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1、轿子山自然保护区土壤空间结构特征分析摘要:在综合分析各成土因素及其相互作用的基础上,划分了保护区的土壤 类型,借助 ARC/I NFO软件,编绘了1 5万土壤 分布图,应用山地生态学和景观生态学有关原理和方法,定性、定量分 析了土壤的 发育和空 间结构特征。研究结果表明:(1)保护区发育有黄 棕壤等 7个土类,暗黄棕 壤等 9个亚类;(2)土壤发育 主要表 现为土(3)土壤的 空间分 异格局(4)壤类型之间的垂直演替和在同一土类的分布地域内,不同发育阶 段的土 壤同时 并存;表现为垂直带分异和地域性组合2个序列。山地地形是引起土壤发育及土壤类 型产生空 间分异的根 本原因;高,交错分布特征突出
2、。关键词:轿子山自然保护区;土壤类型;土壤发育;空间结构从数量结构来看,优势土壤类型为棕壤,林线以下至海拔 3 300 m范围内的亚高山草甸土和暗 棕壤的破 碎化程度地形是形成山地结构和功能、导致山地各种生态现象和过程发生变化的最根本的因素,亦是导致山地土壤类型空间结构和土壤生态过程及生态属性产生分异的根本因素。从空间尺度上,山地土地类型存在着区、带和类 3个序列的分异格局,山地土壤类型的分异亦遵循这一规律。不同土壤类型的地域具有景观的基本特征 3,4 2 1空间分异格局,旨在为该保护区的生态评价、资源环境管理、生态恢复等提供有关科学依据。1 研究区概况和研究方法1 1 研究区概况轿子山自然保
3、护区位于 26 00 23 26 10 20 N和 102 48 9 102 58 50 E,云南省昆明市北部东川区和禄劝彝族苗族自治县交界处,滇东高原北部金沙江及其一级支流普渡河和小江之间的拱王山中上部。山势南北 延伸,主峰雪 岭海拔 4 344 1 m,是中国青藏高原以东地区海拔最高的山地。最低点位于大厂河汇入小清河附近,海拔 2 300 m,相对高度 2 044 1m。总面积 16 193 0 hm。经历过第四纪大理冰期,冰川活动遗迹广布。母岩以玄武岩为主,其次是白云岩、石灰 岩、砂岩、砾岩、泥 岩、页岩、板岩、千枚岩、辉长岩等 92。用景观生态学的理论来指导土壤科学研究,是将土壤学研究
4、置于更 5广阔的视角中。能够描述土壤类型空间结构的数量指标主要有面积、分布密度、形态特征、多样性指数和集聚方式等。邵晓梅于 2004年、李斌 7等于 2005年选择多种景观格局指数分别对鲁西北地区、黄土高原地区土壤类型空间格局特征作了实证研究。陈玉桥于 2006年总结了轿子山自然保护区发育的土壤类型,并初步分析了各类型土壤的 8性状特征和分布规律。本文在综合科学考察基础上,补充完善了该保护区的土壤分类系统,编绘了土壤类型分布图,应用山地生态学和景观生态学有关原理和方法,分析了该保护区土壤类型的发育和 6 6。保护区位于干湿季分明的北亚热带低纬高原半湿润季风气候区域,以北亚热带为水平基带,向上依
5、次有山地暖 温带、中温带、寒温带、寒带等垂直气候带。高山地区有季节性冻土发育。植被类型有中山湿性常绿阔叶林、山顶苔藓矮林、寒温山地硬叶常绿阔叶林、温凉性针叶林、寒温性针叶林、寒温灌丛、寒温草甸等。1 2 研究方法应用土壤发生学原理,在野外综合考察、对比分析保护区地形、气候、植被、母岩母质、水文、人类活动等成土因素,土壤主要剖面形态特征,土壤发生特性及其空间分异的基础上,参考东川区和禄劝县二次土壤普查成果,依据中国土壤分类系 10统,划分土壤类型,分析土壤 发育及其 空间分异。应用气温和降水资料、1 5万地形图、1 20万区域地质图 9积不大。概括而言,保护区共发育有淋溶土等 4个土纲,湿暖淋溶
6、土 等 7个亚纲,黄棕壤等 7个土类,暗黄棕壤等 9个亚类(表 1)。表 1 轿子山自然保护 区土壤类型Tab 1The soil types in JiaoZiM outainN atureReserve土纲亚纲湿暖淋溶土淋溶土湿暖温淋溶土湿温淋溶土湿寒淋溶土水成土初育土高山土矿质水成土石质初育土湿寒高山土土类黄棕壤棕壤暗棕壤棕色针叶林土沼泽土紫色土亚高山草甸土亚类暗黄棕壤 黄棕壤性土棕壤 棕壤性土暗棕壤棕色针叶林土草甸沼泽土酸性紫色土亚高山灌丛草甸土*、1 5万植被图 叠加分析,在 ARC/*I NFO等软件支持下,编制 1 5万土壤类型分布图,定性分析土壤类型的空间分异格局。以土壤类型分
7、布图为数据基础,选用景观生态学 景观格局指数,进一步定量分析土壤类型空间组合的数量结构。2 2 土壤发育及其空间分异保护区土壤的发育主要有 2种表现形式,一是土壤类型之间的垂直演替,二是在同一土类的分布地域内,不同发育阶段的土壤同时并存。支配淋溶土各土类发育和演替的根本因素是海拔高度,直接原因是随海拔高度变化而产生的水热组合条件和生物群落类型的递变。随海拔高度的增加,水热条件由 2 300 m 左右的暖湿逐渐递变为温湿、冷湿、寒湿,植被的生态类型亦相应地由暖温性逐渐演变为温凉性和寒温性类型,由常绿阔叶林逐渐演变为针叶林、灌丛、草甸等,岩石风化逐渐减弱,土壤发育程度降低,风化壳和土体厚度逐渐变薄
8、,表土层和心土层的颜色相应地由浅变深,土壤黏粒含量 逐渐减少,而粗砂、砾石含量 逐渐增多,粗骨性逐渐增强,自然水分含量和表土层有机质含量逐渐增 多等,土壤由黄棕壤 逐渐演 替为棕壤、暗棕壤、棕色针叶林土等。土壤类型的垂直演替规律亦同时反映了成土因素和土壤生态属性的垂直递变特性。同一土类在其分布地域内,因所处地形坡度、坡位不同,成土条件的稳定性优劣程度和土壤自然侵蚀强度等存在明显差异,导致其发育程度和所处演替阶段不同,原始土壤、幼年土壤、成熟土壤、老年土壤同时存在。南部的黄棕壤和东部的棕壤分布区域,局部地段因曾经毁林垦荒等原因,经土壤侵蚀而退化为黄棕壤性土和棕壤性土。2 结果与分析2 1 关于土
9、壤类型保护区所在山地系典型高山,成土环境条件垂直分异和局地分异十分显著,土壤形成机理复杂,发育的土壤类型多样。陈玉桥2006年在考察的基础上,结合禄劝县和东川市二次土壤普查成果,提出保护区范围内发育有红壤、黄棕壤、暗棕壤、棕色针叶林土、亚高山草甸土 6个土类 8。本次综合考察结果表明:(1)保护区内没有红壤的发育,原因是保护区最低点附近海拔较高,为 2 300m左右,热量条件不能满足红壤发育的需要,多出露紫红色砂、页岩,发育的土壤为紫色土和黄棕壤;(2)保护区还发育有一定面积的紫色土、沼泽土、黄棕壤性土和棕壤性土(表 1)。紫色土仅分布于保护区东部小清河上游出露三叠系、侏罗系紫红色砂、页岩的区
10、域,土壤颜色及矿物组成与紫红色砂、页岩相似。沼泽土分布于海拔 3 400 4 100m 低洼地貌部位,土壤终 年处于湿 润状态,植被为沼泽 化草甸,土壤还原过程强烈,潜育层明显。黄棕壤性土分布于保护区南部边缘,棕壤性土主要分布于保护区东部,两者均系历史上过度毁林、垦荒,经土壤侵蚀退化而形成,土体瘠薄,粗骨性强,但所占面林线(3 800 4 000 m)以上的亚高山草甸土是高山亚寒带、高山寒带气候和寒温草甸、寒温灌丛长期共同作用的结果。这里冰缘作用强烈,土壤冻融侵蚀、水力侵蚀和风力侵蚀显著,现代成土环境严酷,成土过程十分缓慢,加之高山地区脱离第四纪冰川时间短,土壤发育程度很低,大多处于原始和幼年
11、阶段。东北部 2 900 3 800 m高度范围内分布有大面积亚高山草甸土,是原有暗棕壤和棕色针叶林土长期逆行演替形成的。该区域历史上为原生性的寒温山地硬叶常绿阔叶林、寒温性针叶林、寒温灌丛等覆盖,因东川铜矿开采和冶炼对木材的需要,曾长期大量伐木,加上持续过度放牧、砍伐薪柴等干扰因素,原有森林逆行演替为次生亚高山灌丛草甸和亚高山草甸,在长期草甸作用和冬半年冻融作用下,土壤草毡状有机物质 累积作用显著,逐渐演变为亚高山草甸土。紫色土集中分布 于出露有紫、红色砂、页岩,坡度较大,自然侵蚀为中度至极强 烈的陡坡地区。缓坡地段,因成土过程稳定,大多已顺向发育为地带性的黄棕壤、红壤等。紫、红色砂、页岩是
12、影响紫色土发育的物质基础,坡度是紫色土是否发育的根本因素,植被覆盖变化、人类活动强弱则是促进其顺向或逆行演替的重要因素。沼泽土是低洼地形条件下,引起地表水汇集,土壤长期过湿甚至积水,发育沼泽、沼泽化草甸的结果,仅零星分布于古冰斗、古冰蚀洼地、古冰川槽谷、湖滨以及坡麓和河流源头宽缓地段。地形起伏形成的低洼地貌部位是沼泽土得以发育的根本因素或前提条件。2 3 土壤类型的空间结构从空间尺度上,山地土地类型存在着区、带和类 3个序列的分异格局,山地土壤类型的分异格局亦遵循这一规律。但因保护区所跨纬度较小,仅9 57,处于云南省土壤区划中的同一土壤区即昆明曲靖山原红壤区内,因此其分异格局 仅表现为中观层
13、面的垂直带分异以及垂直带内部和之间的地域性组合 2个序列。2 3 1 垂直地带性结构从云南地带性土壤分布模式山原型水平 11地带来 看,轿子山地区基带土 壤为红壤带(1 400 2 300m),在红壤带之上到雪岭主峰依次有黄棕壤带(2 300 2 700 m)、棕壤带(2 700 3300 m)、暗棕壤带(3 300 3 700m)、棕色针叶林土带(3 700 4 000 m)和亚高山草甸土带(3 300 11 2 4 344 1m)(图 1),空间结构表现出南北向圈层式、逐层递变的特点。图 1轿子山自然保护区土壤垂直带谱示意图Fig 1A sketch map of spectru m of
14、 soil vertical distributionin JiaoZiM outain NatureReserve保护区位于 2 300 m 以上的高中山和高山,发育的土壤带均位于红壤带之上,属正向垂直带。轿子山红壤带之下的金沙江、普渡河和小江河谷还发育有属于负向垂直带的燥红土带,分布于该保护区范围之外。按 熊毅、李庆逵 等明森 13 12以及高 以信、李对中国和横断山区土壤 垂直带谱结构类型的研究,轿子山位处北亚热带高原季风气候区,其基带土壤为红壤,建谱土壤带为黄棕壤带,垂直带土壤所属土纲以铁铝土和淋溶土为主,其土壤垂直带谱结构类型 应属于季 风性带谱 系统、亚 热带湿润型。保护区内 部由
15、于 所处地貌 部位(如沟谷、山脊、山顶和山麓、阴坡、阳坡)不同,水热组合状况存在明显差异,致使土壤垂直带谱中 2个土壤带之间存在交错分布和过渡的现象,同一土壤垂直带内的南坡、西南坡,其热量 条件优 于北坡、西北坡,土壤带分布上限比北坡、西北 坡要高 100200m。2 3 2地域性组合结构(1)中域组合结构:保护区东部海拔 3 3004 100 m的小清河源头地 区,紫色土与 棕壤、暗棕壤、亚高山草甸土呈复区分布;西北部的雨吃落沟地区和西部的乌蒙河源头地区,棕壤、暗棕壤、棕色针叶林土与亚高山草甸土交错分布,均属土壤类型的中域组合结构(图 2)。(2)微域组合结构:沼泽土呈斑点状分布于海拔 3
16、400 4 100m 高度范围内的某些低洼地段,例如古冰斗、高原面和剥蚀面上的古冰蚀洼地、湖滨洼地、溶蚀洼地,以及坡麓和河流 源头宽缓地段,零星点缀于亚高山草甸土和棕色针叶林土内。东部小清河上游海拔 3 000 m以下的大厂、银水箐、燕子洞等村寨附近,南部清水河源头的中槽子、马家槽子、独槽子等村寨附近,梯旱地和坡旱地,呈斑点状分布于黄棕壤、棕壤、紫色土内(图 2)。这些旱耕地因土壤侵蚀等原因,其质量明显劣于附近相同土类的自然土壤。图 2轿子山自然保护区土壤类型分布图Fig 2D istributing map of soil groups in JiaoZiM outain NatureRes
17、erve2 4 土壤类型的数量结构土壤类型数量结构,可反映各种土壤类型在空间分布上的数量对比关系。土壤类型空间结构的数量特征包括面积特征、形态特征和类型特征等,多采用景观空间格局指数来描述型 6 6百分比、频率和优势指数等指标来表征保护区土壤类型的数量结构特征。面积百分比表示各类土壤所占面 积比例以确定优势土壤类型及其面积计算公式为=100。本文借鉴土壤类和土地类型数量结构 2的研究方法,选用面积式中代表土壤类型为土壤类型的面积为保护区各土壤类型总面积。频率指数表示各类土壤空间分布的概率大小频率大土壤斑块破碎化程度高土壤类型空间分布较为分散频率小则表明土壤空间分布相对连续和完整。计算公式为=2
18、可见,地带性土壤中棕壤的面积最大,为5 926 64 hm,占总面 积的 36 60%,优势指 数最大,空间分布较为连续,是保护区内的优势土壤类型。暗棕壤面 积较大,斑块数较多,出现频率较大,空间分布趋于分散,因此优势指数偏低。棕色针叶林土面 积较小,但因斑 块数少,频率指数较低,分布较为集中,故优势指数略高于暗棕壤。黄棕壤带,所占面积最小,优势度最低,因受保护区界线分割,频率指数偏高,破碎化程度较高。非地带性土壤中亚高山草甸土面积较大,斑块数最多,频率指数最大,空间分布最分散,优势指数较低,斑块破碎化突出,致使林线以下至海拔 3 300 m高度内,亚高山草甸土和暗棕壤交错分布现象突出,空间组
19、合的复杂性和变异性明显。沼泽土分布面积2最小,仅 14 57 hm,占总面积的 0 09%,但频率较高,空间分布较分散,优势指数最低。紫色土分布面积较 小,频率最低,只有 1个斑块,分布最完整。2式中为土壤类型的斑块数量为土壤类型总数。优势指数表示各类土壤空间分布的集聚状况决定于土壤类型的面积和出现的频率。计算公式为=3式中为土壤类型的面积百分比为土壤类型的斑块数量。通过上述指标计算,得出轿子山自然保护区各土壤类型的数量结构特点(表 2)。保护区以地带性土壤为 主,面积为 11 291 38h m,占土壤总面积的 69 73%,非地带性土壤面积较小,只 有 4 901 62 h m,占 土 壤
20、 总 面 积 的30 27%。各土壤类型所占面积和 出现频率极不均衡,面积大小依次为棕壤 亚高山草甸土 暗棕壤 棕色针叶林土 紫色土 黄棕壤 沼泽土;频率指数依次为亚高山草甸土 暗棕壤 黄棕壤 棕壤 沼泽土 棕色针叶林土 紫色土;优势指数取决于土壤类型的面积和出现的频率,其大小为棕壤 紫色土 棕色针叶林土 暗棕壤 亚高山草甸土 黄棕壤 沼泽土(表 2)。表 2轿子山自然保护区土壤类型数量结构指标Tab 2Index value of the quantitative structure of soil groupsin JiaoziM outain NatureReserve土壤类型黄棕壤棕壤
21、暗棕壤棕色针叶林土亚高山草甸土沼泽土紫色土面积/hm斑块数面积比例/%频率指数优势指数409 685 926 643 024 851 930 214 130 8314 57756 21659316412 5336 6018 6811 9225 510 094 670 13950 11630 20930 06980 37210 09300 02330 00420 07320 02080 03970 01590 00020 046723 结论(1)保护区所在山地系典型高山,成土环境条件垂直分异和 局地分异 显著,发育的土壤 类型多样,共有黄棕壤、棕壤、暗棕壤、棕色针叶林土、亚高山草甸土、紫色土、沼
22、泽土 7个土类,暗黄棕壤、棕壤、暗棕壤、棕色针叶林土、亚高山灌丛草甸土、酸性紫色土、草甸沼泽土、黄棕壤性土、棕壤性土 9个亚类。(2)保护区土壤的发育主要有2种表现形式,一是土壤类型之间的垂直演替,二是同一土类在其分布地域内,因所处地段坡度、坡位不同,致使不同发育阶段的土壤同时并存。海拔高度、坡度、地形起伏等山地地形要素是引起土壤发育及土壤类型在空间上产生分异的根本原因;持续过度砍伐、放牧等人类活动是高山林线以下大部分亚高山草甸土形成的主要驱动力。(3)保护区位于云南省土壤区划中的同一土壤区即昆明曲靖山原红壤区内,土壤类型的空间分异格局仅表现为中观层面的垂直带分异以及垂直带内部和之间的地域性
23、组合 2个序列;土壤垂 直带谱为:红壤带黄棕壤带棕壤带暗棕壤带棕色针叶林土带亚高山草甸土带;地域性组合结构主要有中域组合和微域组合 2种类型。土壤类型组成的数量结构特征明显,棕壤22的面积和优势指数最大,空间分布最集中,是保护区的优势土壤类型。林线以下至海拔 3 300 m 范围参考文献:内,亚高山草甸土和暗棕壤的斑块数量多,破碎化程度高,交错分布现象突出。1 方精云,沈泽昊,崔海亭试论山地的生态特征及山地生态学的研究内容 J.生物多样性,2 刘彦随山地土地类型的结构分析与优化利用以陕西秦岭山地为例 J.地理学报,3 傅伯杰景观多样性的类型及其生态意义 J.地理学报,1996,4FARI NA
24、 A Princ iples andM ethods in Landscape Ecology M.51(5):454-4612004,12(1):10-192001,56(4):426-436Landon:Chapman&Hal,l1998102-1062004,25 5 刘世梁,傅伯杰景观生态学原理在土壤学中的应用 J.水土保持学报,2001,15(3):(6):11-16 7 李斌,张金屯黄土高原土壤景观格局特征分析 J.环境科学与技术,2005,28(3):8 陈玉桥云南轿子山自然保护区土壤类型及其分布规律初探 J.林业调查规划,10 全国土壤普查办公室,中国土壤分类系统M.北京:农业
25、出版社,1993:11 王文富云南土壤M.昆明:云南科技出版社,12 熊毅,李庆逵中国土壤M 2版.北京:科学出版社,1987,23-29 13 高以信,李明森横断山区土壤M.北京:科学出版社,2000:54 60145 6 邵晓梅基于 GIS与景观生态学的土壤资源格局分析以鲁西北地区为例 J.中国农业资源与区划,39-4019702006,31(3):59-62 9 四川省地质局革命委员会中华人民共和国 1 20万会理幅(G-47-)区域地质测量报告R.1996:356;374;634-635REN B in-bin,WANG PingBased on analyzing soi-l for
26、m ing factors and their interaction,nature soil typesw ere classified in JiaoZiM outain Nature Reserve.The D istri butingm ap of the soil groups in Jiaoz iM outain Na tureReservew as draw n byARC/I NFO.According to the principles andm ethods on M outain Eco logy andL andscapeEco logy,the soil de-vel
27、opment has been analyzed qualitatively and the characteristics of the spatial pattern about the soil groups havebeen discussed quantitatively.The conclusions are as follows:(1)There are 7 soil groups and 9 subgroups inJiaoZiM outain NatureReserve;(2)The characteristics of the soil development indica
28、tesm ainly the vertical suc-cession of zonal soil groups w ith the altitudeand diverse development sequences in the sa m e soil zone;(3)Thepattern of soil distribution involveson ly 2 series:Firs,tthe soil vertical distribution pattern;Second,the region-al association of soil groups.The topography f
29、actors is the fundamental reason that causes the spatial differentia-tion of the soil development and distribution;(4)from the index value of the quantitative structure of soilgroups,the dom inant soil group isbrown soil in JiaoziM outain NatureReserve,and from the altitude3 300m tothe ti mber line the fragmentation of Subalpinem eadow soil andDark brown soil is in a high degree,besides thecharacteristic of staggered distributionbet w een the both isprom inen.tJiaoz iM ountain Nature Reserve;soil types;soil developmen;tspatial pattern