邊 熇,朱冰冰,黎 珩,王 蓉,唐馨怡

(陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院,陜西 西安 710119)

土地利用/覆被變化是人類活動對地球表層系統(tǒng)影響最直觀的表現(xiàn),直接影響地表徑流和泥沙輸移等生態(tài)過程[1]。黃土高原地區(qū)是黃河近90%的泥沙來源區(qū)[2],該地區(qū)自20 世紀(jì)以來實(shí)施的大規(guī)模退耕還林還草和淤地壩建設(shè)等水土保持措施,改變了當(dāng)?shù)刈匀痪坝^和土地利用[3]。延河流域是較早開展水土流失綜合治理的流域之一,該流域的土地利用類型發(fā)生了顯著變化,大面積的坡耕地轉(zhuǎn)換為林草地,有少量耕地轉(zhuǎn)換為城鄉(xiāng)建設(shè)用地[4]。這些土地利用變化對流域水沙的趨勢性減小發(fā)揮了重要作用[5-6]。研究表明,退耕面積與徑流系數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān),退耕面積每增加1 000 km2,徑流系數(shù)減少0.016[7];植被覆蓋率增加50%,相應(yīng)的流域產(chǎn)沙系數(shù)減小80%[8]。建設(shè)用地面積的增加也會減小泥沙輸出量[9]。然而,由于缺乏有效的土地利用綜合評估指標(biāo),已有的研究多采用大小、形狀和空間配置等定性描述土地利用格局,使得不同土地利用變化下的水沙分析也局限于定性下的邏輯關(guān)系[10];加之水沙輸移過程的復(fù)雜性,多將整個(gè)流域內(nèi)部的水沙過程當(dāng)作“黑箱”處理,主要關(guān)注流域出口的徑流泥沙量,未能全面認(rèn)識土地利用變化對徑流輸沙過程的影響[11]。

近年來,泥沙連通性在景觀生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用和發(fā)展為深入理解流域內(nèi)部的水沙動態(tài)提供了全新角度。Borselli等[12]提出耦合地表植被覆蓋和地形特征信息的連通性指數(shù)(index of connectivity, IC),以此量化泥沙在源-匯間的潛在聯(lián)系。之后,國內(nèi)外學(xué)者[13-15]不斷深化該指數(shù)的應(yīng)用。Liu等[16]得出退耕還林、筑堤建壩可有效降低韭園溝流域IC值,減輕土壤侵蝕程度。馮斌等[17]發(fā)現(xiàn)水田和旱耕地撂荒使得IC值減小,泥沙流失量減少。馬勇勇[18]得出生態(tài)建設(shè)可極顯著降低王茂溝流域IC值,降低土壤侵蝕發(fā)生可能性。萬賜航等[15]指出夏季的植被覆蓋程度較高,IC值較小,泥沙受阻滯可能性較大;而在冬季時(shí),農(nóng)用地進(jìn)入休耕階段,加之部分植被凋落,裸地面積增大,IC值也隨之變大,泥沙受阻滯程度明顯降低。Zhao等[14]發(fā)現(xiàn)土地利用變化使得延河流域1990—2010年產(chǎn)沙量下降41.8%。可見,土地利用變化影響了流域IC分布及侵蝕產(chǎn)沙量。

為全面認(rèn)識流域水沙對土地利用變化的響應(yīng),本文以延河流域?yàn)檠芯繉ο?結(jié)合近30年該流域土地利用變化的分析,探討IC值時(shí)空分布特征及與土地利用變化的響應(yīng)關(guān)系,以期為量化流域水沙輸移過程和優(yōu)化流域土地利用提供參考,進(jìn)而為黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

延河地處黃河干流右岸,是黃河的一級支流,發(fā)源于陜西省靖邊縣東南天賜灣鄉(xiāng)的周山,分別流經(jīng)志丹、安塞、寶塔等地,后于延長縣南河溝涼水岸附近匯入黃河,全長286.9 km(圖1)。延河流域總面積7 725 km2,屬于黃土高原中部的黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū),地形破碎,坡度0°～60°,海拔495～1 795 m。流域年均氣溫約9.3 ℃,多年降水量514 mm,植被以森林灌叢草原為主;土壤主要為黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土,土質(zhì)疏松,質(zhì)地單一,抗侵蝕能力差。

圖1 延河流域區(qū)位圖Fig.1 The location of Yanhe River Basin

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究中土地利用數(shù)據(jù)選取1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2019年7個(gè)年份,來源于中國逐年土地覆蓋數(shù)據(jù)集(annual China land cover dataset, CLCD)[19],該數(shù)據(jù)反映各年土地利用的整體狀況,分辨率為30 m×30 m,整體精度達(dá)79.31%;DEM數(shù)據(jù)采用中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)提供的ASTER GDEM高程數(shù)據(jù),分辨率30 m×30 m;徑流量、輸沙量數(shù)據(jù)選取甘谷驛水文站(水文控制面積占流域總面積的76%)1990—2019年歷年實(shí)測資料,數(shù)據(jù)來源于《中華人民共和國水文年鑒》[20]和《中國河流泥沙公報(bào)》[21]。

2 研究方法

2.1 連通性指數(shù)計(jì)算

利用Borselli等[12]提出的連通性指數(shù)(IC,式中記為IC),量化延河流域的泥沙連通程度。該指數(shù)綜合考慮地表植被覆蓋和地形狀況,將流域的泥沙連通過程分為集水區(qū)泥沙向下輸移和泥沙被輸移至最近泥沙匯兩個(gè)過程,以此表征泥沙在源-匯間的連通可能性,其表達(dá)式為

(1)

IC的計(jì)算以流入主河道為參照,其計(jì)算與分析在ArcGIS 10.3軟件中完成,共得到1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2019年7個(gè)年份IC值。其中,集水區(qū)面積A、坡度S和徑流路徑長度d根據(jù)DEM數(shù)據(jù)計(jì)算得到;權(quán)重因子W應(yīng)用修正通用土壤流失方程(RUSLE)中的植被覆蓋及管理因子(C因子)表示,本研究借鑒Liu等[16]在黃土高原地區(qū)基于經(jīng)驗(yàn)的C值,給延河流域6類主要土地利用類型分別賦值,見表1。

表1 延河流域各土地利用類型的C值Tab.1 The C value of land use types in Yanhe River Basin

2.2 統(tǒng)計(jì)分析

利用統(tǒng)計(jì)分析工具和各年的土地利用數(shù)據(jù),獲取延河流域不同年份的IC均值及不同土地利用類型的IC,包括耕地、林地、草地和建設(shè)用地的IC值(IC耕、IC林、IC草、IC建設(shè))。同時(shí),為清晰反映流域泥沙連通性空間變化特征,依據(jù)流域內(nèi)河網(wǎng)及地形地貌特征將延河流域劃分為41個(gè)子流域[22]。以子流域視角量化1990—2019年多年平均IC分布;與1990年對比,分析2019年各地區(qū)的IC變化。

此外,應(yīng)用ENVI 5.3 軟件分析不同年份間的土地利用變化情況;通過Excel 和Origin軟件進(jìn)行土地利用變化、IC值、徑流量與輸沙量之間的統(tǒng)計(jì)分析以及相關(guān)作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化特征

3.1.1 1990—2019年土地利用整體特征

1990—2019年,延河流域土地利用類型以耕地、林地和草地為主,占流域總面積的99.19%以上;建設(shè)用地、水域和未利用土地所占面積較小(圖2)。1990—2019年,除耕地以215.34 km2/5a的速率遞減外,其他土地利用類型均呈增加或相對穩(wěn)定趨勢。具體地,林地和草地面積遞增率較高,分別為127.29和80.26 km2/5a;建設(shè)用地面積隨時(shí)間推移逐步增加,遞增率為7.46 km2/5a;水域和未利用土地面積保持相對穩(wěn)定。

圖2 1990—2019年延河流域不同土地利用類型的平均面積與變化速率Fig.2 Average area and change rate of land usetypes in Yanhe River Basin from 1990 to 2019

3.1.2 土地利用格局演變

表2和圖3分別表示延河流域1990年到2019年的土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用空間變化。結(jié)果顯示:1990—2019年,耕地轉(zhuǎn)出總面積為1 585.52 km2,其中97.95%轉(zhuǎn)化為林草地,主要分布在流域中部地區(qū),這與1999年起實(shí)施的大規(guī)模退耕還林還草工程有關(guān);林地和草地轉(zhuǎn)出總面積為805.14 km2,僅占林草地總面積的14.52%,且多為林地與草地之間的相互轉(zhuǎn)換,表明該流域林草地面積相對穩(wěn)定;建設(shè)用地轉(zhuǎn)出總面積為0.05 km2,轉(zhuǎn)入總面積為42.15 km2,在寶塔區(qū)沿延河川道溝谷呈擴(kuò)張趨勢?？傮w上,延河流域近30年的土地利用變化以退耕還林還草為主,加之少部分建設(shè)用地?cái)U(kuò)張。

表2 1990—2019年延河流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣Tab.2 The land use transfer matrix in Yanhe River Basin from 1990 to 2019 單位:km2

圖3 1990年(a)和2019年(b)延河流域土地利用空間分布Fig.3 Spatial distribution of land use types of Yanhe River Basin in 1990(a) and 2019(b)

3.2 IC時(shí)空分布特征

近30年來,延河流域IC均值整體呈下降趨勢,且在不同時(shí)期降低幅度不同(圖4)。其中,IC均值在1990—2000年變化不大,僅降低2.54%,泥沙連通性相對穩(wěn)定。2000—2019年,特別在2010年后IC均值明顯下降,截至2019年降低17.85%。這可能是延河流域局部的退耕還林還草、建設(shè)用地?cái)U(kuò)張等土地利用變化,使得流域整體的泥沙連通性不斷降低,土壤侵蝕環(huán)境相對好轉(zhuǎn)[5]。

圖4 延河流域1990—2019年IC均值變化Fig.4 The average IC in Yanhe River Basin from 1990 to 2019

在空間上,1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年及2019年7年平均IC存在明顯的空間分異規(guī)律,呈現(xiàn)由南向北、由東向西的增加趨勢(圖5)。具體地,流域南部的22、30、33、34、38號子流域IC值分布在0.46～0.61,泥沙連通性最低,這與該地區(qū)森林覆蓋率較高、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對較好有關(guān);流域中部和東南部泥沙連通程度較高,西北部最高,主要由于西北部海拔較高,坡度較陡,加之植被覆蓋度較低,導(dǎo)致泥沙較易匯入河網(wǎng),連通性較高。

圖5 延河流域1990—2019多年平均IC空間分布Fig.5 Spatial distribution of multi-year average ICin Yanhe River Basin from 1990 to 2019

3.3 土地利用變化與IC的響應(yīng)關(guān)系

3.3.1 不同土地利用類型的IC

如圖6所示,不同土地利用類型的IC不同,整體表現(xiàn)為:IC林

圖6 1990—2019年延河流域不同土地利用類型的ICFig.6 The IC of different land use types in Yanhe River Basin from 1990 to 2019

3.3.2 主要土地利用變化對IC分布的影響

近30年,退耕還林還草和建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對延河流域泥沙連通性減小發(fā)揮重要作用。如圖7所示,退耕還林還草區(qū)和建設(shè)用地?cái)U(kuò)張區(qū)的IC呈負(fù)值變化,分別為-0.14～-0.84和-0.48～-1.90,表明兩類土地利用變化可有效降低泥沙連通性,并且建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?jiān)诮档湍嗌尺B通程度方面能力更強(qiáng)。此外,IC值變化幅度隨累積退耕還林還草面積和累積建設(shè)用地?cái)U(kuò)張面積增加顯著增大。與1990年相比,累積退耕面積達(dá)到1 871.99 km2時(shí),IC值僅降低0.39,而再增加486.48 km2時(shí),IC值降低明顯。可見,泥沙連通性在還林還草達(dá)到一定面積時(shí)明顯下降,且后期即使面積不再大幅增加情況下,退耕地泥沙連通程度仍持續(xù)降低。

圖7 延河流域主要土地利用變化面積與IC變化值關(guān)系Fig.7 Relationship between land use change area and IC change value in Yanhe River Basin

進(jìn)一步分析退耕區(qū)坡度分布與IC變化值之間的關(guān)系(圖8),發(fā)現(xiàn)IC變化值在各退耕坡度下均為負(fù)值,說明不同坡度下的退耕還林還草均可有效降低泥沙連通性。此外,隨退耕坡度升高,IC值變化幅度增大。具體地,與退耕坡度<2°相比,IC變化均值在2°～6°、6°～15°、15°～25°、>25°退耕坡度下分別增大2.75、3.28、3.43和3.66倍。由此可知,越陡坡度下的退耕還林還草活動越有利于泥沙連通性的下降,這也從側(cè)面說明在退耕還林還草過程中需綜合考慮坡度的影響。

在空間上,與1990年相比,2019年的IC值表現(xiàn)出不同程度的降低,整體由0.64～1.36降至0.41～1.27,平均下降17.54%(圖9a、9b)。流域中部是IC主要減少區(qū),尤其在17、21、23和24號子流域(圖9c),與當(dāng)?shù)赝烁€林還草和建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的土地利用變化情況相一致,這也從側(cè)面反映出泥沙連通性對該流域土地利用變化具有一定響應(yīng)。此外,流域西北部的1、2、3和4號子流域泥沙連通程度較高,且下降幅度最低,僅降低0.06～0.10,可見該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境治理仍需重點(diǎn)關(guān)注,以進(jìn)一步減輕泥沙連通程度,提升流域水土保持能力[25]。

圖9 延河流域1990年(a)、2019年(b)及1990—2019年變化(c) 的IC空間分布Fig.9 Spatial distribution of IC in 1990(a), 2019(b) and its change value(c) in Yanhe River Basin

4 討論

自20世紀(jì)90年代起,延河流域的退耕還林還草以及城市擴(kuò)張等土地利用變化,使得當(dāng)?shù)叵聣|面條件發(fā)生明顯變化,從而影響了流域水沙輸出量[26-28],但目前對水沙過程的影響機(jī)理尚不明確。因此,有必要對土地利用變化大背景下延河流域的泥沙連通性及與徑流輸沙量關(guān)系做進(jìn)一步分析。

不同土地利用類型的泥沙連通程度存在差異,尤其耕地、林地和草地作為主要土地利用方式對流域泥沙連通性變化起關(guān)鍵作用。耕地的泥沙連通程度較高,更容易發(fā)生泥沙輸移[17],而林草地特別是林地具有較強(qiáng)的水土保持能力。因此,IC隨累積還林還草面積增加顯著下降,且后期即使面積不再大幅增加情況下,退耕地泥沙連通程度仍持續(xù)下降,這說明隨時(shí)間的推移林草措施作用越來越大[26],其具有長期的生態(tài)效益。

進(jìn)一步探討IC與徑流量和輸沙量的關(guān)系,對于揭示土地利用變化下的水沙輸出機(jī)理具有重要意義。如圖10所示,徑流量并未隨IC變化表現(xiàn)出明顯變化趨勢(P>0.05),這可能是由于徑流量易受降水影響從而出現(xiàn)較大波動[29]。然而,IC與輸沙量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),即流域內(nèi)泥沙連通程度越高,流域出口的泥沙量就越大,這與丁琳等[30]在坡面尺度上發(fā)現(xiàn)IC與產(chǎn)沙量存在良好遞增關(guān)系的結(jié)果相符。綜上可見,連通性指數(shù)在預(yù)測輸沙方面具有更強(qiáng)適用性,且土地利用變化主要通過影響內(nèi)部的泥沙連通過程進(jìn)而改變流域出口的泥沙量。

圖10 延河流域IC均值與徑流量和輸沙量的關(guān)系Fig.10 Relationship of average IC with runoff and sediment load in Yanhe River Basin

5 結(jié)論

本研究從泥沙連通性角度探討了土地利用變化對延河流域水沙的影響,有利于完善流域輸沙過程機(jī)理研究,并為區(qū)域水土保持效益評價(jià)提供科學(xué)依據(jù),得到以下結(jié)論。

1)1990—2019年,延河流域土地利用變化以退耕還林還草為主,加之少部分建設(shè)用地?cái)U(kuò)張。1990—2019年,耕地轉(zhuǎn)出總面積為1 585.52 km2,其中97.95%轉(zhuǎn)化為林草地,主要分布在流域中部地區(qū)。此外,建設(shè)用地主要在寶塔區(qū)沿延河川道溝谷擴(kuò)張。

2)1990—2019年,延河流域IC整體呈下降趨勢,截至2019年降低17.85%。IC在退耕還林還草區(qū)和建設(shè)用地?cái)U(kuò)張區(qū)呈負(fù)值變化,且隨兩類土地利用變化面積增加顯著下降。從長期生態(tài)效益考慮,應(yīng)以植被恢復(fù)措施為主降低流域泥沙連通性。

3)IC存在明顯的空間分異規(guī)律,呈現(xiàn)由南向北、由東向西的增加趨勢。其中,流域中部是主要退耕還林還草和建設(shè)用地?cái)U(kuò)張區(qū),也是泥沙連通性明顯下降區(qū);流域西北部IC較高,且隨土地利用變化降幅較小;流域南部林地覆蓋率較高,泥沙連通性較小。

4)土地利用變化主要通過影響內(nèi)部的泥沙連通過程進(jìn)而改變流域出口的泥沙量。與徑流量相比,IC與輸沙量存在更為顯著的正相關(guān)關(guān)系,更適用于流域輸沙預(yù)測。

流域水沙特征是氣候變化和人類活動共同作用的結(jié)果,本研究突出土地利用變化對流域水沙輸移過程的影響,而削弱了降雨因素;此外,流域中的淤地壩等溝道工程措施仍具有一定的攔沙能力,僅用流域出口的徑流和泥沙量并不能完全代表流域的侵蝕量。未來需綜合考慮氣候變化與人類活動等多因素的耦合作用,通過改進(jìn)連通性指數(shù)權(quán)重因子進(jìn)一步全面反映流域泥沙結(jié)構(gòu)與功能連通性變化特征,深入掌握泥沙連通性變化動力機(jī)制和流域水沙動態(tài),從而為黃河流域的生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供技術(shù)支持。