四川大涼山典型小流域切溝空間分布特征與影響因子

李琬欣，熊東紅，袁 勇，張聞多，張寶軍，趙冬梅

(1.中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，610041，成都；2.四川省國土空間生態(tài)修復(fù)與地質(zhì)災(zāi)害防治研究院，610081，成都)

四川大涼山地處青藏高原東緣，是長江上游重要生態(tài)安全屏障區(qū)，也是我國最大的彝族聚居區(qū)和集中連片深度貧困地區(qū)之一[1]。長期以來，由于地形破碎、山高坡陡、坡耕地量大面廣，加之多年不合理的生產(chǎn)活動，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)切溝發(fā)育，水土流失嚴(yán)重[2]。據(jù)調(diào)查，涼山州水土流失總面積為2.95萬km2，占全州國土面積的49.40%[3]。區(qū)域內(nèi)嚴(yán)峻的水土流失問題，導(dǎo)致江河泥沙含量持續(xù)增加，威脅金沙江中下游重大水電工程安全[4]。切溝是流域泥沙的主要來源，有效防控流域切溝侵蝕產(chǎn)沙是涼山州生態(tài)環(huán)境治理的核心工作之一。與切溝侵蝕的熱點研究區(qū)域(黃土高原[5]、元謀干熱河谷區(qū)[6]和東北黑土區(qū)[7]等)相比，地處金沙江中下游的大涼山區(qū)具有氣候較濕潤、嶺谷高差大等特點[2]，區(qū)內(nèi)切溝分布廣泛、觀測資料少，研究基礎(chǔ)十分薄弱。因此，在涼山州開展切溝研究，查明小流域內(nèi)的切溝分布規(guī)律，對我國山地區(qū)域水土流失防控及治理工作具有重要意義。

切溝的形成與發(fā)育是在地形、地質(zhì)、土壤、氣候、植被和人類活動等多種自然及人文影響因子交互作用下的一種復(fù)雜過程[8]。Faulkner等[9]曾通過實地勘測提出地層巖性變化會增加切溝分布復(fù)雜度，是影響切溝分布的顯著因子；Wells等[10]通過溝頭原位實驗指出在土壤為淤積質(zhì)、粗壤質(zhì)或沙土的坡面上切溝發(fā)育較快；張巖等[11]通過分析切溝與影響因子的相關(guān)性得出土地利用方式顯著影響切溝發(fā)育。前人對于切溝的研究方法大多為較小尺度的觀測實驗或?qū)嵉卣{(diào)查，工作內(nèi)容冗雜且耗時較長。而遙感結(jié)合地理探測器模型的方法具有周期短、監(jiān)測范圍廣等特點[8]，能夠迅速并較為精確地提取切溝及影響因子信息，更適用于地形起伏大，自然及人文要素具有明顯空間分異性的大涼山區(qū)。因此，筆者采用遙感解譯手段，綜合地理探測器模型，查明涼山州典型小流域切溝分布特征，探明其關(guān)鍵影響因子，有助于大涼山區(qū)水土保持措施的布局，有利于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)文明建設(shè)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。

筆者選擇切溝發(fā)育嚴(yán)重、地形地貌和土地利用方式均較為典型的大涼山喜德縣米布目小流域為研究區(qū)，綜合采用遙感調(diào)查、空間分析等手段，研究典型小流域切溝的空間分布特征，分析其主要影響因子。研究成果可望為探明新形勢下西南山區(qū)的水土流失特征、統(tǒng)籌規(guī)劃山區(qū)水土保持工程布局等提供科學(xué)依據(jù)；同時，也可為涼山州土地資源保護(hù)開發(fā)、生態(tài)移民規(guī)劃、鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略等有關(guān)生態(tài)文明建設(shè)工程提供支撐。

1 研究區(qū)概況

米布目小流域位于四川大涼山地區(qū)喜德縣境內(nèi)(E 102°24′～102°33′，N 27°54′～28°05′)，是孫水河上游一條支溝。小流域面積177.89 km2，高程范圍為2 284～3 628 m，坡度范圍為0～62.61°，屬于典型山地區(qū)域，海拔高、地形起伏大(圖1)。氣候為亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫7～9 ℃，年平均降水量為1 149.8 mm。流域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，主要巖層為粉砂巖、砂巖、泥巖及頁巖等。主要土地利用類型有草地、撂荒地、林地和坡耕地等。主要植被有野草莓(Fragariavesca)、金絲桃(Hypericummonogynum)、馬尾松(Pinusmassoniana)等。主要土壤類型包括紫色土、亞高山草甸土、暗棕土等[12-13]。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study site

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

以高分二號系列影像(分辨率：0.8 m；來源于高分辨率對地觀測系統(tǒng)四川數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心)、1∶50 000地形圖為基礎(chǔ)用于提取所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括切溝形態(tài)特征、土地利用方式、地形地貌數(shù)據(jù)、水系、道路、植被覆蓋度等。地層巖性來源于全國地質(zhì)資料館1∶25萬地質(zhì)圖，土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心。

2.2 分析方法

2.2.1 切溝遙感解譯 由于不同研究區(qū)地理位置、氣候環(huán)境、地質(zhì)土壤等差異較大，切溝形態(tài)特征呈現(xiàn)也不同。結(jié)合本研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、研究目標(biāo)以及野外考察經(jīng)驗，選擇發(fā)育在坡面上、不橫過耕作、有明顯溝緣、橫斷面呈V型、長度超過10 m、寬度超過0.5 m、溝尾未切入溝谷地的切溝為遙感解譯對象，同時定義溝長為切溝溝底線線段。

2.2.2 切溝空間分布特征 以切溝密度(單位面積內(nèi)切溝總長度km/km2)作為表征流域切溝空間分異特征的定量指標(biāo)。采用格網(wǎng)插值的方法，以1 km為范圍計算各個格網(wǎng)切溝密度，再運用克里金插值法得到小流域切溝侵蝕分布圖，并按照水利部土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)[14]中溝蝕分級指標(biāo)對切溝密度進(jìn)行分級處理，將研究區(qū)劃分為基本無侵蝕區(qū)(≤1 km/km2)、輕度侵蝕區(qū)(>1～2 km/km2)、中度侵蝕區(qū)(>2～3 km/km2)、強烈侵蝕區(qū)(>3～5 km/km2)和極強烈侵蝕區(qū)(>5～7 km/km2)。

2.2.3 關(guān)鍵影響因子分析 由圖2所示，選擇8個自然、人文因素(地層巖性、土壤類型、植被覆蓋度、地形濕度指數(shù)、土地利用方式、坡度坡長因子、距水系距離和高程)作為切溝空間分布的影響因子。利用地理探測器中的因子探測器篩選出關(guān)鍵影響因子[15]。

圖2 切溝影響因子分布Fig.2 Distribution of impact factors for gully

式中：q為空間分異性的指標(biāo)，q∈[0,1]，為自變量X對因變量Y有100×q%的解釋力；N為像元數(shù)；σ2為指標(biāo)的方差；h為變量的分類，h=1,2,3,…,8。

3 結(jié)果與分析

3.1 切溝空間分布特征

整體上，小流域切溝數(shù)量多、分布廣，侵蝕較為嚴(yán)重。由圖3可知，小流域內(nèi)共提取出切溝1 064條，總長度為171.47 km，平均切溝密度為0.96 km/km2，最大可達(dá)6.53 km/km2。由圖3可知，小流域切溝侵蝕空間分異明顯，以流域上游(東南一帶)極強烈侵蝕區(qū)為核心向流域中下游(西北一帶)輕度侵蝕區(qū)和基本無侵蝕區(qū)逐級過渡。切溝侵蝕輕度以上區(qū)域面積達(dá)到103.38 km2，占流域總面積的58.12%。這說明流域切溝發(fā)育較為普遍，分布較廣；而強烈、極強烈侵蝕區(qū)總面積則達(dá)17.86 km2，占流域總面積的10.04%，表明流域侵蝕現(xiàn)狀較為嚴(yán)重。

圖3 切溝密度和切溝侵蝕強度空間分布Fig.3 Spatial distribution of gully density and gully erosion intensity

3.2 影響因子分析

地層巖性、高程、土壤類型和土地利用方式是影響小流域切溝空間分布的主要因子。由表1可知，地層巖性、高程和土壤類型3個因子對切溝空間分異特征的解釋程度最大，分別達(dá)到36.89%、31.64%和25.80%。土地利用方式對切溝密度的解釋力相對較大，達(dá)到10%以上(q=0.101 7)。而植被覆蓋度、距水系距離、坡度坡長因子和地形濕度指數(shù)這4個因子在小流域尺度下對切溝空間分布的影響有限，均<5%。 綜上，地層巖性、高程、土壤類型和土地利用方式是影響切溝空間分布的關(guān)鍵因子。

表1 因子探測器結(jié)果

4 討論

4.1 地層巖性的影響

小流域內(nèi)切溝主要發(fā)育在窩頭山組和小壩組地層。由圖4可知，窩頭山組和小壩組地層均具有較高的切溝密度，分別達(dá)到1.62和1.61 km/km2；而全新統(tǒng)沼澤堆積地層上的切溝密度相對較小，僅有0.62 km/km2。地層是切溝分布的關(guān)鍵影響因子可能是因為切溝的發(fā)育過程與地層自身特性緊密相關(guān)。小流域內(nèi)切溝發(fā)育最為密集的小壩組和窩頭山組均是易于侵蝕的地層類型。小壩組為紫紅色鈣質(zhì)砂巖、泥巖互層[16]，其上發(fā)育而來的土壤土質(zhì)松散、持水性能差，易被水蝕[17]。窩頭山組為磚紅色塊狀異粒巖屑砂巖，夾泥層、粉砂巖[16]，由其風(fēng)化形成的土壤呈強酸性、養(yǎng)分含量少、土質(zhì)較貧瘠，不利于植被生長，地表裸露易形成徑流沖刷。

圖4 切溝在不同地層巖性和海拔分帶上的分異規(guī)律Fig.4 Differential pattern of gullies on different stratum lithology and elevation strips

4.2 高程的影響

隨著高程的增加，切溝密度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當(dāng)海拔大于2 450 m時，切溝密度隨著高程的增大而逐漸增加，并在海拔介于>3 020～3 150 m時出現(xiàn)峰值(2.53 km/km2)。這說明在該區(qū)域切溝分布集中，土地破碎程度高，而當(dāng)海拔超過3 300 m時，切溝分布開始逐漸變少。這一現(xiàn)象可能與不同高程帶上存在明顯的自然環(huán)境及人文因素差異有關(guān)。這些差異會顯著影響切溝的發(fā)育與分布。例如隨著海拔的增高，溫度降低，抑制植被生長，林草覆蓋度低，有利于切溝發(fā)育；而隨著海拔的降低，溫度升高，促進(jìn)植被生長，植被類型多樣化，能有效地抑制切溝發(fā)育[18]。

4.3 土壤類型的影響

如圖5所示，切溝在土壤類型上的分布較為平均。亞高山灌叢草甸土、亞高山草甸土和暗棕土均具有較高的切溝密度，分別達(dá)到1.66、1.54和1.51 km/km2。紫色土切溝密度相對較小，僅有0.76 km/km2。小流域切溝在不同土壤類型上的分異特征可能與土壤本身性質(zhì)有關(guān)。亞高山灌叢草甸土和亞高山草甸土均屬于產(chǎn)草量高、放牧條件優(yōu)越的土壤類型，適宜牧養(yǎng)牛、羊等牲畜[19]。因此2類土壤分布區(qū)域放牧活動多，嚴(yán)重破壞土壤表面草皮層，造成土地板結(jié)，導(dǎo)致土壤入滲性能大大減弱，地表徑流增加，切溝發(fā)育加速。暗棕土屬于粉砂質(zhì)粘壤土，呈塊狀結(jié)構(gòu)，土壤緊實[20]，入滲率較低，有利于切溝發(fā)育。而紫色土肥力更高，易于耕作，區(qū)域內(nèi)撂荒現(xiàn)象較少；加之其所處地區(qū)海拔低，氣候條件好，植被種類多，對切溝的形成與發(fā)育起到抑制作用。

4.4 土地利用方式的影響

切溝在不同土地利用類型上分異特征明顯，呈現(xiàn)出裸地>撂荒地>草地>坡耕地>林地的分布規(guī)律(圖5)。其中，撂荒地、草地和裸地這3類地類上切溝分布密集，密度分別達(dá)到2.12、1.95和2.20 km/km2。這可能因為不同土地利用方式對切溝發(fā)育的影響效應(yīng)不同。撂荒地切溝分布密集的原因可能由于大面積農(nóng)田退耕后初期土壤養(yǎng)分含量少，不利于自然植被恢復(fù)，土層裸露程度高，促進(jìn)切溝的發(fā)育[21]；裸地可能因為植被覆蓋低，土壤裸露對切溝發(fā)育起到促進(jìn)作用；草地則可能因為大規(guī)模的放牧活動導(dǎo)致切溝發(fā)育明顯。而坡耕地大多位于坡度小、海拔低的區(qū)域(平均坡度為15°，平均海拔為2 622 m)，氣候適宜，有相應(yīng)的水土保持措施，切溝發(fā)育較少。

圖5 切溝在不同土壤類型和土地利用方式上的分異規(guī)律Fig.5 Differential pattern of gullies on different soil type and land use type

筆者在研究切溝分布過程中，僅考慮切溝溝長、面積、切溝密度等二維參數(shù)，并未深入探討切溝深度及體積相關(guān)特征。這是因為研究流域內(nèi)海拔較高，坡度陡，溝道內(nèi)高差大，地形復(fù)雜，精準(zhǔn)量化切溝三維形態(tài)、計算侵蝕量較為困難。在下一步的研究中將通過三維激光掃描技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)或無人機測量技術(shù)等手段測量切溝體積，更加全面地探討小流域切溝侵蝕現(xiàn)狀，量化切溝侵蝕對當(dāng)?shù)睾恿髂嗌沉康呢暙I(xiàn)率。

5 結(jié)論

1)研究區(qū)內(nèi)切溝數(shù)量多，分布廣，空間分異明顯，主要集中在小流域東南一帶(上游)，向西北一帶(中下游)呈逐漸下降趨勢；切溝侵蝕強度輕度以上區(qū)域面積103.38 km2，占流域總面積的58.12%。

2)影響小流域切溝空間分布的關(guān)鍵因子分別為地層巖性、高程、土壤類型和土地利用方式(按影響力大小排序)。它們對切溝空間分布規(guī)律的解釋力均超過10%，其中地層巖性、高程和土壤類型的解釋力超過25%。

3)切溝分布隨海拔變化分異顯著，當(dāng)海拔上升為3 020～3 150 m時，切溝分布最為集中；從不同的土地利用方式來看，裸地、撂荒地、草地切溝分布較多；從不同的土壤類型來看，亞高山灌叢草甸土、亞高山草甸土和暗棕土上切溝最為發(fā)育；從不同地層巖性來看，切溝更易于分布在小壩組和窩頭山組兩類地層上。

感謝北京林業(yè)大學(xué)張巖教授，中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所趙偉研究員和劉琳博士的指導(dǎo)與幫助。