新疆土壤侵蚀格局及其空间结构分析

夏运宝

（新疆维吾尔自治区塔里木河流域喀什管理局 ，新疆 喀什844700）

新疆位亚欧大陆腹地，行政区面积达160万km2。域内阿勒泰、天山、昆仑山横亘，间有准噶尔和塔里木两大盆地，形成高山、高原、盆地等复杂地貌，高程介于-155～8611 m之间。由于身居陆地中心、地形封闭，海洋水汽难以到达，新疆地区气候干燥、环境恶劣，6.2～9.0℃，平均降水量约150 mm，冬季寒冷漫长、夏季温热短促、全年干燥少雨，季节、昼夜温差大。河流属于内流河和北冰洋水系，多油冰川融水形成，有春汛和夏汛。区域用地类型以草地、荒漠、林地、耕地为主，沙漠面积达107万 km2，典型指标为高山草甸、温带灌木林、针叶林，植被主要分布于山地、绿洲附近。新疆地区地表覆被程度低、大多数地表疏松，土壤可蚀性强，但由于缺乏强降水动力，区域水土流失问题并不显著，但仍是区域亟待解决的环境问题之一。本文基于星地多源数据，对新疆地区水土流失空间分布进行分析。

1 研究方法

1.1 通用水土流失方程

通用水土流失方程（Revised universal soil loss equation,RUSLE）是美国科学家们通过研究水土动力循环、植被涵养、土壤质地、地形效应等经长时间实践积累建立区域水土流失量计算公式，其将水土流失视作坡度、坡长、植被、降水强度等环境因子的函数[1]，公式如下:RUSLE=RKLSCP式中RUSLE为年水土壤流失量,单位为t/（hm2·a）；R为降雨侵蚀力因子表征降水强度对水土流失的影响，单位为MJ·mm/（hm2·h·a）；不同土壤其质地不同,降水强度对其侵蚀力具有一定差异，以K描述土壤可蚀性，单位为t·hm2·h/（hm2·MJ·mm），L、S、C、P 依次表示坡长、坡度、植被、水土保持措施等客观因素。

地形因子是土壤侵蚀的客观因素，依据公式可知坡度、坡长越大，水土流失越强烈。坡度因子的提取可直接应用ArcGIS 10.3中Spatial Analysis模块的surface功能，以DEM数据为底图进行提取，坡长的计算则借助栅格计算器完成[2]，如下：

L=（λ/2213）M式中,θ为坡度值，单位为°；M为坡长指数，通常取0.5；S、L分别为坡度、坡长因子。LS为坡度坡长因子的组合，计算表明区域LS的取值为0～8.23，其分布特征如表1所示。

地表可侵蚀性反映了自然状态下土壤侵蚀强弱，通常疏松的地表环境水土流失越剧烈。学者提出的，地表可侵蚀性因子公式如下[3]：

式中：i=1，2，…，12，表示月份；Pi为月降雨总，mm；R 为降雨侵蚀力因子，其值越大，表明降雨强度越大，对地表侵蚀作用越大。植被通过地上截留、汇聚和地下固结作用减弱水土流失，其与水土流失量呈反比，可通过ENVI5.3软件的bndmath工具进行波段计算提取。

1.2 分形维数

分形维数最早应用于几何学中度量几何空间形态复杂性,是水土科学中其数学函数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，计算方法如下[4]：

式中，FD为分形维数，其值在（1，2]之间，维数越大，表明该景观空间分布越复杂、稳定性越差、变异程度高；反之其空间分布简单、稳定性好。H为线性斜率，FD随着H的增加而减小[5]。

2 数据来源与处理

数据包含遥感数据、DEM、土地利用类型、气象站点数据等。其中遥感数据为MODIS-MOD13A3产品，该数据为陆地标准产品月植被指数，空间分辨率为500 mm，由美国国家航空航天局提供（https://modis.gsfc.nasa.gov/），提取新疆地区 2015年1～12月的指标指数，再用最大值合成法提取标准值。高程数据来源于NASA和日本经济产业省推出的SRTMDEMUTM数据（http://dat-amirror.csdb.cn/dem/），其空间分辨率约为90 m，坡度坡长则以DEM数据为基础进行提取。土地利用数据为地理国情监测云平台提供（http://www.dsac.cn/），其空间分辨率为1 km。气象站点数据由国家气象中心提供，包含新疆近30年51个气象站点逐日降水数据，以此为基础计算年平均降水量。新疆水土流失强度等级则按照1.2中方法，在ArcGIS10.3平台上进行计算提取，其分形结构计算在GS+9.0平台上完成。

3 结果与分析

3.1 新疆地区主要水土流失因子空间分布

以51个气象站点年平均降水量为基础，以DEM数据为协变量，采用Cokriging插值法对新疆地区降水分布进行全局估测，得到结果如图1所示。新疆地区将空间分布不均，以天山为界，北疆地区降水量多介于150～276 mm之间，以天山山麓地区最丰富，可达450 mm以上；阿尔泰地区次之，在300 mm左右。南疆地区降水较少，局部不足50 mm。由于土地利用类型数据空间分辨率为1 km，加之本区地表径流稀少，故而水域用地信息有所忽略。可知，新疆地区荒漠化面积广大，主要分布在南疆塔克拉玛干沙漠、准格尔盆地边缘地区，林地是本区生态安全中心，分布于天山、阿尔泰山、昆仑山西北等高海拔处，呈条带状分布。耕地主要分布于绿洲、准格尔盆地、河流周边；草地面积分布范围广，主要是温带稀疏草原，呈面状分布。由此可见，新疆地区地表覆被质量较差，降水稀少且分布不均衡，这将对区域水土流失产生可见分异。

图1 新疆地区土地利用与降水空间分布

3.2 新疆地区水土流失基本特征

依据前述方法得到新疆地区水土流失空间分布，如图2所示。可知塔里木盆地及其南部荒漠和北疆荒漠区不存在水土流失问题，究其原因主要是这些地区地表以砂砾、戈壁、砂砾为主，并无或少于图层覆盖，缺乏水土流失客观因子，这些地区面积达57.38万km2，占新疆地区总面积的35.86%。该区主要存在微度、轻度、中度、强度、极强度水土流失问题，剧烈水土流失在该数据尺度下并未显现。统计分析表明，以微度水土流失面积分布最广，其主要延伸于山麓冲积扇向盆地过度地带，该地段是新疆草地、灌木林分布密集区，水土涵养能力相对较好，且土壤稳定性较好，水土流失并不显著，面积达49.87万km2，占区域总面积的31.16%。其次为轻度水土流失，其呈带状分布，面积达22.21万km2，占总面积的13.88%。强度水土流失区主要分布于山麓与河流发源交汇处，这些地段高程变化大、冰川融水丰富，从而导致水土流失发生，面积达9.71万km2，极强度水土流失分布最少，仅为6.64万km2，占全区面积的4.15%。

图2 新疆地区水土流失空间分布

3.3 新疆地区水土流失空间分形结构

图3 不同土壤侵蚀强度的分形特征

以不同水土流失强度斑块为基本单元，在GIS平台上提取各斑块的面积(P)与周长(A)的信息，再运用前述1.2.2部分所述工作在GS+环境下提取分形维数，得到结果如图3所示。可知，图中不同水土流失强度斑块的面积与周长的双对数关系拟合良好，R2介于0.702～0.951之间，表明新疆地区水土流失存在分形结构特征。不同水土流失强度等级中，以微度水土流失的线性斜率最大，为0.898，以极强度水土流失最小，仅为0.489，轻度、中度、强度水土流失的斜率关系依次为0.861、0.826、0.825，可知不同水土流失强度等级的分形维数依次为：微度(1.755)＞轻度(1.587)＞中度(1.586)＞强度(1.569)＞极强度(1.551)。表明，随着水土流失强度增加，其分形维数降低，其景观结构斑块越简易。这也说明了，水土流失强度越小，其斑块分布稳定性越差，发生强度变化可能的可能性越大。

4 结论

新疆地区地表覆被质量与降水等环境因子呈地带性分布，这造成了区域水土流失空间分布差异。应用通用水土流失方程提取了新疆地区水土流失空间分布特征，结果表明本区有35.86%的荒漠、隔壁区并无水土流失发生；水土流失主要存在微度至极强度5个等级，主要发生于山前冲积扇向盆地延伸地区，并且以微度、轻度为主，二者分布面积达49.87、22.27万km2，是区域水土流失治理的重点。维数分析表明，新疆地区水土流失斑块随着水土流失强度增大而逐渐复杂化，说明微度、轻度水土流失空间分布形态变异程度高，在今后应注重其恶性演化。本文以景观生态学的观点阐述了分形维数在水土流失结构性分析中的应用，可为区域环境规划与景观布局提供参考依据。