旬河流域景观格局变化对泥沙输出的影响

梅嘉洺, 刘 洋, 岳朋芸, 李 东, 姜庆虎, 刘 峰

(1.西藏大学 青藏高原生态与环境研究中心, 拉萨 850000; 2.西藏大学 理学院, 拉萨 850000;3.中国科学院 武汉植物园水生植物与流域生态重点实验室, 武汉 430074; 4.中国科学院大学, 北京 100049)

土壤侵蚀是指土壤及其母质受风蚀和水蚀等外部作用力的影响，发生剥蚀分离、输移和沉积的生态水文过程[1]。该过程中挟带的大量泥沙及营养物质(N，P，K等)，造成农用地退化的同时，往往导致下游水体河床升高、湖泊富营养化等，威胁河流生态功能安全[2]。研究表明，造成土壤侵蚀的原因有：非合理耕种、过度开发等人类活动因素，以及土壤退化、高强度降水、植被覆盖度降低等自然因素。其中，土地利用带来的区域景观格局变化是近年来影响土壤侵蚀的主因[3]。例如，康磊等[4]在岷江上游发现以草地恢复为主的景观格局演变，明显降低了该区土壤侵蚀的强度；潘竟虎等[5]在甘肃泾河小流域的相关研究中表明，坡度>25°且海拔低于1 295 m的景观破碎化程度严重区域，流域侵蚀严重，河流产沙量显著增加。此外，王计平等[6]在黄土丘陵区发现，流域景观格局的变化还会影响局部微气候，进而加重或减轻区域土壤侵蚀程度。因此，明确流域景观格局与土壤侵蚀、泥沙流失过程的关系是景观格局优化的基础，对于水土保持服务有着重要的意义。

近几十年来，遥感(RS)及地理信息系统(GIS)技术发展迅速，推动了景观生态的发展。利用景观格局指数表征格局配置与土壤流失之间的关系，定量土壤侵蚀过程对景观格局变化的响应，是评估生态水文循环的有效手段。基于多年实测气象数据，水文模型能够结合景观格局变化，在大尺度长时间水平上，定量探究流域径流产沙过程对人类活动的响应机制。刘宇[7]利用水文模型WATEM/SEDEM在延河模拟小流域输沙量时发现，在斑块类型尺度上的景观指数对河道侵蚀产沙程度的表征存在一定不确定性。廖凯涛等[8]在江西廉江河流域分析得出，景观多样性程度的加深，可减缓流域侵蚀产沙能力。李晶等[9]在延河流域通过SWAT模型划分出子流域中的水文响应单元，建立了一种新的综合景观指数，发现该指数与产沙量之间耦合关系呈负相关。以上研究将生态水文循环过程与景观格局指数相耦合，可较完善的阐释出过程与格局之间的关系。因此，利用景观格局指数表征流域土壤侵蚀程度，结合水文模型进行定量的分析流域生态水文循环机制，是未来探究趋势[10]。

目前，对于土壤侵蚀的研究多是依靠一个或少数几个流域的监测数据进行分析[11-12]，很少对流域按照区位划分，进行系统对比研究。对于较大尺度的流域，获取水文泥沙数据尚且困难，在部分小流域的泥沙监测数据更为缺乏。泥沙在河流中的运移机制主要受水量、下垫面和泥沙(属性组成，选择性迁移)等多因素共同影响。利用水文模型能够定量计算子流域输沙量的优势，结合景观格局演变特征，开展多流域多区域的对比，有利于更好的阐述泥沙输移的控制机制。基于此，本研究选取位于“南水北调(中线)工程”水源地—丹江口水库上游的旬河流域为研究区，基于SWAT模型，模拟整体流域及其子流域的输沙量，同时结合景观分析和多元线性回归分析的方法，将模型划分出的子流域分为上、中、下游，选取能够代表该流域实际生态环境情况的景观指数，分析旬河流域各景观格局指数对输沙量的相关性及解释度，探究1995—2015年景观格局的改变对流域输沙量的影响。为该流域土地利用合理规划及水土流失治理措施提供参考意见，提高生态经济效益。

1 研究区概况

旬河流域位于我国南北方交界处的秦岭山脉南麓，发源于陕西省西安市，流经柞水县和镇安县，在旬阳县境内，经汉江干流汇入“南水北调(中线)工程”水源地—丹江口水库。向家坪水文站控制断面以上的流域面积达6 258 km2，范围跨度为108°24′—109°26′E，32°48′—33°55′N。流域多年平均径流为20.67亿m3，乾佑河为境内最大支流。土壤类型以淋溶土为主。流域地势落差大，山岭峡谷相间排列，水能资源丰富。该流域气候带属我国亚热带湿润季风气候与温带季风气候交汇处，夏季多雨，平均温度为24.8℃，冬季少雨，平均温度为7.8℃，四季明显。流域植被类型资源丰富，其中森林植被分布面积最大的是松栎林带，它包含两个亚带：栓皮栎为主的栎林亚带和阔叶松树林亚带；马尾松、侧柏针阔叶混交林带，以及多个植被型和不同群系。流域内总人口约50万，经济发展缓慢。分布在流域缓坡地带的农用地主要种植小麦和玉米等农作物。

2 研究方法

2.1 数据来源

研究区所使用的数字高程数据(DEM)和Landsat TM/OLI遥感影像，下载于“中国科学院地理空间数据云”平台(www.gscloud.cn)，分辨率皆为30 m×30 m。利用ENVI 5.1，将1995年6月8日和2015年4月28日，两期研究区遥感影像监督分类处理，划分出5种土地利用类型：林地、农用地、灌草地、建设用地、水体。土壤类型数据来源于中国科学院“寒区旱区科学数据中心”(westdc.westgis.ac.cn)，其分辨率为1∶100万。旬河流域出水口向家坪水文站于1956年设立，由长江水利委员会水文局提供其监测的1995—2015年共21 a间径流量(月值)与输沙量(月值)数据。于“中国气象数据网”(data.cma.cn)下载镇安和旬阳气象站相同年份的气象数据(日值)。

2.2 径流产沙模拟分析

SWAT模型具有很强的地理空间特性，能够较准确的反映生态系统水文循环过程。以空间数据(DEM、土地利用图与土壤类型图)和属性数据(气候与土壤性质)为基础，构建旬河流域SWAT水文模型，通过设定研究区集水面积最小阈值(8 500 hm2)，划分出41个子流域(图1)。以1995—1997年为模型预热期，1998—2008年为率定期，2009—2015年为验证期。率先进行径流量(m3/s)的模拟，直至达到模拟标准精度，再进行输沙量的模拟。将1995年和2015年旬河流域土地利用图带入模型，分别模拟在不同土地利用情景下，流域输沙量情况。

评价模型拟合优良程度有3个方面指标：决定系数(R2)>0.6，Nash-Sutteliffe系数(Ens)>0.5且相对偏差系数|PBIAS|<25%。

图1 旬河流域及子流域分布

2.3 景观格局变化分析

景观生态学是分析景观组成结构、生态学功能及时空动态的一门学科，其中景观格局分析是其研究内容的重要方面。景观格局的空间信息(破碎化、异质化和均匀度等)可通过景观水平指数和斑块类型水平指数来衡量。

以SWAT模型划分出研究区的河网水系为基础，将其分为上、中、下游，分别选取4个子流域，共12个。上游选取的子流域为1，5，6，9号，中游为19，22，24，25号，下游为32，36，38，40号。其中位于上游的1号(465.46 km2)面积最大，位于中游的19号(100.59 km2)面积最小，平均面积为220.83 km2。利用ArcGIS 10.2将旬河流域1995年、2015年及各子流域的土地利用数据格式转换为Grid，带入景观分析软件Fragstats 4.2中，选取能够反映该流域景观结构且相互独立的景观指数进行计算。基于Canoco 5.0，将分布在上、中、下游各子流域景观水平指数进行PCA排序。

其中，在景观水平上选取斑块密度指数(PD)、最大斑块指数(LPI)、景观形状指数(LSI)、景观蔓延度指数(CONTAG)、景观分离度指数(DIVISION)、shannon′s多样性指数(SHDI)和shannon′s均匀度指数(SHEI)。在斑块类型水平上选取土地利用类型所占景观面积比例指数(PLAND)、斑块密度指数(PD)、景观形状指数(LSI)、平均邻接度指数(CONTIG_MN)、聚集度指数(AI)和平均斑块分维数(FRAC_MN)。

2.4 流域产沙过程对景观指数变化的响应分析

将SWAT模型划分出的12个子流域输沙量模拟值于Excel统计，分析年内4个季度平均输沙量变化趋势。将旬河流域1995年和2015年土地利用数据相对比，分析近20 a来研究区土地利用类型转变情况及流域土地利用变化对流域输沙量的影响。基于IBM SPSS Statistics 21.0软件：利用单因素方差分析法，将12个子流域年内四季度输沙量平均值按照区位(上、中、下游)进行统计分析；利用Spearman相关分析法，分析12个子流域景观指数的变化与输沙量之间的相关性；基于R-3.6.0，以子流域景观格局指数作自变量，输沙量作响应变量，采用多元线性回归法，探讨在景观水平和类型水平各景观指数对流域输沙量的解释度。

3 结果与分析

3.1 旬河流域产沙模拟分析

利用旬河流域出水口—向家坪水文站的实测径流量和输沙量数据(月值)，进行SWAT模型校准和验证。径流量模拟精度达到要求标准，且在输沙量的模拟过程中，校准期决定系数R2为0.75，Nash-Sutcliffe系数(Ens)为0.74，相对偏差系数(PBIAS)为-4.8%。验证期R2和Ens皆不小于0.75，且PBIAS在偏差范围内(表1)。

以上结果表明，SWAT模型在旬河流域适用性优良，可进行产沙模拟分析。

分析12个子流域年内四季度平均输沙量模拟值发现：上游子流域的产沙量显著低于下游。这可能是由于旬河上游流域地形复杂，人类活动影响小，森林覆盖率高，对土壤的固持能力强，而下游地形多以平原丘陵分布，农用地及城市建设用地多集中在此，土壤下垫面性质及结构易受破坏，土壤抗侵蚀能力减弱，致使河道输沙量较高；在第3，4季度，位于下游的子流域输沙量均值分别达到了36.393万t，5.325万t，显著高于中上游流域的输沙量。这可能是由于旬河流域受季风气候影响，夏季降水量丰富且降水强度大，导致地表径流速度升高，河道对沿线土壤的侵蚀加重。在第3季度，中游和下游的子流域输沙量标准差较大，说明其输沙量模拟值较为离散，同时极差也反映出此特征；年内4个季度中，位于中游的子流域输沙量变异系数最高，这可是由于中游地区所受气候条件和人类活动等因素兼有上、下游的特征，变异最强烈(表2)。

表1 率定期和验证期月均径流量和输沙量模拟评价

表2 旬河12个子流域四季度输沙量比较

注：同列数据后标相同字母表示差异不显著，p<0.05。

3.2 旬河流域景观格局指数空间分异特征

将旬河12个子流域的7个景观水平指数进行PCA排序，PC1和PC2的累计解释度达到了97.55%。PC1较准确地反映出景观指数空间分异特征。从上游至下游，景观形状指数(LSI)、Shannon′s均匀度指数(SHEI)、Shannon′s多样性指数(SHDI)、斑块密度(PD)和景观分离度指数(DIVISION)存在增加趋势，说明斑块形状复杂化、景观破碎化和分离化程度加深，斑块类型空间分布趋于均匀。最大斑块指数(LPI)和景观蔓延度指数(CONTAG)在上游地区较大，说明其斑块类型(林地)优势程度和聚集程度较高(图2)。

图2 旬河12个子流域景观水平指数PCA排序

3.3 旬河流域景观格局变化对输沙量的影响

旬河流域位于秦岭山脉南端，土地利用类型主要以林地和农用地为主，建设用地、灌草地和水体的面积综合占比不足10%。在1999年国家实施“退耕还林工程”之前，旬河流域毁林开垦、陡坡化耕种情况严重。经过十几年的植被恢复与改善，至2015年，旬河流域林地面积得到显著提升，占比达到84.79%。1995年有1 565.77 km2的农用地转化为林地，231.35 km2的农用地转化为灌草地。1995年土地利用情景下年均输沙量模拟值为67.16万t，至2015年，降低为25.07万t。

相较于1995年、2015年旬河流域景观格局变化显著，具体表现在：林地面积的大幅提升，促进了斑块密度指数(PD)微降，景观破碎化程度降低；最大斑块指数(LPI)和景观蔓延度指数(CONTAG)有显著提升，这有助于提高景观连通性，减缓径流；景观形状指数(LSI)由126.48增加至131.95，变化较小，可忽略；景观分离度指数(DIVISION)降低了近50%，说明景观的组成类型分布更加集中；shannon′s多样性指数(SHDI)和shannon′s均匀度指数(SHEI)都有所降低，反映出该流域景观内部的斑块类型之间联系更加紧密。总体而言，旬河流域景观格局朝着单一化方向发展，利于降低河道产沙能力，改善研究区水土流失状况(表3)。

3.4 子流域景观格局指数与输沙量相关性及解释度

在类型水平，以1表示林地、2表示建设用地、3表示农用地、4表示灌草地、5表示水体。与输沙量呈显著性关系的景观指数有：PLAND1，PLAND3，PD1，PD3，PD4，PD5，LSI1，LSI3，LSI4，CONTIG_MN3，AI1和AI3。其中水体的斑块密度(PD5)与流域输沙量相关性最强，相关系数达到了0.875。林地的斑块类型面积百分比指数(PLAND1)和聚集度指数(AI1)与输沙量呈负相关关系，说明林地面积的增加及其聚集程度的上升，有利于减缓流域水文流域产沙过程。而随着农用地PLAND3和AI3值的升高，流域产沙量上升。林地、农用地和灌草地的斑块密度指数(PD)及形状指数(LSI)值的增加，表明斑块类型的空间分布趋于破碎化且形状更为复杂，易受到地表径流的侵蚀(表4)。

在景观水平，流域土壤侵蚀程度与最大斑块指数(LPI)以及蔓延度指数(CONTAG)呈负相关，相关系数分别为-0.61和-0.71。斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、景观分离度指数(DIVISION)、Shannon′s多样性指数(SHDI)和Shannon′s均匀度指数(SHEI)皆与流域输沙量呈正相关关系(表5)。

表3 1995-2015年景观格局指数变化

表4 旬河12个子流域景观类型水平指数变化与输沙量波动相关性

注：**表示在0.01水平(双侧)显著相关,*表示在0.05水平(双侧)显著相关。n=12,下同。

表5 旬河12个子流域景观水平指数变化与输沙量波动相关性

选择与流域输沙量相关关系显著的景观指数，在类型水平和景观水平上，分别构建多元线性回归模型。利用双向逐步回归法，剔除对响应变量影响较小的自变量进行拟合。拟合结果：p<0.05，说明模型通过了显著性检验，具有统计学意义；决定系数R2>0.6，即表明相关性优良。

由拟合模型得出：在类型水平，PD5和PD1对流域输沙量的解释度较高，其次是PLAND3，PD3和AI3；在景观水平，DIVISION对输沙量解释度最大。对比两个水平上决定系数(R2)得出：类型水平上的景观指数可更好地表征流域输沙量情况。而景观水平上的指数，虽然整体与输沙量相关关系显著，但由于其计算原理的缘故，变化趋势较不稳定，不能较好的反映土壤侵蚀程度(表6)。

表6 景观指数对输沙量的解释度

4 讨 论

在生态水文循环过程中，引发土壤侵蚀的因素有多种：土壤因素(质地、团聚体和渗透指数)、气候因素(降水量、降水强度)、生物因素(植被冠层截留、根系固持和凋落物截留)、人为因素(耕作方式)以及地形因素等，各因素之间复杂的相互作用同样对河道产沙影响强烈[13]。在自然景观角度，生态过程和分布格局是紧密联系的有机整体[14]。景观格局由于能反映景观中各土地利用类型的分布情况，而对流域水沙输移过程有重要影响[15]。本研究将表征景观空间分布格局信息的景观指数与土壤侵蚀过程相耦合，基于SWAT水文模型技术，揭示了旬河流域景观格局时空变化趋势与输沙量之间的关系。结果表明，旬河流域景观格局整体向着良性发展，水土流失状况有所改善。这与郭思琪等[16]在秦岭研究得出的水文产沙与景观格局时空动态演变规律相一致。相较于景观水平，类型水平上的指数能更加完善对流域输沙量状况的表征。

本研究结果表明，旬河流域土壤侵蚀程度时空分异显著。在空间尺度上，旬河各子流域的土壤流失情况自上游至下游呈加重的趋势，输沙量逐渐增多。这可能是受下游区域地势相对平坦的影响，使得该区域内人类活动频繁，加重了区域景观的干预，使得景观破碎化和分离化程度加深，进而导致下游河道沿线子流域的土壤侵蚀量较高[17]。在时间尺度上，1995—2015年，旬河流域森林植被恢复良好，林地类型在景观中的优势度得到进一步提高，景观内部之间的斑块类型联系更加紧密，有利于减缓流域水文产沙[18]。此外，由于人们环境保护意识的提升，推行积极的水土流失治理工作，使研究区水土涵养功能进一步得到增强[19]。因此，为实现研究区可持续发展，在保证农业生产基本要求的情况下，应继续推进“退耕还林”政策，协调配置区域土地利用规划，减少人类社会发展对流域生态环境造成的破坏。

景观格局整体的空间分布情况及内部斑块类型之间的组成结构，可反映流域土壤抗侵蚀能力的强弱[20]。本研究将耦合流域水文产沙过程的景观格局指数与SWAT模型相整合，在模型划分出的子流域水平(上、中、下游)，以各子流域景观指数表征其产沙程度，探析景观水平和类型水平上各景观指数之间对流域侵蚀产沙的解释度，增强了评价结果的可靠性。本文较完善的体现出整个旬河流域景观格局配置情况及其景观指数对水文产沙的效应，可为水土流失治理服务。

有研究表明地表粗糙度对土壤流失有重要影响。目前，地形坡度、植被类型的空间覆盖度及其垂直结构是反映地表粗糙度的主要指标。然而本研究所使用的景观空间分布数据(土地利用图)是一个“二维”平面，不能反映出研究区植被“三维”状况[21]，且本研究缺乏考虑，组成林地的不同林分之间土壤理化性质的差异性对持水固沙的作用[22]。因此，在未来的研究工作中，应深入探究复合生态水文循环过程中的地表粗糙度(土壤理化性质、植被长势)、水陆交错区域及气候和土壤流失之间的耦合机理，揭示流域土壤流失时空变化趋势规律。

5 结 论

(1) 与上游地区相比，旬河下游区域受人类活动(农业措施、城市化建设)的影响较大，景观破碎化程度显著增加，使得土壤抗侵蚀能力减弱，对应子流域河流输沙量较高。

(2) 受“退耕还林”等植被恢复措施的影响，水土流失状况得到有效控制。1995—2015年旬河流域的景观优势化程度加深，景观类型之间的连通性趋于优良，斑块分布更加集中，河流输沙量显著降低。

(3) 从景观格局角度分析，与景观水平上的指数相比，类型水平上的景观指数可以更好地表征流域输沙量。其中，景观水平上的分离度指数(DIVISION)和类型水平上水体的斑块密度指数(PD5)对输沙量解释度最大。

(4) 将SWAT水文模型模拟的输沙数据与景观格局演变特征结合，开展旬河流域多区域的对比分析，可以较好的阐述旬河泥沙的产沙机制，对于区域景观合理规划和水土保持服务具有重要的指导意义。