(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

1 研究背景

陇东地区土壤侵蚀严重，如今塬面已残破不堪，沟壑纵横，是水土流失的重灾区。已有学者从黄土地区地貌演化、DEM提取、土壤侵蚀影响因素等方面对黄土台塬的分布发育做了研究。关于黄土地区地貌演化规律的研究有：考古学方法研究地貌演化[1]；利用水化学与同位素技术研究董志塬地区第四系地下水系统，对其补给来源、补给环境与演化规律进行探讨[2]；基于溯源侵蚀的类型和过程解释沟头侵蚀与活动特点[3-4]；基于多源高精度数据的地形地貌类型单元精确定位技术与方法试验研究黄土地貌演化规律[5]；建立黄土高原土壤侵蚀严重地区古地理数字高程模型(DEM)，大尺度分析第四纪黄土沉积过程[6-8]；基于递加侵蚀规律研究黄土地貌的演变[9]；探究黄土地貌南北纵向分异与其基底古样式的关系来分析地貌演化的进程[10]；通过黄土地貌演化与土壤侵蚀的关系探究差异演化的原因[11]等。对于DEM提取信息的研究有：利用DEM提取陆地表面形态信息[12]，基于DEM提取各类参数对大面积区域量化分析[13]，基于DEM提取沟谷网络后消除伪沟谷[14]，从规则格网DEM中提取沟谷网络[15]等。还有学者从硬化地面、土地利用、灌溉、新构造运动等土壤侵蚀影响因素的方面展开研究。

已有的研究多是从整个黄土高原尺度和小流域尺度展开，而对从中等尺度宏观整体分析黄土台塬分布规律及自然因素的研究较少。整个黄土高原尺度的分析不够细致，影像处理成图件的误差较大，小流域尺度的分析无法得到宏观的规律，而中等尺度的分析既相对细致又能减小误差产生。故本文从中等尺度出发，基于高分辨率遥感影像目视解译来研究陇东地区黄土残塬面积的分布规律，并探讨宏观尺度上自然因素对其分布规律的影响，划分出黄土残塬侵蚀破坏较严重的区域，为防灾减灾作出贡献，对陇东地区黄土台塬演化及土壤侵蚀研究提供参考。

2 研究区域及研究方法

2.1 研究区域

研究区地处西北内陆，面积约为15 654 km2，主体位于甘肃省庆阳市境内中南部，包含陕西省铜川市和宁夏省固原市的一部分，北起驿马关至庆阳城一线，南止泾河谷地，东西介于六盘山与子午岭间的谷地。该区域属温带大陆性气候，区域年降水量约在350 mm左右，年均温度8℃～10℃，无霜期150～180 d。

2.2 研究方法

首先基于高分辨率遥感影像目视解译陇东地区并将研究区按沟谷走向划分为18个区域(见图1)，再将各个区域内的残塬解译得到较为精确的残塬面积分布；基于ArcGIS 10.3，从3.88 m分辨率DEM中提取坡度为0°～5°的坡度面积，将其视为塬面和沟底的面积之和，再将提取的0°～5°坡度面积减去沟底的面积即为DEM提取的残塬面积。将目视解译获得的残塬面积与DEM提取的残塬面积进行叠加校核，验证目视解译的可靠性。用某个区域的残塬面积除以该区域的总面积得到该区域的残塬面积占比；再根据残塬面积占比的分布规律，宏观分析整体研究区的土壤侵蚀情况。残塬面积占比的公式为

(1)

式中，η为残塬面积占比，a为某个区域的残塬面积，A为该区域的总面积。

图1 残塬分区及剖面线位置Fig.1 Residual tableland propotion and section line position

为了细化分析研究区内残塬面积占比的南北向、东西向发育规律，本文在研究区上划分出4条纵剖面Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′和Ⅳ-Ⅳ′以及1条横剖面Ⅴ-Ⅴ′(见图1),通过分析剖面Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′和Ⅳ-Ⅳ′，从南北向分析残塬面积占比规律；再将研究区等距条分成14 块近似南北向的区域,通过计算条分的每个条块残塬面积占比，从东西向分析残塬面积占比规律。

为了探讨高程、黄土厚度、降雨量、植被对研究区残塬面积占比分布规律的影响。本文从4条剖面里提取高程数据与残塬面积占比拟合；结合黄土厚度数据及古地形资料，综合分析黄土厚度对残塬面积占比分布规律的影响；根据1960～2015年的雨量站数据获得研究区雨量分布图(http://www.geodata.cn)[16]，讨论降雨量是否是影响陇东地区残塬面积分布规律的因素；通过Landsat 8 OLI_TIRS 卫星数字产品获取研究区的影像，基于NDVI提取研究区的植被分布，对比植被覆盖与残塬面积分布规律。

3 结果与分析

3.1 整体残塬分布情况及数据的可靠性

3.1.1目视解译的陇东地区残塬面积分布

本文采用目视解译的方法，解译出各个区域内残塬分布，再使用ArcGIS 10.3软件计算出研究区内18个区域的残塬面积(见图2)；根据残塬所在的区域，得到各个区域残塬面积占比(后文简称“塬占比”)，见图3。各区域残塬面积及塬占比情况详见表1。

图2 各区域残塬面积Fig.2 Area of residual tableland of each region

3.1.2DEM提取的残塬分布

目视解译的残塬和DEM提取的残塬大致相同，但在研究区边缘部分仍存在很多误差。根据表1，目视解译的残塬面积S1=4 172.72 km2；而DEM提取得到的残塬面积S2= 3 408.92 km2，故两种方法的误差ΔS=S1-S2=763.80 km2。

DEM提取的残塬面积与目视解译的残塬面积相差很大，误差达到了总面积的18.4%。这可能是由于DEM自动提取时因对塬与梁峁地形的界限分析不清而忽略了塬边坡度略大的一部分塬，使得提取的面积既包含塬，也包含沟甚至是梁峁地形内平缓的部分。因此，可认为基于目视解译的陇东地区残塬面积的解译精度高于DEM提取的残塬面积。

表1 各区域残塬占比情况Tab.1 Proportion of residual tableland of each region

3.2 南北向塬占比分布规律

研究区的划分以董志塬为界，董志塬以东的区域为研究区东部，以西的区域为研究区西部。剖面Ⅰ-Ⅰ′位于研究区东部，剖面Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′和Ⅳ-Ⅳ′位于研究区西部(如图1所示)，这4条剖面均从南向北切穿研究区。将4条剖面线上的区域内点距研究区南端的距离与该点所在区域的塬占比拟合发现，随着点距剖面线南端距离的增大，塬占比逐渐变小(如图4所示)，从而反映出研究区整体从南向北，塬占比逐渐降低。

3.3 东西向塬占比分布规律

将研究区条分成14个条块之后，用ArcGIS提取每个条块内残塬的面积，绘出各条块塬占比分布图(见图5)。研究区中部区域(董志塬)在图中颜色较深，塬占比较大；从研究区中部越往两侧，条块的颜色逐渐变浅，塬占比越小。

图5 各条块塬占比Fig.5 Proportion of tableland of each strip

3.4 影响塬占比分布规律的因素

宏观来看，研究区北部和西部塬占比相对较小，南部和东部塬占比相对较大。在研究区的北西部，塬占比很小，沟谷纵横，发育了大量梁、峁地形；在研究区的北东部，塬占比也相对较小，处于侵蚀发育剧烈期；而在董志塬地区及研究区的南东部和南西部，塬占比较大，塬面保存较好。

前人对于黄土塬侵蚀影响因素的研究大致分为两类：一类是自然因素，一类是人为因素。然而，前人对于自然因素的研究仍不够详尽，孙建中在《黄土学》中分析过高程因子和地貌的关系[17]，熊礼阳通过古地形反算出黄土厚度来分析地貌继承性，雨水导致的土壤侵蚀一直是研究的热点，而植被对侵蚀的影响仍是众说纷纭[1]；对人为因素的研究，前人已经从硬化地面、土地利用、灌溉、新构造运动等多个方面做了较为详细的研究[16]。故认为，针对中等尺度的研究应从高程、黄土厚度、雨量和植被这4个方面考虑引起这种残塬差异分布规律的原因。

图8 南北向横剖面塬平均高程与塬占比拟合关系Fig.8 Fitting relationship between from south to north average elevation and tableland proportion of cross-section

3.4.1高 程

首先将各个区域的塬占比与研究区DEM结合，可直观看出：总体上高程较高的区域，塬占比较小(见图6)。再对比研究区东部和西部的塬占比与各区域平均高程的关系，发现研究区东部各区域塬占比随高程的升高而下降，而西部各区域的塬占比随高程升高变化不大(见图7)。

图6 研究区DEM与塬占比拟合Fig.6 Fitting of DEM and tableland proportion in study area

图7 研究区整体区域塬平均高程与塬占比关系Fig.7 Relationship between average elevation and tableland proportion in study area

从南北方向上，提取4条剖面上各区域的平均高程与其塬占比(具体数据详见表2～5)，将二者拟合后发现，研究区东部Ⅰ-Ⅰ′剖面切穿2～8号区域，塬面平均高程与塬占比拟合性较好，塬占比随塬面平均高程的升高而减小，成反比关系(见图8(a))；研究区西部Ⅱ-Ⅱ′切穿9，10，14，17,18号区域，塬面平均高程与塬占比拟合性相对较好(见图8(d))；Ⅲ-Ⅲ′剖面切穿9,10,12,14,15，17号区域，塬面平均高程与塬占比拟合性相对较差，仅在12号区域出现较大误差，塬占比大体上随塬面平均高程的升高而减小，成反比关系(见图8(b))；Ⅳ-Ⅳ′剖面切穿9～14，16号区域，塬面平均高程与塬占比拟合性较好, 仅在11号区域出现较大误差, 塬占比随塬面平均高程的升高而减小，成反比关系(见图8(c))。

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

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

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

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

从东西方向上，获取条分的14个条块的平均高程与塬占比数据(详见表6)，将其拟合后发现：自东向西，条块平均高程先下降后上升，而塬占比先上升后下降，且二者发生拐点的条块相同，拟合程度较好，可以认为塬占比随条块平均高程的下降而上升，二者呈反比关系(见图9)。这说明，高程是影响陇东地区残塬面积分布的主要因素之一。

表6 各条块塬占比与高程关系Tab.6 Relationship between proportion of each partitioned tableland and elevation

图9 自西向东各条块平均高程与塬占比对比关系Fig.9 Relationship between west-to-east average elevation of each partitioned tableland and proportion of tableland

3.4.2黄土厚度

为了研究黄土厚度对残塬分布规律的影响，将平凉、灵台、西峰和旬邑这4个地区的黄土厚度按从西到东的顺序与各条分块的塬占比拟合(见图10)。从图10可见，黄土厚度先上升后下降，塬占比也是先上升后下降，对比发现，黄土厚度与塬占比的拟合较好，黄土厚度越大的条块，塬占比越高，表明黄土厚度是影响陇东地区残塬面积分布的主要原因之一。

图10 自西向东各条块区域黄土厚度与塬占比拟合Fig.10 Fitting of loess thickness and tableland proportion from west to east in different regions

为了进一步认识研究区东西向黄土厚度与塬占比的关系，将横剖面Ⅴ-Ⅴ′平均分割成20段相等的线段，取每个线段中心点的高程(数据详见表7)，得到研究区东西向高程分布图(见图11)。发现研究区内自西向东，高程先下降后上升，其间有所起伏，出现起伏的点位于董志塬内，说明董志塬比其邻近区域地势高。然而董志塬地区四面环山，是马莲河河谷之外的分水岭河间地块[17]，地势较低，这与董志塬比其相邻区域地势高不符。本文认为董志塬地区黄土厚度大是造成这种现象的原因。初步分析是因为董志塬位于六盘山和子午岭之间的沟谷地带，其古地势本身较周围低，所以沉积了比较厚的黄土。

表7 横剖面高程与距研究区西侧距离关系Tab7 Relationship between elevation and distance to the west side in cross section

图11 剖面Ⅴ各点高程与距研究区西侧距离关系Fig.11 Relationship between elevation of points in Section Ⅴ and distance to the west side of study area

将已有研究所获得的黄土厚度分布图(见图12)与塬占比分区图(见图13)进行图层叠加[7]，将陇东地区按照厚度与塬占比的对应关系，分为高厚度高塬占比区、中厚度中塬占比区、低厚度低塬占比区等6个区域(见图14)。其中，厚度和塬占比呈对应关系的高厚度高塬占比区、中厚度中塬占比区和低厚度低塬占比区的塬区数量为12块，总体塬区数量为18块，黄土厚度与残塬面积比的正相关性为66.7%。结合“点、线、面”综合分析，可认为黄土厚度对黄土残塬演化起主导作用。

图12 研究区黄土厚度分布[7]Fig.12 Distribution of loess thickness in study area

图13 塬占比分区Fig.13 Tableland proportion partition

图14 厚度-塬占比分区Fig.14 Loess thickness-tableland proportion partition

3.4.3降雨量及植被

据资料得，研究区1960～2015年的降雨量大致分为3个等级：201～300，301～400 mm以及401～500 mm，整体降雨量分布差异不大[16]。研究区北部降雨量较少，南部降雨量较大，然而降雨量较大的地区，塬占比数值却较大，这有悖于常理。故由此得出降雨量不是影响陇东地区塬占比分布规律的因素。

水是导致土壤侵蚀的一个重要因素，因此降雨量大的地区，其塬占比应该越小，然而结果显示研究区降雨量大的地区塬占比反而大。本文认为降雨量可能促使了植被的发育，植被对土壤有加固作用，从而使得残塬面积较大。

通过Landsat 8 OLI_TIRS 卫星数字产品获取2017年5月的研究区影像，基于NDVI提取陇东地区的植被分布(见图15)发现，陇东地区东部和东南部的植被发育良好，越往西北植被越少，土地裸露度越高。研究区植被的分布规律与残塬面积分布规律相同，认为植被是影响陇东地区塬占比分布规律的因素。

图15 研究区植被分布Fig.15 Vegetation distribution in study area

4 讨 论

在划分的高厚度高塬占比区、中厚度中塬占比区、低厚度低塬占比区等6个区域(见图14)中，平凉市、镇原县、合水县和正宁县的部分区域位于低厚度低塬占比区(Ⅴ区)和中厚度低塬占比区(Ⅵ区)(见图16)，这些区域残塬保存情况较差、水土流失严重，应是接下来固沟保塬工程研究和监测的重点区域，建议当地政府采取相应措施。

图16厚度-塬占比分区及市县分布Fig.16 Partition of loess thickness-tableland propotion and distribution of cities and counties

此外，水土流失的加剧使得耕地面积减少，人类活动范围下降，聚居地搬迁。在以后的研究中，应将黄土塬区的分布与人文社科结合，分析黄土地区地貌演化对人类生产、人口、教育、文化带来的影响，探索黄土残塬区人地和谐相处的环境可持续发展方法。

5 结 论

本文基于高精度遥感影像目视解译分析陇东地区的残塬面积分布，宏观分析整体研究区的残塬面积占比规律；随后，探讨研究区南北向和东西向的残塬面积占比发育规律；最后，基于所发现的残塬面积占比发育规律，对高程、黄土厚度、降雨量、植被这4种影响因素展开探究，划分出塬占比较低、塬面破碎较严重的地区，为固沟保塬工程实施的方向提供支持。

(1) 研究区北部和西部的塬占比较小，南部和东部的塬占比较大。塬占比从南向北逐渐降低，中部区域(董志塬)的塬占比较大；从中部往两侧，塬占比逐渐减小。

(2) 选取高程、黄土厚度、降雨量和植被作为影响残塬面积分布规律的因素。高程越高的区域塬占比越小；黄土厚度越大的条块，塬占比数值越高；降雨量不是残塬面积比的主要影响因素；植被覆盖度与残塬面积比具有正相关性。

(3) 结合古地形和塬占比将研究区划分为高厚度高塬占比区等6个区域，发现黄土厚度与残塬面积比的正相关性为66.7%，可认为黄土厚度是影响残塬面积分布的主导因素。