唐山小流域土壤侵蝕格局及其空間結構分析

魏京莉

（河北省唐山水文水資源勘測局，河北 唐山063000）

土壤侵蝕不僅破壞區域景觀生態環境，還通過水土流失、滑坡、泥石流等自然災害影響農業生產和民生安全，對自然與經濟社會可持續發展造成一定隱患。國際環境與發展組織委員會調查顯示，全球土壤侵蝕面積達0.16億km2，占陸地總面積的1/10；而我國處于東亞季風區，加之地表林草覆被總體稀疏、地形破碎，土壤可蝕性程度高，土壤侵蝕面積占陸地國土的2/5［1-2］。土壤侵蝕是自然過程與人類活動干擾的綜合結果，因而具有結構性與隨機性，探究其分布格局的空間結構，能夠推導不同土壤侵蝕強度與本地景觀特征、地形、降水、土地利用類型間的關聯機制；還可厘定人為活動的影響程度，從而為區域水土保持規劃和環境建設提供信息基礎。關于其空間結構性的研究，學者們主要采取地統計學方法，如馮凌等［3］應用Moran’s I法研究了汾河流域土壤侵蝕空間自相關格局，表明其存在正的空間相關性與空間聚集性；汪濤等［4］研究土壤侵蝕強度及其分析特征之間的關系，認為土壤侵蝕程度越高分形結構越復雜；李貝等［5］以地形特征為視角研究了坡度、海拔、坡向等因子對土壤侵蝕強度空間聚集性的影響。這些研究探討了地統計學在土壤侵蝕研究中的應用，并揭示了土壤侵蝕強度隨景觀變化的規律。唐山位于我國土壤侵蝕較嚴重的華北季風區，局部屬土石山區、溝壑縱橫、林草稀疏、地形崎嶇，以本區小流域為案例，探究其土壤侵蝕格局及其空間結構性，以期揭示土壤侵蝕景觀演進規律。

1 研究區概況

研究區為唐山北境的小流域，其發源于燕山，流入渤海，試區面積達23.25km2。氣候屬北溫帶季風氣候區，多年均降水量500～700mm，多年平均氣溫12.5℃，無霜期190d。夏秋季節降雨強度大，為土壤侵蝕多發時期。植被以溫帶落葉闊葉林為主，兼針葉林、灌木、草類等。

2 研究方法

2.1 分形維數法

分形維數為變量分布格局復雜程度的度量，其數學定義為變量變異函數的雙對數關系logγ（h）∝logh在一定觀測尺度h上的線性關系［6］：

式中 FD為分形維數，值域（1，2］；H為線性斜率，取值為［0，1］；FD隨著H的增加而減小。

對于區域降水空間分布，其分維數越小則其分形越好，表明降水分布趨勢性強，空間漸變性、連續性好；其分維數越小，則其分形特征越長，表明區域降水異質格局強，分布離散、連續性差、全局趨勢弱。

2.2 Moran’s I法

區域性變量受空間相互作用與空間擴散的影響，導致在不同空間位置上存在一定依賴性，對于這種空間自相關性的檢測可用Moran’s I表達［6-7］：

式中 Moran’s I為空間自相關性的度量，其值介于［-1，1］，Moran’s I＞0，則表明變量呈正向自相關性，反之則為負向自相關性，Moran’s I=0，則表明自相關性不存在，并且其絕對值越大，表明自相關性越強；n為變量樣本數量；xi，xj為變量x在鄰近配對位置i和j處的實測值，xˉ為變量x的平均值；wij為空間權重函數。

為了檢驗空間自相關性的顯著性，通常將Moran’s I予以標準化處理，其中Z值大小指示變量空間聚集性強弱，若Z為0，表明變量呈隨機分布，Z的絕對值大于1.96，表明其空間自相關性顯著。全局空間自相關分析可能掩蓋變量在局域空間位置上的聚集或異常特性，為此一般引入局部自相關分析［17］：

式中 I為局部空間自相關指數；x′i，x′j分別為樣本i，j的標準化值；w為空間權重。

2.3 數據處理與土壤侵蝕強度計算

在代理空間數據云平臺上提取研究區Landsat 8 OLI遙感數據，影像獲取時間為2017年9月25日，云量為0.5%，于ENVI5.1平臺，經大氣校正、幾何校正、正射校正后，利用西河流域矢量邊界進行裁剪，在此基礎上遵循計算機解譯與人工智能相結合方法，分類輸出研究區土地利用類型，如圖1。

圖1 區域土地利用空間格局

在得到區域土地利用類型之后，將其與NDVI、DEM圖層疊加，參照SL190—1996《土壤侵蝕分類分級標準》，劃分土壤侵蝕強度級別，依次為對于力蝕微度、輕度、中度、強度、極強度、劇烈。為更好地量化土壤侵蝕強度，用式（4）描述：

式中 i為土地利用類型序列數；j為土壤侵蝕分級序列數；n，m為變量樣本數量；G為土壤侵蝕強度分級值；P為時間參數。

3 結果與分析

3.1 研究區土地利用格局

區域地表覆被呈現明顯的空間異質性。北部上游中低山區以林地、草地分布占優，空間連續性好，建筑用地沿河流呈帶狀分布；旱地分布在建筑用地周邊，呈塊斑狀分布，呈一定的空間離散性；園地分布于山坡地、臨近河流，其分布面積較小；林地集中于區域海拔較高處呈團狀分布。綜合來看，區域土地利用類型以林地、草地、建筑用地為主，其分布面積為6.52，6.07，5.49km2，分別占區域土地利用總面積的27.76%，25.82%，23.38%， 旱地面積為0.90km2，占17.62%，園地和水域僅占區域總面積的3.84%，1.58%。

3.2 研究區土壤侵蝕格局

研究區土壤侵蝕空間格局如圖2，侵蝕強度集中于河流、溝谷邊緣，流域北部土壤侵蝕等級異質性強、版塊離散，中西局部侵蝕微弱，這與流域土地利用格局存在一定程度耦合。統計分析表明，微度水蝕區面積達13.21km2，占流域總面積57.32%；其次為中度水蝕區，占20.18%；由于流域林草覆被廣泛、裸地面積少，水蝕較強區域分布面積不大，其中輕度、強度、極強度、劇烈水蝕區面積分別為2.89，1.67，0.37/0.25km2，分別占12.57%，7.2%，1.06%，1.01%。另外計算了不同土地利用類型的土壤侵蝕強度指數，結果表明水域（2.354）＜林地（3.254）＜草地（4.854）＜園地（6.325）＜旱地（7.548）＜建設用地（8.654）。

圖2 研究區土壤侵蝕格局

3.3 土壤侵蝕空間分形特征

在GIS平臺上提取了西河流域不同土壤侵蝕強度下各斑塊的面積（P）與周長（A）的信息，兩者雙對數線性關系平穩，R2均大于0.95，表明其具有良好的分形特征。分維數FD的大小可透過線性斜率來觀察，如圖3。直線越陡、斜率越大、分維數越大，經計算微度、輕度等不同侵蝕強度的值依次為1.3956，1.2008，1.3078，1.3198，1.242，0.9218，雖然維數相差不大，但仍反映空間差異。

西河流域不同土壤侵蝕強度空間格局復雜度依次為：中度水蝕區＞輕度水蝕區＞微度水蝕區＞強度水蝕區＞極強度水蝕區＞劇烈水蝕區。FD與穩定性指數SI具有良好的對應性，各級土壤侵蝕強度的分形 SI依 次 為 0.1922，0.1044，0.1802，0.258，0.2992，0.5782，這表明輕度、微度、中度水蝕區更容易受到人為影響，其結構性不穩定，相對而言侵蝕強大越大，其空間結構變化越小。

圖3 不同土壤侵蝕強度的分形特征

3.4 土壤侵蝕格局空間自相關性

不同土壤侵蝕強度空間自相關參數如表1。

表1 不同土壤侵蝕相關參數

由表1可得，不同土壤侵蝕強度的全局Moran’s I值均大于0，且其標準化Z值高于顯著性臨界值1.96，表明其具有顯著正向空間自相關性。其中微度微度水蝕區的Moran’s I最大，達0.896，說明在該流域尺度上其空間自相關性好，表現出較強的空間聚集性；而Moran’s I以劇烈水蝕區最小，反映其空間聚集性較差，呈一定的離散性。

為深刻解析不同土壤侵蝕強度局域自相關性，應用Local Moran’s I統計量計算了空間關聯局域指標（Local Indicators of Spatial Association， LISA）顯著水平。如圖4所示，不同土壤侵蝕強度在流域局部存在HL（高低）、LH（低高）、HH（高高）聚集3種中空間關聯形式，其反映了每個區域與領域區間的空間差異程度。微度水蝕區存在LH聚集類型，即微度水蝕區被較高侵蝕強度區域包圍，主要分布在西南部的城鎮居民局。輕度水蝕區出現了LH、HH和HL3種聚集類型，其中LH聚集區分布離散，HH和HL聚集區集中于北部山區，地勢較陡、林草分布廣泛。中度水蝕區出現了星狀分布的LH聚集區，該區為河流上游；強度水蝕區以HL聚集占優，分布在北部山地、南緣丘陵區，其被低級土壤侵蝕強度區保衛。極強度水蝕區出現了HH、LH聚集形式，劇烈水蝕區在南部局部存在HH聚集形式，其空間自相關鄰域狹小。

圖4 土壤侵蝕強度LISA圖

4 結語

（1）唐山北境小流域流域土壤侵蝕強度以微度、中度為主，占總面積的57.32%和20.18%。

（2）土壤侵蝕強度與土地利用類型密切相關，侵蝕強度綜合指數表明水域＜林地＜草地＜園地＜旱地＜建設用地。

（3）分形維數表明，低級（中度、輕度、微度）水蝕區其維數較大、形態結構復雜，更具不穩定性且受人為活動影響敏感；高級（劇烈、級強烈、強烈）水蝕區空間布局穩定，維數較小、分形結構良好。

（4）各級土壤侵蝕強度區在流域尺度上表現出顯著正向空間自相關性，隨著侵蝕強度增加，其自相關性減弱，表明人為活動是強化土壤侵蝕的主要原因。

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［3］馮凌，張紅，劉光磊，等.汾河源頭地區土壤侵蝕時空變化及其空間自相關分析［J］.水土保持通報， 2016， 36（1）：93-99.

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