干旱區(qū)流域土地利用變化對(duì)基流的影響

楊倩楠, 高海東, 李占斌,2, 王 杰

(1.西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地 西安理工大學(xué), 西安 710048;2.黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

景觀(guān)格局是自然因素和人類(lèi)活動(dòng)共同作用的結(jié)果，而人類(lèi)活動(dòng)的影響主要表現(xiàn)在土地利用變化對(duì)景觀(guān)格局演變的驅(qū)動(dòng)[1]。景觀(guān)的空間配置與類(lèi)型組成影響水循環(huán)，從而影響流域的水文過(guò)程[2-3]。從景觀(guān)生態(tài)學(xué)角度探討流域水文過(guò)程對(duì)景觀(guān)變化的響應(yīng)，能夠揭示人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域水沙的影響[4]。近年來(lái)，大量關(guān)于景觀(guān)格局變化對(duì)水文過(guò)程影響的研究表明，人類(lèi)活動(dòng)通過(guò)改變土地利用空間結(jié)構(gòu)，引起流域水文循環(huán)發(fā)生變化，進(jìn)而改變徑流過(guò)程，并引發(fā)諸多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[5-9]。

基流作為河川徑流重要組成部分，是河川徑流中較為穩(wěn)定的徑流組分，是枯水期河川徑流的主要補(bǔ)給源[10]。基流不僅對(duì)維持河川徑流穩(wěn)定具有重要作用，而且在流域水資源開(kāi)發(fā)利用、優(yōu)化配置及生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展等方面具有重要的意義[11-12]。對(duì)于以降水補(bǔ)給為主的西北干旱區(qū)河流，基流在枯水期維持徑流穩(wěn)定方面發(fā)揮的作用更為顯著[13]。因此，干旱區(qū)基流研究一直以來(lái)是水文學(xué)研究的熱點(diǎn)。陳利群等[14]應(yīng)用濾波法和改進(jìn)的加里寧法對(duì)比分析了黃河源區(qū)的基流量，結(jié)果表明源區(qū)枯季的河川徑流基本上是由基流組成。Ahiablame等[15]應(yīng)用遞歸數(shù)字濾波技術(shù)分割基流，并用基流、土地利用和流域地理特征資料建立回歸模型，預(yù)測(cè)了美國(guó)印第安納無(wú)資料地區(qū)的基流和基流指數(shù)(年基流量占年總徑流量的比重，簡(jiǎn)稱(chēng)BFI)。Santhi等[16]研究顯示，基流的時(shí)空變化與氣候、地形、景觀(guān)和地理特征有關(guān)，用遞歸數(shù)字濾波法從日徑流資料中分割出的基流和基流指數(shù)可以用來(lái)分析徑流對(duì)水文景觀(guān)帶的響應(yīng)，建立多元回歸分析模型。然而，基流與景觀(guān)格局之間相互作用關(guān)系的研究報(bào)道仍相對(duì)較少。

清水河作為黃河的一級(jí)支流，是寧夏南部的重要產(chǎn)水區(qū)域[17]，探討區(qū)域基流變化，對(duì)該流域水資源的開(kāi)發(fā)利用具有重要意義。基于此，本文以寧夏清水河流域上游1980年、1995年、2000年、2013年四期土地利用數(shù)據(jù)及原州水文站1984—2014年日徑流資料為基礎(chǔ)，分析了基流總體變化趨勢(shì)、景觀(guān)格局的變化特征以及基流與景觀(guān)格局之間的關(guān)系。在水資源短缺和水土流失嚴(yán)重的黃土干旱區(qū)開(kāi)展此類(lèi)研究，有助于認(rèn)識(shí)干旱區(qū)水文循環(huán)特征及其轉(zhuǎn)化關(guān)系，可為更加客觀(guān)全面地評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，合理配置區(qū)域土地資源及綜合治理生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

原州水文站位于東經(jīng)106°16′23.5″，北緯35°57′20.9″，地處清水河上游，屬干旱黃土丘陵區(qū)域代表站，集水面積105 km2。研究區(qū)年平均水面蒸發(fā)量870 mm，多年平均輸沙模數(shù)2 500 t/km2，泥沙同暴雨主要集中在7月、8月。徑流的特點(diǎn)是年內(nèi)分配不均，不僅有豐枯交替的特點(diǎn)，而且存在連續(xù)干旱的情況。徑流與降水的年內(nèi)變化關(guān)系十分密切，70%的降水集中在6—9月，7月份徑流量最大，占20%，非汛期(1—4月，10—12月)徑流量之和占年徑流量的35.4%。

1.2　數(shù)據(jù)來(lái)源

徑流數(shù)據(jù)來(lái)源于黃土高原生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)(http:∥www.loess.csdb.cn)以及黃河流域水文資料。土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)1∶10萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)共4期，在Landsat TM和中國(guó)環(huán)境1號(hào)衛(wèi)星(HJ-1)影像的基礎(chǔ)上，采用人機(jī)交互解譯獲得。土地利用一級(jí)類(lèi)型綜合評(píng)價(jià)精度達(dá)94.3%以上，二級(jí)類(lèi)型分類(lèi)綜合精度達(dá)91.2%以上[18]。

為增強(qiáng)景觀(guān)變化指標(biāo)討論的科學(xué)性和可操作性，本研究對(duì)土地利用分類(lèi)中的二級(jí)地類(lèi)進(jìn)行合并，形成六大類(lèi)土地類(lèi)型，即耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地。建立了景觀(guān)類(lèi)型GIS數(shù)據(jù)庫(kù)。隨后運(yùn)用ArcGIS 9.3，在Spatial Analyst空間分析模塊支持下，將土地利用矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為30 m分辨率的柵格數(shù)據(jù)，以備分析使用。

1.3　分析方法

1.3.1基流分割由于不同河流之間徑流特征相差較大，導(dǎo)致采用的基流計(jì)算方法也有所區(qū)別。本研究采用枯季徑流分割法[19]對(duì)基流進(jìn)行分割。具體方法：月徑流量最小的3個(gè)月(即最枯3個(gè)月)乘以4，得到年基流量。

1.3.2景觀(guān)格局指數(shù)計(jì)算應(yīng)用景觀(guān)格局分析軟件FRAGSTATS 4.2，對(duì)流域的土地利用景觀(guān)空間格局特征參數(shù)進(jìn)行分析，并計(jì)算相關(guān)的景觀(guān)指標(biāo)。由于FRAGSTATS計(jì)算的50多種景觀(guān)指標(biāo)可被分為3組級(jí)別，分別代表3種不同的應(yīng)用尺度：(1) 斑塊級(jí)別：反映景觀(guān)中單個(gè)斑塊的結(jié)構(gòu)特征，是計(jì)算其他級(jí)別景觀(guān)格局指數(shù)的基礎(chǔ)；(2) 類(lèi)型級(jí)別：反映景觀(guān)中不同斑塊類(lèi)型的結(jié)構(gòu)特征；(3) 景觀(guān)級(jí)別：反映景觀(guān)的整體結(jié)構(gòu)特征。因此，本研究選取斑塊個(gè)數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀(guān)形狀指數(shù)(LSI)、周長(zhǎng)—面積分維數(shù)(PAFRAC)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、斑塊結(jié)合度(COHESION)、景觀(guān)分割度(DIVISION)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)等12個(gè)指標(biāo)，分析清水河流域上游景觀(guān)格局變化特征。上述指標(biāo)分別可反映斑塊的面積、密度、鄰近度、多樣性和聚散性，各指數(shù)的具體計(jì)算方法與地學(xué)意義見(jiàn)表1[20]。

1.3.3統(tǒng)計(jì)分析相關(guān)分析和回歸分析均在SPSS 16.0軟件下實(shí)現(xiàn)，趨勢(shì)分析由Mann-Kendall突變檢驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。

表1　景觀(guān)格局指數(shù)計(jì)算公式及其生態(tài)學(xué)意義

2　結(jié)果與分析

2.1　土地利用與景觀(guān)格局分析

2.1.1土地利用年際變化與轉(zhuǎn)換特征研究區(qū)草地面積所占比例最大(52.87%～57.25%)，其次為耕地(30.2%～32.05%)，未利用土地面積占地最小，僅為0.34%。此外，1980—1995年，草地中有50.12 km2的低覆蓋度草地轉(zhuǎn)化為中覆蓋度草地；1995—2013年，各地類(lèi)轉(zhuǎn)化均不明顯。

1980—2000年，清水河上游占最大比例的景觀(guān)為草地，為55.76 km2，其次為耕地，為31.85 km2。在這20 a中，流域內(nèi)草地面積變化最劇烈，減少了4.63 km2，其中草地轉(zhuǎn)化為耕地1.96 km2，草地轉(zhuǎn)化為林地2.67 km2。其余耕地、林地、水體、建筑用地、未利用土地均未發(fā)生變化(表2)。

2000—2013年，清水河上游占最大比例的景觀(guān)仍是草地，為54.32 km2，比1980—2000年略有減少；其次是耕地，為32.10 km2，比上一時(shí)期略有增加。耕地面積增加的結(jié)果就是灌溉用水量增加，由此引起地表徑流直接減少，以及因蒸散發(fā)引起地下水量減少。這樣間接表明，流域景觀(guān)格局變化會(huì)在一定程度上改變徑流量和基流量以及二者的變化特征(表3)。

在這13 a中，流域內(nèi)耕地面積變化最劇烈，共轉(zhuǎn)出1.71 km2，其中耕地轉(zhuǎn)化為草地0.57 km2，耕地轉(zhuǎn)化為水體0.19 km2，耕地轉(zhuǎn)化為建筑用地0.95 km2。其次為草地，從2000—2013年，草地轉(zhuǎn)出面積為1.45 km2，草地轉(zhuǎn)化為耕地的面積達(dá)1.35 km2，轉(zhuǎn)化為水體的面積僅為0.01 km2。最小的是水體，共轉(zhuǎn)出0.09 km2，其中，水體轉(zhuǎn)化為耕地0.03 km2，轉(zhuǎn)化為草地0.06 km2。地類(lèi)之間存在相互轉(zhuǎn)換，互為補(bǔ)給源，轉(zhuǎn)出面積大于補(bǔ)給面積，地類(lèi)面積減少，反之，地類(lèi)面積增加。

表2　1980-2000清水河上游控制流域土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣　km2

2.1.2土地利用景觀(guān)格局1980年、1995年、2000年、2013年4個(gè)時(shí)期清水河上游控制流域景觀(guān)格局指數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。隨著年份的增加，清水河上游控制流域斑塊數(shù)(NP)先減少后增加，總體斑塊個(gè)數(shù)呈增加趨勢(shì)，表明景觀(guān)趨于破碎化。相應(yīng)的斑塊結(jié)合度(COHESION)開(kāi)始基本保持不變隨后減小，說(shuō)明其空間分布由穩(wěn)定到離散，破碎化程度加大。而蔓延度指數(shù)(CONTAG)則呈現(xiàn)為先增加后減少的趨勢(shì)，說(shuō)明在2000年景觀(guān)連通性較高，空間分布較均勻。最大斑塊指數(shù)(LPI)先減少后增加再減少。另外，景觀(guān)形狀指數(shù)(LSI)的先增后減再增，但總體變化不大，表明斑塊受到人為活動(dòng)干擾程度有大有小，但斑塊形狀未發(fā)生較大變化，而這一行為也導(dǎo)致了周長(zhǎng)—面積分維數(shù)(PAFRAC)基本保持不變。香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)先減小后增大，總體呈增加趨勢(shì)，說(shuō)明斑塊類(lèi)型趨于多樣化，景觀(guān)豐富度增加。

表3　2000-2013年清水河上游控制流域土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣　km2

表4　清水河上游控制流域景觀(guān)格局指數(shù)年際變化特征

在眾多景觀(guān)格局指數(shù)中，4個(gè)時(shí)期DIVISION值均大于等于0.75，屬于中等偏上水平，即分割度均處于中等偏上水平；SHDI值均大于1.27，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)土地利用豐富，且各斑塊類(lèi)型分布狀況相對(duì)均衡。1980—2013年間各景觀(guān)格局指數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，但SHDI在2013年有略微增大趨勢(shì)，說(shuō)明近年來(lái)控制流域內(nèi)景觀(guān)多樣性逐漸增加，整體向好。總之，由于人為活動(dòng)對(duì)流域影響越來(lái)越大，景觀(guān)類(lèi)型趨于規(guī)則、高連通和高度聚集的方向發(fā)展。

2.2　年徑流量、基流量及基流指數(shù)變化特征

在1984—2014年中(圖1)，年徑流量的變化范圍為0.95～81.33億m3，多年平均徑流量為19.80億m3；其中1992年達(dá)到最大值，為81.33億m3；2009年最小，僅為0.95億m3。基流量占徑流量的比例較小，多年平均基流量為1.74億m3。上述結(jié)果表明，清水河上游年徑流量變化較大，其Cv值為0.73，波動(dòng)性比較大。相對(duì)于徑流，基流的Cv值僅為0.57，則相對(duì)穩(wěn)定。

對(duì)于BFI而言，其變化范圍為0.01～0.16，多年平均BFI值為0.10。較低的BFI值表明基流量占總徑流量的比值較小，從側(cè)面反映出清水河上游流域徑流量主要來(lái)自于大氣降水，地下水對(duì)徑流的補(bǔ)給有限。尤其在2009年，徑流量?jī)H為0.95億m3，基流量?jī)H為0.10億m3。

圖11984-2014年清水河上游年徑流量、年基流量和BFI年際變化特征

清水河流域近30 a的徑流及基流均呈下降趨勢(shì)。Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)表明徑流量呈顯著減少趨勢(shì)(p<0.01)，基流量呈極顯著減少趨勢(shì)(p<0.001)，徑流量在2009年發(fā)生突變。徑流量的變化過(guò)程大致經(jīng)歷了3個(gè)階段，1980—2006 年為徑流波動(dòng)期，2007—2012年為枯水期，2013年及以后為徑流增加期。

圖21984-2014年清水河上游年降水量變化特征

從圖2的趨勢(shì)線(xiàn)可以看出，2007—2012年，清水河上游年降水量并無(wú)明顯減少。因此，本研究認(rèn)為，造成清水河上游年徑流量出現(xiàn)3個(gè)階段變化的主要原因不是降水，而與流域內(nèi)土地利用階段性變化引起的水資源利用有關(guān)[21]。其原因包括兩方面：首先，2000年以后，耗水型地類(lèi)面積增大，如低覆蓋度草地轉(zhuǎn)化成中覆蓋度草地，約轉(zhuǎn)化8.6 km2，導(dǎo)致流域用水量增加。其次，2000年以前，流域內(nèi)水域面積有所減少，為保持水域面積穩(wěn)定，2000年以后，流域通過(guò)增加徑流攔蓄，使得流域的水域面積反較2000年前有所增大。正因?yàn)樯鲜鰞煞矫嬖颍瑢?dǎo)致流域徑流量在2006—2013年期間較多年平均值明顯減少。

2.3　景觀(guān)與基流關(guān)系分析

景觀(guān)格局指數(shù)綜合了景觀(guān)的阻滯能力及地理位置，反映了水土流失的潛在危險(xiǎn)[21]。因此，徑流向下游運(yùn)移時(shí)，會(huì)受到景觀(guān)空間格局的阻滯。為進(jìn)一步研究景觀(guān)格局對(duì)水的影響，我們對(duì)徑流量、基流量和景觀(guān)格局指數(shù)分別進(jìn)行Pearson相關(guān)分析。相比于徑流量，基流量、基流指數(shù)與景觀(guān)格局指數(shù)的相關(guān)性更好(表5)。

表5　徑流量、基流量、基流指數(shù)與景觀(guān)格局指數(shù)相關(guān)分析

注：*代表在0.05水平下顯著。

對(duì)比表6和表7的回歸方程，SHAPE_AM，COHESION，CONTAG，LPI這4個(gè)指數(shù)與基流量、基流指數(shù)回歸得到的線(xiàn)性回歸方程斜率均大于0，說(shuō)明這4個(gè)指數(shù)與基流量、基流指數(shù)呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，景觀(guān)格局指數(shù)值越大，則基流量和基流指數(shù)值越大。而SIDI，PRD，NP和PAFRAC這4個(gè)指數(shù)與基流量、基流指數(shù)回歸得到的線(xiàn)性方程斜率小于0，說(shuō)明其與基流指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，景觀(guān)格局指數(shù)值越大，則基流量和基流指數(shù)值越小。

表6　基流量與景觀(guān)格局指數(shù)回歸分析

注：*代表在0.05水平下顯著。

基流指數(shù)與景觀(guān)格局指數(shù)回歸方程的決定系數(shù)均在0.66以上，且均達(dá)到顯著水平(表7)。但與表6具有相似變化規(guī)律的是，表7中仍以SHAPE_AM，COHESION，LPI，CONTAG這4個(gè)指數(shù)與基流的回歸方程斜率大于0，而其余4個(gè)指數(shù)與基流的回歸方程斜率小于0。這說(shuō)明SHAPE_AM，COHESION，LPI，CONTAG對(duì)促進(jìn)基流產(chǎn)生具有積極作用，而SIDI，PRD，PAFRAC和NP則對(duì)基流產(chǎn)生具有抑制作用。

表7　基流指數(shù)與景觀(guān)格局指數(shù)回歸分析

注：*代表在0.05水平下顯著

線(xiàn)性方程的斜率代表了自變量與因變量之間的變化速率。對(duì)比表6和表7發(fā)現(xiàn)，回歸方程斜率最大的景觀(guān)格局指數(shù)均為COHESION，SIDI，PRD和PAFRAC共4個(gè)指數(shù)，其中，PRD和PAFRAC的斜率最大，說(shuō)明這兩個(gè)指數(shù)對(duì)基流的影響最為顯著。PRD和PAFRAC值越大，表示流域內(nèi)斑塊密度越大，斑塊類(lèi)型的形狀越復(fù)雜，說(shuō)明流域的破碎化程度越高，空間異質(zhì)性越強(qiáng)。在此條件下，流域內(nèi)景觀(guān)格局對(duì)徑流的利用及分配作用增強(qiáng)。

3　討 論

(1) 在以草地為主導(dǎo)的清水河流域上游，雖然流域土地利用景觀(guān)格局與徑流量相關(guān)性不強(qiáng)，但與基流量及基流指數(shù)相關(guān)性顯著，證明地表徑流和地下徑流兩個(gè)水文過(guò)程不僅存在關(guān)系密切的一面，也存在相對(duì)獨(dú)立的一面[22]。在眾多景觀(guān)格局指標(biāo)中，SHAPE_AM，COHESION，LPI，CONTAG與基流及其基流指數(shù)呈顯著正相關(guān)，SIDI，PRD，PAFRAC和NP則與流域基流及基流指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。景觀(guān)格局對(duì)流域基流具有較強(qiáng)的調(diào)控作用。

(2) 清水河流域上游草地和耕地的破碎度較高，斑塊形狀也較復(fù)雜，林地、建設(shè)用地分布趨于集中化，破碎度減小，形狀趨于簡(jiǎn)單化。在景觀(guān)水平上，雖然草地仍為主導(dǎo)性的土地利用景觀(guān)格局，但耕地和林地的面積略有增加。雖然清水河流域內(nèi)草地景觀(guān)斑塊類(lèi)型面積較大，但該斑塊類(lèi)型以低覆蓋度草地為主，由降雨產(chǎn)生的徑流大部分被攔蓄利用[23]，而非下滲進(jìn)入土體形成基流。由于植被恢復(fù)引起的水分消耗[24]，導(dǎo)致研究區(qū)河道徑流與基流均相應(yīng)減少。

(3) 隨斑塊密度和周長(zhǎng)—面積分維數(shù)增大，流域內(nèi)景觀(guān)格局被分割的破碎化程度越高，斑塊類(lèi)型的形狀越復(fù)雜，空間異質(zhì)性程度越強(qiáng)。這說(shuō)明在流域生態(tài)環(huán)境治理中，不僅要重視流域景觀(guān)承載能力，還要關(guān)注斑塊類(lèi)型之間的延展性和連接度，避免斑塊過(guò)度破碎所引起的負(fù)面生態(tài)效果[25-26]。在流域生態(tài)建設(shè)中，不僅要注重景觀(guān)類(lèi)型的均一化程度，還要重視景觀(guān)格局對(duì)水文過(guò)程的響應(yīng)，應(yīng)尋求合理的景觀(guān)格局配置，進(jìn)而提高流域的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[27]。

4　結(jié) 論

(1) 1980—2000年、2000—2013年兩個(gè)時(shí)期內(nèi)，整個(gè)流域面積最大的景觀(guān)均為草地，但在這兩個(gè)時(shí)期轉(zhuǎn)移面積最大的分別是草地、耕地，相應(yīng)的轉(zhuǎn)移總面積分別為4.63 km2，1.71 km2，分別主要是由草地轉(zhuǎn)移成林地、耕地轉(zhuǎn)移成草地，轉(zhuǎn)移量分別為2.67 km2，0.57 km2。

(2) 近三十年原州流域徑流量呈減小趨勢(shì)，基流量變化幅度很小。BFI值較小表明，基流量占總徑流量的比值很小，說(shuō)明清水河河道徑流主要來(lái)自地表徑流，基流的貢獻(xiàn)很小。

(3) 基流量與景觀(guān)格局指數(shù)相關(guān)性明顯高于徑流量，說(shuō)明原州流域景觀(guān)格局變化主要與基流有關(guān)。SHAPE_AM，COHESION，LPI，PRD，PAFRAC這5個(gè)指標(biāo)與基流量回歸分析結(jié)果表明，在基流量比較穩(wěn)定的條件下，流域景觀(guān)格局也逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。雖然流域內(nèi)不同土地利用之間發(fā)生轉(zhuǎn)移，但轉(zhuǎn)移面積均較小，在0.01～2.67 km2之間，發(fā)生轉(zhuǎn)移的土地利用類(lèi)型比較固定，為草地、耕地、水體。

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