隴東地區殘塬分布規律及影響因素分析

(成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

1 研究背景

隴東地區土壤侵蝕嚴重，如今塬面已殘破不堪，溝壑縱橫，是水土流失的重災區。已有學者從黃土地區地貌演化、DEM提取、土壤侵蝕影響因素等方面對黃土臺塬的分布發育做了研究。關于黃土地區地貌演化規律的研究有：考古學方法研究地貌演化[1]；利用水化學與同位素技術研究董志塬地區第四系地下水系統，對其補給來源、補給環境與演化規律進行探討[2]；基于溯源侵蝕的類型和過程解釋溝頭侵蝕與活動特點[3-4]；基于多源高精度數據的地形地貌類型單元精確定位技術與方法試驗研究黃土地貌演化規律[5]；建立黃土高原土壤侵蝕嚴重地區古地理數字高程模型(DEM)，大尺度分析第四紀黃土沉積過程[6-8]；基于遞加侵蝕規律研究黃土地貌的演變[9]；探究黃土地貌南北縱向分異與其基底古樣式的關系來分析地貌演化的進程[10]；通過黃土地貌演化與土壤侵蝕的關系探究差異演化的原因[11]等。對于DEM提取信息的研究有：利用DEM提取陸地表面形態信息[12]，基于DEM提取各類參數對大面積區域量化分析[13]，基于DEM提取溝谷網絡后消除偽溝谷[14]，從規則格網DEM中提取溝谷網絡[15]等。還有學者從硬化地面、土地利用、灌溉、新構造運動等土壤侵蝕影響因素的方面展開研究。

已有的研究多是從整個黃土高原尺度和小流域尺度展開，而對從中等尺度宏觀整體分析黃土臺塬分布規律及自然因素的研究較少。整個黃土高原尺度的分析不夠細致，影像處理成圖件的誤差較大，小流域尺度的分析無法得到宏觀的規律，而中等尺度的分析既相對細致又能減小誤差產生。故本文從中等尺度出發，基于高分辨率遙感影像目視解譯來研究隴東地區黃土殘塬面積的分布規律，并探討宏觀尺度上自然因素對其分布規律的影響，劃分出黃土殘塬侵蝕破壞較嚴重的區域，為防災減災作出貢獻，對隴東地區黃土臺塬演化及土壤侵蝕研究提供參考。

2 研究區域及研究方法

2.1 研究區域

研究區地處西北內陸，面積約為15 654 km2，主體位于甘肅省慶陽市境內中南部，包含陜西省銅川市和寧夏省固原市的一部分，北起驛馬關至慶陽城一線，南止涇河谷地，東西介于六盤山與子午嶺間的谷地。該區域屬溫帶大陸性氣候，區域年降水量約在350 mm左右，年均溫度8℃～10℃，無霜期150～180 d。

2.2 研究方法

首先基于高分辨率遙感影像目視解譯隴東地區并將研究區按溝谷走向劃分為18個區域(見圖1)，再將各個區域內的殘塬解譯得到較為精確的殘塬面積分布；基于ArcGIS 10.3，從3.88 m分辨率DEM中提取坡度為0°～5°的坡度面積，將其視為塬面和溝底的面積之和，再將提取的0°～5°坡度面積減去溝底的面積即為DEM提取的殘塬面積。將目視解譯獲得的殘塬面積與DEM提取的殘塬面積進行疊加校核，驗證目視解譯的可靠性。用某個區域的殘塬面積除以該區域的總面積得到該區域的殘塬面積占比；再根據殘塬面積占比的分布規律，宏觀分析整體研究區的土壤侵蝕情況。殘塬面積占比的公式為

(1)

式中，η為殘塬面積占比，a為某個區域的殘塬面積，A為該區域的總面積。

圖1 殘塬分區及剖面線位置Fig.1 Residual tableland propotion and section line position

為了細化分析研究區內殘塬面積占比的南北向、東西向發育規律，本文在研究區上劃分出4條縱剖面Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′和Ⅳ-Ⅳ′以及1條橫剖面Ⅴ-Ⅴ′(見圖1),通過分析剖面Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′和Ⅳ-Ⅳ′，從南北向分析殘塬面積占比規律；再將研究區等距條分成14 塊近似南北向的區域,通過計算條分的每個條塊殘塬面積占比，從東西向分析殘塬面積占比規律。

為了探討高程、黃土厚度、降雨量、植被對研究區殘塬面積占比分布規律的影響。本文從4條剖面里提取高程數據與殘塬面積占比擬合；結合黃土厚度數據及古地形資料，綜合分析黃土厚度對殘塬面積占比分布規律的影響；根據1960～2015年的雨量站數據獲得研究區雨量分布圖(http://www.geodata.cn)[16]，討論降雨量是否是影響隴東地區殘塬面積分布規律的因素；通過Landsat 8 OLI_TIRS 衛星數字產品獲取研究區的影像，基于NDVI提取研究區的植被分布，對比植被覆蓋與殘塬面積分布規律。

3 結果與分析

3.1 整體殘塬分布情況及數據的可靠性

3.1.1目視解譯的隴東地區殘塬面積分布

本文采用目視解譯的方法，解譯出各個區域內殘塬分布，再使用ArcGIS 10.3軟件計算出研究區內18個區域的殘塬面積(見圖2)；根據殘塬所在的區域，得到各個區域殘塬面積占比(后文簡稱“塬占比”)，見圖3。各區域殘塬面積及塬占比情況詳見表1。

圖2 各區域殘塬面積Fig.2 Area of residual tableland of each region

3.1.2DEM提取的殘塬分布

目視解譯的殘塬和DEM提取的殘塬大致相同，但在研究區邊緣部分仍存在很多誤差。根據表1，目視解譯的殘塬面積S1=4 172.72 km2；而DEM提取得到的殘塬面積S2= 3 408.92 km2，故兩種方法的誤差ΔS=S1-S2=763.80 km2。

DEM提取的殘塬面積與目視解譯的殘塬面積相差很大，誤差達到了總面積的18.4%。這可能是由于DEM自動提取時因對塬與梁峁地形的界限分析不清而忽略了塬邊坡度略大的一部分塬，使得提取的面積既包含塬，也包含溝甚至是梁峁地形內平緩的部分。因此，可認為基于目視解譯的隴東地區殘塬面積的解譯精度高于DEM提取的殘塬面積。

表1 各區域殘塬占比情況Tab.1 Proportion of residual tableland of each region

3.2 南北向塬占比分布規律

研究區的劃分以董志塬為界，董志塬以東的區域為研究區東部，以西的區域為研究區西部。剖面Ⅰ-Ⅰ′位于研究區東部，剖面Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′和Ⅳ-Ⅳ′位于研究區西部(如圖1所示)，這4條剖面均從南向北切穿研究區。將4條剖面線上的區域內點距研究區南端的距離與該點所在區域的塬占比擬合發現，隨著點距剖面線南端距離的增大，塬占比逐漸變小(如圖4所示)，從而反映出研究區整體從南向北，塬占比逐漸降低。

3.3 東西向塬占比分布規律

將研究區條分成14個條塊之后，用ArcGIS提取每個條塊內殘塬的面積，繪出各條塊塬占比分布圖(見圖5)。研究區中部區域(董志塬)在圖中顏色較深，塬占比較大；從研究區中部越往兩側，條塊的顏色逐漸變淺，塬占比越小。

圖5 各條塊塬占比Fig.5 Proportion of tableland of each strip

3.4 影響塬占比分布規律的因素

宏觀來看，研究區北部和西部塬占比相對較小，南部和東部塬占比相對較大。在研究區的北西部，塬占比很小，溝谷縱橫，發育了大量梁、峁地形；在研究區的北東部，塬占比也相對較小，處于侵蝕發育劇烈期；而在董志塬地區及研究區的南東部和南西部，塬占比較大，塬面保存較好。

前人對于黃土塬侵蝕影響因素的研究大致分為兩類：一類是自然因素，一類是人為因素。然而，前人對于自然因素的研究仍不夠詳盡，孫建中在《黃土學》中分析過高程因子和地貌的關系[17]，熊禮陽通過古地形反算出黃土厚度來分析地貌繼承性，雨水導致的土壤侵蝕一直是研究的熱點，而植被對侵蝕的影響仍是眾說紛紜[1]；對人為因素的研究，前人已經從硬化地面、土地利用、灌溉、新構造運動等多個方面做了較為詳細的研究[16]。故認為，針對中等尺度的研究應從高程、黃土厚度、雨量和植被這4個方面考慮引起這種殘塬差異分布規律的原因。

圖8 南北向橫剖面塬平均高程與塬占比擬合關系Fig.8 Fitting relationship between from south to north average elevation and tableland proportion of cross-section

3.4.1高 程

首先將各個區域的塬占比與研究區DEM結合，可直觀看出：總體上高程較高的區域，塬占比較小(見圖6)。再對比研究區東部和西部的塬占比與各區域平均高程的關系，發現研究區東部各區域塬占比隨高程的升高而下降，而西部各區域的塬占比隨高程升高變化不大(見圖7)。

圖6 研究區DEM與塬占比擬合Fig.6 Fitting of DEM and tableland proportion in study area

圖7 研究區整體區域塬平均高程與塬占比關系Fig.7 Relationship between average elevation and tableland proportion in study area

從南北方向上，提取4條剖面上各區域的平均高程與其塬占比(具體數據詳見表2～5)，將二者擬合后發現，研究區東部Ⅰ-Ⅰ′剖面切穿2～8號區域，塬面平均高程與塬占比擬合性較好，塬占比隨塬面平均高程的升高而減小，成反比關系(見圖8(a))；研究區西部Ⅱ-Ⅱ′切穿9，10，14，17,18號區域，塬面平均高程與塬占比擬合性相對較好(見圖8(d))；Ⅲ-Ⅲ′剖面切穿9,10,12,14,15，17號區域，塬面平均高程與塬占比擬合性相對較差，僅在12號區域出現較大誤差，塬占比大體上隨塬面平均高程的升高而減小，成反比關系(見圖8(b))；Ⅳ-Ⅳ′剖面切穿9～14，16號區域，塬面平均高程與塬占比擬合性較好, 僅在11號區域出現較大誤差, 塬占比隨塬面平均高程的升高而減小，成反比關系(見圖8(c))。

表2 縱剖面Ⅰ塬面平均高程和塬占比關系Tab.2 Relationship between average elevation and tableland propotion in section Ⅰ

表3 縱剖面Ⅱ塬面平均高程和塬占比關系Tab.3 Relationship between average elevation and tableland proportion in section Ⅱ

表4 縱剖面Ⅲ塬面平均高程和塬占比關系Tab.4 Relationship between average elevation and tableland propoction in section Ⅲ

表5 縱剖面Ⅳ塬面平均高程和塬占比關系Tab.5 Relationship between average elevation and tableland propotion of section Ⅳ

從東西方向上，獲取條分的14個條塊的平均高程與塬占比數據(詳見表6)，將其擬合后發現：自東向西，條塊平均高程先下降后上升，而塬占比先上升后下降，且二者發生拐點的條塊相同，擬合程度較好，可以認為塬占比隨條塊平均高程的下降而上升，二者呈反比關系(見圖9)。這說明，高程是影響隴東地區殘塬面積分布的主要因素之一。

表6 各條塊塬占比與高程關系Tab.6 Relationship between proportion of each partitioned tableland and elevation

圖9 自西向東各條塊平均高程與塬占比對比關系Fig.9 Relationship between west-to-east average elevation of each partitioned tableland and proportion of tableland

3.4.2黃土厚度

為了研究黃土厚度對殘塬分布規律的影響，將平涼、靈臺、西峰和旬邑這4個地區的黃土厚度按從西到東的順序與各條分塊的塬占比擬合(見圖10)。從圖10可見，黃土厚度先上升后下降，塬占比也是先上升后下降，對比發現，黃土厚度與塬占比的擬合較好，黃土厚度越大的條塊，塬占比越高，表明黃土厚度是影響隴東地區殘塬面積分布的主要原因之一。

圖10 自西向東各條塊區域黃土厚度與塬占比擬合Fig.10 Fitting of loess thickness and tableland proportion from west to east in different regions

為了進一步認識研究區東西向黃土厚度與塬占比的關系，將橫剖面Ⅴ-Ⅴ′平均分割成20段相等的線段，取每個線段中心點的高程(數據詳見表7)，得到研究區東西向高程分布圖(見圖11)。發現研究區內自西向東，高程先下降后上升，其間有所起伏，出現起伏的點位于董志塬內，說明董志塬比其鄰近區域地勢高。然而董志塬地區四面環山，是馬蓮河河谷之外的分水嶺河間地塊[17]，地勢較低，這與董志塬比其相鄰區域地勢高不符。本文認為董志塬地區黃土厚度大是造成這種現象的原因。初步分析是因為董志塬位于六盤山和子午嶺之間的溝谷地帶，其古地勢本身較周圍低，所以沉積了比較厚的黃土。

表7 橫剖面高程與距研究區西側距離關系Tab7 Relationship between elevation and distance to the west side in cross section

圖11 剖面Ⅴ各點高程與距研究區西側距離關系Fig.11 Relationship between elevation of points in Section Ⅴ and distance to the west side of study area

將已有研究所獲得的黃土厚度分布圖(見圖12)與塬占比分區圖(見圖13)進行圖層疊加[7]，將隴東地區按照厚度與塬占比的對應關系，分為高厚度高塬占比區、中厚度中塬占比區、低厚度低塬占比區等6個區域(見圖14)。其中，厚度和塬占比呈對應關系的高厚度高塬占比區、中厚度中塬占比區和低厚度低塬占比區的塬區數量為12塊，總體塬區數量為18塊，黃土厚度與殘塬面積比的正相關性為66.7%。結合“點、線、面”綜合分析，可認為黃土厚度對黃土殘塬演化起主導作用。

圖12 研究區黃土厚度分布[7]Fig.12 Distribution of loess thickness in study area

圖13 塬占比分區Fig.13 Tableland proportion partition

圖14 厚度-塬占比分區Fig.14 Loess thickness-tableland proportion partition

3.4.3降雨量及植被

據資料得，研究區1960～2015年的降雨量大致分為3個等級：201～300，301～400 mm以及401～500 mm，整體降雨量分布差異不大[16]。研究區北部降雨量較少，南部降雨量較大，然而降雨量較大的地區，塬占比數值卻較大，這有悖于常理。故由此得出降雨量不是影響隴東地區塬占比分布規律的因素。

水是導致土壤侵蝕的一個重要因素，因此降雨量大的地區，其塬占比應該越小，然而結果顯示研究區降雨量大的地區塬占比反而大。本文認為降雨量可能促使了植被的發育，植被對土壤有加固作用，從而使得殘塬面積較大。

通過Landsat 8 OLI_TIRS 衛星數字產品獲取2017年5月的研究區影像，基于NDVI提取隴東地區的植被分布(見圖15)發現，隴東地區東部和東南部的植被發育良好，越往西北植被越少，土地裸露度越高。研究區植被的分布規律與殘塬面積分布規律相同，認為植被是影響隴東地區塬占比分布規律的因素。

圖15 研究區植被分布Fig.15 Vegetation distribution in study area

4 討 論

在劃分的高厚度高塬占比區、中厚度中塬占比區、低厚度低塬占比區等6個區域(見圖14)中，平涼市、鎮原縣、合水縣和正寧縣的部分區域位于低厚度低塬占比區(Ⅴ區)和中厚度低塬占比區(Ⅵ區)(見圖16)，這些區域殘塬保存情況較差、水土流失嚴重，應是接下來固溝保塬工程研究和監測的重點區域，建議當地政府采取相應措施。

圖16厚度-塬占比分區及市縣分布Fig.16 Partition of loess thickness-tableland propotion and distribution of cities and counties

此外，水土流失的加劇使得耕地面積減少，人類活動范圍下降，聚居地搬遷。在以后的研究中，應將黃土塬區的分布與人文社科結合，分析黃土地區地貌演化對人類生產、人口、教育、文化帶來的影響，探索黃土殘塬區人地和諧相處的環境可持續發展方法。

5 結 論

本文基于高精度遙感影像目視解譯分析隴東地區的殘塬面積分布，宏觀分析整體研究區的殘塬面積占比規律；隨后，探討研究區南北向和東西向的殘塬面積占比發育規律；最后，基于所發現的殘塬面積占比發育規律，對高程、黃土厚度、降雨量、植被這4種影響因素展開探究，劃分出塬占比較低、塬面破碎較嚴重的地區，為固溝保塬工程實施的方向提供支持。

(1) 研究區北部和西部的塬占比較小，南部和東部的塬占比較大。塬占比從南向北逐漸降低，中部區域(董志塬)的塬占比較大；從中部往兩側，塬占比逐漸減小。

(2) 選取高程、黃土厚度、降雨量和植被作為影響殘塬面積分布規律的因素。高程越高的區域塬占比越小；黃土厚度越大的條塊，塬占比數值越高；降雨量不是殘塬面積比的主要影響因素；植被覆蓋度與殘塬面積比具有正相關性。

(3) 結合古地形和塬占比將研究區劃分為高厚度高塬占比區等6個區域，發現黃土厚度與殘塬面積比的正相關性為66.7%，可認為黃土厚度是影響殘塬面積分布的主導因素。