淅川縣石質(zhì)荒漠化土地空間分布特征研究

吳 卿 ，劉 哲，陳子韶，張 璐，趙 培，徐 凡，劉 彬，徐 鵬

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

石質(zhì)荒漠化是土地荒漠化的重要形式，在我國分布廣泛。關(guān)于石質(zhì)荒漠化問題，周忠發(fā)[1]應(yīng)用多波段、多平臺遙感影像，在野外調(diào)查與GIS技術(shù)的支持下，研究了石質(zhì)荒漠化土地在貴州喀斯特地區(qū)的分布、程度、成因等；熊康寧等[2]應(yīng)用多時相、多波段、多平臺的遙感影像，通過人機(jī)交互解譯和GPS定位校正，進(jìn)行了石質(zhì)荒漠化程度評價、GIS制圖和分析；呂濤[3]參考相關(guān)資料及圖件，在ArcView和ENVI平臺上對2000年TM影像資料及典型地區(qū)TM 7個波段數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，對貴州喀斯特山區(qū)石質(zhì)荒漠化現(xiàn)狀及分布進(jìn)行了調(diào)查；李文輝等[4]通過對巖溶地區(qū)石質(zhì)荒漠化TM數(shù)據(jù)波譜曲線分析和樣區(qū)校正、監(jiān)督分析、矢量化和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等研究表明，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)開展石質(zhì)荒漠化調(diào)查周期短、準(zhǔn)確率高、方法可行；胡寶清等[5]采用RS與GIS技術(shù)對都安喀斯特石質(zhì)荒漠化程度分級狀況與驅(qū)動因素進(jìn)行了全面調(diào)查，指出當(dāng)?shù)厥|(zhì)荒漠化產(chǎn)生的主要原因是不合理的人類活動；陳起偉等[6]選取花江喀斯特峽谷區(qū)為研究對象，基于“3S”技術(shù)和光譜特征信息提取方法分析了研究區(qū)石質(zhì)荒漠化變化情況。

淅川縣位于河南省西南部豫、鄂、陜?nèi)〗Y(jié)合處，是南水北調(diào)中線工程的核心水源地、主要淹沒區(qū)和渠首所在地，地理位置十分重要，但是近年來當(dāng)?shù)赜墒|(zhì)荒漠化引發(fā)的生態(tài)資源環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)重，若不加強(qiáng)治理會威脅到南水北調(diào)中線工程的可持續(xù)發(fā)展。為此，以淅川縣為研究區(qū)，基于高分辨率遙感影像、DEM、地形圖、土地利用現(xiàn)狀成果等基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，利用“3S”技術(shù)研究了石質(zhì)荒漠化土地在海拔和坡向上的空間分布特征。

1 研究方法

利用SPOT5、資源3號衛(wèi)星、Landsat遙感影像和ArcGIS、ENVI、Fragstats for ArcView等軟件，通過人機(jī)交互解譯和現(xiàn)場驗(yàn)證，應(yīng)用空間分析方法對南水北調(diào)中線水源區(qū)淅川縣石質(zhì)荒漠化土地面積與程度進(jìn)行分析，獲得石質(zhì)荒漠化圖斑數(shù)量和分布現(xiàn)狀；基于植被覆蓋度(FVC)解譯，解析Landsat 8 OLI_TIRS數(shù)據(jù)的NIR和R波段，進(jìn)行歸一化植被指數(shù)(NDVI)計算得到NDVI圖；基于NDVI通過二分線性像元分解模型得到FVC分布圖，結(jié)合ZY3衛(wèi)星影像解析及實(shí)地調(diào)查，確定FVC的閾值劃分等級并進(jìn)行聚類分析；將包括水體、城鎮(zhèn)、居民點(diǎn)及耕地等的非石質(zhì)荒漠化地區(qū)作為非解析區(qū)域去除掉，結(jié)合1∶5萬DEM、地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖，利用Zonal Statistics as Table 工具，以Xichuan_Aspect數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計算每個圖斑的平均海拔和坡向，并通過屬性表的形式記錄和顯示，得到淅川縣石質(zhì)荒漠化土地圖斑在海拔和坡向上的空間分布特征。

2 石質(zhì)荒漠化土地面積及程度

根據(jù)淅川縣地質(zhì)地貌特征，在利用遙感影像和ArcGIS軟件人機(jī)交互解譯的過程中，結(jié)合遙感解譯和現(xiàn)場驗(yàn)證結(jié)果，選取基巖裸露度、植被類型、植被覆蓋度和土層厚度作為石質(zhì)荒漠化程度劃分評價因子，將淅川縣石質(zhì)荒漠化土地劃分為重度、中度、輕度、潛在4個等級，結(jié)果由ArcGIS軟件計算自動生成。淅川縣石質(zhì)荒漠化土地面積為745.539 3 km2，占土地總面積的26.44%，其中重度、中度、輕度、潛在石質(zhì)荒漠化面積分別為54.750 6、80.567 1、228.216 6、382.005 0 km2，分別占土地總面積的1.94%、2.86%、8.09%、13.55%。

3 石質(zhì)荒漠化土地海拔分布特征

根據(jù)淅川縣地形特征，將石質(zhì)荒漠化圖斑海拔分布劃分為<200、200～300、300～400、400～500、500～600、600～700、700～800、≥800 m共8個高程帶，以1∶5萬DEM和遙感影像解譯的石質(zhì)荒漠化分布圖為基礎(chǔ)，利用ArcGIS軟件Zonal Statistics as Table模塊計算生成重度、中度、輕度、潛在石質(zhì)荒漠化土地圖斑的海拔數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

表1 淅川縣石質(zhì)荒漠化土地圖斑分布海拔及面積

由表1可知，淅川縣重度、中度、輕度石質(zhì)荒漠化土地在海拔200～400 m高程帶上面積分布最為集中，分別達(dá)到34.378 2、52.778 7、142.889 4 km2，分別占各程度石質(zhì)荒漠化土地總面積的62.79%、65.51%、62.61%；其次是海拔400～600 m高程帶，三者分布面積分別為12.314 7、15.827 4、50.418 0 km2，分別占22.49%、19.64%、22.09%；海拔<200 m高程帶上分布較少，面積分別為5.266 8、9.552 6、21.879 0 km2，分別占9.62%、11.86%、9.59%；海拔≥600 m高程帶上分布最少，面積分別為2.790 9、2.408 4、13.030 2 km2，分別占5.10%、2.99%、5.71%。潛在石質(zhì)荒漠化土地在海拔200～500 m高程帶上分布面積達(dá)到278.475 3 km2，占潛在石質(zhì)荒漠化面積的72.90%；海拔<200 m高程帶上分布面積為21.206 7 km2，占5.55%；海拔≥500 m高程帶上分布面積為82.323 0 km2，占21.55%。

淅川縣石質(zhì)荒漠化土地主要分布在海拔200～500 m高程帶上，分布面積高達(dá)554.498 1 km2，占石質(zhì)荒漠化土地總面積的74.38%，海拔<200 m和≥500 m高程帶上分布面積分別為57.905 1、133.136 1 km2，分別占7.77%、17.86%，其中海拔700～800 m高程帶上分布面積最小，僅為13.858 2 km2，只占1.86%。淅川縣各程度石質(zhì)荒漠化土地面積均先隨海拔升高而增大，重度、中度石質(zhì)荒漠化土地面積均在海拔200～300 m達(dá)到最大值，輕度石質(zhì)荒漠化土地面積在海拔300～400 m達(dá)到最大值，之后都隨著海拔升高逐漸減?。粷撛谑|(zhì)荒漠化面積先隨海拔升高而增大，在海拔200～500 m時達(dá)到最大值，之后隨海拔升高逐漸減小，在海拔700～800 m時出現(xiàn)最小值，當(dāng)海拔≥800 m時又稍有增大。整體上，淅川縣石質(zhì)荒漠化土地面積先隨海拔升高而增大，在海拔200～500 m時達(dá)到最大值，之后隨海拔升高而減小，在海拔700～800 m時出現(xiàn)最小值，海拔≥800 m時又稍有增大。

4 石質(zhì)荒漠化土地坡向分布特征

利用基于淅川縣1∶5萬DEM和遙感影像解譯的石質(zhì)荒漠化土地分布成果，在ArcGIS軟件3D Analyst模塊中利用Surface Analysis-Aspect命令計算生成重度、中度、輕度、潛在石質(zhì)荒漠化土地圖斑的坡向數(shù)據(jù)Xichuan_Aspec，計算中坡向以北向N坡向?yàn)?°，順時針旋轉(zhuǎn)將坡向劃分為北向N(0°～22.5°)、北東向NE(22.5°～67.5°)、東向E(67.5°～112.5°)、南東向SE(112.5°～157.5°)、南向S(157.5°～202.5°)、南西向SW(202.5°～247.5°)、西向W(247.5°～292.5°)、北西向NW(292.5°～337.5°)、北向N(337.5°～360°)，結(jié)果見表2。

表2 淅川縣不同程度石質(zhì)荒漠化土地分布坡向與面積

由表2知，淅川縣重度石質(zhì)荒漠化土地主要分布在SW、S、W、SE、E坡向上，面積總計46.917 9 km2，占重度石質(zhì)荒漠化土地面積的85.69%，其中：SW坡向分布最多，面積為13.063 5 km2，占23.86%；N、NE、NW坡向分布較少，面積共計7.832 7 km2，占14.31%；N坡向分布最少，僅為1.356 3 km2，占2.48%。中度石質(zhì)荒漠化土地主要分布在SW、S、SE、W、E坡向上，面積總計65.745 9 km2，占中度石質(zhì)荒漠化土地面積的81.60%，其中：SW、S坡向分布最多，面積分別為15.847 2、15.634 8 km2，分別占19.67%、19.41%；N、NE、NW坡向分布較少，面積共計14.821 2 km2，占18.40%；N坡向分布最少，僅為2.947 5 km2，占3.66%。輕度石質(zhì)荒漠化土地主要分布在S、SW、SE坡向上，面積總計159.322 5 km2，占輕度石質(zhì)荒漠化土地面積的69.81%，其中：S坡向分布最多，面積為65.775 6 km2，占28.82%；N坡向分布最少，僅為4.130 1 km2，占1.81%。潛在石質(zhì)荒漠化土地主要分布在S、SE、SW坡向上，面積總計297.089 1 km2，占潛在石質(zhì)荒漠化土地面積的77.77%，其中 S坡向分布最多，面積為137.160 9 km2，占35.91%；N、NW、NE、W、E坡向分布較少，面積共計84.915 9 km2，占22.23%；N坡向分布最少，僅為5.516 1 km2，占1.44%。

淅川縣石質(zhì)荒漠化土地主要分布在S坡向上，面積高達(dá)229.389 3 km2，占石質(zhì)荒漠化土地總面積的30.77%，其中重度、中度、輕度、潛在石質(zhì)荒漠化土地面積分別為10.818 0、15.634 8、65.775 6、137.160 9 km2，分別占1.45%、2.10%、8.82%、18.40%；其次是SE、SW坡向，面積合計達(dá)到303.143 4 km2，占40.66%，其中重度、中度、輕度、潛在石質(zhì)荒漠化土地面積分別為21.369 6、28.298 7、93.546 9、159.928 2 km2，分別占2.87%、3.79%、12.55%、21.45%；E、W、NE、NW、N坡向上石質(zhì)荒漠化面積較少，總計達(dá)到213.006 6 km2，占28.57%，其中N坡向最小，僅有13.950 0 km2，只占1.87%。

淅川縣重度石質(zhì)荒漠化土地坡向分布按順時針從N坡向隨著坡向旋轉(zhuǎn)面積呈緩慢上升趨勢，到SW坡向時面積達(dá)到最大，隨著坡向繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)分布面積呈急劇下降趨勢。中度石質(zhì)荒漠化土地坡向分布按順時針從N坡向隨著坡向旋轉(zhuǎn)面積呈上升趨勢，到SW坡向時面積達(dá)到最大，隨著坡向繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)分布面積呈下降趨勢。輕度和潛在石質(zhì)荒漠化土地坡向分布按順時針從N坡向隨著坡向轉(zhuǎn)變面積呈上升趨勢，到S坡向時面積達(dá)到最大，隨著坡向繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)分布面積呈下降趨勢。整體上，淅川縣石質(zhì)荒漠化土地坡向分布按順時針從N坡向隨著坡向旋轉(zhuǎn)面積呈上升趨勢，到S坡向時面積達(dá)到最大，隨著坡向繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)分布面積呈下降趨勢；石質(zhì)荒漠化土地面積變幅由大到小依次是潛在、輕度、中度、重度。

5 結(jié) 語

(1)淅川縣石質(zhì)荒漠化土地面積745.539 3 km2，占土地總面積的26.44%，其中重度、中度、輕度、潛在石質(zhì)荒漠化土地面積分別為54.750 6、80.567 1、228.216 6、382.005 0 km2，分別占土地總面積的1.94%、2.86%、8.09%、13.55%。

(2)淅川縣石質(zhì)荒漠化土地主要分布在海拔200～500 m高程帶上，面積高達(dá)554.498 1 km2，占石質(zhì)荒漠化土地總面積的74.38%；石質(zhì)荒漠化土地面積隨著海拔升高而增加，在200～500 m高程帶上面積達(dá)到最大，之后隨著海拔進(jìn)一步升高，石質(zhì)荒漠化土地面積減少，當(dāng)海拔升到700～800 m時，石質(zhì)荒漠化土地面積最小。

(3)淅川縣石質(zhì)荒漠化土地主要分布在S、SE、SW坡向上，面積高達(dá)532.532 7 km2，占石質(zhì)荒漠化土地總面積的71.43%；石質(zhì)荒漠化土地坡向分布按順時針從N坡向隨著坡向旋轉(zhuǎn)面積呈上升趨勢，到S坡向之后隨著坡向繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)分布面積呈下降趨勢。

總之，研究結(jié)果表明淅川縣石質(zhì)荒漠化土地主要分布在海拔200～500 m高程帶上和SE、S、SW坡向上，在石質(zhì)荒漠化防治措施選擇、配置、施工組織等工程實(shí)踐中應(yīng)充分考慮海拔和坡向的影響。