夏運寶

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域喀什管理局 ，新疆 喀什844700）

新疆位亞歐大陸腹地，行政區(qū)面積達160萬km2。域內(nèi)阿勒泰、天山、昆侖山橫亙，間有準噶爾和塔里木兩大盆地，形成高山、高原、盆地等復(fù)雜地貌，高程介于-155～8611 m之間。由于身居陸地中心、地形封閉，海洋水汽難以到達，新疆地區(qū)氣候干燥、環(huán)境惡劣，6.2～9.0℃，平均降水量約150 mm，冬季寒冷漫長、夏季溫熱短促、全年干燥少雨，季節(jié)、晝夜溫差大。河流屬于內(nèi)流河和北冰洋水系，多油冰川融水形成，有春汛和夏汛。區(qū)域用地類型以草地、荒漠、林地、耕地為主，沙漠面積達107萬 km2，典型指標為高山草甸、溫帶灌木林、針葉林，植被主要分布于山地、綠洲附近。新疆地區(qū)地表覆被程度低、大多數(shù)地表疏松，土壤可蝕性強，但由于缺乏強降水動力，區(qū)域水土流失問題并不顯著，但仍是區(qū)域亟待解決的環(huán)境問題之一。本文基于星地多源數(shù)據(jù)，對新疆地區(qū)水土流失空間分布進行分析。

1 研究方法

1.1 通用水土流失方程

通用水土流失方程（Revised universal soil loss equation,RUSLE）是美國科學家們通過研究水土動力循環(huán)、植被涵養(yǎng)、土壤質(zhì)地、地形效應(yīng)等經(jīng)長時間實踐積累建立區(qū)域水土流失量計算公式，其將水土流失視作坡度、坡長、植被、降水強度等環(huán)境因子的函數(shù)[1]，公式如下:RUSLE=RKLSCP式中RUSLE為年水土壤流失量,單位為t/（hm2·a）；R為降雨侵蝕力因子表征降水強度對水土流失的影響，單位為MJ·mm/（hm2·h·a）；不同土壤其質(zhì)地不同,降水強度對其侵蝕力具有一定差異，以K描述土壤可蝕性，單位為t·hm2·h/（hm2·MJ·mm），L、S、C、P 依次表示坡長、坡度、植被、水土保持措施等客觀因素。

地形因子是土壤侵蝕的客觀因素，依據(jù)公式可知坡度、坡長越大，水土流失越強烈。坡度因子的提取可直接應(yīng)用ArcGIS 10.3中Spatial Analysis模塊的surface功能，以DEM數(shù)據(jù)為底圖進行提取，坡長的計算則借助柵格計算器完成[2]，如下：

L=（λ/2213）M式中,θ為坡度值，單位為°；M為坡長指數(shù)，通常取0.5；S、L分別為坡度、坡長因子。LS為坡度坡長因子的組合，計算表明區(qū)域LS的取值為0～8.23，其分布特征如表1所示。

地表可侵蝕性反映了自然狀態(tài)下土壤侵蝕強弱，通常疏松的地表環(huán)境水土流失越劇烈。學者提出的，地表可侵蝕性因子公式如下[3]：

式中：i=1，2，…，12，表示月份；Pi為月降雨總，mm；R 為降雨侵蝕力因子，其值越大，表明降雨強度越大，對地表侵蝕作用越大。植被通過地上截留、匯聚和地下固結(jié)作用減弱水土流失，其與水土流失量呈反比，可通過ENVI5.3軟件的bndmath工具進行波段計算提取。

1.2 分形維數(shù)

分形維數(shù)最早應(yīng)用于幾何學中度量幾何空間形態(tài)復(fù)雜性,是水土科學中其數(shù)學函數(shù)為變量變異函數(shù)的雙對數(shù)關(guān)系logγ（h）∝logh在一定觀測尺度h上的線性關(guān)系，計算方法如下[4]：

式中，F(xiàn)D為分形維數(shù)，其值在（1，2]之間，維數(shù)越大，表明該景觀空間分布越復(fù)雜、穩(wěn)定性越差、變異程度高；反之其空間分布簡單、穩(wěn)定性好。H為線性斜率，F(xiàn)D隨著H的增加而減小[5]。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)包含遙感數(shù)據(jù)、DEM、土地利用類型、氣象站點數(shù)據(jù)等。其中遙感數(shù)據(jù)為MODIS-MOD13A3產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)為陸地標準產(chǎn)品月植被指數(shù)，空間分辨率為500 mm，由美國國家航空航天局提供（https://modis.gsfc.nasa.gov/），提取新疆地區(qū) 2015年1～12月的指標指數(shù)，再用最大值合成法提取標準值。高程數(shù)據(jù)來源于NASA和日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省推出的SRTMDEMUTM數(shù)據(jù)（http://dat-amirror.csdb.cn/dem/），其空間分辨率約為90 m，坡度坡長則以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行提取。土地利用數(shù)據(jù)為地理國情監(jiān)測云平臺提供（http://www.dsac.cn/），其空間分辨率為1 km。氣象站點數(shù)據(jù)由國家氣象中心提供，包含新疆近30年51個氣象站點逐日降水數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)計算年平均降水量。新疆水土流失強度等級則按照1.2中方法，在ArcGIS10.3平臺上進行計算提取，其分形結(jié)構(gòu)計算在GS+9.0平臺上完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 新疆地區(qū)主要水土流失因子空間分布

以51個氣象站點年平均降水量為基礎(chǔ)，以DEM數(shù)據(jù)為協(xié)變量，采用Cokriging插值法對新疆地區(qū)降水分布進行全局估測，得到結(jié)果如圖1所示。新疆地區(qū)將空間分布不均，以天山為界，北疆地區(qū)降水量多介于150～276 mm之間，以天山山麓地區(qū)最豐富，可達450 mm以上；阿爾泰地區(qū)次之，在300 mm左右。南疆地區(qū)降水較少，局部不足50 mm。由于土地利用類型數(shù)據(jù)空間分辨率為1 km，加之本區(qū)地表徑流稀少，故而水域用地信息有所忽略?？芍?，新疆地區(qū)荒漠化面積廣大，主要分布在南疆塔克拉瑪干沙漠、準格爾盆地邊緣地區(qū)，林地是本區(qū)生態(tài)安全中心，分布于天山、阿爾泰山、昆侖山西北等高海拔處，呈條帶狀分布。耕地主要分布于綠洲、準格爾盆地、河流周邊；草地面積分布范圍廣，主要是溫帶稀疏草原，呈面狀分布。由此可見，新疆地區(qū)地表覆被質(zhì)量較差，降水稀少且分布不均衡，這將對區(qū)域水土流失產(chǎn)生可見分異。

圖1 新疆地區(qū)土地利用與降水空間分布

3.2 新疆地區(qū)水土流失基本特征

依據(jù)前述方法得到新疆地區(qū)水土流失空間分布，如圖2所示?？芍锬九璧丶捌淠喜炕哪捅苯哪畢^(qū)不存在水土流失問題，究其原因主要是這些地區(qū)地表以砂礫、戈壁、砂礫為主，并無或少于圖層覆蓋，缺乏水土流失客觀因子，這些地區(qū)面積達57.38萬km2，占新疆地區(qū)總面積的35.86%。該區(qū)主要存在微度、輕度、中度、強度、極強度水土流失問題，劇烈水土流失在該數(shù)據(jù)尺度下并未顯現(xiàn)。統(tǒng)計分析表明，以微度水土流失面積分布最廣，其主要延伸于山麓沖積扇向盆地過度地帶，該地段是新疆草地、灌木林分布密集區(qū)，水土涵養(yǎng)能力相對較好，且土壤穩(wěn)定性較好，水土流失并不顯著，面積達49.87萬km2，占區(qū)域總面積的31.16%。其次為輕度水土流失，其呈帶狀分布，面積達22.21萬km2，占總面積的13.88%。強度水土流失區(qū)主要分布于山麓與河流發(fā)源交匯處，這些地段高程變化大、冰川融水豐富，從而導(dǎo)致水土流失發(fā)生，面積達9.71萬km2，極強度水土流失分布最少，僅為6.64萬km2，占全區(qū)面積的4.15%。

圖2 新疆地區(qū)水土流失空間分布

3.3 新疆地區(qū)水土流失空間分形結(jié)構(gòu)

圖3 不同土壤侵蝕強度的分形特征

以不同水土流失強度斑塊為基本單元，在GIS平臺上提取各斑塊的面積(P)與周長(A)的信息，再運用前述1.2.2部分所述工作在GS+環(huán)境下提取分形維數(shù)，得到結(jié)果如圖3所示?？芍?，圖中不同水土流失強度斑塊的面積與周長的雙對數(shù)關(guān)系擬合良好，R2介于0.702～0.951之間，表明新疆地區(qū)水土流失存在分形結(jié)構(gòu)特征。不同水土流失強度等級中，以微度水土流失的線性斜率最大，為0.898，以極強度水土流失最小，僅為0.489，輕度、中度、強度水土流失的斜率關(guān)系依次為0.861、0.826、0.825，可知不同水土流失強度等級的分形維數(shù)依次為：微度(1.755)＞輕度(1.587)＞中度(1.586)＞強度(1.569)＞極強度(1.551)。表明，隨著水土流失強度增加，其分形維數(shù)降低，其景觀結(jié)構(gòu)斑塊越簡易。這也說明了，水土流失強度越小，其斑塊分布穩(wěn)定性越差，發(fā)生強度變化可能的可能性越大。

4 結(jié)論

新疆地區(qū)地表覆被質(zhì)量與降水等環(huán)境因子呈地帶性分布，這造成了區(qū)域水土流失空間分布差異。應(yīng)用通用水土流失方程提取了新疆地區(qū)水土流失空間分布特征，結(jié)果表明本區(qū)有35.86%的荒漠、隔壁區(qū)并無水土流失發(fā)生；水土流失主要存在微度至極強度5個等級，主要發(fā)生于山前沖積扇向盆地延伸地區(qū)，并且以微度、輕度為主，二者分布面積達49.87、22.27萬km2，是區(qū)域水土流失治理的重點。維數(shù)分析表明，新疆地區(qū)水土流失斑塊隨著水土流失強度增大而逐漸復(fù)雜化，說明微度、輕度水土流失空間分布形態(tài)變異程度高，在今后應(yīng)注重其惡性演化。本文以景觀生態(tài)學的觀點闡述了分形維數(shù)在水土流失結(jié)構(gòu)性分析中的應(yīng)用，可為區(qū)域環(huán)境規(guī)劃與景觀布局提供參考依據(jù)。