基于“源”“匯”景觀指數的定西關川河流域土壤水蝕研究

李海防，衛 偉，陳 瑾，李旭春，張佰林

(1.中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100086;2.桂林理工大學旅游學院，桂林 541004;3.定西市水土保持科學研究所，定西 743000)

景觀格局與生態過程的相互關系是景觀生態學研究的核心內容。陳利頂等［1，2］基于大氣污染研究的“源”“匯”理論，提出景觀“源”“匯”的概念和理論，認為可以根據不同景觀類型的生態功能，將大地景觀簡單劃分為“源”“匯”兩種景觀類型，從而將景觀格局融于生態過程中。“源”“匯”景觀格局理論融合了景觀的類型、面積、空間位置和地形特征，方法簡單實用，能較好地刻畫生態過程的空間異質性［3］。在黃土高原，土壤水蝕的產生和遷移過程與地表景觀的空間格局密切相關，不同類型景觀的水土流失貢獻具有很大差異。一些景觀類型起到“源”的作用;另一些景觀類型起到“匯”的作用;同時，一些景觀起到了傳輸的作用［4］。利用“源”“匯”景觀指數［2］(LWLI)，探討景觀格局與土壤水蝕的關系，是黃土高原水土保持研究的重要內容，因而，本研究以甘肅定西關川河流域為研究對象，結合實地調查的方法，解譯1995年、2000年、2005年和2010年的TM影像，獲得關川河流域15a土地利用格局演變圖，運用LWLI表征景觀空間分布格局，分析流域景觀格局演變與土壤水蝕的關系。本研究對深入了解黃土高原“退耕還林還草”工程與流域水土流失過程的關系，有效控制土壤水蝕，優化黃土高原的治理，具有重要的理論和實踐意義。

圖1 關川河流域地理位置Fig．1 Location of Guanchuanhe River basin

1 研究區概況

關川河流域位于35°17'—36°14'N，104°11'—105°01'E之間，屬黃土高原丘陵溝壑區(圖1)。關川河發源于甘肅省定西境內，在郭城驛匯入祖厲河，全長百余公里，流域面積3 535 km2。流域海拔在1 420—3 941 m之間，屬中溫帶半干旱氣候。年平均氣溫為7.2℃，無霜期122—160d，年平均降水量370 mm，年蒸發量1400 mm以上。長期以來，受自然、人為等多種因素的影響，這里溝壑縱橫，梁峁起伏，植被稀疏，黃土裸露，水土流失嚴重，平均年土壤侵蝕模數為5 252.7 t/km2［5］。1999年，關川河流域大力實施“退耕還林還草”工程，流域水土流失得到有效的控制［6-8］。

2 研究方法

2.1 “源”“匯”景觀類型的劃分

遙感影像采用美國陸地資源衛星(LANDSAT 5)于1995年7月、2000年7月、2005年8月和2010年7月拍攝的TM影像，空間分辨率都為30 m。首先，對遙感影像進行幾何校正和影像配準，以目視解譯和外業調查的結果為輔，進行監督分類和分類結果精度評價，形成平均分類精度達到85%以上的景觀類型圖(圖2)。參照土地利用分類標準(GB/T 21010—2007)，并根據當地實際情況及后續研究的需要，將關川河流域景觀分為農地、林地、草地、建設用地、水體和裸地6種景觀類型。最后，根據“源”“匯”景觀理論，依據土壤水蝕過程劃分“源”“匯”景觀(表1)。根據前期研究［9-14］，農地是土壤水蝕的主要“源”景觀，而建筑用地和裸地由于沒有地表植被，容易造成水土流失，也劃分為“源”景觀。林地和草地由于植被覆蓋良好，對地表徑流有滯留作用，因而和水體一起歸為“匯”景觀。RUSLE模型是研究黃土高原時應用最廣泛的水蝕模型。RUSLE模型全面考慮了影響土壤水蝕的過程因素，包括降雨侵蝕力(R)、土壤可蝕性(K)、坡度坡長(LS)、植被覆蓋與管理因子(C)、水土保持措施(P)五大因子，其中，C值能反映植被覆蓋和管理變量對土壤侵蝕的綜合作用。在很多前期文獻中［1-3］，都有用RUSLE模型里的C值來替代土壤水蝕貢獻的先例。因此，本研究根據前期相關研究［1-3，15-16］，借鑒土壤侵蝕通用方程中的C值，對不同景觀類型的土壤水蝕貢獻給予權重賦值(表1)。

圖2 關川河流域景觀格局圖1995年，2000年，2005年和2010年Fig．2 Landscape pattern in Guanchuanhe River basin from 1995 to 2010

表1 關川河流域“源”“匯”景觀分類Table 1 Classification of source and sink in Guanchuanhe River basin

2.2 “源”“匯”景觀指數的引入

陳利頂等［2］利用了洛侖茲曲線公式建立了“源”“匯”景觀指數，按照相對距離、相對高程和坡度統計“源”“匯”景觀的面積，以相對距離、相對高度和坡度為橫坐標，景觀累積面積為縱坐標繪制曲線，最后，運用公式(1)和(2)計算“源”“匯”景觀指數:

式中，LWLI是“源”“匯”景觀指數，LWLIdistance、LWLIelevation和LWLIslope表示分別以相對距離、相對高程和坡度為橫坐標建立的“源”“匯”景觀分指數，Asourcei和Asinkj分別指“源”景觀和“匯”景觀在洛侖茲曲線中的累積面積，Wi和Wj指“源”景觀和“匯”景觀的權重，APi和APj指的是“源”景觀和“匯”景觀在流域內的面積比例，m和n為“源”景觀和“匯”景觀的類型數目。

2.3 土壤水蝕數據處理

土壤水蝕數據以定西水文水資源勘測局提供的1990年到2010年5—9月間關川河流域水文定點監測數據為依據，計算土壤水蝕過程的特征指標，包括河川徑流量、徑流系數和侵蝕模數。最后，利用SPSS統計軟件進行“源”“匯”景觀指數與土壤水蝕的相關分析。

3 結果與討論

3.1 不同景觀類型隨相對高程、相對距離和坡度的空間分布

“源”“匯”景觀指數借用洛倫茲曲線理論，將流域的“源”“匯”景觀空間分布與流域出水口相比，計算不同景觀類型隨相對高程、相對距離和坡度的空間配置，結果見圖3，利用公式(1)和(2)計算“源”“匯”景觀指數(圖4)。相對高程用各柵格單元高程與流域出水口的高程之差來表示，差越大，泥沙的輸移比越大，向流域出水口輸送的泥沙就越多［17］。從圖 4可以看出，關川河流域在1995年、2000年、2005年和2010年的LWLIelevation指數分別為0.796、0.737、0.575和0.573。1995年到2010年的LWLIelevation指數呈逐年降低的趨勢，說明隨著高程的不斷增加，“源”景觀的土壤水蝕貢獻逐漸小于“匯”景觀的貢獻。這表明自1999年施行“退耕還林還草”后，分布在高海拔的“源”景觀，如農地，逐年減少，而“匯”景觀，如林地和草地，面積逐漸增加(圖2和圖3)，從而導致LWLIelevation指數下降。也就是說，“退耕還林還草”工程的實施主要集中在高海拔地區，農田向林草地的轉移比率大，“源”景觀的土壤水蝕作用小于“匯”景觀的截流作用，導致流域土壤水蝕量逐年減少。

相對距離用流域各柵格單元到流域出水口的距離來表示。相對距離越遠，泥沙運移的途徑越長，發生沉積的幾率越大，泥沙輸移比越小，向河道輸送的泥沙就越少［17］。圖4結果顯示，關川河流域在1995年、2000年、2005年和2010年的LWLIdistance指數分別為0.777、0.749、0.576和0.542，也呈逐年下降的趨勢。這表明在相對距離這個空間要素上，離流域出水口距離較長的“源”景觀面積逐漸減少，“匯”景觀面積逐步增加。這也可以從圖2中看出，從1995年到2010年，遠離流域出水口的林地和草地景觀持續增加，而農地景觀持續減少，這種“源”“匯”景觀空間布局有利于保持水土，抑制土壤水蝕。

土壤水蝕過程受地形坡度的影響較大，坡度越大，土壤水蝕量越大，流域產沙越多;且隨著坡長的增長，坡面流累積增大，土壤水蝕隨之增加［17］。在圖4中，關川河流域1995年、2000年、2005年和2010年LWLIslope指數分別為0.787、0.774、0.576和0.525，也是逐年下降。這表明“源”、“匯”景觀隨坡度分布的格局越來越有利于水土保持，LWLIslope取值越小，水土保持效益越高。在圖3中，流域不同景觀類型隨坡度的分布格局基本相似，但也有所差異:林地主要分布在坡度較小的地區，而草地則主要分布在坡度較大的地區。在2010年，水體景觀主要集中在小坡度地區，這也從側面反映了水資源對林草地格局的影響。

3.1 “源”“匯”景觀指數綜合分析

圖4為關川河流域1995年到2010年“源”“匯”景觀綜合指數變化，可以看出，“源”“匯”景觀綜合指數LWLI從1995年的0.786，下降到2000年的0.713，最后下降到2005年的0.573，但2010年的 LWLI值比2005年又有所提高，為0.593。這說明“退耕還林還草”工程實施后，流域土地利用結構急劇變化，25°以上的陡坡農地“源”景觀顯著減少，林草地“匯”景觀顯著增加，但在2010年，距離出水口較近的山區農地面積又有所回升(圖2和圖3)。這就說明盡管關川河流域在努力推行“退耕還林還草”工程，但由于地區人口的擴張和自然資源的限制，局部地區農地擴張的壓力依然很大。

圖3 1995年到2010年關川河流域不同景觀類型隨LWLIelevation、LWLIdistance和LWLIslope的空間分布Fig．3 Spatial distribution of different landscape types related to elevation，distance and slope in Guanchuanhe River basin from 1995 to 2010

3.2 “退耕還林還草”前后水土流失演變

利用關川河流域出水口水文定位站和氣象站的監測數據，統計1990年到2010年20a間河川徑流量、徑流系數和土壤侵蝕模數年際變化，代表關川河流域土壤水蝕演變情況。結果表明(圖 5)，從1990年到2010年，流域20a大氣降水并沒有發生顯著變化，年平均降雨量方差分析不顯著(P＞0.05)。但從流域出水口的河川徑流量、徑流系數及5—9月的侵蝕模數來看，關川河流域出水口的河川徑流量和徑流系數呈持續減少的趨勢，土壤侵蝕模數也在逐年減少。河川徑流量和土壤侵蝕模數在1995年達到最大值，分別為6.56 m3/s和4589.30 t/km2，最低值分別是2001年的1.11 m3/s和2010年的225.15t/km2。這表明“退耕還林還草”工程實施后，水土流失有所緩解，流域景觀格局朝良性方向發展。

圖4 關川河流域1995年到2010年“源”“匯”景觀指數Fig．4 LWLI of Guanchuanhe River basin from 1995 to 2010

圖5 關川河流域1990年到2010年水土流失演變Fig．5 Changes of soil and water losses in Guanchuanhe River basin from 1990 to 2010

表2 “源”“匯”景觀指數對水土流失指標的響應Table 2 Soil and water losses response to LWLI

3.4 景觀格局演變與水土流失的關系

從表2的“源”“匯”景觀綜合指數對土壤水蝕指標的響應關系來看，流域侵蝕模數隨“源”“匯”景觀指數的降低而降低，具有顯著的正相關關系(R2=0.920，P＜0.05)。由此可見，“源”“匯”景觀空間上的分布格局對流域的河川徑流、徑流系數和土壤侵蝕模數都具有顯著的響應關系，景觀空間分布格局對流域水土流失具有重要的影響，對水土流失的年際變化作用明顯。同時，本研究也說明LWLI指數能夠較好地反映流域土壤水蝕規律，“源”“匯”景觀指數可作為流域水體流失評價的有效方法之一。

4 結論

(1)關川河流域1995年、2000年、2005年和2010年的LWLIelevation，LWLIdistance和 LWLIslope指數都呈逐年降低的趨勢。在高海拔和距離流域出水口較遠的地區，“源”景觀的貢獻逐漸小于“匯”景觀的貢獻。林地主要分布在坡度較小的地區，而草地主要分布在坡度較大的地區。

(2)關川河流域“源”“匯”景觀綜合指數自1995年到2000年持續下降，但2010年的LWLI值比2005年又有所提高，這說明盡管關川河流域在努力推行“退耕還林還草”工程，但由于地區人口的擴張和自然環境的限制，某些地區農地擴張的壓力依然很大。

(3)1990年到2010年20年間流域大氣降水沒有發生明顯變化，但河川徑流量、徑流系數和土壤侵蝕模數逐年減少。“源”“匯”景觀指數與土壤侵蝕模數都具有顯著正相關關系。LWLI指數能較好地反映流域土壤侵蝕規律，可作為流域水體流失評價的有效方法之一。

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