王光辉

(龙门县水利水电勘测设计室,广东 惠州 516800)

中国土壤侵蚀灾害不仅面积大、分布范围广，而且水土流失的强度高，受灾严重的地区占比极高，已经成为我国最主要的自然灾害之一。地形是土壤侵蚀产生的载体，合理的地形条件会控制土壤侵蚀发生的强度[1]。地形起伏度是评价地形因子的关键因素，它是给定范围内高程最大和最小值之间的差值，它对土壤侵蚀敏感性有很大影响。在地区的水土流失研究中，随着高程模型的分辨率降低，得到的坡度、坡向等信息往往不具有代表水土流失特征的科学含义[2]，而地形起伏比不仅具有数学含义，也具有地形信息含义。地形起伏因素的分析研究是区域土壤侵蚀定量评价的重要基础工作。本文在研究区域土壤侵蚀的过程中，引入地形起伏度，来探究土壤侵蚀与地形起伏度的关联性。

1 研究区概况

龙门县是广东省惠州市的下辖县，占比面积大，地形地貌呈现出西高东低的走势，总面积为2 295 km2。龙门县的主要河流是曾江，贯穿县城南北[3]。曾江是东江最大的支流，在龙门地区被称为龙口河。另一条为西林河，发源于新丰七星岭，流经新丰、龙门、增城，流经增城孙家堡东江。全县共有7条流域面积超过100 km2的河流，其中6条为曾江支流，分别为蓝田河、铁岗河、白沙河、葛浦水、永汉水，另一条为东江支流公庄水上游，龙门的平陵水。目前，惠州地区人类活动造成的土壤侵蚀较为严重[4]。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本文使用的数字高程模型提取自资源三号遥感测绘卫星，通过ENVI和ARCGIS软件进行提取、校正等工作，经过检验，提取精度较高[5]。其机身主要搭载4台光学相机，包括1台2.1 m分辨率的全彩相机、2台3.6 m分辨率的正、反相机，能够以长期、连续和稳定的方式获得立体全色图像、多光谱图像和辅助数据(见表1和图1)。

表1 技术参数

2.2 研究方法

1) 均值变点法分析地形起伏度

研究区域高程的最高点与最低点的差值即是地形起伏度[6]。地形起伏度可以将地形因素进行定量描述。地形起伏计算表达式如式(1)～(3)所示：

图1 龙门县DEM数据

Δh=hxy，max-hxy，min

(1)

(2)

M=S/N

(3)

式中hx，y为领域内像元的高程值，hx，y，max和hxi， y， min分别代表目标栅格最大和最小高程值(x，y=1，2，3，…，n)；Δh表示高程值差；N为栅格的个数；S为栅格的起伏度和；M为平均起伏度值。

均值变点法是数理统计学当中的方法。数据拟合曲线应该是非线性的，并且只有一个变化点。在地貌研究中，该方法可以快速确定平均地貌生长速率的拐点，即最佳统计单元。在系统模型统计中，当一个时间突然变化时，时间就是变化点[7]。计算过程大致如公式(4)(5)：将样本数据i=2，…，N，分为X1，X2，…，Xi-1和Xi，Xi+1，…，Xt。

(4)

(5)

式中 表示各样本段的算术平均数，Si为样本数据分割后的统计数，S为原始样本的统计数，t为目标网格总数。当S和Si的差异达到最大值时，这一时间对应于研究区地形起伏变化的拐点，这是最好的统计单位。

2) 土壤侵蚀

原则上，土壤侵蚀强度的分类以允许土壤流失和最大国民损失为两极值，并通过插值法分为6个等级(见表2)。由于研究区地域辽阔，自然类型多样，不同地区的土壤形成速率不同，不同侵蚀区的土壤容许流失量不同[8]。土壤允许流失量是指长期保持土壤肥力的最大流失量和土地生产力的基本稳定性。

表2 土壤侵蚀强度划分标准

① 提取坡度系数。在ArcGIS 10.2软件中，利用资源三号遥感卫星提取出龙门县数字高程模型，然后运用“空间分析”模块中的“地表分析”工具生成研究区的坡度分布栅格图，并按5°、5°～8°、8°～15°、15～25°25～35°和>35°的范围进行重新分类。

② 土地利用分布类型因子。根据2014年研究区的奥利图像，在envi 5.1软件中，研究区的土地利用类型分为：

③ 植被覆盖因子的提取。在envi 5.1软件中，利用波段数学工具，利用遥感方法估算植被覆盖度。NDVI二元模型是线性混合像元分解模型中最简单、最准确的一种，用于植被覆盖度的估计。根据研究区域2014年的oli图像，利用研究区域的红外波段和近红外波段，根据以下公式估算研究区域内每个像素的归一化植被指数(NDVI)：

(6)

式中NIR表示近红外波段;RED表示红外波段。

然后，根据经验选取置信区间， 确定NDVIsoil和NDVIveg， 依照下式估算各像元的植被覆盖度FVC:

(7)

最后从30%～70%每隔15个百分点分一类，在ArcGIS 10.4软件中进行植被覆盖度的重分类。并将得到的结果叠加分析。

3 结果分析

3.1 起伏度分析

在ARCGIS 5 km×5 km的分析窗口中，提取了地形起伏度指标，然后依据地形起伏度划分标准表3对地形起伏度进行重分类色块显示。

表3 地形起伏度划分

图2 龙门县地形起伏度示意

表4 龙门县地形起伏度统计

地形起伏度分级面积/km2占比/%平原302.9413.20台地213.4359.30丘陵422.2818.40小起伏山地87.213.80中起伏山地534.73523.30大起伏山地635.71527.70极大起伏山地98.6854.30

由图2和表4可知，龙门县境内以山地为主，其中大起伏山地占比最高，为37.7%；极大起伏山地占比最低，仅为4.3%，是南昆山国家森林公园用地；平原地区占比为13.2%，多为城镇用地和耕种用地；台地占比9.3%；丘陵地区集中在平原周围，占比为18.4%。整体空间上，呈现西部高东部低的过渡性地形差异。

3.2 土壤侵蚀分布分析

对各个图层进行分析和统计，在龙门县土地利用类型中，通过调查分析，将水体划分为无土壤侵蚀强度类型，建设用地划分为微土壤侵蚀强度类型。总结其他四类土地，得到龙门县2018年土壤侵蚀强度空间分布图(见图3所示)。

图3 龙门县土壤侵蚀强度分布示意

表5 龙门县土壤侵蚀面积占比

VALUE等级面积占比/%1微度侵蚀56.32轻度侵蚀17.53中度侵蚀11.564强度侵蚀7.35极强度侵蚀6.776剧烈侵蚀0.57

由图3可以看出，龙门县土壤侵蚀较为分散，微度侵蚀范围最广，面积达到了56.3%，集中分布在地势较为平坦的平原、台地和丘陵地区。轻度和中度侵蚀区域主要分布在台地地区，面积占比分别为17.5%、11.56%。大起伏山地区域主要以强度和极强度侵蚀为主，占比为7.3%、6.77%。剧烈侵蚀零星分布在山地地区，占比最小，仅为0.57%(见表5所示)。

经计算得出龙门县年均土壤侵蚀总量为3 399 354 t，年均侵蚀模数为31 200 t/(km2·a)。由土壤侵蚀现状(见表6)可以得出各级侵蚀的侵蚀面积和侵蚀量分别为：微度侵蚀1 292 km2，258 417 t；轻度侵蚀401.6 km2，200 812 t；中度侵蚀265.3 km2，663 255 t；强烈侵蚀167.5 km2，837 675 t；极强烈侵蚀155.3 km2，1 242 972 t；剧烈侵蚀13 km2，196 222.5 t。年侵蚀量最大的是极强烈侵蚀区域，最小的是轻度侵蚀区域(见图4所示)。

表6 龙门县土壤侵蚀量计算

图4 侵蚀面积与侵蚀量占比示意

3.3 地形与土壤侵蚀相关性

土壤侵蚀综合指数可以用来分析不同地形起伏度条件下的土壤侵蚀状况，该指数能够反映土壤侵蚀的严重程度，可以用土壤侵蚀指数来表示。值越高表示对土壤侵蚀的综合指数的贡献越大，其计算如下式[9]：

(8)

式中Wij代表第i类第j级的土壤侵蚀强度的分级值;Aij代表第i类第j级的土壤侵蚀强度的面积比重。

利用GIS技术， 对高程图与土壤侵蚀图进行叠加， 产生土壤侵蚀与地形起伏之间的对应关系(见表7)。

表7 不同区域土壤侵蚀强度指数

通过表7可以看出，极大起伏山地的侵蚀强度最高，为3.22，台地的土壤侵蚀强度最低，为1.35。龙门县土壤侵蚀较为严重的地区都集中在中起伏山地以上的区域。地形起伏度越大，土壤侵蚀指数也越高，说明，土壤侵蚀与地形起伏具有正相关关系。

4 结语

基于从遥感影像中提取的DEM数据，对龙门县地形起伏度和土壤侵蚀的相关性分析，龙门县境内以山地为主，其中大起伏山地占比最高，为37.7%，整体地势呈现西部高东部低的趋势。龙门县土壤侵蚀，微度侵蚀分布范围最广，面积占比为56.3%，而年均侵蚀量贡献最大的为极强列侵蚀区域，侵蚀量为1 242 972 t，年均侵蚀量贡献最小的部分为剧烈侵蚀区域，虽然侵蚀模数高，但是侵蚀面积占比下，侵蚀量仅为196 222.5 t。随着地形起伏度的增加，土壤侵蚀指数也呈现出增加的趋势，二者的相关性为正相关。