贛南地區(qū)侵蝕地形因子研究

李新艷，楊勤科,2，王春梅

(1 西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127；2 中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

地形既是影響土壤侵蝕的重要環(huán)境要素，也是土壤侵蝕模型中的重要參數(shù)[1]。國內(nèi)外對侵蝕地形因子展開了大量研究。在提取方法的研究上，國外學(xué)者Moor等[2]、Wilson等[3]、Williams等[4]討論了基于流域計算坡度-坡長因子(Length-Slope factor,簡稱LS，下同)的方法；國內(nèi)學(xué)者楊勤科等[5]、張宏鳴等[6-7]研究了基于DEM提取LS的方法，蘭敏[8]、王程等[9]探討了坡長提取數(shù)據(jù)單元的劃分方法等。在提取結(jié)果的研究上，國外學(xué)者Evans[10]研究了不同算法對各個地形因子提取結(jié)果的影響；國內(nèi)學(xué)者郭明航等[11]分析了全國不同地形侵蝕因子的分布特征，程崢[12]討論了不同因素對坡長提取結(jié)果的影響。然而，現(xiàn)有研究大多側(cè)重討論地形因子提取算法，關(guān)于地形因子分布格局的研究偏少，尤其是基于高分辨率數(shù)據(jù)提取的地形因子分布格局的研究則更少。國內(nèi)大多數(shù)對地形因子的研究均集中在北方，尤其是黃土高原，對于南方的關(guān)注較少。江西是水土流失非常嚴重的地區(qū)之一[13]，國內(nèi)許多學(xué)者已經(jīng)認識到其研究的典型性和重要性，曾在該區(qū)域做過DEM建立方法[14]、土壤侵蝕監(jiān)測與評價[15-17]等研究，但針對地形因子的研究尚未見報道。

本試驗以水土流失嚴重的贛南地區(qū)為研究對象，探索高分辨率坡度、坡長提取方法和LS因子計算方法，分析其地域分布與格局，以期為治理水土流失提供相應(yīng)的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省南部(贛南)，行政區(qū)劃上為贛州市。該區(qū)位于北緯24°29′～27°09′、東徑113°54′～116°38′(圖1)，平均海拔在300～500 m，全區(qū)面積為39 379.64 km2，其中丘陵占土地總面積的61%，山地占土地總面積的22%[18]。該地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，多年平均降水量1 458.8 mm。多山的地形和歷史上不合理的土地利用，使該區(qū)成為全國水土流失非常嚴重的地區(qū)，也是全國水土保持工作和研究的重點地區(qū)[19]。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源為2011年全國第4次土壤侵蝕普查(全國第1次水利普查，下同)項目提供的贛南地區(qū)1∶5萬數(shù)字地形圖(等高線、高程點和河流等專題層)。地形圖等高距為10 m，高斯克呂格6°投影。數(shù)據(jù)經(jīng)過必要的檢查和編輯，然后利用ANUDEM軟件[20]建立分辨率為10 m的水文地貌關(guān)系正確的DEM(Hydrologically Correct Digital Elevation Model， Hc-DEM)[21]。

圖1 研究區(qū)位置圖

為提高工作效率、避免邊際效應(yīng)，參照全國第4次土壤侵蝕普查的地形因子提取項目中的數(shù)據(jù)組織方案[22]，將DEM數(shù)據(jù)以1∶10萬圖幅組織，即將一個1∶10萬圖幅及其周邊的16個1∶5萬圖幅拼接，然后將1∶10萬圖幅向外擴展5 km后重新切割，全區(qū)組織為41個1∶10萬圖幅，作為數(shù)據(jù)處理單元(圖2)。最終拼接在一起，做進一步的制圖和統(tǒng)計分析。

1.3 LS因子提取

以1∶10萬圖幅為數(shù)據(jù)單元(周邊有5 km緩沖)，利用LS-Tool工具[23]，計算坡度和坡長。然后根據(jù)全國第4次土壤侵蝕普查規(guī)定的方法計算LS因子[24]，坡度和溝道截斷均采用LS-Tool推薦的默認值[25-26]。

(1)

L=(λ/22.1)m。

(2)

(3)

LS=L×S。

(4)

式中:S為坡度因子；θ為坡度值(°)；L為坡長因子；λ為坡長(m)；m為坡長指數(shù)，根據(jù)坡度不同取值不同。

圖2 數(shù)據(jù)組織方式

1.4 地形屬性類型區(qū)劃分

利用10 m分辨率DEM計算百分比坡度，用50 m×50 m為鄰域窗口(0.25 km2)進行均值濾波后，參照贛州年鑒[18]中記載的贛南的地貌類型特征，經(jīng)反復(fù)試驗后將贛南地區(qū)劃分為平原(包括盆地及周邊緩坡丘陵，下同)、典型丘陵和山地3個地貌類型區(qū)(圖3)，作為侵蝕地形屬性和LS因子分析的基礎(chǔ)。

圖3 50 m×50 m濾波窗口劃分的贛南地區(qū)地貌類型區(qū)

2 結(jié)果與分析

2.1 地形屬性和LS因子的宏觀地域分布

本研究將贛南地區(qū)的坡度、坡長、LS圖進行等面積分級(Quantile)，然后分析其宏觀分布，這有助于從整體上把握贛南地區(qū)的地形特征和LS因子的總體分布，從而為理解該地區(qū)侵蝕地形特征、制定水土流失治理宏觀規(guī)劃提供依據(jù)。

2.1.1 坡度的宏觀分布 圖4a和表1顯示，在贛南地區(qū)，平原的坡度平均值最小，典型丘陵區(qū)次之，山地最大。整個區(qū)域四周的坡度較大，中間較小。這與贛南四周高山環(huán)繞，中部眾丘陵起伏，平原和小盆地散布、河流水庫匯聚的地形特征吻合。坡度大于35°的地區(qū)在研究區(qū)西部較為集中，這是由于山地在此區(qū)域分布集中的緣故。坡度小于5°的地區(qū)多位于研究區(qū)的北部，而南部較少，這是由于北部水域分布較廣，地形起伏相對較小，平原和小盆地眾多，而南部地區(qū)丘陵分布較多。坡度大于15°的地區(qū)在研究區(qū)分布面積較大，這與贛南丘陵區(qū)的地形密切相關(guān)。不同地貌類型的比例關(guān)系與當?shù)氐恼J識一致，即平原、典型丘陵和山地面積所占比例分別為17%，61%和22%[18]。

圖4 贛南地區(qū)不同地貌類型區(qū)坡度、坡長和LS的宏觀分布圖

表 1 贛南地區(qū)不同地貌類型區(qū)高程和坡度的統(tǒng)計結(jié)果

2.1.2 坡長的宏觀分布 根據(jù)全國第4次土壤侵蝕普查中的做法，將平原的坡長設(shè)為5 m(因為考慮到平原地形下徑流匯集距離短，因而設(shè)置為1/2個柵格)，獲得了贛南地區(qū)坡長的宏觀分布特征，結(jié)果見圖4b。由圖4b和表2可以看出，坡長平均值在平原最小，典型丘陵區(qū)次之，山地最大；紅壤丘陵類型區(qū)坡長較短，平均坡長為71.77 m，其原因是南方紅壤區(qū)丘陵單個實體小、坡度較大。贛南山地平均坡長較大，其原因是單個山體較大。

2.1.3 LS因子的宏觀分布 圖4c和表2顯示，在贛南平原LS因子平均值最小，典型丘陵區(qū)次之，山地最大。平原LS因子值大多小于4，典型丘陵區(qū)LS因子平均值為10.11，而山地LS因子平均值則大于15；地理分布上LS因子表現(xiàn)為北部小于南部，這與坡度的分布一致。在平原和典型丘陵樣區(qū)，LS因子主要受坡度的影響，而在山地受坡度和坡長共同影響。LS因子大于20的地區(qū)多位于興國、于都、寧都、贛縣等縣，這些區(qū)域土壤侵蝕較為嚴重。

表 2 贛南地區(qū)不同地貌類型區(qū)坡長和LS因子的統(tǒng)計結(jié)果

2.2 地形屬性和LS因子的微觀格局

坡度是局部地表高程變化的微觀指標[27]，坡長提取以DEM上可辨識的最小流域為單元，因此坡度、坡長和LS因子值均表現(xiàn)出其固有的微觀格局，對其分析有利于對侵蝕地形的理解，并有助于水土保持措施的合理布設(shè)。

2.2.1 坡度的微觀格局 圖5～7和表3表明，在平原，坡度整體較小，平均坡度僅為3.7°，坡度<3°的面積所占比例達到70%以上，平原坡度較大的值主要分布在緩坡丘陵區(qū)。在典型丘陵區(qū)，坡度整體較大，15°以上的坡度面積所占比例達到70%以上，在典型丘陵區(qū)的谷底、河道、山脊坡度較小，而在山脊兩側(cè)的斜坡上坡度較大。在山地，平均坡度最大，25°以上的坡度面積所占比例達到65%以上，并且坡度有沿著山脊向下逐漸遞增的趨勢。與DEM(圖6)相比可知，坡度的結(jié)構(gòu)與地表高程的變化相一致。

圖5 贛南地區(qū)不同地貌類型區(qū)坡度的微觀格局

圖6 贛南地區(qū)不同地貌類型區(qū)DEM的微觀格局

圖7 贛南地區(qū)不同地貌類型區(qū)坡度的分級結(jié)果

2.2.2 坡長的微觀格局 圖8、圖9和表3顯示，在平原，坡長平均值為39.5 m，其中5 m的坡長占到了55%以上，坡長大于90 m的面積僅占15%左右，主要見于平原周邊的緩坡丘陵。在典型丘陵區(qū)，坡長整體分布較大，較大的值分布在比較連續(xù)的長斜坡上，較小的值分布在谷底和山脊；山脊坡長小是因為匯流距離短，谷底坡長小是因為坡度變緩地段發(fā)生泥沙沉積、坡長重新開始計算(截斷)所致。在山地，坡長整體較大，平均值達到115.0 m。在典型丘陵和山地的坡長圖上，可以清晰地看到一些類似于流域單元的圖式，這是因為坡長提取是以DEM上可辨識的小流域為單元的[8]。

2.2.3 LS因子的微觀格局 圖10、圖11和表3顯示，平原LS因子的平均值最小，LS值小于3的面積占到了90%，這是因為該區(qū)域坡度坡長都較小。典型丘陵區(qū)LS因子的平均值較大，為9.2，較大的LS值出現(xiàn)在一些凹形坡上。山地LS因子的平均值最大，大于20的山地面積占到了50%以上，LS因子也表現(xiàn)出自山脊至山谷逐漸遞增的趨勢。從整體上看，LS因子的分布與坡度格局更為相似，說明南方紅壤丘陵區(qū)，坡度對土壤侵蝕的影響也是大于坡長的，這與對黃土丘陵區(qū)的研究結(jié)果[28]一致；平原和典型丘陵區(qū)LS因子的分布與坡度基本一致，但在局部山地LS因子受坡度和坡長的雙重影響。從表面紋理看，LS因子整體上既反映出受坡度影響而出現(xiàn)的與地形相適應(yīng)的連續(xù)性，也有受坡長影響的不連續(xù)性，這種特征與坡長計算中采用的單流向算法有關(guān)。

圖8 贛南地區(qū)不同地貌類型區(qū)坡長的微觀格局

圖9 贛南地區(qū)不同地貌類型區(qū)坡長的分級結(jié)果

圖10 贛南地區(qū)不同地貌類型區(qū)LS因子的微觀格局

圖11 贛南地區(qū)不同地貌類型區(qū)LS因子的分級結(jié)果

表 3 贛南地區(qū)不同地貌類型區(qū)地形屬性和LS因子的統(tǒng)計結(jié)果

2.3 地形因子與土壤侵蝕的關(guān)系

為研究地形因子分布與土壤侵蝕強度的關(guān)系，根據(jù)江西省水土保持科學(xué)研究所提供的贛南地區(qū)土壤侵蝕強度圖(1980年、1998年和2008年3期，圖12)，對比1.4節(jié)的贛南地區(qū)地貌類型分區(qū)圖(圖3)進行分析，結(jié)果表明,贛南地區(qū)土壤侵蝕與地形的關(guān)系表現(xiàn)為： 1)土壤侵蝕主要發(fā)生在海拔300～400 m以上的地區(qū)，這是因為該海拔高度是人類活動集中、受人類活動干擾較大的區(qū)域； 2)土壤侵蝕主要發(fā)生在坡度>15°的區(qū)域，主要位于丘陵和山地區(qū);3)隨著侵蝕強度的增加，坡度、坡長和LS因子均呈增加趨勢，這表明盡管在實際景觀條件下的土壤侵蝕受到多種因素的影響，但是地形屬性(坡度、坡長)和LS對土壤侵蝕的影響依然是明顯的。

圖12 贛南地區(qū)1980-2008年3期土壤侵蝕強度的分級結(jié)果

3 結(jié)論與討論

1)基于1∶5萬數(shù)字地形圖，利用ANUDEM軟件建立10 m分辨率水文地貌關(guān)系正確的DEM，可以提取和分析較大區(qū)域侵蝕地形因子。該過程中須注意合理劃分數(shù)據(jù)單元、設(shè)置合理的坡長緩沖距離。贛南紅壤丘陵區(qū)以1∶10萬標準圖幅為基本數(shù)據(jù)單元，數(shù)據(jù)向外擴充5 km，以避免邊際效應(yīng)。利用這種方法提取的結(jié)果是理想的。但是基于1∶5萬DLG建立DEM來完成對地形因子的提取，應(yīng)該是存在坡度的衰減和坡長的擴張，須利用更高分辨率的數(shù)據(jù)來進行訂正才能更有可用性。

2)贛南紅壤丘陵區(qū)的侵蝕地形因子，在宏觀尺度上，坡度和LS因子均在平原最小，典型丘陵次之，山地最大，并在地理分布上呈北部小于南部的趨勢。參照全國第4次土壤侵蝕普查的方法進行分析，將平原坡長設(shè)為1/2柵格，可知整體上山地坡長較大、典型丘陵區(qū)次之、平原區(qū)最小。在微觀格局上，坡度表現(xiàn)出與地形連續(xù)變化相適應(yīng)的特性；坡長在典型丘陵和山地紋理上反映出類似流域單元的圖式；LS受坡度和坡長的共同影響，整體上與坡度的分布一致。

3)地形因子與土壤侵蝕的關(guān)系表現(xiàn)為，侵蝕主要發(fā)生在人類活動的區(qū)域，隨著侵蝕強度的增大，坡度、坡長和LS因子均呈增加趨勢。表明地形屬性依然是影響土壤侵蝕的重要因素。

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