唐山小流域土壤侵蝕格局及其空間結(jié)構(gòu)分析

魏京莉

（河北省唐山水文水資源勘測(cè)局，河北 唐山063000）

土壤侵蝕不僅破壞區(qū)域景觀生態(tài)環(huán)境，還通過(guò)水土流失、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和民生安全，對(duì)自然與經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展造成一定隱患。國(guó)際環(huán)境與發(fā)展組織委員會(huì)調(diào)查顯示，全球土壤侵蝕面積達(dá)0.16億km2，占陸地總面積的1/10；而我國(guó)處于東亞季風(fēng)區(qū)，加之地表林草覆被總體稀疏、地形破碎，土壤可蝕性程度高，土壤侵蝕面積占陸地國(guó)土的2/5［1-2］。土壤侵蝕是自然過(guò)程與人類(lèi)活動(dòng)干擾的綜合結(jié)果，因而具有結(jié)構(gòu)性與隨機(jī)性，探究其分布格局的空間結(jié)構(gòu)，能夠推導(dǎo)不同土壤侵蝕強(qiáng)度與本地景觀特征、地形、降水、土地利用類(lèi)型間的關(guān)聯(lián)機(jī)制；還可厘定人為活動(dòng)的影響程度，從而為區(qū)域水土保持規(guī)劃和環(huán)境建設(shè)提供信息基礎(chǔ)。關(guān)于其空間結(jié)構(gòu)性的研究，學(xué)者們主要采取地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，如馮凌等［3］應(yīng)用Moran’s I法研究了汾河流域土壤侵蝕空間自相關(guān)格局，表明其存在正的空間相關(guān)性與空間聚集性；汪濤等［4］研究土壤侵蝕強(qiáng)度及其分析特征之間的關(guān)系，認(rèn)為土壤侵蝕程度越高分形結(jié)構(gòu)越復(fù)雜；李貝等［5］以地形特征為視角研究了坡度、海拔、坡向等因子對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度空間聚集性的影響。這些研究探討了地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤侵蝕研究中的應(yīng)用，并揭示了土壤侵蝕強(qiáng)度隨景觀變化的規(guī)律。唐山位于我國(guó)土壤侵蝕較嚴(yán)重的華北季風(fēng)區(qū)，局部屬土石山區(qū)、溝壑縱橫、林草稀疏、地形崎嶇，以本區(qū)小流域?yàn)榘咐骄科渫寥狼治g格局及其空間結(jié)構(gòu)性，以期揭示土壤侵蝕景觀演進(jìn)規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為唐山北境的小流域，其發(fā)源于燕山，流入渤海，試區(qū)面積達(dá)23.25km2。氣候?qū)俦睖貛Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，多年均降水量500～700mm，多年平均氣溫12.5℃，無(wú)霜期190d。夏秋季節(jié)降雨強(qiáng)度大，為土壤侵蝕多發(fā)時(shí)期。植被以溫帶落葉闊葉林為主，兼針葉林、灌木、草類(lèi)等。

2 研究方法

2.1 分形維數(shù)法

分形維數(shù)為變量分布格局復(fù)雜程度的度量，其數(shù)學(xué)定義為變量變異函數(shù)的雙對(duì)數(shù)關(guān)系logγ（h）∝logh在一定觀測(cè)尺度h上的線(xiàn)性關(guān)系［6］：

式中 FD為分形維數(shù)，值域（1，2］；H為線(xiàn)性斜率，取值為［0，1］；FD隨著H的增加而減小。

對(duì)于區(qū)域降水空間分布，其分維數(shù)越小則其分形越好，表明降水分布趨勢(shì)性強(qiáng)，空間漸變性、連續(xù)性好；其分維數(shù)越小，則其分形特征越長(zhǎng)，表明區(qū)域降水異質(zhì)格局強(qiáng)，分布離散、連續(xù)性差、全局趨勢(shì)弱。

2.2 Moran’s I法

區(qū)域性變量受空間相互作用與空間擴(kuò)散的影響，導(dǎo)致在不同空間位置上存在一定依賴(lài)性，對(duì)于這種空間自相關(guān)性的檢測(cè)可用Moran’s I表達(dá)［6-7］：

式中 Moran’s I為空間自相關(guān)性的度量，其值介于［-1，1］，Moran’s I＞0，則表明變量呈正向自相關(guān)性，反之則為負(fù)向自相關(guān)性，Moran’s I=0，則表明自相關(guān)性不存在，并且其絕對(duì)值越大，表明自相關(guān)性越強(qiáng)；n為變量樣本數(shù)量；xi，xj為變量x在鄰近配對(duì)位置i和j處的實(shí)測(cè)值，xˉ為變量x的平均值；wij為空間權(quán)重函數(shù)。

為了檢驗(yàn)空間自相關(guān)性的顯著性，通常將Moran’s I予以標(biāo)準(zhǔn)化處理，其中Z值大小指示變量空間聚集性強(qiáng)弱，若Z為0，表明變量呈隨機(jī)分布，Z的絕對(duì)值大于1.96，表明其空間自相關(guān)性顯著。全局空間自相關(guān)分析可能掩蓋變量在局域空間位置上的聚集或異常特性，為此一般引入局部自相關(guān)分析［17］：

式中 I為局部空間自相關(guān)指數(shù)；x′i，x′j分別為樣本i，j的標(biāo)準(zhǔn)化值；w為空間權(quán)重。

2.3 數(shù)據(jù)處理與土壤侵蝕強(qiáng)度計(jì)算

在代理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)上提取研究區(qū)Landsat 8 OLI遙感數(shù)據(jù)，影像獲取時(shí)間為2017年9月25日，云量為0.5%，于ENVI5.1平臺(tái)，經(jīng)大氣校正、幾何校正、正射校正后，利用西河流域矢量邊界進(jìn)行裁剪，在此基礎(chǔ)上遵循計(jì)算機(jī)解譯與人工智能相結(jié)合方法，分類(lèi)輸出研究區(qū)土地利用類(lèi)型，如圖1。

圖1 區(qū)域土地利用空間格局

在得到區(qū)域土地利用類(lèi)型之后，將其與NDVI、DEM圖層疊加，參照SL190—1996《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，劃分土壤侵蝕強(qiáng)度級(jí)別，依次為對(duì)于力蝕微度、輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度、劇烈。為更好地量化土壤侵蝕強(qiáng)度，用式（4）描述：

式中 i為土地利用類(lèi)型序列數(shù)；j為土壤侵蝕分級(jí)序列數(shù)；n，m為變量樣本數(shù)量；G為土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)值；P為時(shí)間參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)土地利用格局

區(qū)域地表覆被呈現(xiàn)明顯的空間異質(zhì)性。北部上游中低山區(qū)以林地、草地分布占優(yōu)，空間連續(xù)性好，建筑用地沿河流呈帶狀分布；旱地分布在建筑用地周邊，呈塊斑狀分布，呈一定的空間離散性；園地分布于山坡地、臨近河流，其分布面積較小；林地集中于區(qū)域海拔較高處呈團(tuán)狀分布。綜合來(lái)看，區(qū)域土地利用類(lèi)型以林地、草地、建筑用地為主，其分布面積為6.52，6.07，5.49km2，分別占區(qū)域土地利用總面積的27.76%，25.82%，23.38%， 旱地面積為0.90km2，占17.62%，園地和水域僅占區(qū)域總面積的3.84%，1.58%。

3.2 研究區(qū)土壤侵蝕格局

研究區(qū)土壤侵蝕空間格局如圖2，侵蝕強(qiáng)度集中于河流、溝谷邊緣，流域北部土壤侵蝕等級(jí)異質(zhì)性強(qiáng)、版塊離散，中西局部侵蝕微弱，這與流域土地利用格局存在一定程度耦合。統(tǒng)計(jì)分析表明，微度水蝕區(qū)面積達(dá)13.21km2，占流域總面積57.32%；其次為中度水蝕區(qū)，占20.18%；由于流域林草覆被廣泛、裸地面積少，水蝕較強(qiáng)區(qū)域分布面積不大，其中輕度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度、劇烈水蝕區(qū)面積分別為2.89，1.67，0.37/0.25km2，分別占12.57%，7.2%，1.06%，1.01%。另外計(jì)算了不同土地利用類(lèi)型的土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)，結(jié)果表明水域（2.354）＜林地（3.254）＜草地（4.854）＜園地（6.325）＜旱地（7.548）＜建設(shè)用地（8.654）。

圖2 研究區(qū)土壤侵蝕格局

3.3 土壤侵蝕空間分形特征

在GIS平臺(tái)上提取了西河流域不同土壤侵蝕強(qiáng)度下各斑塊的面積（P）與周長(zhǎng)（A）的信息，兩者雙對(duì)數(shù)線(xiàn)性關(guān)系平穩(wěn)，R2均大于0.95，表明其具有良好的分形特征。分維數(shù)FD的大小可透過(guò)線(xiàn)性斜率來(lái)觀察，如圖3。直線(xiàn)越陡、斜率越大、分維數(shù)越大，經(jīng)計(jì)算微度、輕度等不同侵蝕強(qiáng)度的值依次為1.3956，1.2008，1.3078，1.3198，1.242，0.9218，雖然維數(shù)相差不大，但仍反映空間差異。

西河流域不同土壤侵蝕強(qiáng)度空間格局復(fù)雜度依次為：中度水蝕區(qū)＞輕度水蝕區(qū)＞微度水蝕區(qū)＞強(qiáng)度水蝕區(qū)＞極強(qiáng)度水蝕區(qū)＞劇烈水蝕區(qū)。FD與穩(wěn)定性指數(shù)SI具有良好的對(duì)應(yīng)性，各級(jí)土壤侵蝕強(qiáng)度的分形 SI依 次 為 0.1922，0.1044，0.1802，0.258，0.2992，0.5782，這表明輕度、微度、中度水蝕區(qū)更容易受到人為影響，其結(jié)構(gòu)性不穩(wěn)定，相對(duì)而言侵蝕強(qiáng)大越大，其空間結(jié)構(gòu)變化越小。

圖3 不同土壤侵蝕強(qiáng)度的分形特征

3.4 土壤侵蝕格局空間自相關(guān)性

不同土壤侵蝕強(qiáng)度空間自相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 不同土壤侵蝕相關(guān)參數(shù)

由表1可得，不同土壤侵蝕強(qiáng)度的全局Moran’s I值均大于0，且其標(biāo)準(zhǔn)化Z值高于顯著性臨界值1.96，表明其具有顯著正向空間自相關(guān)性。其中微度微度水蝕區(qū)的Moran’s I最大，達(dá)0.896，說(shuō)明在該流域尺度上其空間自相關(guān)性好，表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間聚集性；而Moran’s I以劇烈水蝕區(qū)最小，反映其空間聚集性較差，呈一定的離散性。

為深刻解析不同土壤侵蝕強(qiáng)度局域自相關(guān)性，應(yīng)用Local Moran’s I統(tǒng)計(jì)量計(jì)算了空間關(guān)聯(lián)局域指標(biāo)（Local Indicators of Spatial Association， LISA）顯著水平。如圖4所示，不同土壤侵蝕強(qiáng)度在流域局部存在HL（高低）、LH（低高）、HH（高高）聚集3種中空間關(guān)聯(lián)形式，其反映了每個(gè)區(qū)域與領(lǐng)域區(qū)間的空間差異程度。微度水蝕區(qū)存在LH聚集類(lèi)型，即微度水蝕區(qū)被較高侵蝕強(qiáng)度區(qū)域包圍，主要分布在西南部的城鎮(zhèn)居民局。輕度水蝕區(qū)出現(xiàn)了LH、HH和HL3種聚集類(lèi)型，其中LH聚集區(qū)分布離散，HH和HL聚集區(qū)集中于北部山區(qū)，地勢(shì)較陡、林草分布廣泛。中度水蝕區(qū)出現(xiàn)了星狀分布的LH聚集區(qū)，該區(qū)為河流上游；強(qiáng)度水蝕區(qū)以HL聚集占優(yōu)，分布在北部山地、南緣丘陵區(qū)，其被低級(jí)土壤侵蝕強(qiáng)度區(qū)保衛(wèi)。極強(qiáng)度水蝕區(qū)出現(xiàn)了HH、LH聚集形式，劇烈水蝕區(qū)在南部局部存在HH聚集形式，其空間自相關(guān)鄰域狹小。

圖4 土壤侵蝕強(qiáng)度LISA圖

4 結(jié)語(yǔ)

（1）唐山北境小流域流域土壤侵蝕強(qiáng)度以微度、中度為主，占總面積的57.32%和20.18%。

（2）土壤侵蝕強(qiáng)度與土地利用類(lèi)型密切相關(guān)，侵蝕強(qiáng)度綜合指數(shù)表明水域＜林地＜草地＜園地＜旱地＜建設(shè)用地。

（3）分形維數(shù)表明，低級(jí)（中度、輕度、微度）水蝕區(qū)其維數(shù)較大、形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更具不穩(wěn)定性且受人為活動(dòng)影響敏感；高級(jí)（劇烈、級(jí)強(qiáng)烈、強(qiáng)烈）水蝕區(qū)空間布局穩(wěn)定，維數(shù)較小、分形結(jié)構(gòu)良好。

（4）各級(jí)土壤侵蝕強(qiáng)度區(qū)在流域尺度上表現(xiàn)出顯著正向空間自相關(guān)性，隨著侵蝕強(qiáng)度增加，其自相關(guān)性減弱，表明人為活動(dòng)是強(qiáng)化土壤侵蝕的主要原因。

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