基于DEM的丹霞地貌演化阶段划分*

章桂芳 ，陈凯伦，张浩然，张慧

(1. 中山大学地球科学与工程学院，广东 广州 510275;2. 广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室，广东 广州 510275;3. 东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

丹霞地貌是指以陡崖坡为特征的红层地貌[1]，目前中国已发现丹霞地貌共有1 000余处[2]。自20世纪30年代末，陈国达提出“丹霞地形”以来[3]，丹霞地貌的研究已经经历了初创、成型和发展3个阶段之后，2009年开始了国际化研究阶段[1]。虽然丹霞地貌研究已经取得不少成果[4-5]，并且随着现代技术手段的发展，出现了一些涉及定量研究、微观实验和现代测试手段的精细研究实例[6-16]。但是，从总体上来说，丹霞地貌基础研究仍然十分薄弱，多数研究偏重于宏观、定性的描述和推论，缺乏系统、定量和对比研究[1]。

数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)是地表形态的数字表达和模拟，蕴含着丰富的地形信息[17]。高分辨率DEM数据的获取以及分析技术的不断突破使得DEM成为地形地貌研究领域不可或缺的重要技术手段[18-26]，通过对DEM地貌参数的提取与分析来解决构造运动、阶地提取以及地貌发育阶段的确定等问题已被多数学者所接受[20,27-39]。在DEM数据集中，航天飞机雷达地形测绘项目(Shuttle Radar Topography Mission — SRTM)提供的DEM数据覆盖了北纬60°至南纬56°范围内80%面积的区域[40]，原始数据经处理后平面精度能够达到±20 m，高程精度达到±16 m[41]，是目前使用广泛的全球地形数据[42-43]。相对其在黄土地貌和喀斯特地貌等方面的大量应用[44-49]，使用DEM进行丹霞地貌的相关研究则非常缺乏。

从本质上说，地表形态来源于地球内外力对地壳的综合作用[50-51]，作为红层侵蚀地貌，丹霞地貌的发育和演化也受控于内动力和外动力两大动力系统[1]，它始于红层盆地的抬升，在流水、风化、重力等外动力作用下，沟谷不断展宽，崖壁崩塌后退，山顶面积不断缩小。黄进将其演化过程定性划分为幼年期、壮年期、老年期3个阶段及“回春期”[52]；彭华在“中国丹霞”申报世界自然遗产过程中，基于侵蚀量和保留量的对比关系，将“中国丹霞”6个世界自然遗产提名地组成青年早期、青年晚期、壮年早期、壮年晚期、老年早期和老年晚期六个阶段的演化系列[1]。

本次研究拟采用DEM数据，对贵州赤水、福建泰宁、湖南崀山、广东丹霞山、江西龙虎山和浙江江郎山等6个丹霞地貌遗产地计算面积高程积分曲线及积分值，以期对丹霞地貌的不同发展阶段提供定量划分依据，促进丹霞地貌演化模式的定量研究进程。

1 数据与方法

1.1 基础数据

本次研究选取的是中国丹霞6个遗产地提名序列，分别为贵州赤水、福建泰宁、湖南崀山、广东丹霞山、江西龙虎山和浙江江郎山，他们代表了丹霞地貌从青年到老年的演化序列，均分布在中国南方(图 1a)。需要说明的是：赤水的东西部和泰宁的南北部的地貌发育存在较大的区域差异，因此对这两个地区分别进行分区研究。

研究采用ASTER DEM数据(V2版)，来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http:∥www.gscloud.cn)，空间分辨率为30 m。根据世界自然遗产保护区划定范围裁剪研究区域DEM(图 1b-i)，并对其面积和高程信息统计如下(表 1)：赤水东部、丹霞山和龙虎山的面积最大，而江郎山的面积最小，为13.05 km2；赤水地区因地处云贵高原边缘，高程最低值、最高值和平均值均为所有地区的最大值，而泰宁地区的高程差最小(北部为384 m，南部为403 m)，说明其地势起伏是所有地区中最小的。

表1 各个丹霞地貌区域面积和高程信息统计Table 1 Area and elevation statistics of the Danxia sites

图1 各丹霞地貌研究区域的位置及DEMFig.1 Location of Danxia sites and DEM in this study

1.2 研究方法

本次研究主要采用Strahler提出的面积高程积分(Hypsometric Integral，简称HI)[53]，该方法通过面积高程积分将Davies的地貌发育模式定量化，分为3个阶段：幼年阶段(HI>0.6)，壮年阶段(0.4

面积高程积分值的计算方法有积分曲线法、体积比例法和起伏比法等[60]，本次研究采用积分曲线法，计算过程如下：

① 将流域的高差无限细分，分别求取大于每一细分单元高程值的流域面积，并将其均一化后，作为x值，即xi=ai/A(xi为大于第i分级高程的面积百分比，ai为大于第i分级高程的面积，A为流域总面积)；

② 高差细分的高程均一化值作为y值，即yi=hi/H(yi为第i分级相对高差百分比，hi为第i分级高程与流域最低点的相对高差，H为流域内高差)；

③ 将各点展布到直角坐标系中，形成一条直线，即y=f(x)；

2 结果与讨论

2.1 面积高程积分结果

采用积分曲线法对各个丹霞区域的DEM数据计算获得的面积高程积分曲线如图2所示，面积高程积分则如表2所示，考虑到图件的清晰表达，图 2中仅显示赤水西部和泰宁北部的面积高程积分曲线，赤水东部和泰宁南部的曲线将在后面的讨论中呈现。由图 2可知，赤水西部地区的曲线呈现凸形特征，结合其面积高程积分值为0.65，表明该地区处于较年轻的演化阶段；泰宁北部、崀山和丹霞山的曲线呈现S状，表明该区域地貌已经演化至较为成熟的阶段，且从泰宁北部到崀山到丹霞山的曲线的凹形特征逐步加强，则表明这3个区域的地貌演化越来越成熟；龙虎山的曲线在相对高程较高的部分(相对高程h/H在0.3～1.0左右)斜率很大，在相对高程较低的部分(相对高程h/H在0～0.3左右)则趋于平缓，这说明龙虎山地区地势较高的区域面积占比较小，而地势较低的区域占了很大比例。

图2 各丹霞地貌区面积高程积分曲线汇总图Fig.2 Hypsometric curves of the Danxia sites

从总体特征来看，从赤水西部到龙虎山，随着丹霞地貌的发育程度逐渐成熟，面积高程积分曲线形态从凸形转为凹形，且凹形特征逐步加强，说明随着丹霞地貌的发育，地层侵蚀量在不断增加，符合发育过程中侵蚀量的变化特征。分析表 2中各个丹霞区域的面积高程积分值可以发现赤水东西部和泰宁南北部的面积高程积分均具有较大的差异；与Strahler划分的地貌发展阶段标准进行对比，丹霞地貌的HI值整体偏小，即向老年期偏移。需要指出的是，龙虎山(老年早期)和丹霞山(壮年晚期)在丹霞地貌世界遗产提名地序列中的发育阶段比江郎山(老年晚期)年轻，但是它们的曲线形态与此并不相符(图 2)，而且龙虎山和丹霞山的面积高程积分值均低于江郎山(表 2)，似乎违背规律，其原因与龙虎山和丹霞山地貌发育的区域差异关系密切，即与研究区的范围密切相关，接下来作详细分析。

2.2 区域差异性对比

丹霞地貌的发育受控于内动力和外动力2大因素[1]，即使在同一地区，影响丹霞地貌发育的因素及其强度也不尽相同，因此在同一地区保留了不同演化阶段的地貌形态，呈现出区域的差异性。下面选取赤水、泰宁、丹霞山和龙虎山进行同一区域的差异性对比研究。

表2 各个丹霞地貌区域面积高程积分值Table 2 Hypsometric indexes of the Danxia sites

2.2.1赤水西部和东部 “赤水丹霞”是发育于亚热带巨型红层盆地南缘的高原——峡谷型和山岭型丹霞景观，是侏罗系、白垩系的红层经过第三纪长期剥蚀夷平后在第四纪强烈抬升过程中因流水的快速切割而形成的[61-62]。贵州赤水的东部和西部地区由赤水河自然分割(图 3a)，东部以流水深度侵蚀切割形成山原峡谷地貌，西部河流切割程度小，呈高原峡谷地貌，显示其发育中的区域差异，因此将赤水分为东西两片区域进行差异性对比研究。计算获得东西两区面积高程积分曲线及HI值如图 3b所示：赤水东区和西区的曲线均呈现凸形特征，HI值均大于0.5，说明两区发育程度都较为年轻，但是西区的凸形特征比东区更为显著，HI值也较东区大得较多，表明西区地貌侵蚀程度比东区低， 符合东西两区的现有的地貌特征。

2.2.2 泰宁北部和南部 泰宁盆地是在华夏古板块武夷山隆起带背景上发育的白垩纪红色断陷盆地，由朱口和梅口两个北东向红色盆地构成，构成了泰宁丹霞的北部和南部(图 4a)。泰宁盆地的丹霞地貌是由白垩纪红层经过第三纪以来多次抬升和长期剥蚀夷平，以流水切割、侵蚀为主因而形成的。与赤水类似，泰宁的两个盆地中的丹霞地貌也具有区域的差异性。

图 4b为计算获得的泰宁北部和南部的面积高程积分曲线及HI值，两者的曲线均呈现凹形特征且HI值小于0.5(分别为北部0.43，南部0.36)，显示两者均处于侵蚀量大于保存量的阶段，北部地区的曲线在南部之上且相距较远，显示其发育程度比南部地区年轻且差距较大。据已有研究，北部的朱口盆地红层地壳抬升相对较晚，地貌发育时间较短，所以呈现以深切峡谷曲流等为特征的典型的青年期丹霞特征，而其南部的梅口盆地则以发展到壮年期的丹霞地貌为主，呈现丹霞峰丛景观。所以本研究获得的面积高程积分曲线及HI值印证了泰宁盆地的丹霞发育由于地壳抬升时间、抬升幅度和抬升速度的差异而存在较大的区域差异。

2.2.3 丹霞山东部和西部 丹霞山发育在南岭褶皱带的白垩纪构造盆地丹霞盆地中，锦江由北到南穿越而过(图 5a)，将丹霞山分为东西两个部分。丹霞山主要由近水平岩层构成，总体上处于地貌发育的壮年期阶段，表现出疏密相间，组合有序的簇群式丹霞峰丛——峰林景观。

图 3 赤水东西两区面积高程积分对比Fig.3 Hypsometric curves of the eastern and western parts of Chishui

图 4 泰宁南北两区面积高程积分对比Fig.4 Hypsometric curves of the northern and southern parts of Taining

图5 丹霞山东西两区面积高程积分对比Fig.5 Hypsometric curves of the eastern and western parts of Danxiashan

以丹霞山为整体计算获得的面积高程积分曲线呈现强烈凹形特征(图 2)，HI值为0.27(表 2)，比发育阶段为老年晚期的江郎山的HI值更小，似乎并不合理。因此，本研究尝试以锦江为界，分别计算东西两区的面积积分曲线及HI值(图 5b)，结果表明丹霞山东西两区的HI值非常相近，分别为0.35和0.36，说明广东丹霞山东西两侧丹霞地貌的总体发育程度较为相近。而两者的积分值与包含锦江的整个区域计算获得的0.27有明显差距，说明锦江两岸区域的地貌形态极大地影响了整个丹霞山区域的地貌发育程度。分析原因可能与区域内的的锦江密切相关，因为锦江流经丹霞山地区的主河道多为宽谷，造成两岸区域地势平缓，在面积高程积分中则表现为强烈的侵蚀。丹霞山的分析结果进一步表明不同的区域尺度内获得的HI值具有很大的差距，同时表明面积高程积分可以敏锐地指示丹霞地貌发育的多期性。

2.2.4 龙虎山全区和核心区 龙虎山发育在中生代陆相盆地——信江盆地边缘，泸溪河穿区而过，是由晚白垩纪红色碎屑岩组成的疏散峰林宽谷型丹霞地貌区，而龙虎山地质公园则为龙虎山丹霞地貌区域的核心(图 6a)。

图6 龙虎山全区和核心区域面积高程积分对比Fig.6 Hypsometric curves of the whole area and center part of Longhushan

与丹霞山类似，以龙虎山全区为整体计算获得的面积高程积分值为0.24(表 2)，比发育阶段为老年晚期的江郎山的HI值(0.35)更小，因此本研究尝试只计算龙虎山的核心区域(龙虎山地质公园)的面积高程积分，结果显示其HI值达到了0.47，几乎达到是龙虎山全区的2倍。究其原因，应该与泸溪河谷密切相关，泸溪河谷两侧主要为准平原化的低丘岗地，龙虎山和龟峰等地保存的峰丛、峰林、孤峰、残丘等为该区仅存的高地势区域。龙虎山准平原化代表了地貌发育的老年阶段，因此对于龙虎山地区的面积高程积分计算受到区域尺度的巨大影响，这也印证了面积高程积分在丹霞地貌演化定量研究中具有很好的指示作用。

3 结 论

本次研究尝试将面积高程积分方法用于丹霞地貌演化阶段的定量划分，主要取得以下几点认识：

1)不同丹霞区域的面积高程积分研究结果表明面积高程积分可以较好地指示丹霞地貌的不同演化阶段：随着丹霞地貌从年轻到成熟的发育，面积高程积分曲线形态从凸形转为凹形，且凹形特征逐步加强，HI值也越来越小，符合不同发育阶段所代表的侵蚀量的变化。

2)将各个丹霞区域的面积高程积分值与Strahler划分的地貌发展阶段标准进行对比，发现丹霞地貌的HI值整体往老年期偏移，这与中国丹霞演化系列是建立在几个代表小区的基础上有关，这提示我们丹霞地貌发育阶段的定量化研究与研究区的划定密切相关。

3)同一地区不同区域的面积高程积分对比研究表明其可以敏锐地反映丹霞地貌发育的多期性，对于定量研究丹霞地貌具有重要作用。丹霞地貌发育的区域差异是进行丹霞演化阶段确定中极其重要的影响因素，在进行面积高程积分的计算中需要充分考虑。

致谢：感谢中山大学地理科学与规划学院彭华教授在本次研究和论文撰写中给予的指导和帮助。

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