1土壤多樣性的概念及意義

多樣性概念與分析方法被廣泛應(yīng)用于生物物種數(shù)量的計量和分析等生態(tài)學(xué)研究中，而在土壤學(xué)和地學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用是近十余年才開始并展開。

從之前有關(guān)多樣性的研究可以看出，多樣性的概念應(yīng)包括兩個基本組分和兩個不可回避的價值判斷。

基本組分為來源于不同對象但可以統(tǒng)計的性質(zhì)，無論這些對象是不同顏色的球、不同蛋白質(zhì)的DNA物質(zhì)、較高系統(tǒng)分類等級類型或土壤類型、生態(tài)景觀中的生境地塊(habitatpatchesonalandscape)，都具備兩個基本特征，一是在一個混合體或樣區(qū)中存在不同對象的數(shù)目(如土壤類型)，二是不同類型對象的相對數(shù)量。

價值判斷則包括所選擇的級別可否具備顯著的不同，以此用來區(qū)分對象的類型，以及屬于某一特定級別的對象是否足夠地相似并可以歸為一類。

因此，只要能確定分級或分類就可以進行多樣性的分析，所以地多樣性(geodiversity)和土壤多樣性(pedodiversity)的提出應(yīng)該與生物多樣性同樣適合。

然而，相比生物學(xué)與生態(tài)學(xué)中多樣性測度十分普遍，測度地多樣性(如地質(zhì)構(gòu)

造單元、地形單元、沉積物、礦物、巖石、化石以及土壤等)卻鮮有進展，多樣性分析可望在地球的地質(zhì)歷史、發(fā)展過程及其模擬、氣候與景觀的變遷和生命

的起源等研究方面發(fā)揮作用，因此具有重要意義。

毫無疑問，保護土壤多樣性和地多樣性是維持生態(tài)環(huán)境多樣性，提升區(qū)域社會發(fā)展與資源環(huán)境協(xié)調(diào)關(guān)系的基礎(chǔ)。

21世紀(jì)初，土壤多樣性的理論方法由筆者等引入到中國，已經(jīng)在基本計量方法的建立與空間變異分析、長江三角洲土壤多樣性測度指標(biāo)的集成與運用和以城市化快速擴張為背景的高強度人類活動對土壤多樣性及土壤資源空間格局演變指示3個不同梯度展開漸進研究，

有關(guān)研究結(jié)果已陸續(xù)在國內(nèi)外產(chǎn)生積極而重要的影響。目前，正在上述研究的基礎(chǔ)上，借鑒國際間最新研究經(jīng)驗，將我國東部長三角發(fā)達城市化地區(qū)和中部中原農(nóng)業(yè)地區(qū)不同發(fā)展條件下各類土地利用動態(tài)變化對土壤資源多樣性格局所產(chǎn)生的復(fù)雜影響作為研究主軸，著重分析對比由兩地區(qū)不同發(fā)展階段土地利用變化的區(qū)域差異性特點所導(dǎo)致的土壤多樣性基本特征及空間變異，通過連接系數(shù)等手段探索土壤多樣性與土地利用(方式)多樣性的關(guān)聯(lián)分析，嘗試以新的角度探索不同土地利用變化對土壤多樣性影響的科學(xué)表達并闡述由此帶來的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，使中部崛起發(fā)展中接受東部后城市化過程的經(jīng)驗與教訓(xùn)，在服務(wù)于區(qū)域間產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與調(diào)整過程中對土壤資源的可持續(xù)合理利用與生態(tài)環(huán)境建設(shè)將起到重要的參考作用。

2契機：國內(nèi)外研究進展

從20世紀(jì)90年代起,以Ibáñez為首的一個西班牙研究小組提出了一種可能的途徑，用生態(tài)學(xué)研究的方法系統(tǒng)地分析土壤圈層內(nèi)土壤的類別多樣性，建立與生物多樣性相平行的概念，在陸續(xù)發(fā)表的文獻中詳細闡述了生物多樣性的計量方法用于土壤空間變異和分布格局分析的可行性，著重解釋了用于確定土壤多樣性及在數(shù)字化評價土壤圈中的主要手段與技術(shù)途徑。

Saldaña和Ibáñez基于西班牙中部埃納雷斯河河成階地的土壤數(shù)據(jù)進行了相關(guān)研究，為了分析第四紀(jì)河谷的土被演化和豐度-面積關(guān)系，將豐富度、多樣性指數(shù)和擬合概率分布模型綜合應(yīng)用于土壤年代序列研究中，并基于不同的分類級別(類、亞類和土族)和診斷層分類計算了土壤多樣性指數(shù)。

研究發(fā)現(xiàn)，土類和亞類的豐富度隨階地的增高而增加;分類分級越詳細，土壤多樣性的指數(shù)越高;土壤多樣性隨研究區(qū)面積的增加而增加;遺傳土壤豐富度和遺傳土壤多樣性在該研究區(qū)中隨地形表面景觀年齡的增長而增加;土壤豐富度與面積之間的連接系數(shù)在中低階地上符合對數(shù)函數(shù)曲線，在高階地符合冪函數(shù)曲線，這與生態(tài)學(xué)中的物種豐富度與面積的連接性相似。

Caniego等使用多重分形方法對全球尺度下土壤分類單元分布的自相似性(selfsimilarity)進行了研究，基于聯(lián)合國糧農(nóng)組織土壤數(shù)據(jù)庫中5大洲和全球數(shù)據(jù)，計算了土壤分類單元豐度分布的自相似性和Rényi頻譜(Rényispectra)，研究認為自相似性應(yīng)為土壤豐度空間分布的共有性質(zhì)，分析表明全球尺度下土壤多樣性分布的復(fù)雜特征符合明確的多重分形特征。

Saldaña和Ibáñez等對土壤多樣性、連接度(connectance)和土壤空間變異性之間的內(nèi)在聯(lián)系進行了研究，研究區(qū)基于馬德里東北部埃納雷斯河河谷階地的土壤年代序列。

研究使用豐富度指數(shù)和仙農(nóng)多樣性指數(shù)在不同的分類級別上計算了土壤多樣性的數(shù)值。

分類學(xué)土壤多樣性(即土類的多樣性)的值在高級別分類體系中隨時間的變化(從低階地到高階地)而增加，但是在土族級別上并未發(fā)現(xiàn)明顯的關(guān)系。分析表明從低階地到中階地，豐度-面積關(guān)系符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系，而高階地的數(shù)據(jù)符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

地質(zhì)統(tǒng)計分析顯示土壤性質(zhì)的變異性大小隨沉降物的變化(從年輕到古老)而逐漸下降。研究表明，就埃納雷斯流域生境來說，土壤性質(zhì)中的多樣性和空間變異性是兩個不同的概念。在土類和亞類這一分類級別上，具有最高分類學(xué)土壤多樣性的階地卻具有較低的土壤性質(zhì)空間變異性和最低的連接度數(shù)值。

2003年，美國將土壤多樣性的理論與方法也在全國土壤多樣性特點及土壤多樣性與土地利用的關(guān)系等研究中進行了有意義的嘗試，利用美國農(nóng)部自然資源保護局(USDA-NRCS)的各州土壤地理數(shù)據(jù)庫STATSGO(theStatesoilgeographicdatabase)進行了美國本土土壤多樣性指數(shù)的計算、各分類級別上土壤單元與面積的關(guān)系、美國農(nóng)部自然資源保護局劃分的美國本土各地理區(qū)域土壤多樣性的對比以及土壤單元相對多度的可能機制的研究。

研究表明，美國土壤多樣性的特點可以歸結(jié)為：

①基本計算。

隨著系統(tǒng)分類級別從土綱延伸到土系，由于土壤單元數(shù)目的急劇增加，Shannon指數(shù)也隨之增加。關(guān)于土壤均勻度，所有系統(tǒng)分類級別上土壤單元面積都不均等，較低的均勻度指數(shù)顯示某些土壤單元十分稀少而另外一些單元具有較大的面積豐富度。

多樣性指數(shù)的計算表明，每一系統(tǒng)分類級別上Shannon多樣性指數(shù)與Shannon層次多樣性指數(shù)之間十分相似，兩者皆可以用于土壤多樣性的研究中。

②各地理區(qū)域的土壤多樣性比較。

運用GIS移動窗口方法橫過3個研究區(qū)域發(fā)現(xiàn)，土壤多度指數(shù)隨研究區(qū)域面積的增大而急劇增多。根據(jù)土壤單元與面積之間的冪律關(guān)系推斷，全美(包括本土、Alaska、Hawaii和PuertoRico)總面積約9243474km2估算有21084個土系，與美國農(nóng)部有記錄的21000個土系數(shù)目十分接近。

③土壤單元多度分布模型的建立。

隨著某土綱中系統(tǒng)分類級別的細分，土壤單元被續(xù)分為更多的層次和與之相適

應(yīng)的土壤成土因素以及變化與空間分布的各種土壤性質(zhì)。

比如，土綱A可能由于氣候因素而劃出亞綱Ai，Ai又可能由于植被因素而劃出大土類Aij，Aij又由于海拔高度而劃出亞類Aijk，Aijk又根據(jù)坡度劃出土屬Aijkp，由高級到低級系統(tǒng)分類級別，土壤的形成過程受到越來越多因素或因素集合(factorialcombinations)的影響，從而造成土壤單元多度分布趨向于對數(shù)分布。

同時，著重討論了美國土壤多樣性與土地利用之間的關(guān)系、美國的特有及瀕于消失的土壤。

事實上，STATSGO數(shù)據(jù)庫包含的美國土壤系統(tǒng)分類本身與土地利用無關(guān)，除非極為特殊的情況下，農(nóng)業(yè)土壤是作為自然土壤進行分類的。所以目前上圖的土壤是擾動前的分布，然而，約19%的美國國土是集約耕作的土地。

美國土地利用的分布十分不均衡，農(nóng)業(yè)主要集中在中西部、大平原區(qū)、密西西比流域、Snake河及Palouse區(qū)和加利福尼亞大峽谷地區(qū);雖只有約2%~3%的美國國土已經(jīng)城市化，但高速城市化由于造成原農(nóng)用地的喪失而對土壤資源形成特有的威脅。多數(shù)地區(qū)，高產(chǎn)的土壤被用于農(nóng)業(yè)和城市化過程，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)某些土壤類型的急劇減少。

2006年7月美國費城召開的第18屆世界土壤學(xué)大會上，國際土壤學(xué)會在土壤地理委員會中設(shè)立了“土壤多樣性：空間、社會和環(huán)境等領(lǐng)域”的專題分會場，土壤多樣性研究被認為是土壤地理學(xué)科研究新的增長點而得到鼓勵，土壤多樣性有關(guān)的研究展現(xiàn)出良好的態(tài)勢，國外除上述西班牙、美國，又陸續(xù)有許多國家跟進。

澳大利亞McBratney和Minasny及Minasny等討論了土壤多樣性的分類方法，認

為分類學(xué)距離(taxonomicdistance)的平均值，即Rao二次熵(Rao’squadraticentropy)在表達土壤多樣性上具有良好效果。

Minasny等為了討論分類學(xué)距離和土壤多樣性的關(guān)系，討論了WRB的分類學(xué)距離，計算了1︰2500萬比例尺下世界土壤圖的土壤多樣性指數(shù)，比較了傳統(tǒng)的基于土壤個體豐富度的多樣性與基于分類學(xué)距離的多樣性特征。

德國Petersen等基于南部非洲16個干旱地區(qū)(每個地區(qū)1km2)的田地和土壤實驗室數(shù)據(jù)集，分析比較了土壤多樣性的不同量化表達方法。

意大利Falcucci等[22]研究了意大利土地利用和土地覆蓋的變化情況及它們與生物多樣性保護之間的聯(lián)系，使用3幅覆蓋意大利半島的土地利用和土地覆蓋圖(從1960年到2000年)，以此來分析土地利用和土地覆蓋的變化模式，研究認為土地利用和土地覆蓋變化是造成生物多樣性損失的最重要因素，而地中海地區(qū)受人為干擾影響很嚴(yán)重。

意大利Costantini和L’Abate基于地理數(shù)據(jù)庫、地圖和土壤多樣性對意大利的土壤文化遺產(chǎn)進行了評價研究。

研究認為土壤遺產(chǎn)類似于地質(zhì)遺產(chǎn)，土壤具有遺傳特性并且可以按照它們的“文化價值”進行分類。研究對意大利的土壤遺產(chǎn)進行了評價和分組，并開發(fā)出了相應(yīng)軟件收集管理這些信息，建立了獨特的地理數(shù)據(jù)庫，并建議可以應(yīng)用于其他國家。

研究認為土壤遺產(chǎn)包括：人為景觀、決定全景舒適度的土壤景觀、環(huán)境平衡破碎下的土壤景觀、有利于特殊生態(tài)系統(tǒng)延續(xù)的土壤景觀等，其中明顯包含有生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析的意義。

日本Yabuki等對日本北海道10個城市的土壤多樣性和土地利用多樣性進行了相關(guān)研究，并建議利用信息論中的互熵(mutualentropy)概念來評價兩者之間的關(guān)系。

伊朗Toomanian等對伊朗中部扎因代河谷的土壤多樣性和成土作用進行了研究，評價了該地區(qū)的土壤異質(zhì)性程度，發(fā)現(xiàn)用仙農(nóng)熵評價土壤和土壤景觀演化具有良好效果。

2001年以來，土壤多樣性理論被引入我國，使中國成為繼西班牙之后較早從事土壤多樣性研究的國家。開始的研究報道是利用山東省1︰100萬和海南島1︰25萬SOTER數(shù)據(jù)庫進行測度分析，涉及土壤類別、土壤性質(zhì)多樣性特點的多方位、多層次的分析研究，發(fā)現(xiàn)多樣性方法在生態(tài)系統(tǒng)中生物物種數(shù)量關(guān)系分析與特定區(qū)域土壤類型空間可變性分析方面有諸多相似之處。

如豐富度和多樣性指數(shù)隨樣區(qū)面積擴大而增加的多樣性-面積效應(yīng)、對象多度分布符合對數(shù)正態(tài)分布模型的現(xiàn)象最為普遍等，與Ibáñez等人的研究結(jié)果基本相符。

2005年以來，受美國研究土地利用變化對土壤多樣性影響的啟發(fā)，中國科學(xué)院南京土壤研究所在國家基金和科學(xué)院創(chuàng)新方向性課題支持下，對長江三角洲地區(qū)城市化過程對土壤多樣性的影響進行研究。

運用土壤多樣性計量方法研究發(fā)現(xiàn)，長江三角洲地區(qū)快速發(fā)展的城市化過程造成的土地利用變化已經(jīng)不同程度地影響著自然界固有的土壤類型和面積構(gòu)，土壤資源的空間多樣性組合發(fā)生很大變化，很多土壤類型甚至完全“消失”了。

以蘇州市為例，從1984年到2003年近20年當(dāng)中，城市面積以平均每年20.47%的增長速度擴大，由17844hm2擴張到90892hm2，凈增73048hm2

，擴大了3倍多，31種土壤(土屬)中，有25種受到不同程度的損失，有些趨于瀕臨滅絕，其中黏壤質(zhì)普通簡育滯水潛育土約98%被新增長的城鎮(zhèn)所占用而瀕臨滅絕，而砂質(zhì)石灰性斑紋濕潤正常新成土被完全占用，已經(jīng)“消失”，此狀況還在持續(xù)且有逐年加重的嚴(yán)峻形勢。

2010年8月澳大利亞第19屆世界土壤學(xué)大會上，筆者關(guān)于運用嵌套子集方法對高速城市化背景下土壤多樣性的影響研究的論文被錄用為會議口頭發(fā)言，在國際間產(chǎn)生了積極的影響。

通過研究，揭示了南京、蘇州等代表性城市不同時期高速城市化擴張帶來的土壤多樣性動態(tài)變化，指出應(yīng)該進一步追蹤高強度人類活動背景下區(qū)域土壤多樣性動態(tài)特點、規(guī)律與發(fā)展趨勢，及其對土壤資源空間格局演變的指示，以新的角度豐富土壤資源評價指標(biāo)，更好地表達區(qū)域土壤資源空間格局演變，探索其地學(xué)、土壤學(xué)意義及其生態(tài)環(huán)境保護中的作用，有關(guān)研究也引起當(dāng)?shù)刂匾矫婷襟w的關(guān)注。

3展望

2013年4月，由美國CRC出版專著《土壤多樣性(Pedodiversity)》，邀請當(dāng)今世界上代表性國家有關(guān)學(xué)者，在介紹有關(guān)土壤多樣性研究進展的基礎(chǔ)上，對這一新興學(xué)科的發(fā)展與應(yīng)用前景進行了展望。

書中，西班牙JuanJoséIbáñez、JavierCaniego和AsunciónSaldaña分別就土壤多樣性的研究現(xiàn)狀和未來挑戰(zhàn)、土壤多樣性和生物多樣性的分形分析和土壤多樣性與景觀生態(tài)學(xué)等內(nèi)容進行了論述;意大利EnricoFeol、CarmeloDazzi關(guān)于環(huán)境系統(tǒng)中多樣性的測度和人為景觀變化對土壤多樣性的響應(yīng)和土壤遺產(chǎn)保護的研究;美國JonathanPhillips、JamesBockheim關(guān)于非線性變化及趨異進化(divergentevolution)與土壤多樣性、土壤地方性及其對系統(tǒng)土壤多樣性的重要性的研究;伊朗NorairToomanian對土壤多樣性與地形的研究;中國張學(xué)雷也介紹了我國土壤多樣性的主要研究進展及其未來的機遇與挑戰(zhàn)。

土壤與土地利用之間存在密切聯(lián)系，土壤類型及屬性的差異很大程度上決定了土地利用的方式，同時土地利用方式的不同也間接改變著土壤類型、性質(zhì)及功能多樣性的格局，考慮到我國自然條件的特點和悠久且不平衡的發(fā)展態(tài)勢，通過努力可望能在研究土地利用變化對土壤多樣性影響的機理及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析中逐漸積累研究成果并有所突破。

新近，段金龍、張學(xué)雷為探索水土資源的空間分布特征及其內(nèi)在聯(lián)系，以中國中部河南省和東部江蘇省的典型樣區(qū)為例，基于土壤多樣性理論與方法，對一種最新的土壤多樣性計量方法進行改進，將其引入以水土資源為主的資源分布特征評價中，進行了不同資源類型(耕地、水體、植被等)多樣性的關(guān)聯(lián)分析，已經(jīng)取得顯著進展。

新近研究實踐證明，運用土壤多樣性的理論與方法并將之?dāng)U展到土壤、土地與生態(tài)環(huán)境其他因子多樣性格局的關(guān)聯(lián)分析及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)或許將成為土壤多樣性研究領(lǐng)域具有生命力的發(fā)展方向。

近年來，國內(nèi)外不斷有學(xué)者在土壤多樣性的基本理論、計量手段、不同分類體系中多樣性結(jié)構(gòu)分析進行探索，正是由于這些努力，使得這一研究領(lǐng)域日趨活躍。

將于2014年在韓國濟州島召開的第20屆世界土壤學(xué)大會的程序中，已經(jīng)在土壤地理委員會(1.2-Soilgeography)下面設(shè)立了“土壤多樣性與生態(tài)服務(wù)：在土壤地理與土地利用之間架起橋梁”(Pedodiversityandecologicalservices-bridgingsoilgeographyandlanduse)研討專題，相信通過大會交流將進一步推動土壤多樣性研究的深入發(fā)展，并在土壤地理學(xué)及土壤資源相關(guān)研究中扮演更加重要的角色。