丁智強(qiáng)， 王 平?， 李玉輝， 龐云海

(1.云南師范大學(xué)地理學(xué)部，650500，昆明； 2.云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院昆明分院，650200，昆明)

地貌是在地質(zhì)構(gòu)造基礎(chǔ)上，經(jīng)過漫長的地質(zhì)歷史，在內(nèi)外營力塑造下呈現(xiàn)的地表形態(tài)特征，是生物多樣性的基礎(chǔ)。地勢的高低起伏直接影響太陽輻射、日照、熱量和水分的空間分布，進(jìn)而影響水文、植被、土壤等的空間分異，形成類別豐富的生境。目前，區(qū)域地貌特征方面的研究成果很豐富，如中國科學(xué)院自然區(qū)劃委員會(huì)[1]、沈玉昌等[2]、李炳元等[3]分別對中國地貌特征進(jìn)行研究，進(jìn)一步對中國地貌進(jìn)行區(qū)劃；張保升[4]、孫廣友[5]、吳敬東等[6]對秦嶺山地、三江平原、北京山區(qū)的地貌特征進(jìn)行定性分析，并針對特定區(qū)域的地貌格局提出不同的開發(fā)利用方案。近年來，隨著大區(qū)域、高精度數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM) 的共享和地理信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對區(qū)域地貌特征進(jìn)行定量研究已成為可能。如Gao等[7]利用DEM 數(shù)據(jù)計(jì)算青藏高原東北緣的多個(gè)地貌指標(biāo)，提出青藏高原隆起主要集中在逆沖斷層附近。程維明等[8]基于GIS、RS 技術(shù)和相關(guān)遙感數(shù)據(jù)，系統(tǒng)總結(jié)新疆地貌格局特征及其效應(yīng)，李玉輝等[9]基于DEM 和GIS 平臺(tái)分析石林縣域的地貌結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)一步揭示石林發(fā)育和空間分布的新機(jī)制。已有研究表明，區(qū)域地貌特征定量研究有助于深入認(rèn)識(shí)區(qū)域生態(tài)環(huán)境空間分異機(jī)制，也可為優(yōu)化調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、開展水土流失治理、管護(hù)生態(tài)環(huán)境等提供地貌學(xué)依據(jù)。針對生態(tài)系統(tǒng)類型特別是以水源地水源林為主要保護(hù)對象的自然保護(hù)區(qū)地貌特征的研究甚為薄弱，鮮見報(bào)道。昆明雙河—磨南德水源林自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的車木河、五一、瑤沖、鍋底箐等十余個(gè)水庫，是安寧市最重要的城市集中飲用和應(yīng)急水源地，保護(hù)區(qū)內(nèi)多村莊和耕地，20世紀(jì)70—90年代毀林開荒、砍伐林木、樵采薪材、放牧、林下采集等干擾活動(dòng)頻繁，現(xiàn)狀水源林主要為次生林、人工林，經(jīng)果林和農(nóng)作物面積比例大，許多地段土壤侵蝕較強(qiáng)烈，森林水源涵養(yǎng)功能不強(qiáng)。隨著人口的增多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，水庫面臨水質(zhì)和庫容下降、水生態(tài)系統(tǒng)退化等威脅。

基于ALOS(Advanced Land Observing Satellite) DEM 數(shù)據(jù)，將RS、GIS 技術(shù)與野外地質(zhì)地貌調(diào)查相結(jié)合，定量分析、揭示雙河—磨南德水源林自然保護(hù)區(qū)地貌特征，既為該保護(hù)區(qū)調(diào)整、優(yōu)化生態(tài)空間格局、開展水土保持規(guī)劃等工作提供地貌學(xué)的理論支撐，并可為其他類似自然保護(hù)區(qū)及水源地開展地貌特征研究提供參考，同時(shí)本研究也是對特殊國土空間管控背景下區(qū)域地貌研究的豐富和深化。

1 研究區(qū)概況

昆明雙河—磨南德水源林自然保護(hù)區(qū)(以下簡稱保護(hù)區(qū))位于滇中高原云南省昆明市西南部安寧市八街街道辦事處中南部和晉寧區(qū)雙河彝族鄉(xiāng)境內(nèi)，金沙江右岸普渡河上游支流鳴矣河(又稱八街河，源頭河段稱老江河)源頭地區(qū)(圖1)，主要河流有一六街河、招壩河、九村河等，車木河水庫位于車木河上，庫容4 840萬m3，流域面積189.7 km2，占保護(hù)區(qū)總面積(305.8 km2)的62%。地理坐標(biāo)E 102°15′40″～102°30′22″，N 24°28′25″～24°40′36″。出露的巖石以前震旦系昆陽群板巖、千枚巖、灰?guī)r和震旦系白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r、砂巖為主，斷裂有近東西向的溫水營平移斷層(F1)、核桃園逆斷層(F3)以及近南北向的法古甸逆斷層(F2)。海拔1 930～2 522 m，高差592 m，氣候?yàn)榈途暩咴衼啛釒駶?、半濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫13.4 ℃～15.3 ℃，年降水量891.8～914.3 mm。土壤有紅壤、黃棕壤、紫色土、石灰土和水稻土等?，F(xiàn)狀植被以次生的、人工的云南松(Pinusyunnanensis)林為主，其次是次生半濕性常綠闊葉林、針闊葉混交林、人工華山松(Pinusarmandi)林、旱冬瓜(Alnusnepalensis)林、銀荊(Acaciadealbata)林，以及經(jīng)果林、農(nóng)作物等。

圖1 保護(hù)區(qū)的空間位置Fig.1 Spatial location of the Natural Reserve

2 研究方法

基于衛(wèi)星相控陣型L波段合成孔徑雷達(dá)采集的ALOS DEM數(shù)據(jù)，像元分辨率為10 m×10 m，采用ArcGIS 10.2 軟件對DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)鑲嵌、密度分割、幾何校正、范圍裁剪和彩色暈染等，將RS、GIS 技術(shù)與野外地貌調(diào)查相結(jié)合，選擇能反映區(qū)域地貌形態(tài)特征的海拔、坡度、坡向、起伏度以及Strahler面積-高程積分值(hypsometric index，HI)[10]5個(gè)地貌參數(shù)以及地形剖面圖，定量分析雙河—磨南德水源林自然保護(hù)區(qū)地貌特征。

1)海拔可用DEM數(shù)據(jù)表示，但由于下載的DEM數(shù)據(jù)和實(shí)際地形存在誤差，所以基于1∶1萬地形圖對DEM進(jìn)行海拔校正，然后隨機(jī)、均勻地選取地形圖上有明確位置和海拔數(shù)據(jù)的300個(gè)測試點(diǎn)，使用高志遠(yuǎn)等[11]的方法對校正后的DEM 進(jìn)行精度評價(jià)，結(jié)果顯示其與1∶1萬地形圖的平均誤差為-0.7 m，中誤差為6.7 m，校正后的精度誤差滿足本研究的需要。利用“Slope”工具從 DEM 上提取坡度，結(jié)合研究區(qū)地形特征，選用坡度尺度變換模型方法[12]對計(jì)算得到的具有明顯尺度效應(yīng)[13]的坡度進(jìn)行修正，并將坡度劃分為平坡[0°，5°)、緩坡[5°，15°)、斜坡[15°，25°)、緩陡坡[25°，35°)、急坡[35°，45°)、險(xiǎn)坡[ 45°，61.5°)。利用“坡向”工具提取坡向，并將其劃分為陽坡[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(gè)等級(jí)。

2)起伏度是區(qū)域內(nèi)最高海拔與最低海拔的差值，因受統(tǒng)計(jì)范圍的影響較大，以致目前有較多的計(jì)算方法[14-16]。筆者依據(jù)《中國1∶100萬地貌圖制圖規(guī)范(試行)》中起伏度的定義和測定方法[15]，以及李炳元等[17]提出的山地起伏高度分類指標(biāo)，將八街河與車木河交匯處的海拔(1 920 m)作為確定起伏高度的基準(zhǔn)。

3)面積-高程積分值(hypsometric integral，HI)能夠定量描述Davis地貌侵蝕循環(huán)論中的3個(gè)發(fā)育演化階段[18]，對區(qū)域水土流失強(qiáng)度的空間分布亦有明顯的指示作用[19]。通過構(gòu)建不同等高線上的面積和相對高差之間的函數(shù)關(guān)系來評價(jià)流域地貌演化階段和侵蝕動(dòng)力差異。當(dāng)HI>0.6時(shí)，面積-高程積分曲線(hypsometric curve，HC)一般呈上凸形，表示流域物質(zhì)被侵蝕的量較少，此時(shí)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(dāng)0.35≤HI≤0.6時(shí)，HC一般呈“S”形，表明流域物質(zhì)受到強(qiáng)烈侵蝕，地形起伏度達(dá)到最大，地貌類型呈現(xiàn)多樣化和復(fù)雜化，此時(shí)流域地貌處于壯年期；當(dāng)HI<0.35時(shí)，HC一般呈下凹形，即表明大部分物質(zhì)被侵蝕殆盡，此時(shí)外動(dòng)力條件以堆積夷平為主，地形起伏逐漸減小，地貌向準(zhǔn)平原化發(fā)展，流域地貌處于演化階段的老年期[14]。

相關(guān)研究表明，HI受空間分析尺度影響較大，而受DEM分辨率的影響較小[20]。從研究區(qū)的實(shí)際分析來看，將DEM分辨率從10 m×10 m重采樣到200 m×200 m大小，得到的HI 值均處于0.365～0.375之間(圖2a)，所以最終以10 m×10 m的原始分辨率進(jìn)行分析；對于流域提取尺度而言，流域面積閾值在0～4 km2時(shí)，得到的子流域HI平均值隨著面積閾值的增大而減小，當(dāng)面積閾值≥4 km2時(shí)，子流域HI平均值在0.351～0.355之間變化(圖2b)，所以最終以4 km2得到面積閾值將研究區(qū)劃分為32個(gè)子流域，然后基于CalHypso for QGIS 插件計(jì)算每個(gè)子流域HI (圖2a)和HC (圖2b)。

圖2 保護(hù)區(qū)HI 與DEM 分辨率、面積閾值的相關(guān)性分析Fig.2 Correlation analysis between HI (hypsometric index) and DEM (digital elevation model) resolution and area threshold in the Natural Reserve

3 結(jié)果與分析

3.1 海拔、起伏度與基本地貌類型

保護(hù)區(qū)海拔1 930～2 522 m，平均(2 105±113) m。依據(jù)中國陸地基本地貌類型分類系統(tǒng)中的海拔高度分級(jí)指標(biāo)[17]，可劃分為中山[1 930，2 000 m)和亞高山[2 000，2 522 m)(圖3a)，二者面積分別占保護(hù)區(qū)總面積的22.86%和77.14%。保護(hù)區(qū)起伏度為0～622 m，平均起伏度(212±113) m，可劃分為平原[0，30) m、丘陵[30，200) m、小起伏山地[200，500) m、中起伏山地[500，622) m(圖3b)，其面積占比排序?yàn)樾∑鸱降?50.22%)>丘陵(46.88%)>平原(1.83%)>中起伏山地(1.08%)。將3個(gè)海拔類型和4個(gè)起伏度類型組合，可將保護(hù)區(qū)基本地貌類型劃分為中海拔平原(5.60 km2)、中海拔丘陵(64.31 km2)、亞高海拔丘陵(79.06 km2)、小起伏山地(153.59 km2)、中起伏山地(3.290 km2)(圖3b)，其面積占比排序?yàn)樾∑鸱鼇喐呱?50.21%)>亞高海拔丘陵(25.85%)>中海拔丘陵(21.03%)>中海拔平原(1.83%)>中起伏亞高山(1.08%)。

圖3 保護(hù)區(qū)基本地貌類型和起伏度類型空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of basic landform types and relief types in the Natural Reserve

3.2 坡度和坡向

地表某一位置的坡度為過該點(diǎn)的切線與水平面之間的夾角，是對地表陡緩程度的定量描述，決定著坡面流水的侵蝕強(qiáng)度。保護(hù)區(qū)坡度范圍值0°～61.5°，平均坡度15.4°±8.6°，以緩坡(38.87%)和斜坡(32.73%)為主，其次是陡緩坡(15.76%)，平坡(6.88%)、急坡(4.72%)和險(xiǎn)坡(1.03%)所占面積比例很小。平坡和緩坡集中于車木河水庫、溫水營、雙河、德滋，合占保護(hù)區(qū)總面積的50.47%(圖4a)。斜坡和緩陡坡主要分布于河谷平原向丘陵、山地過渡的斜坡地帶，合占保護(hù)區(qū)總面積的48.29%。急坡和險(xiǎn)坡零星分布于山脊線附近，面積僅占保護(hù)區(qū)總面積的1.23%。

圖4 保護(hù)區(qū)坡度和坡向空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of slope and aspect in the Natural Reserve

坡向與輻射、日照、溫度、濕度、植被類型的空間分異密切相關(guān)，進(jìn)而造成土地資源開發(fā)利用強(qiáng)度的差異[21]。通常，陽坡/半陽坡的輻射、日照、溫度較半陰坡、陰坡高，更適宜發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，大多是水土流失的重要源區(qū)。保護(hù)區(qū)平地(1.01%)面積比例很小，陽坡(26.45%)、陰坡(24.81%)略高于半陽坡(24.67%)和半陰坡(23.06%)，彼此面積比例差異不大，分布也較均勻(圖4b)。

3.3 地形剖面與盆地分析

以線代面形成的地形高程剖面，能直觀反映區(qū)域地貌形態(tài)、輪廓特征、地勢變化及地表切割強(qiáng)度等。圖5a為經(jīng)過保護(hù)區(qū)最高點(diǎn)(無名山北坡)和最低點(diǎn)(車木河水庫)的近南北向地形剖面圖，該圖揭示保護(hù)區(qū)層狀地貌較發(fā)育，共有三級(jí)剝蝕面(Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí))和一級(jí)堆積地貌面(Ⅳ級(jí))，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)剝蝕面海拔約為2 520、2 350和2 200 m，第Ⅳ級(jí)堆積地貌面海拔1 930 m。圖5b為近東北-西南向(白龍山-大灣坡山)的地形剖面圖，該圖亦顯示了與圖5a對應(yīng)的三級(jí)剝蝕面、堆積地貌面及其海拔高度。

圖5 保護(hù)區(qū)南北向和東北-西南向地形剖面圖Fig.5 Topographical profiles of the Natural Reserve in north-south and southwest-northeast

由圖5和圖3可見，保護(hù)區(qū)內(nèi)壩子(又稱山間盆地，即中海拔平原)廣泛發(fā)育。根據(jù)童紹玉對壩子的范圍界定和分類[22]，基于1∶5萬地形圖提取保護(hù)區(qū)內(nèi)的壩子。結(jié)果表明：面積>0.1 km2的壩子共有30個(gè)，其中面積在[0.1，1) km2的有17個(gè)，[1，5) km2的有11個(gè)，>5 km2的有2個(gè)，德滋壩面積最大，達(dá)10.88 km2，壩子總面積為50.35 km2，占比達(dá)16.5%。按構(gòu)造條件、溶蝕和地表徑流侵蝕堆積動(dòng)力過程等，保護(hù)區(qū)內(nèi)壩子可劃分為斷陷溶蝕壩、斷陷河谷壩、溶蝕河谷壩、喀斯特溶蝕壩4個(gè)類型。斷陷溶蝕壩是受斷裂控制，斷裂陷落和喀斯特溶蝕共同作用下形成的，周邊丘陵山地巖石以碳酸鹽巖為主，該類型壩子包括德滋壩、核桃園壩、法古甸壩等15個(gè)；斷陷河谷壩是在前期斷裂控制陷落后，經(jīng)河流沖積作用形成，周邊丘陵山地主要由碎屑巖構(gòu)成，分布小面積碳酸鹽巖，有魯資壩、韭菜沖壩、雙河壩、溫水營壩等8個(gè)；溶蝕河谷壩即壩子狹長而有河流發(fā)育，周邊丘陵山地主要由碳酸鹽巖構(gòu)成，分布少量碎屑巖，典型代表為龍洞村壩、窩鋪母壩、荒川-瑤沖壩等4個(gè)；喀斯特溶蝕壩無斷裂和河流發(fā)育，周邊丘陵山地以碳酸鹽巖為主，分布小面積碎屑巖，以火草壩、桃園哨壩和干塘子壩較典型。

3.4 面積-高程積分值特征

保護(hù)區(qū)面積-高程積分值(HI)范圍為0.220～0.538，平均值0.374(圖6)。在提取的31個(gè)子流域中，有12個(gè)子流域的HI<0.35，占子流域總數(shù)的38.7%，這些流域處于地貌演化的老年階段，主要分布于德茲、車木河水庫、招壩、溫水營、雙河等河谷地區(qū)，地形起伏度小于100 m，坡度以平坡和緩坡為主，基本地貌類型以中海拔平原和丘陵為主；有17個(gè)子流域HI在0.35～0.475之間，占子流域總數(shù)的54.8%，主要分布在磨南德、老熊山、官山3個(gè)片區(qū)，地形起伏度在100～300 m之間，部分山峰超過500 m，坡度以緩坡、緩陡坡和斜坡為主，基本地貌類型以亞高海拔丘陵和小起伏亞高山為主；有2個(gè)子流域HI在0.475～0.6之間，占子流域總數(shù)的6.5%，主要分布于核桃園、黑山一帶，地形起伏度在300 m以上，坡度以陡緩坡和斜坡為主，基本地貌類型為小起伏亞高山。

圖6 保護(hù)區(qū)面積-高程積分值HI分布圖和面積-高程積分曲線HCFig.6 HI and HC in the Natural Reserve

4 討論與結(jié)論

新生代以來保護(hù)區(qū)及附近地區(qū)伴隨青藏高原隆升經(jīng)歷過多次間歇性抬升剝蝕夷平過程[23]，導(dǎo)致該區(qū)域剝蝕面具有層級(jí)特征，層狀地貌發(fā)達(dá)，但由于斷裂構(gòu)造發(fā)育，隆升過程中地表河流切割強(qiáng)烈，各級(jí)剝蝕面的空間連續(xù)性差，中間分布有成因類型不同的山間盆地。通過地形剖面線揭示了該區(qū)域的三級(jí)剝蝕面特征(圖5)，可能反映了該區(qū)經(jīng)歷3次構(gòu)造隆升事件，其結(jié)果與李吉均等[24]對青藏高原隆升階段的研究一致。同時(shí)，保護(hù)區(qū)內(nèi)>0.1 km2的山間盆地共有30個(gè)，盆地面積占比16.5%，說明山盆相間分布是該保護(hù)區(qū)顯著的地貌特征之一，這與保護(hù)區(qū)位于云南地貌區(qū)劃中的“昆明、通海高原湖盆小區(qū)”[25]內(nèi)密切相關(guān)，該區(qū)域也是云南高原山—盆耦合演化的典型區(qū)域之一，盆地的空間分布、形態(tài)特征等是未來研究的重要方向。

HI的空間分異往往反映不同地層、巖石、構(gòu)造對地貌演化進(jìn)程的約束，能夠有效揭示區(qū)域地貌演化階段。但隨著研究的深入，相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)HI 對水土流失強(qiáng)度具有指示作用。如信忠保等[26]分析黃土高原HI，發(fā)現(xiàn)其丘陵溝壑區(qū)HI 與輸沙模數(shù)存在顯著的正相關(guān)；孫希華[27]分析濟(jì)南山丘區(qū)HI，亦發(fā)現(xiàn)其與土壤侵蝕危險(xiǎn)度平均值、土壤侵蝕強(qiáng)度綜合指數(shù)呈現(xiàn)良好的對應(yīng)關(guān)系；祝士杰等將黃土高原地區(qū)基于HI 得到的地貌區(qū)劃圖與該區(qū)水土流失分區(qū)圖和輸沙模數(shù)分區(qū)圖進(jìn)行疊加，發(fā)現(xiàn)三者具有相當(dāng)程度的耦合關(guān)系[19]。保護(hù)區(qū)平均HI 為0.374，表明該區(qū)域地表動(dòng)力過程和土壤流失較強(qiáng)烈，加之區(qū)內(nèi)多山間盆地，以小起伏山地和丘陵為主(圖3b)，緩坡占比接近40%(圖4a)，適宜人類居住和耕作。在易蝕地貌基礎(chǔ)和較強(qiáng)烈人類活動(dòng)等因素耦合作用下，保護(hù)區(qū)面臨極大的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

筆者在ArcGIS 平臺(tái)上基于10 m分辨率ALOS DEM 數(shù)據(jù)對保護(hù)區(qū)地貌特征進(jìn)行定量分析，相比袁國強(qiáng)[28]、張保升[4]、孫廣友[5]、萬曄等[29]的研究，在方法上更加注重對地貌參數(shù)的定量化提取和分析，也進(jìn)一步提高了地貌特征研究的效率、精度和可靠性。目前，針對自然保護(hù)區(qū)的研究主要集中在生物多樣性[30-31]、地化循環(huán)[32-33]等方面，而作為自然保護(hù)區(qū)生物多樣性豐富的重要原因、生態(tài)環(huán)境重要組成部分的地貌特征、發(fā)育演化及其資源環(huán)境效應(yīng)的研究甚為薄弱。在主體功能區(qū)劃、國土空間管控越來越精細(xì)化、專門化的背景下[34]，有針對性地對自然保護(hù)區(qū)地貌特征進(jìn)行深入定量分析，應(yīng)成為區(qū)域地貌研究的重要方向。

1)保護(hù)區(qū)海拔1 930～2 522 m，平均(2 105±113) m，地勢整體由東、東南、南向西北傾斜，地形起伏度0～622 m，平均(212±113) m，以小起伏山地(50.22%)和丘陵(46.88%)為主，基本地貌類型以小起伏亞高山(50.21%)為主，其次是亞高海拔丘陵(25.85%)和中海拔丘陵(21.03%)。

2)坡度0°～61.5°，平均15.4°±8.6°，以緩坡(38.87%)為主，其次是斜坡(32.73%)和陡緩坡(15.76%)。各類型坡向面積占比為23%～26%，空間分布較均勻。

3)保護(hù)區(qū)發(fā)育三級(jí)剝蝕面，海拔分別為2 520、2 350和2 200 m。山地丘陵之間形成30余個(gè)山間盆地，面積占比16.5%，成因類型有斷陷溶蝕、斷陷河谷、溶蝕河谷、喀斯特溶蝕等。

4)面積-高程積分值在0.220～0.538之間，平均為0.374，地貌演化主要處于壯年晚期階段，具有較強(qiáng)烈的地表動(dòng)力過程和水土流失。

5)保護(hù)區(qū)山地丘陵與盆地相間分布、以小起伏亞高山中海拔亞高海拔丘陵和緩坡斜坡為主的地貌結(jié)構(gòu)特征，是保護(hù)區(qū)內(nèi)多村莊和耕地，人類活動(dòng)強(qiáng)烈，水源林主要為次生林、人工林、經(jīng)果林，水源涵養(yǎng)功能普遍不強(qiáng)，許多地段水土流失嚴(yán)重，水生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)高的根本原因。