不同地貌類型水土流失區(qū)的地面坡譜分析

林婉晴，陳松林，廖善剛，韋素瓊

(1．濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福州350007;2．福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州350007)

坡度是影響水土流失的重要因子之一，然而坡度是一種常用的坡面微觀因子，并不能有效表達(dá)區(qū)域地形總體特征。為綜合反映研究區(qū)內(nèi)各類坡度坡面的比例與地形起伏的總體特征，早于1950年，Strahler研究了坡度頻譜分布特征與地貌發(fā)育外動(dòng)力條件的相互關(guān)系［1］，之后又有一些關(guān)于區(qū)域坡度組合的研究［2-6］，然而都較為分散，至近些年湯國安提出了黃土高原坡譜的地學(xué)分析方法［7-8］，他認(rèn)為坡譜是某一特定統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)，以地面坡度為自變量，以對應(yīng)的地面面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積為因變量所構(gòu)成的統(tǒng)計(jì)圖表或數(shù)學(xué)模型［2-4］。使用統(tǒng)計(jì)量對坡譜進(jìn)行分析，相比以往單一使用平均坡度值來衡量地形狀況，更能充分反映區(qū)域地表起伏差異。

1 實(shí)驗(yàn)樣區(qū)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

寧化縣是福建省水土流失治理重點(diǎn)縣之一。全縣水土流失面積約3.5萬hm2，約占全縣土地面積的15%左右［9-10］。寧化縣地勢總體西北高東南低，發(fā)育有一定規(guī)模的斷裂帶，其水土流失情況也呈不均勻分布。本研究基于2011年寧化縣水土流失分布及地形起伏狀況選取5個(gè)不同水土流失程度、不同地貌類型的樣本區(qū) (圖1)，其中，樣本區(qū)LS1位于淮土、濟(jì)村，水土流失最為嚴(yán)重，發(fā)育有紫色土;樣本區(qū)LS2位于城南－中沙，跨越縣城周邊，水系發(fā)育較好;樣本區(qū)LS3位于安遠(yuǎn)，與樣本區(qū)LS1、LS2同為丘陵;樣本區(qū)LS4、LS5為山地，水土流失程度較輕，各樣本區(qū)水土流失程度如表1所示。

圖1 樣本區(qū)地貌及水土流失狀況Figure 1 Geomorphic types and soil erosion situation of the study area

2 研究原理與方法

2.1 基本思路

基于ASTER空間分辨率為30 m的寧化縣DEM，求得研究區(qū)內(nèi)坡度，并分別求得研究區(qū)坡譜，并對研究區(qū)坡譜進(jìn)行對比分析 (圖2)。選用一般性描述統(tǒng)計(jì)量 (均值、中位數(shù)、眾數(shù))、離散趨勢統(tǒng)計(jì)量 (變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、極差)、分布形態(tài)統(tǒng)計(jì)量 (峰度、偏態(tài))，用以檢驗(yàn)不同地貌類型下坡譜所具備的分異性。

結(jié)合坡譜的地貌分異性和研究區(qū)水土流失程度，用于分析地形對區(qū)域水土流失的影響。因此，將樣本區(qū)提取的坡譜描述值除以對應(yīng)樣本區(qū)輕度以上水土流失面積比例 (Lij):

表1 樣本區(qū)地貌類型及水土流失程度Table 1 Geomorphic types and soil erosion degrees of the study area

圖2 研究流程圖Figure 2 Flow chart of the study

上式中，i為樣本地編號 (如:1、2、3、4、5)，j為i樣本地提取坡譜的統(tǒng)計(jì)值，Sij是i樣本點(diǎn)的第j項(xiàng)坡譜描述值，Pi為對應(yīng)i樣本點(diǎn)輕度以上水土流失面積比例。

2.2 提取穩(wěn)定坡譜

將研究區(qū)坡度以3°為間隔分別統(tǒng)計(jì)所占樣本區(qū)總面積比例 。為保證提取的坡譜具有地貌類型標(biāo)定意義，提取坡譜的樣本區(qū)面積應(yīng)滿足一定的閾值。本研究基于“ε－帶”模型概念［14］，認(rèn)為當(dāng)樣本區(qū)的數(shù)據(jù)為中小分辨率或小比例尺數(shù)據(jù)，并且所選樣本區(qū)面積較大時(shí)，可假設(shè)樣本區(qū)全域坡譜提取為標(biāo)準(zhǔn)坡譜，再提取樣本區(qū)內(nèi)匯水域坡譜與樣本區(qū)總坡譜進(jìn)行對比。過程如下:

1)首先提取樣本區(qū)全域坡譜，記為A1，假設(shè)A1為標(biāo)準(zhǔn)坡譜;

2)利用水文分析獲取研究區(qū)內(nèi)各小流域范圍，選取其中最小面積匯水域提取坡譜，將該坡譜記為A2;

3)用Ai=|A1i－A2i|，i為坡度級別;記錄δ=MAX(Ai)，δs=SUM(Ai)。當(dāng)δ＜0.05%且δs＜0.15%時(shí)，則該地貌的坡譜組合達(dá)到穩(wěn)定;

4)若不滿足穩(wěn)定條件，選取研究區(qū)內(nèi)面積大于最小流域的下一個(gè)流域計(jì)算。

匯水域一定程度上能夠體現(xiàn)獨(dú)立的自然地理單元，當(dāng)最小面積匯水域坡譜形態(tài)相似于樣本區(qū)總坡譜，則認(rèn)為樣本區(qū)滿足坡譜提取的最小面積閾值。若隨著匯水域面積的增加，計(jì)算總是出現(xiàn)匯水域的坡譜與樣本區(qū)坡譜不滿足相似條件，說明樣本區(qū)的選擇存在地貌特征的突變或跨越了多種地貌。基于上述方法，獲得5個(gè)樣本區(qū)的最小穩(wěn)定流匯水域，證明所選樣本區(qū)滿足提取穩(wěn)定坡譜范圍。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同地貌坡譜具有特異性

選取的坡譜一般性描述統(tǒng)計(jì)量 (均值、中位數(shù)、眾數(shù))可以反映研究區(qū)的普遍情況和坡度等級，離散趨勢統(tǒng)計(jì)量 (變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、極差)可以體現(xiàn)坡度的變異程度以及地表的破碎程度，分布形態(tài)統(tǒng)計(jì)量 (峰度、偏態(tài))可以衡量坡度值分布的不對稱性，間接反映地表坡度的分布變化是否平緩。根據(jù)表2和圖3分析，寧化縣5個(gè)樣本區(qū)所提取的穩(wěn)定坡譜具有明顯的地貌類型差異。

表2 樣本區(qū)坡譜統(tǒng)計(jì)Table 2 Description of the slope-spectrum

1)5個(gè)樣本區(qū)的均值、中位數(shù)、眾數(shù)表現(xiàn)出統(tǒng)一空間變化趨勢。樣本區(qū)LS1、LS2、LS3是丘陵地區(qū)，其中LS1、LS2分別位于寧化縣的西部和東部，同屬于一個(gè)流域范圍內(nèi)，這2個(gè)樣本區(qū)的坡譜均值與各自的中位數(shù)、眾數(shù)差值較大;LS3樣本區(qū)位于寧化縣的北部，其河流自成體系，匯流出境，坡譜均值、中位數(shù)、眾數(shù)差值小。樣本區(qū)LS4、LS5為山地地區(qū)，坡譜均值、中位數(shù)、眾數(shù)差值相對丘陵地區(qū)更小，坡度值向中間值靠攏。

2)離散趨勢統(tǒng)計(jì)值中，樣本區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差、極差隨地貌變化規(guī)律表現(xiàn)相對不明顯，坡譜的變異系數(shù)則隨樣本區(qū)序號逐步減小，將樣本區(qū)內(nèi)坡譜變異系數(shù)內(nèi)插為全縣范圍的變異系數(shù)散點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)坡譜變異系數(shù)同寧化縣溝壑密度正相關(guān)。一般情況下丘陵地區(qū)的破碎程度大于山地地區(qū)，可見坡譜的變異系數(shù)類似地面溝壑密度，能夠反映地面的破碎程度。

3)分布形態(tài)統(tǒng)計(jì)值隨地貌變化而明顯變化，在所有坡譜曲線描述值中表現(xiàn)出明顯的地貌分異性。寧化縣5個(gè)樣本區(qū)坡度分布都不對稱，樣本區(qū)坡譜曲線為右偏態(tài)，坡度均值都在峰值的右邊。但丘陵樣本區(qū)LS1、LS2、LS3峰度大于0，坡度集中程度高于正態(tài)分布，分布態(tài)勢陡峭;山地樣本區(qū)LS4、LS5峰度低于0，分布態(tài)勢趨于平緩。

圖3 樣本區(qū)坡譜Figure 3 Curves of the slope-spectrum

綜上所述，丘陵和山地2種地貌類型提取的坡譜具有明顯的自相似性和地貌類型的差異性:丘陵地區(qū)坡譜均值、中值、總數(shù)較低，坡度差值小但坡度變化頻繁，坡譜呈尖銳的右偏態(tài);山地地區(qū)坡譜均值等較大，坡度差值大但坡度變化平穩(wěn)，坡譜更接近于單峰對稱。

3.2 坡譜與水土流失分布

將研究區(qū)坡譜統(tǒng)計(jì)量與水土流失程度商值 Lij進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)果如圖4。

坡譜曲線隨著水土流失的程度降低，形態(tài)上更加平緩、對稱 (圖4)。結(jié)合圖3曲線可以看出，寧化縣丘陵地區(qū)水土流失程度比山地地區(qū)更大。圖3曲線除峰度外，所有曲線都呈上升趨勢，表明坡譜除峰態(tài)外所有坡譜描述值與樣本區(qū)水土流失程度呈正相關(guān)，相關(guān)性最大的為坡譜的變異系數(shù)和偏態(tài)。

圖4 樣本區(qū)坡譜統(tǒng)計(jì)值與水土流失程度Figure 4 Relationship between the statistics of slope-spectrum and soil erosion

綜合表1、表2、圖4分析得出，丘陵樣本區(qū)LS1、LS2、LS3水土流失相對山地樣本區(qū)LS4、LS5嚴(yán)重。在丘陵樣本區(qū)LS1(寧化縣石壁、淮土一帶)水土流失面積比例相對LS2水土流失面積比例多27.87個(gè)百分點(diǎn)，相對LS3水土流失面積多30.06個(gè)百分點(diǎn)。樣本區(qū)LS1均值、中位數(shù)、眾數(shù)的值差相對其他2個(gè)丘陵樣本區(qū)的3個(gè)統(tǒng)計(jì)量值差大，并且坡譜的標(biāo)準(zhǔn)差大，坡譜變異系數(shù)大于LS2、LS3約為0.16，可推斷樣本區(qū)LS1坡度值集中于某一段區(qū)間內(nèi)，但是地理空間上坡度分布離散，地形破碎、溝壑發(fā)育，這是由于樣本區(qū)LS1水土流失最為嚴(yán)重，其受土壤發(fā)育影響大，紫色土發(fā)育于紫色砂巖和砂礫巖，土壤抗蝕力和抗沖力弱，徑流系數(shù)高，且土壤固結(jié)性差。

在山地樣本區(qū)水土流失面積較少，樣本區(qū)LS4比LS5水土流失面積比例多5.17個(gè)百分點(diǎn)，均值和中位數(shù)、眾數(shù)差值比LS5略大，變異系數(shù)也大于LS5，但是LS4標(biāo)準(zhǔn)差卻小于LS5。同時(shí)將樣本區(qū)LS2和LS3進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)和LS4－5之間相似的變化，從這2個(gè)對比組可以發(fā)現(xiàn)水土流失面積比例較大時(shí)均值和眾數(shù)差值較大，變異系數(shù)大，但是標(biāo)準(zhǔn)差相比較小，可見LS1發(fā)育的紫色土對該樣本區(qū)的水土流失影響程度還是比較大的，并表現(xiàn)在坡譜組合上產(chǎn)生一定變化，以及通過曲線斜率或拐點(diǎn)等曲線特征值可反映紫色土對水土流失的影響程度?；谏鲜龇治?，在同一地貌類型的樣本區(qū)內(nèi)坡譜的均值、中位數(shù)、眾數(shù)隨著水土流失程度的加劇而增大，它們之間的差值反映了坡度值的集中程度;坡譜的變異系數(shù)也隨著水土流失程度的加劇而增大，反映了地貌的破碎程度和起伏狀況。

4 結(jié)論

地面坡譜具有明顯的地貌分異性，坡譜的統(tǒng)計(jì)值是利用微觀單位因子組合來反映宏觀地貌的完整性、破碎度、起伏度。地面坡譜蘊(yùn)含豐富的信息熵，采用更多的坡譜統(tǒng)計(jì)值來開展分析，有助于挖掘更多水土流失或地貌發(fā)育與坡譜蘊(yùn)含的相關(guān)信息。坡譜的應(yīng)用對水土流失研究具有重大意義，坡譜不僅對應(yīng)著一定的地貌類型，同時(shí)也能夠反映區(qū)域水土流失程度受地形影響的程度，并且有望量化各因素對水土流失的影響程度。

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