黃晶晶 于銀霞 于東升? 潘 月 陸曉松 徐志超

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008）

（2 揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇揚州 225127）

（3 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

在生態(tài)學(xué)中，空間尺度通常指空間幅度和空間粒度。幅度是指區(qū)域空間范圍大小，對土壤屬性空間變異性特征研究具有明顯影響作用［1-3］。粒度是指空間最小可辨識單元所代表的特征長度、面積或體積（如樣方、像元），在地圖學(xué)上表示為制圖比例尺或柵格分辨率，即制圖精度［4-6］。景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)在土地利用類型方面已有很多研究，其中，部分學(xué)者定性地研究了景觀指數(shù)隨粒度變化的特征，結(jié)果表明，景觀指數(shù)隨粒度的增加呈上升或下降趨勢［7-9］。也有學(xué)者基于不同比例尺討論景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)，并進行了矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)的適宜粒度研究，結(jié)果表明，景觀指數(shù)隨粒度的增大而增大或減小或無規(guī)則變化或基本不變，且適宜粒度隨著比例尺的減小而增大［10-14］。

在土壤學(xué)領(lǐng)域，有學(xué)者將太湖地區(qū)不同比例尺土壤矢量數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)成不同分辨率的柵格數(shù)據(jù)，研究農(nóng)田土壤碳庫的指標(biāo)變化，并以矢量數(shù)據(jù)獲得的指標(biāo)為基準(zhǔn)，利用相對變異百分?jǐn)?shù)（VIV）判別不同柵格數(shù)據(jù)與其對應(yīng)比例尺土壤矢量數(shù)據(jù)之間的精度差異，在滿足一定精度條件下得到柵格化的最佳表征粒度［15-16］，并模擬土壤數(shù)據(jù)比例尺與柵格最佳分辨率轉(zhuǎn)換對應(yīng)關(guān)系［16］。陳粲等［17］利用江西省余江縣1∶5萬土壤圖，依據(jù)面積指標(biāo)研究了在土類、亞類、土屬和土種分類水平上土壤矢量圖轉(zhuǎn)化成不同大小柵格圖過程中各類土壤分布的面積變化，得到不同土壤分類級別上土壤圖柵格化的最佳粒度。但是研究中只選取了代表性土壤類型，而隨著粒度的逐漸增大，細(xì)碎化的小面積土壤類型斑塊逐漸消失，導(dǎo)致代表性的大面積土壤類型的柵格面積越來越大，所以僅僅依據(jù)面積一項指標(biāo)，缺乏足夠說服力。

20世紀(jì)80年代開展的全國第二次土壤普查工作，獲得了海量的調(diào)查數(shù)據(jù)資料，土壤調(diào)查涉及全國2 444個縣，312個國家農(nóng)場和44個林場，土壤數(shù)據(jù)包括土壤形成、分類和分布，土壤類型和性質(zhì)，土壤肥力，土壤資源和利用等，發(fā)表超過5 500份書面報告［18］。這些海量資料經(jīng)過層層篩選、核準(zhǔn)和編輯，也僅有少量數(shù)據(jù)得以在全國正式出版和發(fā)布，如中國1∶100萬土壤類型圖，《中國土種志》等［18］。大量未得以正式出版發(fā)布的數(shù)據(jù)資料歷經(jīng)30多年，或沉睡、或丟失，即使有幸保存，但也因為缺乏數(shù)據(jù)說明信息、或說明信息不全、或者描述錯誤，而難以得到正確利用。對于那些未出制圖精度，方法論問題是首先急需研究和解決的。

所以，本研究利用收集整理、標(biāo)記為福建省1∶25萬土壤類型圖的全國第二次土壤普查資料數(shù)據(jù)，嘗試?yán)蒙鲜鐾寥谰坝^格局指數(shù)的粒度效應(yīng)原理及特征，構(gòu)建土壤類型圖的精度判斷方法，并對該圖制圖精度進行定量化評估，為類似問題解決提供有效途徑和方法，保護歷史珍貴數(shù)據(jù)資料，并促進其得以正確利用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

福建省處于中國東南沿海（115°50′～120°43′E，23°33′～28°19′N）（圖1），全省陸域面積12.14萬km2，屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，地勢總體上西北高東南低，山地、丘陵占全省總面積的80%以上，土壤以紅壤、磚紅壤性紅壤、水稻土、黃壤等為主［19］。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

圖1 研究區(qū)位置及土壤類型分布圖Fig. 1 Location of the study area and soil type distribution map

本研究收集整理標(biāo)記為福建省1∶25萬土壤類型圖的紙質(zhì)圖作為數(shù)據(jù)源。土壤類型包含土類、亞版、數(shù)據(jù)說明又存在諸多問題的歷史土壤類型圖件，正確判斷其制圖精度，是利用這些珍貴數(shù)據(jù)資料的前提條件。因此，如何判斷歷史土壤類型圖的類、土屬3個層次，在土屬單元中還包含土壤質(zhì)地和地形坡度等特征信息。其中，土壤質(zhì)地特征分為粗粒質(zhì)、中粒質(zhì)、細(xì)粒質(zhì)；地形坡度特征分為＜5°、5°～20°、＞20°。本研究僅針對土壤發(fā)生分類的土壤類型信息。首先對紙質(zhì)圖進行掃描預(yù)處理，然后在ArcGIS 10.2的支持下進行地理配準(zhǔn)、投影轉(zhuǎn)換，再進行數(shù)字化、拓?fù)錂z查等，并根據(jù)不同土壤發(fā)生分類層次對原圖進行重新編制，最后獲得福建省土壤發(fā)生分類的土壤類型矢量數(shù)據(jù)。

1.3 矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

將矢量數(shù)據(jù)利用中心屬性值法（Rule of Centric Cell，RCC）進行柵格化變換，即一個柵格單元的取值為該單元中心的類型屬性值。由于不同土壤分類單元層次（土類、亞類、土屬）本身各自代表不同土壤類型圖的制圖粒度，所以本研究對矢量土壤圖進行了不同分類層次的柵格化，每種分類層次從30 m至8 km不等間距分別選取50個柵格粒度，用于土壤景觀指數(shù)提取和粒度效應(yīng)分析。

1.4 景觀指數(shù)的選取及計算

景觀指數(shù)值是基于景觀格局分析軟件Fragstats 4.2計算的，30 m柵格粒度是省級幅度下軟件可接受運算的最小柵格粒度。景觀指數(shù)包括斑塊水平、斑塊類型水平和景觀水平3種類型。其中，前兩種類型指數(shù)是針對單個斑塊或不同類型斑塊進行分析，而景觀水平指數(shù)則是對研究區(qū)域內(nèi)整體特征的描述。選取景觀指數(shù)時，依據(jù)前人研究［10,20］，且兼顧各種粒度效應(yīng)的同時，盡量避開具有相關(guān)性的指數(shù)，使之能全面反映研究區(qū)土壤類型景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)。本文針對面積/密度/邊長、形狀、聚集/分布、連接性和多樣性等方面，在景觀水平上選取總面積（TA）、總邊緣長度（TE）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、斑塊面積標(biāo)準(zhǔn)差（AREA_SD）、周長面積分維數(shù)（PAFRAC）、聚合度（AI）、景觀分離度（DIVISION）、分散指數(shù)（SPLIT）、有效網(wǎng)格大?。∕ E S H）、斑塊內(nèi)聚力指數(shù)（COHESION）、斑塊豐富度（PR）、斑塊豐富度密度（PRD）、香農(nóng)多樣性指數(shù) （SHDI）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）15個景觀格局指數(shù)，探討不同分類級別土壤類型景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)。各指數(shù)的公式和含義參考相關(guān)文獻(xiàn)［21］。

1.5 不同土壤分類粒度量化及制圖精度判斷

在研究景觀指數(shù)對不同粒度響應(yīng)的過程中，用指標(biāo)相對變異百分?jǐn)?shù)（VIV）來反映由矢量圖斑單元轉(zhuǎn)成不同粒度柵格單元時景觀指數(shù)的變化情況。研究顯示，1∶5萬土壤類型矢量圖的最佳表征粒度大于100 m×100 m［17,22］，表明以該粒度進行矢量數(shù)據(jù)的柵格化變換，其柵格數(shù)據(jù)精度可等同于原矢量數(shù)據(jù)。本研究土壤類型矢量圖比例尺標(biāo)記1∶25萬，最佳表征粒度應(yīng)遠(yuǎn)大于100 m×100 m，粒度為30 m×30 m柵格數(shù)據(jù)精度應(yīng)等同于原矢量數(shù)據(jù)。因此，本研究以粒度30 m×30 m對應(yīng)的景觀指數(shù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，不同粒度對應(yīng)的景觀指數(shù)相對于基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行比較。其中相對變異百分?jǐn)?shù)（VIV）表示如下：

式中，IV(A)為粒度30 m×30 m對應(yīng)的指標(biāo)值，IV(B)為不同粒度對應(yīng)的指標(biāo)值。

當(dāng)所有指標(biāo)｜VIV｜＜1%，且柵格單元粒度達(dá)到最大時，則認(rèn)為該粒度為土壤分類粒度的最佳表征粒度［23］。最后依據(jù)土壤圖比例尺與最佳表征粒度的函數(shù)關(guān)系，判定土壤制圖精度［22］。統(tǒng)計分析利用Origin 8.5進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤矢量圖件基本信息統(tǒng)計特征

矢量圖件基本信息統(tǒng)計結(jié)果表明，該圖有11個土類，23個亞類，55個土屬，基本制圖單元為土屬。共有2 189個圖斑，面積為12.24萬km2，圖斑密度為每平方公里0.017 9個。而已經(jīng)出版的福建省1∶50萬、1∶100萬和1∶400萬土壤類型圖的矢量化圖斑數(shù)分別為11 855個、3 412個、263個，面積分別為12.37萬 km2、12.35萬 km2、12.17萬 km2，圖斑密度依次為每平方公里0.095 8個、0.027 6個、0.002 2個，基本制圖單元分別為土屬、亞類、土類［24］。從圖件基本信息可初步判斷，該土壤矢量圖的制圖精度（粒度）應(yīng)處于1∶50萬和1∶400萬之間。

2.2 土壤景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)特征

研究表明，隨著粒度的增大，各景觀指數(shù)呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，景觀指數(shù)具有明顯的粒度效應(yīng)（圖2、圖3和圖4）。不同土壤分類層次相同的景觀指數(shù)具有相同的變化趨勢。依據(jù)各景觀指數(shù)隨粒度的增大所呈現(xiàn)的變化趨勢，可以將景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)劃分為以下4類：（1）景觀指數(shù)隨粒度增加呈現(xiàn)出增加的變化趨勢，包括PAFRAC和AREA_SD。隨著粒度的增加，PAFRAC呈對數(shù)函數(shù)上升，說明景觀形狀變化較大，復(fù)雜性增強；AREA_SD隨著粒度的增加呈線性上升。（2）景觀指數(shù)隨著粒度增加呈現(xiàn)出減小的變化趨勢，包括TE、LSI、COHESION和AI。（3）景觀指數(shù)隨著粒度增加呈現(xiàn)出不穩(wěn)定無規(guī)律性變化趨勢，包括LPI、DIVISION、MESH和SPLIT，粒度效應(yīng)較為復(fù)雜。（4）隨著粒度增加呈現(xiàn)出穩(wěn)定或先穩(wěn)定再變動的趨勢，包括TA、PR、PRD、SHDI和SHEI。其中，土類和亞類的PRD在分析粒度范圍內(nèi)的變化不明顯，其余各指數(shù)呈現(xiàn)出先穩(wěn)定后變動的趨勢。

圖2 土類各景觀指數(shù)粒度效應(yīng)圖Fig. 2 Metrics of grain-size dependence of landscape indices at the soil great group level

圖3 亞類各景觀指數(shù)粒度效應(yīng)圖Fig. 3 Metrics of grain-size dependence of landscape indices at the soil subgroup level

陳粲等［17］研究顯示TA隨粒度的增加呈現(xiàn)出先穩(wěn)定后波動的趨勢，吳未等［25］、張慶印和樊軍［26］研究表明LSI和COHESION總體呈現(xiàn)下降的趨勢，這些均與本文結(jié)果具有一致性。Wu等［27］發(fā)現(xiàn)SHDI隨粒度增加呈階梯下降趨勢，張慶印和樊軍［26］研究得出在60 m內(nèi)PR、SHDI和SHEI隨粒度的增加基本無變化，邱揚等［11］和包宇［14］研究表明SHDI和SHEI先小幅波動后大幅度波動，而本研究結(jié)果顯示出了并不完全相同的結(jié)果，SHDI和SHEI隨粒度的增加呈現(xiàn)先穩(wěn)定再變動的趨勢。游麗平等［28］研究表明，PAFRAC隨粒度增大而減小，與本文研究結(jié)果相反。顯然，已有景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)研究結(jié)果與本研究并不完全一致，這是因為已有研究中所選粒度范圍、空間數(shù)據(jù)聚合方式、景觀類型多少以及景觀格局指數(shù)本身算法等不同，均可能造成分析結(jié)果的差異。

圖4 土屬各景觀指數(shù)粒度效應(yīng)圖Fig. 4 Metrics of grain-size dependence of landscape indices at the soil family level

2.3 不同土壤分類層次的最佳表征粒度

本研究選取15種景觀指數(shù)分析其粒度效應(yīng)，最終選取的土壤圖評價指標(biāo)是要能夠求得土壤矢量圖柵格化的最佳表征粒度，根據(jù)最佳表征粒度推斷土壤類型圖的比例尺，定量化評估其制圖精度。而采用不同柵格粒度進行數(shù)據(jù)變換，會使得數(shù)據(jù)信息的損失程度和冗余程度產(chǎn)生差異，進而影響景觀格局分析的準(zhǔn)確性［29］和分析效率［30］。因此，需要尋找適宜粒度，使得柵格數(shù)據(jù)既能最大限度保持?jǐn)?shù)據(jù)精度又能降低數(shù)據(jù)冗余度［31］，而該粒度即為土壤矢量圖柵格化的最佳表征粒度。若景觀指數(shù)隨粒度增加出現(xiàn)先穩(wěn)定不變后波動的趨勢，那么在穩(wěn)定不變的粒度區(qū)域所對應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)與原始矢量數(shù)據(jù)具有相同的精度，在此基礎(chǔ)上設(shè)定在一定數(shù)據(jù)精度范圍內(nèi)（｜VIV｜＜1%）所對應(yīng)的最大柵格粒度為最佳表征粒度［23］。而若景觀指數(shù)隨著粒度增加一直處于變化狀態(tài)，表明柵格數(shù)據(jù)的精度始終處于損失狀態(tài)，此時求算最佳表征粒度無意義。最終，在不同土壤分類層次上，分別有5個景觀格局指數(shù)TA、PR、PRD、SHDI、SHEI隨著粒度增加呈現(xiàn)穩(wěn)定或先穩(wěn)定再變動的變化趨勢。

在土類層次上，TA、PR、SHDI和SHEI的｜VIV｜總體上均呈現(xiàn)出先穩(wěn)定后變動的趨勢，而PRD的｜VIV｜在分析粒度范圍內(nèi)的變化不明顯（圖5a）。當(dāng)粒度≤ 4.00 km時，各指標(biāo)的｜VIV｜＜ 1%；當(dāng)粒度為4.20 km時，SHDI和SHEI的｜VIV｜＞1%；當(dāng)粒度為6.00 km時，PR的｜VIV｜＞1%；TA和PRD的｜VIV｜在本研究粒度下均小于1%。所以，土類層次上矢量數(shù)據(jù)柵格化的最佳表征粒度為4 .00 km。

在亞類層次上，PRD的｜VIV｜變化不明顯，其余指標(biāo)的｜VIV｜呈現(xiàn)出先穩(wěn)定后波動的趨勢（圖5b）。當(dāng)粒度≤3.45 km時，各指標(biāo)的｜VIV｜＜1%；當(dāng)粒度為3.60 km時，PR和SHEI的｜VIV｜＞1%；而TA、PRD和SHDI的｜VIV｜在本研究粒度下均小于1%。因此，亞類層次矢量數(shù)據(jù)柵格化的最佳表征粒度為3.45 km。

在土屬層次上，除PRD的｜VIV｜的變化不太明顯外，其余各指標(biāo)的｜VIV｜均呈現(xiàn)出先穩(wěn)定后波動的趨勢（圖5c）。當(dāng)粒度≤1.90 km時，各指標(biāo)的｜VIV｜＜1%；當(dāng)粒度為2.00 km時，PR和PRD的指標(biāo)｜VIV｜＞1%；當(dāng)粒度為2.60 km時，SHEI的｜VIV｜＞1%；TA和SHDI的｜VIV｜在本研究粒度下均小于1%。可以認(rèn)為，土屬層次矢量數(shù)據(jù)柵格化的最佳表征粒度為1.90 km。

圖5 不同土壤分類層次景觀指數(shù)相對變異系數(shù)（VIV）圖Fig. 5 VIV of landscape indices relative to soil taxonomical hierarchy

2.4 土壤圖的制圖精度

本研究區(qū)地形以山地丘陵為主，由于地形比較破碎，導(dǎo)致其空間異質(zhì)性較大，而Yu等［22］研究的太湖地區(qū)雖然以平原為主，但河網(wǎng)密布，城鎮(zhèn)分布密集，土地利用類型的變異性及不連續(xù)性不亞于本文研究區(qū)的空間異質(zhì)性。由此推測，太湖地區(qū)的土壤數(shù)據(jù)比例尺與柵格分辨率等精度轉(zhuǎn)換關(guān)系y =-0.80×10-6x2+ 0.022 8x + 0.021 1（R2= 0.999 4，P ＜ 0.05）［22］同樣也應(yīng)該適用于本研究區(qū)。因此，依據(jù)土壤圖最佳表征粒度與制圖比例尺的函數(shù)關(guān)系［22］和土類、亞類、土屬的最佳表征粒度4.00 km、3.45 km、1.90 km，則可判斷出相應(yīng)制圖比例尺分別為1∶180萬、1∶160萬、1∶85萬。雖然所得矢量圖比例尺與原始比例尺1∶25萬相差很多，但也符合土壤矢量圖件信息的初步判斷。

該土壤類型圖除分別為土類、亞類、土屬等土壤發(fā)生分類層次信息外，在土屬分類層次單元中還包含土壤質(zhì)地和地形坡度信息，而本研究僅針對土壤發(fā)生分類的類型信息，這是導(dǎo)致所得比例尺較原始比例尺小得多的主要原因。在土壤圖制圖規(guī)范中，1∶25萬土壤圖的基本制圖單元為土屬或土種，1∶50萬的基本制圖單元為土屬［16］，1∶100萬土壤圖在平原區(qū)的基本制圖單元為土屬，山區(qū)的基本制圖單元為亞類［32］，1∶400萬的基本制圖單元為土類［33］。所以，在土類層次上，本研究所用土壤圖數(shù)據(jù)精度高于1∶400 萬，低于1∶100萬；在亞類層次上，數(shù)據(jù)精度小于1∶100萬；在土屬層次上，數(shù)據(jù)精度低于1∶50萬，高于1∶100萬。因此，對于那些未出版、數(shù)據(jù)說明又存在諸多問題的歷史土壤類型圖件，正確判斷其制圖精度是非常必要的。

3 結(jié) 論

本文利用收集整理的、標(biāo)記為福建省1∶25萬土壤類型圖，分析其在柵格數(shù)據(jù)下不同土壤分類層次景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)，以粒度30 m×30 m對應(yīng)的景觀指數(shù)為基準(zhǔn)，不同粒度對應(yīng)的景觀指數(shù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，設(shè)定相對變異百分?jǐn)?shù)｜VIV｜＜ 1%時所對應(yīng)的最大粒度為土壤矢量圖柵格化的最佳表征粒度，并以此推斷土壤類型圖的比例尺，判定其制圖精度，實現(xiàn)了歷史土壤圖件精度的定量化準(zhǔn)確評估。案例研究結(jié)果顯示，收集整理的、標(biāo)記為福建省1∶25萬土壤圖，在土類、亞類、土屬水平的實際制圖精度分別僅為比例尺1∶180萬、1∶160萬、1∶85萬，兩者差別顯著。本研究為判斷歷史土壤類型圖的制圖精度提供了有效途徑和方法，對于歷史珍貴數(shù)據(jù)資料的正確利用具有重要意義。