郭 兵, 姜 琳

〔1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 山東 淄博 255000; 2.東華理工大學(xué)江西省數(shù)字國土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江西 南昌 330013; 3.區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖北大學(xué))， 湖北 武漢 430062; 4.地理國情監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 433079〕

基于多源地空耦合數(shù)據(jù)的青藏高原凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)

郭 兵1,2,3,4, 姜 琳1

〔1.山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,山東淄博255000; 2.東華理工大學(xué)江西省數(shù)字國土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌330013; 3.區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖北大學(xué))，湖北武漢430062; 4.地理國情監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢433079〕

[目的] 分析和探討青藏高原凍融侵蝕成因及其空間分布格局，為研究區(qū)水土保持研究和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐和決策參考。 [方法] 引入凍融侵蝕動(dòng)力因子(凍融期降雨侵蝕力和凍融期風(fēng)場強(qiáng)度)和凍融期降水量(表征凍融期土壤相變水量)構(gòu)建凍融侵蝕評(píng)價(jià)模型，進(jìn)而對(duì)青藏高原凍融侵蝕狀況開展了定量評(píng)價(jià)和空間格局分析。 [結(jié)果] 構(gòu)建的凍融侵蝕評(píng)價(jià)模型在青藏高原地區(qū)具有較高的適用性，總體評(píng)價(jià)精度為92%；青藏高原凍融侵蝕面積分布廣泛，占總面積的63.68%，而非凍融侵蝕區(qū)則主要分布于柴達(dá)木盆地、雅魯藏布江流域下游以及橫斷山區(qū)；凍融侵蝕強(qiáng)度隨著坡度的上升而增加，15°～24°和≥24°坡度帶上凍融侵蝕劇烈，而≤3°坡度帶凍融侵蝕強(qiáng)度相對(duì)較??；不同植被類型區(qū)的凍融侵蝕強(qiáng)度空間分布格局差異顯著，其中草甸的凍融侵蝕強(qiáng)度最小。 [結(jié)論] 青藏高原凍融侵蝕狀況總體上屬于中度侵蝕，其空間分布格局受地形、植被類型和氣候影響顯著。

凍融侵蝕; 多源數(shù)據(jù); 遙感; 凍融日循環(huán)天數(shù); 降雨侵蝕力

文獻(xiàn)參數(shù)： 郭兵, 姜琳.基于多源地空耦合數(shù)據(jù)的青藏高原凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)[J].水土保持通報(bào)，2017,37(4)：12-19.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.003； Guo Bing, Jiang Lin. Evaluation of freeze-thaw erosion in Qinghai-Tibet Plateau based on multi-source data[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：12-19.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.003

凍融侵蝕是土壤侵蝕的主要方式之一，是僅次于風(fēng)蝕、水蝕的第三大土壤侵蝕類型，其中我國凍融侵蝕區(qū)域面積占國土總面積的17.97%[1]，侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)主要分布在西藏、青海、甘肅、內(nèi)蒙古、黑龍江等省份[2]。21世紀(jì)以來，隨著全球氣候變暖日益加劇，凍融侵蝕研究已經(jīng)引起廣泛重視[3]。凍融侵蝕的形成過程十分復(fù)雜，其主要?jiǎng)恿碓从诤畠鲲L(fēng)化(物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化、生物風(fēng)化)和雪蝕的作用，前者表現(xiàn)為水分相變引起的土體或巖石的破碎，后者則表現(xiàn)為不同礦物與水分結(jié)合后體積變化引起的土壤或巖石的破碎[4]。冬末春初時(shí)期，由于溫度的頻繁變化而造成的凍融交替所引起的巖石、土壤性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而造成的凍融侵蝕作用[5]。凍融侵蝕作為青藏高原水土流失加劇的重要原因之一，一方面改變和破壞著土壤的物理性質(zhì)，降低了耕地的生產(chǎn)能力，另一方面也增加了河流的泥沙來源[6-7]。由于凍融過程破壞了土壤的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)屬性，使水土流失的物質(zhì)來源增加，加速了土壤中有機(jī)質(zhì)以及氮、磷、鉀等元素的流失，極大威脅了耕地資源、草地資源[8-9]。當(dāng)前，國外研究學(xué)者針對(duì)凍融侵蝕發(fā)生機(jī)理以及凍融侵蝕過程定量描述開展了大量研究[10-12]。雖然國內(nèi)的凍融侵蝕研究起步較晚，但是許多學(xué)者已開展了一系列相關(guān)的研究工作:吳萬貞等[13]分析了三江源地區(qū)凍融侵蝕動(dòng)力,并結(jié)合凍融發(fā)生的條件,進(jìn)行了凍融侵蝕強(qiáng)度的分析與評(píng)價(jià)；景國臣等[14]對(duì)凍融侵蝕的作用形式和危害程度進(jìn)行了分析和探討，認(rèn)為凍融侵蝕加快了土壤侵蝕速率；李瑞平等[15]基于野外實(shí)測數(shù)據(jù)分析了季節(jié)性凍融土壤水鹽運(yùn)移特征，構(gòu)建了凍融期氣溫因子與土壤水鹽運(yùn)移的關(guān)系模型；施建成等[16]利用AMSR-E(advanced microwave scanning radiometer-earth observing system)亮溫?cái)?shù)據(jù)產(chǎn)品計(jì)算相鄰兩日發(fā)射率變化來判斷一日之內(nèi)是否發(fā)生凍融循環(huán)過程，獲取了全國每年的凍融日循環(huán)天數(shù)；盛煜等[17]利用緯度、高程、太陽輻射等數(shù)據(jù)對(duì)疏勒河流域上游進(jìn)行了流域尺度的輻射調(diào)整模型、等效高程模型和區(qū)域多年凍土分布模型的研究。然而當(dāng)前多數(shù)研究中構(gòu)建凍融侵蝕評(píng)價(jià)模型多考慮地形(坡度、坡向、氣溫年較差)、植被(植被覆蓋度)、降水(年降雨量)等地理環(huán)境背景因子，而對(duì)凍融侵蝕形成的驅(qū)動(dòng)力因子考慮較少[3,6-8]。此外，凍融侵蝕的作用機(jī)理相比水力侵蝕更為復(fù)雜，青藏高原嚴(yán)酷的地理環(huán)境造成該區(qū)域地理信息觀測數(shù)據(jù)較匱乏,導(dǎo)致針對(duì)該地區(qū)的大尺度凍融侵蝕定量評(píng)價(jià)研究相對(duì)不足[4,7]。凍融侵蝕在中國分布廣泛，而青藏高原及其附近高山區(qū)是中國凍融侵蝕最集中和最強(qiáng)烈的區(qū)域[7]。本文在前人研究基礎(chǔ)上，引入凍融侵蝕動(dòng)力因子(凍融期降雨侵蝕力和凍融期風(fēng)場強(qiáng)度)構(gòu)建凍融侵蝕評(píng)價(jià)體系，開展青藏高原凍融侵蝕強(qiáng)度的定量研究，并對(duì)凍融侵蝕空間分布格局進(jìn)行分析和探討，為該地區(qū)的水土保持研究和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供重要的數(shù)據(jù)支撐和決策參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青藏高原地處中國西南部，西起帕米爾高原,東至橫斷山脈,南自喜馬拉雅山脈南緣，北到昆侖山—祁連山北側(cè)，東西長2 945 km，南北寬達(dá)1 532 km(26°00′12″—39°46′50″N,73°18′52″—104°46′59″E),面積為2.57×106km2,占中國陸地總面積的26.8%,包括西藏、青海2省區(qū)的全部和新疆、甘肅、四川、云南4省區(qū)的部分地區(qū)[4,7]。在青藏高原分布著眾多的高大山脈，主要有喜馬拉雅山脈、念青唐古拉山脈、昆侖山脈、唐古拉山脈、祁連山脈、岡底斯山脈、橫斷山脈等。該區(qū)太陽福射強(qiáng)烈，氣溫的較差大，氣溫低，年際變化較小，干濕季節(jié)分明[9]。夏季，由于受到印度洋西南季風(fēng)和印度洋的濕潤氣流的影響，高原大部分區(qū)域降水較多。而冬季，由于青藏高原受干燥的西風(fēng)帶的影響，多大風(fēng)(部分地其至達(dá)到了200 d)，降水稀少。青藏高原植被類型復(fù)雜多樣,高原水平帶譜依次出現(xiàn)森林、草甸、草原、荒漠等植被,垂直自然帶也由東南部的海洋性濕潤型遞變?yōu)楦咴沟氐拇箨懶愿珊敌蚚4]。

巖石或土體的破壞程度就越大，凍融侵蝕強(qiáng)度就越大[1]。一天內(nèi)最高溫度大于0 ℃并且最低溫度小于0 ℃則定義為一個(gè)凍融日循環(huán)[4]。年凍融日循環(huán)天數(shù)則是指一年中凍融日循環(huán)發(fā)生的天數(shù)[11]。該指標(biāo)基于青藏高原及周邊160個(gè)氣象站點(diǎn)(755站點(diǎn))近15 a的0 cm地溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算獲取的，然后用克里金內(nèi)插法得到凍融日循環(huán)天數(shù)分布圖，空間分辨率為1 000 m。

1.2.2 凍融期降水量 降水量作為影響凍融侵蝕的主要因素,已經(jīng)成為土壤侵蝕學(xué)科的共識(shí)[5]。降水主要通過巖石和土體中水分含量來影響凍融循環(huán)作用。在凍結(jié)過程中，由于水從液態(tài)凍結(jié)為固態(tài)時(shí)體積約增加1.1倍，因而降水量越大使得土體中含水量越大，水體液固態(tài)轉(zhuǎn)化對(duì)巖土體的機(jī)械破壞作用就越明顯[1,3]。在融化過程中，降水量則可以通過改變土體的物理性質(zhì)從而改變土壤的抗蝕性[12]。該指標(biāo)基于青藏高原及周邊323個(gè)氣象站點(diǎn)(755站點(diǎn)及基于TRMM數(shù)據(jù)的降水插值點(diǎn))的近15 a的降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算獲得，然后利用克里金內(nèi)插法得到凍融期降水量分布圖，空間分辨率為1 000 m。

1.2.3 凍融期降雨侵蝕力 凍融侵蝕中，降水量不僅可以增加巖土體中的含水量影響凍融侵蝕作用，而且還通過雨滴擊濺和地表徑流為凍融侵蝕提供直接動(dòng)力因素[7]。降雨量越大，降雨侵蝕力越大，水流對(duì)土壤的搬運(yùn)作用就越強(qiáng)。因而，降雨侵蝕力是影響凍融侵蝕強(qiáng)度的直接動(dòng)力因素之一[4]。該指標(biāo)基于青藏高原及周邊323個(gè)氣象站點(diǎn)(755站點(diǎn)及基于TRMM3 B42數(shù)據(jù)的降水插值點(diǎn))的近15 a的降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算獲得，然后用克里金內(nèi)插法得到凍融期降雨侵蝕力分布圖，空間分辨率為1 000 m。降雨侵蝕力計(jì)算公式為：

(1)

1.2.4 凍融期風(fēng)場強(qiáng)度 青藏高原凍融侵蝕過程多發(fā)生于冬春兩季(每年的10月至次年的4月)，而該時(shí)段的大風(fēng)日數(shù)是剩余時(shí)段的十幾倍。高原許多地方一年之中大風(fēng)數(shù)超過了100 d，部分地區(qū)甚至達(dá)到200 d[4,7]。半干旱、干旱凍融侵蝕區(qū)，風(fēng)力作用能夠影響巖土體的凍化速率和凍融侵蝕物質(zhì)的搬運(yùn)過程，因此風(fēng)力大小是影響凍融侵蝕強(qiáng)度的重要?jiǎng)恿σ蛩刂?。相關(guān)研究表明[4]，6 m/s的風(fēng)速是土壤顆粒的移動(dòng)的臨界值，因此，本研究計(jì)算了凍融期>6 m/s的風(fēng)速日數(shù)作為表征青藏高原凍融期風(fēng)場強(qiáng)度的指標(biāo)。該指標(biāo)基于青藏高原及周邊160個(gè)氣象站點(diǎn)(755站點(diǎn))近15 a的風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)計(jì)算獲取，然后利用克里金內(nèi)插法得到凍融期風(fēng)場強(qiáng)度分布圖，空間分辨率為1 000 m。

1.2.5 坡度 坡度是影響凍融侵蝕數(shù)量和侵蝕位移大小的重要因素[14]。坡度越大，巖土體表面失穩(wěn)得可能性越大，被凍融作用破壞的巖土體發(fā)生滑動(dòng)、崩塌、翻滾、跳躍的可能性顯著增加[4]。此外，隨著坡度的增加，凍融侵蝕的物質(zhì)輸移量增加，輸移的距離也增大[11]。因此，坡度對(duì)凍融侵蝕也十分重要。坡度指標(biāo)基于90 m分辨率的SRTM-DEM 利用ArcGIS 10.2的slope工具計(jì)算獲取。

1.2.6 坡向 坡向是反映不同地形條件下坡面接受太陽輻射能力強(qiáng)弱的重要因素之一[15]。陽坡太陽輻射光照時(shí)間長，地面接受的太陽輻射量就越多，因而白天地表溫度劇烈升高至0 ℃以上。而陰坡由于接受太陽輻射能量少，導(dǎo)致白天和黑夜的溫度均在0 ℃以下，造成陰坡的凍融作用明顯弱于陽坡[6]。坡向指標(biāo)是基于SRTM-DEM 重采樣數(shù)據(jù)利用ArcGIS 10.2的Aspect工具計(jì)算獲取。

1.2.7 植被 植被通過根系對(duì)土壤產(chǎn)生固結(jié)作用，提高土壤的穩(wěn)定性，還能通過截留降水和阻礙地表水的沖刷進(jìn)而直接保護(hù)地表，降低土壤侵蝕量[16]。此外，植被的存在能較大程度減小地表溫度的變化程度，減小巖土體的溫差,從而減弱凍融循環(huán)作用強(qiáng)度及其對(duì)土體的破壞。因此植被蓋度較大的地區(qū)在一定程度上可以減弱凍融侵蝕作用[4]。植被蓋度的計(jì)算采用1 000 m分辨率的MODIS NDVI數(shù)據(jù)(2000—2015年)。本研究中植被覆蓋度計(jì)算公式為：

(2)

式中：FVC——植被覆蓋度； NDVIveg——全植被覆蓋情況下像元值(置信區(qū)間為0.995)； NDVIsoil——全裸土情況下像元值(置信區(qū)間為0.005)；l——經(jīng)驗(yàn)因子，在此取值1.1。

1.3 數(shù)據(jù)來源

DEM數(shù)據(jù)采用90 m分辨率的STRM-DEM數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)集來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http:∥datamirror.csdb.cn)；風(fēng)向風(fēng)速、降水量、氣溫?cái)?shù)據(jù)來自氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)(755氣象站點(diǎn))，該數(shù)據(jù)集來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn /home.do)，而降水插值站點(diǎn)數(shù)據(jù)則基于TRMM3 B42數(shù)據(jù)獲取，該數(shù)據(jù)集空間分辨率為0.25°×0.25°，數(shù)據(jù)格式為NetCDF，來自美國NASAGoddard數(shù)據(jù)分發(fā)中心DAAC(Distributed Active Archive Center)(http：∥trmm.gsfc.nasa.gov/)；MOIDS NDVI數(shù)據(jù)空間分辨率為1 000 m,該數(shù)據(jù)集來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http:∥datamirror.csdb.cn)。

1.4 研究方法

1.4.1 凍融侵蝕區(qū)范圍界定方法 凍融侵蝕區(qū)是指具有強(qiáng)烈凍融作用的寒冷氣候條件,同時(shí)有典型的凍融侵蝕地貌形態(tài)表現(xiàn)的區(qū)域，并且該區(qū)域的凍融作用非常普遍[5,10]。

當(dāng)前，關(guān)于青藏高原凍融侵蝕區(qū)范圍確定的研究方法很多,其中得到普遍認(rèn)可的方法是取冰緣區(qū)的下界作為凍融侵蝕區(qū)的下界，取年平均溫度-2.5 ℃線作為多年凍土帶的下界，并認(rèn)為冰緣區(qū)下界比多年凍土區(qū)下界低200 m左右[8]。本研究基于青藏高原及周邊160個(gè)氣象站點(diǎn)(755站點(diǎn))30 a氣溫觀測數(shù)據(jù)和SRTM-DEM數(shù)據(jù)(緯度、經(jīng)度及海拔)利用回歸方程計(jì)算出年均溫-2.5 ℃的海拔,進(jìn)而得出凍融侵蝕區(qū)的下界海拔,最后提取準(zhǔn)凍融侵蝕區(qū)的基本范圍,再從中剔除沙漠化區(qū)和冰川區(qū),就可得到青藏高原凍融侵蝕區(qū)的范圍。所得回歸方程(通過p=0.05的顯著性檢驗(yàn))為：

(3)

式中：H——凍融侵蝕區(qū)下界海拔高度(m)；X——緯度(°)；Y——經(jīng)度(°)。

1.4.2 凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法 綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法是將不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行疊加進(jìn)行綜合計(jì)算，得到一個(gè)綜合性的評(píng)價(jià)指數(shù)[3-4,7]。國內(nèi)外針對(duì)土壤凍融侵蝕定量研究多采用分級(jí)賦權(quán)重評(píng)價(jià)模型，該評(píng)價(jià)模型首先選取不同的指標(biāo)構(gòu)建一個(gè)綜合評(píng)價(jià)體系，然后對(duì)選取的各凍融侵蝕因子進(jìn)行等級(jí)劃分，確定體系內(nèi)不同指標(biāo)的權(quán)重值，最后疊加計(jì)算形成一個(gè)加權(quán)綜合指數(shù)[4]，其計(jì)算公式為：

(4)

式中：FT——凍融侵蝕綜合評(píng)價(jià)指數(shù)； Wi——各指標(biāo)權(quán)重； Ii——分級(jí)后凍融指標(biāo)； n——采用凍融侵蝕評(píng)價(jià)因子數(shù)量。評(píng)價(jià)指數(shù)越大，凍融侵蝕越強(qiáng)烈。

2 凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)

2.1 凍融侵蝕評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)及其權(quán)重確定

選取凍融日循環(huán)天數(shù)、凍融期降水量、凍融期降雨侵蝕力、凍融期風(fēng)場強(qiáng)度、坡度、坡向和植被覆蓋度7個(gè)指標(biāo)構(gòu)建了青藏高原凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)體系，然后根據(jù)各指標(biāo)數(shù)據(jù)的直方圖分布與取值情況，參照前人的研究成果[3-4,7,13]和第一次全國水利普查凍融侵蝕研究調(diào)查評(píng)價(jià)方法，基于AHP層次分析法確定了各指標(biāo)的等級(jí)賦值標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重賦值方案(表1)。

表1 各指標(biāo)的等級(jí)賦值標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重賦值

2.2 凍融侵蝕評(píng)價(jià)結(jié)果驗(yàn)證

基于ArcGIS10.2軟件利用綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和,得到青藏高原凍融侵蝕強(qiáng)度指數(shù)。為了便于后續(xù)的凍融侵蝕空間格局分析，本文基于凍融侵蝕強(qiáng)度指數(shù)的直方圖分布結(jié)合野外觀測數(shù)據(jù)，利用ArcGIS10.2的NaturalBreaks方法對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)處理，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)詳見表2，最終得到青藏高原凍融侵蝕強(qiáng)度的分級(jí)圖(圖1)。

表2 凍融侵蝕強(qiáng)度分級(jí)

圖1 青藏高原凍融侵蝕強(qiáng)度的分級(jí)

從不同土地利用、不同植被類型、不同地形地貌上(保證野外實(shí)測數(shù)據(jù)的有效性)選取了278個(gè)野外實(shí)測(2013年)(表3)與評(píng)價(jià)結(jié)果構(gòu)建了錯(cuò)誤矩陣，分析了凍融侵蝕評(píng)價(jià)結(jié)果的精度，分析發(fā)現(xiàn)(表4)：不同凍融侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的評(píng)價(jià)精度略有差異，但是總體評(píng)價(jià)精度較高，為92%；其中，微度侵蝕區(qū)的評(píng)價(jià)精度最高，為96%，其次為輕度侵蝕區(qū)，評(píng)價(jià)精度為93%，而劇烈侵蝕區(qū)的評(píng)價(jià)精度最低，為79%，其原因在于在劇烈侵蝕區(qū)和重度侵蝕區(qū)的野外驗(yàn)證點(diǎn)較少，影響了該侵蝕等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果的驗(yàn)證精度。綜上分析，總體的評(píng)價(jià)精度表明本研究所構(gòu)建的凍融侵蝕評(píng)價(jià)模型在青藏高原地區(qū)具有較高的適用性。

表3 野外驗(yàn)證點(diǎn)分布

表4 各侵蝕級(jí)別評(píng)價(jià)精度 %

3 凍融侵蝕強(qiáng)度空間格局分析與討論

青藏高原凍融侵蝕面積分布廣泛(詳見圖1)，其面積為1.64×106km2,占青藏高原總面積的63.68%，主要分布于昆侖山、喀喇昆侖山、藏北高原、雅魯藏布江流域中上游、阿里高原、岡底斯山、巴顏喀拉山、祁連山等地區(qū)：其中輕度侵蝕區(qū)面積最廣，面積為5.124×105km2(圖2)，主要分布于那曲縣中北部、治多縣北部、噶爾縣北部以及庫爾勒市南部，其主要原因在該地區(qū)地勢較為平緩,地形坡度較小，草地、草甸廣布，植被蓋度較高，降水稀少，土壤含水量低，導(dǎo)致凍融循環(huán)作用較弱；其次為重度侵蝕區(qū)，面積為3.614×105km2，主要分布于噶爾縣的中西部、日喀則市北部以及烏蘭縣的北部和南部邊緣地區(qū)，這與以上地區(qū)的地形、氣溫和植被覆蓋度相關(guān)；微度侵蝕區(qū)和中度侵蝕區(qū)面積分別為3.444×105km2(分布于瑪沁縣、康定縣北部、治多縣南部、門源回族自治縣)，3.161×105km2(分布于噶爾縣西部、那曲縣南部)；劇烈侵蝕區(qū)面積最小，為1.051×105km2，主要分布于阿圖什市西部、喀什市、和田市北部、日喀則市北部以及林芝縣北部，其分布格局主要受地形和植被覆蓋狀況影響。而非凍融侵蝕區(qū)則主要分布于柴達(dá)木盆地、雅魯藏布江流域下游以及橫斷山區(qū)，其原因在于主要是以上地區(qū)海拔高度較低，年平均氣溫較高，凍融侵蝕特征不明顯。

圖2 研究區(qū)不同侵蝕強(qiáng)度級(jí)別面積

3.1 不同流域凍融侵蝕侵蝕強(qiáng)度分析

為了更深入分析青藏高原的凍融侵蝕空間分布特征，本研究選取了6個(gè)典型二級(jí)流域探討了凍融侵蝕在流域尺度上的空間分異格局(表5)。結(jié)果表明： (1) 羌塘高原內(nèi)陸河流域的凍融侵蝕面積最廣，面積為6.726×105km2；其次為金沙江石鼓以上流域，面積為1.604×105km2；隨后為雅魯藏布江流域，侵蝕面積為1.087×105km2；而凍融侵蝕分布面積最小的流域則為藏南諸河流域，面積為2.400×104km2。從

侵蝕區(qū)占流域總面積比例上分析：羌塘高原內(nèi)陸河流域的侵蝕面積百分比最大，為91.89%，主要原因在于該流域平均海波較高，氣溫低，氣溫較差大，寒凍風(fēng)化剝蝕和融凍泥流等凍融侵蝕作用普遍；其次為金沙江石鼓以上和塔里木河河源流域，其面積百分比分別為75.88%和69.85%，主要原因在于以上兩個(gè)流域內(nèi)山地廣布,地勢陡峻,坡度較大，凍融侵蝕過程較強(qiáng)烈；而凍融侵蝕區(qū)所占面積比例最小的流域是藏南諸河流域，為16.97%，與該流域內(nèi)植被蓋度較高，氣溫較差低，坡度較小相關(guān)。 (2) 通過對(duì)比青藏高原的6個(gè)典型二級(jí)流域的侵蝕強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)各流域的凍融侵蝕構(gòu)成比例存在顯著差異(圖3)：其中金沙江石鼓以上流域的微度侵蝕和輕度侵蝕面積分布最廣，占侵蝕面積的比例分別為36.28%，29.27%；藏南諸河流域的劇烈侵蝕和重度侵蝕面積比例最大，分別為40.42%，36.25%；瀾滄江流域的微度侵蝕和輕度侵蝕面積最廣，所占比例分別為34.41%，32.80；塔里木河河源流域中的重度和劇烈侵蝕區(qū)分布面積最廣，占侵蝕面積的比例分別為44.21%，24.21%；羌塘高原內(nèi)陸河流域的輕度和中度侵蝕區(qū)面積所占比例最大，分別為36.66，22.55%；而雅魯藏布江流域的重度和劇烈侵蝕區(qū)面積分布最廣，所占面積比例分別為39.74%，20.42%。綜上分析發(fā)現(xiàn)，微度和輕度侵蝕區(qū)面積所占比例較大的流域?yàn)闉憸娼徒鹕辰囊陨狭饔颍渲饕蛟谟谝陨狭饔虻闹脖簧w度高，氣溫年較差較小，凍融循環(huán)作用較弱。重度和劇烈侵蝕區(qū)所占面積比例較大的流域?yàn)椴啬现T河、雅魯藏布江和塔里木河河源流域，其主要原因在于藏南諸河流域和雅魯藏布江流域的地形起伏度較大，坡度陡峻，凍融期降雨和降雨侵蝕力大，凍融侵蝕地貌發(fā)育顯著，而塔里木河河源流域的凍融期風(fēng)場強(qiáng)度較大，植被覆蓋度低，巖土體表面白天在太陽輻射下強(qiáng)烈升溫融化，夜間急速降溫凍結(jié)，導(dǎo)致該區(qū)域凍融侵蝕強(qiáng)度較高。

表5 不同流域侵蝕情況對(duì)比 104 km2

注：*表示該流域在青藏高原內(nèi)部的部分。

3.2 不同坡度凍融侵蝕強(qiáng)度分析

不同坡度上的凍融侵蝕構(gòu)成比例差異顯著。由圖4可以知道，15°～24°和≥24°坡度帶上劇烈侵蝕區(qū)占絕對(duì)優(yōu)勢，其所占侵蝕總面積百分比分別為64.37%，94.55%；而8°～15°坡度帶上重度侵蝕區(qū)分布面積最廣，其面積百分比為51.79%，其次為劇烈侵蝕區(qū)，其面積百分比為21.57%，微度和輕度侵蝕區(qū)分布面積較?。?°～8°坡度帶上重度侵蝕區(qū)所占面積比例最大，其次為輕度侵蝕區(qū)，其比例分別為32.83%，29.07%；微度和輕度侵蝕區(qū)在≤3°坡度帶上分布面積最大，分別為37.38%，43.02%。綜上分析發(fā)現(xiàn)，青藏高原凍融強(qiáng)度隨著坡度的上升而增加，坡度越大，重度和劇烈侵蝕區(qū)所占侵蝕面積百分比越大，其原因在于坡度與凍融侵蝕量和侵蝕位移的大小具有較大的正相關(guān)性,坡度越大,凍融侵蝕產(chǎn)物被輸送的就越多越遠(yuǎn)[14]。因此，在降水和重力的綜合作用下，坡度較大的地區(qū)其凍融侵蝕程度會(huì)大大提高。

圖3 各流域不同等級(jí)侵蝕強(qiáng)度對(duì)比

3.3 不同植被類型凍融侵蝕強(qiáng)度分析

植被可以保護(hù)地表,減弱凍融作用的強(qiáng)度及其對(duì)土體的破壞，因此不同植被類型區(qū)的凍融侵蝕強(qiáng)度空間分布格局差異顯著，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖5)，針葉林區(qū)的微度和輕度侵蝕區(qū)分布面積最廣，所占面積百分比分別為23.4%，29.36%；闊葉林的重度和輕度侵蝕區(qū)的面積百分比最大，分別為27.03%，21.62%；灌叢的輕度侵和重度侵蝕區(qū)面積較大，而劇烈侵蝕區(qū)分布面積較小；荒漠和草原的輕度和中度侵蝕區(qū)占絕對(duì)優(yōu)勢，其面積百分比(輕、中之和)分別為55.09%，56.07%；草甸區(qū)的微度和輕度侵蝕區(qū)面積分布較大，占侵蝕總面積的62.17%，而劇烈侵蝕區(qū)分布面積最?。晦r(nóng)作物的輕度侵和重度侵蝕區(qū)面積較大，其面積百分比分別為26.09%，30.43%。綜上分析發(fā)現(xiàn)：草甸的凍融侵蝕強(qiáng)度最小，其原因在于該區(qū)的植被覆蓋度較高(植物根系對(duì)土壤的固結(jié)作用、冠層阻礙地表水的沖刷作用)，加上草甸區(qū)的坡度平緩，因而凍融侵蝕強(qiáng)度較弱；而闊葉林和農(nóng)作物的凍融侵蝕強(qiáng)度相對(duì)較大，其原因在于闊葉林區(qū)地形起伏較大，降水較多，凍融期降雨侵蝕力較大，加行人類活動(dòng)強(qiáng)度日益增大(亂砍亂伐等)，植被遭到較大的破壞，因而該區(qū)凍融侵蝕強(qiáng)度較大，而農(nóng)作物區(qū)的凍融侵蝕強(qiáng)度較大則主要是受人類活動(dòng)的影響，如開挖邊坡等，一系列的開發(fā)活動(dòng)形成的凍融侵蝕常引發(fā)大型滑塌。

圖4 各坡度帶不同等級(jí)侵蝕強(qiáng)度對(duì)比

圖5 各植被類型區(qū)不同等級(jí)侵蝕強(qiáng)度對(duì)比

4 結(jié) 論

(1) 改進(jìn)后的凍融侵蝕評(píng)價(jià)模型在青藏高原具有較高的適用性，其總體評(píng)價(jià)精度達(dá)到92%，其中微度侵蝕區(qū)的評(píng)價(jià)精度最高，為96%。

(2) 青藏高原凍融侵蝕面積分布廣泛，為16.394×105km2,占總面積的63.68%，而非凍融侵蝕區(qū)則主要分布于柴達(dá)木盆地、雅魯藏布江流域下游以及橫斷山區(qū)。瀾滄江和金沙江石鼓以上流域的微度和輕度侵蝕區(qū)面積所占比例較大，而藏南諸河、雅魯藏布江和塔里木河河源流域的重度和劇烈侵蝕區(qū)面積分布最廣。

(3) 凍融侵蝕強(qiáng)度隨著坡度的上升而增加：15°～24°和≥24°坡度帶上劇烈侵蝕區(qū)占絕對(duì)優(yōu)勢；微度和輕度侵蝕區(qū)在≤3°坡度帶上分布面積最大。

(4) 不同植被類型區(qū)的凍融侵蝕強(qiáng)度空間分布格局差異顯著：草甸的凍融侵蝕強(qiáng)度最小，而闊葉林和農(nóng)作物的凍融侵蝕強(qiáng)度相對(duì)較大。

(5) 盡管本研究構(gòu)建的凍融侵蝕評(píng)價(jià)模型在青藏高原具有很好的使用性，然而凍融侵蝕機(jī)理的研究尚處于探索階段，特別是隨著全球氣候變化及國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)凍融侵蝕理機(jī)理和評(píng)價(jià)體系研究的需求日益迫切，后續(xù)的研究需要從理論上有所突破，為凍融侵蝕區(qū)的水土保持和生態(tài)環(huán)境建設(shè)等提供科技支撐。

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Evaluation of Freeze-thaw Erosion in Qinghai-Tibet Plateau Based on Multi-source Data

GUO Bing1,2,3,4, JIANG Lin1

〔1.Shandong University of Technology, School of Civil Architectural Engineering, Zibo, Shandong 255000, China; 2.Key Laboratory for Digital Land and Resources of Jiangxi Province, East China University of Technology, Nanchang， Jiangxi 330013, China; 3.Hubei Key Laboratory of Regional Development and Environmental Response(Hubei University), Wuhan, Hubei 430062, China; 4.Key Laboratory for National Geographic Census and Monitoring, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Wuhan, Hubei 433079, China〕

[Objective] To analyze and explore the causes and the spatial patterns of the freeze-thaw(FT) erosion in Qinghai-Tibet Plateau, and to provide important data support and decision-making references for soil and water conservation research and eco-environment protection in this region. [Methods] The driving force factors of FT erosion(the rainfall erosion and wind field strength during FT period) and the precipitation during FT period(indicating the soil water content) were introduced to establish an evaluation system of FT erosion and then the spatial distribution pattern of FT erosion were analyzed. [Results] The evaluation model of FT erosion had high applicability in Qinghai-Tibet Plateau with the overall evaluation accuracy of 92%. The FT erosion area were widely distributed, covering 63.68% of the total area; and the non-FT erosion zones were mainly distributed in the lower reaches of the Yarlung Zangbo River Basin, Qaidam Basin and the Hengduan mountains. The intensity of FT erosion increased with the increase of slope. The erosion intensities of 15°～24° and ≥24° slope zone were severe while that of ≤3° slope zone was relatively slight. The spatial distribution patterns of FT erosion intensity among different vegetation types were significantly different. The FT erosion intensities of broad leaved forest and crops were relatively severe while that of meadow was slighter. [Conclusion] The FT erosion of Qinghai-Tibet Plateau belonges to the level of moderate erosion and the spatial patterns are significantly affected by terrain, plant types and climate factors.

freeze-thawerosion;multi-sourcedata;remotesensing;numberofdaysoffreeze-thawcycles;rainfallerosion

A

： 1000-288X(2017)04-0012-08

： P642.14

2016-11-16

：2017-01-26

東華理工大學(xué)江西省數(shù)字國土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目“南嶺山地森林及生物多樣性生態(tài)功能區(qū)生態(tài)脆弱性驅(qū)動(dòng)因子定量分析研究”(DLLJ201709)； 區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金項(xiàng)目[2017(B)003]； 地理國情監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(2016NGCM02); 山東理工大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(4041/416027)； 國家重大科技專項(xiàng)(00-Y30B14-9001-14/16)； 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41501425)

郭兵(1987—),男(漢族),山東省高青縣人,博士,講師,主要從事生態(tài)環(huán)境與災(zāi)害遙感的研究。E-mail:guobingjl@163.com。

姜琳(1987—),女(漢族),山東省文登區(qū)人,碩士,主要從事環(huán)境遙感的研究。E-mail:linlin20061998@126.com。