四川大凉山典型小流域切沟空间分布特征与影响因子

李琬欣，熊东红，袁 勇，张闻多，张宝军，赵冬梅

(1.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，610041，成都；2.四川省国土空间生态修复与地质灾害防治研究院，610081，成都)

四川大凉山地处青藏高原东缘，是长江上游重要生态安全屏障区，也是我国最大的彝族聚居区和集中连片深度贫困地区之一[1]。长期以来，由于地形破碎、山高坡陡、坡耕地量大面广，加之多年不合理的生产活动，导致区域内切沟发育，水土流失严重[2]。据调查，凉山州水土流失总面积为2.95万km2，占全州国土面积的49.40%[3]。区域内严峻的水土流失问题，导致江河泥沙含量持续增加，威胁金沙江中下游重大水电工程安全[4]。切沟是流域泥沙的主要来源，有效防控流域切沟侵蚀产沙是凉山州生态环境治理的核心工作之一。与切沟侵蚀的热点研究区域(黄土高原[5]、元谋干热河谷区[6]和东北黑土区[7]等)相比，地处金沙江中下游的大凉山区具有气候较湿润、岭谷高差大等特点[2]，区内切沟分布广泛、观测资料少，研究基础十分薄弱。因此，在凉山州开展切沟研究，查明小流域内的切沟分布规律，对我国山地区域水土流失防控及治理工作具有重要意义。

切沟的形成与发育是在地形、地质、土壤、气候、植被和人类活动等多种自然及人文影响因子交互作用下的一种复杂过程[8]。Faulkner等[9]曾通过实地勘测提出地层岩性变化会增加切沟分布复杂度，是影响切沟分布的显著因子；Wells等[10]通过沟头原位实验指出在土壤为淤积质、粗壤质或沙土的坡面上切沟发育较快；张岩等[11]通过分析切沟与影响因子的相关性得出土地利用方式显著影响切沟发育。前人对于切沟的研究方法大多为较小尺度的观测实验或实地调查，工作内容冗杂且耗时较长。而遥感结合地理探测器模型的方法具有周期短、监测范围广等特点[8]，能够迅速并较为精确地提取切沟及影响因子信息，更适用于地形起伏大，自然及人文要素具有明显空间分异性的大凉山区。因此，笔者采用遥感解译手段，综合地理探测器模型，查明凉山州典型小流域切沟分布特征，探明其关键影响因子，有助于大凉山区水土保持措施的布局，有利于当地生态文明建设以及农业生产发展。

笔者选择切沟发育严重、地形地貌和土地利用方式均较为典型的大凉山喜德县米布目小流域为研究区，综合采用遥感调查、空间分析等手段，研究典型小流域切沟的空间分布特征，分析其主要影响因子。研究成果可望为探明新形势下西南山区的水土流失特征、统筹规划山区水土保持工程布局等提供科学依据；同时，也可为凉山州土地资源保护开发、生态移民规划、乡村振兴战略等有关生态文明建设工程提供支撑。

1 研究区概况

米布目小流域位于四川大凉山地区喜德县境内(E 102°24′～102°33′，N 27°54′～28°05′)，是孙水河上游一条支沟。小流域面积177.89 km2，高程范围为2 284～3 628 m，坡度范围为0～62.61°，属于典型山地区域，海拔高、地形起伏大(图1)。气候为亚热带季风气候，年均气温7～9 ℃，年平均降水量为1 149.8 mm。流域内地质构造复杂，主要岩层为粉砂岩、砂岩、泥岩及页岩等。主要土地利用类型有草地、撂荒地、林地和坡耕地等。主要植被有野草莓(Fragariavesca)、金丝桃(Hypericummonogynum)、马尾松(Pinusmassoniana)等。主要土壤类型包括紫色土、亚高山草甸土、暗棕土等[12-13]。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study site

2 材料与方法

2.1 数据来源

以高分二号系列影像(分辨率：0.8 m；来源于高分辨率对地观测系统四川数据与应用中心)、1∶50 000地形图为基础用于提取所需的基础数据，包括切沟形态特征、土地利用方式、地形地貌数据、水系、道路、植被覆盖度等。地层岩性来源于全国地质资料馆1∶25万地质图，土壤数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心。

2.2 分析方法

2.2.1 切沟遥感解译 由于不同研究区地理位置、气候环境、地质土壤等差异较大，切沟形态特征呈现也不同。结合本研究数据基础、研究目标以及野外考察经验，选择发育在坡面上、不横过耕作、有明显沟缘、横断面呈V型、长度超过10 m、宽度超过0.5 m、沟尾未切入沟谷地的切沟为遥感解译对象，同时定义沟长为切沟沟底线线段。

2.2.2 切沟空间分布特征 以切沟密度(单位面积内切沟总长度km/km2)作为表征流域切沟空间分异特征的定量指标。采用格网插值的方法，以1 km为范围计算各个格网切沟密度，再运用克里金插值法得到小流域切沟侵蚀分布图，并按照水利部土壤侵蚀分类分级标准[14]中沟蚀分级指标对切沟密度进行分级处理，将研究区划分为基本无侵蚀区(≤1 km/km2)、轻度侵蚀区(>1～2 km/km2)、中度侵蚀区(>2～3 km/km2)、强烈侵蚀区(>3～5 km/km2)和极强烈侵蚀区(>5～7 km/km2)。

2.2.3 关键影响因子分析 由图2所示，选择8个自然、人文因素(地层岩性、土壤类型、植被覆盖度、地形湿度指数、土地利用方式、坡度坡长因子、距水系距离和高程)作为切沟空间分布的影响因子。利用地理探测器中的因子探测器筛选出关键影响因子[15]。

图2 切沟影响因子分布Fig.2 Distribution of impact factors for gully

式中：q为空间分异性的指标，q∈[0,1]，为自变量X对因变量Y有100×q%的解释力；N为像元数；σ2为指标的方差；h为变量的分类，h=1,2,3,…,8。

3 结果与分析

3.1 切沟空间分布特征

整体上，小流域切沟数量多、分布广，侵蚀较为严重。由图3可知，小流域内共提取出切沟1 064条，总长度为171.47 km，平均切沟密度为0.96 km/km2，最大可达6.53 km/km2。由图3可知，小流域切沟侵蚀空间分异明显，以流域上游(东南一带)极强烈侵蚀区为核心向流域中下游(西北一带)轻度侵蚀区和基本无侵蚀区逐级过渡。切沟侵蚀轻度以上区域面积达到103.38 km2，占流域总面积的58.12%。这说明流域切沟发育较为普遍，分布较广；而强烈、极强烈侵蚀区总面积则达17.86 km2，占流域总面积的10.04%，表明流域侵蚀现状较为严重。

图3 切沟密度和切沟侵蚀强度空间分布Fig.3 Spatial distribution of gully density and gully erosion intensity

3.2 影响因子分析

地层岩性、高程、土壤类型和土地利用方式是影响小流域切沟空间分布的主要因子。由表1可知，地层岩性、高程和土壤类型3个因子对切沟空间分异特征的解释程度最大，分别达到36.89%、31.64%和25.80%。土地利用方式对切沟密度的解释力相对较大，达到10%以上(q=0.101 7)。而植被覆盖度、距水系距离、坡度坡长因子和地形湿度指数这4个因子在小流域尺度下对切沟空间分布的影响有限，均<5%。 综上，地层岩性、高程、土壤类型和土地利用方式是影响切沟空间分布的关键因子。

表1 因子探测器结果

4 讨论

4.1 地层岩性的影响

小流域内切沟主要发育在窝头山组和小坝组地层。由图4可知，窝头山组和小坝组地层均具有较高的切沟密度，分别达到1.62和1.61 km/km2；而全新统沼泽堆积地层上的切沟密度相对较小，仅有0.62 km/km2。地层是切沟分布的关键影响因子可能是因为切沟的发育过程与地层自身特性紧密相关。小流域内切沟发育最为密集的小坝组和窝头山组均是易于侵蚀的地层类型。小坝组为紫红色钙质砂岩、泥岩互层[16]，其上发育而来的土壤土质松散、持水性能差，易被水蚀[17]。窝头山组为砖红色块状异粒岩屑砂岩，夹泥层、粉砂岩[16]，由其风化形成的土壤呈强酸性、养分含量少、土质较贫瘠，不利于植被生长，地表裸露易形成径流冲刷。

图4 切沟在不同地层岩性和海拔分带上的分异规律Fig.4 Differential pattern of gullies on different stratum lithology and elevation strips

4.2 高程的影响

随着高程的增加，切沟密度呈现出先增大后减小的趋势。当海拔大于2 450 m时，切沟密度随着高程的增大而逐渐增加，并在海拔介于>3 020～3 150 m时出现峰值(2.53 km/km2)。这说明在该区域切沟分布集中，土地破碎程度高，而当海拔超过3 300 m时，切沟分布开始逐渐变少。这一现象可能与不同高程带上存在明显的自然环境及人文因素差异有关。这些差异会显著影响切沟的发育与分布。例如随着海拔的增高，温度降低，抑制植被生长，林草覆盖度低，有利于切沟发育；而随着海拔的降低，温度升高，促进植被生长，植被类型多样化，能有效地抑制切沟发育[18]。

4.3 土壤类型的影响

如图5所示，切沟在土壤类型上的分布较为平均。亚高山灌丛草甸土、亚高山草甸土和暗棕土均具有较高的切沟密度，分别达到1.66、1.54和1.51 km/km2。紫色土切沟密度相对较小，仅有0.76 km/km2。小流域切沟在不同土壤类型上的分异特征可能与土壤本身性质有关。亚高山灌丛草甸土和亚高山草甸土均属于产草量高、放牧条件优越的土壤类型，适宜牧养牛、羊等牲畜[19]。因此2类土壤分布区域放牧活动多，严重破坏土壤表面草皮层，造成土地板结，导致土壤入渗性能大大减弱，地表径流增加，切沟发育加速。暗棕土属于粉砂质粘壤土，呈块状结构，土壤紧实[20]，入渗率较低，有利于切沟发育。而紫色土肥力更高，易于耕作，区域内撂荒现象较少；加之其所处地区海拔低，气候条件好，植被种类多，对切沟的形成与发育起到抑制作用。

4.4 土地利用方式的影响

切沟在不同土地利用类型上分异特征明显，呈现出裸地>撂荒地>草地>坡耕地>林地的分布规律(图5)。其中，撂荒地、草地和裸地这3类地类上切沟分布密集，密度分别达到2.12、1.95和2.20 km/km2。这可能因为不同土地利用方式对切沟发育的影响效应不同。撂荒地切沟分布密集的原因可能由于大面积农田退耕后初期土壤养分含量少，不利于自然植被恢复，土层裸露程度高，促进切沟的发育[21]；裸地可能因为植被覆盖低，土壤裸露对切沟发育起到促进作用；草地则可能因为大规模的放牧活动导致切沟发育明显。而坡耕地大多位于坡度小、海拔低的区域(平均坡度为15°，平均海拔为2 622 m)，气候适宜，有相应的水土保持措施，切沟发育较少。

图5 切沟在不同土壤类型和土地利用方式上的分异规律Fig.5 Differential pattern of gullies on different soil type and land use type

笔者在研究切沟分布过程中，仅考虑切沟沟长、面积、切沟密度等二维参数，并未深入探讨切沟深度及体积相关特征。这是因为研究流域内海拔较高，坡度陡，沟道内高差大，地形复杂，精准量化切沟三维形态、计算侵蚀量较为困难。在下一步的研究中将通过三维激光扫描技术、雷达技术或无人机测量技术等手段测量切沟体积，更加全面地探讨小流域切沟侵蚀现状，量化切沟侵蚀对当地河流泥沙量的贡献率。

5 结论

1)研究区内切沟数量多，分布广，空间分异明显，主要集中在小流域东南一带(上游)，向西北一带(中下游)呈逐渐下降趋势；切沟侵蚀强度轻度以上区域面积103.38 km2，占流域总面积的58.12%。

2)影响小流域切沟空间分布的关键因子分别为地层岩性、高程、土壤类型和土地利用方式(按影响力大小排序)。它们对切沟空间分布规律的解释力均超过10%，其中地层岩性、高程和土壤类型的解释力超过25%。

3)切沟分布随海拔变化分异显著，当海拔上升为3 020～3 150 m时，切沟分布最为集中；从不同的土地利用方式来看，裸地、撂荒地、草地切沟分布较多；从不同的土壤类型来看，亚高山灌丛草甸土、亚高山草甸土和暗棕土上切沟最为发育；从不同地层岩性来看，切沟更易于分布在小坝组和窝头山组两类地层上。

感谢北京林业大学张岩教授，中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所赵伟研究员和刘琳博士的指导与帮助。