周添惠,楊 磊,趙方凱,李旭春,鄧居禮,李 敏,黃 勇,段興武

1 云南大學(xué)國(guó)際河流與生態(tài)安全研究院, 昆明 650500 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 3 甘肅省定西市水土保持科學(xué)研究所, 定西 743000 4 甘肅省定西水文水資源勘測(cè)局, 定西 743000

源匯景觀格局分析方法將景觀格局與生態(tài)過(guò)程有機(jī)結(jié)合,可用于定量表征不同景觀類型及其空間配置對(duì)特定生態(tài)過(guò)程的影響[1—2],是目前景觀生態(tài)學(xué)的一個(gè)核心研究議題。近幾十年來(lái)黃土高原地區(qū)大規(guī)模退耕還林還草工程的實(shí)施,使得地表景觀發(fā)生了顯著變化。遙感數(shù)據(jù)表明,從1980年至2020年黃土高原地區(qū)農(nóng)田面積減少了11.43%,而森林面積增加了58.18%[3—5]。這一景觀演變過(guò)程也帶來(lái)了徑流泥沙“源”和“匯”功能的變化,如植被恢復(fù)使得匯景觀面積不斷增加,改變了地表產(chǎn)水、產(chǎn)沙過(guò)程[6—7],從而使得地表徑流及泥沙負(fù)荷呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)[8—11]。黃土高原地區(qū)土地利用對(duì)水土流失過(guò)程的影響已經(jīng)開(kāi)展了大量的工作,研究表明坡面、流域、區(qū)域尺度不同景觀配置均能影響水土流失過(guò)程[9,12]。通過(guò)景觀格局指數(shù)來(lái)反映景觀配置信息,并通過(guò)其變化來(lái)表征水土流失演變特征已經(jīng)做了比較多的嘗試。例如,王計(jì)平等[13—14]分別通過(guò)類型水平和景觀水平的格局指數(shù)探討了其對(duì)河口-龍門區(qū)間徑流泥沙的表征,也有研究發(fā)現(xiàn)景觀多樣性、聚集度及蔓延度是土壤侵蝕及產(chǎn)沙過(guò)程的主要影響因子[10,15—16]。然而,景觀格局指數(shù)難以建立和具體生態(tài)過(guò)程的定量關(guān)系。對(duì)水土流失過(guò)程而言,徑流和泥沙在空間上的“源”和“匯”由景觀類型及其空間位置決定,并且受到海拔、坡度及傳輸距離等因素的影響[17—18]。源匯功能景觀沿著水土流失過(guò)程發(fā)生和傳輸方向上的空間配置能夠影響流域內(nèi)的產(chǎn)流和產(chǎn)沙過(guò)程。一方面源匯景觀格局本身具有明顯的時(shí)空異質(zhì)性,不同時(shí)間源匯景觀格局的演變對(duì)水土流失的影響仍需要從過(guò)程上予以明確；另一方面,源匯景觀格局對(duì)哪些水土流失過(guò)程具有更為顯著的影響還需要進(jìn)一步地識(shí)別,比如源匯景觀演變對(duì)流域洪峰流量及河道徑流含沙量的作用尚需要進(jìn)一步的探討。此外,降水是驅(qū)動(dòng)地表產(chǎn)流及侵蝕時(shí)空分異的關(guān)鍵因素之一[19—21],不同降雨條件下景觀配置對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的影響存在明顯差異[22],并且也有研究表明降水的變化能夠顯著改變?cè)磪R景觀負(fù)荷比與土壤侵蝕量的相關(guān)性[23]。因而,探討降雨與源匯景觀演變耦合驅(qū)動(dòng)下的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程,對(duì)建立景觀格局演變與水文響應(yīng)的定量關(guān)系具有重要意義。

本研究基于源匯景觀模型,以黃土高原和西秦嶺土石山區(qū)交界的渭河源為例,分析流域源匯景觀格局演變特征與徑流和泥沙的關(guān)系,定量表征降水和源匯景觀格局對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的相對(duì)影響,以期為黃土高原植被恢復(fù)的空間格局優(yōu)化和流域管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)及方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省定西市渭源縣的渭河源流域(34°57′N—35°9′N, 104°1′E—104°14′E),面積114.3 km2。流域?yàn)辄S土高原和西秦嶺山地、青藏高原的交界地帶,海拔2076—3480 m,北部為典型的黃土丘陵區(qū),南部為土石山區(qū),屬西秦嶺山地(圖1)。流域?yàn)闇貛Т箨懶詺夂?多年平均降水量512 mm,潛在蒸發(fā)量1119 mm,平均氣溫6.8℃,極端最高氣溫30.5℃,極端最低氣溫-20.1℃,無(wú)霜期166 d。流域內(nèi)黃土丘陵部分人口較為密集,且地形破碎、溝壑縱橫,水土流失嚴(yán)重,植被覆蓋以農(nóng)作物、天然荒草、油松及人工種植的旱柳等為主。相比而言,土石山區(qū)則較為陡峭,無(wú)人口定居和農(nóng)業(yè)活動(dòng),植被覆蓋以高山草甸、天然灌木和喬木為主,是重要的水源涵養(yǎng)區(qū)。

圖1 研究區(qū)位置及地形特征 Fig.1 Location and topographical features of study area

1.2 徑流泥沙監(jiān)測(cè)和遙感解譯

在渭源水文站對(duì)研究區(qū)每日徑流量、含沙量、洪峰流量以及降雨量進(jìn)行長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè),本研究徑流泥沙的監(jiān)測(cè)時(shí)間為1982—2017年。基于現(xiàn)場(chǎng)野外調(diào)查,并通過(guò)監(jiān)督分類的方法對(duì)1982年Landsat MSS、1985年、1990年、1995年、2000年、2005年Landsat TM、2010年Landsat ETM+、2015年和2017年Landsat OLI系列不同傳感器遙感影像進(jìn)行解譯,并與Google Earth結(jié)合對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行校正,分別得到相應(yīng)年份土地利用數(shù)據(jù)。Landsat MSS影像分辨率為60 m,Landsat TM、ETM+和OLI影像分辨率為30 m。基于研究區(qū)土地利用特征,將土地利用分為農(nóng)田、城鎮(zhèn)、林地、草地、草甸、水域 6種類型。

1.3 源匯景觀分析

應(yīng)用中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的源匯景觀模型(Source Sink Landscape Model, SSLM)進(jìn)行源匯景觀格局分析,源匯景觀模型是基于ArcGIS開(kāi)發(fā)的分布式評(píng)價(jià)模型[24—25]。模型的輸入數(shù)據(jù)主要包括DEM和土地利用,需要根據(jù)具體研究的生態(tài)學(xué)過(guò)程確定源景觀和匯景觀的類型及其權(quán)重。源匯景觀模型可以根據(jù)景觀類型及其所處的海拔、坡度和距離,繪制不同景觀在海拔、坡度和距離上分布的洛倫茲曲線,并分別計(jì)算海拔負(fù)荷比(LWLIE)、坡度負(fù)荷比(LWLIS)和傳輸距離負(fù)荷比(LWLID),最終計(jì)算得出源匯景觀負(fù)荷比(Location-Weighted Landscape Index, LWLI)[17,24—25],這些指標(biāo)可用于評(píng)估不同格局特征對(duì)生態(tài)過(guò)程的影響。LWLI越大流域發(fā)生水土流失的風(fēng)險(xiǎn)越大,而LWLIE、LWLIS和LWLID的比較意義在于衡量相同或相似的景觀斑塊分布在不同海拔、坡度和傳輸距離上對(duì)水土流失影響的程度。對(duì)水土流失過(guò)程而言,農(nóng)田是產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要景觀類型,因而本研究將農(nóng)田定義為源景觀,草地、草甸和林地植被覆蓋良好,在產(chǎn)流和泥沙遷移中一般承擔(dān)著匯的作用。由于不同源景觀和匯景觀對(duì)徑流泥沙的產(chǎn)生和阻滯作用不同,因而不同源景觀和匯景觀的權(quán)重存在差異(表1)[26],另外由于水域一般承擔(dān)著流景觀的作用,不在產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程中發(fā)揮源或者匯的功能,因而本研究暫不考慮水域的作用。

表1 源匯景觀類型及權(quán)重

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Pearson相關(guān)分析探討徑流泥沙與源匯景觀負(fù)荷比、景觀組成及降雨量之間的關(guān)系。為明確源匯景觀格局特征對(duì)徑流泥沙的作用,根據(jù)信息理論方法(Information theoretic approach, ITA)確定源匯景觀負(fù)荷比和降雨量對(duì)徑流量、洪峰流量及含沙量的相對(duì)重要性(Relative variable importance, RVI)[27]。Pearson相關(guān)分析和ITA分析在R 4.0.2中分別采用corrplot、MuMIN包實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 流域源匯景觀演變特征

圖2表明1982—2017年研究區(qū)農(nóng)田面積逐漸減少,草地、林地和城鎮(zhèn)面積逐漸增加,其中城鎮(zhèn)出現(xiàn)不同程度的擴(kuò)張,相比而言,草甸和水域面積變化較小。由圖2和圖3可以看出,研究區(qū)農(nóng)田面積變化最大,由1982年的60.45%減少到2017年的37.77%,且在1995—2010年間明顯減少；而草地和林地這一時(shí)期的面積增加較為明顯,分別從1.17%和30.67%增加至11.82%和37.50%；城鎮(zhèn)面積在1982—1995年間增長(zhǎng)緩慢,2000—2017年間擴(kuò)張明顯,由2.98%增長(zhǎng)至5.61%。從圖2可以明顯看出,研究區(qū)景觀演變主要集中在黃土丘陵區(qū),大面積減少的農(nóng)田主要轉(zhuǎn)化為草地和林地,黃土丘陵區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)面積也有較大幅度的擴(kuò)張；相比而言,這一時(shí)期內(nèi)屬西秦嶺山地的土石山區(qū)沒(méi)有明顯的景觀變化。

圖2 1982—2017年渭河源區(qū)土地利用變化Fig.2 Land use change in source of Weihe River from 1982 to 2017

針對(duì)產(chǎn)水產(chǎn)沙過(guò)程的“源”、“流”和“匯”功能景觀演變可以看出,研究區(qū)源景觀面積在1982—2017年間逐漸減少,匯景觀面積則逐漸增加,流景觀沒(méi)有明顯的變化。源匯景觀模型計(jì)算表明,這一時(shí)期研究區(qū)源匯景觀負(fù)荷比隨時(shí)間的推移呈下降趨勢(shì),從0.49降為0.26,其中,1982—1995年和2010—2015年變化較小,而1995—2010年出現(xiàn)較為明顯的下降(圖3),這一變化和源景觀面積的變化趨勢(shì)一致,與匯景觀的變化趨勢(shì)相反。由圖2可知,研究區(qū)內(nèi)屬西秦嶺山地的景觀變化不明顯,西秦嶺山地地勢(shì)陡峭、土層淺薄[28],不適宜發(fā)展農(nóng)業(yè)耕作,因而作為水源涵養(yǎng)區(qū)在研究期間內(nèi)一直作為匯景觀存在。相比而言,研究區(qū)源匯景觀功能的演變主要發(fā)生在黃土丘陵區(qū),尤其是這一地區(qū)自1999年以來(lái)實(shí)施的退耕還林還草工程[29],促使流域源匯景觀結(jié)構(gòu)向土壤保持的方向演進(jìn),使得LWLI下降,成為源匯景觀功能演變的主要驅(qū)動(dòng)因素。LWLIE、LWLIS及LWLID同樣表現(xiàn)出減小趨勢(shì)(圖3),表明研究區(qū)源匯景觀不僅在組成上趨于合理,在空間分布上也逐漸趨于合理,使得水土流失的風(fēng)險(xiǎn)逐漸降低。LWLIE降低了58%,相對(duì)于 LWLID(42%)和LWLIS(54%)的降低更為明顯,表明研究區(qū)內(nèi)源功能景觀向匯功能景觀的轉(zhuǎn)變主要集中于相對(duì)高海拔的地區(qū)。

圖3 研究區(qū)1982—2017年景觀組成及景觀負(fù)荷比指數(shù)變化Fig.3 Changes of landscape proportion and Location-Weighted Landscape Index from 1982 to 2017

2.2 流域年徑流量和泥沙量的時(shí)間變化

為探討源匯景觀格局演變與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系,本研究將1982—2017年的降水量、徑流量、洪峰流量和含沙量做年平均,代表年徑流量和泥沙量的演變情況。從圖4可以看出,1982—2017年研究區(qū)降水量有較為顯著的年際波動(dòng),但沒(méi)有明顯的增加或降低趨勢(shì)。年徑流量的波動(dòng)變化與降水量較為一致,但總體上呈減少的趨勢(shì)(R2=0.16,P<0.05)；其中1982—2000年下降較為明顯,2000年之后呈現(xiàn)波動(dòng)變化。比較特殊的是最大年徑流量為1984年的43.25×106m3,而當(dāng)年降水量為600.6 mm,這主要與當(dāng)年降雨特征有關(guān)。洪峰流量在1982—2017年隨著時(shí)間的推移呈下降趨勢(shì)(R2=0.30,P<0.01),從1982年的54.8 m3/s下降為2017年的2.27 m3/s。與徑流量不同,1982—2000年洪峰流量沒(méi)有顯著的年際變化,而在2000年之后下降趨勢(shì)較為明顯(R2=0.24,P<0.05)。徑流含沙量與洪峰流量的變化較為相似,隨著時(shí)間的推移呈波動(dòng)下降(R2=0.41,P<0.01),1991年出現(xiàn)最大含沙量15.90 kg/m3,2015年出現(xiàn)最小含沙量0.23 kg/m3。含沙量與徑流量的變化特征在2000年之前較為相似,而在2000—2017年則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì),與洪峰流量表現(xiàn)出一致的下降趨勢(shì)(R2=0.25,P<0.05),這表明匯景觀的增加有效提升了流域的調(diào)水保土功能。有類似研究也表明黃土高原地區(qū)植被重建面積比例與徑流減少量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系[8]。研究區(qū)2000—2005年間林地和草地面積分別增加2.38%和4.10%,LWLI下降了13.97%,源匯景觀格局的優(yōu)化使得徑流泥沙量驟減1.12 kg/m3。值得注意的是,研究區(qū)1982—1995年間泥沙含量呈波動(dòng)下降趨勢(shì),但LWLI較為穩(wěn)定,這主要是由于徑流泥沙減少的主要影響因素在不同時(shí)期存在差異,1982—1995年研究區(qū)黃土丘陵部分水土保持以梯田建設(shè)等工程措施為主,而2000年后則以植被恢復(fù)與人工植被重建為主,黃土高原其他地區(qū)徑流泥沙的減少也同樣存在這一現(xiàn)象[30-31]。

圖4 1982—2017年流域降水量、徑流量、泥沙量變化趨勢(shì) Fig.4 Changes of annual precipitation, runoff and sediment from 1982 to 2017

2.3 景觀格局演變對(duì)徑流和泥沙含量的影響

圖5可以看出,LWLI、LWLIE、LWLIS及LWLID都與含沙量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,表明源匯景觀的時(shí)空分布能有效影響產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程,并且對(duì)其年際變化影響顯著；與之相反的是,年徑流量?jī)H與降水量呈顯著正相關(guān),表明研究區(qū)徑流量主要受到降水影響,與源匯景觀格局關(guān)系并不密切。含沙量與洪峰流量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,二者均與農(nóng)田面積比例呈正相關(guān),而與其他景觀類型(城鎮(zhèn)、林地、河流、草地、草甸)的面積比例呈負(fù)相關(guān)。洪峰流量與源匯景觀負(fù)荷比同樣呈較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系,表明在長(zhǎng)時(shí)間尺度上,洪峰流量及含沙量對(duì)源匯景觀組成及其格局具有顯著的響應(yīng)。

圖5 徑流及泥沙含量與景觀特征的相關(guān)分析Fig.5 Correlation analysis between runoff, sediment and landscape features

通過(guò)定量表征降水和景觀格局對(duì)徑流量、洪峰流量及含沙量的相對(duì)重要性,以進(jìn)一步揭示降水和景觀格局對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的耦合影響。由表2可知,僅降水量與河道徑流量顯著相關(guān),并且相對(duì)重要性較高,而源匯景觀負(fù)荷比對(duì)徑流量的相對(duì)重要性較低,這與前面相關(guān)分析的結(jié)果一致,說(shuō)明研究區(qū)徑流量的主要影響因素是降雨,源匯景觀格局并非主要影響因素。黃土高原長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,1960—2010年間降雨和徑流均呈現(xiàn)一致的下降趨勢(shì)[9,32],同時(shí)森林景觀的擴(kuò)張,也將導(dǎo)致徑流量的下降[8],但黃土高原區(qū)域尺度河川年徑流量的長(zhǎng)期下降趨勢(shì)主要由降水量變化驅(qū)動(dòng)[31]。本研究結(jié)果表明降雨對(duì)徑流量減少的貢獻(xiàn)度要高于源匯景觀格局的作用,與以上黃土高原其他地區(qū)的研究結(jié)果一致,這也主要由于研究區(qū)內(nèi)西秦嶺山地土石山區(qū)景觀未發(fā)生顯著的變化,源匯景觀功能的演變主要集中于黃土丘陵區(qū),因此流域內(nèi)上游地區(qū)較為穩(wěn)定的景觀格局對(duì)徑流年際變化的影響較弱。

表2 源匯景觀負(fù)荷比及降水對(duì)徑流和泥沙含量的相對(duì)重要性

有研究表明,長(zhǎng)時(shí)間尺度上土地利用變化導(dǎo)致的景觀演變是影響流域水土流失的主要因素[33]。本研究同樣發(fā)現(xiàn),洪峰流量和含沙量與源匯景觀負(fù)荷比顯著相關(guān),表明其受到海拔、坡度和傳輸距離綜合調(diào)控下的源匯景觀格局的影響,并且景觀格局對(duì)其的重要性高于降雨,這與徑流量的結(jié)果不同。其中,LWLIE和LWLID對(duì)洪峰流量及含沙量的影響次于LWLI,LWLIS的相對(duì)重要性最低,表明洪峰流量與含沙量受到海拔和傳輸距離的影響大于坡度。徑流泥沙輸移過(guò)程是從源景觀到匯景觀,由高海拔區(qū)域到低海拔區(qū)域,由遠(yuǎn)區(qū)域到近區(qū)域,因此隨著源匯景觀格局隨海拔和傳輸距離的變化,流域內(nèi)土壤水蝕過(guò)程對(duì)源匯景觀時(shí)空格局具有明顯的響應(yīng)特征。從圖2可以得知,研究區(qū)源匯景觀的演變主要發(fā)生在海拔相對(duì)較低和傳輸距離較近的黃土丘陵區(qū),盡管黃土丘陵區(qū)的坡度小于西秦嶺山地的土石山區(qū),其產(chǎn)流產(chǎn)沙能力要遠(yuǎn)高于植被覆蓋度高且產(chǎn)沙能力低的土石山區(qū),在植被覆蓋和土壤可蝕性的綜合影響下,坡度對(duì)流域整體徑流泥沙輸移過(guò)程的影響較弱,因此本研究中海拔和傳輸距離對(duì)流域洪峰流量和含沙量的調(diào)節(jié)作用大于坡度,而沿海拔和傳輸距離分布的源匯景觀格局也顯著影響流域產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程。坡面尺度上的研究發(fā)現(xiàn),下坡位的農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾筒莸匾部梢燥@著提高坡面保水保沙能力[34],源匯景觀配置能夠顯著調(diào)節(jié)坡面水土流失過(guò)程,進(jìn)而可以影響流域河川徑流特征和泥沙含量,并且景觀格局對(duì)產(chǎn)沙過(guò)程的影響明顯大于其對(duì)產(chǎn)流過(guò)程的影響[22,35-36],這也進(jìn)一步證實(shí)了流域源匯景觀格局對(duì)含沙量的影響要大于徑流量。

有研究表明傳輸距離負(fù)荷比能夠很好的反映土壤侵蝕過(guò)程對(duì)景觀格局的響應(yīng),源匯景觀沿傳輸距離的分布格局對(duì)徑流泥沙含量的貢獻(xiàn)率大于其沿海拔和坡度的分布格局[18],對(duì)傳輸距離較近并且海拔較低區(qū)域的源景觀(農(nóng)田等)和匯景觀空間布局進(jìn)行調(diào)整可以有效改變降雨導(dǎo)致的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程[37]。還有研究表明,在不考慮降水影響的情況下源匯景觀負(fù)荷比與土壤侵蝕率和產(chǎn)沙率均存在顯著正相關(guān),而在考慮降水影響的情況下,僅與輸沙率存在顯著相關(guān)性[23]。研究區(qū)2000年以前黃土丘陵區(qū)部分主要為源景觀,使得徑流產(chǎn)沙能更快的進(jìn)入河道,因而這一時(shí)期泥沙含量較高。圖5也表明農(nóng)田作為源景觀與含沙量具有明顯的正相關(guān),而林地及草地作為匯景觀則表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)。2000年以后由于黃土丘陵區(qū)匯景觀比例的上升以及匯景觀向流域出口的趨近,增強(qiáng)了其對(duì)水土流失的攔截能力,使得洪峰流量和泥沙含量顯著減少。源匯景觀的空間優(yōu)化配置能夠顯著調(diào)節(jié)流域水土流失過(guò)程,影響徑流泥沙含量,但源匯景觀格局對(duì)流域徑流和泥沙含量的影響具有明顯的空間異質(zhì)性,仍然需要進(jìn)一步深入探討。

3 主要結(jié)論

(1)渭河源流域1982—2017年源匯景觀結(jié)構(gòu)變化明顯,源景觀面積比例逐漸下降,從60.49%降低至37.77%,尤其是1995—2010年間下降最明顯,而匯景觀面積比例逐漸上升,從35.98%增加至55.46%。研究區(qū)內(nèi)源匯景觀的演變主要發(fā)生在黃土丘陵地區(qū),西秦嶺山地土石山區(qū)沒(méi)有發(fā)生明顯的景觀演變。

(2)洪峰流量和泥沙含量在1982—2017年呈現(xiàn)顯著降低趨勢(shì),而徑流量隨時(shí)間變化趨勢(shì)并不明顯。洪峰流量與含沙量主要受流域源景觀面積比例和LWLI及LWLIE、LWLIS、LWLID的影響,而徑流量?jī)H與降水量存在相關(guān)關(guān)系。表明影響流域徑流和泥沙的主要因素不同,并且研究區(qū)內(nèi)黃土丘陵區(qū)的源匯景觀變化決定了流域整體的徑流和泥沙演變特征。

(3)基于信息理論方法的相對(duì)重要性分析表明,降雨對(duì)徑流量相對(duì)重要性高于源匯景觀格局,而源匯景觀格局對(duì)流域洪峰流量和含沙量具有較高的重要性,其中LWLIE、LWLID對(duì)洪峰流量及含沙量的影響均高于LWLIS,表明合理地調(diào)整傳輸距離和海拔的分布格局可以有效的調(diào)控徑流含沙量和洪峰流量。