基于主成分分析的那曲地区融水侵蚀强度评价

冯君园，卢 艳，蔡强国，李朝霞，孙莉英＊

（1中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环与地表过程重点实验室，北京100101；2华中农业大学资源与环境学院，湖北武汉430070；3郑州大学水利与环境学院，河南郑州450001）

基于主成分分析的那曲地区融水侵蚀强度评价

冯君园1，2，卢 艳3，蔡强国1，李朝霞2，孙莉英1＊

（1中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环与地表过程重点实验室，北京100101；2华中农业大学资源与环境学院，湖北武汉430070；3郑州大学水利与环境学院，河南郑州450001）

选取风速、日照、气温年较差、相对湿度、坡度、坡向、植被盖度、土壤可蚀性K值、海拔和冰川积雪变化因子作为西藏那曲地区融水侵蚀强度评价的影响因子，运用主成分分析方法提取融水侵蚀的主要影响因素，并计算不同环境背景条件下的融水侵蚀强度因子，利用GIS技术对那曲地区融水侵蚀进行分级评价，分析那曲地区融水侵蚀分布特征。结果显示，融水侵蚀主要影响因素分别是地形地貌因素、气候因素、土壤因素和冰川积雪变化因素。那曲地区融水侵蚀分级结果表明，研究区融水侵蚀各强度等级所占面积由大到小依次为微度（40%）、极强度（24%）、中度（16%）、轻度（8%）、剧烈（7%）、强度（5%）。

融水侵蚀；主成分分析；GIS；那曲地区；强度评价

融水侵蚀是季节性冻土在低温环境反复的冻融作用下破碎、崩解，表层土壤随着气温上升解冻后，在冰川和积雪融化形成的地表径流冲刷作用下被剥离、搬运及堆积的土壤侵蚀过程。融水侵蚀是高海拔冻土区主要的土壤侵蚀类型之一，严重破坏高原地区的生态环境，特别是融水侵蚀造成的水土流失对下游河道流量、输沙危害严重［1］，掌握高原地区融水侵蚀强度分布可以为该地区融水侵蚀的综合治理提供重要参考。高海拔寒区融水侵蚀主要特征是：（1）融水径流产生时，表层土壤都经受了若干次冻融循环作用，从而使土壤抗侵蚀能力大大降低；（2）融雪期表层土壤解冻而下部土壤冻结，形成渗透性极弱的隔水层，加剧融水径流集流和冲刷能力；（3）融雪期表层土壤含水量较高，抗蚀能力降低；（4）融雪期一般地表植被覆盖度相对较低，土壤遭受侵蚀可能性增大。

融水侵蚀是一个水热耦合、多因素综合作用的复杂侵蚀过程，受自然因素和人为因素等方面的影响，在时空尺度上具有强烈的相互依存和变化特点。目前，国内外关于土壤侵蚀的强度评价研究已有较多成果，并指导实际工作的开展。张建国等［2］基于GIS的空间分析功能，分析了冻融侵蚀的影响因子并建立了冻融侵蚀相对分级评价模型，实现了西藏自治区冻融侵蚀的相对分级。张亦超等［3］提出基于GIS技术构建土壤风蚀模型软件的思路和方法，从时间和空间尺度上快速得到风蚀模数及风蚀强度分级结果。朱惇等［4］基于空间主成分分析方法对土壤侵蚀各影响因素进行叠加分析，计算不同环境背景下的土壤侵蚀综合指数，实现湖北省土壤侵蚀敏感性评价。本研究以西藏那曲地区为研究对象，运用主成分分析与GIS技术，对那曲地区融水侵蚀强度进行综合评价，分析那曲地区融水侵蚀分布特征，为融水侵蚀研究及防治提供科学依据。

1 研究区概况

那曲地区地处藏北高原（图1），地理坐标为东经83°55′～95°05′，北纬29°55′～36°30′，大部分地区海拔为4 000～5 100m。境内汇入长江、怒江和雅鲁藏布江的大小支流多达50余条，还有无数的季节性河流；同时那曲境内还分布着纳木错、当惹雍湖等高原名湖，其余小型湖泊星罗棋布，数量多达3 000多个。全境海拔较高，热量不足，是典型的亚寒带气候，年均温为－3.3～－0.9℃，年均降水量仅100～200mm。那曲地区成土的自然地理及生物气候条件复杂，土壤类型众多，土壤有机质含量低，土层薄，地表裸露、土壤发育弱，土壤侵蚀剧烈，境内有大量融水侵蚀沉积扇分布，是融水侵蚀典型区域。

图1 那曲地区位置示意Fig.1 Sketch map showing location of Naqu district

2 研究方法

融水侵蚀影响因子很多，且各影响因子互相影响，主成分分析运用统计学分析原理［5］，从互相影响的因子中提取少数几个彼此不相关的综合性指标而保持原有因子提供的大量信息。融水侵蚀影响因子主要包括冻融作用、融水作用、地表径流等过程的影响因子。有关冻融侵蚀研究成果［2］表明：气温年较差、海拔、坡度、坡向、植被盖度和冰川积雪变化因子是影响冻融作用的重要因子；有关融雪侵蚀研究成果［6］表明：风速、辐射和相对湿度是影响冰雪融化的主要因素。基于相关研究成果［6－10］，本研究选取风速、日照、气温年较差、相对湿度、坡度、坡向、植被盖度、土壤可蚀性K值、海拔和冰川积雪变化因子作为那曲地区融水侵蚀强度评价的影响因子。融水侵蚀各影响因子数据来源见表1。

表1 融水侵蚀影响因子数据来源Tab.1 Data sources of influencing factors of melt water erosion

本研究收集、整理了那曲地区及周边共21个国家级气象站点（表2）的逐月气象资料，计算各站点风速、日照、相对湿度的50年均值，同时根据各站点的位置、海拔计算各站点气温年较差，利用ArcGIS软件进行空间插值，生成研究区各气象因子的30m分辨率的栅格分布图；从国际科学数据服务平台下载30m分辨率ASTER GDEM数据，利用ArcGIS平面分析功能，提取研究区的坡度、坡向及海拔信息；根据研究区2006年的Terra／MODIS遥感数据，通过对逐旬归一化植被指数（NDVI）数据进行处理，采用植被指数转换法［11］计算研究区的平均植被盖度［12］；选取2000年和2010年研究区的Terra／MODIS冰川积雪产品，分别提取研究区冰川雪盖图，分析研究区10年的冰川积雪变化情况；参考王小丹等［13］计算的那曲地区各县的土壤可蚀性K值，利用ArcGIS空间赋值得到那曲地区土壤可蚀性K值分布图。

本研究借用马蔼乃［14－15］提出的最小图斑概念，作为模型数据集成和处理的基础。利用ArcGIS分 析工具中的联合分析功能，将风速、气温年较差、相对湿度、日照时数、DEM以及土壤可蚀性K值等因子矢量图分辨率统一转换为30m分辨率，并进行空间叠加，得到联合单元，通过设定最小容许值消除过于破碎的单元，从而得到30m分辨率基本单元［16］，研究区共有3 105个大小不同的基本单元。

表2 气象站点信息统计表Tab.2 Information of Meteorological Station

分别统计各单元的影响因子属性值，其中坡度、坡向、植被盖度和冰川积雪分别用陡坡百分比、阳坡百分比、植被盖度比和冰川积雪面积比表征。

利用几何间隔法对各单元融水侵蚀强度因子进行分级。该算法通过将每个类的元素平方和进行最小化来创建几何间隔，这可确保每个类范围与每个类所拥有的值的数量大致相同，且间隔之间的变化非常一致。

3 结果与分析

根据SPSS14.0的KMO和Bartlett检验，本研究KMO值为0.7，Bartlett球形检验极其显著，各因子之间存在明显的结构性和相关性，可进行主成分分析。

主成分个数提取原则为主成分对应的特征值大于1的前m个主成分。表3为方差分解主成分提取分析表，由表3数据看到主成分特征值大于1的只有第1、2、3主成分，但前3个主成分贡献率只有约63.3%，综合考虑主成分贡献率，且第4个主成分特征值约等于1，选取前4个主成分作为融水侵蚀主成分。4个主成分贡献率达到73.3%，涵盖了大部分原始信息，可以接受主成分分析结果。根据各主成分对各因子的载荷矩阵（表4），融水侵蚀的4个主成分分别为地形地貌因素、气候因素、土壤因素和冰川积雪变化因素。

表3 方差分解主成分提取分析表Tab.3 Total variance explained

用表4中的数据除以主成分相对应的特征值开平方根便得到4个主成分中每个指标所对应的系数［17］，将得到的系数与标准化后的数据相乘，就可以得出各主成分表达式，如下所示：

表4 初始因子载荷矩阵表Tab.4 Component matrix

以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重计算主成分综合模型，4个主成分特征值和为7.3，其中F1主成分特征值为2.7，权重为0.36；F2主成分特征值为2.1，权重为0.29；F3主成分特征值为1.5，权重为0.21；F4主成分特征值为1，权重为0.14。即主成分综合模型为

根据主成分综合模型即可计算综合主成分值，利用GIS对各单元按综合主成分值进行空间赋值，即可对那曲地区融水侵蚀强度进行综合评价：

式中：F是融水侵蚀强度因子，X1是风速标准化后数据，X2是气温年较差标准化后数据，X3是海拔标准化后数据，X4是相对湿度标准化后数据，X5是日照时数标准化后数据，X6是NDVI标准化后数据，X7是冰川积雪面积变化比标准化后数据，X8是土壤可蚀性K值标准化后数据，X9是阳坡百分比标准化后数据，X10是陡坡百分比标准化后数据。

3.1 研究区融水侵蚀强度评价结果

根据模型（6）计算各基本单元融水侵蚀强度因子F，其中研究区最大侵蚀强度因子Fmax＝4.0，最小侵蚀强度因子Fmin＝－2.5。利用空间叠加方法进行栅格数据的计算，得到那曲地区融水侵蚀强度因子。参考中国土壤侵蚀分类分级标准，利用几何间隔法将研究区融水侵蚀强度分为6个等级，分别是微度、轻度、中度、强度、极强度和剧烈，得到那曲地区融水侵蚀强度等级分布图，如图2所示。

图2 那曲地区融水侵蚀强度分级图Fig.2 Distribution map of meltwater erosion degree in Naqu district

如表5所示，那曲地区融水侵蚀强度各等级面积比例由大到小依次为微度＞极强度＞中度＞轻度＞剧烈＞强度。融水侵蚀剧烈区域较小，主要分布在聂荣、那曲县地区，占那曲地区总面积的7%。融水侵蚀极强度区域面积较大，占那曲地区总面积的24%。融水侵蚀强度、中度和轻度区域较小，且分布较为分散。融水侵蚀微度区域面积最大，占那曲地区总面积的40%，主要包括申扎县、班戈北部、双湖北部和尼玛县大部分区域。

表5 那曲地区融水侵蚀强度评价结果Tab.5 Grades of meltwater erosion intensity in Naqu district

3.2 不同环境背景条件下融水侵蚀强度分布特征

分析融水侵蚀与第一主成分地形地貌因素之间的关系，那曲地区融水侵蚀剧烈区域海拔高度主要分布在4 300～5 200m，坡度变化范围主要是8～25°，植被盖度变化范围主要是植被盖度较高区域。融水侵蚀微度和轻度区域主要分布在海拔4 900m以上，坡度15°以下，植被盖度较低的那曲地区西部地区，包括尼玛、双湖、申扎和班戈县。地形地貌因素是影响融水侵蚀的主要因素，但地形地貌因素和融水侵蚀强度并不是线性关系；坡度因子影响融水径流的冲蚀能力，地表植被覆盖对融水径流有拦挡作用，融水侵蚀并不随着海拔增加而加剧，地形地貌因素对融水侵蚀的影响是综合性的。

分析融水侵蚀与第二主成分气候因素之间的关系，风速、气温年较差和日照对融水侵蚀影响较为重要，气候因素影响冻融作用，同时对冰川积雪融水有重要影响。融水侵蚀强度与气象因素也不是线性关系，融水侵蚀剧烈区域主要分布在风速较低、气温年较差最低和日照时数偏低的区域。风速较高、气温年较差较高和日照时数较多的尼玛、双湖县的融水侵蚀主要以微度和轻度为主。

分析融水侵蚀与第三主成分土壤因素之间的关系，融水侵蚀剧烈区域主要分布在土壤可蚀性K值较高的聂荣、比如、那曲和嘉黎县境内，土壤可蚀性K值较低的尼玛、双湖地区的融水侵蚀则主要以微度和轻度为主，融水侵蚀强度和土壤可蚀性都呈现由东南到西北递减的趋势，说明土壤因素是融水侵蚀重要的影响因素。

分析融水侵蚀与第四主成分冰川积雪变化因子之间的关系，那曲地区2000—2010年的冰川积雪有较大变化，那曲地区东南部冰川雪盖有大幅减少，该区域融水侵蚀以剧烈和极强度为主；那曲地区西部冰川雪盖面积有较大增幅，该区域融水侵蚀以微度和轻度为主。冰川积雪变化因子直接影响融水径流的多少，是融水侵蚀重要的影响因素。

3.3 那曲地区融水侵蚀强度分布特征

那曲地区融水侵蚀空间分布差异显著，不同强度侵蚀区空间分布相对集中，且由东向西融水侵蚀逐渐减弱，融水侵蚀强弱空间分布特征与各地区地形地貌及气候等因素密切相关。剧烈侵蚀区只有较小一部分，地处那曲和聂荣境内，分别处于念青唐古拉山脉和唐古拉山脉山麓，坡度较陡且有冰川积雪覆盖，相比于那曲西部地区，该地区降水较多，且土壤抗蚀性差，各方面因素综合作用使得该地融水侵蚀剧烈。

融水侵蚀极强度区域面积较大，占那曲地区总面积24%，主要分布在那曲地区东部，包括嘉黎县大部分地区及巴青、比如、索县和安多地区。对比2000年和2010年那曲地区冰川雪盖图发现，该地区冰川急剧减少，证明该地区冰川积雪融水径流急剧增加。该地区多高山丘陵，地形起伏剧烈，气温较高，降水较多且土壤可蚀性K值高、抗蚀能力差，地形地貌因素、气候因素、土壤因素和冰川积雪消融因素同时增强了该地区融水侵蚀的风险。虽然该地区融水侵蚀没有达到剧烈程度，但范围较大。

融水侵蚀强度区域面积最小，分布在班戈县南部、双湖县中部和申扎县南部。该地区是念青唐古拉山和格拉丹东山麓，地形较那曲地区东部平缓，气候干燥、寒冷少雨，土壤可蚀性K值较那曲地区东部小，土壤抗蚀性相对较高。干冷的气候条件和土壤的抗蚀性能使得该地区融水侵蚀风险较小，属于融水侵蚀强度地区。

融水侵蚀中度区域占那曲地区总面积16%，主要分布在双湖县东部和南部，以及尼玛县北部和西部地区。融水侵蚀中度区域主要分布在格拉丹东山麓和冈底斯山山麓，属于羌塘高原湖盆边缘，因为地形有一定起伏，属于融水侵蚀中度地区。

融水侵蚀轻度和微度地区占那曲地区总面积48%，主要包括申扎县、班戈北部、双湖北部和尼玛县大部分区域。相较于2000年，2010年那曲地区冰川雪盖图反映出该地区的冰川积雪不减反增，证明该地区冰川积雪融水没有显著增加的趋势，融水侵蚀缺少很重要的动力源。该地区地处高原湖盆，地形平缓，分布大量河流湖泊，且该地区气候属于典型的亚寒带气候，干燥少雨，土壤抗蚀性较强，各方面因素综合减弱了该地区融水侵蚀的风险。

综合分析那曲地区融水侵蚀，境内大部分区域属于微度、轻度和中度侵蚀区域，强度、极强度和剧烈侵蚀范围占那曲地区总面积三分之一左右。通过融水侵蚀与各影响因素对比分析，融水侵蚀发生的主导因素从大到小分别是地形地貌因素、气候因素、土壤因素和冰川积雪变化因素。那曲地区融水侵蚀较严重，且环境条件复杂，融水侵蚀的研究和防治非常迫切。

4 结论

本研究对那曲地区不同环境因子下的融水侵蚀特征进行了研究，选取风速、日照、气温年较差、相对湿度、坡度、坡向、植被盖度、土壤可蚀性K值、海拔和冰川积雪变化因子作为融水侵蚀强度评价的影响因子，利用GIS技术和主成分分析方法，对研究区融水侵蚀的空间分布和强度进行评价。根据主成分分析结果，那曲地区融水侵蚀的主要影响因素分别是地形地貌因素、气候因素、土壤因素和冰川积雪变化因素；融水侵蚀强度评价结果表明，微度和轻度区域占研究区总面积的48%，而强度及以上区域占36%。那曲地区融水侵蚀东部地区主要以剧烈和极强度为主，西部高原湖盆地区则以微度和轻度为主，由东南向西北呈现逐渐减弱的趋势。

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〔责任编辑 程琴娟〕

Evaluation of meltwater erosion intensity in Naqu district based on principal components analysis

FENG Junyuan1，2，LU Yan3，CAI Qiangguo1，LI Zhaoxia2，SUN Liying1＊
（1Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes，Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China；2College of Resources and Environment，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，Hubei，China；3School of Water Conservancy of Environment，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，Henan，China）

Ten influencing factors were selected as indicators to evaluate the meltwater erosion intensity in Naqu district，as wind speed，total sunshine，annual range of temperature，relative humidity，slope gradient，aspect，NDVI，soil erodibility，elevation and snow change factor.The dominant influencing factors on meltwater erosion intensity were extracted by the method of principal components analysis，and the index of meltwater erosion intensity for each evaluation unit was calculated under different environmental backgrounds.Moreover，the meltwater erosion degrees were evaluated based on GIS software and the spatial distribution characteristics of meltwater erosion were analyzed in Naqu district.The results showed four dominant influencing factors on meltwater erosion，as geomorphology factor，climate factor，soil factor and snow change factor.Six degrees were classified for the meltwater erosion intensity in the study area.The percentage of areas with different meltwater erosion intensity degrees are：extremly slight erosion（40.0%），extremly serious erosion（24.0%），medium erosion（16.0%），slight erosion（8.0%），violent erosion（7.0%），serious erosion（5.0%）.

meltwater erosion；principal components analysis；GIS；Naqu district；strength evaluation

S157.1

：A

1672－4291（2015）05－0090－06

10.15983／j.cnki.jsnu.2015.05.453

2014－05－28

国家自然科学基金重点项目（41230746）；国家自然科学基金（41271304）

冯君园，男，硕士，研究方向为水土保持与融水侵蚀。E－mail：fengfangyuan112＠126.com

＊通信作者：孙莉英，女，助理研究员，博士。E－mail：sunliying＠igsnrr.ac.cn