馮君園，盧 艷，蔡強國，李朝霞，孫莉英＊

（1中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環(huán)與地表過程重點實驗室，北京100101；2華中農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，湖北武漢430070；3鄭州大學水利與環(huán)境學院，河南鄭州450001）

基于主成分分析的那曲地區(qū)融水侵蝕強度評價

馮君園1，2，盧 艷3，蔡強國1，李朝霞2，孫莉英1＊

（1中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環(huán)與地表過程重點實驗室，北京100101；2華中農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，湖北武漢430070；3鄭州大學水利與環(huán)境學院，河南鄭州450001）

選取風速、日照、氣溫年較差、相對濕度、坡度、坡向、植被蓋度、土壤可蝕性K值、海拔和冰川積雪變化因子作為西藏那曲地區(qū)融水侵蝕強度評價的影響因子，運用主成分分析方法提取融水侵蝕的主要影響因素，并計算不同環(huán)境背景條件下的融水侵蝕強度因子，利用GIS技術對那曲地區(qū)融水侵蝕進行分級評價，分析那曲地區(qū)融水侵蝕分布特征。結果顯示，融水侵蝕主要影響因素分別是地形地貌因素、氣候因素、土壤因素和冰川積雪變化因素。那曲地區(qū)融水侵蝕分級結果表明，研究區(qū)融水侵蝕各強度等級所占面積由大到小依次為微度（40%）、極強度（24%）、中度（16%）、輕度（8%）、劇烈（7%）、強度（5%）。

融水侵蝕；主成分分析；GIS；那曲地區(qū)；強度評價

融水侵蝕是季節(jié)性凍土在低溫環(huán)境反復的凍融作用下破碎、崩解，表層土壤隨著氣溫上升解凍后，在冰川和積雪融化形成的地表徑流沖刷作用下被剝離、搬運及堆積的土壤侵蝕過程。融水侵蝕是高海拔凍土區(qū)主要的土壤侵蝕類型之一，嚴重破壞高原地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，特別是融水侵蝕造成的水土流失對下游河道流量、輸沙危害嚴重［1］，掌握高原地區(qū)融水侵蝕強度分布可以為該地區(qū)融水侵蝕的綜合治理提供重要參考。高海拔寒區(qū)融水侵蝕主要特征是：（1）融水徑流產生時，表層土壤都經受了若干次凍融循環(huán)作用，從而使土壤抗侵蝕能力大大降低；（2）融雪期表層土壤解凍而下部土壤凍結，形成滲透性極弱的隔水層，加劇融水徑流集流和沖刷能力；（3）融雪期表層土壤含水量較高，抗蝕能力降低；（4）融雪期一般地表植被覆蓋度相對較低，土壤遭受侵蝕可能性增大。

融水侵蝕是一個水熱耦合、多因素綜合作用的復雜侵蝕過程，受自然因素和人為因素等方面的影響，在時空尺度上具有強烈的相互依存和變化特點。目前，國內外關于土壤侵蝕的強度評價研究已有較多成果，并指導實際工作的開展。張建國等［2］基于GIS的空間分析功能，分析了凍融侵蝕的影響因子并建立了凍融侵蝕相對分級評價模型，實現(xiàn)了西藏自治區(qū)凍融侵蝕的相對分級。張亦超等［3］提出基于GIS技術構建土壤風蝕模型軟件的思路和方法，從時間和空間尺度上快速得到風蝕模數(shù)及風蝕強度分級結果。朱惇等［4］基于空間主成分分析方法對土壤侵蝕各影響因素進行疊加分析，計算不同環(huán)境背景下的土壤侵蝕綜合指數(shù)，實現(xiàn)湖北省土壤侵蝕敏感性評價。本研究以西藏那曲地區(qū)為研究對象，運用主成分分析與GIS技術，對那曲地區(qū)融水侵蝕強度進行綜合評價，分析那曲地區(qū)融水侵蝕分布特征，為融水侵蝕研究及防治提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

那曲地區(qū)地處藏北高原（圖1），地理坐標為東經83°55′～95°05′，北緯29°55′～36°30′，大部分地區(qū)海拔為4 000～5 100m。境內匯入長江、怒江和雅魯藏布江的大小支流多達50余條，還有無數(shù)的季節(jié)性河流；同時那曲境內還分布著納木錯、當惹雍湖等高原名湖，其余小型湖泊星羅棋布，數(shù)量多達3 000多個。全境海拔較高，熱量不足，是典型的亞寒帶氣候，年均溫為－3.3～－0.9℃，年均降水量僅100～200mm。那曲地區(qū)成土的自然地理及生物氣候條件復雜，土壤類型眾多，土壤有機質含量低，土層薄，地表裸露、土壤發(fā)育弱，土壤侵蝕劇烈，境內有大量融水侵蝕沉積扇分布，是融水侵蝕典型區(qū)域。

圖1 那曲地區(qū)位置示意Fig.1 Sketch map showing location of Naqu district

2 研究方法

融水侵蝕影響因子很多，且各影響因子互相影響，主成分分析運用統(tǒng)計學分析原理［5］，從互相影響的因子中提取少數(shù)幾個彼此不相關的綜合性指標而保持原有因子提供的大量信息。融水侵蝕影響因子主要包括凍融作用、融水作用、地表徑流等過程的影響因子。有關凍融侵蝕研究成果［2］表明：氣溫年較差、海拔、坡度、坡向、植被蓋度和冰川積雪變化因子是影響凍融作用的重要因子；有關融雪侵蝕研究成果［6］表明：風速、輻射和相對濕度是影響冰雪融化的主要因素?；谙嚓P研究成果［6－10］，本研究選取風速、日照、氣溫年較差、相對濕度、坡度、坡向、植被蓋度、土壤可蝕性K值、海拔和冰川積雪變化因子作為那曲地區(qū)融水侵蝕強度評價的影響因子。融水侵蝕各影響因子數(shù)據(jù)來源見表1。

表1 融水侵蝕影響因子數(shù)據(jù)來源Tab.1 Data sources of influencing factors of melt water erosion

本研究收集、整理了那曲地區(qū)及周邊共21個國家級氣象站點（表2）的逐月氣象資料，計算各站點風速、日照、相對濕度的50年均值，同時根據(jù)各站點的位置、海拔計算各站點氣溫年較差，利用ArcGIS軟件進行空間插值，生成研究區(qū)各氣象因子的30m分辨率的柵格分布圖；從國際科學數(shù)據(jù)服務平臺下載30m分辨率ASTER GDEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS平面分析功能，提取研究區(qū)的坡度、坡向及海拔信息；根據(jù)研究區(qū)2006年的Terra／MODIS遙感數(shù)據(jù)，通過對逐旬歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)進行處理，采用植被指數(shù)轉換法［11］計算研究區(qū)的平均植被蓋度［12］；選取2000年和2010年研究區(qū)的Terra／MODIS冰川積雪產品，分別提取研究區(qū)冰川雪蓋圖，分析研究區(qū)10年的冰川積雪變化情況；參考王小丹等［13］計算的那曲地區(qū)各縣的土壤可蝕性K值，利用ArcGIS空間賦值得到那曲地區(qū)土壤可蝕性K值分布圖。

本研究借用馬藹乃［14－15］提出的最小圖斑概念，作為模型數(shù)據(jù)集成和處理的基礎。利用ArcGIS分 析工具中的聯(lián)合分析功能，將風速、氣溫年較差、相對濕度、日照時數(shù)、DEM以及土壤可蝕性K值等因子矢量圖分辨率統(tǒng)一轉換為30m分辨率，并進行空間疊加，得到聯(lián)合單元，通過設定最小容許值消除過于破碎的單元，從而得到30m分辨率基本單元［16］，研究區(qū)共有3 105個大小不同的基本單元。

表2 氣象站點信息統(tǒng)計表Tab.2 Information of Meteorological Station

分別統(tǒng)計各單元的影響因子屬性值，其中坡度、坡向、植被蓋度和冰川積雪分別用陡坡百分比、陽坡百分比、植被蓋度比和冰川積雪面積比表征。

利用幾何間隔法對各單元融水侵蝕強度因子進行分級。該算法通過將每個類的元素平方和進行最小化來創(chuàng)建幾何間隔，這可確保每個類范圍與每個類所擁有的值的數(shù)量大致相同，且間隔之間的變化非常一致。

3 結果與分析

根據(jù)SPSS14.0的KMO和Bartlett檢驗，本研究KMO值為0.7，Bartlett球形檢驗極其顯著，各因子之間存在明顯的結構性和相關性，可進行主成分分析。

主成分個數(shù)提取原則為主成分對應的特征值大于1的前m個主成分。表3為方差分解主成分提取分析表，由表3數(shù)據(jù)看到主成分特征值大于1的只有第1、2、3主成分，但前3個主成分貢獻率只有約63.3%，綜合考慮主成分貢獻率，且第4個主成分特征值約等于1，選取前4個主成分作為融水侵蝕主成分。4個主成分貢獻率達到73.3%，涵蓋了大部分原始信息，可以接受主成分分析結果。根據(jù)各主成分對各因子的載荷矩陣（表4），融水侵蝕的4個主成分分別為地形地貌因素、氣候因素、土壤因素和冰川積雪變化因素。

表3 方差分解主成分提取分析表Tab.3 Total variance explained

用表4中的數(shù)據(jù)除以主成分相對應的特征值開平方根便得到4個主成分中每個指標所對應的系數(shù)［17］，將得到的系數(shù)與標準化后的數(shù)據(jù)相乘，就可以得出各主成分表達式，如下所示：

表4 初始因子載荷矩陣表Tab.4 Component matrix

以每個主成分所對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權重計算主成分綜合模型，4個主成分特征值和為7.3，其中F1主成分特征值為2.7，權重為0.36；F2主成分特征值為2.1，權重為0.29；F3主成分特征值為1.5，權重為0.21；F4主成分特征值為1，權重為0.14。即主成分綜合模型為

根據(jù)主成分綜合模型即可計算綜合主成分值，利用GIS對各單元按綜合主成分值進行空間賦值，即可對那曲地區(qū)融水侵蝕強度進行綜合評價：

式中：F是融水侵蝕強度因子，X1是風速標準化后數(shù)據(jù)，X2是氣溫年較差標準化后數(shù)據(jù)，X3是海拔標準化后數(shù)據(jù)，X4是相對濕度標準化后數(shù)據(jù)，X5是日照時數(shù)標準化后數(shù)據(jù)，X6是NDVI標準化后數(shù)據(jù)，X7是冰川積雪面積變化比標準化后數(shù)據(jù)，X8是土壤可蝕性K值標準化后數(shù)據(jù)，X9是陽坡百分比標準化后數(shù)據(jù)，X10是陡坡百分比標準化后數(shù)據(jù)。

3.1 研究區(qū)融水侵蝕強度評價結果

根據(jù)模型（6）計算各基本單元融水侵蝕強度因子F，其中研究區(qū)最大侵蝕強度因子Fmax＝4.0，最小侵蝕強度因子Fmin＝－2.5。利用空間疊加方法進行柵格數(shù)據(jù)的計算，得到那曲地區(qū)融水侵蝕強度因子。參考中國土壤侵蝕分類分級標準，利用幾何間隔法將研究區(qū)融水侵蝕強度分為6個等級，分別是微度、輕度、中度、強度、極強度和劇烈，得到那曲地區(qū)融水侵蝕強度等級分布圖，如圖2所示。

圖2 那曲地區(qū)融水侵蝕強度分級圖Fig.2 Distribution map of meltwater erosion degree in Naqu district

如表5所示，那曲地區(qū)融水侵蝕強度各等級面積比例由大到小依次為微度＞極強度＞中度＞輕度＞劇烈＞強度。融水侵蝕劇烈區(qū)域較小，主要分布在聶榮、那曲縣地區(qū)，占那曲地區(qū)總面積的7%。融水侵蝕極強度區(qū)域面積較大，占那曲地區(qū)總面積的24%。融水侵蝕強度、中度和輕度區(qū)域較小，且分布較為分散。融水侵蝕微度區(qū)域面積最大，占那曲地區(qū)總面積的40%，主要包括申扎縣、班戈北部、雙湖北部和尼瑪縣大部分區(qū)域。

表5 那曲地區(qū)融水侵蝕強度評價結果Tab.5 Grades of meltwater erosion intensity in Naqu district

3.2 不同環(huán)境背景條件下融水侵蝕強度分布特征

分析融水侵蝕與第一主成分地形地貌因素之間的關系，那曲地區(qū)融水侵蝕劇烈區(qū)域海拔高度主要分布在4 300～5 200m，坡度變化范圍主要是8～25°，植被蓋度變化范圍主要是植被蓋度較高區(qū)域。融水侵蝕微度和輕度區(qū)域主要分布在海拔4 900m以上，坡度15°以下，植被蓋度較低的那曲地區(qū)西部地區(qū)，包括尼瑪、雙湖、申扎和班戈縣。地形地貌因素是影響融水侵蝕的主要因素，但地形地貌因素和融水侵蝕強度并不是線性關系；坡度因子影響融水徑流的沖蝕能力，地表植被覆蓋對融水徑流有攔擋作用，融水侵蝕并不隨著海拔增加而加劇，地形地貌因素對融水侵蝕的影響是綜合性的。

分析融水侵蝕與第二主成分氣候因素之間的關系，風速、氣溫年較差和日照對融水侵蝕影響較為重要，氣候因素影響凍融作用，同時對冰川積雪融水有重要影響。融水侵蝕強度與氣象因素也不是線性關系，融水侵蝕劇烈區(qū)域主要分布在風速較低、氣溫年較差最低和日照時數(shù)偏低的區(qū)域。風速較高、氣溫年較差較高和日照時數(shù)較多的尼瑪、雙湖縣的融水侵蝕主要以微度和輕度為主。

分析融水侵蝕與第三主成分土壤因素之間的關系，融水侵蝕劇烈區(qū)域主要分布在土壤可蝕性K值較高的聶榮、比如、那曲和嘉黎縣境內，土壤可蝕性K值較低的尼瑪、雙湖地區(qū)的融水侵蝕則主要以微度和輕度為主，融水侵蝕強度和土壤可蝕性都呈現(xiàn)由東南到西北遞減的趨勢，說明土壤因素是融水侵蝕重要的影響因素。

分析融水侵蝕與第四主成分冰川積雪變化因子之間的關系，那曲地區(qū)2000—2010年的冰川積雪有較大變化，那曲地區(qū)東南部冰川雪蓋有大幅減少，該區(qū)域融水侵蝕以劇烈和極強度為主；那曲地區(qū)西部冰川雪蓋面積有較大增幅，該區(qū)域融水侵蝕以微度和輕度為主。冰川積雪變化因子直接影響融水徑流的多少，是融水侵蝕重要的影響因素。

3.3 那曲地區(qū)融水侵蝕強度分布特征

那曲地區(qū)融水侵蝕空間分布差異顯著，不同強度侵蝕區(qū)空間分布相對集中，且由東向西融水侵蝕逐漸減弱，融水侵蝕強弱空間分布特征與各地區(qū)地形地貌及氣候等因素密切相關。劇烈侵蝕區(qū)只有較小一部分，地處那曲和聶榮境內，分別處于念青唐古拉山脈和唐古拉山脈山麓，坡度較陡且有冰川積雪覆蓋，相比于那曲西部地區(qū)，該地區(qū)降水較多，且土壤抗蝕性差，各方面因素綜合作用使得該地融水侵蝕劇烈。

融水侵蝕極強度區(qū)域面積較大，占那曲地區(qū)總面積24%，主要分布在那曲地區(qū)東部，包括嘉黎縣大部分地區(qū)及巴青、比如、索縣和安多地區(qū)。對比2000年和2010年那曲地區(qū)冰川雪蓋圖發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)冰川急劇減少，證明該地區(qū)冰川積雪融水徑流急劇增加。該地區(qū)多高山丘陵，地形起伏劇烈，氣溫較高，降水較多且土壤可蝕性K值高、抗蝕能力差，地形地貌因素、氣候因素、土壤因素和冰川積雪消融因素同時增強了該地區(qū)融水侵蝕的風險。雖然該地區(qū)融水侵蝕沒有達到劇烈程度，但范圍較大。

融水侵蝕強度區(qū)域面積最小，分布在班戈縣南部、雙湖縣中部和申扎縣南部。該地區(qū)是念青唐古拉山和格拉丹東山麓，地形較那曲地區(qū)東部平緩，氣候干燥、寒冷少雨，土壤可蝕性K值較那曲地區(qū)東部小，土壤抗蝕性相對較高。干冷的氣候條件和土壤的抗蝕性能使得該地區(qū)融水侵蝕風險較小，屬于融水侵蝕強度地區(qū)。

融水侵蝕中度區(qū)域占那曲地區(qū)總面積16%，主要分布在雙湖縣東部和南部，以及尼瑪縣北部和西部地區(qū)。融水侵蝕中度區(qū)域主要分布在格拉丹東山麓和岡底斯山山麓，屬于羌塘高原湖盆邊緣，因為地形有一定起伏，屬于融水侵蝕中度地區(qū)。

融水侵蝕輕度和微度地區(qū)占那曲地區(qū)總面積48%，主要包括申扎縣、班戈北部、雙湖北部和尼瑪縣大部分區(qū)域。相較于2000年，2010年那曲地區(qū)冰川雪蓋圖反映出該地區(qū)的冰川積雪不減反增，證明該地區(qū)冰川積雪融水沒有顯著增加的趨勢，融水侵蝕缺少很重要的動力源。該地區(qū)地處高原湖盆，地形平緩，分布大量河流湖泊，且該地區(qū)氣候屬于典型的亞寒帶氣候，干燥少雨，土壤抗蝕性較強，各方面因素綜合減弱了該地區(qū)融水侵蝕的風險。

綜合分析那曲地區(qū)融水侵蝕，境內大部分區(qū)域屬于微度、輕度和中度侵蝕區(qū)域，強度、極強度和劇烈侵蝕范圍占那曲地區(qū)總面積三分之一左右。通過融水侵蝕與各影響因素對比分析，融水侵蝕發(fā)生的主導因素從大到小分別是地形地貌因素、氣候因素、土壤因素和冰川積雪變化因素。那曲地區(qū)融水侵蝕較嚴重，且環(huán)境條件復雜，融水侵蝕的研究和防治非常迫切。

4 結論

本研究對那曲地區(qū)不同環(huán)境因子下的融水侵蝕特征進行了研究，選取風速、日照、氣溫年較差、相對濕度、坡度、坡向、植被蓋度、土壤可蝕性K值、海拔和冰川積雪變化因子作為融水侵蝕強度評價的影響因子，利用GIS技術和主成分分析方法，對研究區(qū)融水侵蝕的空間分布和強度進行評價。根據(jù)主成分分析結果，那曲地區(qū)融水侵蝕的主要影響因素分別是地形地貌因素、氣候因素、土壤因素和冰川積雪變化因素；融水侵蝕強度評價結果表明，微度和輕度區(qū)域占研究區(qū)總面積的48%，而強度及以上區(qū)域占36%。那曲地區(qū)融水侵蝕東部地區(qū)主要以劇烈和極強度為主，西部高原湖盆地區(qū)則以微度和輕度為主，由東南向西北呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢。

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〔責任編輯 程琴娟〕

Evaluation of meltwater erosion intensity in Naqu district based on principal components analysis

FENG Junyuan1，2，LU Yan3，CAI Qiangguo1，LI Zhaoxia2，SUN Liying1＊
（1Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes，Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China；2College of Resources and Environment，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，Hubei，China；3School of Water Conservancy of Environment，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，Henan，China）

Ten influencing factors were selected as indicators to evaluate the meltwater erosion intensity in Naqu district，as wind speed，total sunshine，annual range of temperature，relative humidity，slope gradient，aspect，NDVI，soil erodibility，elevation and snow change factor.The dominant influencing factors on meltwater erosion intensity were extracted by the method of principal components analysis，and the index of meltwater erosion intensity for each evaluation unit was calculated under different environmental backgrounds.Moreover，the meltwater erosion degrees were evaluated based on GIS software and the spatial distribution characteristics of meltwater erosion were analyzed in Naqu district.The results showed four dominant influencing factors on meltwater erosion，as geomorphology factor，climate factor，soil factor and snow change factor.Six degrees were classified for the meltwater erosion intensity in the study area.The percentage of areas with different meltwater erosion intensity degrees are：extremly slight erosion（40.0%），extremly serious erosion（24.0%），medium erosion（16.0%），slight erosion（8.0%），violent erosion（7.0%），serious erosion（5.0%）.

meltwater erosion；principal components analysis；GIS；Naqu district；strength evaluation

S157.1

：A

1672－4291（2015）05－0090－06

10.15983／j.cnki.jsnu.2015.05.453

2014－05－28

國家自然科學基金重點項目（41230746）；國家自然科學基金（41271304）

馮君園，男，碩士，研究方向為水土保持與融水侵蝕。E－mail：fengfangyuan112＠126.com

＊通信作者：孫莉英，女，助理研究員，博士。E－mail：sunliying＠igsnrr.ac.cn