, 丁智强, 吴晓月云南师范大学旅游与地理科学学院,昆明 650500
A quantitative study on the karst geomorphic evolution of Shilin county in Yunnan province of China based on Strahler hypsometric analysis
LIYuhui, DINGZhiqiang, WUXiaoyue收稿日期:2017-04-6
修回日期:2018-02-19
网络出版日期:2018-05-20
版权声明:2018《地理学报》编辑部本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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摘要
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Abstract
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1 前言
地球表面形态的演变长期吸引地学界。Davis构建了构造、过程和时间的地理循环原理[1],Strahler构建了面积—高程分析以量化侵蚀地貌演化[2,3,4]。Strahler的不平衡、平衡和孤丘夷平过渡阶段对应戴维斯地理循环论的青年期、进向壮年期、老年夷平期,上隆、下凹、“S”曲线型和0.35、0.6的高程积分值是地貌演化阶段的临界曲线与临界值[2]。地理信息系统技术使融合地理循环论的面积—高程分析地貌演化的量化研究与尺度表现实际可行[5,6,7,8]。夷平蚀低地貌发育共性是如何在非可溶性岩石、可溶性岩石、多种地质构造背景的异质性区域地貌演化中表现,及量化与模拟研究之持续受到关注与推进[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]。世界经典喀斯特地貌——中国漓江流域的峰丛洼地与峰林平原的发育演化认识,经历了从纯时间论（均质论）阐述其地貌形态组合[21]到以“同期异构”（异质化）阐述其地貌形态组合发育机制[22,23,24]。产生这种认知差异的地貌结构如何存在于其他地区及量化研究以揭示其机制?中国西南喀斯特高原内部与边缘地貌有显著的地貌异质性。如在云南中部陆良—石林县,因其远离侵蚀基准面（南盘江）,在高原夷平面上发育或保存了矮峰丛洼地或孤丘夷平面;而其东南部的弥勒—文山、西畴—麻栗坡一带的侵蚀基准面（南盘江、北盘江）附近,则是高峰丛峡谷、高峰丛洼地。作为中国喀斯特的标型景观,石林受到广泛研究,石林多时代、多环境发育演化的地质地貌遗迹[25,26,27,28,29,30,31,32]及生物喀斯特遗迹[33]的被发现,成为云南石林列入世界自然遗产地目录的依据[34],但现状石林空间格局与石林县域地貌演化关系的量化研究未见报道[35]。这不仅仅是石林地貌结构发育机制,也是该类保护地整体保护利用的基础。本文将水平蚀低垂直加深的喀斯特地貌发育机制[13]与模拟原理[14],融入地理信息系统支持的Strahler面积—高程分析,采用整体、海拔段和内部洼地的面积—高程曲线与积分值组为量化指标,以其差异性与规律性分析石林县域喀斯特地貌演化,结合区域地质地貌发育证据,阐述量化指标的地貌内涵,既探索定量研究区域喀斯特地貌演化方法,也分析喀斯特类保护地整体保护利用的动力依据。
2 石林县区域地质地貌简况
石林县属云南省昆明市,地处24°30′N~25°03′N、103°10′E~104°40′E,海拔范围1476~2613 m,面积为1777 km2（图1a）,县域有显著的构造、岩石、地貌异质性。石林县地层有新元古界、古生界、新生界[30]。新元古界为昆阳群和震旦系,以板岩、碎屑岩和硅质白云岩为主,分布于北部和东部圭山。石林县西部出露寒武系、奥陶系、志留系,主要是泥质碳酸盐岩和碎屑岩。上古生界主要是碳酸盐地层,泥盆系、石炭系为灰质白云岩和白云岩,集中分布于石林县九蟠山东部与南部。下二叠统以灰岩、白云质灰岩为主,集中分布于石林县中部九蟠山西部,下二叠统底部是梁山组页岩和铝质页岩,为隔水层,呈南北向分布于九蟠山东部山麓。泥盆系、石炭系、二叠系接触关系为平行不整合,岩层节理发育。上二叠统峨眉山玄武岩组,零星分布于石林县中部和东部,呈团块状或帽岩状覆盖下二叠统碳酸盐岩,有玄武岩烘烤古石牙（林）的地质地貌遗迹点。中生界三叠系泥质碳酸盐岩分布于石林县东南部圭山斜坡边缘,延伸至泸西县。新生界古近系始新统、渐新统为底砾岩、泥岩,称路南群,属古湖相沉积,始新统超覆于玄武岩层和上古生界碳酸盐岩,有填充或覆盖古石牙（林）的地质遗迹。晚二叠世玄武岩层和始新世碎屑岩层与石林（牙）间的接触关系是石林喀斯特发育古老与多期性的重要证据[24-25, 31-32]。第四系为碎屑松散层与钙华层。裸露碳酸盐岩类面积占石林县国土面积的45.6%。石林县地质构造主要是东侧的北北东—南南西师宗—弥勒断裂组、西侧的近南北向九乡—石垭口断层、中部的维则—文笔山断层,三者均切割古近系路南群、上二叠统玄武岩。石林县地势是北部高、东西两端高,中部低凹且平缓,西南低。石林县内有两条支流,巴江河和普拉河。巴江河自北而南转西南贯穿石林县,在石林县西南边界处的大叠水进入宜良县,汇入南盘江。普拉河在石林县东侧圭山分水岭南段流入南盘江,面积小。石林县域整体为巴江流域,碳酸盐岩区地表河流不发达,但有发达的暗河系统,暗河系统使巴江侵蚀控制具有明显的空间区割（图1）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1石林县区域地质简图、数字高程图和巴江河谷纵剖面图
-->Fig. 1Geological sketch, digital elevation map, and Bajiang river profile of Shilin county
-->
石林县东部的圭山断层区为近南北向的构造侵蚀溶原中山,海拔2613 m的圭山是石林县最高山峰。九乡石垭口断层区西部也为构造侵蚀溶蚀溶原中山;中部近南北向延伸的溶丘山岭（九蟠山）将石林县中部喀斯特一分为二,以东为孤丘溶原洼地、矮峰丛洼地（湖盆/湿地）,以西有发达暗河系统、喀斯特泉群与世界著名的石林喀斯特的溶丘洼地（图1a、1b）。
2 数据来源和研究方法
2.1 DEM数据源与Strahler的面积—高程分析
石林县域数字高程模型（Digital elevation model, DEM）数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn）,像元分辨率为30 m。依据水平蚀低垂直加深的喀斯特地貌发育与模拟机制[13,14],将喀斯特地貌演化量化研究的指标落实于研究区整体、海拔段、内部洼地的Strahler面积—高程曲线与积分值。① 下载石林县域DEM图像,按研究需要在ArcGIS环境下将ASTER-GDEM数据拼接、密度分割、几何校正、范围裁剪和彩色晕染等处理,得到符合研究区范围的ASTER-GDEM数据（图1b）。② 石林县域高程、坡度、起伏度分级和统计：首先按文献[36]方法在GIS平台上进行11×11个像元范围的焦点统计,得平均高程、地势起伏度、坡度;其次参照文献[10]高程区段地貌方法,依现场实地得到的地貌高程区段的石林县域四级地貌梯级结构（≤ 1700 m、1700~1900 m、1900~2100 m、> 2100 m）（图1b）,以200 m海拔间隔进一步统计平均高程、起伏度、坡度（图2）,参照文献[37]标准,将石林县域地形坡度分为缓坡（0°~9°）、低陡坡（9°~21°）、中陡坡（21°~33°）、陡坡（33°~45°）和陡崖（> 45°）,地形起伏度划分为河谷盆地（≤ 30 m）、溶丘峰丛洼地（30~200 m）、高原小起伏山地（200~500 m）、高原中起伏山地（> 500 m）;最后统计、分析石林县域不同等级的坡度、起伏度的面积与分布特征（图2）。③ 基于面积—高程分析的尺度依赖性的文献[6, 38],获取石林县域、各海拔段50 m等高距的DEM面积—高程曲线与积分值：用Arctoolbox→Spatial Analysis Tools→重分类工具将石林县DEM按50 m间隔进行重分类,共24个等级,统计各高程、面积,依据文献[2]计算高程比（h/H）和面积比（a/A）,在EXCEL表中拟合面积—高程曲线f(x),计算县域整体、海拔段的面积—高程积分值。④ 获取洼地面积—高程曲线与积分值：将Spatial Analysis Tools→表面分析→等值线工具上生成的等高距为10 m的等高线叠加到等高距为10 m的1:2.5万地形图上,依图修改有偏移的洼地出水口等高线;洼地的提取标准是负地形深度> 10 m、< 50 m,删除余下等高线后,将洼地出水口等高线转为面图层,从低往高依次统计洼地高程和面积,得1144个洼地,洼地总面积202.4 km2,再按≤ 1700 m、1700~1900 m、1900~2100 m、> 2100 m海拔段分别统计洼地的高程和面积,依文献[2]依次拟合全县、各海拔段的洼地面积—高程曲线和计算积分。洼地面积—高程曲线和积分值与③得到的整体、各海拔段的面积—高程曲线和积分值构成石林县域地貌演化的量化指标组。⑤ 依据区域地质地貌发育和典型石林喀斯特发育证据,分析量化指标组的地貌演化内涵,阐述石林县域地貌结构和石林喀斯特空间格局发育机制的关系及意义。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2石林县地形起伏度、地貌分区和坡度结构
-->Fig. 2The relief intensity of landforms, geomorphologic zones, and gradient structure of Shilin county
-->
3 结果与分析
3.1 石林县域数字高程与地形特征
石林县海拔范围1476~2601 m,平均海拔1916.4 m。按中国数字地貌分级编码体系[39],石林县域属中等海拔山地,有4个明显的数字高程地质地貌区（图1b、1c）。1700 m是溶丘洼地与巴江河谷盆地转折,其上为巴江侵蚀控制区,其下为巴江流通盆谷区;海拔1900 m为溶丘洼地、暗河分布与溶原洼地分界高程,其下有发达暗河系统,其上是隔水层分隔高程区段;2100 m是孤丘溶原洼地、峰丛洼地与构造侵蚀溶原中山的分界高程。≤ 1700 m海拔段集中在石林县西南,为巴江穿越的河谷盆地（路南盆地）,分布第四系松散堆积层和古近系碎屑岩。1700~1900 m海拔段集中在石林县中西部,也零星分布于石林县东南角,该海拔段为河谷盆地与孤丘溶原洼地间的溶丘洼地斜坡地,岩石有二叠系白云质灰岩、灰岩区、上叠统峨眉山组玄武岩、古近系路南群碎屑岩,地貌是石林喀斯特、溶丘洼地、暗河、喀斯特泉。1900~2100 m海拔分布于石林县中部、东部与西北角,是溶原洼地、残丘、峰丛洼地、溶蚀湖/湿地,岩石是泥盆系、石炭系灰岩、白云质灰岩、白云岩夹页岩、零星玄武岩。? 2100 m海拔段分别在石林县东端与西端,呈近北北东—南南西展布,岩石是泥盆系白云岩、白云质灰岩,夹碎屑岩;西端地层岩石是古生界碎屑岩系,夹泥质灰岩。巴江穿越海拔≤ 1700 m、1700~1900 m、1900~2100 m海拔段地形,县内河长73 km,可分为三段（图1d）。上游段自乃古石林至天生桥,穿越喀斯特溶丘、洼地、石林,坡降11.9‰;中游段为天生桥至小叠水,穿越路南盆地第四系松散堆积层、钙华层与古近系碎屑岩、泥岩,坡降1.9‰;下游段自小叠水至宜良县南盘江河谷,属深切“V”型谷,坡降12.6‰。3.2 起伏度、坡度与地貌分区
石林县地形主体起伏度（高差）≤ 100 m（图2a）,但起伏度差异突出。石林县东端、西南角、西北角与西端的地形起伏度> 100 m。地形起伏度≤ 30 m的区域集中分布于石林县中部孤丘溶原洼地和西南路南河谷盆地。石林县最大坡度值为69.8°,平均坡度为10.8°。缓坡区（0~9°）集中于≤ 1700 m、1900~2100 m海拔段;低陡坡（9°~21°）区集中于1700~1900 m海拔段;中陡坡（21°~33°）集中于石林县中部维则断层往东的峰丛区;陡坡（33°~45°）和陡崖（> 45°）区集中于石林县西南角的南盘江深切割谷地与圭山构造隆起中山（图2b）。缓坡和低缓坡面积合计占90%,因此,石林县域地形结构是主体平缓、局部起伏深切。按照中国平原和山地的7种基本地貌标准[39]与喀斯特地貌的分类特征[21, 24],用起伏度为划分标准,石林县地貌分为起伏度≤ 30 m的河谷盆地、溶原洼地,30 m < 起伏度 ≤ 200 m的溶丘洼地、峰丛洼地,200 m < 起伏度 ≤ 500 m的高原小起伏山地,起伏度>500 m的高原中起伏山地（断块山地、谷地）。根据地形起伏度,结合地貌、构造、岩石的关系,石林县地貌区划为构造侵蚀溶原中山、溶原缓丘洼地、溶丘洼地与石林、河谷盆地（路南盆地）5个地貌小区（图2a）。河谷盆地位于石林县西南≤ 1700 m海拔段,面积占石林县国土面积的5.4%（表1）;溶丘洼地与石林位于1700~1900 m海拔段的可溶性岩石区,面积占12.2%;溶原洼地、缓丘洼地位于1900~2100 m海拔段的石林县中东部,面积占37.9%,同海拔段维则断裂东部的峰丛洼地面积占18.8%。海拔> 2100 m的高原小起伏山地面积约占25.5%,高原中起伏山地面积占0.2%,两者属断块山地或峡谷区。
Tab. 1
表1
表1石林县地貌类型与特征
Tab. 1The landform types and features of Shilin county
| 地貌类型 | 河谷盆地 | 溶丘洼地石林 | 溶原洼地、缓丘洼地 | 峰丛洼地 | 构造侵蚀溶原中山 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 小起伏山地 | 中起伏山地 | |||||
| 海拔(m) | ≤ 1700 | 1700~1900 | 1900~2100 | > 2100 | > 2100 | |
| 起伏度(m) | ≤ 10 | 10~30 | ≤ 10,30~100 | 100~200 | 200~500 | > 500 |
| 百分比(%) | 5.4 | 12.2 | 37.9 | 18.8 | 25.5 | 0.2 |
| 累积百分比(%) | 5.4 | 17.6 | 55.5 | 74.3 | 99.8 | 100 |
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3.3 石林、洼地与暗河分布
石林集中于石林县河谷盆地与九蟠山西坡1700~1900 m海拔段间的碳酸盐岩区的溶丘洼地,暗河系统发育（表2,图1b、1c、图2a）。石林类型[39]和出露有南北差异（图3）。在北部乃古石林景区,可见1800~1830 m、1830~1860 m、1860~1900 m、1900~1920 m 4个海拔层次的石林（图3a）,各海拔层石林间为宽超过50 m的溶蚀廊道。1900~1920 m呈蚀余状石林,溶蚀石柱稀疏,顶部锋刃溶痕圆润化。1860~1900 m、1830~1860 m两个海拔层次的石林为典型剑状石林,石峰高度12 m左右,石峰间距宽窄不一;1800~1830 m海拔段的地下是暗河和溶洞（白云洞）,地表是典型的剑状石林,石峰尖锐,溶沟密集,基部间距小,甚至相连,呈团状分布,团块间有顺裂隙构造发育的溶蚀廊道,廊道宽超过5 m,长度可达500 m。乃古石林往南到和摩站、北大村,出现路南群泥岩与风化壳覆盖或埋藏的石林,被揭露的石柱高度超过5 m,各类垂直和水平溶痕清晰可见（图3a）。以中部阿易林—老鸭窝（游客中心）—水塘铺为界,其北的石林多分布于溶蚀残丘（溶丘）、岭脊上,蚀余状石峰稀疏分布于溶丘、斜坡,洼地、谷地有埋藏石林。其南的石林主要分布于海拔< 1820 m溶原洼地、谷地中,属典型剑状石林,也有揭露的玄武岩烘烤古石林、路南群覆盖古石林（图3b）,呈石林洼地、石林坡地分布（图3c）,少量呈蚀余状稀疏分布在海拔1820 m溶蚀缓丘顶部（图3d）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3石林县南部和北部的石林出露特征
-->Fig. 3The outcrop features of Stone Forest in the southern and northern parts of Shilin county
-->
Tab. 2
表2
表2石林县石林、洼地、暗河分布
Tab. 2The distribution of stone forests, depression and underground rivers in Shilin county
| 海拔(m) | 石林喀斯特 | 喀斯特洼地 | 暗河系统 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 片数 | 占比(%) | 面积(km2) | 占比(%) | 个数 | 占总数(%) | 面积(km2) | 占比(%) | 子系统(条) | 源头 | 出口 | |
| ≤ 1700 | 0 | 0 | 0 | 0 | 234 | 18.8 | 42.55 | 21.0 | 0 | 0 | 8 |
| 1700~1900 | 47 | 87.0 | 36.8 | 85.8 | 546 | 43.9 | 75.36 | 37.2 | 7 | 7 | |
| 1900~2100 | 7 | 13.0 | 6.1 | 14.2 | 431 | 34.6 | 78.13 | 38.6 | 1 | 1 | |
| > 2100 | 0 | 0 | 0 | 0 | 33 | 2.7 | 6.36 | 3.1 | 0 | ||
| 合计 | 54 | 100 | 42.9 | 100 | 1244 | 100 | 202.4 | 100 | 8 | 8 | 8 |
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在南部的典型石林洼地中,剑状石林与稀疏、蚀余状石林呈层状关系,如在蚂蟥塘的石林洼地,有1750 m与1820 m两个海拔段石林（图3c）。1750 m海拔洼地是典型剑状石林,石峰尖锐,顶部溶痕呈锋刃状,底部有联通暗河的漏斗/竖井。1820 m海拔的石林分布于溶蚀缓丘顶,石峰稀疏,溶痕圆润化,整体呈蚀余状。在大石林景区松毛山—小石林—李子园箐、剑峰池—比目潭—白龙潭天窗—白龙潭,依次出现蚀余状石林溶丘、稀疏石林溶丘、烘烤石林与侵蚀沟、剑状石林洼地、烘烤石芽与洼地、暗河天窗、塔状石林溶丘、始新统泥岩、土下石芽、溶丘和喀斯特泉（白龙潭）、路南盆地和巴江（图3b）。这种展布方向与暗河走向一致,显示了在巴江为侵蚀基准的暗河流动方向上,水平侵蚀溶蚀与垂直淋滤溶蚀的融合,垂直方向上形成蚀余状石林、剑状石林、埋藏石林、玄武岩烘烤石林（芽）的层状结构（石林垂直层状结构）;水平方向上是溶丘、石林、洼地、天窗、喀斯特泉与河谷盆地的水平梯级地貌结构。因此,在适宜气候条件[32]下,在具备发育石林的下二叠统碳酸盐岩区,降雨淋滤形成剑状石林过程中再汇集成地表径流进入地下暗河,古石林、烘烤石林的帽岩（始新统碎屑岩、上二叠统玄武岩）、风化壳被剥蚀侵蚀后再出露和继承发育,加上喀斯特双夷平过程[41]塑造的表层带石林（芽）,石林县域就有了独特的世代叠加的石林垂直层状结构,同时形成了溶蚀洼地—暗河—喀斯特泉群—河谷盆地水平梯级地貌。
发育石林的下二叠统碳酸盐岩层、下伏地层（泥盆系、石炭系）和上部地层（始新统和渐新统、第四系）,无论是整合接触还是假整合接触,都有近乎一致的近水平产状与垂直节理构造[26, 30],地层倾角5°~10°。这说明石林地区自晚二叠世末以来,石林地区构造运动保持一致的间歇性隆升或下降,没有强烈倾斜或褶皱运动。这是石林县域世代石林发育与共存的基础与动力,巴江发育提供了后期石林发育的侵蚀基准面。这种降雨—径流—落水洞、洼地—暗河—喀斯特泉群—巴江河的垂直与水平喀斯特动力融合的遗迹存在于溶蚀石柱上的多层水平凹槽、垂直溶沟与井状溶槽[28-29, 40, 42]（图3a、3b、3c）。在石林北部,巴江河基准面控制的暗河流动方向是自北往南,受巴江第一地貌裂点（天生桥）控制（图1b、1d）,由北而南出现不同类型石林,在巴江河谷附近洼地、谷地中出现埋藏石林,溶丘上蚀余状石林,斜坡上剑状石林（图3a）。在石林中南部,暗河流动方向是自东向西,受控于巴江第二地貌裂点（大叠水瀑布）前的平坦巴江河床（图1d）,垂直层状结构的各种石林集中于九蟠山西部至路南盆地喀斯特斜坡带（1700~1900 m）（图1c）,并有厚度> 100 m的喀斯特渗流带与石林含水层和喀斯特泉群（图1b）。
3.4 石林县域地貌的面积—高程分析
石林县域、海拔段和洼地的Strahler面积—高程曲线和积分值组指标具有差异性（图4）。石林县域面积—高程曲线为上端急翘、中部平缓、下端陡折,积分值0.3936（图4b）,显示了平衡阶段壮年晚期演化特征,而其洼地的曲线形态为倾斜、中凸、下端弯折,积分值0.4702（图4c）,揭示了洼地发育区比区域整体地貌进程活跃,是进一步分化石林县域地形的地貌过程。县域整体和洼地的面积—高程分析的结合显示石林县域地貌演化处于壮年晚期的活跃状态,通过回春型地貌演进使县域地貌进一步分化。这种演化状态具有海拔段差异。> 2100 m海拔段的面积—高程曲线为倾斜中凹曲线,积分值0.3097（图4h）,代表断块隆升强于侵蚀溶蚀,揭示了该区孤丘夷平态的构造侵蚀溶蚀中山地貌演化状态,洼地不发育。1900~2100 m海拔段整体的面积—曲线为下凹“S”型曲线,积分值0.1367（图4f）,显示其孤丘溶原洼地、峰丛洼地的演化状态;其洼地曲线为斜倾,但中部稍凹,积分值0.3837（图4g）,显示该海拔段的孤丘溶原洼地、峰林洼地的地貌过程,洼地发育促进了孤丘溶原分化。1700~1900 m海拔段面积—高程曲线为上段隆凸、中部斜直、下端凹翘的反“S”型曲线,积分值0.4949（图4d）,显示了该段海拔的溶丘洼地演化特征;该海拔段洼地的面积—高程曲线为显著上凸弯曲曲线,积分值0.6919（图4e）,显示了强烈的洼地发育状态。结合该海拔段地貌结构,这个过程应该是水平地貌过程与垂直地貌过程的融合,即雨水淋滤汇聚成侵蚀溶蚀帽岩、碳酸盐岩形成石林垂直层状结构,地表径流汇聚洼地转入暗河,以泉水在路南盆地边缘出露进入巴江,形成溶丘—洼地—石林—暗河—喀斯特泉群—河谷盆地。因此,石林县域、海拔段和洼地面积—高程曲线与积分值组差异性是异质性地貌基质、控制因素与地貌过程的揭示（表3）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4石林县域、海拔段与内部洼地面积—高程积分曲线和积分值
-->Fig. 4Hypsometric curves and integrals of the whole area, elevation zones, and inner depressions in Shilin county
-->
Tab. 3
表3
表3石林县域Strahler面积—高程分析参数与地貌演化
Tab. 3Hypsometric values of Shilin county and their geomorphic implications
| 海拔(m) | 范围 | 流域位置 | 面积(km2) | 地貌基质 | 地貌结构 | 曲线形态 | 积分值 | 地貌演化 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1540~ 2601 | 县域 | 巴江流域—南盘江支流 | 1771.8 | 构造、岩石、侵蚀溶蚀异质区 | 东西两端隆升、中部凹陷、梯级海拔地形 | 上翘中缓倾下折的"S"型 | 0.3936 | 断裂组裂解孤丘溶原夷平面,巴江发育,同期异构 |
| 洼地 | 202.4 | 倾斜中凸下折型 | 0.4702 | 洼地发育,孤丘溶原分化, | ||||
| 1700~ 1900 | 整体 | 汇水、径流、排泄区 | 707.0 | 碳酸盐岩、帽岩、节理、巴江侵蚀控制异质区 | 石林垂直层状结构、溶丘—石林—洼地—暗河—泉群—河盆水平梯级结构 | 中隆反“S”型 | 0.4949 | 溶原分化成溶丘洼地 |
| 洼地 | 77.2 | 中隆凸型 | 0.6919 | 水平与垂直地貌过程融合,回春地貌 | ||||
| 1900~ 2100 | 整体 | 隔水层、汇流区 | 1007.5 | 碳酸盐岩、隔水层、节理、侵蚀控制异质区 | 孤丘溶原洼地、峰丛洼地 | 中凹型 | 0.1367 | 雨蚀、面蚀,孤丘夷平面 |
| 洼地 | 78.5 | 中稍凹型 | 0.3837 | 洼地弱发育 | ||||
| > 2100 | 整体 | 分水岭 | 11.1 | 断块隆升、岩石异质区 | 构造侵蚀溶原中山 | 下凹弧线型 | 0.3097 | 隆升速率强于侵蚀溶蚀速率,孤丘夷平面 |
| 洼地 | 0 |
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4 讨论与结论
4.1 讨论
依据研究区地貌属性与控制因素,针对性地完善Strahler面积—高程分析能深化并拓展地貌演化的量化研究与理论实际内涵[5-10, 38, 43-47]。基于喀斯特地貌发育机制特性形成的石林县域、海拔段和洼地的面积—高程曲线与积分值指标间存在着差异。这种差异是石林县域地形、构造、岩石、河流、隔水层、暗河之间的空间关系与地貌过程的揭示。石林县域与洼地的面积—高程曲线形态虽基本相同,但县域曲线两端急翘与陡折,而洼地线倾斜度大,积分值大于县域整体积分值（图4b、4c）,这揭示了石林县域高海拔与低海拔地段地形变化大与面积小的结构特点,即面积占比低的高原起伏山地（25.7%）与占比较大的孤丘溶原洼地（74.3%）地形结构演化与影响因素。县域面积—高程曲线和积分值揭示的是断层活动使县域孤丘溶原夷平面解体成中部相对凹陷、东西两端上隆的断块地形结构,中高海拔洼地不发育的断块构造侵蚀溶蚀山地区的隆升强于侵蚀过程。县域洼地的面积—高程曲线和积分值显示了促进石林县域地形进一步分化的洼地发育较为活跃。这个过程发生于石林地文期的高原—巴江期[31,32],受青藏高原强烈隆升[47,48,49]影响。县域整体和洼地的面积—高程曲线与积分值指标组揭示的县域地貌演进整体与洼地发育促进县域地貌（孤丘溶原夷平面解体）分化的机制与巴江流域“喀斯特完全入渗式流域特点”、“高原剥夷面逐渐向喀斯特浅丘洼地转化”的水文地质结构的分析结论[50]相吻合,体现了戴维斯地理循环论中的构造、侵蚀过程与影响因素,即巴江河距离、隔水层、暗河的控制。海拔段梯级地貌结构细分的面积—高程分析有更深刻的发现。1700~1900 m海拔段和内部洼地的面积—高程积分曲线与积分值的差异（图4d、4e,表3）揭示了巴江河直接控制下的地貌格局与地貌过程。断层裂解的孤丘溶原夷平面在有巴江河为侵蚀基准的碳酸盐岩区,发生了喀斯特水平过程与垂直过程的融合（图3）,具有不平衡阶段青年期地貌演化的洼地曲线（上凸曲线形态）和积分值（0.6919）显示了洼地发育更强盛,雨水、地表径流汇聚洼地流入暗河,再以喀斯特泉群流出汇入巴江。这既剥掉古石林帽岩、风化壳和松散堆积层,使古石林再出露发育,既形成蚀余状石林、剑状石林、古石林（烘烤石林、覆盖石林）的垂直层状结构（图2a,图3b）,又形成溶丘、石林、洼地、暗河、喀斯特泉群的水平梯级地貌结构,这是石林县域的石林发育具有回春式地貌[51]的发育机制,以及石林发育区既是水资源形成区又是水土流失发生区机制的揭示,这个过程的直接遗迹是石林分布区洞穴石笋（乃古石林）沉积分层[52]、喀斯特泉口、路南盆地、巴江河谷的大量钙华层[30,31]。
1900~2100 m海拔段和内部洼地的面积—高程曲线形态和积分值（图4f、4g,表3）的差异是其孤丘夷平转向孤丘溶原洼地的地貌结构与分化过程的揭示。受九蟠山东端隔水层（下二叠统梁山组页岩）阻隔,缺少直通巴江的地表径流—洼地—暗河流通系统的动力,雨水汇流的面蚀作用在泥盆系、石炭系碳酸盐岩地层中形成了浅、宽的溶蚀洼地,孤丘溶原夷平面发生弱解体（图1a、1b,图2b）,保留了孤丘溶原夷平面主体特征,但在其东侧的维则断裂组东盘的断块隆升,使其具有以孤丘溶原洼地为基准的侵蚀溶蚀地貌过程,形成峰丛洼地（图1a、图2a）。
> 2100 m海拔段下凹的高程曲线与积分值（表2,图4h）与缺乏洼地的状况共同揭示了其孤丘夷平地貌的地貌动力与控制因素,断块（圭山断裂组）隆升速度强于剥蚀溶蚀强度,内部地形分化不明显,洼地不发育导致隆升前的孤丘夷平面被大部分保留（图1,图2）,这是石林县域孤丘夷平面分水岭的地貌演化。
石林县域、海拔段和内部洼地的面积—高程曲线和积分值的量化指标组与地貌结构、地貌演化、影响因素的关系已在不同地区的研究与方法改进中有所发现和解释。在构造侵蚀同步的日本山地地貌演化的面积—高程分析中,这种差异被归因为起始地貌的差异[9],孤丘夷平面既可是地貌演化结果或下游,也可是演化起始态（上游）。中国台湾现代构造区的山地型（海拔> 500 m）、丘陵型（海拔> 50~500 m）、与平原型（海拔≤ 50 m）流域地貌中的这种关系,被解释为构造强度对地貌侵蚀动力的约束[10]。美国洛杉矶圣盖博山[42]、法国埃罗省[43]、尼泊尔锡瓦利克山脉[38]、西班牙东南构造区流域的面积—高程分析结果[6]都有这种现象,而且出现在大尺度的地貌演化与模拟结果[45];在中国黄土高原重点水土流失区中,这种面积—高程分析结果被用做地貌分区标志[46]。但是,石林县域喀斯特地貌的面积—高程分析结果的特殊意义在于揭示了断块差异隆升（东西两端断块隆升、中部凹陷）裂解孤丘溶原夷平面背景下,巴江发育成了石林县域地貌进一步分化的动力与机制,即巴江河提供了碳酸盐岩层区的地表动力与地下动力的融合,即水平动力与垂直动力的融合（洼地与暗河的发育动力）,在特定的海拔段（1700~1900 m）,雨水、地表径流、洼地、暗河、泉群、河谷盆地的地表与地下动力过程融合,营造出世界独特的石林垂直层状地貌与溶丘—洼地—石林—暗河—泉群—河盆的水平梯级地貌,具有Howard在面积—高程分析研究中发现的水文、水资源潜在动态[53]。石林县域地貌结构与演化异于经典喀斯特演化模式[54],但其类似于构造隆升背景下塔状喀斯特地貌的回春过程[13]。但亦应看到,本文研究地域单元可以分析地貌数字特征,但与自然地貌单元不一致,其中差异有待进一步研究,结合有待深化的阶梯状地貌结构的地理信息技术的区段分析,以深化阶梯状地貌发育量化研究。
4.2 结论
依据研究区自然地形结构、地表径流与地下径流的关系,细分研究区地貌结构,将水平蚀低垂直加深（增高）的喀斯特发育共性融入地理信息技术支持的面积—高程分析,能发现与区域地质地貌演化遗迹、地貌结构相符的喀斯特地貌演化及资源环境效应。石林县域四级海拔阶梯状地貌结构属壮年晚期的回春型地貌演化区,具有同期异构特征。> 2100 m海拔段地貌为孤丘夷平的构造侵蚀溶原中山,构造隆升强于侵蚀溶蚀过程,洼地不发育;1900~2100 m海拔段处于孤丘夷平溶原转向孤丘溶原（峰）洼地与峰丛洼地,受控于远离侵蚀基准面、隔水层,洼地弱发育,孤丘夷平溶原大部分保留;1700~1900 m海拔段的地貌动力直接受控于巴江,洼地发育联通暗河带来水平溶蚀侵蚀与垂直侵蚀溶蚀的融合,形成蚀余状石林、剑状石林、埋藏石林、烘烤石林的石林垂向层状结构与溶丘洼地—石林—暗河—喀斯特泉群—巴江河盆的水平梯级结构,石林发育区既是水源地形成区,也是水土流失发生区。这是石林保护地整体保护利用的地貌动力依据。
致谢：作者向石林风景名胜区管理局、两名匿名审稿人、《地理学报》编辑部表示诚挚敬意和感谢！他们的支持和中肯、关键性意见是本文发表的保证。
The authors have declared that no competing interests exist.
