雙河—磨南德水源林自然保護區地貌特征

丁智強， 王 平?， 李玉輝， 龐云海

(1.云南師范大學地理學部，650500，昆明； 2.云南省林業調查規劃院昆明分院，650200，昆明)

地貌是在地質構造基礎上，經過漫長的地質歷史，在內外營力塑造下呈現的地表形態特征，是生物多樣性的基礎。地勢的高低起伏直接影響太陽輻射、日照、熱量和水分的空間分布，進而影響水文、植被、土壤等的空間分異，形成類別豐富的生境。目前，區域地貌特征方面的研究成果很豐富，如中國科學院自然區劃委員會[1]、沈玉昌等[2]、李炳元等[3]分別對中國地貌特征進行研究，進一步對中國地貌進行區劃；張保升[4]、孫廣友[5]、吳敬東等[6]對秦嶺山地、三江平原、北京山區的地貌特征進行定性分析，并針對特定區域的地貌格局提出不同的開發利用方案。近年來，隨著大區域、高精度數字高程模型(digital elevation model, DEM) 的共享和地理信息技術的廣泛應用，對區域地貌特征進行定量研究已成為可能。如Gao等[7]利用DEM 數據計算青藏高原東北緣的多個地貌指標，提出青藏高原隆起主要集中在逆沖斷層附近。程維明等[8]基于GIS、RS 技術和相關遙感數據，系統總結新疆地貌格局特征及其效應，李玉輝等[9]基于DEM 和GIS 平臺分析石林縣域的地貌結構特征，進一步揭示石林發育和空間分布的新機制。已有研究表明，區域地貌特征定量研究有助于深入認識區域生態環境空間分異機制，也可為優化調整土地利用結構、開展水土流失治理、管護生態環境等提供地貌學依據。針對生態系統類型特別是以水源地水源林為主要保護對象的自然保護區地貌特征的研究甚為薄弱，鮮見報道。昆明雙河—磨南德水源林自然保護區內的車木河、五一、瑤沖、鍋底箐等十余個水庫，是安寧市最重要的城市集中飲用和應急水源地，保護區內多村莊和耕地，20世紀70—90年代毀林開荒、砍伐林木、樵采薪材、放牧、林下采集等干擾活動頻繁，現狀水源林主要為次生林、人工林，經果林和農作物面積比例大，許多地段土壤侵蝕較強烈，森林水源涵養功能不強。隨著人口的增多，農業生產的不斷發展，水庫面臨水質和庫容下降、水生態系統退化等威脅。

基于ALOS(Advanced Land Observing Satellite) DEM 數據，將RS、GIS 技術與野外地質地貌調查相結合，定量分析、揭示雙河—磨南德水源林自然保護區地貌特征，既為該保護區調整、優化生態空間格局、開展水土保持規劃等工作提供地貌學的理論支撐，并可為其他類似自然保護區及水源地開展地貌特征研究提供參考，同時本研究也是對特殊國土空間管控背景下區域地貌研究的豐富和深化。

1 研究區概況

昆明雙河—磨南德水源林自然保護區(以下簡稱保護區)位于滇中高原云南省昆明市西南部安寧市八街街道辦事處中南部和晉寧區雙河彝族鄉境內，金沙江右岸普渡河上游支流鳴矣河(又稱八街河，源頭河段稱老江河)源頭地區(圖1)，主要河流有一六街河、招壩河、九村河等，車木河水庫位于車木河上，庫容4 840萬m3，流域面積189.7 km2，占保護區總面積(305.8 km2)的62%。地理坐標E 102°15′40″～102°30′22″，N 24°28′25″～24°40′36″。出露的巖石以前震旦系昆陽群板巖、千枚巖、灰巖和震旦系白云巖、泥質灰巖、砂巖為主，斷裂有近東西向的溫水營平移斷層(F1)、核桃園逆斷層(F3)以及近南北向的法古甸逆斷層(F2)。海拔1 930～2 522 m，高差592 m，氣候為低緯高原中亞熱帶濕潤、半濕潤季風氣候，年平均氣溫13.4 ℃～15.3 ℃，年降水量891.8～914.3 mm。土壤有紅壤、黃棕壤、紫色土、石灰土和水稻土等。現狀植被以次生的、人工的云南松(Pinusyunnanensis)林為主，其次是次生半濕性常綠闊葉林、針闊葉混交林、人工華山松(Pinusarmandi)林、旱冬瓜(Alnusnepalensis)林、銀荊(Acaciadealbata)林，以及經果林、農作物等。

圖1 保護區的空間位置Fig.1 Spatial location of the Natural Reserve

2 研究方法

基于衛星相控陣型L波段合成孔徑雷達采集的ALOS DEM數據，像元分辨率為10 m×10 m，采用ArcGIS 10.2 軟件對DEM 數據進行數據鑲嵌、密度分割、幾何校正、范圍裁剪和彩色暈染等，將RS、GIS 技術與野外地貌調查相結合，選擇能反映區域地貌形態特征的海拔、坡度、坡向、起伏度以及Strahler面積-高程積分值(hypsometric index，HI)[10]5個地貌參數以及地形剖面圖，定量分析雙河—磨南德水源林自然保護區地貌特征。

1)海拔可用DEM數據表示，但由于下載的DEM數據和實際地形存在誤差，所以基于1∶1萬地形圖對DEM進行海拔校正，然后隨機、均勻地選取地形圖上有明確位置和海拔數據的300個測試點，使用高志遠等[11]的方法對校正后的DEM 進行精度評價，結果顯示其與1∶1萬地形圖的平均誤差為-0.7 m，中誤差為6.7 m，校正后的精度誤差滿足本研究的需要。利用“Slope”工具從 DEM 上提取坡度，結合研究區地形特征，選用坡度尺度變換模型方法[12]對計算得到的具有明顯尺度效應[13]的坡度進行修正，并將坡度劃分為平坡[0°，5°)、緩坡[5°，15°)、斜坡[15°，25°)、緩陡坡[25°，35°)、急坡[35°，45°)、險坡[ 45°，61.5°)。利用“坡向”工具提取坡向，并將其劃分為陽坡[135°，225°]、半陽坡[90°，135°)和(225°，270°]、半陰坡(45°，90°]和(270°，315°)、陰坡[315°，45°]、平地(0°)5個等級。

2)起伏度是區域內最高海拔與最低海拔的差值，因受統計范圍的影響較大，以致目前有較多的計算方法[14-16]。筆者依據《中國1∶100萬地貌圖制圖規范(試行)》中起伏度的定義和測定方法[15]，以及李炳元等[17]提出的山地起伏高度分類指標，將八街河與車木河交匯處的海拔(1 920 m)作為確定起伏高度的基準。

3)面積-高程積分值(hypsometric integral，HI)能夠定量描述Davis地貌侵蝕循環論中的3個發育演化階段[18]，對區域水土流失強度的空間分布亦有明顯的指示作用[19]。通過構建不同等高線上的面積和相對高差之間的函數關系來評價流域地貌演化階段和侵蝕動力差異。當HI>0.6時，面積-高程積分曲線(hypsometric curve，HC)一般呈上凸形，表示流域物質被侵蝕的量較少，此時流域地貌特征為地表崎嶇，起伏較大，地貌演化階段處于幼年期；當0.35≤HI≤0.6時，HC一般呈“S”形，表明流域物質受到強烈侵蝕，地形起伏度達到最大，地貌類型呈現多樣化和復雜化，此時流域地貌處于壯年期；當HI<0.35時，HC一般呈下凹形，即表明大部分物質被侵蝕殆盡，此時外動力條件以堆積夷平為主，地形起伏逐漸減小，地貌向準平原化發展，流域地貌處于演化階段的老年期[14]。

相關研究表明，HI受空間分析尺度影響較大，而受DEM分辨率的影響較小[20]。從研究區的實際分析來看，將DEM分辨率從10 m×10 m重采樣到200 m×200 m大小，得到的HI 值均處于0.365～0.375之間(圖2a)，所以最終以10 m×10 m的原始分辨率進行分析；對于流域提取尺度而言，流域面積閾值在0～4 km2時，得到的子流域HI平均值隨著面積閾值的增大而減小，當面積閾值≥4 km2時，子流域HI平均值在0.351～0.355之間變化(圖2b)，所以最終以4 km2得到面積閾值將研究區劃分為32個子流域，然后基于CalHypso for QGIS 插件計算每個子流域HI (圖2a)和HC (圖2b)。

圖2 保護區HI 與DEM 分辨率、面積閾值的相關性分析Fig.2 Correlation analysis between HI (hypsometric index) and DEM (digital elevation model) resolution and area threshold in the Natural Reserve

3 結果與分析

3.1 海拔、起伏度與基本地貌類型

保護區海拔1 930～2 522 m，平均(2 105±113) m。依據中國陸地基本地貌類型分類系統中的海拔高度分級指標[17]，可劃分為中山[1 930，2 000 m)和亞高山[2 000，2 522 m)(圖3a)，二者面積分別占保護區總面積的22.86%和77.14%。保護區起伏度為0～622 m，平均起伏度(212±113) m，可劃分為平原[0，30) m、丘陵[30，200) m、小起伏山地[200，500) m、中起伏山地[500，622) m(圖3b)，其面積占比排序為小起伏山地(50.22%)>丘陵(46.88%)>平原(1.83%)>中起伏山地(1.08%)。將3個海拔類型和4個起伏度類型組合，可將保護區基本地貌類型劃分為中海拔平原(5.60 km2)、中海拔丘陵(64.31 km2)、亞高海拔丘陵(79.06 km2)、小起伏山地(153.59 km2)、中起伏山地(3.290 km2)(圖3b)，其面積占比排序為小起伏亞高山(50.21%)>亞高海拔丘陵(25.85%)>中海拔丘陵(21.03%)>中海拔平原(1.83%)>中起伏亞高山(1.08%)。

圖3 保護區基本地貌類型和起伏度類型空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of basic landform types and relief types in the Natural Reserve

3.2 坡度和坡向

地表某一位置的坡度為過該點的切線與水平面之間的夾角，是對地表陡緩程度的定量描述，決定著坡面流水的侵蝕強度。保護區坡度范圍值0°～61.5°，平均坡度15.4°±8.6°，以緩坡(38.87%)和斜坡(32.73%)為主，其次是陡緩坡(15.76%)，平坡(6.88%)、急坡(4.72%)和險坡(1.03%)所占面積比例很小。平坡和緩坡集中于車木河水庫、溫水營、雙河、德滋，合占保護區總面積的50.47%(圖4a)。斜坡和緩陡坡主要分布于河谷平原向丘陵、山地過渡的斜坡地帶，合占保護區總面積的48.29%。急坡和險坡零星分布于山脊線附近，面積僅占保護區總面積的1.23%。

圖4 保護區坡度和坡向空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of slope and aspect in the Natural Reserve

坡向與輻射、日照、溫度、濕度、植被類型的空間分異密切相關，進而造成土地資源開發利用強度的差異[21]。通常，陽坡/半陽坡的輻射、日照、溫度較半陰坡、陰坡高，更適宜發展農業生產，大多是水土流失的重要源區。保護區平地(1.01%)面積比例很小，陽坡(26.45%)、陰坡(24.81%)略高于半陽坡(24.67%)和半陰坡(23.06%)，彼此面積比例差異不大，分布也較均勻(圖4b)。

3.3 地形剖面與盆地分析

以線代面形成的地形高程剖面，能直觀反映區域地貌形態、輪廓特征、地勢變化及地表切割強度等。圖5a為經過保護區最高點(無名山北坡)和最低點(車木河水庫)的近南北向地形剖面圖，該圖揭示保護區層狀地貌較發育，共有三級剝蝕面(Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級)和一級堆積地貌面(Ⅳ級)，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級剝蝕面海拔約為2 520、2 350和2 200 m，第Ⅳ級堆積地貌面海拔1 930 m。圖5b為近東北-西南向(白龍山-大灣坡山)的地形剖面圖，該圖亦顯示了與圖5a對應的三級剝蝕面、堆積地貌面及其海拔高度。

圖5 保護區南北向和東北-西南向地形剖面圖Fig.5 Topographical profiles of the Natural Reserve in north-south and southwest-northeast

由圖5和圖3可見，保護區內壩子(又稱山間盆地，即中海拔平原)廣泛發育。根據童紹玉對壩子的范圍界定和分類[22]，基于1∶5萬地形圖提取保護區內的壩子。結果表明：面積>0.1 km2的壩子共有30個，其中面積在[0.1，1) km2的有17個，[1，5) km2的有11個，>5 km2的有2個，德滋壩面積最大，達10.88 km2，壩子總面積為50.35 km2，占比達16.5%。按構造條件、溶蝕和地表徑流侵蝕堆積動力過程等，保護區內壩子可劃分為斷陷溶蝕壩、斷陷河谷壩、溶蝕河谷壩、喀斯特溶蝕壩4個類型。斷陷溶蝕壩是受斷裂控制，斷裂陷落和喀斯特溶蝕共同作用下形成的，周邊丘陵山地巖石以碳酸鹽巖為主，該類型壩子包括德滋壩、核桃園壩、法古甸壩等15個；斷陷河谷壩是在前期斷裂控制陷落后，經河流沖積作用形成，周邊丘陵山地主要由碎屑巖構成，分布小面積碳酸鹽巖，有魯資壩、韭菜沖壩、雙河壩、溫水營壩等8個；溶蝕河谷壩即壩子狹長而有河流發育，周邊丘陵山地主要由碳酸鹽巖構成，分布少量碎屑巖，典型代表為龍洞村壩、窩鋪母壩、荒川-瑤沖壩等4個；喀斯特溶蝕壩無斷裂和河流發育，周邊丘陵山地以碳酸鹽巖為主，分布小面積碎屑巖，以火草壩、桃園哨壩和干塘子壩較典型。

3.4 面積-高程積分值特征

保護區面積-高程積分值(HI)范圍為0.220～0.538，平均值0.374(圖6)。在提取的31個子流域中，有12個子流域的HI<0.35，占子流域總數的38.7%，這些流域處于地貌演化的老年階段，主要分布于德茲、車木河水庫、招壩、溫水營、雙河等河谷地區，地形起伏度小于100 m，坡度以平坡和緩坡為主，基本地貌類型以中海拔平原和丘陵為主；有17個子流域HI在0.35～0.475之間，占子流域總數的54.8%，主要分布在磨南德、老熊山、官山3個片區，地形起伏度在100～300 m之間，部分山峰超過500 m，坡度以緩坡、緩陡坡和斜坡為主，基本地貌類型以亞高海拔丘陵和小起伏亞高山為主；有2個子流域HI在0.475～0.6之間，占子流域總數的6.5%，主要分布于核桃園、黑山一帶，地形起伏度在300 m以上，坡度以陡緩坡和斜坡為主，基本地貌類型為小起伏亞高山。

圖6 保護區面積-高程積分值HI分布圖和面積-高程積分曲線HCFig.6 HI and HC in the Natural Reserve

4 討論與結論

新生代以來保護區及附近地區伴隨青藏高原隆升經歷過多次間歇性抬升剝蝕夷平過程[23]，導致該區域剝蝕面具有層級特征，層狀地貌發達，但由于斷裂構造發育，隆升過程中地表河流切割強烈，各級剝蝕面的空間連續性差，中間分布有成因類型不同的山間盆地。通過地形剖面線揭示了該區域的三級剝蝕面特征(圖5)，可能反映了該區經歷3次構造隆升事件，其結果與李吉均等[24]對青藏高原隆升階段的研究一致。同時，保護區內>0.1 km2的山間盆地共有30個，盆地面積占比16.5%，說明山盆相間分布是該保護區顯著的地貌特征之一，這與保護區位于云南地貌區劃中的“昆明、通海高原湖盆小區”[25]內密切相關，該區域也是云南高原山—盆耦合演化的典型區域之一，盆地的空間分布、形態特征等是未來研究的重要方向。

HI的空間分異往往反映不同地層、巖石、構造對地貌演化進程的約束，能夠有效揭示區域地貌演化階段。但隨著研究的深入，相關學者發現HI 對水土流失強度具有指示作用。如信忠保等[26]分析黃土高原HI，發現其丘陵溝壑區HI 與輸沙模數存在顯著的正相關；孫希華[27]分析濟南山丘區HI，亦發現其與土壤侵蝕危險度平均值、土壤侵蝕強度綜合指數呈現良好的對應關系；祝士杰等將黃土高原地區基于HI 得到的地貌區劃圖與該區水土流失分區圖和輸沙模數分區圖進行疊加，發現三者具有相當程度的耦合關系[19]。保護區平均HI 為0.374，表明該區域地表動力過程和土壤流失較強烈，加之區內多山間盆地，以小起伏山地和丘陵為主(圖3b)，緩坡占比接近40%(圖4a)，適宜人類居住和耕作。在易蝕地貌基礎和較強烈人類活動等因素耦合作用下，保護區面臨極大的生態環境風險。

筆者在ArcGIS 平臺上基于10 m分辨率ALOS DEM 數據對保護區地貌特征進行定量分析，相比袁國強[28]、張保升[4]、孫廣友[5]、萬曄等[29]的研究，在方法上更加注重對地貌參數的定量化提取和分析，也進一步提高了地貌特征研究的效率、精度和可靠性。目前，針對自然保護區的研究主要集中在生物多樣性[30-31]、地化循環[32-33]等方面，而作為自然保護區生物多樣性豐富的重要原因、生態環境重要組成部分的地貌特征、發育演化及其資源環境效應的研究甚為薄弱。在主體功能區劃、國土空間管控越來越精細化、專門化的背景下[34]，有針對性地對自然保護區地貌特征進行深入定量分析，應成為區域地貌研究的重要方向。

1)保護區海拔1 930～2 522 m，平均(2 105±113) m，地勢整體由東、東南、南向西北傾斜，地形起伏度0～622 m，平均(212±113) m，以小起伏山地(50.22%)和丘陵(46.88%)為主，基本地貌類型以小起伏亞高山(50.21%)為主，其次是亞高海拔丘陵(25.85%)和中海拔丘陵(21.03%)。

2)坡度0°～61.5°，平均15.4°±8.6°，以緩坡(38.87%)為主，其次是斜坡(32.73%)和陡緩坡(15.76%)。各類型坡向面積占比為23%～26%，空間分布較均勻。

3)保護區發育三級剝蝕面，海拔分別為2 520、2 350和2 200 m。山地丘陵之間形成30余個山間盆地，面積占比16.5%，成因類型有斷陷溶蝕、斷陷河谷、溶蝕河谷、喀斯特溶蝕等。

4)面積-高程積分值在0.220～0.538之間，平均為0.374，地貌演化主要處于壯年晚期階段，具有較強烈的地表動力過程和水土流失。

5)保護區山地丘陵與盆地相間分布、以小起伏亞高山中海拔亞高海拔丘陵和緩坡斜坡為主的地貌結構特征，是保護區內多村莊和耕地，人類活動強烈，水源林主要為次生林、人工林、經果林，水源涵養功能普遍不強，許多地段水土流失嚴重，水生態安全風險高的根本原因。