基于GIS和分形理论的喀什噶尔河水土流失空间分布研究

(新疆喀什噶尔河流域管理局，新疆 喀什 844000)

水土流失是人类活动与自然环境相互作用下土地退化的环境过程之一，其深刻影响区域作物生长、生态安全乃至可持续发展，是一项世界性环境问题[1]。水土流失空间分布是区域自然环境与景观格局特征的自然体现，不同环境梯度导致水土流失强度产生复杂的空间差异性，这为区域水土保持带来一定困难[2]。新疆地区是我国最大的内流区和绿洲分布密集地带，河流是干旱半干旱环境下民生发展的保障，随着人类活动强度加大以及区域气候暖干化演替，本区水文背景、水土流失特征逐渐发生变化。分形维数是景观空间分布的有效度量方法之一，本文拟采用分形维数法，以喀什噶尔河流域为研究对象，在ArcGIS环境下定量提取该流域水土流失空间信息。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

喀什噶尔河流域位于半干旱地区，西依帕米尔高原，南部接喀喇昆仑山脉，东同塔里木盆地，流域面积6.3×104km2，属南疆西部地区最大内流河。区域属于高原山麓向盆地过渡地形，海拔介于918～7559m之间，高程变化大。由于地处欧亚大陆腹地，地形封闭，水汽循环强度较弱，形成温带大陆性季风气候，年均气温7.3℃，年均降水量137mm，季候分明，冬冷夏热。流域内水系由冰川融水发育形成，流程长度达77km，水资源总量1.56×108亿m3。区域冰川覆盖率为17%，植被覆盖程度较低，水土流失以水利侵蚀为主。

1.2 分形理论

分形理论(Fractal)是英国科学家Mandelbrot于1967年提出的表征空间几何形体自相似性的一种数学计量方法，由于其能够定量表征区域性变量空间复杂性，因而在地理学、生态学、气象水文等诸多领域取得良好应用。对于水土流失空间分布形态的度量，分形理论表示同质性斑块面积与周长的双对数关系，公式如下[3]：

式中FD——分形维数，其值介于1～2之间，数字越大，表明该景观空间分布越复杂、稳定性越差、变异程度高，反之其空间分布简单、稳定性好；通常认为FD介于1～1.5时，表明该景观格局紧凑、自然规律性强、不易产生变化；当FD介于1.5～2时，表明景观格局呈随机分布；

H——线性斜率，FD随着H的增加而减小[5]。

1.3 水土流失强度提取

根据通用水土流失方程(The Revised Universal Soil Loss Equation ,RUSLE)可知，区域水土流失量是地形因子、降雨强度、土壤质地、植被覆盖、人为活动等因素的函数，鉴于此，相关学者基于不同因素耦合制定了《土壤侵蚀强度分级标准》(SL 190—2007)，基于该标准可通过叠加分析绘制区域水土流失强度图斑。

喀什噶尔河流域土地利用类型为未利用地、林地、草地、耕地、建筑用地和水域等。以2017年10月该流域的Landsat OLI影像和DEM为基础数据源，在ENVI 5.3和ArcGIS10.2平台上，数据处理过程如下[5]：ⓐ于Feature extraction模块上通过目视解译与监督分类的方法提取区域土地利用空间分布结构；ⓑ通过bandmath工具条差分第3、4波段计算(Normalized Difference Vegetation Index NDVI)进而获得区域植被覆盖度；ⓒ借助DEM数据通过GIS平台Spatial Analysis模块的aspect、slope功能提取区域坡度、坡向信息；ⓓ运用overlap分析功能，将土地利用类型、植被覆盖度、DEM、坡度、坡向等图层进行空间叠加，划分区域水土流失强度；ⓔ将获取的图斑图层转换成arcgrid格式，并导入Fragstats软件中，应用landscape matric模块中的Perimeter-Area Fractal Dimension工具条，计算水土流失空间分形维数。

2 结果与分析

2.1 喀什噶尔河流域土地利用类型特征

图1 喀什噶尔河流域土地利用空间格局

以Landsat OLI影像可见光通道与全色波段重采样，并依据面向对象监督分类方法，绘制喀什噶尔河流域土地利用类型空间分布图，结果如图1所示。可知，该流域用地类型分布规律性显著,ⓐ流域以未利用地为主，主要是荒漠、土石山、高山石漠，其面积达3.62万km2，占流域总面积的57.45%，其他用地类型分布稀少，建筑用地、耕地、冰川、植被分别占29.94%、9.23%、1.16%、1.19%；ⓑ冰川随地形分布于流域北侧天山高海拔地区，分布特征相对稳定；ⓒ耕地、建筑用地呈斑点状离散分布，流域内整体生态环境恶劣、土地承载力低、人口聚集性差、社会性用地稳定性弱；ⓓ喀什噶尔河流域水文具有夏汛、春汛特征，春夏时节水面宽阔，但由于影像空间分辨率限制，导致水面图斑并不凸出。从上述流域内土地环境背景分析来看，该流域立地环境较差，可侵蚀地表分布广泛，加之水文情势变率大，这为区域水土流失提供了条件。

2.2 喀什噶尔河流域水土流失强度空间分布特征

参照水土流失强度分级标准，喀什噶尔河流域水土流失可分为微度、轻度、中度、强度、极强度5个等级，没有剧烈等级，如图2所示。微度水土流失分布于流域西部、北部高山地带，与冰川分布特征耦合性强，可能由于在冰川、积雪融化过程中随着水流动能造成对地表的侵蚀，其分布面积0.620万km2，占流域总面积的9.84%。轻度水土流失区沿山麓分布，呈环状向流域东部延伸，面积0.794万km2，占总面积的12.61%。整个流域水土流失以中度为主，在喀什噶尔河上、中、下游均有分布，面积达2.98万km2，占全流域的47.23%；强度水土流失区集中于流域中心偏南部，面积达1.48万km2，占总面积的23.56%；强度水土流失区呈离散斑点状，与建筑用地、耕地分布关系密切，达0.426万km2，占流域总面积的6.76%。

图2 喀什噶尔河流域水土流失空间格局

2.3 喀什噶尔河流域水土流失空间分维特征

如图3所示，以喀什噶尔河流域不同水土流失强度图斑的面积与周长的双对数关系拟合其分形维数特征，R2介于0.118～0.488之间，通过了5%水平信度检验，表明该维数统计具有一定可信度。图3中纵坐标为水土流失强度图斑面积的对数值，横坐标为其周长对数值，维数大小可通过线性拟合斜率来判断。可知：微度、轻度、中度、强度、极强等不同强度水土流失图斑的面积、周长双对数线性拟合斜率依次为0.829、0.638、0.630、0.613、0.524，依据公式(1)可知，其维数大小依次为1.173、1.362、1.37、1.387、1.476。由此表明：喀什噶尔河流域水土流失强度分形维数依次为微度<轻度<中度<强度<极强。微度水土流失区集中于高山、冰川地区，区域环境变化速率相对于流域低海拔处低，水土流失空间结构规则、不易发生变化；轻度水土流失区分布于高山、盆地结合地带，该山前冲积扇区水资源充分、林草长势茂盛，水土流失程度较轻，其空间分布与土壤、水热资源密切相关，因而分布斑块相对简易；而强度、极强度水土流失区分布于人为活动频繁的绿洲、耕地、建设用地区，这些地方地表环境脆弱、整体性差，局部地表环境破坏，易于引起水土流失以点源向面源形式扩张乃至恶化，因而其分布斑块复杂、极不稳定。

图3 喀什噶尔河流域水土流失强度分形维数

3 结 论

喀什噶尔河流域是南疆西北部地区水资源、植被、耕地资源的重要载体，也是区域经济社会可持续发展的生态屏障，随着气候变化与人为活动加剧，该流域水土流失时有发生。以流域尺度为单元，借助分形维数理论探讨该流域水土流失空间分布特征，发现水土流失强度与诸多环境因子耦合性强，且不同水土流失强度下其分布特征相异，这表明应采用差异化的措施加强水土保持工作。