張桐艷，賀敬瀅，李光錄，朱首軍，周茂玲

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.洋縣水土保持工作站，陜西 洋縣723300）

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

丹江河流域位于東經(jīng)109°30′—112°00′，北緯32°30′—34°10′。河流自西北至東南，地勢(shì)東低西高，海拔為600～1 200m，丹江在陜西省境內(nèi)的流域面積為7 510.8km2，多年平均徑流量為18.9億m3。丹江流域地勢(shì)由西北向東南降低而敞開，有利于低空東南暖濕氣流向該區(qū)域內(nèi)侵入，所以具有亞熱帶氣候和暖濕帶氣候特點(diǎn)。年平均氣溫由北向南、由西向東遞增。多年平均氣溫為11～14℃，丹江流域降水量受氣候和地形的影響，降水分布極不均勻，年降水量隨地形高度增加而遞增，因而山地為多雨區(qū)，河谷及附近川道為少雨區(qū)。該流域年平均降水量為743.5 mm，多年平均徑流量為8.2億m3，受季節(jié)性氣候變化的影響，徑流的年內(nèi)分配不均，枯水期河水主要靠地下水補(bǔ)給。土壤主要有黃棕壤、棕壤、黃褐土和水稻土。生物資源豐富，共有3 000多種，各類樹種2 100余種，地帶性景觀以落葉—常綠闊葉混交林，落葉闊葉—針葉混交林為主，動(dòng)物近800種［11］，森林覆蓋率高達(dá)50%。

1.2 研究方法

1.2.1 “源—匯”景觀的確定 在景觀生態(tài)學(xué)中，“源”景觀和“匯”景觀的區(qū)分，應(yīng)結(jié)合具體的過程進(jìn)行分析，“源”景觀是指在格局與過程研究中，那些能促進(jìn)生態(tài)過程發(fā)展的景觀類型；“匯”景觀是那些能阻止和延緩生態(tài)過程發(fā)展的景觀類型。然而，由于“源”、“匯”景觀是針對(duì)生態(tài)過程而言，在識(shí)別時(shí)，必須和待研究的生態(tài)過程相結(jié)合。只有明確了生態(tài)過程的類型，才能確定景觀類型的性質(zhì)［12］。本文以水土流失過程來確定景觀類型。流域內(nèi)一些景觀類型在降雨過程中產(chǎn)生大量的地面徑流，土壤流失嚴(yán)重，在流域中起到了“源”作用，如農(nóng)田、居住用地、裸地，因此可以認(rèn)為是一種“源”景觀類型；對(duì)于許多自然景觀類型，由于樹根深而交錯(cuò)盤結(jié)，固土能力強(qiáng)，可以防止土壤流失，在一定程度上具有坡面截留作用，減少地面徑流，在流域中起到了“匯”的作用，如林地、灌木林地和草地，因此，可以認(rèn)為是一種“匯”景觀類型。同時(shí)一些景觀（比如河流水體）起到了傳輸?shù)淖饔茫?］。

地形被認(rèn)為是影響流域水文過程的重要因素，尤其是坡度對(duì)流域的水、沙輸移具有重要的影響［13］。本文利用坡度因子判斷流域的“源”“匯”景觀格局，對(duì)于研究一個(gè)流域水土流失形成的危險(xiǎn)性具有重要意義。如果流域中“源”景觀單元分布的坡度越小，“匯”景觀單元分布的坡度越大，流域會(huì)產(chǎn)生較少的水、沙輸出，發(fā)生水土流失的風(fēng)險(xiǎn)就??；反之，如果流域“源”景觀單元分布的坡度越大，“匯”景觀單元分布的坡度越小，并有較多的“源”集中分布，而缺乏“匯”的滯蓄作用，流域?qū)?huì)有較多的水、沙輸出，發(fā)生水土流失的風(fēng)險(xiǎn)就大［14］。

1.2.2 景觀格局指數(shù)的構(gòu)建 陳利頂［10］提出借用洛倫茲曲線理論來確定“源”、“匯”在空間的分布格局。洛倫茲曲線最早是用來描述不同人群的財(cái)富分布的一種曲線，它實(shí)際上刻畫的是某一因素在遞增過程中，另一個(gè)與其相關(guān)的變量的累積過程。本文以坡度作為一個(gè)景觀空間分布因素，構(gòu)建不同景觀類型在坡度遞增過程中累積的曲線（圖1）。從圖1看出，O（0，0）表示0坡度，C點(diǎn)表示流域最大坡度，橫坐標(biāo)OC表示坡度的遞增過程，縱坐標(biāo)OA表示與坡度對(duì)應(yīng)的景觀類型的面積累積（取值范圍0～1）。OEB表示的是絕對(duì)平均分布曲線，如果“源”、“匯”景觀均勻分布在流域中，那么將會(huì)出現(xiàn)OEB的分布曲線，在這種情況下，如果“源”“匯”景觀在流域中的比例相同，同時(shí)假設(shè)他們單位環(huán)境效應(yīng)相同，那么這種流域景觀格局的環(huán)境效應(yīng)在理論上處于正負(fù)平衡狀態(tài)。如果“源”“匯”景觀在空間上分布不均勻，如ODB、OFB（ODB、OFB分別表示源、匯景觀類型隨坡度增加的面積累積曲線）曲線所示，在坡度上的分布情況可以用各景觀類型面積曲線與直線OC、CB組成不規(guī)則三邊形的面積來判斷。如果曲線呈凸型并且接近于A點(diǎn)，表示該景觀類型在空間分布上主要分布在緩坡度范圍，它們對(duì)流域水沙輸移過程的作用相對(duì)較小，此時(shí)該曲線與直線OC、CB構(gòu)成的不規(guī)則多邊形的面積較大；當(dāng)曲線呈凹型并接近于C點(diǎn)時(shí)，則表示該類景觀主要分布于坡度較陡的地帶，它對(duì)水、沙輸移的作用相對(duì)較大，此時(shí)該曲線與直線OC、CB構(gòu)成的不規(guī)則多邊形的面積較小。對(duì)于任何一個(gè)流域都可以得出每一種景觀類型空間分布的累積曲線。以每一種景觀類型的0坡度分布（OAB）為標(biāo)準(zhǔn)，衡量其實(shí)際坡度空間分布，可以構(gòu)建出景觀坡度指數(shù)：

式中：LSI——某一景觀類型的坡度指數(shù)；SOFBC——某一景觀面積累積曲線構(gòu)成的不規(guī)則多邊形面積；SOABC——如果該景觀全部分布在0坡度時(shí)的面積累積曲線構(gòu)成的不規(guī)則多邊形面積。LSI的值越大，表示景觀類型分布的坡度越大，對(duì)水土流失的風(fēng)險(xiǎn)越大。

圖1 “源”“匯”景觀空間分布示意圖

如果從不同景觀類型的“源”“匯”作用來考慮，可以將各種景觀類型劃分為對(duì)水土流失過程起到“源”作用和起到“匯”作用兩類，構(gòu)成“源”“匯”景觀空間對(duì)比指數(shù)，其可表示為：

式中：LCI——景觀負(fù)荷對(duì)比指數(shù)；SODBC——源景觀面積累積曲線構(gòu)成的不規(guī)則多邊形面積；SOFBC——匯景觀面積累積曲線構(gòu)成的不規(guī)則多邊形面積；對(duì)于坡度來說，LCI的值越大，表明源景觀分布在坡度較小的地方，水土流失的風(fēng)險(xiǎn)較低。

上面僅僅討論了“源”“匯”景觀類型的流域景觀格局指數(shù)，實(shí)際上不同景觀類型對(duì)水土流失的貢獻(xiàn)差異較大。為了客觀準(zhǔn)確地比較它們?cè)谒亮魇н^程中的作用，需要對(duì)不同景觀類型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。對(duì)此可以選擇一種標(biāo)準(zhǔn)的“源”“匯”景觀類型，通過比較，可以對(duì)其他景觀類型賦予一定的權(quán)重［15］。為客觀的評(píng)價(jià)景觀類型在水土流失過程中的作用，從影響水土流失的影響因素（坡度、植被覆蓋度與土地利用類型）來作為改進(jìn)景觀格局指數(shù)的依據(jù)。由此公式（2）可以改進(jìn)為：

式中：LCIx——第x個(gè)子流域景觀負(fù)荷對(duì)比指數(shù)；SiODBC，SjOFBC——第i種“源”景觀和第j種“匯”景觀在洛倫茲曲線圖中面積累積曲線組成的不規(guī)則多邊形面積；wi，wj——第i種“源”景觀和第j種“匯”景觀的地面覆蓋度；PCi，PCj——第i種“源”景觀和第j種“匯”景觀在流域中所占的百分比。對(duì)計(jì)算結(jié)果取對(duì)數(shù)主要是為了控制LCI的變化范圍；取對(duì)數(shù)后，LCI的值將在0左右變化。當(dāng)LCI的值為0時(shí)，表示“源”“匯”景觀在流域尺度上處于均勻分布狀態(tài)，這種格局在各個(gè)坡度上相平衡；當(dāng)LCI的值大于0時(shí)，表明流域內(nèi)“源”景觀在坡度上要大于“匯”景觀，該流域水土流失風(fēng)險(xiǎn)較小；當(dāng)LCI的值小于0時(shí)，表明“匯”景觀在坡度上要大于“源”景觀，該流域水土流失風(fēng)險(xiǎn)較大。在理論上，LCI的值越大，流域水土流失風(fēng)險(xiǎn)越小，反之越大。

1.2.3 景觀格局指數(shù)的計(jì)算 應(yīng)用國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫中2007年夏季的丹江流域TM影像作為數(shù)據(jù)源，由專家通過計(jì)算機(jī)屏幕進(jìn)行人工解譯，形成1∶5萬比例尺成圖標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化土地利用／土地覆被專題地圖［16－17］。地形數(shù)據(jù)采用中國(guó)科學(xué)院地理與資源研究所提供的1∶25萬地形。在地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS支持下建立丹江流域數(shù)字高程模型（DEM），在此基礎(chǔ)上生成流域坡度圖，并將丹江流域劃分為9個(gè)子流域［18－19］。將丹江流域土地利用數(shù)據(jù)與坡度數(shù)據(jù)疊加，統(tǒng)計(jì)每個(gè)子流域不同土地利用類型的坡度分布數(shù)據(jù)，并繪制每個(gè)集水區(qū)每種土地利用類型的洛倫茲曲線，采用積分計(jì)算每種土地利用類型的洛倫茲曲線多邊形面積，得出每個(gè)集水區(qū)每種土地利用類型的景觀坡度指數(shù)。歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是根據(jù)植被反射波段的特性計(jì)算出來的反映地表植被生長(zhǎng)情況、覆蓋情況、生物量情況和植被種類情況的間接指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于植被覆蓋的定量研究，研究認(rèn)為植被覆蓋程度對(duì)水土流失有重要的影響，所以本研究NDVI值來自 TM 2004—2009年夏季數(shù)據(jù)［20］（表1），從而得到景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀組成結(jié)構(gòu)分析

表2所示丹江流域陜西境內(nèi)9個(gè)子流域土地利用類型組成結(jié)構(gòu)，由表1可以看出，流域分為南、北兩岸，丹江流域上游北岸板橋河子流域土地利用以中低覆蓋度草地和耕地等水土流失的“源”景觀所占比例較大，二者合計(jì)共占流域總面積的50%以上，其它類型所占比例較小；會(huì)峪河和老君河子流域主要以“匯”景觀為主，土地利用類型以森林、果園和高覆蓋度草地的“匯”景觀所占面積比例較大。流域上游南岸南秦河子流域的“匯”景觀類型面積大于“源”景觀類型面積。處于流域中下游北岸的清油河、武關(guān)河和湘河等子流域土地利用以森林和高覆蓋度草地等“匯”景觀所占比例達(dá)到50%以上，說明在這些子流域中，“匯”景觀面積大于“源”景觀面積。流域中下游南岸主要有縣河和銀花河兩個(gè)子流域，縣河子流域中“源”景觀面積大于“匯”景觀面積，“源”景觀主要以耕地為主；而銀花河主要以“匯”景觀占主導(dǎo)地位，土地利用類型以果園為主（表2）。

表1 丹江流域土地利用類型的植被指數(shù)

表2 丹江流域土地利用類型組成

2.2 景觀格局坡度分析

景觀坡度指數(shù)是把景觀空間分布與地形平坦?fàn)顩r結(jié)合起來，描述景觀地形空間分布格局的一個(gè)重要指標(biāo)。

表3所示為丹江流域各子流域不同土地利用類型的景觀坡度指數(shù)，耕地和居住用地一般分布在地勢(shì)平坦的河川谷道地，河谷比較開闊，河灘較多，是農(nóng)田的主要分布區(qū)。森林、灌叢、疏林地、高覆蓋度草地等一般分布在坡度相對(duì)陡峭的峽谷地帶，一般景觀坡度指數(shù)都在3.0以上。其中，板橋河、南秦河流域疏林地坡度指數(shù)最大，對(duì)水土流失影響較大；會(huì)峪河、老君河流域景觀坡度指數(shù)在1～3，在各個(gè)坡度上各類景觀分布較為均衡；清油河流域中灌叢林地坡度指數(shù)達(dá)到最大，灌從林地主要位于清油河河源至兩岔段的峽谷地段；武關(guān)河除了河口有較大片耕地外，其它河段全部為峽谷，因此武關(guān)河流域各景觀分布較為均衡；湘河流域花子潭至對(duì)窩坪段，河峽深切，谷坡陡峭，低覆蓋草地主要分布在此段，景觀坡度指數(shù)最大?？h河流域景觀坡度指數(shù)整體較低，銀花河流域除了耕地和居住用地外，景觀坡度指數(shù)整體較高。

2.3 景觀“源－匯”負(fù)荷對(duì)比分析

景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)反映的是“源”、“匯”在空間上分布的相對(duì)性，計(jì)算出的指數(shù)越大，意味著該流域發(fā)生水土流失的危險(xiǎn)性越小，因此，該方法在水土流失危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中具有重要參考價(jià)值。丹江流域由于受自然環(huán)境的限制及人類活動(dòng)的干擾，各個(gè)子流域土地利用景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)差異很大。從表3和圖2可以看出，板橋河和清油河子流域景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)大于0，表明流域內(nèi)“源”景觀在坡度上要大于“匯”景觀，該流域水土流失風(fēng)險(xiǎn)較小，這兩個(gè)子流域雖然地處山區(qū)地帶，地形陡峭，坡度較大，但流域的主要土地利用類型是地表覆蓋度很好的森林和高覆蓋度草地等水土流失“匯”景觀，而耕地和人類活動(dòng)干擾產(chǎn)生的低覆蓋度草地等“源”景觀主要分布于流域的下游坡度較小的平地，子流域內(nèi)“匯”的作用大于“源”的作用，所以這兩個(gè)子流域水土流失風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)低；南秦河與銀花河子流域景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)小于0，但大于負(fù)0.1，表明“匯”景觀在坡度上要大于“源”景觀，該流域水土流失風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，子流域上游一般為植被覆蓋相對(duì)比較好的森林、疏林和灌叢等“匯”景觀類型，但由于人類過渡的土地開發(fā)利用，流域中、下游土地利用類型多為耕地和中、低覆蓋類型草地等“源”景觀，“源”、“匯”景觀在流域內(nèi)分布不均衡，導(dǎo)致這些子流域處于水土流失中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；會(huì)峪河、老君河、武關(guān)河、湘河、縣河子流域景觀空間負(fù)荷指數(shù)小于負(fù)0.1，說明這些流域處于水土流失高度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，“源”景觀坡度指數(shù)較大，地面覆蓋程度較低，以耕地和中、低覆蓋度草地等源景觀類型，由于受地形影響主要分布于坡度相對(duì)陡的谷坡，所以景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)很小。

表3 丹江流域各子流域植被景觀格局?jǐn)?shù)量特征

圖2 丹江流域水土流失景觀風(fēng)險(xiǎn)區(qū)

3 結(jié)論

丹江流域是南水北調(diào)中線工程的水源區(qū)，為保證京津唐地區(qū)的水質(zhì)安全，應(yīng)降低水源區(qū)水土流失風(fēng)險(xiǎn)，減少非點(diǎn)源污染。流域水土流失過程是多種因素共同作用的結(jié)果，包括氣候因子、地形因子、植被因子和人類干擾作用等方面。流域上游區(qū)域除了板橋河子流域的景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)大于0，該子流域土地利用以中低覆蓋度草地和耕地等水土流失的“源”景觀所占比例較大，屬于水土流失低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；其余流域（會(huì)峪河、老君河、南秦河）的景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)都小于0，流域內(nèi)“源”景觀分布的坡度較大，因此流域處于水土流失高度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。流域下游區(qū)域除了清油河景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)大于0，其余流域（武關(guān)河、湘河、縣河、銀花河）景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)都小于0，尤其流域北岸的武關(guān)河和湘河指數(shù)達(dá)到最小，表明流域內(nèi)“匯”景觀坡度指數(shù)較大，發(fā)生水土流失的風(fēng)險(xiǎn)較高，子流域上游一般為植被覆蓋相對(duì)比較好的森林、疏林和灌叢等“匯”景觀類型，但由于人類過渡的土地開發(fā)利用，流域中、下游土地利用類型多為耕地和中、低覆蓋類型草地等“源”景觀，“源”、“匯”景觀在流域內(nèi)分布不均衡，導(dǎo)致這些子流域存在一定程度的水土流失風(fēng)險(xiǎn)。

本文通過比較研究不同景觀類型在水土流失過程中的作用，借用洛倫茲曲線的理論和方法，通過比較不同“源”、“匯”景觀類型對(duì)生態(tài)過程的貢獻(xiàn)進(jìn)行賦值，在此基礎(chǔ)上，提出了“源”“匯”景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)，利用坡度因子判斷流域的“源”“匯”景觀格局的合理性，指數(shù)的大小可以反映景觀空間格局對(duì)生態(tài)過程的影響。該模型充分考慮了格局與過程的關(guān)系，從而為研究景觀格局與生態(tài)過程提供了一個(gè)新的思路。

［1］ 傅伯杰，陳利頂，馬克明.景觀生態(tài)學(xué)原理與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［2］ 索安寧，洪軍，林勇，等.黃土高原景觀格局與水土流失關(guān)系研究［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，16（9）：1719－1723.

［3］ 陳利頂，傅伯杰，徐建英，等.基于“源—匯”生態(tài)過程的景觀格局識(shí)別方法：景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23（11）：2406－2413.

［4］ 鄔建國(guó).生態(tài)學(xué)范式變遷綜論［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，1996，16（5）：449－460.

［5］ Basnyat P，Teeter L D，F(xiàn)lynn K M，et al.Relationship between landscape characteristics and Non－point sources pollution inputs to coastal Estuaries［J］.Environment Manage.，1999，23（4）：539－549.

［6］ Bergkam P G.A hierarchical view of the interactions of runoff and infiltration with vegetation and microtopography in semiarid shrub lands［J］.Catena，1998，33（3／4）：201－220.

［7］ Pennock D J，de John E.Spatial pattern of soil redistribution in Boroll landscape，Southern Saskatchewan，Canada［J］.Soil Science，1990，150（6）：867－873.

［8］ Martz L W，de John E.Using cesium－137to assess the variability of net soil erosion and its association with topography in a Canadian prairie landscape［J］.Catena，1987，14（5）：439－451.

［9］ 索安寧，王天明，王輝，等.基于格局—過程理論的非點(diǎn)源污染實(shí)證研究：以黃土丘陵溝壑區(qū)水土流失為例［J］.環(huán)境科學(xué)，2006，27（12）：2415－2420.

［10］ Pinder J E，Kroh G C，White J D，et al.The relationships between vegetation types and topography in Lassen Vocalnic National Park［J］.Plant Ecol.，1997，131（1）：17－29.

［11］ 沈澤昊，張全發(fā)，岳超，等.南水北調(diào)中線水源區(qū)土地利用／土地覆被的空間格局［J］.地理學(xué)報(bào)，2006，61（6）：633－644.

［12］ 陳利頂，傅伯杰，趙文武.“源”“匯”景觀理論及其生態(tài)學(xué)意義［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26（5）：1444－1449.

［13］ Moore J D，Burch G J.Physical basis of the length－slope factor in the universal soil loss equation［J］.Soil Science Society of Ameirica Journal，1986，50（5）：1294－1298.

［14］ 盧愛剛，張鐳，索安寧.基于水土流失的景觀格局分析方法［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，19（7）：1599－1604.

［15］ 王憲禮，肖篤寧，布仁倉，等.遼河三角洲濕地的景觀格局分析［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，1997，17（3）：318－323.

［16］ 劉紀(jì)遠(yuǎn)，張?jiān)鱿椋f大方，等.20世紀(jì)90年代中國(guó)土地利用變化時(shí)空特征及其成因分析［J］.地理研究，2003，22（1）：1－12.

［17］ 劉明亮，唐先明，劉紀(jì)遠(yuǎn)，等.基于1km格網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)尺度效應(yīng)研究［J］.遙感學(xué)報(bào)，2001，5（3）：183－190.

［18］ Ziverts A.Mathematical model of hydrological process METQ98and its application［J］.Nordic Hydrology，1999，30（2）：109－128.

［19］ Srinivas A.Recharge process and aquifer models of a small watershed［J］.Hydrological Science，1999，44（5）：681－692.

［20］ 索安寧，于波，王天明，等.涇河流域植被景觀格局對(duì)流域徑流的調(diào)節(jié)作用［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2005，19（4）：40－43.