基于RS和GIS的甘肅省凍融侵蝕敏感性評(píng)價(jià)

李 東, 魏 霞, 李勛貴, 李耀軍

(蘭州大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 蘭州730000)

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基于RS和GIS的甘肅省凍融侵蝕敏感性評(píng)價(jià)

李 東, 魏 霞, 李勛貴, 李耀軍

(蘭州大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 蘭州730000)

作為三大侵蝕類型之一的凍融侵蝕在高原地區(qū)作用明顯，在破壞土壤性質(zhì)威脅工程安全的同時(shí)，阻礙著區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，但由于起步較晚相關(guān)研究很少。為了充實(shí)對(duì)凍融侵蝕強(qiáng)度與分布規(guī)律的研究，以甘肅省為研究對(duì)象，選取氣溫年較差(℃)、凍結(jié)期平均最低溫度(℃)、解凍期平均降雨量(mm)、坡度、植被覆蓋度(%)和年降水量(mm)作為凍融侵蝕影響因子分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，在RS和GIS技術(shù)支持下，采用綜合評(píng)價(jià)指數(shù)與相對(duì)分級(jí)評(píng)價(jià)的方法，對(duì)研究區(qū)內(nèi)的凍融侵蝕進(jìn)行了侵蝕強(qiáng)度分級(jí)評(píng)價(jià)，同時(shí)利用多年實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)對(duì)氣溫年較差進(jìn)行多元線性回歸分析，得出了更適用于甘肅地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)回歸方程，并在此基礎(chǔ)上完成了對(duì)甘肅地區(qū)凍融侵蝕區(qū)邊界的界定和凍融侵蝕強(qiáng)度分布圖，加深了對(duì)甘肅地區(qū)凍融侵蝕現(xiàn)狀的認(rèn)識(shí)。結(jié)果表明：甘肅地區(qū)凍融侵蝕敏感區(qū)主要集中在北部東南方向和南部的西南角，分別分布在酒泉東南部、嘉峪關(guān)、張掖西南部和甘南西部地區(qū)，全省凍融侵蝕面積為3.88萬(wàn)km2，占全省總面積的8.6%，省內(nèi)凍融侵蝕下界海拔3 300～4 400 m，凍融侵蝕強(qiáng)度總體上從西南向東北逐步減弱。

GIS; RS; 凍融侵蝕; 敏感性評(píng)價(jià); 甘肅省

凍融侵蝕是土壤侵蝕的主要方式之一，21世紀(jì)隨著生態(tài)環(huán)境的日趨惡化，凍融侵蝕引起了廣泛重視，它主要發(fā)生在冬末春初時(shí)期，是指由于溫度的頻繁變化而造成的凍融交替所引起的土壤、巖石性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而造成的侵蝕作用[1]。作為高海拔地區(qū)水土流失加劇的重要原因，凍融侵蝕一方面改變和破壞著土壤的物理性質(zhì)，降低了耕地的生產(chǎn)能力，威脅著工程建筑的安全，另一方面凍融產(chǎn)物也是河流泥沙主要來(lái)源。相比較水力侵蝕，凍融侵蝕更為復(fù)雜，相關(guān)研究也相對(duì)較少，但地球上受凍融作用的區(qū)域面積占全球陸地總面積的70%以上，在我國(guó)凍融侵蝕區(qū)域面積占國(guó)土總面積的13.4%[2]，其中侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)主要分布在西藏、青海、內(nèi)蒙古、甘肅等省份[3]，有些高海拔地區(qū)受季節(jié)性凍融作用的影響，土壤流失量的50%以上都發(fā)生在凍土層解凍時(shí)期[4]，對(duì)人類生存生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響非常明顯，因此甘肅地區(qū)的凍融侵蝕研究對(duì)高原生態(tài)環(huán)境規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展都具重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。由于凍融過(guò)程破壞了土壤的理化屬性，土壤變得更為脆弱，使得侵蝕物質(zhì)來(lái)源增加，加劇了混合侵蝕效果，以往研究表明凍融作用對(duì)土壤水分、密度、有機(jī)質(zhì)和土壤的機(jī)械組成等因素都有不同程度的影響[5]。隨著凍融侵蝕對(duì)社會(huì)發(fā)展的影響越來(lái)越顯著，人們對(duì)這一問(wèn)題的關(guān)注與研究也越來(lái)越多。國(guó)際上，凍融侵蝕的研究以美國(guó)和加拿大最為前沿，我國(guó)尚處于起步階段。劉佳等[6]最早對(duì)春季解凍期黑土侵蝕進(jìn)行了研究，結(jié)果表明春季解凍期即使降雨量不大，土壤的侵蝕能力仍然很強(qiáng)。景國(guó)臣等[7]也對(duì)凍融侵蝕的形式和危害程度進(jìn)行了研究，認(rèn)為凍融侵蝕加快了土壤侵蝕速率。謝飆等[8]對(duì)三江源地區(qū)水土流失成因與特點(diǎn)進(jìn)行了分析?？梢?jiàn)凍融侵蝕的研究非常欠缺，因此探索研究?jī)鋈谇治g就顯得尤為必要和重要，鑒于此，本文綜合分析影響甘肅地區(qū)凍融侵蝕的各個(gè)影響因子，并對(duì)凍融侵蝕強(qiáng)度及分布特征進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)與研究，以期能為該地區(qū)的凍融侵蝕防治工作和高海拔地區(qū)生態(tài)環(huán)境研究提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

甘肅省位于祖國(guó)西部地區(qū)，地處黃河上游，向東與陜西相接，往南與四川青海相鄰，西靠新疆，北部與內(nèi)蒙寧夏相連，介于北緯32°11′—42°57′和東經(jīng)92°13′—108°46′，總面積45.37萬(wàn)km2，占全國(guó)總面積的4.72%[9]。全省太陽(yáng)年輻射總量達(dá)1 577 kWh/m2多年平均降水量為302 mm，隴南山地和甘南高原降雨較充足且植被覆蓋度大，沿西北方向植被覆蓋度逐步降低。全國(guó)第二次土壤普查結(jié)果顯示甘肅省共有37種土壤類型，水平地帶性分布自東南向西北依次為北亞熱帶黃棕土,暖溫帶棕褐土,南部溫帶黑滬土、栗鈣土和灰鈣土,北部溫帶灰棕漠土和棕漠土。甘肅地區(qū)土壤垂直分布也十分明顯,祁連山東段自下而上依次為灰鈣土、栗鈣土、灰褐土或黑鈣土、高山草甸土和高山寒漠土。省內(nèi)林地面積135.45萬(wàn)hm2，覆蓋率約為2.98%，分布極不均勻，主要集中在東部和南部山地，樹(shù)種以云杉、油松、華山松及各種楊樹(shù)為主，草地主要分布于甘南草原、河西走廊和隴中北部，植被水平分布特征明顯，自南而北依次為:常綠闊葉帶、落葉闊葉混交林帶、落葉闊葉林帶、草原帶和干旱荒漠帶，其中隴南山地和甘南高原的降雨最為充足,林草覆蓋度也最大,其余向北向西植被逐漸稀疏。甘肅位于祖國(guó)二級(jí)階梯之上，地勢(shì)自西南向東北傾斜，多種地貌交錯(cuò)分布，地勢(shì)起伏多變，是古絲綢之路咽喉之地，也是黃土高原、青藏高原和內(nèi)蒙古高原的樞紐地帶，其中甘南高原是青藏高原的東部邊緣一角，平均海拔超過(guò)3 000 m，西南部的祁連山地海拔也在3 500 m以上，終年積雪冰川逶迤。甘肅包括12個(gè)市和2個(gè)自治州，在局部地區(qū)海拔高溫差大，具備良好的凍融侵蝕條件，在冰雪覆蓋的多年凍土區(qū)及其下界數(shù)百米內(nèi)范圍，凍融侵蝕起著主導(dǎo)作用，地貌類型具有明顯的冰緣地貌特征。

2 材料數(shù)據(jù)獲取處理與分析計(jì)算方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文利用國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)提供的2009—2011年甘肅地區(qū)的TM遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)(分辨率為30 m×30 m，衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品號(hào)為L(zhǎng)ANDSAT4-5TM)通過(guò)篩選和幾何精校正計(jì)算得到研究區(qū)域的歸一化植被指數(shù)NDVI和植被覆蓋度，其中NDVI影像具體時(shí)相分別為：2009年3月14日、10月8日、12月7日，2010年3月17日、10月5日、12月5日，2011年3月15日、10月6日、12月11日各自26景影像數(shù)據(jù)。

坡度因子可以利用DEM數(shù)字高程模型獲取，具體做法是依據(jù)2010年的甘肅省地形圖(1∶10 000)，通過(guò)GIS軟件經(jīng)過(guò)數(shù)字化轉(zhuǎn)換成為帶有高程文件的數(shù)字高程模型，之后利用等高線文件和高程點(diǎn)文件生成TIN圖并轉(zhuǎn)化成為DEM格式，再通過(guò)邊界面文件裁剪、填洼和精度校準(zhǔn)完成DEM建模，生成可供利用slope格式的DEM數(shù)字高程模型(等高線格式為shape file，分辨率為30 m×30 m)。

氣象數(shù)據(jù)資料來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的甘肅省境內(nèi)33個(gè)氣象站25 a(1985—2010)的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括觀測(cè)場(chǎng)海拔高度、年降雨量、月降雨量、日最高和最低氣溫、月平均氣溫、月最高和最低地面溫度和累計(jì)年氣溫年較差等。

2.2 凍融侵蝕強(qiáng)度分析與計(jì)算方法

研究?jī)鋈谇治g分布規(guī)律首先要確定凍融侵蝕區(qū)分布范圍，然后再根據(jù)凍融侵蝕作用的強(qiáng)度差異對(duì)凍融侵蝕區(qū)進(jìn)行二次劃分，凍融侵蝕強(qiáng)度大小可利用分級(jí)評(píng)級(jí)指標(biāo)判定。通常凍融侵蝕有很多影響因子，在選擇分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)應(yīng)根據(jù)研究區(qū)域特點(diǎn)選擇主要因素作為評(píng)級(jí)因子，例如陳劍橋等[10]在大渡河流域進(jìn)行凍融侵蝕分析研究時(shí)就采用四級(jí)分級(jí)法將氣溫年較差、年均降水量、坡度、坡向和植被蓋度選定為評(píng)價(jià)指數(shù)；馬金輝等[11]在三江源地區(qū)進(jìn)行凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)時(shí)根據(jù)各因子的相對(duì)重要性，確定評(píng)級(jí)指標(biāo)為氣溫年較差、地形因子、年降水量和植被覆蓋度；李輝霞等[12]在分析評(píng)價(jià)西藏自治區(qū)凍融侵蝕時(shí)，選擇了氣溫年較差、地形起伏度和年均降水量三個(gè)定量指標(biāo)對(duì)敏感性進(jìn)行等級(jí)劃分。

2.2.1 凍融侵蝕區(qū)范圍的界定方法 凍融作用是最普遍、最主要的外力侵蝕過(guò)程之一，但有凍融侵蝕作用的區(qū)域并不一定就是凍融侵蝕區(qū)，因?yàn)橹挥袃鋈谇治g起主導(dǎo)作用的區(qū)域才能被認(rèn)定為凍融侵蝕區(qū)。目前凍融侵蝕區(qū)范圍劃定的理論與方法有眾多研究成果，其中最為公認(rèn)的方法是取冰緣區(qū)的下界作為凍融侵蝕區(qū)的下界，取年平均溫度-2.5℃線作為多年凍土帶的下界，并認(rèn)為冰緣區(qū)下界比多年凍土區(qū)下界要低200 m左右。因此本研究參照以往研究成果，利用緯度(X)、經(jīng)度(Y)與多年凍土區(qū)下界海拔(H0)的線性回歸方程計(jì)算得出年均氣溫-2.5℃的海拔高度，再減去200 m即得出研究區(qū)域凍融侵蝕區(qū)的下界海拔(H)，計(jì)算公式為[13]：

2.2.2 氣溫年較差分級(jí)指標(biāo)估算方法 凍融侵蝕變化與溫度變化關(guān)系密切，氣溫年較差是影響凍融侵蝕最重要的因子，直接決定著凍結(jié)和融化的深度與程度[14]。大多數(shù)情況下地溫因子(T1)不易獲得，一般都是先通過(guò)經(jīng)度(X)、緯度(Y)以及海拔(H)計(jì)算求出氣溫年較差(T)，再利用氣溫年較差作為評(píng)價(jià)凍融侵蝕強(qiáng)度的分級(jí)因子，其中最具代表性的是邱國(guó)慶等[15]在青藏高原凍土區(qū)總結(jié)并驗(yàn)證的經(jīng)驗(yàn)公式：

T=3.1052+1.2418Y-0.2275X-0.0004133H

研究證明氣溫年較差可以很好的反應(yīng)出溫度變化對(duì)凍融侵蝕過(guò)程的影響，本研究利用甘肅省境內(nèi)33個(gè)氣象站的25a(1 985—2 010)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)氣溫年較差進(jìn)行多元線性回歸分析，最終得出計(jì)算氣溫年較差的回歸方程：

T=4.6049+1.8415Y-0.3369X-0.0006141H

2.2.3 分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重計(jì)算方法 凍融侵蝕強(qiáng)度分級(jí)應(yīng)以凍融侵蝕區(qū)單位時(shí)間單位面積的土壤流失量作為分級(jí)依據(jù)，但凍融侵蝕區(qū)環(huán)境惡劣不易布設(shè)試驗(yàn)小區(qū)，凍融侵蝕數(shù)據(jù)也不易獲取，所以目前國(guó)內(nèi)外主要研究方法是利用凍融侵蝕影響因子作為分級(jí)指標(biāo)對(duì)凍融侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，研究證明凍融侵蝕強(qiáng)度相對(duì)分級(jí)研究方法是可行的，可以識(shí)別出凍融侵蝕區(qū)侵蝕作用強(qiáng)度的大小。

本研究將得到的氣溫年較差、凍結(jié)期平均最低溫度、解凍期平均降雨量、坡度、植被覆蓋度和年降水量數(shù)據(jù)整理作為凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)，并根據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)的具體分布與取值情況，參照以往研究成果確定各指標(biāo)的等級(jí)賦值標(biāo)準(zhǔn)(表1)，以降雨量為例，首先將全部降雨量數(shù)據(jù)從大到小有序排列，選擇算術(shù)平均值作為中間點(diǎn)，以樣本數(shù)據(jù)的0.5倍標(biāo)準(zhǔn)差作為步長(zhǎng)從中間點(diǎn)向兩端各確定一個(gè)分界點(diǎn)，再以1倍標(biāo)準(zhǔn)差作為步長(zhǎng)從這兩個(gè)分界點(diǎn)出發(fā)向兩端再各自確定一個(gè)分界點(diǎn)，從而將整個(gè)數(shù)據(jù)樣本分為5個(gè)等級(jí)，再根據(jù)指標(biāo)的相對(duì)重要性確定其判斷矩陣(表2)，對(duì)表2進(jìn)行判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)，結(jié)果CR(一致性比例)=0.036<0.1，證明符合研究要求。

2.2.4 綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算方法 綜合評(píng)價(jià)指數(shù)是用來(lái)總體評(píng)價(jià)凍融侵蝕敏感程度的指標(biāo)，指數(shù)愈大凍融侵蝕愈強(qiáng)烈，根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(SL190—2007)》，并參考野外調(diào)查結(jié)果將研究區(qū)域的凍融侵蝕作用強(qiáng)度劃分為微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕五個(gè)等級(jí)，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)可采用式(1)進(jìn)行計(jì)算[10]。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)賦值標(biāo)準(zhǔn)[10]

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣[11]

(1)

式中：I——凍融侵蝕綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；Ii——各單因子評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)值；Wi——各單因子評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重；n——單因子數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫年較差計(jì)算結(jié)果可靠性分析

將計(jì)算得出的氣溫年較差數(shù)據(jù)與實(shí)際氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，在檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)回歸方程計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)驗(yàn)證該方法在研究區(qū)域的適用性。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)利用多元線性回歸方程計(jì)算得出的氣溫年較差與實(shí)測(cè)結(jié)果基本相符，計(jì)算精度可靠，其中甘肅中南部地區(qū)估算值略微偏低，西北地區(qū)計(jì)算值一般偏高，最大誤差為12.4%，平均相對(duì)誤差為6.48%。圖1為利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的氣溫年較差與實(shí)際觀測(cè)值的比較結(jié)果，可以看出研究區(qū)域的實(shí)測(cè)氣溫年較差變化與計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致，能很好地反映出甘肅地區(qū)凍融侵蝕氣溫變化規(guī)律，所以選用該經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)的氣溫年較差T并作為分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行凍融侵蝕強(qiáng)度分析評(píng)價(jià)是可行的。為了進(jìn)一步說(shuō)明計(jì)算結(jié)果的可靠性，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別對(duì)該多元線性回歸方程進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)和方程顯著性檢驗(yàn)。

擬合優(yōu)度檢驗(yàn)結(jié)果顯示，可決系數(shù)R2為0.971 2，校正后可決系數(shù)為0.968 5，說(shuō)明該回歸方程計(jì)算結(jié)果對(duì)樣本實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的和擬合效果良好。

方程顯著性檢驗(yàn)結(jié)果當(dāng)α=0.05時(shí)，F(xiàn)=325.98>F0.05,3,29=2.93，也就是說(shuō)在95%的置信概率下，方程的線性關(guān)系成立，經(jīng)緯度和海拔高度對(duì)氣溫年較差的解釋作用顯著，另外由于R2=0.971 2>95%，因此該多元線性回歸方程的計(jì)算結(jié)果精度可靠性符合研究要求。

3.2 凍融侵蝕敏感性分析

根據(jù)表2中的判定矩陣，運(yùn)用層次分析法計(jì)算得出甘肅地區(qū)的凍融侵蝕分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)單因子權(quán)重如表3所示。

圖1 利用回歸方程計(jì)算得出的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

表3 凍融侵蝕單因子評(píng)價(jià)指數(shù)權(quán)重

利用上述綜合評(píng)價(jià)指數(shù)I的計(jì)算方法進(jìn)行估算并依據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(SL190—2007)》得出該研究區(qū)域的凍融侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如表4所示。

表4 凍融侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

研究表明凍融侵蝕的強(qiáng)度隨溫差變化的增大而增大，一般情況下氣溫年較差越大凍融侵蝕作用就越強(qiáng)烈，甘肅省地處三大高原交匯地帶，有很強(qiáng)的季風(fēng)性氣候，局部地區(qū)屬高寒區(qū)，溫差大且輻射強(qiáng)，全省年均氣溫由東南向西北遞減，平均氣溫年較差為37.14℃，隨海拔變化明顯，為凍融侵蝕的發(fā)生提供了必要的氣候條件，是最為重要的影響因子，權(quán)重值為0.31。作為負(fù)溫因子的凍結(jié)期平均最低溫度是影響凍融侵蝕強(qiáng)度僅次于氣溫年較差的主要影響因子，權(quán)重值為0.22，說(shuō)明無(wú)論是溫度變化幅度還是凍結(jié)期的負(fù)溫水平都是決定凍融侵蝕強(qiáng)度的最主要因素，兩個(gè)因子對(duì)凍融侵蝕的共同影響作用超過(guò)50%以上。

與溫度不同，降雨為凍融侵蝕提供了物質(zhì)來(lái)源，從表3可以看出年均降雨量對(duì)凍融侵蝕的影響有限，權(quán)重只有0.08，但解凍期平均降雨量對(duì)凍融侵蝕強(qiáng)度的影響卻很顯著，權(quán)重值為0.15，這與三江源地區(qū)的相關(guān)研究結(jié)論相似，說(shuō)明不同時(shí)期的降雨過(guò)程對(duì)凍融侵蝕強(qiáng)度的影響有很大差別。按凍融過(guò)程的不同時(shí)期可把降雨分為凍結(jié)期降雨，消融期前期降雨和消融期后期降雨三類，凍結(jié)期降雨對(duì)土壤的凍融侵蝕具有很強(qiáng)的推動(dòng)作用，這類降雨的增多直接導(dǎo)致了表層含水率增多，凍結(jié)時(shí)由于水體的物理性質(zhì)改變而體積增大，從而對(duì)土體結(jié)構(gòu)的破壞性也隨之增強(qiáng)，在消融期前期凍結(jié)速度大于消融速度，降水由于環(huán)境氣溫較低而大多轉(zhuǎn)化成冰雪，從而加大了地表的整體比熱，減小了地面與大氣的溫差，會(huì)降低土層的消融，減輕土壤的凍融侵蝕效果，在后期凍結(jié)速度小于消融速度，冰雪融水對(duì)土壤有搬運(yùn)和侵蝕作用，凍融侵蝕量會(huì)隨著降水增多而增大。

坡度是凍融侵蝕發(fā)生的動(dòng)力條件，影響著土壤凍融侵蝕量和侵蝕產(chǎn)物被帶離的位移大小，研究表明坡度因子的權(quán)重值為0.12，以往研究也表明幾乎所有凍融侵蝕發(fā)生都必須具備一定的地形條件，而且坡度變化越大凍融侵蝕的強(qiáng)度等級(jí)也越大，另外通過(guò)實(shí)地觀測(cè)還發(fā)現(xiàn)坡向?qū)鋈谇治g也有一定影響，陽(yáng)坡面比陰坡面的太陽(yáng)輻射量大，因此地面晝夜溫差也較大，凍融侵蝕效果也更為敏感。

植被對(duì)凍融侵蝕強(qiáng)度具有明顯的削弱效果，權(quán)重值為0.12，這是因?yàn)橹脖豢梢栽黾油馏w的穩(wěn)定性，對(duì)地表有保護(hù)作用，可以減輕凍融侵蝕過(guò)程對(duì)土壤的破壞，緩解凍融期降雨的混合侵蝕，另外植被的根系對(duì)土壤有固結(jié)纏繞作用，在消融期后還具有固結(jié)和修復(fù)效果。遙感數(shù)據(jù)表明甘肅是一個(gè)少林地區(qū)，平均森林覆蓋率只有16.55%，主要以云杉為主。草地主要分布在海拔2 400m以上的甘南草原和祁連山地，在海拔3 000m以上的地區(qū)牧草的生長(zhǎng)期短枯草期長(zhǎng)，因此這一區(qū)域凍融侵蝕強(qiáng)度一般較大。

3.3 凍融侵蝕強(qiáng)度空間分布特征

將上述計(jì)算結(jié)果在GIS軟件中進(jìn)行疊加，為了最終確定凍融侵蝕區(qū)的侵蝕強(qiáng)度分布情況，將處理后的DEM數(shù)據(jù)由平面坐標(biāo)(m)轉(zhuǎn)化成為經(jīng)緯度坐標(biāo)(度)，并利用ProjectionWizard工具進(jìn)行投影，再利用數(shù)據(jù)生成函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行裁剪校正和人工解譯，最后再減去冰川區(qū)和非凍融侵蝕區(qū)可得到凍融侵蝕區(qū)強(qiáng)度等級(jí)分布圖(圖2)。

圖2 凍融侵蝕區(qū)強(qiáng)度等級(jí)分布

結(jié)果表明多年凍土雖然通常出現(xiàn)在年平均氣溫為負(fù)值的地區(qū)，但由于研究區(qū)地形復(fù)雜多變，在年均氣溫為正的地方也存在有離散凍土區(qū)。全省凍融侵蝕強(qiáng)度分布總體上由東北向西南方向遞增，凍融侵蝕區(qū)下界海拔分布在3 300～4 400m，凍融侵蝕區(qū)總面積為3.88萬(wàn)km2。從甘肅省凍融侵蝕區(qū)強(qiáng)度等級(jí)分布圖中可以看出，甘肅只有少部分地區(qū)屬于凍融侵蝕區(qū)，凍融侵蝕強(qiáng)度較高的區(qū)域主要集中在北部的東南方向，東部地區(qū)雖然降水量較西部地區(qū)要大許多，但由于凍融侵蝕基本不起主導(dǎo)作用，所以幾乎沒(méi)有凍融侵蝕區(qū)存在。甘肅省的凍融侵蝕區(qū)主要分布在酒泉東南部、嘉峪關(guān)、張掖西南部和甘南西部，結(jié)合實(shí)測(cè)資料可以發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域氣溫年較差一般較大，雖然局部地區(qū)的年降水量很小，但凍融侵蝕作用依然十分明顯。從地圖上看，省內(nèi)北部地區(qū)凍融侵蝕基本上呈帶狀分布，而南部地區(qū)呈片狀分布且侵蝕強(qiáng)度主要以微度侵蝕和輕度侵蝕為主。

4 結(jié) 論

本研究基于GIS和RS技術(shù)獲取甘肅地區(qū)植被覆蓋度及地形參數(shù)，并結(jié)合同時(shí)期的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，對(duì)甘肅地區(qū)的凍融侵蝕強(qiáng)度分布進(jìn)行了分級(jí)評(píng)價(jià)，同時(shí)利用修正后的經(jīng)驗(yàn)公式界定了研究區(qū)凍融侵蝕范圍，豐富了凍融侵蝕研究的應(yīng)用與理論依據(jù)。取得的主要研究結(jié)論如下：

1) 甘肅省凍融侵蝕強(qiáng)度分布由西南向東北方向遞減，凍融侵蝕區(qū)的下界海拔在3 300～4 400m之間，省內(nèi)凍融侵蝕區(qū)面積為3.88萬(wàn)km2，只有少部分地區(qū)屬于凍融侵蝕敏感區(qū)，主要集中在甘肅北部的東南方向和南部的西南角。

2) 酒泉東南部、嘉峪關(guān)、張掖西南部和甘南西部地區(qū)是省內(nèi)主要的凍融侵蝕區(qū)，凍融侵蝕作用明顯，其中張掖西南部和酒泉東南部的凍融侵蝕強(qiáng)度較高，主要以中度侵蝕和強(qiáng)烈侵蝕為主。2010年全省凍融侵蝕面積占土地總面積的8.6%，占土壤侵蝕面積的28.9%，凍融侵蝕區(qū)平均下界海拔是3 860m，從西南向東北逐漸降低。

3) 在甘肅地區(qū)氣溫年較差大小和凍結(jié)期平均最低溫度是影響凍融侵蝕強(qiáng)度變化的最主要影響因子，

其次是解凍期平均降雨量、坡度和植被覆蓋度，年降雨量變化對(duì)甘肅地區(qū)凍融侵蝕強(qiáng)度影響的敏感性相對(duì)最低。

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Sensitivity Evaluation of Freeze-Thaw Erosion in Gansu Province Based on RS and GIS

LI Dong, WEI Xia, LI Xungui, LI Yaojun

(CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Freeze-thaw erosion is one of the three largest erosion types in plateau area, which destroys the soil properties and threatens the security of a project, at the same time, hinders the regional economic and social development, but research object on this type of erosion was rarely launched. In order to enrich the study on freeze-thaw erosion intensity and distribution, Gansu Province was taken as the case, the annual range of temperature, slope, vegetation coverage, annual precipitation and freezing and thawing period average rainfall period average minimum temperature were selected as the freeze-thaw erosion factors on evaluation indexes. With the support of RS and GIS technology, freeze-thaw erosion was evaluated by freeze-thaw erosion intensity classification in the region by using the method of comprehensive evaluation index and relative evaluation, multivariate linear regression analysis on the annual temperature range was carried out according to the measured meteorological data for many years, a regression equation more suitable for Gansu area was obtained. Definition of freeze-thaw boundary and freeze-thaw erosion intensity distribution map of Gansu were made, deepening the understanding of the area of freezing and thawing in Gansu Province, and the understanding of the erosion status. The results show that GIS and RS can rapidly provide technical support, and the sensitive areas of freeze-thaw erosion in Gansu Province mainly concentrate in the southeast of the northern direction, locate in the southeast of Jiuquan, Jiayuguan, southwest of Zhangye and the western region of Gannan, the freeze-thaw erosion area of Gansu Province is 38 800 km2, accounting for 8.6% of the total area, frozen thawing erosion occurs in the areas with the least altitude between 3 300～4 400 m, freeze-thaw erosion intensity generally weakens from the southwest to the northeast.

GIS; RS; freeze-thaw erosion; sensitivity evaluation; Gansu Province

2014-03-10

2014-06-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41001154,51109103);中國(guó)博士后科學(xué)資助項(xiàng)目(20110490862);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(lzujbky-2012-139,lzujbky-2014-126)

李東(1985—),男,遼寧遼陽(yáng)人,碩士研究生,研究方向?yàn)橥寥狼治g。E-mail:1017557759@qq.com

魏霞(1980—),女,陜西扶風(fēng)人,博士后,副教授,主要從事土壤侵蝕與水土保持、水文學(xué)及水資源等方面的研究。E-mail:weix@lzu.edu.cn

S157

1005-3409(2015)02-0001-06