基于GIS 和分形理论的榃滨河流域水土流失空间信息研究

谢铭健，张晓远

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)

1 材料与方法

1.1 榃滨河流域概况

榃滨河为粤西罗定县罗定河支流，发源于西部丘陵，干流长46 km，流域面积307 km2。流域内地形西北高、东南低，海拔介于83 m～762 m 之间，多为丘陵、河谷平原。常年受赤道低压、东亚季风与南亚季风控制，形成南亚热带季风气候，常年温暖湿润，年均温20.3℃，年降水量达1552 mm，水热资源丰沛。该区靠近北回归线，典型植被为亚热带常绿阔叶林，植被结构呈现草地、灌木、乔木立体分布。区域水土流失以水蚀为主，5 月～10 月份强降水集中，为土壤侵蚀多发季节。随着退耕还林换草工程实施，流域内林草覆盖度迅速提高，并发挥了巨大生态效益。当前流域水土流失主要问题是局部侵蚀严重且分布零散，导致治理困难；其次为土地开发频繁，潜在流失区增加。

1.2 水土流失信息提取

以遥感数据为基础，结合GIS 技术进行水土流失信息提取已经发展成为水土流失调查与监测的普遍方法。本研究以2017 年榃滨河流域Landsat OLI 数据为基础，在ENVI5.3 软件平台上运用bandmath 工具提取植被覆盖度C，通过面向对象监督分类获取土地利用类型信息。在ArcGIS10.3 平台上通过叠加分析等操作，提取水土流失强度等信息，具体操作参见参考文献[1-2]。

通用水土流失方程(Revised universal soil loss equation,RUSLE)是国际国内应用广泛的水土流失估算公式，基于水土动力循环、植被涵养、土壤质地、地形效应等，将区域水土流失量表征如下：

式中：RUSLE 水土壤流失量,单位为t/(hm2·a)；R、K、L、S、C、P 分别为降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子坡长、坡度、植被、水土保持措施等客观因子。基于属性、空间数据分别获取上述因子栅格图层，通过python 接口计算水土流量，即侵蚀模数。

1.3 土壤水土流失强度综合指数

为评定水土流失强弱等级，水利部给出了《土壤侵蚀分类分级标准—SL190296》，其计算公式为[3]：

式中：I 为水土流失强弱等级，i、j 分别为土地利用类型、水土流失分级序列数；G 为土壤水土流失强度分级值，该标准将微度、轻度、中度、强度、极强度、剧烈的分级值依次为0、2、4、6、8 和10；P 为土地利用类型结构比。

1.4 分形维数

由于不同水土流失强度等级在空间上以景观斑块形式呈现，为表征其斑块稳定性，利用分形理论进行计算。分形理论可表示为变量面积—周长双对数关系，如下[4]：

2 结果与分析

2.1 榃滨河流域水土流失宏观特征

图1 研究区水土流失格局

榃滨河流域土壤侵蚀空间格局见图1，可知该流域水土流失强度分为微度至极强度等5 个等级，没有剧烈等级；从其空间分布来看，不同水土流失强度斑块异质性强。统计分析显示，榃滨河流域以轻度水土流失为主，面积达158.46 km2，占区域总面积的51.62%，说明该区水土保育功能较好、土壤侵蚀风险较低，这得益于该流域植被覆盖度高、人为破坏程度小。微度流失主要于流域内山脉地带，面积为103.25 km2，占全区面积的33.63%，有学者研究表明[5]，南方红壤区高植被覆盖林区由于降水密集、强度大，也会对林下地表产生侵蚀，由此看来虽然该流域水土流失整体强度较小，但仍要加强植被立体结构建设。中度水土流失区呈带状分布，与河流形态相似，面积仅占8.02%；强度和极强度水土流失面积最小，分别占2.36%、4.37%，呈现离散分布。

2.2 榃滨河流域水土流失空间分形特征

图2 榃滨河流域不同水土流失强度的分形特征

应用Fractual4.3 工具，在GIS 平台上提取不同水土流失强度斑块的周长、面积，进行对数转换之后进行线性拟合，结果如图2 所示。可知，各强度的双对数拟合关系较好，R2 介于0.7～0.93 之间，表明水土流失强度斑块具有良好分形特征。经计算，微度至极强度水土流失斑块的双对数拟合斜率依次0.8264、0.8189、0.6224、0.4158、0.3974，则得到其分形维数依次为：1.587、1.591、1.689、1.792、1.801；由此可见，随着侵蚀强度变大，分形维数也增大，说明水土流失较弱的地区与区域环境耦合性密切、空间分布结构性强；而水土流失强度大的斑块，结构松散，容易发生演变。

2.3 榃滨河流域水土流失空间自聚集性

表1 不同土壤水土流失强度的空间自相关参数

通过ArcGIS10.3 软件的Moran's I 分形工具计算不同水土流失强度的空间聚集性参数，如表3 所示。不同水土流失强度的全局Moran's I 值均大于0，具有正向空间聚集性特征，经标准化后，Z 值均超过阈值(±1.96)水平，说明其空间聚集性显著(P＜0.05)。随着水土流失强度加大，Moran's I 数值与Z 值逐渐减小，表明其空间聚集性减弱，这与前述2.2 部分结果一致。

2.4 榃滨河流域水土流失与土地利用的关系

用地类型体现着土壤质地、地形环境的差异，同时对人为活动、土地经营产生密切影响，众多研究表明，土地类型是影响水土流失强度的重要因子。为探究二者之间的关系，主要进行了一些分析：①不同用地类型下水土流失强度指数特征；②用地结构与侵蚀模数之间的关系。

图3 榃滨河流域不同用地类型水土流失强度指数

如图3 所示，榃滨河流域内不同土地利用的水土流失强度存在差异，以耕地的强度指数最大，达6.067，表明其最易产生水土流失；其次是建设用地，达5.07，主要由于土地开发过程中对地表破坏较大；园地的水土流失强度指数为4.55，草地、林地分别为2.14、2.36，有学者研究指出[6]，灌草地是地表侵蚀的最后且有效屏障，其对降水的截留作用远大于林地，这与本文研究一致。水域用地由于缺少可侵蚀物质，因此侵蚀强度指数最小，仅为1.79。

图4 榃滨河流域水土流失量与用地类型结构比直接的关系

基于水土流失公式，以土地利用类型斑块为计算单元，获取其侵蚀模数，并以用地结构为解释变量，建立模型，如图4 所示。可知，水土流失量对用地结构具有依赖性，且用地类型不同，其依赖关系存在差异。其中，水土流失量与草地的关系为 (y=-1097.4x+837.94，R2=0.596，P＜0.01)；与林地建模关系为(y=-508.91x+495.99，R2=0.571，P＜0.01)；说明林、草地对水土流失具有减少的作用，其中水土流失量与草地的关系斜率小于林地，说明草地的水土涵养能力高于林地，这与上述研究结论一致。水土流失量与耕地的关系表现 为(y=324.04x+206.19，R2=0.2207，P＜0.05)，与 建 设 用 地 的关系表现为(y=315.88x+ 206.33，R2=0.258，P＜0.05)；随着耕地、建设用地增加，流域水土流失量亦增大。当区域内裸地面积增加时，水土流失量以(y=170.6x+248.7，R2=0.086，P＞0.05)的形式变化；而水域结构比与水土流失的关系表现为(y=125.68x+254.64，R2=0.086，P＞0.05)，表明二者间的关系不显著。

3 结论

粤西红壤区植被覆盖度高、降水强度大，林下土壤侵蚀问题犹存，流域水土流失不容忽视。在榃滨河流域的研究表明，该流域整体水土流失强度较小；但值得注意的是强度水土流失斑块分布离散，其空间形态已发生改变。这表明退耕还林还草工程的实施背景与当下城镇化加快、土地开发频繁有关。研究表明，林地、草地等用地类型与水土流失量之间呈负效应，而建设用地、耕地与之成正效应，故而优化区域用地结构也是增强水土涵养能力的重要措施。