0.942		1.62	0.450
盐土 saline soil	盐土 saline soil	43.86	0.487		—	—		—	—		3.62	0.488
	草甸盐土 meadow saline soil	49.55	0.503		—	—		—	—		2.56	0.535
	残积盐土 residual saline soil	240.15	0.653		—	—		—	—		—	—
	沙化盐土 desertified saline soil	15.57	0.354		—	—		—	—		—	—
草甸土 meadow soil	草甸土 meadow soil	1.60	0.137		—	—		—	—		—	—
	荒漠化草甸土 desertification meadow soil	11.36	0.328		—	—		—	—		—	—
	灌耕草甸土 shrubbing meadow soil	3.17	0.201		—	—		—	—		—	—
平均 mean			0.516			0.611			0.701			0.491
总计 total		3 458.39	—		279.46	—		154.91	—		7.80	—

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.3.4   土壤均匀度

由表2、3可知：不同地形下的土壤均匀度存在较大差异，表现为盆地>山地>平原>丘陵。盆地土壤均匀度指数最高，说明盆地区土壤结构稳定，各土壤类型分布较为均匀；丘陵土壤均匀度低，该区域土壤零散分布，各土壤类型的面积差别较大，与实际情况相符合。

2.3.5   土壤优势度

由表2可知：平原区和丘陵区的优势度指数较大，说明在该区域内存在1种或几种起支配作用的土壤类型；盆地区的优势度最小为0.051，说明盆地内各土壤类型所占比例基本相同，没有优势土壤。

2.3.6   各地形土壤的空间分布离散程度

(1)平原区

由表3可知：平原区拥有15种土壤类型，即包含研究区内所有的土壤种类。连古城国家级自然保护区气候干燥，蒸发量强而降水少，温差较大；其平原地区地下水位高，物理风化强烈，土壤形成过程受气候的影响，在风沙的吹蚀搬运下，流动风沙土在平原区面积最大，分布范围最广，分布离散程度也最大，在平原地区的东北部、中部和南部大面积分布；沙砾质灰棕漠土在平原区面积仅少于流动风沙土，保护区内95.85%的沙砾质灰棕漠土分布于平原区，空间分布多样性较大，位于平原区西北部和北部。这2种土壤为平原区内的优势土壤。

保护区内有6种土壤类型仅存在于平原区，分别为：固定风沙土、残积盐土、沙化盐土、草甸土、荒漠化草甸土和灌耕草甸土。草甸土是由冲积物和洪积物发育成的半水成型土壤，而保护区3种草甸土均位于平原区。由于河流和渠道流水的渗透补充，平原区地下水位始终较高(0.5~2 m)，水质好，矿化度低，土壤生草化过程仍在继续，但草甸土、荒漠化草甸土和灌溉草甸土的空间分布多样性较低。此外，有6种土壤在平原区分布的面积占土壤类型总面积的90%以上，分别为：灰棕漠土、沙化灰棕漠土、沙砾质灰棕漠土、半固定风沙土、盐土和草甸盐土。

总体而言，平原区土壤种类多，但各土壤的空间分布差异大。将所有平原区土壤空间分布多样性求算术平均值，得到平原区土壤空间多样性为0.516，说明其土壤空间多样性并不高，这是因为虽然区内土壤种类多，占全区土壤面积大，但各种土壤之间的面积及分布差异大，土壤优势度大，各土壤间的差距明显，优势土壤大范围分布于整个平原区，而其他土壤则分布集中，空间离散性小。

(2)山地区

由表3可知：山地区共有6种土壤分布，为石膏灰棕漠土、山地灰棕漠土、沙化灰棕漠土、沙砾质灰棕漠土、半固定风沙土和流动风沙土。山地区海拔较高，降水少，距离地下水位深，土壤形成过程不受地下水的影响。由于风蚀作用，山体圆浑、无尖锐山峰，基岩表面被剥碎沙石覆盖。形成了地带性土壤灰棕漠土。流动风沙土在山地区面积大，空间分布离散程度最高；山地灰棕漠土和石膏灰棕漠土的空间分布离散程度也较高。山地区内6种土壤的空间分布离散程度大小为流动风沙土>山地灰棕漠土>石膏灰棕漠土>沙砾质灰棕漠土>半固定风沙土>沙化灰棕漠土。山地区土壤空间多样性的算术平均值为0.611，次于丘陵区，土壤分布较为分散。

(3)丘陵区

由表3可知：丘陵区内仅有流动风沙土和灰棕漠土2种土壤类型；起伏和缓，没有明显的脉络，顶部浑圆，切割破碎，无一定方向，位于保护区南部(图1)。流动风沙土面积较大，土壤空间分布离散程度也最大，是丘陵区的优势土壤；灰棕漠土位于丘陵区的西南部，仅有1块图斑，土壤空间离散程度较小。丘陵区土壤组分构成简单，分布单一。区内土壤空间多样性的算术平均值为0.701，是4种地形中空间分布多样性最高的区域。

(4)盆地区

由表3可知：盆地区有3种土壤类型，分别为流动风沙土、盐土和草甸盐土，三者的面积和分布离散程度差别均不大。盆地为保护区内地势较低地区，地下水位较高，土壤形成经过沼泽化和草甸化，地下水流动时夹带溶解了土壤中的盐分，矿化度高，强烈的蒸发将盐分由地下带至地上，易引起土壤盐渍化。盆地区盐土的面积最大，但由于分布集中，其空间分布离散程度低于草甸盐土。流动风沙土的空间多样性指数最低。在盆地区，无优势土壤，组分均匀，空间分布多样性的平均值为0.491，是4种地形中土壤空间多样性最低的区域。

3.   讨论

本研究表明：连古城国家级自然保护区地形分为平原、山地、丘陵和盆地4种，其中平原区面积和地形分布多样性均最大；平原、山地、丘陵3种地形的优势土壤均为流动风沙土，其分布面积大，离散性高，研究区内沙化土壤大面积分布；且不同地形上的不同土壤分布状况存在差异。该结果与刘洪蓬等^[7]对罗布泊地区土壤多样性进行分析结果相似，说明土壤多样性结果将受到土壤面积、土壤亚类面积及土壤类型分布情况等的影响。可以判断出地形与土壤在形成及空间分布中有着一定关联。与毕如田等^[8]采用简单的景观格局指数方法分析涑水河土壤多样性相比较，本研究进一步采用改进的Shannon指数进行分析，结果表明：土壤丰富度指数平原>山地>盆地>丘陵，土壤破碎度指数盆地>山地>平原>丘陵，土壤均匀度指数盆地>山地>平原>丘陵，土壤优势度指数平原>丘陵>山地>盆地，说明土壤多样性分布是土壤分类、各类土壤面积和分布单元综合决定的。用生态学的观点来解释土壤多样性的结果，能更好地说明土壤分布的性质。与任园园等^[9]对河南省地形多样性与地形多样性格局特征的研究相比，本研究缺少对地形与土壤分布关联的定量分析，在之后的研究中，还需要解决如何将多样性与其他资源多样性进行比较和联系^[18]，探寻更加有代表性的模型进一步为地形与土壤多样性研究的定性理解提供定量数据支持。