快速城市化背景下土壤多樣性時空動態(tài)變化特征研究

快速城市化背景下土壤多樣性時空動態(tài)變化特征研究

1土壤多樣性的研究多樣性概念和分析方法來自信息論領域，近年來在生態(tài)系統(tǒng)中得到了廣泛應用，如生物物種的數量、形態(tài)和分析。然而，在整個生態(tài)系統(tǒng)中，多樣性分析非常集中于生物對象，在生態(tài)分析和生態(tài)系統(tǒng)中的景觀、地形和土壤等不可反生物資源的空間變異和空間變形仍然是一個薄弱環(huán)節(jié)。20世紀90年代，由西班牙總統(tǒng)ivanz領導的工作組提出了一種可能性，將生態(tài)領域的多樣性概念和方法引入到土壤空間變異和分布模型的分析中，并發(fā)展了與生態(tài)研究中生物多樣性平行的土壤多樣性概念。事實上，土壤多樣性的概念在土壤調查和分類分類的研究中得到了應用，但目前還不夠全面的土壤多樣性概念和合適的計量框架。委員會提出并發(fā)展的土壤多樣性理論被認為是土壤學學的最新發(fā)展和深化研究的新領域。自20世紀90年代土壤多樣性基本理論、方法創(chuàng)立以來,不斷引起多方的注意和研究興趣,先后有西班牙、中國、美國等國家進行此領域的研究.Ibán?ez等在西班牙中部和愛琴海地區(qū)的研究實踐,證實了被廣泛應用于生物多樣性分析的多樣性計量方法用于土壤空間變異和分布格局分析是完全可行的.我國在2001～2004年利用SOTER(土壤·地體數字化數據庫)展開的一系列研究也證明了這一點.然而,以往的研究側重于學科間的結合和理論的嘗試,對一個地區(qū)土壤多樣性時空動態(tài)變化特征及其影響因子和由此產生的生態(tài)環(huán)境效應缺乏深入研究.到2003年,美國首次進行了土地利用對土壤多樣性影響的初步定量化研究,其結果展現出良好的前景,表現在幾個方面:1)土壤數據庫的開發(fā)應用改善土壤數據和位置的真實性運用生態(tài)學界線而非行政區(qū)劃界線來鑒別土壤的分布,美國STATSGO/SSURGO數據庫為依照生態(tài)學界線鑒別土壤的分布提供了可能;3)定期監(jiān)控由土地利用變化引起的土壤多樣性的變化,對土壤變化速率進行定量化研究;4)將研究擴展到全球尺度,特別是熱帶、亞熱帶地區(qū)精深農業(yè)的擴張.遺憾的是,目前全球尺度基于地理信息系統(tǒng)的土壤數據庫尚未完善地建立起來;5)建立起未擾動土壤的社會價值;6)在土壤多樣性熱點問題上做出更多環(huán)境保護和管理方面的努力.自此,土地利用變化對土壤多樣性的影響逐漸受到人們的關注,而在眾多土地利用變化中,城市化是當今中國土地利用變化中的一個快速而頗受關注的過程.它對自然土壤資源的影響是直接占有式的、難以恢復的.蘇州地區(qū)是我國經濟發(fā)達、文化繁榮,城市化快速發(fā)展的一個典型區(qū)域.研究城市化對蘇州地區(qū)土壤多樣性的影響,對了解長三角蘇南地區(qū)土地利用與土地覆蓋變化,探索該地區(qū)土壤多樣性特征對區(qū)域開發(fā)、環(huán)境基因保護和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.2研究領域和方法2.1蘇州河道水文氣象概況蘇州地區(qū)位于江蘇省南部,長江三角洲中部,全市總面積8488km2,其中平原占55%,水面占42%,丘陵占3%,現轄滄浪、平江、金閶、虎丘、吳中、相城、蘇州工業(yè)園區(qū)、蘇州高新區(qū)等8個區(qū)和常熟、張家港、太倉、昆山、吳江5個縣級市,130個鎮(zhèn),總人口578萬人.境內河流縱橫,湖泊眾多,京杭運河貫通南北,望虞河、婁江、太浦河等連接東西,太湖、陽澄湖、昆承湖、淀山湖鑲嵌其間.蘇州地處溫帶,四季分明,氣候溫和,雨量充沛,物產豐富;年平均氣溫為16℃,無霜期較長,年降水量1100mm,主要集中在春夏兩季,降水量約占全年降雨量的65%左右.2.2土壤數據的利用本研究所使用的數據有蘇州地區(qū)城市擴張數據、1∶20萬土壤數據和市(區(qū))行政區(qū)劃數據.城市擴張數據通過對現有的4期TM遙感圖像(1984、1995、2000和2003年)進行人工目視解譯獲得.解譯前首先進行TM圖像的輻射糾正和幾何精糾正(所有數據的坐標系統(tǒng)采用高斯-克呂格投影,Beijing1954GKZone21N.prj).在解譯過程中,充分利用地形地貌圖等輔助數據,采用野外調查和室內解譯相結合的方法,對不確定的地區(qū)進行野外實地考察,運用GPS跟蹤定位技術,對土地利用現狀進行矯正、記錄.土壤數據為蘇州地區(qū)1∶20萬土壤數據庫.該數據庫由空間數據庫和屬性數據庫兩個子庫組成,屬性數據庫中包含了蘇州地區(qū)31種土屬類型的名稱(文中已參比《中國土壤系統(tǒng)分類檢索》轉換為國際通用的系統(tǒng)分類名稱)、土壤理化性質、土壤圖斑面積及土壤剖面理化性質等信息,空間數據庫和屬性數據庫之間通過唯一的ID代碼連接,通過ID代碼可以方便地進行數據查詢.屬性數據庫中缺失的數據通過2種途徑解決:1)利用土壤轉換方程(PTF)獲得;2)補采土壤樣品進行分析,為此新近補采了20多個剖面、300多個樣品.為了分析蘇州地區(qū)土壤多樣性的時空分布特征,疊加蘇州地區(qū)市(區(qū))行政區(qū)劃數據與蘇州地區(qū)土壤數據,得到蘇州所轄市(區(qū))土壤數據;用蘇州地區(qū)市(區(qū))行政區(qū)劃數據,分別和1984、1995、2000和2003年4期的城市擴張數據相疊加,獲得蘇州所轄市(區(qū))4個時期城市擴張動態(tài)變化數據,從而得到1984、1995、2000和2003年蘇州所轄市(區(qū))4個時期土壤動態(tài)變化數據.2.3學習方法2.3.1增加了豐富度指數的穩(wěn)定性本研究選用兩組多樣性測度方法:第1組多樣性指數選用Shannon指數(HP),均勻度指數選用Pielou指數(Jsw),豐富度指數選用Gleason指數(R2);第2組多樣性指數選用Simpson指數(D1),均勻度指數選用Heip指數(Jgi),豐富度指數(S).其中第2組多樣性測度指數的穩(wěn)定性均高于第1組,達到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的樣方數量:HP>D1、Jsw>Jgi、R2>S.因此,在樣方數量較少時D1、Jgi、S更能真實地反映區(qū)域間土壤多樣性特征,有利于對蘇州各市(區(qū))間土壤多樣性特征進行比較;第1組多樣性測度指數靈敏度較好,利于對蘇州地區(qū)近20年來城市化對土壤多樣性分布格局的影響及蘇州地區(qū)土壤多樣性的動態(tài)變化進行研究.不同土壤多樣性測定指數的數學表達式如下:式中,HP為Shannon指數,D1為Simpson指數,Jsw為Pielou指數,Jgi為Heip指數,R2為Gleason指數,S為蘇州地區(qū)各市(區(qū))土屬類型數目,N為蘇州地區(qū)各市(區(qū))土壤面積,Pi=Ni/N(i=1,2,3,...,S),Ni為蘇州地區(qū)各市(區(qū))內被第i個土屬所覆蓋的面積.2.3.2土壤多樣性變化緩慢程度為了研究土壤多樣性時空變化格局,我們引用土壤多樣性動態(tài)度模型來表達土壤多樣性變化快慢程度(以Shannon指數為例),數學式為:式中,SI為t時段內研究區(qū)域土壤多樣性變化速率,dHi為起始時間i研究區(qū)土壤多樣性指數,dHi-j為t時段內i研究區(qū)土壤多樣性指數變化量.2.3.3態(tài)度模型的建立不同土壤類型在城市化過程中面積變化率的區(qū)域差異,可以用土壤類型動態(tài)度模型來表達,數學表達式為:式中,R為與t時段對應的研究區(qū)不同土壤類型變化速率,ATi為起始時間i類土壤的總面積(km2),dATi-j為t時段內i類土壤轉化為城鎮(zhèn)用地的面積總和(km2).2.3.4城市化指數變化模型為了研究蘇州地區(qū)土地利用變化對土壤多樣性的影響,需要定義各類土地利用指數,如墾殖指數、城市化指數、林地指數等,從而定量表達蘇州地區(qū)某一土壤類型的利用情況和變化趨勢.由于數據庫正在建立中,文中僅計算了城市化指數.城市化指數的定義為:式中,I為研究區(qū)域的城市化指數,ai為研究區(qū)域內i類土壤所占的面積,AT為研究區(qū)土壤總面積.根據城市化指數定義,可定義城市化指數變化模型為:式中,Ia、Ib分別為b時間和a時間研究區(qū)域的城市化指數,ΔIb-a為在t(t=b-a)時間段城市化指數變化量,dIb-a為在t時間段城市化指數變化率.3結果與分析3.1土壤多樣性的空間分布蘇州地區(qū)自然土壤有31種土屬類型,其中粘壤質普通簡育水耕人為土和粉砂粘壤質普通簡育水耕人為土分布面積最廣,前者集中分布在常熟市、昆山市、吳江市東部地區(qū)和太湖周邊地區(qū)(蘇州高新區(qū)-虎丘區(qū)、平江區(qū)、滄浪區(qū)、金閶區(qū)、吳中區(qū)西部及相城區(qū)西部一帶),后者主要分布于張家港市、太倉市西南部、蘇州工業(yè)園區(qū)、相城區(qū)東部、吳中區(qū)東部地區(qū),吳江市、昆山市有零星分布.1984年2種類型土壤面積比重分別是31.66%和18.61%;受城市擴張的影響,2003年為26.55%和15.47%,減少了5.11%和3.14%,是蘇州地區(qū)城市擴張用地的主要土壤類型.分布面積僅次于粘壤質普通簡育水耕人為土和粉砂粘壤質普通簡育水耕人為土的是砂壤質石灰潮濕雛形土和壤質普通鐵滲水耕人為土.這兩種土壤大部分分布在沿江地區(qū).砂壤質石灰潮濕雛形土主要分布在張家港市及常熟市的東北部;壤質普通鐵滲水耕人為土主要分布在太倉市東部和北部地區(qū).1984年2種土壤類型的面積比重分別為9.80%、7.15%,2003年下降為3.85%、3.68%,減少0.81%、0.42%.壤質石灰淡色水耕人為土和粘壤質飽和粘盤濕潤淋溶土分布面積最小,僅在太倉市西部地區(qū)出現,屬于地方特有土壤類型,1984年面積比重分別為8‰和7‰,20年里面積沒有變化,說明還未受到城市化的干擾,這對地方特有物種保護和自然生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義.利用前面提到的多樣性計算公式,對12個市(區(qū))的6種土壤多樣性測定指數進行了計算(表1).由表1可以看出,土壤多樣性指數(Simpson指數)空間分布1984年由大到小依次為:吳中區(qū)>常熟市>吳江市>張家港市>相城區(qū)>昆山市>太倉市>蘇州高新區(qū)、虎丘區(qū)>蘇州工業(yè)園區(qū)>滄浪區(qū)>平江區(qū)>金閶區(qū).1995年滄浪區(qū)土壤多樣性指數降低37.81%,排序后退1位.與之相反,金閶區(qū)土壤多樣性指數增大35.01%.2000年滄浪區(qū)土壤多樣性指數由0.11下降到0.01,變化率達90%以上,土壤多樣性變?yōu)槿K州地區(qū)最低.這是由于滄浪區(qū)土壤類型單一,1995～2000粘壤質普通簡育滯水潛育土表面約95%變?yōu)槌擎?zhèn)用地所致.2003年平江區(qū)土壤多樣性大幅上升,這是由于土壤均勻度增大的緣故,而滄浪區(qū)土壤多樣性指數和土壤均勻度指數都降低39.37%,其他地區(qū)沒有明顯變化.土壤均勻度指數(Heip指數)空間分布1984年為常熟市>吳中區(qū)>吳江市>張家港市>昆山市>相城區(qū)>太倉市>蘇州高新區(qū)、虎丘區(qū)>蘇州工業(yè)園區(qū)>滄浪區(qū)>平江區(qū)>金閶區(qū).1995年滄浪區(qū)土壤均勻度指數降低37.81%,金閶區(qū)土壤均勻度指數增大35.01%;2000年滄浪區(qū)土壤均勻度指數降低90.2%,為全蘇州地區(qū)土壤均勻度最低的地區(qū);2003年太倉市、平江區(qū)均勻度指數變化超過1倍,這可能是由于主要土壤類型城市化過程中大面積減少,不同類型土壤趨向更加均勻分布所致.從土壤豐富度指數(S)來看,1984年包含土壤類型最多的市(區(qū))是吳中區(qū)(21),隨后依次是張家港市(14)、太倉市(14)、蘇州高新區(qū)、虎丘區(qū)(13)、吳江市(12)、常熟市(11)、相城區(qū)(9)、昆山市(7)、蘇州工業(yè)園區(qū)(7)、金閶區(qū)(2)、平江區(qū)(2)、滄浪區(qū)(2).2000年平江區(qū)的粘壤質普通簡育滯水潛育土表面約98%被城市化占用,瀕臨消失;2003年太倉市的砂質石灰性斑紋濕潤正常新成土在城市化過程中完全被占用,已經消失,土壤豐富度指數(S)由14降為13.由圖1可以看出,4個時期蘇州地區(qū)土壤多樣性動態(tài)變化具有以下特征:1)土壤多樣性指數和土壤均勻度指數年際變化具有相似的特點.一般而言,土壤多樣性指數隨土壤均勻度指數增大而增大(相關系數0.8以上).土壤豐富度指數(Gleason指數)在1984～1995年有很大的突變,變化率均達80%以上,部分地區(qū)(如平江區(qū)和滄浪區(qū))甚至成倍增大,這是因為20世紀90年代是蘇州地區(qū)城鎮(zhèn)建設快速發(fā)展的時期,不同類型土壤大面積減少,但是土壤類型數相對不變,從而使土壤豐富度大幅度上升.2)1984～1995年蘇州地區(qū)土壤多樣性動態(tài)度小于1%的無變化地區(qū)有吳江市(降低0.02%)、吳中區(qū)(降低0.02%)、太倉市(降低0.05%)、昆山市(降低0.55%)、張家港市(降低0.51%)、常熟市(增大0.61%)、相城區(qū)(增大0.60%),土壤多樣性動態(tài)度在1%≤SI<5%的緩慢變化地區(qū)有蘇州高新區(qū)(降低1.22%)、虎丘區(qū)(增大1.61%),為緩慢變化區(qū);土壤多樣性動態(tài)度在5%≤SI<15%的較快變化地區(qū)只有平江區(qū)(降低9.85%),土壤多樣性動態(tài)度>20%的急速變化地區(qū)有滄浪區(qū)(降低30.64%)和金閶區(qū)(增大27.17%),到2000年,常熟市、昆山市、吳江市、吳中區(qū)相城區(qū)張家港市土壤多樣性沒有明顯變化其中常熟市、吳中區(qū)、相城區(qū)土壤多樣性指數分別增大0.45%、0.52%和0.74%,昆山市、吳江市、張家港市土壤多樣性指數分別降低0.77%、0.33%和0.39%.土壤多樣性緩慢變化的地區(qū)有蘇州高新區(qū)、虎丘區(qū)、太倉市,其中太倉市土壤多樣性指數降低1.25%,蘇州高新區(qū)、虎丘區(qū)土壤多樣性指數增加1.78%.土壤多樣性快速變化的地區(qū)有蘇州工業(yè)園區(qū),降低15.49%.土壤多樣性急速變化的地區(qū)有滄浪區(qū)、平江區(qū)和金閶區(qū),其中滄浪區(qū)和平江區(qū)土壤多樣性指數分別降低84.89%和31.25%,金閶區(qū)土壤多樣性指數和均勻度指數增大20.31%.3)到2003年,蘇州地區(qū)土壤多樣性無變化的地區(qū)有常熟市、昆山市、蘇州高新區(qū)、虎丘區(qū)、吳江市,除常熟市土壤多樣性指數(Shannon指數)增大0.17%外,其他地區(qū)分別降低0.22%、0.41%和0.26%;土壤多樣性緩慢變化的地區(qū)有吳中區(qū)、相城區(qū)、蘇州工業(yè)園區(qū)、張家港市,其中吳中區(qū)和相城區(qū)土壤多樣性指數分別上升1.22%和1.69%,蘇州工業(yè)園區(qū)、張家港市土壤多樣性分別降低1.34%和1.64%;土壤多樣性較快變化的地區(qū)有金閶區(qū),土壤多樣性指數增大8.84%;土壤多樣性急速變化的地區(qū)有滄浪區(qū)、平江區(qū)、太倉市.這3個地區(qū)因占優(yōu)勢的土壤類型在城市化過程中面積大幅減少,致使土壤均勻度指數快速增大土壤多樣性指數隨之增大太倉市土壤多樣性指數增大95.01%,為3個區(qū)中土壤多樣性動態(tài)度最大的地區(qū).3.3城市擴張的中心地帶由圖2可以看出,在1984～1995、1995～2000、2000～2003年3個時段中,滄浪區(qū)、金昌區(qū)和平江區(qū)土壤動態(tài)度最大,雖然2003年有所下降,但都超過25%.到1995年,平江區(qū)東南角、滄浪區(qū)東部地區(qū)土壤動態(tài)度甚至>60,但其他大部分地區(qū)土壤動態(tài)度<10%,太倉市、吳江市和常熟東北部地區(qū)<1%,區(qū)域差異比較明顯.到2000年,土壤動態(tài)度總體上呈增加的趨勢,多數地區(qū)土壤動態(tài)度為1%～10%,其中蘇州高新區(qū)、虎丘區(qū)土壤動態(tài)度增加最快,為10%～25%,只有金昌區(qū)土壤動態(tài)度下降,為10%～25%.到2003年,蘇州地區(qū)土壤動態(tài)度同樣以增大為主,其中蘇州高新區(qū)、虎丘區(qū)、相城區(qū)、吳中區(qū)中西部地區(qū)及張家港西南地區(qū)土壤動態(tài)度超過10%,常熟市東北部土壤動態(tài)度也有所增加,為1%～10%.從全局來看,蘇州地區(qū)土壤動態(tài)度呈現逐漸增大的趨勢,金閶區(qū)、滄浪區(qū)和平江區(qū)是土壤動態(tài)度變化最大的區(qū)域,其他地區(qū)土壤動態(tài)度以這3個地區(qū)為中心呈輻射狀增大.由圖3可知,1984～1995年蘇州地區(qū)城市擴張集中在金閶區(qū)、滄浪區(qū)和平江區(qū),城市化指數變化量均在10以上,其中金閶區(qū)、平江區(qū)部分地區(qū)城市化指數變化量大于20.1995～2000年受沿江、沿湖經濟發(fā)展戰(zhàn)略的影響,蘇州高新區(qū)-虎丘區(qū)、蘇州工業(yè)園區(qū)城市化發(fā)展迅速,城市化指數變化量蘇州高新區(qū)>10,蘇州工業(yè)園區(qū)>5,與金閶區(qū)、滄浪區(qū)和平江區(qū)共同形成城市擴張的中心地帶.但張家港市城市化進程減緩,大部分地區(qū)城市化指數變化量為0.1～1.2000～2003年,蘇州地區(qū)城市擴張的中心迅速向陽澄湖周邊地區(qū)擴展,蘇州高新區(qū)-虎丘區(qū)、平江區(qū)、金閶區(qū)、滄浪區(qū)和蘇州工業(yè)園區(qū)、相城區(qū)一帶城市化指數變化量>5,為蘇州地區(qū)城市化高速發(fā)展區(qū).總體而言,2000～2003年是整個蘇州地區(qū)經濟高速發(fā)展、城鎮(zhèn)建設力度加大的時期,未受或受城市化影響較小的土壤微乎其微,大部分地區(qū)城市化指數變化量為1～5.值得慶幸的是,一些地方獨有-稀有土壤類型(如壤質石灰淡色水耕人為土和粘壤質飽和粘盤濕潤淋溶土)目前還未受到城市化干擾.由以上分析可知,城市化指數變化量大的地區(qū)(如平江區(qū)、金昌區(qū)、滄浪區(qū)),無論是土壤多樣性指數,還是土壤動態(tài)度變化,都比較激烈;土壤多樣性、土壤動態(tài)度與城市化指數時空變化趨勢基本一致.城市化指數變化與土壤動態(tài)度變化之間顯