基于Google Earth影像的横断山区沟蚀及侵蚀沟类型调查研究

董一帆, 聂 勇, 熊东红

(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， 四川 成都 610041)

沟蚀是土壤侵蚀的主要类型之一，在水土流失过程中占有重要的地位。侵蚀沟的发育会引起区域土壤质量严重退化，破坏土地景观格局；同时，侵蚀沟还是区域泥沙的重要来源，其产沙贡献往往可以达到流域产沙总量的1/2以上[1-2]。目前，国内土壤侵蚀学领域依据侵蚀沟的发展阶段、侵蚀强度、空间规模及所处地貌部位等因素，建立了由细沟→浅沟→切沟→冲沟[3-4]的现代侵蚀沟分类体系；国际上对侵蚀沟也形成了由rill→ephemeral gully→permanent gully的划分方法[1]。对比中国与国际的侵蚀沟分类，二者之间既有相似之处，也存在一定差异。

细沟与rill相对应，是侵蚀沟发育的初始阶段，以股流(concentrated flow)为主要的侵蚀动力，与浅/切沟(rill和gully)的划分标准主要依据横截面积(小于929 cm2的为细沟)来确定[4]。浅沟与国外的ephemeral gully概念相对应[2]，往往有规律的分布在无明显边界的槽形地(集流槽)底部[3]，可以通过横过耕作的形式进行消除，但往往在同一部位会反复发育[1,5]。国内的侵蚀沟分类体系中，浅沟进一步发育成为切沟，而切沟进一步发育形成冲沟[4,6]，但在国外则将切沟和冲沟统称为permanent gully，并未做进一步的详细区分[1]。原因有两点，其一，切沟和冲沟均属于现代侵蚀范畴，都存在溯源侵蚀、沟道下切和沟坡扩展等典型过程[4]；其二，中国的侵蚀沟分类研究起源于黄土高原[5-6]，由于黄土高原独特的沟谷地、沟间地地貌特征，切沟和冲沟发育的地貌部位及继承性、空间规模等均存在显著差异[6]；而国际上对侵蚀沟发育的地貌部位考虑较为笼统，主要分为坡面沟(hillslope gully)和谷底沟(valley floor gully)[7]。在黄土高原地区还有干沟、河沟等更大规模的沟道类别划分[3,6]，而国外则往往用entrenched channel或(small)river等词汇进行表述[1,7]，但这些名词与干沟、河沟并不存在严格对应的关系，且与permanent gully的划分并没有清晰的空间尺寸标准[1]。土壤侵蚀研究领域的侵蚀沟(gully)属于现代侵蚀[6]，强调在原有坡面下切形成沟道这一“从无到有”的侵蚀过程；而形成于地质历史时期，沟道形态相对较稳定，没有显著的侵蚀痕迹，以物质搬运为主的沟(河)道[8]不在本次调查的范围之内。

中国横断山区面积约5.00×105km2，地处藏东、川西及滇西北地区[9]。区域内沟谷纵横，地形陡峭，侵蚀沟发育十分显著。然而，由于该区域面积广大，高山林立，海拔超过4 000 m的高山、极高山分布广泛，监测难度大，前期横断山区的沟蚀研究主要集中于若干个典型区域(如西南干热河谷地区等)，而对横断山区整体的侵蚀沟现状研究鲜有报道。同时，由于横断山区构造活动强烈，地貌外营力存在显著的垂直分异[10]，区域侵蚀沟的物质组成、侵蚀搬运过程及侵蚀营力等要素，与黄土高原、东北黑土区、南方崩岗区等其他主要沟蚀区域存在显著差异。基于不同技术手段(航空、卫星、无人机等)获取的遥感影像，提取侵蚀沟的空间分布及形态特征，是侵蚀沟数据获取的一种重要方法[11]。然而，由于影像获取成本及分辨率等因素的限制，该方法往往无法应用于在大区域尺度上的侵蚀沟调查。近年来，随着Google Earth技术的成熟，以及Google日益增长的免费高清影像的全球覆盖度，为侵蚀沟的调查提供了全新的数据来源[11]，也为区域尺度上的侵蚀沟空间分布及影响因素研究提供了基础资料。

鉴于此，本研究拟基于以Google Earth为主的遥感影像，结合GIS软件的数据处理方法，对横断山区侵蚀沟沟壑密度进行了抽样调查；利用区域地形地貌、降雨、土地覆被、土地利用及土壤类型等环境背景资料，分析横断山区侵蚀沟的分布特征及主要影响因素，探讨横断山区侵蚀沟的主要类型及其与传统侵蚀沟的差异，为横断山区沟蚀引发的土壤侵蚀及土地退化等问题进行初步的探索。

1 材料与方法

1.1 侵蚀沟提取方法及局限

本次研究的横断山区西起澜沧江上游—高黎贡山一线，东至岷山—邛崃山—大小凉山，北至石渠—若尔盖—九寨沟一线，南至腾冲—楚雄—昆明一线，面积4.35×105km2。区域内包括了宁静山、云岭、沙鲁里山、大雪山等山脉，及金沙江、澜沧江、怒江等大河及支流[10]。针对研究区范围，按大约0.5%的抽样面积，随机布设调查单元2 242个，调查单元尺寸为1 km×1 km，利用Google Earth结合高清遥感影像，开展侵蚀沟调查。

调查工作于2016年7月启动，至2017年4月完成，共分3个主要步骤。首先对2 242个调查单元进行全面筛查，将调查单元中城镇、水体、冰雪覆盖面积超过30%的调查单元在邻近区域进行位置重置，确定调查单元的所在位置；第二步，判别调查单元内是否有活跃的侵蚀沟发育，筛选出符合标准的沟蚀调查单元；最后，利用Google Earth中“添加路径”工具，对沟蚀单元内侵蚀沟的长度进行勾画提取，提取结果导入ArcGIS 10.0计算侵蚀沟长度、条数等参数。

由于技术条件限制，目前基于影像的侵蚀沟自动提取技术还有待进一步发展[12]，因此本次调查是基于人工判读和提取。为控制调查质量，避免人为误差，首先基于侵蚀沟定义分析及专家论证，制定侵蚀沟判别标准，依据判定标准进行沟蚀单元的筛选；第二步，选择有侵蚀沟研究经验的人员，基于沟蚀单元的筛选结果进行侵蚀沟信息提取，在提取前随机筛选5个沟蚀单元，让所有参与人员进行侵蚀沟提取，逐一对比调查结果，进一步统一侵蚀沟的提取标准，确保不同人员对同一调查单元的结果误差小于5%；最后进行所有单元的侵蚀沟提取；并由一位专家对提取结果进行全面筛查，确定最终的调查结果。

调查遵从侵蚀沟在影像的可见性原则，包括两个层面：一是侵蚀沟形态指标需显著高于影像像元分辨率，Google Earth影像最高分辨率达0.3 m，次一等级为0.6 m，而在一些缺乏Google Earth高清影像的区域用IKONOS(分辨率1.0 m)，SPOT(2.5 m)等其他影像代替；基于影像分辨率，本次只调查了长度大于5 m的侵蚀沟(至少2个像元)；同理，由于许多侵蚀沟宽度<5 m，且沟缘线在遥感影像上并不能清晰判别，人工调查会引入较大误差，因此本次调查未统计侵蚀沟的宽度、面积等参数。第二，侵蚀沟在影像上必须直接可见，如果侵蚀沟被其他地物如植被、冰雪等覆盖或因光线条件不佳无法清晰判读时，则不予统计。

1.2 横断山区环境背景数据的选择

为探索侵蚀沟的空间分布规律及机制，本研究搜集了与沟蚀相关的区域背景参数。区域的数字高程模型(DEM)采用了SRTM 3(90 m分辨率)的数据，该数据也是Google Earth的高程数据源，坡度由DEM生成。基于DEM，横断山区海拔超过3 500 m的面积占区域总面积的1/2以上，而目研究区内的气象站点，90%以上都位于3 500 m以下的区域。因此本研究的降雨数据选择TRMM 3B43，其空间分辨率为0.25°×0.25°，依据前期研究，基于TRMM获取的年降水数据与气象站观测结果相关系数(r2)超过0.86，在横断山高海拔地区降水量的分布研究方面有着很好的前景[13]。土地利用数据主要参考中国科学院地理科学与资源研究所制作的2005年全国土地利用栅格数据(100 m分辨率)，数据来源于国家科技基础条件平台——国家地球系统科学数据共享服务平台(http:∥www.geodata.cn)。土壤类型数据主要参考中国科学院资源环境科学数据中心提供的全国1∶100万土壤类型数据，植被数据主要参考1998—2008年该区域的NDVI数据(1 km分辨率)。

2 结果与分析

2.1 横断山区沟壑密度及分布规律

调查过程中，首先对遥感影像进行判读，筛选出571个有侵蚀沟发育的调查单元，占调查单元总数的25.5%；基于ArcGIS 10.0对侵蚀沟的长度、条数等参数进行提取，结果显示，571个沟蚀样方平均沟壑密度为2.20 km/km2，平均侵蚀沟条数20.36条/km2，依据现有沟蚀分级标准[14]属于中度侵蚀范畴。侵蚀强度达到中度及以上的比例接近50%，其中最大值为18.96 km/km2(表1)。

表1 横断山区侵蚀沟调查结果

由于可见性原则的限制，本研究的调查方法存在一定的局限性。首先，由于横断山区地域广阔，无法获取统一时相的调查影像，为减小误差，本次调查主要选取2010—2015年的影像，以缩小时间差异。其次，由于可见性原则的限制，部分小规模的侵蚀沟，以及因林草、冰雪覆盖，或因光线、云量等环境条件的限制，会导致部分侵蚀沟无法判读，因此基于现有方法获取的调查结果，相对于真实的侵蚀沟沟壑密度值会有一定程度的偏低。

2.1.1 高程与坡度 沟蚀单元最高海拔4 959 m，最低海拔633 m。依据不同高程梯度来看，沟蚀单元在高山(海拔3 500～5 500 m)的区域分布数量最多，其次为中山(海拔1 500～2 500 m)及高中山区域(海拔2 500～3 500 m)。但沟蚀单元的分布率来看，低山中低山(海拔<1 500 m)是沟蚀分布比例最高的区域，其面积仅占横断山区总面积的3.1%，而沟蚀单元占比高达13.5%；同时其平均沟壑密度高达3.94 km/km2，中值为2.98 km/km2，显著高于其他区域(表2)。

表2 不同海拔梯度的沟蚀单元分布及沟壑密度

沟蚀单元主要分布在25°～35°以及15°～25°分布数量最多，分别为160和155个，在>35°的区域分布也超过100个。对比单元占比和面积占比看，除了<5°的区域，单元占比显著低于面积占比，其余区域二者差异不大，显示沟蚀单元在不同坡度的分布率基本一致。从沟壑密度的均值及中值来看，均随着坡度增加逐步上升，>35°的区域沟壑密度的均值及中值最高，分别达到2.70和1.88 km/km2(表3)。基于相关分析，单元沟壑密度与高程及坡度的相关系数(r2)分别只有0.01和0.05(n=571)，但显著性均达到了0.01水平。

表3 不同坡度梯度的沟蚀单元分布及沟壑密度

2.1.2 降雨与植被因素 沟蚀单元所在区域，年降雨量最小值为477.4 mm，最大值为1 444.4 mm，平均降雨量780.7 mm，总体高于黄土高原、东北黑土区等中国其他主要沟蚀区域；相对的，沟蚀单元NDVI值的范围则在0.06～0.54，平均值为0.32。沟壑密度与年均降雨量呈微弱的指数负相关关系，r2仅有0.03(sig.=0.000,n=571)；沟壑密度与NDVI也呈指数负相关关系，但r2也仅有0.10(sig.=0.000,n=571)。

降水量是土壤侵蚀的重要驱动力，但在本研究中与沟壑密度的关系非常微弱，主要原因有以下几方面： ①在区域尺度上，降水不仅影响侵蚀沟发育，同时还反映一个地区的自然环境条件。以植被为例，前人研究表明，横断山区的NDVI变化主要驱动力为降水[16]，而本研究中，沟蚀单元的年降水量也与NDVI呈显著正相关关系(r2=0.15，sig.=0.000,n=571)，这反映出在横断山区，降水条件优越的地区往往易于植被生长，而植被对土壤侵蚀有显著的抑制作用。本研究中，年降雨量>1 200 mm的沟蚀单元仅有7个，平均沟壑密度只有0.67 km/km2，远远小于区域平均的沟壑密度； ②降雨并非横断山区唯一的沟蚀驱动力，横断山区高山、极高山区域(海拔>3 500 m)的面积占比为超过50%(表2)，冻融侵蚀分布广泛，坡度>15°的区域面积占比高达77.6%(表3)，重力侵蚀的作用同样显著，进而显著影响降雨与沟蚀间的相关性； ③沟蚀的发育受单次极端降雨影响非常显著，而本研究使用的TRMM降水数据时间为月尺度，无法反映极端次降雨对沟蚀的影响；此外，决定侵蚀沟水动力条件的主要因素除了降水还有侵蚀沟上游的汇水面积，然而本研究采取的等面积调查单元提取方法无法保证汇水面积的完整性，且基于区域尺度的DEM精度也无法满足对侵蚀沟汇水面积的准确提取，因此单纯基于降雨与沟壑密度建立关系效果并不理想。

2.1.3 土地利用与土壤类型 从土地利用的Ⅰ级分类看，草地是侵蚀沟发育的主要土地利用类型，对应侵蚀沟的单元占比达到65.3%(共377个沟蚀单元)，远高于草地在横断山区的面积占比42.0%；其次为林地和耕地，其单元占比分别为23.6%和9.4%。从Ⅱ级分类看，沟蚀单元主要分布为：高寒草甸(166个)、草甸草地(80个)、典型草地(76个)、灌丛(65个)、灌丛草地(51个)、旱地(48个)和常绿针叶林(45个)；从平均沟壑密度看，则是典型草地(3.21 km/km2)>草甸草地(3.10 km/km2)>灌丛草地(2.31 km/km2)>灌丛(1.95 km/km2)>旱地(1.86 km/km2)>高寒草甸(1.68 km/km2)>常绿针叶林(1.36 km/km2)。高寒草甸的沟蚀单元虽然数量最多，但平均沟壑密度明显偏低，这与横断山区海拔较高，冻融侵蚀分布广泛，但侵蚀动力相对较弱有关。

土壤类型也体现出相似的规律，黑毡土和草甸土是横断山冻融侵蚀区的代表性土壤，其沟蚀单元分布数量也最多，分别达到153和76个，但其平均沟壑密度偏低，分别只有1.87和1.58 km/km2。沟蚀单元在其他主要土壤的分布情况为：燥红土(57个)>红壤(56个)>褐土(46个)>黄棕壤(38个)>紫色土(33个)，但从平均沟壑密度看，则是燥红土(4.34 km/km2)>褐土(3.22 km/km2)>紫色土(2.50 km/km2)>红壤(2.23 km/km2)>黄棕壤(1.54 km/km2)。燥红土区的面积仅占横断山区总面积的0.6%，但其沟蚀单元占比达到10.0%，平均沟壑密度在各土壤类型中排在第一。燥红土沟蚀单元的分布率及沟壑密度都显著高于其他土壤类型，是横断山区沟蚀最为发育的土壤类型。

2.2 横断山区侵蚀沟的归类探讨

基于现有的调查方法，由于细沟空间规模小，其长度、宽度往往小于最高分辨率(0.3 m)的像元尺寸，不满足可见性原则，因此基于现有调查方法无法获取细沟的相关信息。同理，虽然在实际野外观察中发现坡耕地内常有浅沟发育，但在现有影像中，由于横断山区坡耕地地块面积较小(相对黄土高原、东北黑土区等)，且多经过坡改梯或坡式梯田等治理措施的改造，其浅沟发育的槽型地形态在遥感影像上并不显著；同时由于耕作活动及作物覆盖等因素，导致浅沟被掩埋或遮挡，基于现有方法能提取到的浅沟信息非常有限。因此，本次调查的侵蚀沟主要为切沟和冲沟。

切沟可以在遥感影像上清晰的提取(图1)，从类型上看，横断山地的切沟主要为坡面沟(hillslope gully)，在横断山北部红原、若尔盖等高寒草甸地区也有部分谷底沟(valley floor gully)。从切沟分布的具体位置来看，发育在河谷(沟谷)边坡、由水力、重力共同作用切破原始地表形成的切沟是最为常见的坡面沟类型；在高寒草甸地区水蚀、冻融侵蚀共同作用形成的侵蚀沟同样分布广泛。此外，由于滑坡(降雨、地震等)、冰缘作用等形成的松散坡积物上，也常有切沟发育。

横断山区众多沟谷都有泥石流事件发生。泥石流强烈切割谷坡和谷底，形成空间规模远大于切沟的侵蚀沟道。前期研究往往将这些沟道称为冲沟或侵蚀沟，英文也同样用gully一词进行表述[17]。这类冲沟内往往有松散物质搬运痕迹，沟口常有堆积扇等典型形态特征，在遥感影像上可以清晰的进行判读[18]。泥石流冲刷形成的冲沟与传统土壤侵蚀研究领域的沟蚀有许多相似之处，但也存在显著的差异。从侵蚀发生的地貌部位看，泥石流常分为坡面型泥石流和沟谷型泥石流[17]，这与沟蚀(permanent gully)中坡面沟和谷底沟的划分有相似之处[12]；从侵蚀过程看，二者均属于现代侵蚀范畴，具有溯源侵蚀、沟道下切与沟道拓宽等典型过程[19]。不同之处也较为显著，首先，泥石流形成虽然也存在清水汇集成股流的过程，但泥石流启动后，流体性质常转换成为非牛顿流体，搬运的物质不仅有土壤颗粒，还包括不同粒径的砾石、卵石、漂石等，这与土壤侵蚀研究领域的径流特性(牛顿体)及物质产输(粒径小于2 mm的细砂、粉砂、黏土为主)存在显著差异[20]；第二，土壤侵蚀研究领域的侵蚀沟，其侵蚀的主要动力来自降雨后沟内形成的暂时性流水[1]，这类沟道不属于河网系统，往往没有常年流水存在。但许多发生过泥石流事件的侵蚀沟常属于河网系统，沟道内常有季节性甚至常年流水汇入主河道，在泥石流发生时常造成堵江形成堰塞湖等现象[20]。泥石流无疑是横断山区重要的侵蚀及物质搬运过程，与土壤侵蚀研究的沟蚀存在一定的相似之处，且基于本次调查的研究方法可以成功判读，因此本次调查将存在泥石流过程的侵蚀沟纳入统计的范围。

注：a 河谷边坡切沟，调查单元ID：JP227，26°59′02.71″N；102°53′05.69″E，海拔1 189 m; b 河谷边坡切沟，拍摄于云南东川区小江流域； c 水蚀、冻融侵蚀共同作用形成的切沟，调查单元ID:HD488， 32°56′01.66″N；101°32′31.39″E；海拔4428m； d 高寒草甸区，发育的切沟，拍摄于四川省红原县； e 滑坡堆积物上形成的切沟，调查单元ID：JS405，26°24′48.15″N；102°55′32.69″E，海拔2509m； f 地震引发滑坡体上发育的切沟，拍摄于四川省汶川县； g 位于沟谷谷底有泥石流事件的冲沟，调查单元ID：JP195，25°59′28.37″N；101°54′12.29″E，海拔1207 m； h 位于流域谷底，2016年9月有泥石流事件发生的冲沟，拍摄于云南省元谋县。

3 结 论

(1) 基于Google Earth与遥感影像，调查横断山区侵蚀沟的沟壑密度(km/km2)，根据调查方法及传统侵蚀沟命名的对比参照，认为本次调查获取的侵蚀沟以切沟和冲沟为主，调查结果显示，25.5%的调查单元有侵蚀沟存在，沟蚀发育区的平均沟壑密度为2.20 km/km2。侵蚀强度达到中度及以上的比例接近50%。

(2) 沟壑密度在低山中低山(海拔<1 500 m)的区域无论分布概率还是沟壑密度均显著高于其他区域；随着坡度的增加，沟壑密度呈上升趋势；沟壑密度与降雨(r2=0.03, sig.=0.000)及NDVI(r2=0.10, sig.=0.000)的呈指数负相关关系，但相关系数偏低；草地是横断山区沟蚀发育的主要土地利用类型；侵蚀沟在高海拔的冻融侵蚀区分布广泛，但沟壑密度偏低；燥红土是沟蚀发育最为剧烈的土壤类型，其分布率及沟壑密度均显著高于其他土壤类型。

(3) 基于可见性原则及侵蚀沟国内、国际分类体系的综合分析，本研究统计的侵蚀沟主要类型为切沟和存在明显侵蚀搬运痕迹的冲沟。切沟的主要类型包括发育河谷边坡由水力及重力作用形成的切沟，发育在高海拔区由水力及冻融侵蚀作用形成的切沟，发育在松散堆积物(滑坡、冰缘作用等形成)上的切沟等。冲沟则常有泥石流事件发生，泥石流与传统沟蚀在发育部位、侵蚀典型过程等方面存在相似之处，但在流态、物质组成、沟内是否有常年流水等方面又有显著差异。然而，考虑泥石流是横断山区重要的侵蚀及物质搬运过程，也能基于本次调查方法可以成功判读，因此纳入了本次调查的结果统计中。