横断山地水土要素时空分布格局与耦合特征*

刘斌涛，张素，熊东红，吴汉

①中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所 山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041；②中国科学院大学，北京 100049

山地空间比重大是中国的基本国土情势[1]，水资源和土地资源是山地资源环境安全和环境承载力研究的核心问题[2-3]。脆弱山地系统的水土资源时空不匹配，明显制约了山区发展[4]，山地资源变化或使区域性环境灾难的潜在风险加剧，使人类社会面临日趋严重的水安全和环境安全威胁[5-6]。水资源时空分布格局及优化配置、水资源利用效率承载能力及空间溢出效应等已有大量研究[2,7-14]；土地资源在不同空间尺度下与植物的关系、土地资源的消耗评价、土壤侵蚀和土地退化等问题也受到国内外学者的广泛关注[3,15-16]。有关水土资源开发的研究区域大多属于坡面或流域等较小空间尺度，水土资源优化配置与可持续发展研究也多偏重于探讨水、土单个要素的影响，鲜有针对水资源和土地资源的过程研究，甚少涉及水、土这两要素的耦合研究。水土要素耦合是解译山区资源环境特征及资源环境承载力、国土空间功能等问题的一个重要概念。

横断山地拥有丰富的水土资源，占有重要的地理区位。它位于青藏高原东南缘，横跨中国西南一、二、三级地形阶梯，是我国西部的地形急变带，也是唯一同属太平洋水系和印度洋水系的区域[17-18]。同时，它作为长江上游重要的生态屏障区，是中国珍稀濒危动植物的避难所，同时也是世界生物物种最丰富的地区之一[17]，对周边区域乃至中国中西部地区气候和生态环境有着深远的影响。横断山地作为中国新构造运动最为活跃的地区之一，也是中国土壤侵蚀最为严重的地区之一，已受到越来越多学者的关注[4,6,17-19]。彭立等[19]提出横断山区坡地水土流失普遍，土地资源耗损严重，整体人口密度仅26.3 人/km2；邓伟等[4]认为该区水土耦合作用失衡明显，次生山地灾害危险性增加。可见，鲜有涉及横断山地水土要素耦合的时空格局及其机制的科学研究，针对变化环境下山地水土作用失调、失衡形成机制亟待阐释。因此，开展横断山地水土要素耦合研究具有一定科学意义，而地理信息系统(GIS)技术方法的应用为大尺度的横断山地水土资源耦合研究提供了可能。

本文运用GIS技术，通过分析横断山地的水资源(如降水、蒸散、径流等)和土地资源(如土地利用、土壤侵蚀等)特征，尝试构建横断山地水土要素耦合指数，判别横断山地水土要素耦合特征格局、空间差异及年际变化规律，以期为进一步开展横断山地相关研究提供理论参考，为解决区域山地灾害和土壤侵蚀问题提供科学依据。

1 研究区概况

横断山地位于中国西南部，青藏高原的东南缘，川、滇、藏结合地带，因山脉、河流南北走向横断东西交通而得名(图1)。对于横断山地的空间范围说法不一[20]，广义的范围一般是指伯舒拉岭、高黎贡山以东，龙门山、邛崃山以西，唐古拉山、巴颜喀拉山、摩天岭以南，滇西南、滇中山原以北，包括伯舒拉岭—高黎贡山、他念他翁山—怒山、宁静山—云岭、沙鲁里山、大雪山、邛崃山和岷山7列山脉。山脉间夹有怒江、澜沧江、金沙江、雅砻江、大渡河、岷江等6条大河及其支流[20-21]。横断山地山脉高耸，绝大多数海拔超过4 000 m，河谷切割强烈，多呈深切峡谷，地理环境垂直分异显著。由于地理环境的急剧变异，横断山地的社会经济发展情况和国土空间功能也呈现显著的分异特征。

图1 横断山地地势图

2 水土要素耦合指数

2.1 水土要素特征

横断山地是中国山地环境最为复杂的区域，也是水土要素时空分异最显著的区域之一。水土要素的总量匹配情况、时间变化情况、垂直配置情况和相互作用情况对横断山地的资源环境安全、防灾减灾、生态环境保育和全面小康社会建设会造成严重影响。横断山地水要素包括降水、气温、蒸散、径流、土壤水等；土要素包括土地覆被、耕地、坡耕地、土壤质量等。另外，土壤侵蚀、山地灾害、面源污染等构成要素则是水土要素相互作用的结果。水土要素中降水、蒸散、径流、坡耕地、土壤质量、土壤侵蚀、山地灾害等要素，对横断山地乃至横断山地江河下游区域的水土要素耦合和国土空间功能影响最大。

横断山地位于中国第一级阶梯向第二级阶梯过渡的地带，地质、地貌、气候、植被和土壤极其复杂，地形急变、河谷深切、东西阻隔、南北通道、宏观气候-地貌格局等都对横断山地水土要素耦合造成严重影响。科学认知横断山地水土要素耦合的时空格局是合理管控横断山地“水土迁移”的基础，更是横断山地国土空间功能优化管理的前提。

2.2 水土要素耦合指数

水土要素耦合是山地资源环境与国土空间开发问题分析的逻辑框架，包罗的内容广泛，如针对城镇空间的水土要素耦合，针对农业空间的水土要素耦合，针对生态空间的水土要素耦合等。为实现对横断山地水土要素耦合特征的定量化标定与分析，这里从横断山地环境的关键问题出发，构建了针对农业空间的水土要素耦合指数，即耕地水土要素耦合指数，其基本形式如下：

其中：CWSI为作物缺水指数，无量纲，值域0～1；CWSCI为耕地水土要素耦合指数，无量纲；ET为实际蒸散量，单位：mm；PET为潜在蒸散量，单位：mm；f(SQI)为水土相互作用土壤质量效应函数；f(SEI)为水土相互作用土壤侵蚀效应函数。

耕地水土要素耦合指数数值越大，表明针对耕地(或农业生产)的水土要素时空数量越不匹配，水土要素相互作用越强烈，当水、土要素一方面发生变化时，土地生产力下降风险更高。也就是说指数越大，水土要素内在耦合越差，稳定的土地生产力越低，越不适合农业生产，调控水土要素的紧迫性越高，需要的外力干预程度越大。该指数对山地国土空间功能类型划分、重要性评价及优化调控具有指导意义。在式(1)中作物缺水指数CWSI实质上是反映了耕地的水土要素数量匹配特征，f(SQI)、f(SEI)则反映了水土要素的相互作用特征。由于实际蒸散量ET、潜在蒸散量PET、土壤质量SQI、土壤侵蚀SEI在时间上、空间上的分异，耕地水土要素耦合指数CWSCI在时空上具有极其复杂的时空分异特征，并由此体现了 “总量匹配、时间变化、垂直配置、相互作用”的水土要素耦合分析框架。

本文采用MODIS的MOD16A2、MOD16A3产品计算实际蒸散量ET、潜在蒸散量PET和作物缺水指数CWSI；利用多因子综合评价模型，综合考虑立地条件、气候、土壤养分、土壤环境等要素评估得到土壤质量指数SQI；利用改进的USLE模型计算土壤侵蚀模数SEI。最终计算得到了2000—2014年逐年、逐月和多年平均的耕地水土要素耦合指数。

3 水土要素耦合特征

3.1 水土要素耦合的总体特征

图2展示了横断山地的水土要素耦合空间格局情况。从图中可以看出，横断山地的宁静山、怒江、金沙江、雅砻江上中段河谷、金沙江下段河谷等区域水土要素耦合指数高，表明这些区域的水、土两种要素数量匹配较差，相互作用强烈，当一种要素发生变动时，土地生产力易发生明显波动，调控水土要素的需求更加强烈。邛崃山东段的雅安、岷江、大凉山东缘、云南高原的坝子等区域水土要素耦合指数较低，意味着这些区域的水、土两种要素数量匹配相对较好，相互作用相对较弱，当一种要素发生变动时土地生产力的波动较小。

横断山地受西南季风和东南季风两个季风系统控制，大雪山—大相岭—大凉山—五莲山一线以西主要受西南季风控制，以东主要受东南季风气候控制。受西南季风控制区域年内干湿两季分明，水土耦合指数总体较高，年内分异更加显著；受东南季风控制区域总体上雨热同季，年内变动幅度比西南季风控制区域平缓，水土耦合指数相对较低，尤其以岷山—邛崃山—大凉山东缘水土要素耦合指数最低。在受西南季风控制区域，由于一系列纵向岭谷的控制，水汽西东方向输送被“阻隔”，而南北方向形成水汽“通道”，因此在三江并流区的伯舒拉岭以下区域水土要素耦合指数较低，尤其以独龙江、怒江河谷水土要素耦合指数更低。以伯舒拉岭—他念他翁山南段—宁静山南段—云岭—点苍山—无量山—哀牢山一线分界，横断山地西南季风控制区可分成两个相对差异较大的区域，该线以西、以南年降水量较大，气候相对湿润，水土要素耦合指数较低，而该线以东、以北区域则气候较为干燥，水土要素耦合指数较高，尤其是横断山地西北部的他年他翁山、宁静山、沙鲁里山一带和东南部的金沙江下段干旱河谷区形成水土要素耦合指数的高值区。

图2 横断山地水土要素耦合指数图

3.2 水土要素耦合空间分布特征

通过对横断山地水土要素耦合的总体格局分析发现，受横断山地环境的影响，尤其是大的气候、地貌格局控制作用，横断山地的水土要素耦合表现出复杂的空间分布特征。为进一步揭示横断山地的水土要素空间分布格局，以下从气候-地貌区、地形起伏度、海拔、坡度、坡位等5个方面对横断山地水土要素耦合的空间分布特征进行分析。

(1)不同气候-地貌区的水土要素耦合特征

本文参考李炳元[20,22]、郑度[23,24]、杨勤业[25]、张谊光[26]等对横断山地地貌区划、自然区划的研究成果，将横断山地划分为三江中段、宁静山、沙鲁里山南段、沙鲁里山北段、贡嘎山、邛崃山－岷山、红原－阿坝高原、邛崃山东段、横断山脉南段、大小凉山、滇中高原、滇东北山地等12个气候－地貌区(图3)。对横断山地12个地貌区的水土要素耦合指数分析发现：宁静山的水土要素耦合指数平均为0.67，是横断山地水土要素耦合指数最高的区域；邛崃山东段的水土要素耦合指数平均为0.35，是横断山地水土要素耦合指数最低的区域。横断山地水土要素耦合指数从高到低的排序为：宁静山＞沙鲁里山南段＞沙鲁里山北段＞滇东北山地＞横断山脉南段＞大、小凉山＞三江中段＞贡嘎山＞滇中高原＞红原—阿坝高原＞邛崃山—岷山＞邛崃山东段。从水土要素耦合数值来看，邛崃山东段区域，即宝兴县、芦山县、天全县、荥经县、汶川县的卧龙镇、映秀镇、三江镇一带，水土要素耦合指数明显低于横断山地其他区域，这显示出横断山地宏观气候、地貌特征对水土要素耦合特征的控制作用，也就是说宏观气候-地貌格局控制了横断山地的水土要素耦合格局。

图3 横断山地不同地貌区的水土要素耦合指数对比

(2)不同地形起伏度的水土要素耦合特征

横断山地是中国地形最复杂的区域，海拔相对高差达到7 198 m。据周成虎[27]、程维明[28]等提出的中国陆地地貌基本形态类型定量提取指标，利用SRTM数据计算出横断山地地形起伏度数据，并将横断山地划分成平原、台地、丘陵、小起伏山地、中起伏山地、大起伏山地等6种类型。对大小凉山、邛崃山东段和三江中段3个区域分地貌类型的水土要素耦合指数统计发现(图4)，随着地形起伏度的增加，水土要素耦合指数快速增加，山地的水土要素耦合指数明显高于平原、台地和丘陵地区，地形起伏度对水土要素耦合影响明显。由此可以看出，山地尤其是中、大起伏山地的水土要素耦合状态较差，土地生产力受水土要素的限制作用明显，稳定的土地生产力较低，是水土要素优化调控的重点区域。

图4 不同地形起伏度的水土要素耦合指数对比

(3)不同海拔的水土要素耦合特征

利用横断山地1:50 000 DEM数据，以500 m为间距将横断山地划分成10个海拔梯度带，分别是≤1 000 m、1 000～1 500 m、1 500～2 000 m、2 000～2 500 m、2 500～3 000 m、3 000～3 500 m、3 500～4 000 m、4 000～4 500 m、4 500～5 000 m、＞5 000 m。对不同海拔的水土要素耦合指数统计发现，水土要素耦合指数总体上随着海拔升高而升高，说明海拔对水土要素耦合有一定影响。但是存在一个转折点，超过该转折点后水土要素耦合指数反而下降。以大、小凉山(图5(a))和邛崃山东段为例(图5(b))，大、小凉山的海拔转折点为3 500～4 000 m，邛崃山东段的海拔转折点为3 000～3 500 m，这说明在横断山地东南部3 500 m左右是一个水土要素耦合的重要分界线。三江中段(5(c))的海拔转折点不明显，但是在3 000～3 500 m存在一个小的峰值，这预示着横断山地西部、西北部区域水土要素耦合与海拔的关系更加复杂。在1 000 m以下，水土要素耦合指数最低，且与1 000 m以上区域显著分异。1 000 m以下区域正是横断山地典型的干热河谷区，这里基于海拔统计的水土要素耦合指数特征与上文提出的干旱河谷区水土要素耦合指数在高值区并不矛盾，因为在微观地貌(或称微观坡面)上，控制水土要素耦合更重要的是坡度。也就是说干热河谷区整体上的水土要素耦合情况是不错的，稳定的土地生产力较高，农业生产空间功能适宜性高，但是在坡面上，尤其是坡度达到一定程度后稳定的土地生产力迅速降低。这说明在干热河谷地区调控水土要素，不仅是传统上认为的重在“调水”，而是“水土共调”，形成管控“水土迁移”的系统体系。

图5 不同海拔的水土要素耦合指数对比

(4)不同坡度的水土要素耦合特征

利用横断山地1:50 000 Slope数据，以3°、8°、15°、25°、35°、55°为阈值，将横断山地坡度分为7个等级。对不同坡度等级的水土要素耦合指数统计发现(图6)，水土要素耦合指数先随着坡度升高而增加，但在35°左右存在一个明显的转折点，之后水土要素耦合指数随着坡度增加而降低，该规律在大、小凉山以及邛崃山东段和三江中段表现都非常突出。由于山地国土空间功能中的生产和生活空间集中分布在35°以下，因此可以说坡度越大水土要素耦合状态越差，水土要素更加不匹配，其相互作用更加强烈，因此水土要素耦合对生产、生活空间功能影响亦越大。在3°～25°范围内，水土要素耦合指数几乎随坡度增加而增加，并存在一个突变坡度，如大、小凉山的突变坡度在3°左右，邛崃山东段的突变坡度在8°左右，三江中段的突变坡度在15°左右，不同区域突变坡度的差异是由各区域的地理环境特征，尤其是人地关系所决定的。精确厘定该突变坡度对于山地水土要素调控和国土空间功能优化管理意义重大。

(5)不同坡位的水土要素耦合特征

在山地环境中，坡位也是影响水土要素时空分布和国土空间功能的重要因素。在对不同气候-地貌区、不同地形起伏度、不同海拔、不同坡度的水土要素耦合特征分析的基础上，进一步分析了不同坡位的水土要素耦合特征。从图7可以看出，中、上坡的水土要素耦合指数明显高于下坡，谷底和山坪的水土要素耦合指数最低。值得一提的是，在大、小凉山以及邛崃山东段和三江中段都表现出山坪的水土要素耦合指数最低。耕地主要集中分布在横断山地东南部的凉山、楚雄、会泽、大理一带，“二半山”耕地是这一带农业生产的重要特征。虽然山坪的水土要素耦合指数统计较低，但是山坪或“二半山”的水土要素耦合又受到坡度、水土要素垂直配置特征影响。因此在横断山地水土要素调控、国土空间功能优化管理、精准扶贫等工作中要重点针对“二半山”发力，提升“二半山”稳定的土地生产力，促进区域全面小康社会建设。

图6 不同坡度的水土要素耦合指数对比

图7 不同坡位的水土要素耦合指数对比

3.3 水土要素耦合年内变化特征

图8给出了横断山地作物缺水指数与水土要素耦合指数的年内变化特征。就作物缺水指数而言，干季的作物缺水指数显著高于雨季的作物缺水指数，其中4月份的作物缺水指数最高，8月份的作物缺水指数最低。但是，水土要素耦合指数与作物缺水指数有较大不同，从每年的1月开始水土要素耦合指数急剧升高，到6月份达到最高，6月份的水土要素耦合指数是1月份水土要素耦合指数的12倍。6月份之后水土要素耦合指数下降，但是8～9月份水土要素耦合指数又开始上升，10～12月份水土要素耦合指数一直保持下降趋势。对比作物缺水指数与水土要素耦合指数可以发现，10月份至次年4月份横断山地水土要素耦合主要由水土要素的时空分异决定，5～9月份主要由水土要素的相互作用决定，4～6月份水土要素的时空分异和水土要素的相互作用对水土要素耦合指数的影响都较大。横断山地水土要素耦合指数的这种年内变化特征给我们一个很重要的启示，即水土要素调控措施也要有季节性考虑和预见性，尤其是4～6月份正式干湿季节交替的时段，调控时不仅要针对本月份的水土要素耦合情况，还要为下月份的水土要素调控保留措施空间。

图8 横断山地作物缺水指数与水土要素耦合指数的年内变化特征

3.4 水土要素耦合年际变化特征

从图9中可以看出横断山地水土要素耦合指数在2000—2014年15年间主要以年际波动特征为主，无明显趋势性。2000—2006年横断山地水土要素耦合指数呈下降趋势，2006—2014年水土要素耦合指数呈上升趋势。同时，2006年以后水土要素耦合指数年际波动更加剧烈，也就意味着水土要素调控的难度增大。横断山地水土要素耦合指数表现出的一些趋势虽然不显著，但还是应该引起高度重视，并在国土空间功能优化调控工作中加以考虑。

图9 2000—2014年的水土要素耦合指数动态变化

4 结论与讨论

以上构建了横断山地水土要素耦合指数，计算得到了2000—2014年逐年、逐月和多年平均的耕地水土要素耦合指数值，并基于水土要素耦合指数对横断山地的水土要素耦合时空特征进行了分析，结论如下：

(1)宏观气候-地貌格局决定了横断山地水土要素耦合的空间格局，由此形成了大雪山—大相岭—大凉山—五莲山一线和伯舒拉岭—他念他翁山南段—宁静山南段—云岭—点苍山—无量山—哀牢山一线分割的3个水土要素耦合指数显著分异的区域。

(2)水土要素耦合指数随地形起伏度增加而增加，随海拔和坡度升高先增加后降低，在不同坡位上山坪的水土要素耦合指数最低，中坡和上坡水土要素耦合指数最高。水土要素耦合指数受多种因素影响，在微观层次上坡度对水土要素耦合影响最大。

(3)横断山地水土要素耦合指数年内各月份之间差异显著，6月份水土要素耦合指数最高，10月份至次年4月份横断山地水土要素耦合主要由水土要素的时空分异决定，5～9月份主要由水土要素的相互作用决定。近15年间，横断山地水土要素耦合指数无明显趋势，以年际波动变化为主。

(4)综合横断山地水土要素耦合的时空格局特征，提出了横断山地水土要素调控的关键带：①关键坡度：18°、25°、35°；②关键海拔：1 000 m、2 700 m、3 500 m；③关键区域：大、小凉山；④关键部位：二半山；⑤关键时段：4～6月份。

山地水土要素耦合是一个复杂的系统。现阶段中国实施的主体功能区划、生态红线、国土空间规划等政策都强调加强“三类国土空间”的管控，面向不同国土空间的水土要素耦合分析思路不同。本文提出的水土要素耦合指数是面向农业生产空间的水土要素耦合指数，因此在指标设计中强化了作物缺水指数、土壤质量、土壤侵蚀等因素，该指数实际上反映了耕地的水土要素耦合指数状态。当然该指数对林地、草地等生态空间的水土要素耦合也有一定参考价值。下一步研究中，一方面要加强面向不同国土空间的水土要素耦合研究工作，如针对城镇空间的水土要素耦合，针对农业空间的水土要素耦合，针对生态空间的水土要素耦合等；另一方面，要加强水土要素耦合的归因分异和区划工作，科学解释水土要素耦合为什么这样分异，各区域之间如何分异，以及水土要素耦合如何调控等。

(2017年12月29日收稿)

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