基于土地利用變化的沂河流域景觀格局與徑流關(guān)系的分析

李子君 劉金玉 魯成秀 蘇 寧

(山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250358)

人類活動通過改變下墊面特性使土地利用方式發(fā)生變化，而土地利用變化直接導(dǎo)致景觀格局變化[1-3]。分析景觀指數(shù)的變化，能夠反映景觀格局隨時(shí)間和空間演變的特征。隨著近年來對景觀重要性認(rèn)識的不斷加強(qiáng)，景觀格局與生態(tài)水文過程間的相互作用成為了生態(tài)水文學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)的重要研究領(lǐng)域[4-5]。景觀格局的變化可改變水分的空間分布，影響流域的產(chǎn)匯流機(jī)制，對流域的水文循環(huán)和水量平衡過程有重要影響[6-9]；而水文過程也對景觀格局產(chǎn)生影響[10-11]。因此研究流域景觀格局和水文過程變化的關(guān)系對流域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展、水土資源可持續(xù)利用具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值[12]。

Richards等[13]發(fā)現(xiàn)Huron河流域景觀的連通性對徑流有較大的影響，Callow等[14]指出景觀格局的耦合程度以及景觀連接性控制著流域水流和泥沙，王計(jì)平等[15]研究發(fā)現(xiàn)黃土丘陵區(qū)草地連接度是控制流域水土流失的重要指標(biāo)，黃青等[16]發(fā)現(xiàn)塔里木河流域景觀破碎度與徑流呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由于不同流域下墊面、氣候等自然因素和人類活動因素存在明顯差異，因此景觀格局變化具有明顯的空間差異性[17-18]，對水文過程也產(chǎn)生不同的影響。

沂河流域是沂蒙山區(qū)的重要組成部分，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，嚴(yán)重制約區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。近年來，隨著人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化水平的提高，加上退耕還林還草、荒山造林和坡改梯等水土保持工程的實(shí)施，流域土地利用類型和植被覆蓋都發(fā)生了顯著的變化，雖有效改善了生態(tài)環(huán)境，但也改變了景觀格局，在一定程度上影響了流域的水文循環(huán)過程。目前森林景觀生態(tài)水文效應(yīng)已有大量研究[19-20]，但針對不同土地利用類型景觀格局與水文過程關(guān)系的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。因此本研究在分析沂河流域降水-徑流變化、土地利用變化和景觀格局變化的基礎(chǔ)上，旨在從景觀水平和斑塊類型水平2個(gè)方面探討景觀格局與徑流量的相關(guān)關(guān)系，以期為沂河流域生態(tài)保護(hù)和水土資源優(yōu)化配置提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

沂河發(fā)源于山東省沂源縣魯山南麓，流經(jīng)魯中南和蘇北的13個(gè)縣市，至江蘇省新沂市注入駱馬湖。河流全長約500 km，總流域面積約17 325 km2。本研究區(qū)域主要是沂河流域臨沂站以上的部分，地理位置在117°25′～119°49′ E，33°30′～36°20′ N，行政轄區(qū)包括沂源縣、沂水縣、沂南縣、蒙陰縣、平邑縣、費(fèi)縣和蘭山區(qū)六縣一區(qū)，控制流域面積約10 026 km2。流域在地貌上屬構(gòu)造剝蝕堆積平原區(qū)，西北部多山地，東南部多平原。受暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候影響，流域多年平均氣溫13.12 ℃，多年平均降水量780.67 mm。流域主要支流有東汶河、蒙河和祊河等，大多從右岸注入干流。流域土壤類型主要為棕壤、褐土、潮土和砂姜黑土等，植被類型主要有樹林植被和草甸植被。沂河流域內(nèi)共設(shè)有1個(gè)水文站和40個(gè)雨量站，其中臨沂水文站主要監(jiān)測沂河干流中上游來水量(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Sketch map of the study area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

沂河流域1975年遙感影像來源為美國馬里蘭大學(xué)地球數(shù)據(jù)中心的MSS影像，分辨率為60 m×60 m；1985、1995、2005和2015年的遙感影像均來自于地理空間數(shù)據(jù)云，是空間分辨率為30 m×30 m的Landsat TM/ETM+影像。由于MSS影像空間分辨率低，結(jié)合流域20世紀(jì)70年代1∶50 000地形圖進(jìn)行人工目視解譯；其他年份的遙感影像經(jīng)過野外實(shí)地考察驗(yàn)證，解譯精度均>85%，滿足研究需要。參照全國土地利用分類方法將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地。水文數(shù)據(jù)主要包括1961—2015年臨沂水文站的年徑流量和40個(gè)雨量站的年降水量，來源于《淮河流域水文年鑒》。利用泰森多邊形法將各雨量站年降水量與各站的控制面積權(quán)重系數(shù)相乘計(jì)算得出流域逐年面降水量。

2.2 研究方法

2.2.1Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法

Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法是檢驗(yàn)水文時(shí)間序列變化趨勢的有效方法。假定x1,x2,…,xn為時(shí)間序列變量，n為時(shí)間序列的長度，對于所有的i，j≤n，且i≠j，xi和xj的分布是不相同的。M-K法定義統(tǒng)計(jì)量S：

(1)

Z為正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)量，其公式如下：

(2)

Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18

(3)

在給定的α置信水平上，如果|Z|≥Z1-α/2，則拒絕原假設(shè)，即在α置信水平上時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢，取顯著性水平α=0.05，臨界值Z1-α/2=1.96。Z為正值表示增加趨勢，Z為負(fù)值表示減少趨勢。

2.2.2景觀指數(shù)法

景觀指數(shù)是能夠高度濃縮景觀格局信息的定量化指標(biāo)[21]。斑塊類型水平能反映景觀中不同斑塊類型的結(jié)構(gòu)特征，景觀水平可以反映景觀的整體結(jié)構(gòu)特征，因此本研究分別從斑塊類型水平和景觀水平上選取具有代表性的指標(biāo)進(jìn)行景觀格局分析。斑塊類型水平上選取斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)和斑塊結(jié)合度指數(shù)(COHESION)，上述指標(biāo)反映景觀破碎化程度、優(yōu)勢種豐度和連通度。景觀水平上選取景觀分離度指數(shù)(DIVISION)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)和Shannon’s多樣性指數(shù)(SHDI)，這些指標(biāo)反映景觀的破碎化程度、形狀復(fù)雜度、聚集度和多樣性。本研究利用ArcGIS的Conversion tools模塊將各時(shí)段矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成30 m×30 m的柵格，然后應(yīng)用Fragstats 4.2軟件計(jì)算景觀指數(shù)，并結(jié)合各指標(biāo)的生態(tài)學(xué)意義分析沂河流域景觀格局的變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 沂河流域降水量和徑流量的變化特征

將1961—2015年分成1961—1975年、1976—1985年、1986—1995年、1996—2005年和2006—2015年5個(gè)時(shí)段，降水量在5個(gè)時(shí)段的平均值分別為855.93、709.06、746.57、800.49和753.65 mm，流域多年平均降水量為780.67 mm。利用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法對年降水量變化趨勢進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果Z=-0.54，說明年降水量總體呈減小趨勢，但減小趨勢并不顯著。徑流量在5個(gè)時(shí)段的平均值分別為28.77×108、9.72×108、13.31×108、18.24×108和15.35×108m3，流域多年平均徑流量為18.14×108m3。年徑流量的正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)量Z=-1.44，表明沂河流域徑流量呈下降趨勢，且通過0.1顯著水平的顯著性檢驗(yàn)(圖2)。

圖2 1961—2015年沂河流域降水量和徑流量的年際變化特征Fig.2 Annual variation of precipitation and runoff in Yihe River Basin from 1961 to 2015

降水是徑流產(chǎn)生的源泉，是影響徑流變化的主要原因。1961—2015年沂河流域年降水量和年徑流量相關(guān)系數(shù)是0.836，且通過0.01顯著水平的顯著性檢驗(yàn)，說明兩者存在較好的相關(guān)性。對流域1961—2015年的年徑流變率和年降水變率進(jìn)行分析(圖3)，年徑流量與年降水量的年際波動趨勢基本一致，但年徑流量波動幅度遠(yuǎn)大于年降水量的波動幅度，二者的變異系數(shù)分別是80.50%和23.23%。與年降水量相比，年徑流量的波動幅度和下降趨勢更加顯著，這說明降水并非是影響徑流變化的唯一因素，流域年徑流量變化應(yīng)該與土地利用變化等人類活動有一定的關(guān)系。

圖3 1961—2015年沂河流域年降水和年徑流變率Fig.3 Precipitation variability and runoff variability in Yihe River Basin from 1961 to 2015

3.2 沂河流域土地利用和景觀格局變化特征

3.2.1土地利用變化

沂河流域1975—2015年主要土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6種。其中耕地占流域總面積的65.91%，是流域的主要土地利用類型；其次是林地(12.23%)、草地(9.87%)和建設(shè)用地(8.45%)，三者共占流域總面積的30.00%以上；再次是水域，占流域總面積的3.40%；而未利用地面積最少，所占比例不足流域總面積的0.20%。1975—2015年，沂河流域土地利用發(fā)生了顯著變化(表1)，主要表現(xiàn)在耕地和草地迅速減少，建設(shè)用地和林地快速增加，水域和未利用地有不同程度的增加。1975—1995年，耕地和草地面積分別減少107.70和23.77 km2，林地面積增加3.02 km2，建設(shè)用地凈增加面積達(dá)88.00 km2，水域面積增加37.35 km2。該階段由于人口增長和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，使得建設(shè)用地占用較多耕地、新建水利工程征用部分耕地，導(dǎo)致建設(shè)用地和水域面積增加、耕地面積減少。1995—2015年，耕地面積減少625.8 km2，是1975—1995年減少面積的5倍多；草地面積減少84.79 km2，林地面積增加200.23 km2，建設(shè)用地面積增加489.18 km2，水域面積增加20.41 km2。該階段主要是由于加強(qiáng)小流域綜合治理、實(shí)施退耕還林和荒山造林等生態(tài)工程，加上社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及農(nóng)田水利化建設(shè)等，導(dǎo)致流域耕地面積顯著減少、草地面積有所減少、林地面積增加較多、建設(shè)用地面積快速增加和水域面積有所增加。

表1 沂河流域1975—2015年土地利用變化率Table 1 Rate of land use change in Yihe River Basin from 1975 to 2015 %

3.2.2景觀格局變化

景觀指數(shù)變化可以清楚地顯示整個(gè)研究區(qū)域的景觀特征變化[22]。由表2可知，1975—2015年，流域NP、PD和DIVISION先減小后大幅增加，說明流域斑塊數(shù)目和斑塊密度增加，分離度增加，景觀破碎化程度增大；LPI先小幅增加后逐漸降低，說明流域景觀優(yōu)勢斑塊類型逐漸變小；LSI總體呈增加趨勢，表明流域景觀斑塊的形狀趨于不規(guī)則和復(fù)雜化，受人類活動干擾減弱；另外COHESION、CONTAG總體呈減小趨勢，表明沂河流域景觀破碎化程度較高，斑塊之間的連接度較低；SHDI總體呈增長趨勢，表明隨著土地利用類型的多樣化，流域景觀異質(zhì)性增高，景觀豐富度和復(fù)雜度不斷升高。綜上所述，沂河流域景觀格局破碎化程度增大、斑塊形狀趨于復(fù)雜、連通性趨于減弱和景觀異質(zhì)性增高。沂河流域1975—2015年景觀格局變化，如圖4。

表2 沂河流域1975—2015年景觀指數(shù)變化Table 2 Change of landscape pattern indices in the Yihe River Basin from 1975 to 2015

圖4 沂河流域1975—2015年景觀格局圖Fig.4 Landscape pattern of Yihe River Basin from 1975 to 2015

3.3 沂河流域景觀格局與徑流的關(guān)系

景觀指數(shù)在一定時(shí)期內(nèi)相對穩(wěn)定而徑流量年際變化較大，并且景觀格局對徑流量的影響有一定的時(shí)間滯后性[23]，因此本研究以連續(xù)4年(即以土地利用變化時(shí)點(diǎn)為初始時(shí)間的4年)徑流量的平均值作為因變量，以景觀指數(shù)作為自變量來分析流域景觀格局與徑流的關(guān)系。

3.3.1斑塊類型水平上景觀指數(shù)與徑流的關(guān)系

由圖5可知，徑流量與NP和PD相關(guān)性較小，相關(guān)系數(shù)分別為0.488 9和0.489 5，說明隨著斑塊破碎化程度的增加徑流量呈先減少后增大的微弱趨勢。徑流量與COHESION相關(guān)性也較小，相關(guān)系數(shù)為0.388 2，說明隨著斑塊連通程度的增加徑流量呈先增大后減少的微弱趨勢。徑流量與LPI有較強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.720 7。當(dāng)LPI<58.12時(shí)，徑流量隨景觀斑塊指數(shù)增大而增大，說明當(dāng)景觀優(yōu)勢種豐度較低時(shí)有利于徑流量的形成；LPI>58.12時(shí)，徑流量隨景觀斑塊指數(shù)的增大而減小，說明當(dāng)景觀優(yōu)勢種豐度增大時(shí)，對徑流量的形成有抑制作用。

圖5 景觀斑塊指數(shù)和徑流關(guān)系Fig.5 Relationship between landscape patch index and runoff

3.3.2景觀水平上景觀指數(shù)與徑流的關(guān)系

由圖6可知，徑流量都是隨著景觀格局指數(shù)的升高先增大后減小。徑流量與SHDI、LSI和CONTAG相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.994 1、0.990 3和0.919 9。當(dāng)LSI<85.60、SHDI<1.12和CONTAG<62.13%時(shí)，徑流量隨各斑塊形狀越復(fù)雜、景觀類型越多樣和斑塊聚集度越高呈現(xiàn)增加趨勢，說明隨著流域內(nèi)景觀格局多樣化，土地利用類型越豐富，景觀聚集程度越高，越有利于徑流的形成；當(dāng)LSI>85.60、SHDI>1.12和CONTAG>62.13%時(shí)，徑流量隨斑塊形狀復(fù)雜程度的增大、多樣性指數(shù)的增加和景觀聚集度的增加而減小，說明若斑塊形狀過于復(fù)雜，景觀格局過于破碎，水分蒸發(fā)和土壤下滲加大，不易形成徑流。徑流量與DIVISION有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.633 5。當(dāng)DIVISION<0.65時(shí)，徑流量隨景觀分割度指數(shù)增大而增大；當(dāng)DIVISION>0.65時(shí)，徑流量隨景觀分割度指數(shù)增大而減小；這說明徑流隨著景觀破碎化程度的增加而增加，但如果景觀分割度達(dá)到一定水平，景觀破碎化程度過大時(shí)，徑流逐漸降低。因此只有控制流域景觀斑塊形狀復(fù)雜化，將景觀多樣性維持在一定閾值之內(nèi)，才能控制流域徑流量減小趨勢。

圖6 景觀格局指數(shù)和徑流關(guān)系Fig.6 Relationship between landscape pattern index and runoff

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

本研究重點(diǎn)探討了流域景觀格局變化與徑流的關(guān)系，然而流域徑流形成過程受多種因素的影響。氣候變化和人類活動因素都會影響流域徑流量的變化，其中主要是生態(tài)、水利工程建設(shè)等土地利用活動所導(dǎo)致的景觀類型的轉(zhuǎn)換和變化改變了下墊面的產(chǎn)匯流機(jī)制，影響了流域徑流的形成。退耕還林、荒山造林和坡改梯等水土保持措施使得林地和梯田面積增加，不僅導(dǎo)致生態(tài)用水增加，而且也增加了水分的蒸散發(fā)和下滲，使流域徑流量減少；流域內(nèi)建設(shè)的大中小型蓄水工程雖然增加了水域面積，但也攔蓄了部分徑流，加大了水分的蒸發(fā)，導(dǎo)致了河道徑流量減少；流域景觀格局呈現(xiàn)破碎化、形狀復(fù)雜、低連通性、高異質(zhì)性的特點(diǎn)，阻滯了徑流的形成。

本研究徑流量數(shù)據(jù)采用的是實(shí)測徑流量，由于數(shù)據(jù)的可獲得性受限，沒有利用農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和生活用水量對實(shí)測徑流量進(jìn)行還原，因此可能導(dǎo)致景觀指數(shù)與徑流量變化的相關(guān)性出現(xiàn)一定的誤差；由于徑流年際變化較大而景觀指數(shù)變化在一定時(shí)期內(nèi)相對穩(wěn)定，如何更科學(xué)地進(jìn)行景觀指數(shù)和徑流量的相關(guān)性分析需要進(jìn)一步研究探討。

4.2 結(jié)論

本研究基于沂河流域?qū)崪y年徑流資料和年降水資料，分析了流域降水-徑流的變化趨勢以及土地利用變化和景觀格局變化，并對各景觀指數(shù)和徑流變化進(jìn)行相關(guān)性分析，主要結(jié)論如下：

1)1961—2015年，沂河流域年徑流量與年降水量皆呈下降趨勢，但年徑流量相比于年降水量其波動幅度及下降趨勢更顯著。這說明除了受到降水因素的影響外，流域年徑流變化還應(yīng)該與土地利用變化等人類活動有一定的關(guān)系。

2)1975—2015年，沂河流域土地利用類型以耕地為主，其次是林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地。耕地和草地迅速減少，建設(shè)用地和林地快速增加，水域和未利用地有不同程度的增加。流域景觀格局破碎化程度增大、斑塊形狀趨于復(fù)雜、連通性趨于減弱和景觀異質(zhì)性增高。

3)在斑塊類型水平上，徑流量與NP、PD相關(guān)性較小，隨著斑塊破碎化程度的增加徑流量有先減少后增大的微弱趨勢；徑流量與COHESION相關(guān)性也較小，隨著斑塊連通程度的增加徑流量呈先增大后減少的微弱趨勢；徑流量與LPI有較強(qiáng)的相關(guān)性，隨景觀優(yōu)勢種豐度增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。在景觀水平上，徑流量與SHDI、LSI、CONTAG相關(guān)性顯著，隨斑塊形狀復(fù)雜度、景觀類型多樣性和斑塊聚集度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；徑流量與DIVISION有較好的相關(guān)性，隨景觀分割度的增大先增大后減小。