章桂芳 ，陳凱倫，張浩然，張慧

(1. 中山大學地球科學與工程學院，廣東 廣州 510275;2. 廣東省地球動力作用與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，廣東 廣州 510275;3. 東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

丹霞地貌是指以陡崖坡為特征的紅層地貌[1]，目前中國已發(fā)現(xiàn)丹霞地貌共有1 000余處[2]。自20世紀30年代末，陳國達提出“丹霞地形”以來[3]，丹霞地貌的研究已經(jīng)經(jīng)歷了初創(chuàng)、成型和發(fā)展3個階段之后，2009年開始了國際化研究階段[1]。雖然丹霞地貌研究已經(jīng)取得不少成果[4-5]，并且隨著現(xiàn)代技術(shù)手段的發(fā)展，出現(xiàn)了一些涉及定量研究、微觀實驗和現(xiàn)代測試手段的精細研究實例[6-16]。但是，從總體上來說，丹霞地貌基礎(chǔ)研究仍然十分薄弱，多數(shù)研究偏重于宏觀、定性的描述和推論，缺乏系統(tǒng)、定量和對比研究[1]。

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)是地表形態(tài)的數(shù)字表達和模擬，蘊含著豐富的地形信息[17]。高分辨率DEM數(shù)據(jù)的獲取以及分析技術(shù)的不斷突破使得DEM成為地形地貌研究領(lǐng)域不可或缺的重要技術(shù)手段[18-26]，通過對DEM地貌參數(shù)的提取與分析來解決構(gòu)造運動、階地提取以及地貌發(fā)育階段的確定等問題已被多數(shù)學者所接受[20,27-39]。在DEM數(shù)據(jù)集中，航天飛機雷達地形測繪項目(Shuttle Radar Topography Mission — SRTM)提供的DEM數(shù)據(jù)覆蓋了北緯60°至南緯56°范圍內(nèi)80%面積的區(qū)域[40]，原始數(shù)據(jù)經(jīng)處理后平面精度能夠達到±20 m，高程精度達到±16 m[41]，是目前使用廣泛的全球地形數(shù)據(jù)[42-43]。相對其在黃土地貌和喀斯特地貌等方面的大量應(yīng)用[44-49]，使用DEM進行丹霞地貌的相關(guān)研究則非常缺乏。

從本質(zhì)上說，地表形態(tài)來源于地球內(nèi)外力對地殼的綜合作用[50-51]，作為紅層侵蝕地貌，丹霞地貌的發(fā)育和演化也受控于內(nèi)動力和外動力兩大動力系統(tǒng)[1]，它始于紅層盆地的抬升，在流水、風化、重力等外動力作用下，溝谷不斷展寬，崖壁崩塌后退，山頂面積不斷縮小。黃進將其演化過程定性劃分為幼年期、壯年期、老年期3個階段及“回春期”[52]；彭華在“中國丹霞”申報世界自然遺產(chǎn)過程中，基于侵蝕量和保留量的對比關(guān)系，將“中國丹霞”6個世界自然遺產(chǎn)提名地組成青年早期、青年晚期、壯年早期、壯年晚期、老年早期和老年晚期六個階段的演化系列[1]。

本次研究擬采用DEM數(shù)據(jù)，對貴州赤水、福建泰寧、湖南崀山、廣東丹霞山、江西龍虎山和浙江江郎山等6個丹霞地貌遺產(chǎn)地計算面積高程積分曲線及積分值，以期對丹霞地貌的不同發(fā)展階段提供定量劃分依據(jù)，促進丹霞地貌演化模式的定量研究進程。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本次研究選取的是中國丹霞6個遺產(chǎn)地提名序列，分別為貴州赤水、福建泰寧、湖南崀山、廣東丹霞山、江西龍虎山和浙江江郎山，他們代表了丹霞地貌從青年到老年的演化序列，均分布在中國南方(圖 1a)。需要說明的是：赤水的東西部和泰寧的南北部的地貌發(fā)育存在較大的區(qū)域差異，因此對這兩個地區(qū)分別進行分區(qū)研究。

研究采用ASTER DEM數(shù)據(jù)(V2版)，來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http:∥www.gscloud.cn)，空間分辨率為30 m。根據(jù)世界自然遺產(chǎn)保護區(qū)劃定范圍裁剪研究區(qū)域DEM(圖 1b-i)，并對其面積和高程信息統(tǒng)計如下(表 1)：赤水東部、丹霞山和龍虎山的面積最大，而江郎山的面積最小，為13.05 km2；赤水地區(qū)因地處云貴高原邊緣，高程最低值、最高值和平均值均為所有地區(qū)的最大值，而泰寧地區(qū)的高程差最小(北部為384 m，南部為403 m)，說明其地勢起伏是所有地區(qū)中最小的。

表1 各個丹霞地貌區(qū)域面積和高程信息統(tǒng)計Table 1 Area and elevation statistics of the Danxia sites

圖1 各丹霞地貌研究區(qū)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提出的面積高程積分(Hypsometric Integral，簡稱HI)[53]，該方法通過面積高程積分將Davies的地貌發(fā)育模式定量化，分為3個階段：幼年階段(HI>0.6)，壯年階段(0.4

面積高程積分值的計算方法有積分曲線法、體積比例法和起伏比法等[60]，本次研究采用積分曲線法，計算過程如下：

① 將流域的高差無限細分，分別求取大于每一細分單元高程值的流域面積，并將其均一化后，作為x值，即xi=ai/A(xi為大于第i分級高程的面積百分比，ai為大于第i分級高程的面積，A為流域總面積)；

② 高差細分的高程均一化值作為y值，即yi=hi/H(yi為第i分級相對高差百分比，hi為第i分級高程與流域最低點的相對高差，H為流域內(nèi)高差)；

③ 將各點展布到直角坐標系中，形成一條直線，即y=f(x)；

2 結(jié)果與討論

2.1 面積高程積分結(jié)果

采用積分曲線法對各個丹霞區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)計算獲得的面積高程積分曲線如圖2所示，面積高程積分則如表2所示，考慮到圖件的清晰表達，圖 2中僅顯示赤水西部和泰寧北部的面積高程積分曲線，赤水東部和泰寧南部的曲線將在后面的討論中呈現(xiàn)。由圖 2可知，赤水西部地區(qū)的曲線呈現(xiàn)凸形特征，結(jié)合其面積高程積分值為0.65，表明該地區(qū)處于較年輕的演化階段；泰寧北部、崀山和丹霞山的曲線呈現(xiàn)S狀，表明該區(qū)域地貌已經(jīng)演化至較為成熟的階段，且從泰寧北部到崀山到丹霞山的曲線的凹形特征逐步加強，則表明這3個區(qū)域的地貌演化越來越成熟；龍虎山的曲線在相對高程較高的部分(相對高程h/H在0.3～1.0左右)斜率很大，在相對高程較低的部分(相對高程h/H在0～0.3左右)則趨于平緩，這說明龍虎山地區(qū)地勢較高的區(qū)域面積占比較小，而地勢較低的區(qū)域占了很大比例。

圖2 各丹霞地貌區(qū)面積高程積分曲線匯總圖Fig.2 Hypsometric curves of the Danxia sites

從總體特征來看，從赤水西部到龍虎山，隨著丹霞地貌的發(fā)育程度逐漸成熟，面積高程積分曲線形態(tài)從凸形轉(zhuǎn)為凹形，且凹形特征逐步加強，說明隨著丹霞地貌的發(fā)育，地層侵蝕量在不斷增加，符合發(fā)育過程中侵蝕量的變化特征。分析表 2中各個丹霞區(qū)域的面積高程積分值可以發(fā)現(xiàn)赤水東西部和泰寧南北部的面積高程積分均具有較大的差異；與Strahler劃分的地貌發(fā)展階段標準進行對比，丹霞地貌的HI值整體偏小，即向老年期偏移。需要指出的是，龍虎山(老年早期)和丹霞山(壯年晚期)在丹霞地貌世界遺產(chǎn)提名地序列中的發(fā)育階段比江郎山(老年晚期)年輕，但是它們的曲線形態(tài)與此并不相符(圖 2)，而且龍虎山和丹霞山的面積高程積分值均低于江郎山(表 2)，似乎違背規(guī)律，其原因與龍虎山和丹霞山地貌發(fā)育的區(qū)域差異關(guān)系密切，即與研究區(qū)的范圍密切相關(guān)，接下來作詳細分析。

2.2 區(qū)域差異性對比

丹霞地貌的發(fā)育受控于內(nèi)動力和外動力2大因素[1]，即使在同一地區(qū)，影響丹霞地貌發(fā)育的因素及其強度也不盡相同，因此在同一地區(qū)保留了不同演化階段的地貌形態(tài)，呈現(xiàn)出區(qū)域的差異性。下面選取赤水、泰寧、丹霞山和龍虎山進行同一區(qū)域的差異性對比研究。

表2 各個丹霞地貌區(qū)域面積高程積分值Table 2 Hypsometric indexes of the Danxia sites

2.2.1赤水西部和東部 “赤水丹霞”是發(fā)育于亞熱帶巨型紅層盆地南緣的高原——峽谷型和山嶺型丹霞景觀，是侏羅系、白堊系的紅層經(jīng)過第三紀長期剝蝕夷平后在第四紀強烈抬升過程中因流水的快速切割而形成的[61-62]。貴州赤水的東部和西部地區(qū)由赤水河自然分割(圖 3a)，東部以流水深度侵蝕切割形成山原峽谷地貌，西部河流切割程度小，呈高原峽谷地貌，顯示其發(fā)育中的區(qū)域差異，因此將赤水分為東西兩片區(qū)域進行差異性對比研究。計算獲得東西兩區(qū)面積高程積分曲線及HI值如圖 3b所示：赤水東區(qū)和西區(qū)的曲線均呈現(xiàn)凸形特征，HI值均大于0.5，說明兩區(qū)發(fā)育程度都較為年輕，但是西區(qū)的凸形特征比東區(qū)更為顯著，HI值也較東區(qū)大得較多，表明西區(qū)地貌侵蝕程度比東區(qū)低， 符合東西兩區(qū)的現(xiàn)有的地貌特征。

2.2.2 泰寧北部和南部 泰寧盆地是在華夏古板塊武夷山隆起帶背景上發(fā)育的白堊紀紅色斷陷盆地，由朱口和梅口兩個北東向紅色盆地構(gòu)成，構(gòu)成了泰寧丹霞的北部和南部(圖 4a)。泰寧盆地的丹霞地貌是由白堊紀紅層經(jīng)過第三紀以來多次抬升和長期剝蝕夷平，以流水切割、侵蝕為主因而形成的。與赤水類似，泰寧的兩個盆地中的丹霞地貌也具有區(qū)域的差異性。

圖 4b為計算獲得的泰寧北部和南部的面積高程積分曲線及HI值，兩者的曲線均呈現(xiàn)凹形特征且HI值小于0.5(分別為北部0.43，南部0.36)，顯示兩者均處于侵蝕量大于保存量的階段，北部地區(qū)的曲線在南部之上且相距較遠，顯示其發(fā)育程度比南部地區(qū)年輕且差距較大。據(jù)已有研究，北部的朱口盆地紅層地殼抬升相對較晚，地貌發(fā)育時間較短，所以呈現(xiàn)以深切峽谷曲流等為特征的典型的青年期丹霞特征，而其南部的梅口盆地則以發(fā)展到壯年期的丹霞地貌為主，呈現(xiàn)丹霞峰叢景觀。所以本研究獲得的面積高程積分曲線及HI值印證了泰寧盆地的丹霞發(fā)育由于地殼抬升時間、抬升幅度和抬升速度的差異而存在較大的區(qū)域差異。

2.2.3 丹霞山東部和西部 丹霞山發(fā)育在南嶺褶皺帶的白堊紀構(gòu)造盆地丹霞盆地中，錦江由北到南穿越而過(圖 5a)，將丹霞山分為東西兩個部分。丹霞山主要由近水平巖層構(gòu)成，總體上處于地貌發(fā)育的壯年期階段，表現(xiàn)出疏密相間，組合有序的簇群式丹霞峰叢——峰林景觀。

圖 3 赤水東西兩區(qū)面積高程積分對比Fig.3 Hypsometric curves of the eastern and western parts of Chishui

圖 4 泰寧南北兩區(qū)面積高程積分對比Fig.4 Hypsometric curves of the northern and southern parts of Taining

圖5 丹霞山東西兩區(qū)面積高程積分對比Fig.5 Hypsometric curves of the eastern and western parts of Danxiashan

以丹霞山為整體計算獲得的面積高程積分曲線呈現(xiàn)強烈凹形特征(圖 2)，HI值為0.27(表 2)，比發(fā)育階段為老年晚期的江郎山的HI值更小，似乎并不合理。因此，本研究嘗試以錦江為界，分別計算東西兩區(qū)的面積積分曲線及HI值(圖 5b)，結(jié)果表明丹霞山東西兩區(qū)的HI值非常相近，分別為0.35和0.36，說明廣東丹霞山東西兩側(cè)丹霞地貌的總體發(fā)育程度較為相近。而兩者的積分值與包含錦江的整個區(qū)域計算獲得的0.27有明顯差距，說明錦江兩岸區(qū)域的地貌形態(tài)極大地影響了整個丹霞山區(qū)域的地貌發(fā)育程度。分析原因可能與區(qū)域內(nèi)的的錦江密切相關(guān)，因為錦江流經(jīng)丹霞山地區(qū)的主河道多為寬谷，造成兩岸區(qū)域地勢平緩，在面積高程積分中則表現(xiàn)為強烈的侵蝕。丹霞山的分析結(jié)果進一步表明不同的區(qū)域尺度內(nèi)獲得的HI值具有很大的差距，同時表明面積高程積分可以敏銳地指示丹霞地貌發(fā)育的多期性。

2.2.4 龍虎山全區(qū)和核心區(qū) 龍虎山發(fā)育在中生代陸相盆地——信江盆地邊緣，瀘溪河穿區(qū)而過，是由晚白堊紀紅色碎屑巖組成的疏散峰林寬谷型丹霞地貌區(qū)，而龍虎山地質(zhì)公園則為龍虎山丹霞地貌區(qū)域的核心(圖 6a)。

圖6 龍虎山全區(qū)和核心區(qū)域面積高程積分對比Fig.6 Hypsometric curves of the whole area and center part of Longhushan

與丹霞山類似，以龍虎山全區(qū)為整體計算獲得的面積高程積分值為0.24(表 2)，比發(fā)育階段為老年晚期的江郎山的HI值(0.35)更小，因此本研究嘗試只計算龍虎山的核心區(qū)域(龍虎山地質(zhì)公園)的面積高程積分，結(jié)果顯示其HI值達到了0.47，幾乎達到是龍虎山全區(qū)的2倍。究其原因，應(yīng)該與瀘溪河谷密切相關(guān)，瀘溪河谷兩側(cè)主要為準平原化的低丘崗地，龍虎山和龜峰等地保存的峰叢、峰林、孤峰、殘丘等為該區(qū)僅存的高地勢區(qū)域。龍虎山準平原化代表了地貌發(fā)育的老年階段，因此對于龍虎山地區(qū)的面積高程積分計算受到區(qū)域尺度的巨大影響，這也印證了面積高程積分在丹霞地貌演化定量研究中具有很好的指示作用。

3 結(jié) 論

本次研究嘗試將面積高程積分方法用于丹霞地貌演化階段的定量劃分，主要取得以下幾點認識：

1)不同丹霞區(qū)域的面積高程積分研究結(jié)果表明面積高程積分可以較好地指示丹霞地貌的不同演化階段：隨著丹霞地貌從年輕到成熟的發(fā)育，面積高程積分曲線形態(tài)從凸形轉(zhuǎn)為凹形，且凹形特征逐步加強，HI值也越來越小，符合不同發(fā)育階段所代表的侵蝕量的變化。

2)將各個丹霞區(qū)域的面積高程積分值與Strahler劃分的地貌發(fā)展階段標準進行對比，發(fā)現(xiàn)丹霞地貌的HI值整體往老年期偏移，這與中國丹霞演化系列是建立在幾個代表小區(qū)的基礎(chǔ)上有關(guān)，這提示我們丹霞地貌發(fā)育階段的定量化研究與研究區(qū)的劃定密切相關(guān)。

3)同一地區(qū)不同區(qū)域的面積高程積分對比研究表明其可以敏銳地反映丹霞地貌發(fā)育的多期性，對于定量研究丹霞地貌具有重要作用。丹霞地貌發(fā)育的區(qū)域差異是進行丹霞演化階段確定中極其重要的影響因素，在進行面積高程積分的計算中需要充分考慮。

致謝：感謝中山大學地理科學與規(guī)劃學院彭華教授在本次研究和論文撰寫中給予的指導和幫助。

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