基于地形梯度的土壤侵蝕強(qiáng)度分布特征研究
——以欽江流域?yàn)槔?/h1>

2014-09-21 08:04:51陶艷成李衛(wèi)寧

水土保持研究訂閱 2014年2期 收藏

關(guān)鍵詞：土壤侵蝕坡度梯度

高 峰, 華 璀, 盧 遠(yuǎn), 陶艷成, 李衛(wèi)寧

(1.廣西師范學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 南寧 530001; 2.廣西科學(xué)院 廣西紅樹林研究中心,廣西 北海 536000;3.廣西紅樹林保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 北海 536000; 4.桂林理工大學(xué) 南寧分校 土木與測繪工程系, 南寧 530001)

基于地形梯度的土壤侵蝕強(qiáng)度分布特征研究
——以欽江流域?yàn)槔?/p>

高 峰1, 華 璀1, 盧 遠(yuǎn)1, 陶艷成2,3, 李衛(wèi)寧4

(1.廣西師范學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 南寧 530001; 2.廣西科學(xué)院 廣西紅樹林研究中心,廣西 北海 536000;3.廣西紅樹林保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 北海 536000; 4.桂林理工大學(xué) 南寧分校 土木與測繪工程系, 南寧 530001)

地形因素是影響土壤侵蝕空間分布格局的重要因素之一，以欽州流域?yàn)槔?，?yīng)用DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.1空間統(tǒng)計(jì)分析模塊下，采用高程梯度、坡度梯度和地形位梯度三種方法對比研究，通過分析不同土壤侵蝕強(qiáng)度在三種地形梯度上的分布指數(shù)，揭示研究區(qū)域的土壤侵蝕強(qiáng)度分布的模式及其與地形因素之間的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明：(1) 在高程和坡度梯度上，中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈主要分布在1～2地形梯度上；在地形位梯度上，微度侵蝕在1級區(qū)域上占據(jù)了優(yōu)勢地位，分布面積最大，這與在高程和坡度梯度上的分布恰恰相反。(2) 對三種方法的比較表明，地形位綜合了高程和坡度的信息，可以反映土壤侵蝕強(qiáng)度隨地形變化的分布趨勢以及土壤侵蝕強(qiáng)度的分布特征。(3) 研究可為區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布格局和水土保持規(guī)劃的研究提供一種可行的定量分析方法。

土壤侵蝕強(qiáng)度; 坡度; 高程; 地形位指數(shù); 分布指數(shù)

地形因素是影響土壤侵蝕空間分布的重要因素之一，國內(nèi)外學(xué)者對其做了大量研究[1-7]。DEM為影響土壤侵蝕地形因子的定量計(jì)算提供了基礎(chǔ)平臺[8-11]，地形位指數(shù)是為了綜合反映一個地區(qū)地形條件的空間差異，利用地理信息系統(tǒng)建模方法，將高程和坡度組合成一個數(shù)字指標(biāo)[12]。國內(nèi)學(xué)者針對地形因素與土地利用類型分布、土地利用格局變化之間的關(guān)系進(jìn)行了深入研究[12-14]。既然土地利用類型分布與地形因素之間的對應(yīng)關(guān)系已被大量研究證實(shí)，而不同等級的土壤侵蝕強(qiáng)度斑塊與土地利用類型斑塊相似，那么土壤侵蝕強(qiáng)度等級斑塊也必然具有某種程度上的自相似性[15]。然而把坡度和高度綜合在一起研究地形梯度變化對土壤侵蝕強(qiáng)度分布的影響則未見報(bào)道。土壤侵蝕強(qiáng)度分布格局受地形的影響，以往研究多從單一地形因子與土壤侵蝕之間的關(guān)系進(jìn)行探討，而專門針對土壤侵蝕強(qiáng)度分布特征與高程、坡度、地形位關(guān)系的對比研究很少。因此，通過分析土壤侵蝕強(qiáng)度不同等級的分布與高程、坡度、地形梯度之間的相互關(guān)系，將有助于評價(jià)流域土壤侵蝕強(qiáng)度的空間結(jié)構(gòu)和不同地形位上的土壤侵蝕強(qiáng)度不同等級的分布規(guī)律。本文利用RS和GIS技術(shù)，采用地形位指數(shù)和分布指數(shù)，探討欽江流域土壤侵蝕強(qiáng)度不同等級和地形因子之間的關(guān)系，揭示其分布規(guī)律和差異，這對于認(rèn)清地形因素對土壤侵蝕強(qiáng)度的發(fā)育和選擇以及制定流域水土保持措施和規(guī)劃具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

欽江流域位于北緯21°52′—22°34′，東經(jīng)108°34′—109°30′，地處我國廣西南部欽州市，屬桂南直流入海河流。發(fā)源于靈山縣平山鎮(zhèn)東山山麓白牛嶺，從東北流向西南，流域面積2 392 km2，地形呈舟狀，除流域的出口西南部外，其他三面高，中間低，地勢由東北沿西南方向逐漸降低，東北部及四周多為低山丘陵地區(qū)，高程為250～846 m，河流兩岸為臺地，高程10～60 m；巖性以泥巖、泥質(zhì)粉巖、沙巖為主[16]。欽江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，春夏季多暴雨，同時(shí)受熱帶氣旋的影響，雨量豐沛，多年平均降雨量為1 600 mm，呈現(xiàn)由上游河源至下游河口遞增趨勢。降雨時(shí)空分布不均勻，4—9月汛期的雨量約占全年降雨量的80%左右，流域上游靈山縣雨量略少。河流下游地勢低平，由上游攜帶的泥沙在河流入?？诔练e，形成沖積平原，高程1～6 m。植被分類上屬于桂南植被區(qū)，生長著熱帶雨林和亞熱帶的季雨林，主要生長馬尾松、杉木、桉樹及荷木等多種用材林，森林覆蓋率高。

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文研究數(shù)據(jù)來源于2010年欽江流域土地利用現(xiàn)狀圖和30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)。此外還有欽江流域多年日降雨量、土壤可蝕性K值、植被覆蓋度圖和水土保持措施因子數(shù)據(jù)?；谝陨蠑?shù)據(jù)，根據(jù)通用土壤流失方程USLE和水利部頒布的土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)(SL190-2007)計(jì)算得到流域土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布圖[17]。研究結(jié)合流域地形特點(diǎn)和土地利用特點(diǎn)，將生成的高程圖、坡度圖、地形位圖進(jìn)行分級。研究區(qū)最高海拔846 m，最低海拔0 m，且在650 m以上土地利用類型分布相對均一，基本都為林地，可單獨(dú)分為一級。為了便于計(jì)算比較，在進(jìn)行高程分級時(shí)，把50 m以下和650 m以上各作為一級，中間按50 m間隔進(jìn)行劃分；坡度3°以下和36°以上各作為一級，中間區(qū)域按3°間隔進(jìn)行分級；地形位等級基于ArcGIS 10.1軟件的Equal Internal分類方法，對地形位指數(shù)進(jìn)行重分類，分成13級[12](表1)。

表1 高程、海拔和地形位指數(shù)分級區(qū)間

2.2 研究方法

2.2.1 地形位指數(shù) 地形位指數(shù)可以綜合描述高程與坡度變化對土地利用空間格局的影響。本文利用地形位指數(shù)定量描述對流域土壤侵蝕強(qiáng)度的空間分異影響，其計(jì)算公式為[12-13]

(1)

2.2.2 分布指數(shù) 地形位指數(shù)可以反映地形條件對景觀組分空間分布的影響，即在地形位梯度上不同景觀組分出現(xiàn)的頻率。為消除面積差異帶來的量綱影響，本文采用分布指數(shù)來描述不同土壤侵蝕強(qiáng)度在地形位梯度上的分布情況，公式為[12-13]

(2)

式中：P——分布指數(shù)；e——地形因子，分別為坡度、高程、地形位；Sie—— 地形因子特定等級下的i土壤侵蝕等級的面積；Si——i土壤侵蝕等級面積；Se——整個區(qū)域e地形因子特定等級下的總面積；S——整個區(qū)域面積。

分布指數(shù)是一個標(biāo)準(zhǔn)化、無量綱的指數(shù)。利用上述公式可分別得到高程、坡度、地形位上的分布指數(shù)。分布指數(shù)曲線越平緩，表明某種土壤侵蝕強(qiáng)度等級分布于標(biāo)準(zhǔn)分布的偏離越小，其對地形差異的適宜性越大；反之，表明某種土壤侵蝕強(qiáng)度等級對地形具有較強(qiáng)的選擇，在其優(yōu)勢地形位上該等級發(fā)育較多。當(dāng)分布指數(shù)P=1時(shí)，表示某土壤侵蝕強(qiáng)度等級在某地形位上的比重與研究區(qū)內(nèi)該土壤侵蝕強(qiáng)度等級的比重相等；當(dāng)P>1時(shí)，表明某土壤侵蝕強(qiáng)度等級在該地形位上的比重大于該土壤侵蝕強(qiáng)度等級總面積在研究區(qū)的比重，所以將P>1的區(qū)間設(shè)定為優(yōu)勢地形位區(qū)間。在強(qiáng)烈的人為干擾作用下，不同時(shí)期的P值變化體現(xiàn)了土壤侵蝕強(qiáng)度等級在相應(yīng)地形位上發(fā)生的調(diào)整。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于高程梯度的土壤侵蝕強(qiáng)度特征分析

從圖1A各高程等級的土壤侵蝕強(qiáng)度分布指數(shù)分析可知，中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈在1級高程等級(0～50 m)上的分布指數(shù)大于1，其中，強(qiáng)烈和極強(qiáng)烈是該區(qū)域的主要土壤侵蝕等級，分布范圍最大，劇烈和中度侵蝕次之。這4種侵蝕等級在第1級上分布最多，土地利用類型多為旱地和水田，人為活動影響劇烈；隨著高程的增加，分布指數(shù)均呈下降趨勢，當(dāng)大于5級(200～250 m)時(shí)，基本接近于0；由于隨著海拔高度的升高，受地形因素等的限制，耕地適宜性程度降低，人為干擾減弱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動趨于緩和。微度和輕度在1級高程等級(0～50 m)上分布指數(shù)小于1；主要是因?yàn)榈秃０蔚貐^(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動劇烈，人為干擾較強(qiáng)，再加上不合理的土地利用方式，造成了低海拔地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度主要以中度以上為主，微度和輕度分布較小。在2—3級高程等級(100～150 m)上，微度侵蝕分布指數(shù)持續(xù)增大，而輕度侵蝕分布指數(shù)先增大后減小，且輕度侵蝕增大的幅度遠(yuǎn)小于微度侵蝕，這主要是因?yàn)樵诖烁叱痰燃壣希?jīng)過多年退耕還林政策的實(shí)施，修建了大量梯田等水土保持工程措施，有效減小了土壤侵蝕強(qiáng)度。在3級高程等級(>150 m)以上，微度侵蝕分布指數(shù)大幅上升，在8級高程等級處(350～400 m)輕微下降后又開始增加，輕度侵蝕正好相反；主要原因是因?yàn)殡S著海拔高程的增加，草地和林地的分布越來越大，草地和林地占據(jù)了優(yōu)勢地位，對地表徑流和產(chǎn)沙起到緩沖作用，降低了土壤侵蝕強(qiáng)度；此外，在8—10級海拔高程等級(350～500 m)間，出現(xiàn)了峰值，這主要是因?yàn)樵诖烁叱虆^(qū)間上，人為種植了大量經(jīng)濟(jì)林，經(jīng)過一定年限后，砍伐造成大量“跡地”，加劇了土壤侵蝕。

3.2 基于坡度梯度的土壤侵蝕強(qiáng)度特征分析

從圖1B各坡度等級土壤侵蝕強(qiáng)度的分布指數(shù)分析可知，中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈分布指數(shù)在坡度等級1級(0～3°)上，其分布指數(shù)大于1，說明在該坡度區(qū)域有優(yōu)勢地位，極強(qiáng)烈面積分布最大，極強(qiáng)烈為該區(qū)域土壤侵蝕的主導(dǎo)等級類型，從土地利用方式角度來看，3°以下是適宜耕作的區(qū)域，土地利用類型多為旱地、水田和未利用地，較易發(fā)生土壤侵蝕。在坡度等級2級(3°～6°)上，中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈分布指數(shù)均呈下降趨勢，但強(qiáng)烈侵蝕下降最快，此外，微度和輕度侵蝕分布指數(shù)呈上升趨勢，且輕度分布指數(shù)超過了1，這主要是因?yàn)槠赂馗奶萏锕こ痰膶?shí)施，有效減輕了該坡度區(qū)域的土壤侵蝕強(qiáng)度，說明了坡耕地改梯田工程初見成效。隨著坡度的增加，除輕度侵蝕外，其它侵蝕等級的分布指數(shù)逐漸減小，并趨于0，這主要是由于隨著坡度的升高，地表覆被由農(nóng)作物逐漸過渡到草地和林地，有效減輕了降雨侵蝕力對表層土壤的擊濺，降低了地表產(chǎn)流產(chǎn)沙效應(yīng)。在坡度等級11—13級(>33°)上，輕度侵蝕分布指數(shù)又有所抬升，這可能是因?yàn)樵撈露葏^(qū)域經(jīng)濟(jì)林地的砍伐，造成了暫時(shí)性的土壤侵蝕加劇。

3.3 基于地形位梯度的土壤侵蝕強(qiáng)度特征分析

從圖1C各地形位梯度土壤侵蝕強(qiáng)度等級的分布指數(shù)分析可知，微度侵蝕在1級區(qū)間上，其分布指數(shù)大于1，分布占有明顯的區(qū)位優(yōu)勢，分布面積最大，為該區(qū)域的主導(dǎo)侵蝕等級；此外，在1級以上，微度侵蝕隨著地形位梯度的增加，先急劇下降，隨后緩慢抬升，在5級后又有所下降直至升到最大值2.75左右，這主要是由于隨著海拔和坡度的增加，坡式水田和坡式旱地分布面積的增大，導(dǎo)致侵蝕強(qiáng)度增大，微度侵蝕分布下降，但是當(dāng)海拔和坡度增加到一定程度后，草地和林地占據(jù)了主導(dǎo)土地利用類型，微度侵蝕又逐漸恢復(fù)了優(yōu)勢區(qū)位。輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈在1級區(qū)間上的分布指數(shù)均小于0.5，分布面積最小，主要是因?yàn)榇藚^(qū)域坡度和海拔均較小，綜合影響后導(dǎo)致上述5種侵蝕類型面積均較小，且極強(qiáng)烈分布面積為0；在1級區(qū)間后，輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕都先急劇增加，隨后輕度、中度和劇烈經(jīng)過一定的穩(wěn)定期后，逐漸下降趨向于0，這是由于1—4級區(qū)域水田和旱地分布較多，且人為影響因素較大，是土壤侵蝕的重點(diǎn)區(qū)域；在8級區(qū)間以后，輕度、中度和劇烈侵蝕逐漸趨向于0，主要是因?yàn)殡S著地形位的升高，地形條件的發(fā)育不適宜于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，認(rèn)為干擾等因素減少，自然地表覆被未受到破壞，導(dǎo)致土壤侵蝕等級和分布面積下降；強(qiáng)烈和極強(qiáng)烈侵蝕在2級區(qū)域后，分布面積急劇下降，隨后又抬升，最終趨向于0，主要是由于經(jīng)過坡耕地改梯田工程和多年退耕還林政策的實(shí)施，有效減輕了土壤侵蝕強(qiáng)度，達(dá)到了良好的水土保持效益；此外，隨著高程和坡度的增加，土地利用類型逐漸由旱地和水田逐漸過渡到草地和林地，這也從側(cè)面說明了土壤侵蝕強(qiáng)度對土地利用類型具有選擇性。

圖1 高程、坡度、地形位梯度上土壤侵蝕強(qiáng)度分布指數(shù)

4 結(jié)論與討論

(1) 欽江流域土壤侵蝕強(qiáng)度等級在不同地形分級區(qū)域，具有明顯的差異性。在高程和坡度梯度上，中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈分布在1—2級地形梯度上，主要是由于該區(qū)域地理環(huán)境和水土資源更有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，土地利用方式多為旱地和水田，人為干擾等因素影響強(qiáng)烈，同種侵蝕等級在兩種地形梯度上分布指數(shù)具有一定的相似性；輕度侵蝕在高程和坡度梯度上的分布指數(shù)波動較大；中度侵蝕在坡度梯度的10—13級區(qū)域的分布指數(shù)急劇上升，這可能是由于在較高坡度地區(qū)跡地和裸地等的存在，加劇了土壤侵蝕，提高了侵蝕強(qiáng)度等級；中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕在高程和坡度的3級以上區(qū)域的分布基本相似。在地形位梯度上，微度侵蝕在1級區(qū)域上占據(jù)了優(yōu)勢地位，分布面積最大，這與在高程和坡度梯度的分布恰恰相反，這主要是由于在高程和坡度的綜合影響下，土壤侵蝕強(qiáng)度等級受到制約，真實(shí)反映了高程和坡度對土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布的綜合選擇效應(yīng)。從以上分析可以得知，在地貌條件較復(fù)雜區(qū)域，采用地形位指數(shù)分析土壤侵蝕強(qiáng)度等級分布更加合理和方便。

(2) 從分布指數(shù)的變化趨勢來看，輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕等級隨著地形梯度的增大而減少，逐漸趨向于0，這在3種地形梯度上的分布是基本一致的；輕度侵蝕在高程和坡度梯度上具有先增加后減小，再增加后突然減小的趨勢，這與坡耕地改梯田工程、退耕還林的實(shí)施，跡地的出現(xiàn)有關(guān)；在地形位梯度上，輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕先增加后平緩減小，經(jīng)過一段穩(wěn)定期，再上升后最終趨向于0；微度侵蝕與其它5種侵蝕等級處于相反趨勢，最終分布指數(shù)值達(dá)到2.7左右；這主要是與土壤侵蝕強(qiáng)度對高程和坡度綜合選擇以及土地利用類型的空間分布有關(guān)。以上分析結(jié)論也能從側(cè)面說明欽江流域土地利用類型的地形分布特征。

(3) 通過對三種方法的研究對比發(fā)現(xiàn)，地形位指數(shù)比單獨(dú)用高程或坡度地形因子更能有效地反映土壤侵蝕強(qiáng)度分布規(guī)律。因?yàn)榈匦挝恢笖?shù)綜合了高程和坡度的信息，它能更方便地分析土壤侵蝕強(qiáng)度隨地形變化的分布趨勢。通過研究發(fā)現(xiàn)，地形位上的土壤侵蝕強(qiáng)度分布趨勢和實(shí)際分布基本一致。因此，在土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布格局和水土保持規(guī)劃研究中，地形位分布指數(shù)是一種有效的定量分析方法。

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ResearchonSpatialDistributionCharacteristicsofSoilErosionIntensityBasedonTerrainGradient—ACaseStudyinQinjiangWatershed

GAO Feng1, HUA Cui1, LU Yuan1, TAO Yan-cheng2,3, LI Wei-ning4

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,GuangxiTeachersEducationUniversity,Nanning530001,China; 2.GuangxiMangroveResearchCenter,GuangxiAcademyofSciences,Beihai,Guangxi536000,China; 3.GuangxiKeyLaboratoryofMangroveConservationandUtilization,Beihai,Guangxi536000,China; 4.CivilandSurveyingEngineering,CollegeofTechnology,GuilinUniversityofTechnology,Nanning530001,China)

Terrain is not only one of the important factors affecting the spatial distribution pattern of soil erosion, but also a prerequisite for soil erosion assessment and land evaluation. A good understanding of the relationships between soil erosion intensity class and terrain gradient is essential for soil and water conservation planning. In this paper, elevation, slope, and terrain niche were conceptually divided into 13 classes, which were used to describe the terrain difference across the study area, Qinjiang watershed in Guangxi. The nondimensional distribution index was used to examine characteristics of soil erosion intensity. Using DEM and other materials from field survey based on the spatial statistic analysis module in ArcGIS 10.1, the distribution pattern of soil erosion intensity and their relationships with terrain factors in the study area were revealed by analyzing the nondimensional distribution index for different soil erosion intensity classes on varying terrain gradients. Results showed that: (1) moderate erosion, intensive erosion, extremely strong erosion, and severe erosion distributed mainly on the 1～2 terrain gradients at the elevation and slope gradients. The distribution index of mild erosion occupies a dominant position on the 1 terrain gradients at the terrain niche gradients, whereas the micro erosion in the elevation and slope gradients shows an opposed trend; (2) comparing the three methods, the terrain niche was found to be able to explicitly show distribution trends of soil erosion intensity with variations in terrain, and the terrain niche index seems to be more effective to reflect distribution characteristics of soil erosion intensity in that the terrain niche synthesizes information of both elevation and slope; (3) this study provides a feasible quantitative method for the spatial pattern of soil erosion intensity and soil and water conservation planning.

soil erosion intensity; slope; elevation; terrain niche index; distribution index

2013-06-02

：2013-10-22

廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)城市化與生態(tài)環(huán)境交互耦合機(jī)制研究(210167);廣西教育廳項(xiàng)目(201106LX297)

高峰(1987—),男,山西人,碩士研究生,主要從事遙感和GIS應(yīng)用、區(qū)域土壤侵蝕定量評價(jià)與監(jiān)測系統(tǒng)研究。E-mail:belong0204@163.com

華璀(1962—),女,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事資源環(huán)境遙感、土地資源管理與規(guī)劃研究。E-mail:huacui163@163.com

S157

：A

：1005-3409(2014)02-0022-05

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