隴東地區(qū)殘塬分布規(guī)律及影響因素分析

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

1 研究背景

隴東地區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重，如今塬面已殘破不堪，溝壑縱橫，是水土流失的重災(zāi)區(qū)。已有學(xué)者從黃土地區(qū)地貌演化、DEM提取、土壤侵蝕影響因素等方面對(duì)黃土臺(tái)塬的分布發(fā)育做了研究。關(guān)于黃土地區(qū)地貌演化規(guī)律的研究有：考古學(xué)方法研究地貌演化[1]；利用水化學(xué)與同位素技術(shù)研究董志塬地區(qū)第四系地下水系統(tǒng)，對(duì)其補(bǔ)給來源、補(bǔ)給環(huán)境與演化規(guī)律進(jìn)行探討[2]；基于溯源侵蝕的類型和過程解釋溝頭侵蝕與活動(dòng)特點(diǎn)[3-4]；基于多源高精度數(shù)據(jù)的地形地貌類型單元精確定位技術(shù)與方法試驗(yàn)研究黃土地貌演化規(guī)律[5]；建立黃土高原土壤侵蝕嚴(yán)重地區(qū)古地理數(shù)字高程模型(DEM)，大尺度分析第四紀(jì)黃土沉積過程[6-8]；基于遞加侵蝕規(guī)律研究黃土地貌的演變[9]；探究黃土地貌南北縱向分異與其基底古樣式的關(guān)系來分析地貌演化的進(jìn)程[10]；通過黃土地貌演化與土壤侵蝕的關(guān)系探究差異演化的原因[11]等。對(duì)于DEM提取信息的研究有：利用DEM提取陸地表面形態(tài)信息[12]，基于DEM提取各類參數(shù)對(duì)大面積區(qū)域量化分析[13]，基于DEM提取溝谷網(wǎng)絡(luò)后消除偽溝谷[14]，從規(guī)則格網(wǎng)DEM中提取溝谷網(wǎng)絡(luò)[15]等。還有學(xué)者從硬化地面、土地利用、灌溉、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等土壤侵蝕影響因素的方面展開研究。

已有的研究多是從整個(gè)黃土高原尺度和小流域尺度展開，而對(duì)從中等尺度宏觀整體分析黃土臺(tái)塬分布規(guī)律及自然因素的研究較少。整個(gè)黃土高原尺度的分析不夠細(xì)致，影像處理成圖件的誤差較大，小流域尺度的分析無法得到宏觀的規(guī)律，而中等尺度的分析既相對(duì)細(xì)致又能減小誤差產(chǎn)生。故本文從中等尺度出發(fā)，基于高分辨率遙感影像目視解譯來研究隴東地區(qū)黃土殘塬面積的分布規(guī)律，并探討宏觀尺度上自然因素對(duì)其分布規(guī)律的影響，劃分出黃土殘塬侵蝕破壞較嚴(yán)重的區(qū)域，為防災(zāi)減災(zāi)作出貢獻(xiàn)，對(duì)隴東地區(qū)黃土臺(tái)塬演化及土壤侵蝕研究提供參考。

2 研究區(qū)域及研究方法

2.1 研究區(qū)域

研究區(qū)地處西北內(nèi)陸，面積約為15 654 km2，主體位于甘肅省慶陽市境內(nèi)中南部，包含陜西省銅川市和寧夏省固原市的一部分，北起驛馬關(guān)至慶陽城一線，南止涇河谷地，東西介于六盤山與子午嶺間的谷地。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶詺夂?，區(qū)域年降水量約在350 mm左右，年均溫度8℃～10℃，無霜期150～180 d。

2.2 研究方法

首先基于高分辨率遙感影像目視解譯隴東地區(qū)并將研究區(qū)按溝谷走向劃分為18個(gè)區(qū)域(見圖1)，再將各個(gè)區(qū)域內(nèi)的殘塬解譯得到較為精確的殘塬面積分布；基于ArcGIS 10.3，從3.88 m分辨率DEM中提取坡度為0°～5°的坡度面積，將其視為塬面和溝底的面積之和，再將提取的0°～5°坡度面積減去溝底的面積即為DEM提取的殘塬面積。將目視解譯獲得的殘塬面積與DEM提取的殘塬面積進(jìn)行疊加校核，驗(yàn)證目視解譯的可靠性。用某個(gè)區(qū)域的殘塬面積除以該區(qū)域的總面積得到該區(qū)域的殘塬面積占比；再根據(jù)殘塬面積占比的分布規(guī)律，宏觀分析整體研究區(qū)的土壤侵蝕情況。殘塬面積占比的公式為

(1)

式中，η為殘塬面積占比，a為某個(gè)區(qū)域的殘塬面積，A為該區(qū)域的總面積。

圖1 殘塬分區(qū)及剖面線位置Fig.1 Residual tableland propotion and section line position

為了細(xì)化分析研究區(qū)內(nèi)殘塬面積占比的南北向、東西向發(fā)育規(guī)律，本文在研究區(qū)上劃分出4條縱剖面Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′和Ⅳ-Ⅳ′以及1條橫剖面Ⅴ-Ⅴ′(見圖1),通過分析剖面Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′和Ⅳ-Ⅳ′，從南北向分析殘塬面積占比規(guī)律；再將研究區(qū)等距條分成14 塊近似南北向的區(qū)域,通過計(jì)算條分的每個(gè)條塊殘塬面積占比，從東西向分析殘塬面積占比規(guī)律。

為了探討高程、黃土厚度、降雨量、植被對(duì)研究區(qū)殘塬面積占比分布規(guī)律的影響。本文從4條剖面里提取高程數(shù)據(jù)與殘塬面積占比擬合；結(jié)合黃土厚度數(shù)據(jù)及古地形資料，綜合分析黃土厚度對(duì)殘塬面積占比分布規(guī)律的影響；根據(jù)1960～2015年的雨量站數(shù)據(jù)獲得研究區(qū)雨量分布圖(http://www.geodata.cn)[16]，討論降雨量是否是影響隴東地區(qū)殘塬面積分布規(guī)律的因素；通過Landsat 8 OLI_TIRS 衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品獲取研究區(qū)的影像，基于NDVI提取研究區(qū)的植被分布，對(duì)比植被覆蓋與殘塬面積分布規(guī)律。

3 結(jié)果與分析

3.1 整體殘塬分布情況及數(shù)據(jù)的可靠性

3.1.1目視解譯的隴東地區(qū)殘塬面積分布

本文采用目視解譯的方法，解譯出各個(gè)區(qū)域內(nèi)殘塬分布，再使用ArcGIS 10.3軟件計(jì)算出研究區(qū)內(nèi)18個(gè)區(qū)域的殘塬面積(見圖2)；根據(jù)殘塬所在的區(qū)域，得到各個(gè)區(qū)域殘塬面積占比(后文簡(jiǎn)稱“塬占比”)，見圖3。各區(qū)域殘塬面積及塬占比情況詳見表1。

圖2 各區(qū)域殘塬面積Fig.2 Area of residual tableland of each region

3.1.2DEM提取的殘塬分布

目視解譯的殘塬和DEM提取的殘塬大致相同，但在研究區(qū)邊緣部分仍存在很多誤差。根據(jù)表1，目視解譯的殘塬面積S1=4 172.72 km2；而DEM提取得到的殘塬面積S2= 3 408.92 km2，故兩種方法的誤差ΔS=S1-S2=763.80 km2。

DEM提取的殘塬面積與目視解譯的殘塬面積相差很大，誤差達(dá)到了總面積的18.4%。這可能是由于DEM自動(dòng)提取時(shí)因?qū)c梁峁地形的界限分析不清而忽略了塬邊坡度略大的一部分塬，使得提取的面積既包含塬，也包含溝甚至是梁峁地形內(nèi)平緩的部分。因此，可認(rèn)為基于目視解譯的隴東地區(qū)殘塬面積的解譯精度高于DEM提取的殘塬面積。

表1 各區(qū)域殘塬占比情況Tab.1 Proportion of residual tableland of each region

3.2 南北向塬占比分布規(guī)律

研究區(qū)的劃分以董志塬為界，董志塬以東的區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)東部，以西的區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)西部。剖面Ⅰ-Ⅰ′位于研究區(qū)東部，剖面Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′和Ⅳ-Ⅳ′位于研究區(qū)西部(如圖1所示)，這4條剖面均從南向北切穿研究區(qū)。將4條剖面線上的區(qū)域內(nèi)點(diǎn)距研究區(qū)南端的距離與該點(diǎn)所在區(qū)域的塬占比擬合發(fā)現(xiàn)，隨著點(diǎn)距剖面線南端距離的增大，塬占比逐漸變小(如圖4所示)，從而反映出研究區(qū)整體從南向北，塬占比逐漸降低。

3.3 東西向塬占比分布規(guī)律

將研究區(qū)條分成14個(gè)條塊之后，用ArcGIS提取每個(gè)條塊內(nèi)殘塬的面積，繪出各條塊塬占比分布圖(見圖5)。研究區(qū)中部區(qū)域(董志塬)在圖中顏色較深，塬占比較大；從研究區(qū)中部越往兩側(cè)，條塊的顏色逐漸變淺，塬占比越小。

圖5 各條塊塬占比Fig.5 Proportion of tableland of each strip

3.4 影響塬占比分布規(guī)律的因素

宏觀來看，研究區(qū)北部和西部塬占比相對(duì)較小，南部和東部塬占比相對(duì)較大。在研究區(qū)的北西部，塬占比很小，溝谷縱橫，發(fā)育了大量梁、峁地形；在研究區(qū)的北東部，塬占比也相對(duì)較小，處于侵蝕發(fā)育劇烈期；而在董志塬地區(qū)及研究區(qū)的南東部和南西部，塬占比較大，塬面保存較好。

前人對(duì)于黃土塬侵蝕影響因素的研究大致分為兩類：一類是自然因素，一類是人為因素。然而，前人對(duì)于自然因素的研究仍不夠詳盡，孫建中在《黃土學(xué)》中分析過高程因子和地貌的關(guān)系[17]，熊禮陽通過古地形反算出黃土厚度來分析地貌繼承性，雨水導(dǎo)致的土壤侵蝕一直是研究的熱點(diǎn)，而植被對(duì)侵蝕的影響仍是眾說紛紜[1]；對(duì)人為因素的研究，前人已經(jīng)從硬化地面、土地利用、灌溉、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等多個(gè)方面做了較為詳細(xì)的研究[16]。故認(rèn)為，針對(duì)中等尺度的研究應(yīng)從高程、黃土厚度、雨量和植被這4個(gè)方面考慮引起這種殘塬差異分布規(guī)律的原因。

圖8 南北向橫剖面塬平均高程與塬占比擬合關(guān)系Fig.8 Fitting relationship between from south to north average elevation and tableland proportion of cross-section

3.4.1高 程

首先將各個(gè)區(qū)域的塬占比與研究區(qū)DEM結(jié)合，可直觀看出：總體上高程較高的區(qū)域，塬占比較小(見圖6)。再對(duì)比研究區(qū)東部和西部的塬占比與各區(qū)域平均高程的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)東部各區(qū)域塬占比隨高程的升高而下降，而西部各區(qū)域的塬占比隨高程升高變化不大(見圖7)。

圖6 研究區(qū)DEM與塬占比擬合Fig.6 Fitting of DEM and tableland proportion in study area

圖7 研究區(qū)整體區(qū)域塬平均高程與塬占比關(guān)系Fig.7 Relationship between average elevation and tableland proportion in study area

從南北方向上，提取4條剖面上各區(qū)域的平均高程與其塬占比(具體數(shù)據(jù)詳見表2～5)，將二者擬合后發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)東部Ⅰ-Ⅰ′剖面切穿2～8號(hào)區(qū)域，塬面平均高程與塬占比擬合性較好，塬占比隨塬面平均高程的升高而減小，成反比關(guān)系(見圖8(a))；研究區(qū)西部Ⅱ-Ⅱ′切穿9，10，14，17,18號(hào)區(qū)域，塬面平均高程與塬占比擬合性相對(duì)較好(見圖8(d))；Ⅲ-Ⅲ′剖面切穿9,10,12,14,15，17號(hào)區(qū)域，塬面平均高程與塬占比擬合性相對(duì)較差，僅在12號(hào)區(qū)域出現(xiàn)較大誤差，塬占比大體上隨塬面平均高程的升高而減小，成反比關(guān)系(見圖8(b))；Ⅳ-Ⅳ′剖面切穿9～14，16號(hào)區(qū)域，塬面平均高程與塬占比擬合性較好, 僅在11號(hào)區(qū)域出現(xiàn)較大誤差, 塬占比隨塬面平均高程的升高而減小，成反比關(guān)系(見圖8(c))。

表2 縱剖面Ⅰ塬面平均高程和塬占比關(guān)系Tab.2 Relationship between average elevation and tableland propotion in section Ⅰ

表3 縱剖面Ⅱ塬面平均高程和塬占比關(guān)系Tab.3 Relationship between average elevation and tableland proportion in section Ⅱ

表4 縱剖面Ⅲ塬面平均高程和塬占比關(guān)系Tab.4 Relationship between average elevation and tableland propoction in section Ⅲ

表5 縱剖面Ⅳ塬面平均高程和塬占比關(guān)系Tab.5 Relationship between average elevation and tableland propotion of section Ⅳ

從東西方向上，獲取條分的14個(gè)條塊的平均高程與塬占比數(shù)據(jù)(詳見表6)，將其擬合后發(fā)現(xiàn)：自東向西，條塊平均高程先下降后上升，而塬占比先上升后下降，且二者發(fā)生拐點(diǎn)的條塊相同，擬合程度較好，可以認(rèn)為塬占比隨條塊平均高程的下降而上升，二者呈反比關(guān)系(見圖9)。這說明，高程是影響隴東地區(qū)殘塬面積分布的主要因素之一。

表6 各條塊塬占比與高程關(guān)系Tab.6 Relationship between proportion of each partitioned tableland and elevation

圖9 自西向東各條塊平均高程與塬占比對(duì)比關(guān)系Fig.9 Relationship between west-to-east average elevation of each partitioned tableland and proportion of tableland

3.4.2黃土厚度

為了研究黃土厚度對(duì)殘塬分布規(guī)律的影響，將平?jīng)觥㈧`臺(tái)、西峰和旬邑這4個(gè)地區(qū)的黃土厚度按從西到東的順序與各條分塊的塬占比擬合(見圖10)。從圖10可見，黃土厚度先上升后下降，塬占比也是先上升后下降，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，黃土厚度與塬占比的擬合較好，黃土厚度越大的條塊，塬占比越高，表明黃土厚度是影響隴東地區(qū)殘塬面積分布的主要原因之一。

圖10 自西向東各條塊區(qū)域黃土厚度與塬占比擬合Fig.10 Fitting of loess thickness and tableland proportion from west to east in different regions

為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)研究區(qū)東西向黃土厚度與塬占比的關(guān)系，將橫剖面Ⅴ-Ⅴ′平均分割成20段相等的線段，取每個(gè)線段中心點(diǎn)的高程(數(shù)據(jù)詳見表7)，得到研究區(qū)東西向高程分布圖(見圖11)。發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)自西向東，高程先下降后上升，其間有所起伏，出現(xiàn)起伏的點(diǎn)位于董志塬內(nèi)，說明董志塬比其鄰近區(qū)域地勢(shì)高。然而董志塬地區(qū)四面環(huán)山，是馬蓮河河谷之外的分水嶺河間地塊[17]，地勢(shì)較低，這與董志塬比其相鄰區(qū)域地勢(shì)高不符。本文認(rèn)為董志塬地區(qū)黃土厚度大是造成這種現(xiàn)象的原因。初步分析是因?yàn)槎拒挥诹P山和子午嶺之間的溝谷地帶，其古地勢(shì)本身較周圍低，所以沉積了比較厚的黃土。

表7 橫剖面高程與距研究區(qū)西側(cè)距離關(guān)系Tab7 Relationship between elevation and distance to the west side in cross section

圖11 剖面Ⅴ各點(diǎn)高程與距研究區(qū)西側(cè)距離關(guān)系Fig.11 Relationship between elevation of points in Section Ⅴ and distance to the west side of study area

將已有研究所獲得的黃土厚度分布圖(見圖12)與塬占比分區(qū)圖(見圖13)進(jìn)行圖層疊加[7]，將隴東地區(qū)按照厚度與塬占比的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分為高厚度高塬占比區(qū)、中厚度中塬占比區(qū)、低厚度低塬占比區(qū)等6個(gè)區(qū)域(見圖14)。其中，厚度和塬占比呈對(duì)應(yīng)關(guān)系的高厚度高塬占比區(qū)、中厚度中塬占比區(qū)和低厚度低塬占比區(qū)的塬區(qū)數(shù)量為12塊，總體塬區(qū)數(shù)量為18塊，黃土厚度與殘塬面積比的正相關(guān)性為66.7%。結(jié)合“點(diǎn)、線、面”綜合分析，可認(rèn)為黃土厚度對(duì)黃土殘塬演化起主導(dǎo)作用。

圖12 研究區(qū)黃土厚度分布[7]Fig.12 Distribution of loess thickness in study area

圖13 塬占比分區(qū)Fig.13 Tableland proportion partition

圖14 厚度-塬占比分區(qū)Fig.14 Loess thickness-tableland proportion partition

3.4.3降雨量及植被

據(jù)資料得，研究區(qū)1960～2015年的降雨量大致分為3個(gè)等級(jí)：201～300，301～400 mm以及401～500 mm，整體降雨量分布差異不大[16]。研究區(qū)北部降雨量較少，南部降雨量較大，然而降雨量較大的地區(qū)，塬占比數(shù)值卻較大，這有悖于常理。故由此得出降雨量不是影響隴東地區(qū)塬占比分布規(guī)律的因素。

水是導(dǎo)致土壤侵蝕的一個(gè)重要因素，因此降雨量大的地區(qū)，其塬占比應(yīng)該越小，然而結(jié)果顯示研究區(qū)降雨量大的地區(qū)塬占比反而大。本文認(rèn)為降雨量可能促使了植被的發(fā)育，植被對(duì)土壤有加固作用，從而使得殘塬面積較大。

通過Landsat 8 OLI_TIRS 衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品獲取2017年5月的研究區(qū)影像，基于NDVI提取隴東地區(qū)的植被分布(見圖15)發(fā)現(xiàn)，隴東地區(qū)東部和東南部的植被發(fā)育良好，越往西北植被越少，土地裸露度越高。研究區(qū)植被的分布規(guī)律與殘塬面積分布規(guī)律相同，認(rèn)為植被是影響隴東地區(qū)塬占比分布規(guī)律的因素。

圖15 研究區(qū)植被分布Fig.15 Vegetation distribution in study area

4 討 論

在劃分的高厚度高塬占比區(qū)、中厚度中塬占比區(qū)、低厚度低塬占比區(qū)等6個(gè)區(qū)域(見圖14)中，平?jīng)鍪?、?zhèn)原縣、合水縣和正寧縣的部分區(qū)域位于低厚度低塬占比區(qū)(Ⅴ區(qū))和中厚度低塬占比區(qū)(Ⅵ區(qū))(見圖16)，這些區(qū)域殘塬保存情況較差、水土流失嚴(yán)重，應(yīng)是接下來固溝保塬工程研究和監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域，建議當(dāng)?shù)卣扇∠鄳?yīng)措施。

圖16厚度-塬占比分區(qū)及市縣分布Fig.16 Partition of loess thickness-tableland propotion and distribution of cities and counties

此外，水土流失的加劇使得耕地面積減少，人類活動(dòng)范圍下降，聚居地搬遷。在以后的研究中，應(yīng)將黃土塬區(qū)的分布與人文社科結(jié)合，分析黃土地區(qū)地貌演化對(duì)人類生產(chǎn)、人口、教育、文化帶來的影響，探索黃土殘塬區(qū)人地和諧相處的環(huán)境可持續(xù)發(fā)展方法。

5 結(jié) 論

本文基于高精度遙感影像目視解譯分析隴東地區(qū)的殘塬面積分布，宏觀分析整體研究區(qū)的殘塬面積占比規(guī)律；隨后，探討研究區(qū)南北向和東西向的殘塬面積占比發(fā)育規(guī)律；最后，基于所發(fā)現(xiàn)的殘塬面積占比發(fā)育規(guī)律，對(duì)高程、黃土厚度、降雨量、植被這4種影響因素展開探究，劃分出塬占比較低、塬面破碎較嚴(yán)重的地區(qū)，為固溝保塬工程實(shí)施的方向提供支持。

(1) 研究區(qū)北部和西部的塬占比較小，南部和東部的塬占比較大。塬占比從南向北逐漸降低，中部區(qū)域(董志塬)的塬占比較大；從中部往兩側(cè)，塬占比逐漸減小。

(2) 選取高程、黃土厚度、降雨量和植被作為影響殘塬面積分布規(guī)律的因素。高程越高的區(qū)域塬占比越??；黃土厚度越大的條塊，塬占比數(shù)值越高；降雨量不是殘塬面積比的主要影響因素；植被覆蓋度與殘塬面積比具有正相關(guān)性。

(3) 結(jié)合古地形和塬占比將研究區(qū)劃分為高厚度高塬占比區(qū)等6個(gè)區(qū)域，發(fā)現(xiàn)黃土厚度與殘塬面積比的正相關(guān)性為66.7%，可認(rèn)為黃土厚度是影響殘塬面積分布的主導(dǎo)因素。