唐山小流域土壤侵蚀格局及其空间结构分析

2018-07-05魏京莉

水科学与工程技术 2018年3期

魏京莉

（河北省唐山水文水资源勘测局，河北唐山063000）

土壤侵蚀不仅破坏区域景观生态环境，还通过水土流失、滑坡、泥石流等自然灾害影响农业生产和民生安全，对自然与经济社会可持续发展造成一定隐患。国际环境与发展组织委员会调查显示，全球土壤侵蚀面积达0.16亿km2，占陆地总面积的1/10；而我国处于东亚季风区，加之地表林草覆被总体稀疏、地形破碎，土壤可蚀性程度高，土壤侵蚀面积占陆地国土的2/5［1-2］。土壤侵蚀是自然过程与人类活动干扰的综合结果，因而具有结构性与随机性，探究其分布格局的空间结构，能够推导不同土壤侵蚀强度与本地景观特征、地形、降水、土地利用类型间的关联机制；还可厘定人为活动的影响程度，从而为区域水土保持规划和环境建设提供信息基础。关于其空间结构性的研究，学者们主要采取地统计学方法，如冯凌等［3］应用Moran’s I法研究了汾河流域土壤侵蚀空间自相关格局，表明其存在正的空间相关性与空间聚集性；汪涛等［4］研究土壤侵蚀强度及其分析特征之间的关系，认为土壤侵蚀程度越高分形结构越复杂；李贝等［5］以地形特征为视角研究了坡度、海拔、坡向等因子对土壤侵蚀强度空间聚集性的影响。这些研究探讨了地统计学在土壤侵蚀研究中的应用，并揭示了土壤侵蚀强度随景观变化的规律。唐山位于我国土壤侵蚀较严重的华北季风区，局部属土石山区、沟壑纵横、林草稀疏、地形崎岖，以本区小流域为案例，探究其土壤侵蚀格局及其空间结构性，以期揭示土壤侵蚀景观演进规律。

1 研究区概况

研究区为唐山北境的小流域，其发源于燕山，流入渤海，试区面积达23.25km2。气候属北温带季风气候区，多年均降水量500～700mm，多年平均气温12.5℃，无霜期190d。夏秋季节降雨强度大，为土壤侵蚀多发时期。植被以温带落叶阔叶林为主，兼针叶林、灌木、草类等。

2 研究方法

2.1 分形维数法

分形维数为变量分布格局复杂程度的度量，其数学定义为变量变异函数的双对数关系logγ（h）∝logh在一定观测尺度h上的线性关系［6］：

式中 FD为分形维数，值域（1，2］；H为线性斜率，取值为［0，1］；FD随着H的增加而减小。

对于区域降水空间分布，其分维数越小则其分形越好，表明降水分布趋势性强，空间渐变性、连续性好；其分维数越小，则其分形特征越长，表明区域降水异质格局强，分布离散、连续性差、全局趋势弱。

2.2 Moran’s I法

区域性变量受空间相互作用与空间扩散的影响，导致在不同空间位置上存在一定依赖性，对于这种空间自相关性的检测可用Moran’s I表达［6-7］：

式中 Moran’s I为空间自相关性的度量，其值介于［-1，1］，Moran’s I＞0，则表明变量呈正向自相关性，反之则为负向自相关性，Moran’s I=0，则表明自相关性不存在，并且其绝对值越大，表明自相关性越强；n为变量样本数量；xi，xj为变量x在邻近配对位置i和j处的实测值，x¯为变量x的平均值；wij为空间权重函数。

为了检验空间自相关性的显著性，通常将Moran’s I予以标准化处理，其中Z值大小指示变量空间聚集性强弱，若Z为0，表明变量呈随机分布，Z的绝对值大于1.96，表明其空间自相关性显著。全局空间自相关分析可能掩盖变量在局域空间位置上的聚集或异常特性，为此一般引入局部自相关分析［17］：

式中 I为局部空间自相关指数；x′i，x′j分别为样本i，j的标准化值；w为空间权重。

2.3 数据处理与土壤侵蚀强度计算

在代理空间数据云平台上提取研究区Landsat 8 OLI遥感数据，影像获取时间为2017年9月25日，云量为0.5%，于ENVI5.1平台，经大气校正、几何校正、正射校正后，利用西河流域矢量边界进行裁剪，在此基础上遵循计算机解译与人工智能相结合方法，分类输出研究区土地利用类型，如图1。

图1 区域土地利用空间格局

在得到区域土地利用类型之后，将其与NDVI、DEM图层叠加，参照SL190—1996《土壤侵蚀分类分级标准》，划分土壤侵蚀强度级别，依次为对于力蚀微度、轻度、中度、强度、极强度、剧烈。为更好地量化土壤侵蚀强度，用式（4）描述：

式中 i为土地利用类型序列数；j为土壤侵蚀分级序列数；n，m为变量样本数量；G为土壤侵蚀强度分级值；P为时间参数。

3 结果与分析

3.1 研究区土地利用格局

区域地表覆被呈现明显的空间异质性。北部上游中低山区以林地、草地分布占优，空间连续性好，建筑用地沿河流呈带状分布；旱地分布在建筑用地周边，呈块斑状分布，呈一定的空间离散性；园地分布于山坡地、临近河流，其分布面积较小；林地集中于区域海拔较高处呈团状分布。综合来看，区域土地利用类型以林地、草地、建筑用地为主，其分布面积为6.52，6.07，5.49km2，分别占区域土地利用总面积的27.76%，25.82%，23.38%，旱地面积为0.90km2，占17.62%，园地和水域仅占区域总面积的3.84%，1.58%。

3.2 研究区土壤侵蚀格局

研究区土壤侵蚀空间格局如图2，侵蚀强度集中于河流、沟谷边缘，流域北部土壤侵蚀等级异质性强、版块离散，中西局部侵蚀微弱，这与流域土地利用格局存在一定程度耦合。统计分析表明，微度水蚀区面积达13.21km2，占流域总面积57.32%；其次为中度水蚀区，占20.18%；由于流域林草覆被广泛、裸地面积少，水蚀较强区域分布面积不大，其中轻度、强度、极强度、剧烈水蚀区面积分别为2.89，1.67，0.37/0.25km2，分别占12.57%，7.2%，1.06%，1.01%。另外计算了不同土地利用类型的土壤侵蚀强度指数，结果表明水域（2.354）＜林地（3.254）＜草地（4.854）＜园地（6.325）＜旱地（7.548）＜建设用地（8.654）。

图2 研究区土壤侵蚀格局

3.3 土壤侵蚀空间分形特征

在GIS平台上提取了西河流域不同土壤侵蚀强度下各斑块的面积（P）与周长（A）的信息，两者双对数线性关系平稳，R2均大于0.95，表明其具有良好的分形特征。分维数FD的大小可透过线性斜率来观察，如图3。直线越陡、斜率越大、分维数越大，经计算微度、轻度等不同侵蚀强度的值依次为1.3956，1.2008，1.3078，1.3198，1.242，0.9218，虽然维数相差不大，但仍反映空间差异。

西河流域不同土壤侵蚀强度空间格局复杂度依次为：中度水蚀区＞轻度水蚀区＞微度水蚀区＞强度水蚀区＞极强度水蚀区＞剧烈水蚀区。FD与稳定性指数SI具有良好的对应性，各级土壤侵蚀强度的分形 SI依次为 0.1922，0.1044，0.1802，0.258，0.2992，0.5782，这表明轻度、微度、中度水蚀区更容易受到人为影响，其结构性不稳定，相对而言侵蚀强大越大，其空间结构变化越小。

图3 不同土壤侵蚀强度的分形特征

3.4 土壤侵蚀格局空间自相关性

不同土壤侵蚀强度空间自相关参数如表1。

表1 不同土壤侵蚀相关参数

由表1可得，不同土壤侵蚀强度的全局Moran’s I值均大于0，且其标准化Z值高于显著性临界值1.96，表明其具有显著正向空间自相关性。其中微度微度水蚀区的Moran’s I最大，达0.896，说明在该流域尺度上其空间自相关性好，表现出较强的空间聚集性；而Moran’s I以剧烈水蚀区最小，反映其空间聚集性较差，呈一定的离散性。

为深刻解析不同土壤侵蚀强度局域自相关性，应用Local Moran’s I统计量计算了空间关联局域指标（Local Indicators of Spatial Association， LISA）显著水平。如图4所示，不同土壤侵蚀强度在流域局部存在HL（高低）、LH（低高）、HH（高高）聚集3种中空间关联形式，其反映了每个区域与领域区间的空间差异程度。微度水蚀区存在LH聚集类型，即微度水蚀区被较高侵蚀强度区域包围，主要分布在西南部的城镇居民局。轻度水蚀区出现了LH、HH和HL3种聚集类型，其中LH聚集区分布离散，HH和HL聚集区集中于北部山区，地势较陡、林草分布广泛。中度水蚀区出现了星状分布的LH聚集区，该区为河流上游；强度水蚀区以HL聚集占优，分布在北部山地、南缘丘陵区，其被低级土壤侵蚀强度区保卫。极强度水蚀区出现了HH、LH聚集形式，剧烈水蚀区在南部局部存在HH聚集形式，其空间自相关邻域狭小。