基于GIS和分形理論的喀什噶爾河水土流失空間分布研究

(新疆喀什噶爾河流域管理局，新疆 喀什 844000)

水土流失是人類活動與自然環境相互作用下土地退化的環境過程之一，其深刻影響區域作物生長、生態安全乃至可持續發展，是一項世界性環境問題[1]。水土流失空間分布是區域自然環境與景觀格局特征的自然體現，不同環境梯度導致水土流失強度產生復雜的空間差異性，這為區域水土保持帶來一定困難[2]。新疆地區是我國最大的內流區和綠洲分布密集地帶，河流是干旱半干旱環境下民生發展的保障，隨著人類活動強度加大以及區域氣候暖干化演替，本區水文背景、水土流失特征逐漸發生變化。分形維數是景觀空間分布的有效度量方法之一，本文擬采用分形維數法，以喀什噶爾河流域為研究對象，在ArcGIS環境下定量提取該流域水土流失空間信息。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

喀什噶爾河流域位于半干旱地區，西依帕米爾高原，南部接喀喇昆侖山脈，東同塔里木盆地，流域面積6.3×104km2，屬南疆西部地區最大內流河。區域屬于高原山麓向盆地過渡地形，海拔介于918～7559m之間，高程變化大。由于地處歐亞大陸腹地，地形封閉，水汽循環強度較弱，形成溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫7.3℃，年均降水量137mm，季候分明，冬冷夏熱。流域內水系由冰川融水發育形成，流程長度達77km，水資源總量1.56×108億m3。區域冰川覆蓋率為17%，植被覆蓋程度較低，水土流失以水利侵蝕為主。

1.2 分形理論

分形理論(Fractal)是英國科學家Mandelbrot于1967年提出的表征空間幾何形體自相似性的一種數學計量方法，由于其能夠定量表征區域性變量空間復雜性，因而在地理學、生態學、氣象水文等諸多領域取得良好應用。對于水土流失空間分布形態的度量，分形理論表示同質性斑塊面積與周長的雙對數關系，公式如下[3]：

式中FD——分形維數，其值介于1～2之間，數字越大，表明該景觀空間分布越復雜、穩定性越差、變異程度高，反之其空間分布簡單、穩定性好；通常認為FD介于1～1.5時，表明該景觀格局緊湊、自然規律性強、不易產生變化；當FD介于1.5～2時，表明景觀格局呈隨機分布；

H——線性斜率，FD隨著H的增加而減小[5]。

1.3 水土流失強度提取

根據通用水土流失方程(The Revised Universal Soil Loss Equation ,RUSLE)可知，區域水土流失量是地形因子、降雨強度、土壤質地、植被覆蓋、人為活動等因素的函數，鑒于此，相關學者基于不同因素耦合制定了《土壤侵蝕強度分級標準》(SL 190—2007)，基于該標準可通過疊加分析繪制區域水土流失強度圖斑。

喀什噶爾河流域土地利用類型為未利用地、林地、草地、耕地、建筑用地和水域等。以2017年10月該流域的Landsat OLI影像和DEM為基礎數據源，在ENVI 5.3和ArcGIS10.2平臺上，數據處理過程如下[5]：?于Feature extraction模塊上通過目視解譯與監督分類的方法提取區域土地利用空間分布結構；?通過bandmath工具條差分第3、4波段計算(Normalized Difference Vegetation Index NDVI)進而獲得區域植被覆蓋度；?借助DEM數據通過GIS平臺Spatial Analysis模塊的aspect、slope功能提取區域坡度、坡向信息；?運用overlap分析功能，將土地利用類型、植被覆蓋度、DEM、坡度、坡向等圖層進行空間疊加，劃分區域水土流失強度；?將獲取的圖斑圖層轉換成arcgrid格式，并導入Fragstats軟件中，應用landscape matric模塊中的Perimeter-Area Fractal Dimension工具條，計算水土流失空間分形維數。

2 結果與分析

2.1 喀什噶爾河流域土地利用類型特征

圖1 喀什噶爾河流域土地利用空間格局

以Landsat OLI影像可見光通道與全色波段重采樣，并依據面向對象監督分類方法，繪制喀什噶爾河流域土地利用類型空間分布圖，結果如圖1所示。可知，該流域用地類型分布規律性顯著,?流域以未利用地為主，主要是荒漠、土石山、高山石漠，其面積達3.62萬km2，占流域總面積的57.45%，其他用地類型分布稀少，建筑用地、耕地、冰川、植被分別占29.94%、9.23%、1.16%、1.19%；?冰川隨地形分布于流域北側天山高海拔地區，分布特征相對穩定；?耕地、建筑用地呈斑點狀離散分布，流域內整體生態環境惡劣、土地承載力低、人口聚集性差、社會性用地穩定性弱；?喀什噶爾河流域水文具有夏汛、春汛特征，春夏時節水面寬闊，但由于影像空間分辨率限制，導致水面圖斑并不凸出。從上述流域內土地環境背景分析來看，該流域立地環境較差，可侵蝕地表分布廣泛，加之水文情勢變率大，這為區域水土流失提供了條件。

2.2 喀什噶爾河流域水土流失強度空間分布特征

參照水土流失強度分級標準，喀什噶爾河流域水土流失可分為微度、輕度、中度、強度、極強度5個等級，沒有劇烈等級，如圖2所示。微度水土流失分布于流域西部、北部高山地帶，與冰川分布特征耦合性強，可能由于在冰川、積雪融化過程中隨著水流動能造成對地表的侵蝕，其分布面積0.620萬km2，占流域總面積的9.84%。輕度水土流失區沿山麓分布，呈環狀向流域東部延伸，面積0.794萬km2，占總面積的12.61%。整個流域水土流失以中度為主，在喀什噶爾河上、中、下游均有分布，面積達2.98萬km2，占全流域的47.23%；強度水土流失區集中于流域中心偏南部，面積達1.48萬km2，占總面積的23.56%；強度水土流失區呈離散斑點狀，與建筑用地、耕地分布關系密切，達0.426萬km2，占流域總面積的6.76%。

圖2 喀什噶爾河流域水土流失空間格局

2.3 喀什噶爾河流域水土流失空間分維特征

如圖3所示，以喀什噶爾河流域不同水土流失強度圖斑的面積與周長的雙對數關系擬合其分形維數特征，R2介于0.118～0.488之間，通過了5%水平信度檢驗，表明該維數統計具有一定可信度。圖3中縱坐標為水土流失強度圖斑面積的對數值，橫坐標為其周長對數值，維數大小可通過線性擬合斜率來判斷。可知：微度、輕度、中度、強度、極強等不同強度水土流失圖斑的面積、周長雙對數線性擬合斜率依次為0.829、0.638、0.630、0.613、0.524，依據公式(1)可知，其維數大小依次為1.173、1.362、1.37、1.387、1.476。由此表明：喀什噶爾河流域水土流失強度分形維數依次為微度<輕度<中度<強度<極強。微度水土流失區集中于高山、冰川地區，區域環境變化速率相對于流域低海拔處低，水土流失空間結構規則、不易發生變化；輕度水土流失區分布于高山、盆地結合地帶，該山前沖積扇區水資源充分、林草長勢茂盛，水土流失程度較輕，其空間分布與土壤、水熱資源密切相關，因而分布斑塊相對簡易；而強度、極強度水土流失區分布于人為活動頻繁的綠洲、耕地、建設用地區，這些地方地表環境脆弱、整體性差，局部地表環境破壞，易于引起水土流失以點源向面源形式擴張乃至惡化，因而其分布斑塊復雜、極不穩定。

圖3 喀什噶爾河流域水土流失強度分形維數

3 結 論

喀什噶爾河流域是南疆西北部地區水資源、植被、耕地資源的重要載體，也是區域經濟社會可持續發展的生態屏障，隨著氣候變化與人為活動加劇，該流域水土流失時有發生。以流域尺度為單元，借助分形維數理論探討該流域水土流失空間分布特征，發現水土流失強度與諸多環境因子耦合性強，且不同水土流失強度下其分布特征相異，這表明應采用差異化的措施加強水土保持工作。