基于RS和GIS的甘肅省凍融侵蝕敏感性評價

李 東, 魏 霞, 李勛貴, 李耀軍

(蘭州大學 資源與環境學院, 蘭州730000)

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基于RS和GIS的甘肅省凍融侵蝕敏感性評價

李 東, 魏 霞, 李勛貴, 李耀軍

(蘭州大學 資源與環境學院, 蘭州730000)

作為三大侵蝕類型之一的凍融侵蝕在高原地區作用明顯，在破壞土壤性質威脅工程安全的同時，阻礙著區域經濟社會的發展，但由于起步較晚相關研究很少。為了充實對凍融侵蝕強度與分布規律的研究，以甘肅省為研究對象，選取氣溫年較差(℃)、凍結期平均最低溫度(℃)、解凍期平均降雨量(mm)、坡度、植被覆蓋度(%)和年降水量(mm)作為凍融侵蝕影響因子分級評價指標，在RS和GIS技術支持下，采用綜合評價指數與相對分級評價的方法，對研究區內的凍融侵蝕進行了侵蝕強度分級評價，同時利用多年實測氣象數據對氣溫年較差進行多元線性回歸分析，得出了更適用于甘肅地區的經驗回歸方程，并在此基礎上完成了對甘肅地區凍融侵蝕區邊界的界定和凍融侵蝕強度分布圖，加深了對甘肅地區凍融侵蝕現狀的認識。結果表明：甘肅地區凍融侵蝕敏感區主要集中在北部東南方向和南部的西南角，分別分布在酒泉東南部、嘉峪關、張掖西南部和甘南西部地區，全省凍融侵蝕面積為3.88萬km2，占全省總面積的8.6%，省內凍融侵蝕下界海拔3 300～4 400 m，凍融侵蝕強度總體上從西南向東北逐步減弱。

GIS; RS; 凍融侵蝕; 敏感性評價; 甘肅省

凍融侵蝕是土壤侵蝕的主要方式之一，21世紀隨著生態環境的日趨惡化，凍融侵蝕引起了廣泛重視，它主要發生在冬末春初時期，是指由于溫度的頻繁變化而造成的凍融交替所引起的土壤、巖石性質發生變化，進而造成的侵蝕作用[1]。作為高海拔地區水土流失加劇的重要原因，凍融侵蝕一方面改變和破壞著土壤的物理性質，降低了耕地的生產能力，威脅著工程建筑的安全，另一方面凍融產物也是河流泥沙主要來源。相比較水力侵蝕，凍融侵蝕更為復雜，相關研究也相對較少，但地球上受凍融作用的區域面積占全球陸地總面積的70%以上，在我國凍融侵蝕區域面積占國土總面積的13.4%[2]，其中侵蝕最嚴重的地區主要分布在西藏、青海、內蒙古、甘肅等省份[3]，有些高海拔地區受季節性凍融作用的影響，土壤流失量的50%以上都發生在凍土層解凍時期[4]，對人類生存生活和社會經濟發展的影響非常明顯，因此甘肅地區的凍融侵蝕研究對高原生態環境規劃和經濟可持續發展都具重要的參考價值和指導意義。由于凍融過程破壞了土壤的理化屬性，土壤變得更為脆弱，使得侵蝕物質來源增加，加劇了混合侵蝕效果，以往研究表明凍融作用對土壤水分、密度、有機質和土壤的機械組成等因素都有不同程度的影響[5]。隨著凍融侵蝕對社會發展的影響越來越顯著，人們對這一問題的關注與研究也越來越多。國際上，凍融侵蝕的研究以美國和加拿大最為前沿，我國尚處于起步階段。劉佳等[6]最早對春季解凍期黑土侵蝕進行了研究，結果表明春季解凍期即使降雨量不大，土壤的侵蝕能力仍然很強。景國臣等[7]也對凍融侵蝕的形式和危害程度進行了研究，認為凍融侵蝕加快了土壤侵蝕速率。謝飆等[8]對三江源地區水土流失成因與特點進行了分析。可見凍融侵蝕的研究非常欠缺，因此探索研究凍融侵蝕就顯得尤為必要和重要，鑒于此，本文綜合分析影響甘肅地區凍融侵蝕的各個影響因子，并對凍融侵蝕強度及分布特征進行分級評價與研究，以期能為該地區的凍融侵蝕防治工作和高海拔地區生態環境研究提供科學參考。

1 研究區概況

甘肅省位于祖國西部地區，地處黃河上游，向東與陜西相接，往南與四川青海相鄰，西靠新疆，北部與內蒙寧夏相連，介于北緯32°11′—42°57′和東經92°13′—108°46′，總面積45.37萬km2，占全國總面積的4.72%[9]。全省太陽年輻射總量達1 577 kWh/m2多年平均降水量為302 mm，隴南山地和甘南高原降雨較充足且植被覆蓋度大，沿西北方向植被覆蓋度逐步降低。全國第二次土壤普查結果顯示甘肅省共有37種土壤類型，水平地帶性分布自東南向西北依次為北亞熱帶黃棕土,暖溫帶棕褐土,南部溫帶黑滬土、栗鈣土和灰鈣土,北部溫帶灰棕漠土和棕漠土。甘肅地區土壤垂直分布也十分明顯,祁連山東段自下而上依次為灰鈣土、栗鈣土、灰褐土或黑鈣土、高山草甸土和高山寒漠土。省內林地面積135.45萬hm2，覆蓋率約為2.98%，分布極不均勻，主要集中在東部和南部山地，樹種以云杉、油松、華山松及各種楊樹為主，草地主要分布于甘南草原、河西走廊和隴中北部，植被水平分布特征明顯，自南而北依次為:常綠闊葉帶、落葉闊葉混交林帶、落葉闊葉林帶、草原帶和干旱荒漠帶，其中隴南山地和甘南高原的降雨最為充足,林草覆蓋度也最大,其余向北向西植被逐漸稀疏。甘肅位于祖國二級階梯之上，地勢自西南向東北傾斜，多種地貌交錯分布，地勢起伏多變，是古絲綢之路咽喉之地，也是黃土高原、青藏高原和內蒙古高原的樞紐地帶，其中甘南高原是青藏高原的東部邊緣一角，平均海拔超過3 000 m，西南部的祁連山地海拔也在3 500 m以上，終年積雪冰川逶迤。甘肅包括12個市和2個自治州，在局部地區海拔高溫差大，具備良好的凍融侵蝕條件，在冰雪覆蓋的多年凍土區及其下界數百米內范圍，凍融侵蝕起著主導作用，地貌類型具有明顯的冰緣地貌特征。

2 材料數據獲取處理與分析計算方法

2.1 數據來源

本文利用國際科學數據服務平臺提供的2009—2011年甘肅地區的TM遙感衛星影像數據(分辨率為30 m×30 m，衛星數字產品號為LANDSAT4-5TM)通過篩選和幾何精校正計算得到研究區域的歸一化植被指數NDVI和植被覆蓋度，其中NDVI影像具體時相分別為：2009年3月14日、10月8日、12月7日，2010年3月17日、10月5日、12月5日，2011年3月15日、10月6日、12月11日各自26景影像數據。

坡度因子可以利用DEM數字高程模型獲取，具體做法是依據2010年的甘肅省地形圖(1∶10 000)，通過GIS軟件經過數字化轉換成為帶有高程文件的數字高程模型，之后利用等高線文件和高程點文件生成TIN圖并轉化成為DEM格式，再通過邊界面文件裁剪、填洼和精度校準完成DEM建模，生成可供利用slope格式的DEM數字高程模型(等高線格式為shape file，分辨率為30 m×30 m)。

氣象數據資料來源于中國氣象科學數據共享服務網提供的甘肅省境內33個氣象站25 a(1985—2010)的氣象觀測數據，包括觀測場海拔高度、年降雨量、月降雨量、日最高和最低氣溫、月平均氣溫、月最高和最低地面溫度和累計年氣溫年較差等。

2.2 凍融侵蝕強度分析與計算方法

研究凍融侵蝕分布規律首先要確定凍融侵蝕區分布范圍，然后再根據凍融侵蝕作用的強度差異對凍融侵蝕區進行二次劃分，凍融侵蝕強度大小可利用分級評級指標判定。通常凍融侵蝕有很多影響因子，在選擇分級評價指標時應根據研究區域特點選擇主要因素作為評級因子，例如陳劍橋等[10]在大渡河流域進行凍融侵蝕分析研究時就采用四級分級法將氣溫年較差、年均降水量、坡度、坡向和植被蓋度選定為評價指數；馬金輝等[11]在三江源地區進行凍融侵蝕強度評價時根據各因子的相對重要性，確定評級指標為氣溫年較差、地形因子、年降水量和植被覆蓋度；李輝霞等[12]在分析評價西藏自治區凍融侵蝕時，選擇了氣溫年較差、地形起伏度和年均降水量三個定量指標對敏感性進行等級劃分。

2.2.1 凍融侵蝕區范圍的界定方法 凍融作用是最普遍、最主要的外力侵蝕過程之一，但有凍融侵蝕作用的區域并不一定就是凍融侵蝕區，因為只有凍融侵蝕起主導作用的區域才能被認定為凍融侵蝕區。目前凍融侵蝕區范圍劃定的理論與方法有眾多研究成果，其中最為公認的方法是取冰緣區的下界作為凍融侵蝕區的下界，取年平均溫度-2.5℃線作為多年凍土帶的下界，并認為冰緣區下界比多年凍土區下界要低200 m左右。因此本研究參照以往研究成果，利用緯度(X)、經度(Y)與多年凍土區下界海拔(H0)的線性回歸方程計算得出年均氣溫-2.5℃的海拔高度，再減去200 m即得出研究區域凍融侵蝕區的下界海拔(H)，計算公式為[13]：

2.2.2 氣溫年較差分級指標估算方法 凍融侵蝕變化與溫度變化關系密切，氣溫年較差是影響凍融侵蝕最重要的因子，直接決定著凍結和融化的深度與程度[14]。大多數情況下地溫因子(T1)不易獲得，一般都是先通過經度(X)、緯度(Y)以及海拔(H)計算求出氣溫年較差(T)，再利用氣溫年較差作為評價凍融侵蝕強度的分級因子，其中最具代表性的是邱國慶等[15]在青藏高原凍土區總結并驗證的經驗公式：

T=3.1052+1.2418Y-0.2275X-0.0004133H

研究證明氣溫年較差可以很好的反應出溫度變化對凍融侵蝕過程的影響，本研究利用甘肅省境內33個氣象站的25a(1 985—2 010)氣象觀測數據，對氣溫年較差進行多元線性回歸分析，最終得出計算氣溫年較差的回歸方程：

T=4.6049+1.8415Y-0.3369X-0.0006141H

2.2.3 分級評價指標及權重計算方法 凍融侵蝕強度分級應以凍融侵蝕區單位時間單位面積的土壤流失量作為分級依據，但凍融侵蝕區環境惡劣不易布設試驗小區，凍融侵蝕數據也不易獲取，所以目前國內外主要研究方法是利用凍融侵蝕影響因子作為分級指標對凍融侵蝕強度進行分級評價，研究證明凍融侵蝕強度相對分級研究方法是可行的，可以識別出凍融侵蝕區侵蝕作用強度的大小。

本研究將得到的氣溫年較差、凍結期平均最低溫度、解凍期平均降雨量、坡度、植被覆蓋度和年降水量數據整理作為凍融侵蝕強度評價指標，并根據指標數據的具體分布與取值情況，參照以往研究成果確定各指標的等級賦值標準(表1)，以降雨量為例，首先將全部降雨量數據從大到小有序排列，選擇算術平均值作為中間點，以樣本數據的0.5倍標準差作為步長從中間點向兩端各確定一個分界點，再以1倍標準差作為步長從這兩個分界點出發向兩端再各自確定一個分界點，從而將整個數據樣本分為5個等級，再根據指標的相對重要性確定其判斷矩陣(表2)，對表2進行判斷矩陣的一致性檢驗，結果CR(一致性比例)=0.036<0.1，證明符合研究要求。

2.2.4 綜合評價指數計算方法 綜合評價指數是用來總體評價凍融侵蝕敏感程度的指標，指數愈大凍融侵蝕愈強烈，根據水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準(SL190—2007)》，并參考野外調查結果將研究區域的凍融侵蝕作用強度劃分為微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕和劇烈侵蝕五個等級，綜合評價指數可采用式(1)進行計算[10]。

表1 評價指標分級賦值標準[10]

表2 評價指標的判斷矩陣[11]

(1)

式中：I——凍融侵蝕綜合評價指數；Ii——各單因子評價指標分級值；Wi——各單因子評價指標對應的權重；n——單因子數。

3 結果與分析

3.1 氣溫年較差計算結果可靠性分析

將計算得出的氣溫年較差數據與實際氣象觀測數據進行對比分析，在檢驗經驗回歸方程計算結果準確性的同時驗證該方法在研究區域的適用性。

通過數據對比發現利用多元線性回歸方程計算得出的氣溫年較差與實測結果基本相符，計算精度可靠，其中甘肅中南部地區估算值略微偏低，西北地區計算值一般偏高，最大誤差為12.4%，平均相對誤差為6.48%。圖1為利用經驗公式計算的氣溫年較差與實際觀測值的比較結果，可以看出研究區域的實測氣溫年較差變化與計算預測結果基本一致，能很好地反映出甘肅地區凍融侵蝕氣溫變化規律，所以選用該經驗公式計算研究區域內的氣溫年較差T并作為分級評價指標進行凍融侵蝕強度分析評價是可行的。為了進一步說明計算結果的可靠性，利用實測數據分別對該多元線性回歸方程進行擬合優度檢驗和方程顯著性檢驗。

擬合優度檢驗結果顯示，可決系數R2為0.971 2，校正后可決系數為0.968 5，說明該回歸方程計算結果對樣本實測數據的和擬合效果良好。

方程顯著性檢驗結果當α=0.05時，F=325.98>F0.05,3,29=2.93，也就是說在95%的置信概率下，方程的線性關系成立，經緯度和海拔高度對氣溫年較差的解釋作用顯著，另外由于R2=0.971 2>95%，因此該多元線性回歸方程的計算結果精度可靠性符合研究要求。

3.2 凍融侵蝕敏感性分析

根據表2中的判定矩陣，運用層次分析法計算得出甘肅地區的凍融侵蝕分級評價指標單因子權重如表3所示。

圖1 利用回歸方程計算得出的計算值與實測值比較

表3 凍融侵蝕單因子評價指數權重

利用上述綜合評價指數I的計算方法進行估算并依據《土壤侵蝕分類分級標準(SL190—2007)》得出該研究區域的凍融侵蝕強度分級標準，如表4所示。

表4 凍融侵蝕強度分級標準

研究表明凍融侵蝕的強度隨溫差變化的增大而增大，一般情況下氣溫年較差越大凍融侵蝕作用就越強烈，甘肅省地處三大高原交匯地帶，有很強的季風性氣候，局部地區屬高寒區，溫差大且輻射強，全省年均氣溫由東南向西北遞減，平均氣溫年較差為37.14℃，隨海拔變化明顯，為凍融侵蝕的發生提供了必要的氣候條件，是最為重要的影響因子，權重值為0.31。作為負溫因子的凍結期平均最低溫度是影響凍融侵蝕強度僅次于氣溫年較差的主要影響因子，權重值為0.22，說明無論是溫度變化幅度還是凍結期的負溫水平都是決定凍融侵蝕強度的最主要因素，兩個因子對凍融侵蝕的共同影響作用超過50%以上。

與溫度不同，降雨為凍融侵蝕提供了物質來源，從表3可以看出年均降雨量對凍融侵蝕的影響有限，權重只有0.08，但解凍期平均降雨量對凍融侵蝕強度的影響卻很顯著，權重值為0.15，這與三江源地區的相關研究結論相似，說明不同時期的降雨過程對凍融侵蝕強度的影響有很大差別。按凍融過程的不同時期可把降雨分為凍結期降雨，消融期前期降雨和消融期后期降雨三類，凍結期降雨對土壤的凍融侵蝕具有很強的推動作用，這類降雨的增多直接導致了表層含水率增多，凍結時由于水體的物理性質改變而體積增大，從而對土體結構的破壞性也隨之增強，在消融期前期凍結速度大于消融速度，降水由于環境氣溫較低而大多轉化成冰雪，從而加大了地表的整體比熱，減小了地面與大氣的溫差，會降低土層的消融，減輕土壤的凍融侵蝕效果，在后期凍結速度小于消融速度，冰雪融水對土壤有搬運和侵蝕作用，凍融侵蝕量會隨著降水增多而增大。

坡度是凍融侵蝕發生的動力條件，影響著土壤凍融侵蝕量和侵蝕產物被帶離的位移大小，研究表明坡度因子的權重值為0.12，以往研究也表明幾乎所有凍融侵蝕發生都必須具備一定的地形條件，而且坡度變化越大凍融侵蝕的強度等級也越大，另外通過實地觀測還發現坡向對凍融侵蝕也有一定影響，陽坡面比陰坡面的太陽輻射量大，因此地面晝夜溫差也較大，凍融侵蝕效果也更為敏感。

植被對凍融侵蝕強度具有明顯的削弱效果，權重值為0.12，這是因為植被可以增加土體的穩定性，對地表有保護作用，可以減輕凍融侵蝕過程對土壤的破壞，緩解凍融期降雨的混合侵蝕，另外植被的根系對土壤有固結纏繞作用，在消融期后還具有固結和修復效果。遙感數據表明甘肅是一個少林地區，平均森林覆蓋率只有16.55%，主要以云杉為主。草地主要分布在海拔2 400m以上的甘南草原和祁連山地，在海拔3 000m以上的地區牧草的生長期短枯草期長，因此這一區域凍融侵蝕強度一般較大。

3.3 凍融侵蝕強度空間分布特征

將上述計算結果在GIS軟件中進行疊加，為了最終確定凍融侵蝕區的侵蝕強度分布情況，將處理后的DEM數據由平面坐標(m)轉化成為經緯度坐標(度)，并利用ProjectionWizard工具進行投影，再利用數據生成函數對圖像進行裁剪校正和人工解譯，最后再減去冰川區和非凍融侵蝕區可得到凍融侵蝕區強度等級分布圖(圖2)。

圖2 凍融侵蝕區強度等級分布

結果表明多年凍土雖然通常出現在年平均氣溫為負值的地區，但由于研究區地形復雜多變，在年均氣溫為正的地方也存在有離散凍土區。全省凍融侵蝕強度分布總體上由東北向西南方向遞增，凍融侵蝕區下界海拔分布在3 300～4 400m，凍融侵蝕區總面積為3.88萬km2。從甘肅省凍融侵蝕區強度等級分布圖中可以看出，甘肅只有少部分地區屬于凍融侵蝕區，凍融侵蝕強度較高的區域主要集中在北部的東南方向，東部地區雖然降水量較西部地區要大許多，但由于凍融侵蝕基本不起主導作用，所以幾乎沒有凍融侵蝕區存在。甘肅省的凍融侵蝕區主要分布在酒泉東南部、嘉峪關、張掖西南部和甘南西部，結合實測資料可以發現這些區域氣溫年較差一般較大，雖然局部地區的年降水量很小，但凍融侵蝕作用依然十分明顯。從地圖上看，省內北部地區凍融侵蝕基本上呈帶狀分布，而南部地區呈片狀分布且侵蝕強度主要以微度侵蝕和輕度侵蝕為主。

4 結 論

本研究基于GIS和RS技術獲取甘肅地區植被覆蓋度及地形參數，并結合同時期的氣象觀測數據資料，對甘肅地區的凍融侵蝕強度分布進行了分級評價，同時利用修正后的經驗公式界定了研究區凍融侵蝕范圍，豐富了凍融侵蝕研究的應用與理論依據。取得的主要研究結論如下：

1) 甘肅省凍融侵蝕強度分布由西南向東北方向遞減，凍融侵蝕區的下界海拔在3 300～4 400m之間，省內凍融侵蝕區面積為3.88萬km2，只有少部分地區屬于凍融侵蝕敏感區，主要集中在甘肅北部的東南方向和南部的西南角。

2) 酒泉東南部、嘉峪關、張掖西南部和甘南西部地區是省內主要的凍融侵蝕區，凍融侵蝕作用明顯，其中張掖西南部和酒泉東南部的凍融侵蝕強度較高，主要以中度侵蝕和強烈侵蝕為主。2010年全省凍融侵蝕面積占土地總面積的8.6%，占土壤侵蝕面積的28.9%，凍融侵蝕區平均下界海拔是3 860m，從西南向東北逐漸降低。

3) 在甘肅地區氣溫年較差大小和凍結期平均最低溫度是影響凍融侵蝕強度變化的最主要影響因子，

其次是解凍期平均降雨量、坡度和植被覆蓋度，年降雨量變化對甘肅地區凍融侵蝕強度影響的敏感性相對最低。

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Sensitivity Evaluation of Freeze-Thaw Erosion in Gansu Province Based on RS and GIS

LI Dong, WEI Xia, LI Xungui, LI Yaojun

(CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Freeze-thaw erosion is one of the three largest erosion types in plateau area, which destroys the soil properties and threatens the security of a project, at the same time, hinders the regional economic and social development, but research object on this type of erosion was rarely launched. In order to enrich the study on freeze-thaw erosion intensity and distribution, Gansu Province was taken as the case, the annual range of temperature, slope, vegetation coverage, annual precipitation and freezing and thawing period average rainfall period average minimum temperature were selected as the freeze-thaw erosion factors on evaluation indexes. With the support of RS and GIS technology, freeze-thaw erosion was evaluated by freeze-thaw erosion intensity classification in the region by using the method of comprehensive evaluation index and relative evaluation, multivariate linear regression analysis on the annual temperature range was carried out according to the measured meteorological data for many years, a regression equation more suitable for Gansu area was obtained. Definition of freeze-thaw boundary and freeze-thaw erosion intensity distribution map of Gansu were made, deepening the understanding of the area of freezing and thawing in Gansu Province, and the understanding of the erosion status. The results show that GIS and RS can rapidly provide technical support, and the sensitive areas of freeze-thaw erosion in Gansu Province mainly concentrate in the southeast of the northern direction, locate in the southeast of Jiuquan, Jiayuguan, southwest of Zhangye and the western region of Gannan, the freeze-thaw erosion area of Gansu Province is 38 800 km2, accounting for 8.6% of the total area, frozen thawing erosion occurs in the areas with the least altitude between 3 300～4 400 m, freeze-thaw erosion intensity generally weakens from the southwest to the northeast.

GIS; RS; freeze-thaw erosion; sensitivity evaluation; Gansu Province

2014-03-10

2014-06-24

國家自然科學基金項目(41001154,51109103);中國博士后科學資助項目(20110490862);中央高校基本科研業務費專項資金資助(lzujbky-2012-139,lzujbky-2014-126)

李東(1985—),男,遼寧遼陽人,碩士研究生,研究方向為土壤侵蝕。E-mail:1017557759@qq.com

魏霞(1980—),女,陜西扶風人,博士后,副教授,主要從事土壤侵蝕與水土保持、水文學及水資源等方面的研究。E-mail:weix@lzu.edu.cn

S157

1005-3409(2015)02-0001-06