基于GIS的多因子土壤冻融侵蚀强度分级评价——以长江上游为例

杨珍珍，倪万魁，李 兰，牛富俊

(1.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；2.黄淮学院 建筑工程学院，河南 驻马店 463000；3.中国科学院西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)

冻融侵蚀是指在寒冷的地区，土体或者岩石中的水分在温度低的时候冻结并且体积增大，温度高的时候融化并且体积减小，从而使土体或岩石发生了一些物理破坏，这些物理破坏的破碎物伴随着重力以及降雨等作用被搬运、迁移以及堆积的过程[1-3]。在我们国家，冻融侵蚀是仅次于水蚀和风蚀的第三大土壤侵蚀类型[4]，其面积占我国国土面积的17.97%[5]，主要分布在我国的青藏高原、天山山脉以及大兴安岭北部[6]。冻融侵蚀使土壤的结构发生破坏，土壤的抗侵蚀能力减弱[1,7]，而且，冻融侵蚀产物也增加了河流的泥沙来源[8]，对江河源区生态、水文环境影响显著。

冻融侵蚀受区域气候、地表条件及微地形、地貌因素影响显著。但无论是国内还是国外，人们大多都在研究土壤的风蚀以及水蚀，对冻融侵蚀的研究相对较少[3]。其中，已经开展了的研究工作有：张建国和刘淑珍[4,9-10]首先确定了西藏地区冻融侵蚀的范围，并认为其是最主要的土壤侵蚀类型之一，再结合综合因子分析法对西藏地区冻融侵蚀强度的相对分级以及其空间分布特征进行了分析；李成六等[11]选取三江源区为冻融侵蚀研究区，根据综合因子分析法对研究区进行评价，结果表明研究区冻融侵蚀具有明显的区域分异特点；史展等[3]采用5个因子标准化方法和冻融评价模型对三江源区冻融侵蚀进行了评价与分析；王莉雁等[2]通过对冻融侵蚀的5个主要影响因子进行定量研究，分析了青藏高原冻融侵蚀敏感性程度、空间分布特征及单因子对冻融侵蚀敏感性响应程度。这些研究促进了对青藏高原冻融侵蚀发育范围、程度及影响因素的科学认识和评价。然而已有的研究大多数都只考虑了气温年较差、年降水量、坡度、坡向、植被盖度、土壤中的4～6个指标，对评价指标的选取不够全面。青藏高原56%的区域发育多年冻土，其余区域也基本为深季节冻土区，因此,广大冻土区冻融侵蚀发育状况及其影响值得探讨。实际上，受青藏高原气候暖湿化的影响，近年来冻土区激增的热融滑塌、热融泥流及热喀斯特湖等是冻融侵蚀突出案例[12-13]，越来越引起研究者和工作人员的重视。因细颗粒土体中更容易发育地下冰、并在冻土退化过程中易发生流失而与冻融侵蚀关系密切，有必要纳入冻融侵蚀影响因子分析。

长江上游地区具有高寒、高海拔的特点，成为了我国冻融侵蚀较严重的区域[14]。尤其在长江源区的丘陵山地，以热融滑塌为主的热融灾害显著增加[12,15]，相应的冻融侵蚀将呈现增加的趋势。为此本文以前人研究为基础，考虑到冻融侵蚀受多因素影响，补充了更多影响冻融侵蚀的评价指标。为获得研究区冻融侵蚀的强度分级以及空间分布特征，对研究区的冻融侵蚀进行了多因子评价分析。旨在利用GIS多因子土壤冻融侵蚀强度分级评价为该地区的水土保持研究以及生态环境建设提供一些参考。

1 研究区概况

长江上游地区处于我国西部，主要涉及西藏、青海、云南、贵州、四川、重庆等地[16]，位于东经90°～105°，北纬25°～37°之间，面积约为55.8×104km2(见图1)。长江源区处于高平原区域，上游地区以山地为主，地形复杂，地势西北高东南低，拥有源头地区、昆仑-横断山区、喀斯特等特殊地形地貌，山地、丘陵比重大。长江上游地区气候类型复杂多样，西北高原区为亚寒带半湿润高原气候，多年冻土、季节性冻土发育，冻融作用强烈，但因其地势相对平坦，因此多发育热喀斯特湖(见图2)，高原周边丘陵山地多年冻土斜坡易发生以热融滑塌为主的冻融侵蚀(见图3)；而东南高山峡谷区受近南北走向的山脉控制和大气环流影响，表现为昼夜温差大、气温垂直分带明显[17]，但该区坡度大，因此多发育融冻泥流。总的来说，研究区从西北到东南年降水量呈增加趋势，但气温年较差呈减小趋势。

图1 研究区长江上游位置示意图

图2 长江源区北麓河一带发育的热喀斯特湖

图3 可可西里丘陵山地发育的热融滑塌

2 研究方法

2.1 冻融侵蚀强度评价方法

采取将冻融侵蚀的诸多影响因子综合起来，使其成为单一强度指数的方法对研究区的冻融侵蚀进行评价[11]。国内外对冻融侵蚀已有的研究多是采用分级赋权重评价模型，然而因为这种方案的主观性很强，并且不同的评价因子通常有不同的单位和量纲[1]，这都会影响对冻融侵蚀强度的评价。因此本文采取了一种较为科学的方法对其进行研究，即标准化值赋权重加权求和。该方法主要分为两个步骤：首先需要将各个评价因子进行标准化处理，以此来减小由于各评价因子具有不同的单位和量纲而造成的误差；其次，根据各评价因子的相对重要性，赋予每个因子权重，然后根据各个因子的权重对标准化后的数据进行加权求和。

各评价因子标准化处理的方法如下：

Ii=(I-Imin)/(Imax-Imin)

(1)

式中：Ii是指各评价因子标准化处理后的值；I是指各评价因子原本的值；Imin是指各评价因子原本的值中的最小值；Imax是指各评价因子原本的值中的最大值。

各评价因子加权求和的公式如下：

(2)

其中：F是指各评价因子标准化值赋权重加权求和后的值;n是指研究选取的评价因子的数量;Wi是指对各评价因子所赋予的权重;Ii为各评价因子标准化处理后的值[1-2]。

经过标准化处理以及加权求和计算，得到的F也称为冻融侵蚀强度指数，并且 越大代表冻融侵蚀程度也越大。综合考虑研究区的地质条件，将每个像元大小取值为(0.25°，0.25°)，像元点的总数为537 283个。

2.2 评价指标及数据获取

对于土壤冻融侵蚀的评价，理应采用冻融侵蚀区单位时间内单位面积上土壤的流失量更为可靠[18]，但是直到现在，国内和国外都鲜有相关的数据[10]。然而在冻融侵蚀区，冻融侵蚀强度的确有所不同，这主要是因为影响冻融过程以及冻融产物搬运条件的因子不同而引起的[1]。通过参考已有冻融侵蚀的研究以及该区的自然环境特征，本文不仅采用了上述提及的气温、降水量、坡度、坡向、植被盖度、土壤进行评价，更结合了高程、活动层厚度、最大冻结深度，总共使用了9个评价因子[19]，来综合分析长江上游地区的冻融侵蚀强度。

(1) 气温年较差。温度的周期性变化影响着冻融侵蚀的强度[2]，在冻融侵蚀过程中温度主要改变了土壤冻结层与融化层的厚度。温度越低，冻结层深度越大；温度越高，融化层厚度越大；温差越大，越有可能发生冻融侵蚀[2]。土壤温度的变化通常需要很长时间的观测数据，但由于研究区恶劣的气候环境，导致目前此类数据比较欠缺[20]。然而根据相关的研究，发现了气温与土壤的温度具有很强的相关性，因此两者可以互相反映[3]，所以本研究利用气温年较差的数据作为冻融侵蚀强度的评价因子之一。气温年较差是指某一个年份的气温数据中，最高月平均气温与最低月平均气温之差[21]。气温年较差是通过对中国气象数据网(http://data.cma.cn)获取的气温数据进行计算得来的，通过标准化方法对气温年较差的数据进行标准化，可以得到气温年较差标准化图(见图4(a))。

(2) 最大冻结深度。最大冻结深度是指从地表往下测量，被冻土层厚度的最大值[22]。在季节性冻土区，最大冻结深度与冻融侵蚀强度呈正相关，即最大冻结深度越大，冻融侵蚀越强烈。最大冻结深度的数据可以通过国家青藏高原科学数据中心(http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/)获取。对最大冻结深度数据进行标准化处理，可以得到如图4(b)所示的最大冻结深度标准化图。

(3) 活动层厚度。多年冻土，指的是持续两年或两年以上的冻结不融的土层[23]。一般情况下，多年冻土区的上覆土层夏季融化、冬季冻结，该层土称为活动层。活动层厚度越大，表明多年冻土稳定性越差、参与冻融作用的活动层土体厚度越大，继而冻融侵蚀作用越强烈。活动层厚度的数据可以从国家青藏高原科学数据中心获取，通过标准化方法对活动层厚度进行标准化处理，可以得到图4(c)。

(4) 高程。通常来说，海拔越高，地温越低，冻融侵蚀越强烈[24]，反之越弱。高程数据可以通过在地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/search)中对90 m分辨率DEM数据进行几何纠正来获取，然后提取出高程图。对高程数据进行标准化处理，可以得到研究区高程标准化图，见图4(d)。

(5) 年降水量。年降水量也是影响冻融侵蚀的一个主要因素，它为冻融侵蚀提供了物质来源。降水会增加土体的含水量[3]，冻结时对土体的破坏作用增大[25]。同时，降水也为冻融侵蚀产物搬运提供了动力[26]，对冻融作用起到了明显的促进作用。年降水量的数据也可以通过中国气象数据中心获取，通过标准化方法对年降水量标准化，得到如图4(e)所示的年降水量标准化图。

(6) 坡度。坡度可以用来反应地形对于冻融侵蚀的影响程度，表现在影响冻融侵蚀产物运移距离的远近以及物质的多少。通常来说，坡度越大的地方，越有利于冻融侵蚀的发生，冻融侵蚀产物也被运移的数量越多、距离越远[1]。坡度的数据可以利用ArcGIS软件对高程数据进行表面分析提取出来，对坡度数据进行标准化处理可以得到图4(f)。

(7) 细粒土含量。土质特征也影响冻融侵蚀，通常将粗粒含量(大于0.075 mm)不到50%的土称为细粒土[27]。也指颗粒最大粒径不大于4.75 mm，公称最大粒径不大于2.36 mm的土，包括各种黏质土、粉质土、砂和石屑等。细粒土含量对冻融侵蚀的影响为细粒土含量越多，冻融侵蚀越强烈。细粒土含量的数据可以从土壤科学数据中心(http://soil.geodata.cn/)获取，通过对细粒土含量进行标准化处理，可以得到如图4(g)所示的细粒土含量标准化图。

(8) 植被盖度。与其他影响因素不同，植被可以明显的减弱冻融侵蚀[28]，主要表现为三个方面：植被的存在减小了土壤的温差、地上的植被保护地表和植被的根系稳固土壤[1]。通常情况下，植被覆盖度越高的地方，冻融侵蚀发生的可能性以及程度越小。数据获取方法为通过地理空间数据云获取，然后对植被盖度数据进行标准化，可以得到植被盖度标准化图，见图4(h)。

图4 长江上游地区各评价指标标准化图

(9) 坡向。坡向的差异性也会引起区域冻融侵蚀强度以及类型的差异。有研究认为阳坡太阳辐射强于阴坡，因此蒸发量和温差变化远大于阴坡，冻融侵蚀程度也大于阴坡[10]。但根据在可可西里丘陵山地热融滑塌的调查显示，坡向朝北、东北向冻土斜坡热融滑塌占据了优势，而且通过对沿川藏铁路沿线的冻融风化堆积体的调查，发现朝北斜坡上的堆积体占据绝大优势，因此按照表1给出了斜坡坡向赋值。坡向数据也可以通过ArcGIS软件对高程数据进行表面分析提取得到。根据表1的赋值方法对坡向各角度进行赋值，可以得到如图4(i)所示的坡向标准化图。

表1 坡向各角度标准化赋值

2.3 评价指标权重计算

本研究选取了气温年较差、最大冻结深度、活动层厚度等9个指标对冻融侵蚀进行了分析评价。按照各个指标的重要程度，并结合前人研究结果以及专家打分法，获取各指标的权重如表2所示。

表2 各评价指标权重

3 结果与分析

3.1 冻融侵蚀强度评价

通过上述冻融侵蚀评价计算法(公式(1)、公式(2))并结合表2所提供的各评价指标的权重，可以绘制该研究区的冻融侵蚀强度图，并观察到本文所选研究区冻融侵蚀强度在0.15～0.52之间。再借助ArcGIS软件中的自然间断点法将研究区的冻融侵蚀强度划分为0.15～0.27、0.28～0.32、0.33～0.36、0.37～0.41、0.42～0.52这五个等级，分别对应微度侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀和极强烈侵蚀这五个冻融侵蚀程度(表3)，研究区的冻融侵蚀分级图如图5所示。

表3 研究区冻融侵蚀基本特征

图5 研究区冻融侵蚀强度等级

通过分析可得，研究区的冻融侵蚀类型主要为强烈侵蚀和极强烈侵蚀，均主要分布在五道梁-沱沱河以东、康定-九龙-香格里拉以西地区，侵蚀面积分别为166 979.68 km2和138 127.44 km2，分别占研究区冻融侵蚀总面积的30%和25%；轻度侵蚀次之，面积为120 733.64 km2,占研究区冻融侵蚀总面积的22%，但分布地区比较分散；中度侵蚀面积较小，为66 512.50 km2,占研究区冻融侵蚀总面积的12%，主要分布在五道梁-沱沱河以西地区；微度侵蚀分布最少，面积为65 647.38 km2,主要分布在丽江-越西以南地区，占研究区冻融侵蚀总面积的11%。

3.2 冻融侵蚀空间分布特征

对研究区的冻融侵蚀空间分布进一步分析，借助ArcGIS软件将冻融侵蚀强度分级图分别与气温年较差、最大冻结深度、活动层厚度等9个影响因子进行叠加分析，得出了研究区的冻融侵蚀分布有如下的特点：

(1) 研究区内冻融侵蚀发生的总面积约为55.8×104km2。其中，研究区的冻融侵蚀类型主要为强烈侵蚀和极强烈侵蚀，侵蚀面积分别为166 979.68 km2和138 127.44 km2，分别占研究区冻融侵蚀总面积的30%和25%。由于过去40 a气温的持续升高，加剧了多年冻土的退化，也使得冻融侵蚀趋于加剧[15]。工程活动也会影响到冻融侵蚀，但仅影响场地附近冻融侵蚀的发展。预计如果气温继续上升，长江上游未来冻融侵蚀可能会继续增加[29]。

(2) 研究区内不同强度冻融侵蚀空间分布差异明显。微度侵蚀主要分布在丽江-越西以南地区，并且雅安-峨眉山以东地区也有分布；轻度侵蚀则比较分散，主要分布在沱沱河东南部地区以及理塘-稻城-木里沿线地区；中度侵蚀主要分布在五道梁-沱沱河以西地区以及雅安-峨眉山以西部分区域；强烈侵蚀和极强烈侵蚀主要分布在长江上游的中部地区，即五道梁-沱沱河以东、康定-九龙-香格里拉以西的地区。总体来看，研究区内冻融侵蚀的分布从西北往东南呈现出先增加后减小的趋势。

(3) 微度冻融侵蚀分布最少，面积为65 647.38 km2，占研究区冻融侵蚀总面积的11%，主要分布在丽江-越西以南地区。该地区气温年较差相对较小，活动层厚度较小，高程小于4 000 m，年降水量在600 mm～1 000 mm，坡度基本在18°～30°，坡向主要是阴坡方向，活动层厚度小，且该地区大部分为季节性冻土区，因此该地主要为微度冻融侵蚀。

轻度冻融侵蚀面积为120 733.64 km2，占研究区冻融侵蚀总面积的22%，主要分布在沱沱河东南部地区以及理塘-稻城-木里沿线地区。该地区气温年较差大致在15°～17°，活动层厚度小于1 m，高程在4 000 m～4 500 m之间，年降水量在500 mm～800 mm，坡度在15°～27°，坡向主要为阴坡、半阴坡，且该区活动层厚度小，最大冻结深度较小，因此为轻度冻融侵蚀区。

中度冻融侵蚀面积为66 512.50 km2，占研究区冻融侵蚀总面积的12%，主要分布在五道梁-沱沱河以西地区。该地区气温年较差普遍在19°～21°，活动层厚度在0.95 m～1.13 m，高程主要分布在4 500 m～5 000 m,年降水量较小，坡度较小，坡向主要为半阴、半阳坡，但活动层厚度相对较大，因此该区为中度冻融侵蚀区。

强烈冻融侵蚀面积为166 979.68 km2,占研究区冻融侵蚀总面积的30%，主要分布在雅砻江中上游的沿线及其周边地区。此地区气温年较差普遍大于17°，活动层厚度在0.76 m～1.27 m，高程在3 800 m～4 700 m，年降水量在400 mm～600 mm，坡度在17°～34°，坡向主要在半阳、阳坡地区，且该区最大冻结深度大，但细粒土含量少、植被盖度大，因此在这几种因素的共同作用下，使得该区的冻融侵蚀类型为强烈冻融侵蚀。

极强烈冻融侵蚀面积为138 127.44 km2，占研究区冻融侵蚀总面积的25%，主要分布在通天河、金沙江的沱沱河至巴塘段的沿线地区以及大渡河中上游沿线及其周边地区。此区气温年较差大于20°，活动层厚度在1.11 m～1.81 m，高程在4 300 m～5 200 m，年降水量在300 mm～500 mm，坡度大于26°，坡向主要在阳坡地区，且该区最大冻结深度大，因此该区的冻融侵蚀类型为极强烈冻融侵蚀。

长江上游的西北部地区，尽管多年冻土广泛分布、气温年较差大、活动层厚度较大、高程大、坡向利于冻融侵蚀的发展、植被盖度小，但由于其年降水量少、地形相对平缓、易流失的细粒土整体含量较少，因此主要为中度-轻度冻融侵蚀区。

4 结 论

通过选取气温年较差、最大冻结深度、活动层厚度等9个指标作为长江上游地区土壤冻融侵蚀分级评价指标，实现了研究区土壤冻融侵蚀强度相对分级，并且分析了其空间分布特征。结果表明：

(1) 研究区的冻融侵蚀面积约为55.8×104km2,冻融侵蚀类型主要为强烈侵蚀和极强烈侵蚀，分别占冻融侵蚀总面积的30%和25%，中度侵蚀及以下分布较少，微度侵蚀分布最少，占研究区冻融侵蚀总面积的11%。

(2) 通过分析可得，研究区内各个强度等级的冻融侵蚀在空间分布上有一定的区域特征。强烈侵蚀和极强烈侵蚀主要分布在五道梁-沱沱河以东、康定-九龙-香格里拉以西地区；中度侵蚀及以下主要分布在长江上游的西北部地区和康定-九龙-香格里拉以南地区。

(3) 强烈、极强烈冻融侵蚀主要分布在气温年较差大于17°、海拔4 200 m以上、坡度大于18°、活动层厚度大于0.9 m的区域。长江上游地区虽然冻融侵蚀分布面积相当大，但目前我国对其研究较少，本研究旨在为该区的水土保持、生态环境恢复和工程建设提供一些参考。