基于GIS的多因子土壤凍融侵蝕強度分級評價
——以長江上游為例

楊珍珍，倪萬魁，李 蘭，牛富俊

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.黃淮學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000；3.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

凍融侵蝕是指在寒冷的地區(qū)，土體或者巖石中的水分在溫度低的時候凍結(jié)并且體積增大，溫度高的時候融化并且體積減小，從而使土體或巖石發(fā)生了一些物理破壞，這些物理破壞的破碎物伴隨著重力以及降雨等作用被搬運、遷移以及堆積的過程[1-3]。在我們國家，凍融侵蝕是僅次于水蝕和風(fēng)蝕的第三大土壤侵蝕類型[4]，其面積占我國國土面積的17.97%[5]，主要分布在我國的青藏高原、天山山脈以及大興安嶺北部[6]。凍融侵蝕使土壤的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，土壤的抗侵蝕能力減弱[1,7]，而且，凍融侵蝕產(chǎn)物也增加了河流的泥沙來源[8]，對江河源區(qū)生態(tài)、水文環(huán)境影響顯著。

凍融侵蝕受區(qū)域氣候、地表條件及微地形、地貌因素影響顯著。但無論是國內(nèi)還是國外，人們大多都在研究土壤的風(fēng)蝕以及水蝕，對凍融侵蝕的研究相對較少[3]。其中，已經(jīng)開展了的研究工作有：張建國和劉淑珍[4,9-10]首先確定了西藏地區(qū)凍融侵蝕的范圍，并認為其是最主要的土壤侵蝕類型之一，再結(jié)合綜合因子分析法對西藏地區(qū)凍融侵蝕強度的相對分級以及其空間分布特征進行了分析；李成六等[11]選取三江源區(qū)為凍融侵蝕研究區(qū)，根據(jù)綜合因子分析法對研究區(qū)進行評價，結(jié)果表明研究區(qū)凍融侵蝕具有明顯的區(qū)域分異特點；史展等[3]采用5個因子標準化方法和凍融評價模型對三江源區(qū)凍融侵蝕進行了評價與分析；王莉雁等[2]通過對凍融侵蝕的5個主要影響因子進行定量研究，分析了青藏高原凍融侵蝕敏感性程度、空間分布特征及單因子對凍融侵蝕敏感性響應(yīng)程度。這些研究促進了對青藏高原凍融侵蝕發(fā)育范圍、程度及影響因素的科學(xué)認識和評價。然而已有的研究大多數(shù)都只考慮了氣溫年較差、年降水量、坡度、坡向、植被蓋度、土壤中的4～6個指標，對評價指標的選取不夠全面。青藏高原56%的區(qū)域發(fā)育多年凍土，其余區(qū)域也基本為深季節(jié)凍土區(qū)，因此,廣大凍土區(qū)凍融侵蝕發(fā)育狀況及其影響值得探討。實際上，受青藏高原氣候暖濕化的影響，近年來凍土區(qū)激增的熱融滑塌、熱融泥流及熱喀斯特湖等是凍融侵蝕突出案例[12-13]，越來越引起研究者和工作人員的重視。因細顆粒土體中更容易發(fā)育地下冰、并在凍土退化過程中易發(fā)生流失而與凍融侵蝕關(guān)系密切，有必要納入凍融侵蝕影響因子分析。

長江上游地區(qū)具有高寒、高海拔的特點，成為了我國凍融侵蝕較嚴重的區(qū)域[14]。尤其在長江源區(qū)的丘陵山地，以熱融滑塌為主的熱融災(zāi)害顯著增加[12,15]，相應(yīng)的凍融侵蝕將呈現(xiàn)增加的趨勢。為此本文以前人研究為基礎(chǔ)，考慮到凍融侵蝕受多因素影響，補充了更多影響凍融侵蝕的評價指標。為獲得研究區(qū)凍融侵蝕的強度分級以及空間分布特征，對研究區(qū)的凍融侵蝕進行了多因子評價分析。旨在利用GIS多因子土壤凍融侵蝕強度分級評價為該地區(qū)的水土保持研究以及生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供一些參考。

1 研究區(qū)概況

長江上游地區(qū)處于我國西部，主要涉及西藏、青海、云南、貴州、四川、重慶等地[16]，位于東經(jīng)90°～105°，北緯25°～37°之間，面積約為55.8×104km2(見圖1)。長江源區(qū)處于高平原區(qū)域，上游地區(qū)以山地為主，地形復(fù)雜，地勢西北高東南低，擁有源頭地區(qū)、昆侖-橫斷山區(qū)、喀斯特等特殊地形地貌，山地、丘陵比重大。長江上游地區(qū)氣候類型復(fù)雜多樣，西北高原區(qū)為亞寒帶半濕潤高原氣候，多年凍土、季節(jié)性凍土發(fā)育，凍融作用強烈，但因其地勢相對平坦，因此多發(fā)育熱喀斯特湖(見圖2)，高原周邊丘陵山地多年凍土斜坡易發(fā)生以熱融滑塌為主的凍融侵蝕(見圖3)；而東南高山峽谷區(qū)受近南北走向的山脈控制和大氣環(huán)流影響，表現(xiàn)為晝夜溫差大、氣溫垂直分帶明顯[17]，但該區(qū)坡度大，因此多發(fā)育融凍泥流。總的來說，研究區(qū)從西北到東南年降水量呈增加趨勢，但氣溫年較差呈減小趨勢。

圖1 研究區(qū)長江上游位置示意圖

圖2 長江源區(qū)北麓河一帶發(fā)育的熱喀斯特湖

圖3 可可西里丘陵山地發(fā)育的熱融滑塌

2 研究方法

2.1 凍融侵蝕強度評價方法

采取將凍融侵蝕的諸多影響因子綜合起來，使其成為單一強度指數(shù)的方法對研究區(qū)的凍融侵蝕進行評價[11]。國內(nèi)外對凍融侵蝕已有的研究多是采用分級賦權(quán)重評價模型，然而因為這種方案的主觀性很強，并且不同的評價因子通常有不同的單位和量綱[1]，這都會影響對凍融侵蝕強度的評價。因此本文采取了一種較為科學(xué)的方法對其進行研究，即標準化值賦權(quán)重加權(quán)求和。該方法主要分為兩個步驟：首先需要將各個評價因子進行標準化處理，以此來減小由于各評價因子具有不同的單位和量綱而造成的誤差；其次，根據(jù)各評價因子的相對重要性，賦予每個因子權(quán)重，然后根據(jù)各個因子的權(quán)重對標準化后的數(shù)據(jù)進行加權(quán)求和。

各評價因子標準化處理的方法如下：

Ii=(I-Imin)/(Imax-Imin)

(1)

式中：Ii是指各評價因子標準化處理后的值；I是指各評價因子原本的值；Imin是指各評價因子原本的值中的最小值；Imax是指各評價因子原本的值中的最大值。

各評價因子加權(quán)求和的公式如下：

(2)

其中：F是指各評價因子標準化值賦權(quán)重加權(quán)求和后的值;n是指研究選取的評價因子的數(shù)量;Wi是指對各評價因子所賦予的權(quán)重;Ii為各評價因子標準化處理后的值[1-2]。

經(jīng)過標準化處理以及加權(quán)求和計算，得到的F也稱為凍融侵蝕強度指數(shù)，并且 越大代表凍融侵蝕程度也越大。綜合考慮研究區(qū)的地質(zhì)條件，將每個像元大小取值為(0.25°，0.25°)，像元點的總數(shù)為537 283個。

2.2 評價指標及數(shù)據(jù)獲取

對于土壤凍融侵蝕的評價，理應(yīng)采用凍融侵蝕區(qū)單位時間內(nèi)單位面積上土壤的流失量更為可靠[18]，但是直到現(xiàn)在，國內(nèi)和國外都鮮有相關(guān)的數(shù)據(jù)[10]。然而在凍融侵蝕區(qū)，凍融侵蝕強度的確有所不同，這主要是因為影響凍融過程以及凍融產(chǎn)物搬運條件的因子不同而引起的[1]。通過參考已有凍融侵蝕的研究以及該區(qū)的自然環(huán)境特征，本文不僅采用了上述提及的氣溫、降水量、坡度、坡向、植被蓋度、土壤進行評價，更結(jié)合了高程、活動層厚度、最大凍結(jié)深度，總共使用了9個評價因子[19]，來綜合分析長江上游地區(qū)的凍融侵蝕強度。

(1) 氣溫年較差。溫度的周期性變化影響著凍融侵蝕的強度[2]，在凍融侵蝕過程中溫度主要改變了土壤凍結(jié)層與融化層的厚度。溫度越低，凍結(jié)層深度越大；溫度越高，融化層厚度越大；溫差越大，越有可能發(fā)生凍融侵蝕[2]。土壤溫度的變化通常需要很長時間的觀測數(shù)據(jù)，但由于研究區(qū)惡劣的氣候環(huán)境，導(dǎo)致目前此類數(shù)據(jù)比較欠缺[20]。然而根據(jù)相關(guān)的研究，發(fā)現(xiàn)了氣溫與土壤的溫度具有很強的相關(guān)性，因此兩者可以互相反映[3]，所以本研究利用氣溫年較差的數(shù)據(jù)作為凍融侵蝕強度的評價因子之一。氣溫年較差是指某一個年份的氣溫數(shù)據(jù)中，最高月平均氣溫與最低月平均氣溫之差[21]。氣溫年較差是通過對中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)獲取的氣溫數(shù)據(jù)進行計算得來的，通過標準化方法對氣溫年較差的數(shù)據(jù)進行標準化，可以得到氣溫年較差標準化圖(見圖4(a))。

(2) 最大凍結(jié)深度。最大凍結(jié)深度是指從地表往下測量，被凍土層厚度的最大值[22]。在季節(jié)性凍土區(qū)，最大凍結(jié)深度與凍融侵蝕強度呈正相關(guān)，即最大凍結(jié)深度越大，凍融侵蝕越強烈。最大凍結(jié)深度的數(shù)據(jù)可以通過國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/)獲取。對最大凍結(jié)深度數(shù)據(jù)進行標準化處理，可以得到如圖4(b)所示的最大凍結(jié)深度標準化圖。

(3) 活動層厚度。多年凍土，指的是持續(xù)兩年或兩年以上的凍結(jié)不融的土層[23]。一般情況下，多年凍土區(qū)的上覆土層夏季融化、冬季凍結(jié)，該層土稱為活動層?；顒訉雍穸仍酱?，表明多年凍土穩(wěn)定性越差、參與凍融作用的活動層土體厚度越大，繼而凍融侵蝕作用越強烈。活動層厚度的數(shù)據(jù)可以從國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心獲取，通過標準化方法對活動層厚度進行標準化處理，可以得到圖4(c)。

(4) 高程。通常來說，海拔越高，地溫越低，凍融侵蝕越強烈[24]，反之越弱。高程數(shù)據(jù)可以通過在地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/search)中對90 m分辨率DEM數(shù)據(jù)進行幾何糾正來獲取，然后提取出高程圖。對高程數(shù)據(jù)進行標準化處理，可以得到研究區(qū)高程標準化圖，見圖4(d)。

(5) 年降水量。年降水量也是影響凍融侵蝕的一個主要因素，它為凍融侵蝕提供了物質(zhì)來源。降水會增加土體的含水量[3]，凍結(jié)時對土體的破壞作用增大[25]。同時，降水也為凍融侵蝕產(chǎn)物搬運提供了動力[26]，對凍融作用起到了明顯的促進作用。年降水量的數(shù)據(jù)也可以通過中國氣象數(shù)據(jù)中心獲取，通過標準化方法對年降水量標準化，得到如圖4(e)所示的年降水量標準化圖。

(6) 坡度。坡度可以用來反應(yīng)地形對于凍融侵蝕的影響程度，表現(xiàn)在影響凍融侵蝕產(chǎn)物運移距離的遠近以及物質(zhì)的多少。通常來說，坡度越大的地方，越有利于凍融侵蝕的發(fā)生，凍融侵蝕產(chǎn)物也被運移的數(shù)量越多、距離越遠[1]。坡度的數(shù)據(jù)可以利用ArcGIS軟件對高程數(shù)據(jù)進行表面分析提取出來，對坡度數(shù)據(jù)進行標準化處理可以得到圖4(f)。

(7) 細粒土含量。土質(zhì)特征也影響凍融侵蝕，通常將粗粒含量(大于0.075 mm)不到50%的土稱為細粒土[27]。也指顆粒最大粒徑不大于4.75 mm，公稱最大粒徑不大于2.36 mm的土，包括各種黏質(zhì)土、粉質(zhì)土、砂和石屑等。細粒土含量對凍融侵蝕的影響為細粒土含量越多，凍融侵蝕越強烈。細粒土含量的數(shù)據(jù)可以從土壤科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://soil.geodata.cn/)獲取，通過對細粒土含量進行標準化處理，可以得到如圖4(g)所示的細粒土含量標準化圖。

(8) 植被蓋度。與其他影響因素不同，植被可以明顯的減弱凍融侵蝕[28]，主要表現(xiàn)為三個方面：植被的存在減小了土壤的溫差、地上的植被保護地表和植被的根系穩(wěn)固土壤[1]。通常情況下，植被覆蓋度越高的地方，凍融侵蝕發(fā)生的可能性以及程度越小。數(shù)據(jù)獲取方法為通過地理空間數(shù)據(jù)云獲取，然后對植被蓋度數(shù)據(jù)進行標準化，可以得到植被蓋度標準化圖，見圖4(h)。

圖4 長江上游地區(qū)各評價指標標準化圖

(9) 坡向。坡向的差異性也會引起區(qū)域凍融侵蝕強度以及類型的差異。有研究認為陽坡太陽輻射強于陰坡，因此蒸發(fā)量和溫差變化遠大于陰坡，凍融侵蝕程度也大于陰坡[10]。但根據(jù)在可可西里丘陵山地?zé)崛诨恼{(diào)查顯示，坡向朝北、東北向凍土斜坡熱融滑塌占據(jù)了優(yōu)勢，而且通過對沿川藏鐵路沿線的凍融風(fēng)化堆積體的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)朝北斜坡上的堆積體占據(jù)絕大優(yōu)勢，因此按照表1給出了斜坡坡向賦值。坡向數(shù)據(jù)也可以通過ArcGIS軟件對高程數(shù)據(jù)進行表面分析提取得到。根據(jù)表1的賦值方法對坡向各角度進行賦值，可以得到如圖4(i)所示的坡向標準化圖。

表1 坡向各角度標準化賦值

2.3 評價指標權(quán)重計算

本研究選取了氣溫年較差、最大凍結(jié)深度、活動層厚度等9個指標對凍融侵蝕進行了分析評價。按照各個指標的重要程度，并結(jié)合前人研究結(jié)果以及專家打分法，獲取各指標的權(quán)重如表2所示。

表2 各評價指標權(quán)重

3 結(jié)果與分析

3.1 凍融侵蝕強度評價

通過上述凍融侵蝕評價計算法(公式(1)、公式(2))并結(jié)合表2所提供的各評價指標的權(quán)重，可以繪制該研究區(qū)的凍融侵蝕強度圖，并觀察到本文所選研究區(qū)凍融侵蝕強度在0.15～0.52之間。再借助ArcGIS軟件中的自然間斷點法將研究區(qū)的凍融侵蝕強度劃分為0.15～0.27、0.28～0.32、0.33～0.36、0.37～0.41、0.42～0.52這五個等級，分別對應(yīng)微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕和極強烈侵蝕這五個凍融侵蝕程度(表3)，研究區(qū)的凍融侵蝕分級圖如圖5所示。

表3 研究區(qū)凍融侵蝕基本特征

圖5 研究區(qū)凍融侵蝕強度等級

通過分析可得，研究區(qū)的凍融侵蝕類型主要為強烈侵蝕和極強烈侵蝕，均主要分布在五道梁-沱沱河以東、康定-九龍-香格里拉以西地區(qū)，侵蝕面積分別為166 979.68 km2和138 127.44 km2，分別占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的30%和25%；輕度侵蝕次之，面積為120 733.64 km2,占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的22%，但分布地區(qū)比較分散；中度侵蝕面積較小，為66 512.50 km2,占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的12%，主要分布在五道梁-沱沱河以西地區(qū)；微度侵蝕分布最少，面積為65 647.38 km2,主要分布在麗江-越西以南地區(qū)，占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的11%。

3.2 凍融侵蝕空間分布特征

對研究區(qū)的凍融侵蝕空間分布進一步分析，借助ArcGIS軟件將凍融侵蝕強度分級圖分別與氣溫年較差、最大凍結(jié)深度、活動層厚度等9個影響因子進行疊加分析，得出了研究區(qū)的凍融侵蝕分布有如下的特點：

(1) 研究區(qū)內(nèi)凍融侵蝕發(fā)生的總面積約為55.8×104km2。其中，研究區(qū)的凍融侵蝕類型主要為強烈侵蝕和極強烈侵蝕，侵蝕面積分別為166 979.68 km2和138 127.44 km2，分別占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的30%和25%。由于過去40 a氣溫的持續(xù)升高，加劇了多年凍土的退化，也使得凍融侵蝕趨于加劇[15]。工程活動也會影響到凍融侵蝕，但僅影響場地附近凍融侵蝕的發(fā)展。預(yù)計如果氣溫繼續(xù)上升，長江上游未來凍融侵蝕可能會繼續(xù)增加[29]。

(2) 研究區(qū)內(nèi)不同強度凍融侵蝕空間分布差異明顯。微度侵蝕主要分布在麗江-越西以南地區(qū)，并且雅安-峨眉山以東地區(qū)也有分布；輕度侵蝕則比較分散，主要分布在沱沱河?xùn)|南部地區(qū)以及理塘-稻城-木里沿線地區(qū)；中度侵蝕主要分布在五道梁-沱沱河以西地區(qū)以及雅安-峨眉山以西部分區(qū)域；強烈侵蝕和極強烈侵蝕主要分布在長江上游的中部地區(qū)，即五道梁-沱沱河以東、康定-九龍-香格里拉以西的地區(qū)?？傮w來看，研究區(qū)內(nèi)凍融侵蝕的分布從西北往東南呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。

(3) 微度凍融侵蝕分布最少，面積為65 647.38 km2，占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的11%，主要分布在麗江-越西以南地區(qū)。該地區(qū)氣溫年較差相對較小，活動層厚度較小，高程小于4 000 m，年降水量在600 mm～1 000 mm，坡度基本在18°～30°，坡向主要是陰坡方向，活動層厚度小，且該地區(qū)大部分為季節(jié)性凍土區(qū)，因此該地主要為微度凍融侵蝕。

輕度凍融侵蝕面積為120 733.64 km2，占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的22%，主要分布在沱沱河?xùn)|南部地區(qū)以及理塘-稻城-木里沿線地區(qū)。該地區(qū)氣溫年較差大致在15°～17°，活動層厚度小于1 m，高程在4 000 m～4 500 m之間，年降水量在500 mm～800 mm，坡度在15°～27°，坡向主要為陰坡、半陰坡，且該區(qū)活動層厚度小，最大凍結(jié)深度較小，因此為輕度凍融侵蝕區(qū)。

中度凍融侵蝕面積為66 512.50 km2，占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的12%，主要分布在五道梁-沱沱河以西地區(qū)。該地區(qū)氣溫年較差普遍在19°～21°，活動層厚度在0.95 m～1.13 m，高程主要分布在4 500 m～5 000 m,年降水量較小，坡度較小，坡向主要為半陰、半陽坡，但活動層厚度相對較大，因此該區(qū)為中度凍融侵蝕區(qū)。

強烈凍融侵蝕面積為166 979.68 km2,占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的30%，主要分布在雅礱江中上游的沿線及其周邊地區(qū)。此地區(qū)氣溫年較差普遍大于17°，活動層厚度在0.76 m～1.27 m，高程在3 800 m～4 700 m，年降水量在400 mm～600 mm，坡度在17°～34°，坡向主要在半陽、陽坡地區(qū)，且該區(qū)最大凍結(jié)深度大，但細粒土含量少、植被蓋度大，因此在這幾種因素的共同作用下，使得該區(qū)的凍融侵蝕類型為強烈凍融侵蝕。

極強烈凍融侵蝕面積為138 127.44 km2，占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的25%，主要分布在通天河、金沙江的沱沱河至巴塘段的沿線地區(qū)以及大渡河中上游沿線及其周邊地區(qū)。此區(qū)氣溫年較差大于20°，活動層厚度在1.11 m～1.81 m，高程在4 300 m～5 200 m，年降水量在300 mm～500 mm，坡度大于26°，坡向主要在陽坡地區(qū)，且該區(qū)最大凍結(jié)深度大，因此該區(qū)的凍融侵蝕類型為極強烈凍融侵蝕。

長江上游的西北部地區(qū)，盡管多年凍土廣泛分布、氣溫年較差大、活動層厚度較大、高程大、坡向利于凍融侵蝕的發(fā)展、植被蓋度小，但由于其年降水量少、地形相對平緩、易流失的細粒土整體含量較少，因此主要為中度-輕度凍融侵蝕區(qū)。

4 結(jié) 論

通過選取氣溫年較差、最大凍結(jié)深度、活動層厚度等9個指標作為長江上游地區(qū)土壤凍融侵蝕分級評價指標，實現(xiàn)了研究區(qū)土壤凍融侵蝕強度相對分級，并且分析了其空間分布特征。結(jié)果表明：

(1) 研究區(qū)的凍融侵蝕面積約為55.8×104km2,凍融侵蝕類型主要為強烈侵蝕和極強烈侵蝕，分別占凍融侵蝕總面積的30%和25%，中度侵蝕及以下分布較少，微度侵蝕分布最少，占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的11%。

(2) 通過分析可得，研究區(qū)內(nèi)各個強度等級的凍融侵蝕在空間分布上有一定的區(qū)域特征。強烈侵蝕和極強烈侵蝕主要分布在五道梁-沱沱河以東、康定-九龍-香格里拉以西地區(qū)；中度侵蝕及以下主要分布在長江上游的西北部地區(qū)和康定-九龍-香格里拉以南地區(qū)。

(3) 強烈、極強烈凍融侵蝕主要分布在氣溫年較差大于17°、海拔4 200 m以上、坡度大于18°、活動層厚度大于0.9 m的區(qū)域。長江上游地區(qū)雖然凍融侵蝕分布面積相當大，但目前我國對其研究較少，本研究旨在為該區(qū)的水土保持、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和工程建設(shè)提供一些參考。