喀斯特山區(qū)地形起伏度及其對水土流失敏感性的影響
——以貴州省荔波縣為例

譚瑋頤， 周忠發(fā)， 朱昌麗， 馬國璇

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院/地理與環(huán)境科學學院, 貴州 貴陽 550001; 2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境 國家重點實驗室培育基地, 貴州 貴陽 550001; 3.國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心, 貴州 貴陽 550001)

中國南方喀斯特山地崎嶇，地形破碎，地貌類型影響了自然生態(tài)環(huán)境的特征，從宏觀上控制了區(qū)域地表徑流與沖刷的基本驅動力，具有水土易流易失的重要特征[1]。水土的流失導致了土壤耕作層被侵蝕，產(chǎn)生了區(qū)域土地退化、生產(chǎn)力降低等問題，導致干旱及洪澇發(fā)生，降低水利工程效益，嚴重影響喀斯特山區(qū)的生產(chǎn)生活，威脅下游河道安全[2]。從自然環(huán)境的角度來講，土壤水分供應、淺層土壤水分、土壤保水能力、土壤需水量均和地形因子息息相關[3]，地形起伏度也是影響潛在水土流失的地形因子的重要指標[4]。當前，國內外學者[5-6]通過數(shù)字地形分析對人口分布、生態(tài)系統(tǒng)服務價值等相關現(xiàn)象開展了探索。與此同時，地形起伏度在地貌分類、生態(tài)環(huán)境評價、人口分布評價、土壤侵蝕敏感性評價方面也得到了廣泛應用[7-10]。而區(qū)域地形起伏度的提取具有尺度依賴性[11]，地形起伏度與面積呈對數(shù)關系[12]，合適的分析尺度是決定喀斯特地區(qū)地形起伏度信息提取效果與有效性的關鍵[5,13]。貴州省荔波縣作為水土保持型國家重點生態(tài)功能區(qū)承擔著維護區(qū)域水土保持和生態(tài)環(huán)境安全的使命，因此，為準確反映典型喀斯特山區(qū)地表起伏的狀況與水土流失特征，本文選取荔波縣為研究區(qū)，以網(wǎng)格為研究尺度，通過有效提取RDLS和評價區(qū)域水土流失敏感性，揭示出RDLS對水土流失的影響，為認識喀斯特山區(qū)地形與水土流失的特征和分布規(guī)律，制定符合喀斯特山區(qū)的水土修復治理對策提供參考。

1 研究區(qū)概況

貴州省荔波縣位于貴州省黔南布依族苗族自治州東南端，位于東經(jīng)107°37′—108°18′，北緯25°7′—25°9′之間。屬桂黔滇喀斯特石漠化防治區(qū)，水土保持型國家重點生態(tài)功能區(qū)，是珠江水系上游的重要安全屏障，也是“中國南方喀斯特”世界自然遺產(chǎn)地的核心地帶[14]，作為世界上唯一分布集中、原生性強、相對穩(wěn)定、地球同緯度上保存面積最大最完整的喀斯特地帶，具有獨特的錐狀喀斯特地貌組合類型[15]，森林植被豐富度高。地處云貴高原巖溶向廣西巖溶丘陵與孤峰巖溶平原過渡的巖溶斜坡地帶[16]，生態(tài)區(qū)位重要，生態(tài)環(huán)境脆弱。是黔南州喀斯特較復雜、分布廣、面積較大的山區(qū)之一，喀斯特面積占全縣國土面積的74.4%。受地形的影響，平壩、山地水熱資源分布不均勻，旱災、暴雨、洪澇等自然災害時有發(fā)生，水土流失與石漠化現(xiàn)象仍然突出，對保護區(qū)、遺產(chǎn)地和珍稀物種生存空間構成擠壓和威脅[17]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預處理

研究使用數(shù)據(jù)主要包括荔波縣行政區(qū)劃圖，1∶10 000地形圖，2015年Alos影像。行政區(qū)劃界線由荔波縣行政區(qū)劃圖數(shù)字化獲得；1∶10 000地形圖主要用于生成數(shù)字高程模型(DEM)。研究對1∶10 000地形圖矢量化處理，提取高程信息，通過3 D Analyst功能，生成空間分辨率為10 m，高程范圍為320～1 480 m的研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)；通過研究區(qū)DEM，結合荔波行政區(qū)劃圖，提取坡度、坡向、海拔和平地面積數(shù)據(jù)，獲取地形起伏度；在ENVI平臺中對遙感影像進行幾何校正、增強、鑲嵌、融合、裁剪等處理，融合后的影像空間分辨率為3 m，實現(xiàn)影像內容與地物匹配，進行土地利用及植被覆蓋度的提取；運用土地生態(tài)類型、坡度、植被覆蓋度指標等數(shù)據(jù)，根據(jù)《土壤侵蝕分級分類標準(SL190-2007修訂標準)》[17]，劃分出水土流失敏感性等級，得到荔波縣水土流失敏感性空間分布狀況。

2.2 研究方法

2.2.1 最佳統(tǒng)計單元分析 在復雜的喀斯特地貌形態(tài)下，針對地形區(qū)與數(shù)據(jù)類型的不同，合理選取鄰域分析網(wǎng)格的類型和大小才能恰當?shù)胤从吵龅匦纹鸱茸兓闆r[19]。為確定荔波縣10 m空間分辨率DEM的最佳分析網(wǎng)格單元，利用ArcGIS軟件中空間分析模塊中的鄰域分析工具，選取矩形窗口，依次提取2×2，3×3，4×4，…，70×70網(wǎng)格大小下柵格鄰域海拔的極值，并對各分析窗口下單位面積平均起伏度進行計算。

根據(jù)地形起伏度的定義和地貌發(fā)育理論[20]，定義剛好到達該穩(wěn)定狀態(tài)的點為“拐點”，該點對應的窗口值即可確定最佳統(tǒng)計單元的面積，而統(tǒng)計學中的均值變點分析法對恰有一個變點的檢驗最為客觀有效[21-22]。因此研究采用均值變點分析法來確定研究區(qū)地形起伏度的最佳計算尺度，計算步驟為：

(1) 首先將各分析窗口下單位面積上的平均起伏度作為輸入數(shù)據(jù)，計算單位地勢起伏度序列T。

Tt=tt/st(t=2,3,4，…，69,70)

(1)

式中：Tt，tt，st——分析窗口下的單位起伏度、平均起伏度(m)、窗口面積(m2)；t——窗口數(shù)量。

(2) 對序列Tt取對數(shù)ln(Tt)，得到序列{Xt}。

(2)

(4) 計算S與Si的差值ΔS：

ΔS=S-Si(i=2,3,4,…,70)

(3)

2.2.2 地形起伏度(RDLS)提取 RDLS是地形起伏度的縮寫，源于1948年蘇聯(lián)科學地理研究所提出的切割深度[23]，在地形復雜區(qū)域有較好的適用性[24]。封志明[5]將中國基準山體海拔高度視為500 m，使地形起伏度作為獨立數(shù)值具備了地理學意義。研究探討地形起伏度與區(qū)域水土流失狀況的關系，考慮喀斯特山區(qū)的地形條件，通過借鑒封志明對地形起伏度的提取方法，將地形起伏度定義為綜合了平均海拔、相對高程、平地面積等多種單項地形要素基礎上建立的函數(shù)：

RDLS={〔MAX(H)-MIN(H)〕×

〔1-P(A)/A〕}/500

(4)

式中：max(H)，min(H)——區(qū)域內的最高和最低海拔(m)；P(A)——區(qū)域內平地面積(km2)；A——研究區(qū)域總面積(m2)； RDLS——地形起伏度。考慮到研究是基于10 m×10 m柵格數(shù)據(jù)對RDLS進行提取，參照相關文獻[25-26]及荔波縣喀斯特地貌，研究將坡度小于5°的區(qū)域定義為平地。

2.2.3 水土流失敏感性因子提取 水土流失敏感性評價主要參考王嬌、孫小濤等人的研究方法[27-28]，為保證等級判定的準確，根據(jù)相關國家水利行業(yè)標準[17,29]，結合喀斯特山區(qū)實際情況，將土地利用、高程、坡度和植被覆蓋作為水土流失敏感性評價的指標因子，通過空間疊加分析，確定研究區(qū)水土流失敏感性空間分布情況。

① 土地利用因子。運用ENVI和ArcGIS軟件平臺進行荔波縣土地利用監(jiān)督分類與分類后處理，根據(jù)喀斯特地區(qū)土地資源主要利用方式，結合荔波土地覆蓋特征，通過影像判讀、解譯，共將此次研究土地利用類型分為8類，分別為旱地、水田、有林地、灌木林地、其他林地、天然草地、水域和建設用地，按照全國土壤侵蝕遙感調查工作技術細則的標準對不同土地利用類型下水土流失強度影響進行分級。

② 高程和坡度因子。以荔波縣的數(shù)字高程模型為基礎，利用ArcGIS軟件空間分析模塊獲取荔波縣高程和坡度數(shù)據(jù)。根據(jù)水土流失敏感性強度分級標準[17,29]，將荔波縣坡度分為0°～5°，5°～8°，8°～15°，15°～25°，25°～35°和>35°的6個等級。

③ 植被覆蓋度因子。選用線性混合像元分解模型中易操作且精度較高的NDVI像元二分模型進行植被覆蓋度的估算[30]。通過ENVI中BandMath工具進行估算，計算公式為：

NDVI=(NIR-RED)/(NIR+RED)

(5)

式中：NDVI——歸一化植被指數(shù)； NIR——影像近紅外波段； RED——紅外波段。

估算植被覆蓋度FVC，計算公式為：

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(6)

式中：NDVIveg——完全植被覆蓋地表的NDVI； NDVIsoil——無植被覆蓋地表的NDVI。根據(jù)相關研究[17,29]，分別取累計頻率在5%與95%上的值；結合荔波縣實際情況與水土流失敏感性強度分級標準，將植被覆蓋度劃分為<0.3，0.3～0.45，0.45～0.6，0.6～0.75與>0.75的5個等級。

3 結果與分析

3.1 最佳分析窗口確定

利用鄰域分析計算網(wǎng)格單元n×n與地形起伏度的關系，結果詳見表1。

利用SPSS軟件對表1中的鄰域窗口面積與平均起伏度進行對數(shù)方程擬合(圖1)。擬合方程y=3.934+4.754x-0.30x2，擬合度R2可達0.997，擬合效果較好。可知在鄰域分析網(wǎng)格大小20×20之前，平均地形起伏度隨網(wǎng)格面積同步增加的幅度較大；在網(wǎng)格大小20×20～55×55間，曲線出現(xiàn)了平均地形起伏度增加由陡變緩的點；網(wǎng)格大小55×55之后，隨著窗口面積的增大，平均地形起伏度隨網(wǎng)格面積變化趨于平緩。為找出不同分析原始樣本的離差平方和S與樣本分段后的統(tǒng)計量Si間差值達到最大對應的點。根據(jù)公式(1)—(3)運用均值變點統(tǒng)計出S值為58.713，Si與ΔS值詳見表2，ΔS隨窗口大小的變化情況如圖2所示。

圖1 分析窗口與平均地形起伏度對應關系

表2 均值變點分析值的統(tǒng)計

圖2 分析窗口與ΔS變化曲線

從表2和圖2可知，ΔS在序列號為52時最大，所對應的網(wǎng)格大小為54，即54×54大小的網(wǎng)格為由陡變緩的點。據(jù)此，可確定荔波縣基于10 m空間分辨率時提取地形起伏度的最佳分析網(wǎng)格大小為54×54，統(tǒng)計面積為0.291 6 km2。

3.2 地形起伏度與水土流失空間分布特征

研究使用的DEM分辨率較高，荔波縣面積僅2 431.8 km2，屬于典型小區(qū)域、較高分辨率條件下的地形起伏度研究。基于上述最佳分析單元54×54的網(wǎng)格大小(1.30×105m2)，根據(jù)公式(4)計算荔波縣RDLS。從圖3可以看出，荔波縣RDLS值介于0.32～2.21之間，平均值為1.12。

由圖3可知，荔波縣RDLS空間分布整體趨勢為東部高于西部,南部高于北部。最高值2.21分布在東部立化村，此地為水土保持與環(huán)境整治區(qū)；高值分布在東部海拔較高和峰叢洼地集中分布的區(qū)域；最低值0.32分布在樟江兩岸河谷區(qū)，由此處向兩側逐漸升高；西北部甲良鎮(zhèn)石漠化防治區(qū)與境內海拔較低的非喀斯特地區(qū)為次低值區(qū)域。由圖4可知荔波縣RDLS以中高值為主，波段集分析表明縣內RDLS均值為1.12，RDLS在1～1.5的區(qū)域占比最大(69.79%)，當起伏度達到1時，累計頻率達到96.82%，當?shù)匦纹鸱冗_到1.5時，累計頻率超過99.98%。

圖3 荔波縣地形起伏度

由荔波縣土壤侵蝕水土流失敏感強度分級及面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)(表3)及土流失敏感性空間分布圖(圖5)可知，目前荔波縣水土流失敏感性現(xiàn)狀主要為微度，面積為2 196.02 km2，占縣域總面積的88.40%，其中微度區(qū)主要分布在翁昂—永康—洞塘世界遺產(chǎn)保護區(qū)、茂蘭自然保護區(qū)和部分植被覆蓋較好的低山區(qū)；輕度面積205.6 km2，占總面積的8.28%，主要分布在水堯鎮(zhèn)、地莪河下游和玉屏—朝陽—架歐—瑤山—撈村世界遺產(chǎn)保護區(qū)域內；中度區(qū)面積53.38 km2，占縣域總面積2.15%，而強度區(qū)面積19.56 km2占縣域總面積的0.79%，主要分散分布在境內人類活動較多的區(qū)域、水系周圍以及海拔較高坡度較陡的區(qū)域；極強度和劇烈區(qū)面積共為9.67 km2，占縣域總面積的0.39%。主要分布在樟江和地莪河上游地區(qū)部分中、高山區(qū)，以及玉屏鎮(zhèn)和朝陽鎮(zhèn)中心。

圖4 荔波縣地形起伏度分布比例與面積累計頻率

圖5 荔波縣水土流失敏感性分布

表3 荔波縣水土流失敏感性基本特征

3.3 地形起伏度對水土流失敏感性的影響

RDLS是評價水土流失敏感性的重要宏觀地形指標。由圖3和圖5可看出，RDLS與水土流失敏感性分布范圍具有一定的一致性和規(guī)律性，水土流失敏感性高的區(qū)域RDLS多在1.5～2.21，總體分布在峰叢發(fā)育廣泛地區(qū)及境內最高點的西北部。中部河谷和非喀斯特地帶水土流失敏感性較低，RDLS為0.32～1.5。總體表現(xiàn)為水土流失敏感性隨RDLS的下降而減少。當RDLS位于0～0.5時，水土流失敏感性下降較劇烈；當RDLS位于0.5～1時，水土流失敏感性下降較緩慢；當RDLS位于1～2時，及RDLS>2時，水土流失敏感性上升較劇烈。為探究研究區(qū)水土流失敏感性在不同起伏度下的分布特征，采用地理信息系統(tǒng)空間分析技術，將水土流失敏感性評價圖按10×10的柵格大小轉換為Gird，將荔波縣RDLS與水土流失敏感性柵格數(shù)據(jù)的行列號和空間參考系統(tǒng)進行統(tǒng)一，運用面積制表工具對兩個數(shù)據(jù)層的交集進行統(tǒng)計，結果詳見表4。

從表4與圖6中可看出，各等級水土流失敏感性所占的面積比在RDLS等級0.32～0.5，0.5～0.7，0.7～1，1～1.5下，呈逐漸上升趨勢，并在等級1～1.5處達到峰值。之后隨著RDLS的增加，各等級水土流失敏感性所占的面積比均不斷降低。這表明，荔波縣水土流失敏感區(qū)主要分布在RDLS等級為1～1.5的區(qū)域，在該區(qū)域水土流失受地形起伏度變化的影響最為顯著。此外，荔波縣0.32～0.5，0.5～0.7等級RDLS的區(qū)域占荔波縣全域面積僅0.43%和2.94%，RDLS等級0.7～1區(qū)域面積占比則可達23.68%；而1～1.5等級RDLS的區(qū)域占荔波縣全域面積可高達69.85%，進一步說明荔波縣水土流失敏感區(qū)域分布在1～1.5等級RDLS范圍內。相應的，輕度以上水土流失敏感性區(qū)域主要分布在地形起伏度0.7～1，1～1.5，1.5～1.7范圍內；而起伏度在半個基準山體(0.5)以下的范圍不存在劇烈水土流失敏感區(qū)域；地形起伏度范圍為2～2.204時微度水土流失敏感區(qū)域占比最小；由于地形起伏度高的區(qū)域，植被覆蓋度低、基巖露率高，雨水沖刷作用強烈，已瀕臨無土可流失，故水土流失敏感性偏小。由此表明，RDLS基本能夠反映喀斯特地區(qū)地形起伏狀況，同時能準確反映水土流失敏感性特征，是影響水土流失分布的主要因素之一。綜上所述，荔波縣地形起伏度在0.7～1.7的玉屏鎮(zhèn)、朝陽鎮(zhèn)、小七孔鎮(zhèn)和瑤山瑤族鄉(xiāng)等地，水土流失的敏感性最高，這些區(qū)域應作為荔波水土保持重點生態(tài)功能區(qū)水土流失綜合防治的核心區(qū)域。

表4 不同地形起伏度下水土流失敏感度分布

圖6 水土流失敏感強度地形起伏度分布特征

4 討論與結論

(1) 研究對典型地形復雜小區(qū)域、較高分辨率條件下的地形起伏度提取進行研究。基于DEM數(shù)據(jù)為10 m空間分辨率提取地形起伏度時，最佳分析網(wǎng)格大小為54×54，統(tǒng)計面積為0.29 km2。在峰叢普遍發(fā)育的荔波縣境內，RDLS介于0.32～2.21之間，均值為1.12，起伏度在1～1.5的區(qū)域占比最大，為69.79%，RDLS可以較好地反映喀斯特山區(qū)的地形地貌特征。

(2) 荔波縣水土流失現(xiàn)狀主要為微度侵蝕，占縣域總面積達88.40%，其次為輕度、中度、極強烈和劇烈，分別占縣域總面積的8.28%，2.15%，0.79%，0.3%和0.08%。呈現(xiàn)出微度水土流失敏感區(qū)域連片分布外，其他等級主要呈點狀零散分布的空間特征，從各等級面積可以看出荔波縣水土流失比較敏感，尤其以輕度和中度水土流失為主，整體處于可防控階段。

(3) 研究區(qū)RDLS和水土流失敏感性等級之間存在顯著關系，輕度以上敏感區(qū)域面積出現(xiàn)先增大后減小的單峰分布，區(qū)內RDLS因子層中地形起伏度0.7～1.7的分級范圍為水土流失的敏感區(qū)域，而其中1～1.5區(qū)間的值最大，為水土流失敏感性的優(yōu)勢因子區(qū)間，對水土流失的響應最敏感，此范圍應作為今后荔波水土保持重點生態(tài)功能區(qū)水土流失綜合防治的核心地帶，同時對其他區(qū)域也應給予重視。

研究結果表明，RDLS研究對喀斯特地區(qū)水土流失分析評價具有重要意義，能夠作為喀斯特山區(qū)水土流失評價中的重要指標。水土流失具有地貌特征，地表的起伏影響流水沖刷和土壤堆積。地形起伏度是影響水土流失分布的一個主要因素，總體趨勢上，荔波縣的地形起伏度影響著水土流失敏感性的分布。同時宏觀地形起伏度只是影響因素之一，區(qū)域的植被覆蓋情況、降水狀況、耕作技術、水保防治措施和喀斯特山區(qū)地下孔隙、裂隙等因素也會嚴重影響區(qū)域的水土流失。荔波縣作為珠江上游生態(tài)安全屏障和水土保持型國家重點生態(tài)功能區(qū)，應繼續(xù)加強自然保護區(qū)與遺產(chǎn)地的保護，以生態(tài)修復為核心，因地制宜優(yōu)化空間資源配置，進一步強水利化程度，遏制水土流失的形成，更好地保護當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，為喀斯特山區(qū)提供可借鑒的水土流失防治經(jīng)驗。