基于GIS 和分形理論的榃濱河流域水土流失空間信息研究

謝銘健，張曉遠

(廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635)

1 材料與方法

1.1 榃濱河流域概況

榃濱河為粵西羅定縣羅定河支流，發源于西部丘陵，干流長46 km，流域面積307 km2。流域內地形西北高、東南低，海拔介于83 m～762 m 之間，多為丘陵、河谷平原。常年受赤道低壓、東亞季風與南亞季風控制，形成南亞熱帶季風氣候，常年溫暖濕潤，年均溫20.3℃，年降水量達1552 mm，水熱資源豐沛。該區靠近北回歸線，典型植被為亞熱帶常綠闊葉林，植被結構呈現草地、灌木、喬木立體分布。區域水土流失以水蝕為主，5 月～10 月份強降水集中，為土壤侵蝕多發季節。隨著退耕還林換草工程實施，流域內林草覆蓋度迅速提高，并發揮了巨大生態效益。當前流域水土流失主要問題是局部侵蝕嚴重且分布零散，導致治理困難；其次為土地開發頻繁，潛在流失區增加。

1.2 水土流失信息提取

以遙感數據為基礎，結合GIS 技術進行水土流失信息提取已經發展成為水土流失調查與監測的普遍方法。本研究以2017 年榃濱河流域Landsat OLI 數據為基礎，在ENVI5.3 軟件平臺上運用bandmath 工具提取植被覆蓋度C，通過面向對象監督分類獲取土地利用類型信息。在ArcGIS10.3 平臺上通過疊加分析等操作，提取水土流失強度等信息，具體操作參見參考文獻[1-2]。

通用水土流失方程(Revised universal soil loss equation,RUSLE)是國際國內應用廣泛的水土流失估算公式，基于水土動力循環、植被涵養、土壤質地、地形效應等，將區域水土流失量表征如下：

式中：RUSLE 水土壤流失量,單位為t/(hm2·a)；R、K、L、S、C、P 分別為降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子坡長、坡度、植被、水土保持措施等客觀因子。基于屬性、空間數據分別獲取上述因子柵格圖層，通過python 接口計算水土流量，即侵蝕模數。

1.3 土壤水土流失強度綜合指數

為評定水土流失強弱等級，水利部給出了《土壤侵蝕分類分級標準—SL190296》，其計算公式為[3]：

式中：I 為水土流失強弱等級，i、j 分別為土地利用類型、水土流失分級序列數；G 為土壤水土流失強度分級值，該標準將微度、輕度、中度、強度、極強度、劇烈的分級值依次為0、2、4、6、8 和10；P 為土地利用類型結構比。

1.4 分形維數

由于不同水土流失強度等級在空間上以景觀斑塊形式呈現，為表征其斑塊穩定性，利用分形理論進行計算。分形理論可表示為變量面積—周長雙對數關系，如下[4]：

2 結果與分析

2.1 榃濱河流域水土流失宏觀特征

圖1 研究區水土流失格局

榃濱河流域土壤侵蝕空間格局見圖1，可知該流域水土流失強度分為微度至極強度等5 個等級，沒有劇烈等級；從其空間分布來看，不同水土流失強度斑塊異質性強。統計分析顯示，榃濱河流域以輕度水土流失為主，面積達158.46 km2，占區域總面積的51.62%，說明該區水土保育功能較好、土壤侵蝕風險較低，這得益于該流域植被覆蓋度高、人為破壞程度小。微度流失主要于流域內山脈地帶，面積為103.25 km2，占全區面積的33.63%，有學者研究表明[5]，南方紅壤區高植被覆蓋林區由于降水密集、強度大，也會對林下地表產生侵蝕，由此看來雖然該流域水土流失整體強度較小，但仍要加強植被立體結構建設。中度水土流失區呈帶狀分布，與河流形態相似，面積僅占8.02%；強度和極強度水土流失面積最小，分別占2.36%、4.37%，呈現離散分布。

2.2 榃濱河流域水土流失空間分形特征

圖2 榃濱河流域不同水土流失強度的分形特征

應用Fractual4.3 工具，在GIS 平臺上提取不同水土流失強度斑塊的周長、面積，進行對數轉換之后進行線性擬合，結果如圖2 所示。可知，各強度的雙對數擬合關系較好，R2 介于0.7～0.93 之間，表明水土流失強度斑塊具有良好分形特征。經計算，微度至極強度水土流失斑塊的雙對數擬合斜率依次0.8264、0.8189、0.6224、0.4158、0.3974，則得到其分形維數依次為：1.587、1.591、1.689、1.792、1.801；由此可見，隨著侵蝕強度變大，分形維數也增大，說明水土流失較弱的地區與區域環境耦合性密切、空間分布結構性強；而水土流失強度大的斑塊，結構松散，容易發生演變。

2.3 榃濱河流域水土流失空間自聚集性

表1 不同土壤水土流失強度的空間自相關參數

通過ArcGIS10.3 軟件的Moran's I 分形工具計算不同水土流失強度的空間聚集性參數，如表3 所示。不同水土流失強度的全局Moran's I 值均大于0，具有正向空間聚集性特征，經標準化后，Z 值均超過閾值(±1.96)水平，說明其空間聚集性顯著(P＜0.05)。隨著水土流失強度加大，Moran's I 數值與Z 值逐漸減小，表明其空間聚集性減弱，這與前述2.2 部分結果一致。

2.4 榃濱河流域水土流失與土地利用的關系

用地類型體現著土壤質地、地形環境的差異，同時對人為活動、土地經營產生密切影響，眾多研究表明，土地類型是影響水土流失強度的重要因子。為探究二者之間的關系，主要進行了一些分析：①不同用地類型下水土流失強度指數特征；②用地結構與侵蝕模數之間的關系。

圖3 榃濱河流域不同用地類型水土流失強度指數

如圖3 所示，榃濱河流域內不同土地利用的水土流失強度存在差異，以耕地的強度指數最大，達6.067，表明其最易產生水土流失；其次是建設用地，達5.07，主要由于土地開發過程中對地表破壞較大；園地的水土流失強度指數為4.55，草地、林地分別為2.14、2.36，有學者研究指出[6]，灌草地是地表侵蝕的最后且有效屏障，其對降水的截留作用遠大于林地，這與本文研究一致。水域用地由于缺少可侵蝕物質，因此侵蝕強度指數最小，僅為1.79。

圖4 榃濱河流域水土流失量與用地類型結構比直接的關系

基于水土流失公式，以土地利用類型斑塊為計算單元，獲取其侵蝕模數，并以用地結構為解釋變量，建立模型，如圖4 所示。可知，水土流失量對用地結構具有依賴性，且用地類型不同，其依賴關系存在差異。其中，水土流失量與草地的關系為 (y=-1097.4x+837.94，R2=0.596，P＜0.01)；與林地建模關系為(y=-508.91x+495.99，R2=0.571，P＜0.01)；說明林、草地對水土流失具有減少的作用，其中水土流失量與草地的關系斜率小于林地，說明草地的水土涵養能力高于林地，這與上述研究結論一致。水土流失量與耕地的關系表現 為(y=324.04x+206.19，R2=0.2207，P＜0.05)，與 建 設 用 地 的關系表現為(y=315.88x+ 206.33，R2=0.258，P＜0.05)；隨著耕地、建設用地增加，流域水土流失量亦增大。當區域內裸地面積增加時，水土流失量以(y=170.6x+248.7，R2=0.086，P＞0.05)的形式變化；而水域結構比與水土流失的關系表現為(y=125.68x+254.64，R2=0.086，P＞0.05)，表明二者間的關系不顯著。

3 結論

粵西紅壤區植被覆蓋度高、降水強度大，林下土壤侵蝕問題猶存，流域水土流失不容忽視。在榃濱河流域的研究表明，該流域整體水土流失強度較小；但值得注意的是強度水土流失斑塊分布離散，其空間形態已發生改變。這表明退耕還林還草工程的實施背景與當下城鎮化加快、土地開發頻繁有關。研究表明，林地、草地等用地類型與水土流失量之間呈負效應，而建設用地、耕地與之成正效應，故而優化區域用地結構也是增強水土涵養能力的重要措施。