基于ALOS DEM的烏蒙山國家級自然保護區地貌特征研究

李 偉，王 平，丁智強，李鵬映，廖正杭，華紅蓮，李玉輝

（1.云南烏蒙山國家級自然保護區管護局，云南 昭通 657000；2.云南師范大學 地理學部，昆明 650500；3.福建師范大學 地理科學學院，福州 350007）

由內外營力在漫長地質歷史時期塑造的地貌形態特征影響著熱量和水分條件的空間分異，進而影響地表水文生態過程和生物多樣性，也直接驅動人類對國土空間開發利用的歷史和強度（丁智強 等，2021a；王平 等，2021）。區域地貌是區域自然地理學研究的重要組成部分，其能從整體性和系統性的角度對其宏觀表現、空間結構以及演化歷史進行探索（湯國安 等，2017）。傳統的區域地貌研究主要通過野外考察和紙質地形圖對地貌特征進行定性描述，能選取的地貌指標十分有限，在研究區域上也多以流域、山脈等自然地理單元為主（馮金良 等，2004；萬曄 等，2005）。而隨著高精度數字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）數據獲取技術和手段的成熟，相關學者對包括全球、國家、地區等不同空間尺度以及典型區域（包括黃土高原、青藏高原、西南喀斯特區以及月球地貌）的地貌特征和發育演化進行了研究（湯國安 等，2017；Xiong et al., 2022；畢奔騰 等，2022），如Snethlage 等（2022）基于DEM 數據開發了全球山脈分級清單，程維明等（2018；2019）探索了中國地貌區劃和月球形貌類型劃分方法，熊禮陽等（2020）基于DEM數字地形數據系統分析了黃土地貌發育演化過程。這些成果極大促進了對區域地貌的認識，同時也形成了豐富的地貌指標體系。相比而言，海拔和起伏度是快速、直觀反映區域地形結構特征的關鍵指標，同時也是確定區域基本地貌類型、劃分地貌單元的重要依據（李炳元 等，2008）；坡度、坡向則主要影響水分和溫度的空間分異，對區域水土保持規劃治理措施空間配置具有重要參考價值；面積-高程積分（Hypsometric Index, HI）在揭示區域地貌演化階段方面具有易獲取、地貌意義明確的特點，已得到廣泛應用（祝士杰 等，2013；丁智強等，2021b；Duan et al., 2022）。

保護地是政府批準以對典型生態系統、地質地貌遺跡、珍稀動植物資源、重要野生動物棲息地和植物生境進行特殊管理和保護的國土空間范圍，其類型包括風景名勝區、地質公園、歷史遺跡、森林公園、自然保護區、世界遺產地等（Huang et al.,2019）。經過近40 年的快速發展，中國有超過15%的國土面積被納入保護地管理，使全國生態系統服務功能得到顯著改善（Wu et al., 2019）。其中國家級自然保護區是最為重要、保護措施最為嚴格的一類保護地，其首要任務是保護生物多樣性，相關研究也主要集中在生物多樣性調查（趙彩云 等，2022）、生態水文過程（金奇豪 等，2021）、社區發展、生態旅游（徐麗 等，2022）等方面，但越來越多的研究認為地質、地貌、土壤等的多樣性，特別是地貌類型多樣性對生物多樣性產生影響（Tuki‐ainen et al., 2019; Hjort et al., 2022），比如豐富的地貌類型不僅增加了當地自然環境的異質性，還為區域資源、微地形和微氣候的形成提供了基礎，這為不同生物創造了多樣化的生態位、微生境和避難所。Liu 等（2021）評估了云南省自然保護區自然環境異質性與生物多樣性的關系，認為自然環境異質性可以作為生物多樣性的有效替代指標，Karna等（2019）認為流域地貌多樣性促進了河流生物多樣性。但目前對自然保護區地貌特征的研究依然不足，已有研究主要集中在地質公園類型上，且多以地質公園申報、開展地質旅游、地質遺跡教育等需求為導向（Chrobak et al., 2021；魏玉燕 等，2021）。

加強對自然保護區地貌特征的范式研究，有助于為特殊國土空間管控背景下自然保護區的資源環境管理、生態和生物多樣性研究、以及空間生態治理提供地貌學支撐。烏蒙山國家級自然保護區位于云南高原向四川盆地過渡的斜坡地帶，受金沙江及其支流的強烈侵蝕切割，地勢起伏大，地表破碎，是典型的大起伏亞高山、中山峽谷山原地貌區，其生境復雜多樣，珍稀、瀕危、特有動植物物種豐富。地貌是引起該保護區及附近地區水分、熱量及其組合產生空間分異的主導因素，但有關研究至今未見報道。就其地貌的類型、結構、演化等進行研究，可為認識該保護區地貌特征，有效管護資源環境，研究生態和生物演化等提供地貌依據。因此，本研究以烏蒙山國家級自然保護區為對象，融合野外地質地貌調查和ALOS DEM 數字地形分析，定量與定性相結合闡述區內地形分異、地貌格局與發育演化等特征。

1 研究區概況

烏蒙山國家級自然保護區（以下簡稱“保護區”）于2013年經國務院批準建立，位于云南省東北部昭通市下轄的大關、彝良、鹽津、永善、威信5 個縣境內，金沙江下游，貴州巖溶山原、四川盆地、滇中高原、橫斷山脈東緣4個自然地理區域的結合部位和過渡地帶。地理坐標為27°47′41″－28°17′40″ N，103°51′47″－104°45′05″ E，海拔980～2 454.7 m，總面積26 186.65 hm2。保護區由互不相連的3個片區組成（圖1），其中，三江口片區位于永善、大關、鹽津3 縣境內，面積8 386.98 hm2，朝天馬片區位于彝良、鹽津、大關3縣境內，面積15 004.06 hm2，海子坪片區位于彝良、威信2 縣境內，面積2 795.61 hm2。在中國大地構造分區中（潘桂堂 等，2009）位于“揚子陸塊南部碳酸鹽巖臺地”西部，區內主要有鹽津—永善—巧家斷裂、大關—昭通—巧家斷裂、彝良—昭通—巧家斷裂等[圖1-b，據文獻（李大虎 等，2019）修繪]。出露的巖石地層以二疊系灰巖和玄武巖最為廣泛，其次是泥盆系石英砂巖、頁巖、石灰巖等。三江口片區所在山地為五蓮峰，朝天馬和海子坪2個片區則位于烏蒙山北部。上新世以來新構造抬升和金沙江及其支流橫江、團結河、檜溪河等的侵蝕切割強烈，保護區及附近地區地勢起伏大，區域地貌為大起伏中山峽谷山原。保護區是云南省唯一一個以典型常綠闊葉林生態系統為主要保護對象的森林生態系統類型國家級自然保護區，以珙桐、南方紅豆杉、福建柏、天麻、云豹、林麝、小熊貓、大鯢等為代表的國家重點保護的珍稀瀕危特有動植物物種豐富。

圖1 保護區地理位置及定量地貌指標空間分布Fig.1 Geographic location of the reserve and spatial distribution of its quantitative geomorphic indicators

2 數據與方法

2.1 數據源

數字地形分析基于ALOS（Advanced Land Ob‐servation Satellite）DEM數據，像元分辨率12.5 m×12.5 m，祝士杰等（2013）的研究顯示，相近分辨率可以保證地貌參數提取的精度要求。在ArcGIS 10.2 中對DEM 進行數據鑲嵌、密度分割、幾何校正、范圍裁剪和彩色暈染等預處理，并采用高志遠等（2019）的方法對照1∶10 萬地形圖對海拔進行校正，以滿足研究需要。

2.2 定量地貌指標獲取

綜合研究區范圍大小、數據精度以及研究目標，選擇表征區域地貌特征的海拔、起伏度、坡度、坡向和面積-高程積分5個地貌指標。其中，海拔可以用DEM 數據表示，在討論基本山地地貌類型時，按低海拔（980～1 000 m）、中海拔（1 000～2 000 m）和亞高海拔（2 000～2 454.7 m）進行等級劃分。坡度利用ArcGIS 中的“Slope”工具得到，但由于從DEM上提取坡度時具有明顯的尺度效應，所以結合研究區的地形特征使用文獻中的坡度變換方法（劉飛 等，2019）對從DEM 計算得到的坡度進行修正，最后參照《森林資源規劃設計調查技術規程（GB/T26424-2010）》（唐小平 等，2011），將坡度劃分為平坡（0°～5°）、緩坡（>5°～15°）、斜坡（>15°～25°）、緩陡坡（>25°～35°）、急坡（>35°～45°）、險坡（>45°）6 個等級。坡向利用ArcGIS中的“坡向”工具得到，并按林超等（1985）提出的標準，劃分為陽坡（>135°～225°）、半陽坡（>90°～135°和>225°～270°）、半陰坡（>45°～90°和270°～315°）、陰坡（>315°～45°）、平地（0°）5 個等級。

2.3 面積-高程積分與熱點分析

面積-高程積分的基本原理是以某區域的相對高度比為縱軸、相對面積比為橫軸繪制得到面積-高程積分曲線（Hypsometric Curve, HC），曲線與X軸和Y軸圍成的面積，HI代表該流域受到風化侵蝕作用后地表殘留物質所占原有物質的比例。當HI＞0.6時，HC一般呈上凸形，表示流域物質被侵蝕的量較少，此時流域地貌特征為地表崎嶇，起伏較大，地貌演化階段處于幼年期；當0.35≤HI≤0.6時，HC 一般呈“S”形，表明流域物質受到強烈侵蝕，地形起伏度達到最大，地貌類型呈現多樣化和復雜化，此時流域地貌處于壯年期；當HI＜0.35 時，HC一般呈下凹形，即表明大部分物質被侵蝕殆盡，此時外動力條件以堆積夷平為主，地形起伏逐漸減小，地貌向準平原化發展，流域地貌處于演化階段的老年期（Strahler, 1952）。

相關研究發現，HI 受DEM 分辨率和空間分析尺度的影響較大（Duan et al., 2022），通過對DEM分辨率和網格大小的嘗試，最終確定以12.5 m×12.5 m DEM分辨率和150 m×150 m網格計算保護區HI。熱點分析（Getis OrdGi）用于展示高HI（熱點）和低HI（冷點）的空間分布特征。熱點分析的基本原理是對數據集中的每一個要素進行統計，通過得到的Z 得分和P 值，讓高值或低值要素在空間上聚類，“極熱點”被定義為Z得分高，P值＜0.05的區域，而“極冷點”則定義為Z 得分低，P值＞0.05 的區域，具體公式見Hazaymeh 等（2022）的描述。

3 結果分析

3.1 海拔、起伏度與基本地貌類型

保護區海拔980～2 454.7 m，平均海拔1 859.9 m，3 個片區平均海拔排序為三江口（1 955.8 m）＞朝天馬（1 890.8 m）＞海子坪（1 339.8 m），山地類型可劃分為低山、中山和亞高山，面積排序為中山＞亞高山＞低山，占比分別為69.33%、30.66%和0.01%。3 個片區相比，三江口和朝天馬均以中山為主，次為亞高山，低山占比很小，海子坪全域均為中山。保護區內起伏度390～2 104.7 m，平均起伏度1 392.1 m，3個片區平均起伏度排序為三江口（1 629.8 m）＞朝天馬（1 454.5 m）＞海子坪（706.1 m）。區內總體上以大起伏山地為主，面積2 34.95 km2，占比88.11%，有62.47%分布于朝天馬片區，其次是三江口片區，面積86.65 km2，占比36.88%，中起伏山地29.80 km2，占保護區總面積的11.17%，有82.43%分布于海子坪片區，小起伏山地僅分布于海子坪片區，面積1.91 km2。

綜合考慮海拔和起伏度的基本地貌類型劃分對于保護區生物多樣性管理和人類活動干擾評價等具有重要意義（李炳元 等，2008）。將劃分的3 個海拔類型與3 個起伏度類型在ArcGIS 中進行空間疊加，得到保護區基本地貌類型分布圖（圖1-d）。5類基本地貌類型按面積排序為大起伏中山＞大起伏亞高山＞中起伏中山＞小起伏中山＞中起伏低山（表1），其中大起伏中山面積153.19 km2，占比57.45%，主要分布在朝天馬片區，其次是三江口片區，而海子坪片區分布較少。大起伏亞高山面積81.76 km2，占比30.66%，朝天馬和三江口分布面積接近，分別為42.81 和38.94 km2，在海子坪片區無分布。中起伏中山面積29.78 km2，占比11.17%，其中有82.72%分布于海子坪片區。小起伏中山面積1.91 km2，占比0.72%，僅分布于海子坪片區。中起伏低山面積僅0.02 km2，占比0.01%，僅分布于三江口片區。

表1 保護區基本地貌類型面積和占比Table 1 Area and proportion of basic geomorphic types in Wumeng Mountain National Nature Reserve

3.2 坡度、坡向與地形剖面特征

保護區坡度0°～75.5°，平均坡度為21.1°。坡度結構以緩坡和斜坡為主，面積分別為92.88和83.22 km2，占比為34.83%和31.21%，其次是緩陡坡，面積為46.85 km2，占比17.57%，其余的急坡、平坡和險坡面積合計占比為16.39%（表2）。3個片區平均坡度排序為三江口（23.9°）＞朝天馬（22.4°）＞海子坪（17.1°），其中三江口和朝天馬坡度結構均以緩坡和斜坡為主，其次是緩陡坡，合計面積占比分別為78.27%和86.31%，而海子坪片區以斜坡和緩陡坡為主，其次是緩坡，三者面積合計占比為85.75%（圖1-e）。保護區坡向結構以半陰坡面積最大，占比27.92%，以陽坡面積最小，占比21.70%，半陽坡和陰坡占比分別為25.54%和24.55%（見表2）。從各片區看，三江口和朝天馬均以半陰坡和半陽坡為主，其次是陰坡，平地的面積最小，而三江口則以陰坡和半陰坡為主，其次是半陽坡和陽坡（圖1-f），在3個片區中光照資源最差。

表2 保護區坡度、坡向結構特征Table 2 Characteristics of slope and aspect structure of the protected area

地形剖面線是以海拔高度為縱軸，起算點到結束點空間距離為橫軸的制圖表達方式，其能通過地勢在不同空間位置和相同海拔高度上的變化特征來揭示區域構造運動的特征。從經過三江口、朝天馬和海子坪3個片區的地形剖面線可以看出，保護區海拔從西北向東南逐漸降低，對應的起伏度和坡度也在逐漸減小。從保護區海拔最高的三江口片區臘子坪到金沙江河谷，共發育7級剝夷面（圖2），Ⅰ級為山頂面，海拔2 450 m 左右，Ⅱ～Ⅶ級為剝蝕面，海拔從高到低分別為2 200、1 900、1 600、1 200、900、550 m。從3個片區看，臘子坪發育有4級剝蝕面，朝天馬片區發育5級剝蝕面，海子坪片區由于海拔高差較小，僅發育2級剝蝕面，反映構造隆升幅度自西北向東南逐漸減小的趨勢。

圖2 保護區地形剖面結構特征Fig.2 The structural features of the terrain profile in the reserve

3.3 面積-高程積分值特征

HI 既是揭示區域地貌發育演化階段的有效指標，亦可以指示區內水土流失強度的空間差異（祝士杰 等，2013）。保護區HI在0.197～0.815之間，平均為0.503，三江口、朝天馬和海子坪3個片區平均HI分別為0.549、0.516和0.453，整體處于地貌演化的壯年早期階段，具有較強的地表動力過程和水土流失風險。從各個地貌演化階段的面積統計看（表3），以處于壯年階段的區域分布最廣，包括壯年早期和壯年晚期，二者面積合計為221.01 km2，占保護區總面積的82.89%。其次是青年期地貌，面積36.16 km2，占保護區總面積的13.56%，主要分布于海拔較高的梁子、臺地區域，如三江口片區的七家馬梁子、臘子坪一帶，以及朝天馬片區的高龍塘、老碗長梁子、望香臺等地，海子坪片區的雷打山以及大和地、尖子山一帶。面積最少的是老年期地貌，面積9.47 km2，占比為3.55%，以朝天馬片區面積最大，主要分布于罩子山和大坡梁子之間的生態廊道以及馬背梁子、黃河梁子以南的峰叢洼地區，在三江口主要分布于南部的婆娘巖一帶（圖3）。

表3 保護區各地貌演化階段面積和占比Table 3 Area and proportion of each geomorphic evolution stage in Wumeng Mountain National Nature Reserve

圖3 保護區面積-高程積分空間分布Fig.3 Spatial distribution of hypsometric integral of the reserve

4 討論

3個片區海拔、起伏度、坡度、HI等地貌因子表現出自西向東逐漸減小的變化特征，這與該區域斷裂構造活動息息相關。三江口和朝天馬片區更靠近華南塊體與大涼山次級塊體的交界區域（張培震等，2003），有昭通—蓮峰斷裂帶和馬邊—鹽津斷裂帶在此交匯。昭通—蓮峰斷裂帶為晚第四紀—全新世活動斷裂，具逆沖—右旋走滑運動性質，走滑速率南段為5～7 mm/a，中—北段為3～4 mm/a（聞學澤 等，2013）。馬邊—鹽津斷裂帶為大涼山次級塊體的東部邊界，為擠壓逆沖性質（張世民 等，2005）。2 條斷裂帶總體表現為斷裂之間地塊的差異性、間隙性隆升，其隆升幅度總體西部大、東部小，形成地勢上顯著下降的趨勢。受區域隆升作用的影響，該區域流水切割作用相當強烈，金沙江、橫江、白水江等干流及其各支流的切割深度超過1 000 m，從臘子坪到金沙江河谷的高差則接近2 000 m。內外營力的共同作用使得該區域表現出高海拔、高起伏度、高坡度和高HI值的特點，而海子坪片區由于遠離斷裂交匯區，地勢起伏度和HI值相對較小。

構造斷裂的差異性和間歇性活動特征是保護區層狀地貌形成和空間差異的重要原因。影響保護區地貌發育演化的昭通—蓮峰斷裂和馬邊—鹽津斷裂帶位于青藏高原東南緣，其構造運動特征與始新世以來青藏高原的形成演化和構造變形過程密切相關，亦具有差異性和間歇性隆升特征（方小敏，2017），導致保護區及附近地區地貌具有層級特征，層狀地貌發達。雖然后期受地表河流切割破壞，但通過地形剖面線分析依然可以看出該區域共有7級夷平剝蝕面，各等級夷平剝蝕面的類型具有差異性。根據已有研究，該區第Ⅰ、Ⅱ級為高原隆升之前的山頂面（馮金良 等，2004），第Ⅲ級為殘余古夷平面（Clark et al., 2004），第Ⅶ級為金沙江河流階地面，第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級為剝蝕面，形成于高原隆升及初始地貌面解體之后，其形成與區域地殼階段性隆升有關，所以三級剝蝕面可以指示該區經歷的三次構造隆升－夷平旋回過程，這與方小敏（2017）、Liu 等（2019）的研究一致，說明該區域普遍存在的夷平剝蝕面與更大空間尺度上的構造運動階段具有可對比性。

特殊的地貌結構和發育演化特征有助于保護區生物多樣性的形成和可持續發展。通過野外地質地貌調查，結合12.5 m×12.5 m 的ALOS 數字地形數據分析，烏蒙山國家級自然保護區地勢在空間上從西北到東南逐漸降低，保護區分布于高海拔的山頂面和夷平面范圍內（見圖3），因此在區內地勢相對平坦，起伏較小，四周向金沙江、橫江、白水江等河谷過渡的區域往往地形起伏大，坡度以急坡和險坡為主。烏蒙山區人類活動歷史悠久，人地矛盾向來突出，人口增長帶來的森林退化和過渡開發是該區域面臨的嚴重生態環境問題，但正是由于保護區獨特地形結構特征，導致歷史上很少有人類涉足，才使得區域內的生物多樣性及其所依附的各環境要素得以保留其原始狀態。因此，從長時間尺度看，豐富的地貌結構類型為區內的動植物提供了高度異質性的生境類型，使保護區內生物多樣性得以形成，同時獨特的地貌結構特征也是保護區內生物多樣性得以存續發展的重要基礎。本研究沒有直接分析地貌特征多樣性與保護區生物多樣性的相關關系和直接影響，未來將進一步對保護區內重點保護動植物生存發展的微生境展開調查，計算包括地質、地貌、土壤等非生物環境因素的多樣性，評估地理環境多樣性對重點保護動植物的影響。

5 結論

將野外地質地貌調查與ALOS DEM 數字地形分析相結合，選用海拔、起伏度、基本地貌類型、坡度、坡向、面積-高程積分值和地形剖面等地形指標反映烏蒙山國家級自然保護區地貌特征，得出以下結論：

1）保護區海拔980～2 454.7 m，平均為1 859.9 m，起伏度390～2 104.7 m，平均為1 392.1 m，基本地貌類型以大起伏中山（57.45%）為主，其次為大起伏亞高山（30.66%）；平均坡度21.1°，以緩坡（34.83%）和斜坡（31.21%）為主，其次是緩陡坡（17.57%）；各坡向面積排序為半陰坡（占27.92%）> 半 陽 坡（25.54%）> 陰 坡（24.55%）> 陽 坡（21.70%）>平地（0.29%）。

2）保護區位于山體中上部，各保護片區具有中部坡度、起伏度小而四周大等特點，從三江口片區到朝天馬、海子坪片區，海拔、起伏度、坡度、面積-高程積分值等地貌參數平均值具有逐漸減小，夷平剝蝕面級數逐漸減少的趨勢，其中平均海拔由1 955.8 m 降低到1 890.8 和1 339.8 m，平均起伏度由1 092.0 m 降低到1 024.0、468.8m，平均坡度由23.9°降低到22.4°和17.1°，平均HI 由0.549 降低到0.516 和0.453；夷平剝蝕面由7 級減少至6 級和4級；中山所占面積比例則由55.42%增大到71.69%和100%，各片區基本地貌類型面積比例差異顯著。

3）保護區面積-高程積分值0.197～0.815，平均為0.503，超過80%的區域處于地貌演化的壯年階段；保護區及附近地區層狀地貌發育，共有7級夷平剝蝕面，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級為殘余古山頂面和古夷平面，第Ⅶ級為金沙江侵蝕階地面，第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級為構造剝蝕面，與區域3次構造旋回相對應，同時從三江口到朝天馬和海子坪片區的剝蝕面級數逐漸減少，反映構造隆升幅度隨之逐漸減小的趨勢。

4）地貌是森林生態系統類型保護區自然生態環境的基礎和重要組成部分，本研究基于海拔、起伏度、坡度、坡向、面積-高程積分等定量化指標以及基本地貌類型劃分來探討烏蒙山國家級自然應保護區地貌特征，其結果不僅能為保護區生物多樣性形成、演化及續存機制分析提供支撐，也能為其他類似保護區的地貌特征研究提供范式參考。