赣南地区侵蚀地形因子研究

李新艳，杨勤科,2，王春梅

(1 西北大学 城市与环境学院，陕西 西安 710127；2 中国科学院 水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

地形既是影响土壤侵蚀的重要环境要素，也是土壤侵蚀模型中的重要参数[1]。国内外对侵蚀地形因子展开了大量研究。在提取方法的研究上，国外学者Moor等[2]、Wilson等[3]、Williams等[4]讨论了基于流域计算坡度-坡长因子(Length-Slope factor,简称LS，下同)的方法；国内学者杨勤科等[5]、张宏鸣等[6-7]研究了基于DEM提取LS的方法，兰敏[8]、王程等[9]探讨了坡长提取数据单元的划分方法等。在提取结果的研究上，国外学者Evans[10]研究了不同算法对各个地形因子提取结果的影响；国内学者郭明航等[11]分析了全国不同地形侵蚀因子的分布特征，程峥[12]讨论了不同因素对坡长提取结果的影响。然而，现有研究大多侧重讨论地形因子提取算法，关于地形因子分布格局的研究偏少，尤其是基于高分辨率数据提取的地形因子分布格局的研究则更少。国内大多数对地形因子的研究均集中在北方，尤其是黄土高原，对于南方的关注较少。江西是水土流失非常严重的地区之一[13]，国内许多学者已经认识到其研究的典型性和重要性，曾在该区域做过DEM建立方法[14]、土壤侵蚀监测与评价[15-17]等研究，但针对地形因子的研究尚未见报道。

本试验以水土流失严重的赣南地区为研究对象，探索高分辨率坡度、坡长提取方法和LS因子计算方法，分析其地域分布与格局，以期为治理水土流失提供相应的依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于江西省南部(赣南)，行政区划上为赣州市。该区位于北纬24°29′～27°09′、东径113°54′～116°38′(图1)，平均海拔在300～500 m，全区面积为39 379.64 km2，其中丘陵占土地总面积的61%，山地占土地总面积的22%[18]。该地区为亚热带季风性湿润气候，多年平均降水量1 458.8 mm。多山的地形和历史上不合理的土地利用，使该区成为全国水土流失非常严重的地区，也是全国水土保持工作和研究的重点地区[19]。

1.2 数据预处理

本研究基础数据源为2011年全国第4次土壤侵蚀普查(全国第1次水利普查，下同)项目提供的赣南地区1∶5万数字地形图(等高线、高程点和河流等专题层)。地形图等高距为10 m，高斯克吕格6°投影。数据经过必要的检查和编辑，然后利用ANUDEM软件[20]建立分辨率为10 m的水文地貌关系正确的DEM(Hydrologically Correct Digital Elevation Model， Hc-DEM)[21]。

图1 研究区位置图

为提高工作效率、避免边际效应，参照全国第4次土壤侵蚀普查的地形因子提取项目中的数据组织方案[22]，将DEM数据以1∶10万图幅组织，即将一个1∶10万图幅及其周边的16个1∶5万图幅拼接，然后将1∶10万图幅向外扩展5 km后重新切割，全区组织为41个1∶10万图幅，作为数据处理单元(图2)。最终拼接在一起，做进一步的制图和统计分析。

1.3 LS因子提取

以1∶10万图幅为数据单元(周边有5 km缓冲)，利用LS-Tool工具[23]，计算坡度和坡长。然后根据全国第4次土壤侵蚀普查规定的方法计算LS因子[24]，坡度和沟道截断均采用LS-Tool推荐的默认值[25-26]。

(1)

L=(λ/22.1)m。

(2)

(3)

LS=L×S。

(4)

式中:S为坡度因子；θ为坡度值(°)；L为坡长因子；λ为坡长(m)；m为坡长指数，根据坡度不同取值不同。

图2 数据组织方式

1.4 地形属性类型区划分

利用10 m分辨率DEM计算百分比坡度，用50 m×50 m为邻域窗口(0.25 km2)进行均值滤波后，参照赣州年鉴[18]中记载的赣南的地貌类型特征，经反复试验后将赣南地区划分为平原(包括盆地及周边缓坡丘陵，下同)、典型丘陵和山地3个地貌类型区(图3)，作为侵蚀地形属性和LS因子分析的基础。

图3 50 m×50 m滤波窗口划分的赣南地区地貌类型区

2 结果与分析

2.1 地形属性和LS因子的宏观地域分布

本研究将赣南地区的坡度、坡长、LS图进行等面积分级(Quantile)，然后分析其宏观分布，这有助于从整体上把握赣南地区的地形特征和LS因子的总体分布，从而为理解该地区侵蚀地形特征、制定水土流失治理宏观规划提供依据。

2.1.1 坡度的宏观分布 图4a和表1显示，在赣南地区，平原的坡度平均值最小，典型丘陵区次之，山地最大。整个区域四周的坡度较大，中间较小。这与赣南四周高山环绕，中部众丘陵起伏，平原和小盆地散布、河流水库汇聚的地形特征吻合。坡度大于35°的地区在研究区西部较为集中，这是由于山地在此区域分布集中的缘故。坡度小于5°的地区多位于研究区的北部，而南部较少，这是由于北部水域分布较广，地形起伏相对较小，平原和小盆地众多，而南部地区丘陵分布较多。坡度大于15°的地区在研究区分布面积较大，这与赣南丘陵区的地形密切相关。不同地貌类型的比例关系与当地的认识一致，即平原、典型丘陵和山地面积所占比例分别为17%，61%和22%[18]。

图4 赣南地区不同地貌类型区坡度、坡长和LS的宏观分布图

表 1 赣南地区不同地貌类型区高程和坡度的统计结果

2.1.2 坡长的宏观分布 根据全国第4次土壤侵蚀普查中的做法，将平原的坡长设为5 m(因为考虑到平原地形下径流汇集距离短，因而设置为1/2个栅格)，获得了赣南地区坡长的宏观分布特征，结果见图4b。由图4b和表2可以看出，坡长平均值在平原最小，典型丘陵区次之，山地最大；红壤丘陵类型区坡长较短，平均坡长为71.77 m，其原因是南方红壤区丘陵单个实体小、坡度较大。赣南山地平均坡长较大，其原因是单个山体较大。

2.1.3 LS因子的宏观分布 图4c和表2显示，在赣南平原LS因子平均值最小，典型丘陵区次之，山地最大。平原LS因子值大多小于4，典型丘陵区LS因子平均值为10.11，而山地LS因子平均值则大于15；地理分布上LS因子表现为北部小于南部，这与坡度的分布一致。在平原和典型丘陵样区，LS因子主要受坡度的影响，而在山地受坡度和坡长共同影响。LS因子大于20的地区多位于兴国、于都、宁都、赣县等县，这些区域土壤侵蚀较为严重。

表 2 赣南地区不同地貌类型区坡长和LS因子的统计结果

2.2 地形属性和LS因子的微观格局

坡度是局部地表高程变化的微观指标[27]，坡长提取以DEM上可辨识的最小流域为单元，因此坡度、坡长和LS因子值均表现出其固有的微观格局，对其分析有利于对侵蚀地形的理解，并有助于水土保持措施的合理布设。

2.2.1 坡度的微观格局 图5～7和表3表明，在平原，坡度整体较小，平均坡度仅为3.7°，坡度<3°的面积所占比例达到70%以上，平原坡度较大的值主要分布在缓坡丘陵区。在典型丘陵区，坡度整体较大，15°以上的坡度面积所占比例达到70%以上，在典型丘陵区的谷底、河道、山脊坡度较小，而在山脊两侧的斜坡上坡度较大。在山地，平均坡度最大，25°以上的坡度面积所占比例达到65%以上，并且坡度有沿着山脊向下逐渐递增的趋势。与DEM(图6)相比可知，坡度的结构与地表高程的变化相一致。

图5 赣南地区不同地貌类型区坡度的微观格局

图6 赣南地区不同地貌类型区DEM的微观格局

图7 赣南地区不同地貌类型区坡度的分级结果

2.2.2 坡长的微观格局 图8、图9和表3显示，在平原，坡长平均值为39.5 m，其中5 m的坡长占到了55%以上，坡长大于90 m的面积仅占15%左右，主要见于平原周边的缓坡丘陵。在典型丘陵区，坡长整体分布较大，较大的值分布在比较连续的长斜坡上，较小的值分布在谷底和山脊；山脊坡长小是因为汇流距离短，谷底坡长小是因为坡度变缓地段发生泥沙沉积、坡长重新开始计算(截断)所致。在山地，坡长整体较大，平均值达到115.0 m。在典型丘陵和山地的坡长图上，可以清晰地看到一些类似于流域单元的图式，这是因为坡长提取是以DEM上可辨识的小流域为单元的[8]。

2.2.3 LS因子的微观格局 图10、图11和表3显示，平原LS因子的平均值最小，LS值小于3的面积占到了90%，这是因为该区域坡度坡长都较小。典型丘陵区LS因子的平均值较大，为9.2，较大的LS值出现在一些凹形坡上。山地LS因子的平均值最大，大于20的山地面积占到了50%以上，LS因子也表现出自山脊至山谷逐渐递增的趋势。从整体上看，LS因子的分布与坡度格局更为相似，说明南方红壤丘陵区，坡度对土壤侵蚀的影响也是大于坡长的，这与对黄土丘陵区的研究结果[28]一致；平原和典型丘陵区LS因子的分布与坡度基本一致，但在局部山地LS因子受坡度和坡长的双重影响。从表面纹理看，LS因子整体上既反映出受坡度影响而出现的与地形相适应的连续性，也有受坡长影响的不连续性，这种特征与坡长计算中采用的单流向算法有关。

图8 赣南地区不同地貌类型区坡长的微观格局

图9 赣南地区不同地貌类型区坡长的分级结果

图10 赣南地区不同地貌类型区LS因子的微观格局

图11 赣南地区不同地貌类型区LS因子的分级结果

表 3 赣南地区不同地貌类型区地形属性和LS因子的统计结果

2.3 地形因子与土壤侵蚀的关系

为研究地形因子分布与土壤侵蚀强度的关系，根据江西省水土保持科学研究所提供的赣南地区土壤侵蚀强度图(1980年、1998年和2008年3期，图12)，对比1.4节的赣南地区地貌类型分区图(图3)进行分析，结果表明,赣南地区土壤侵蚀与地形的关系表现为： 1)土壤侵蚀主要发生在海拔300～400 m以上的地区，这是因为该海拔高度是人类活动集中、受人类活动干扰较大的区域； 2)土壤侵蚀主要发生在坡度>15°的区域，主要位于丘陵和山地区;3)随着侵蚀强度的增加，坡度、坡长和LS因子均呈增加趋势，这表明尽管在实际景观条件下的土壤侵蚀受到多种因素的影响，但是地形属性(坡度、坡长)和LS对土壤侵蚀的影响依然是明显的。

图12 赣南地区1980-2008年3期土壤侵蚀强度的分级结果

3 结论与讨论

1)基于1∶5万数字地形图，利用ANUDEM软件建立10 m分辨率水文地貌关系正确的DEM，可以提取和分析较大区域侵蚀地形因子。该过程中须注意合理划分数据单元、设置合理的坡长缓冲距离。赣南红壤丘陵区以1∶10万标准图幅为基本数据单元，数据向外扩充5 km，以避免边际效应。利用这种方法提取的结果是理想的。但是基于1∶5万DLG建立DEM来完成对地形因子的提取，应该是存在坡度的衰减和坡长的扩张，须利用更高分辨率的数据来进行订正才能更有可用性。

2)赣南红壤丘陵区的侵蚀地形因子，在宏观尺度上，坡度和LS因子均在平原最小，典型丘陵次之，山地最大，并在地理分布上呈北部小于南部的趋势。参照全国第4次土壤侵蚀普查的方法进行分析，将平原坡长设为1/2栅格，可知整体上山地坡长较大、典型丘陵区次之、平原区最小。在微观格局上，坡度表现出与地形连续变化相适应的特性；坡长在典型丘陵和山地纹理上反映出类似流域单元的图式；LS受坡度和坡长的共同影响，整体上与坡度的分布一致。

3)地形因子与土壤侵蚀的关系表现为，侵蚀主要发生在人类活动的区域，随着侵蚀强度的增大，坡度、坡长和LS因子均呈增加趋势。表明地形属性依然是影响土壤侵蚀的重要因素。

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