皇甫川流域水沙變化對景觀格局的響應

劉蓓蕾, 李 鵬,2, 楊媛媛, 任宗萍,2, 龍韶博

(1.西安理工大學 省部共建西北旱區生態水利工程國家重點實驗室, 西安 710048; 2.西安理工大學 旱區生態水文與災害防治國家林業局重點實驗室, 西安 710048; 3.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃土高原是我國土壤侵蝕最為嚴重的區域之一，自上個世紀50年代以來，在該地區開展了大量的水土流失治理工作。據黃河潼關站監測數據統計顯示，黃河年平均輸沙量由1970年前的16億t銳減到2000—2014年的2.7億t[1]。氣候變化、地形地貌、人類活動等都可能是造成黃河泥沙的銳減的原因，因此黃河水沙變化的歸因成為了研究的熱點。土地利用/覆蓋變化(LUCC)是地形地貌變化的重要表征，也是流域水量平衡及水文循環過程發生變化的關鍵因素之一[2-4]，研究土地利用變化，對認識流域水沙變化特征和機制以及水土資源的高效利用具有重要意義。景觀指數能夠從景觀生態學的角度有效的定量化描述土地利用的結構組成和空間配置等特征[5]。因此，本文選擇景觀指數表征土地利用/覆被格局的變化，探討其對流域水沙變化的影響規律。目前，在黃土高原，關于景觀格局的研究已經有一定進展，王曉燕等人分析了黃土高原的景觀多樣性[6]；王教育等研究了黃土高原溝壑區的景觀的空間格局特征[7]；劉琳等研究了黃土高原地區的景觀格局演變及生態系統服務功能[8]。本研究從景觀格局角度出發，初步研究流域水沙變化對其變化的響應。

皇甫川是黃河的一級支流，位于黃土高原與鄂爾多斯高原的邊緣連接地帶，屬于風沙區和丘I區的過渡區。為研究流域土地利用覆被變化因子對皇甫川水沙變化影響的貢獻程度，本文對皇甫川流域的土地利用變化及景觀格局指數進行分析，建立其與徑流量、輸沙量的關系，分析皇甫川的水沙變化特征和原因，以期對多沙粗沙區水土流失的治理和生態環境的保護，以及為黃土高原地區水沙變化問題提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

皇甫川流域屬干旱與半干旱氣候，受季風影響，年均降水量350～450 mm，中上游地區年平均氣溫6.2～8.7℃，溫差較大，平均風速1.9～3.4 m/s。皇甫川流域按地表物質分布和侵蝕差異，可將流域分為黃土丘陵溝壑區、沙化黃土丘陵溝壑區、砒砂巖丘陵溝壑區3個類型區。

皇甫川屬多沙粗沙河流，全長1 251 km，流域面積3 246 km2，多年平均輸沙量為6 120萬t，輸沙模數平均為1.91萬t/(km2·a)，其中50%以上地區輸沙模數在2.1萬t/(km2·a)以上，局部地區個別年份高達3～5萬t/(km2·a)以上。大于0.05 mm的粗泥沙占總沙量的61.3%，粗泥沙模數為1.2萬t/(km2·a)，是黃河中游地區的劇烈侵蝕中心和粗泥沙主要來源地之一[9]。

1.2 數據來源

土地利用數據來自于地理國情監測云平臺，基于Landsat 30 m遙感影像獲取，經過影像融合、幾何校正、圖像增強與拼接等處理后，通過人機交互目視解譯的方法，按照國家土地利用分類方法，結合劉紀遠等在建設“中國20世紀LUCC時空平臺”建立的LUCC分類系統[10]，將土地利用類型劃分為6個一級類和25個二級類。以流域 1990—2010年5期的土地利用為基礎資料，分4段(1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年，2005—2010年)，通過 ArcGIS分析流域土地利用時空變化和內部動態轉移情況。

年降水數據、徑流數據來源于流域把口站皇甫水文站，輸沙數據來源于：《中華人民共和國水文年鑒》，及黃河流域水文資料，時間為1956—2015年。

1.3 研究方法

采用皇甫水文站提供的1956—2015年降雨量、徑流量、輸沙量，利用變差系數[11](Cv)分析徑流泥沙的年內變化特征；利用一元線性回歸法[12]、滑動平均法[13]描述徑流的年際變化趨勢；利用滑動t檢驗法[14-15]和 Pettitt法[16-17]檢測徑流泥沙的年際突變點。

在ArcGIS 10.2平臺上，對流域5期土地利用(1990—2010年)數據進行重分類，分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用土地六大種類。同一流域，不同時期，土地轉移情況根據自然變化、人為干預的變化而產生變化[18]。借助軟件中Spatial Analyst工具合并相鄰兩期土地利用類型分布圖，在合并后的地圖中，得到不同土地利用類型面積的轉移變化量，即某類土地利用類型的轉入或轉出面積，得知區域內不同利用類型用地面積間相互轉移的大小和過程，為之后研究轉移因素和規律做基礎。

利用FRAGSTATS 4.2計算景觀指數。研究區特征可劃分為斑塊、類型、景觀3個尺度，通過各類尺度的景觀指數對景觀格局進行準確反映，同時更加準確地表征景觀在空間上的配置和相關屬性；FRAGSTATS能夠計算不同尺度的景觀指數，所以選擇合適、適量的景觀指數對景觀配置分析的合理性尤為重要；其中部分指標間可以相互轉化，且具有極顯著相關性，因此在選擇指標前，要對大量的指標進行篩選選擇能夠精確概化研究區景觀特征的指標進行研究分析[19]；本文在景觀尺度上選擇9種能夠表征流域景觀格局特征的指數進行計算和分析。部分指數的計算方法與生態學意義參見文獻[20]和表1。

表1 景觀格局指數計算公式及其生態學意義

通過高度濃縮景觀格局信息，結合流域的徑流泥沙資料，綜合描述該流域的景觀空間配置與水沙關系，利用國際標準通用軟件 CANOCO 5. 0采用線性模型對各指標進行冗余分析，分析年徑流量、年輸沙量等徑流泥沙因子與景觀指數之間的相關關系，作為多元線性回歸的拓展，RDA能進行多變量直接梯度分析，即分析兩個變量集之間的線性關系，并將兩個變量集反映在同一直角坐標系中，直觀反映兩變量集的相關關系[21-22]，通過該相關關系可以揭示景觀格局與水沙的響應。

2 結果與分析

2.1 流域水沙特征

皇甫川流域受季風影響，降水量年內分布不均，自1月起降水逐漸增多，在每年7—8月達到最大值，隨后逐漸減少，到12月降至最低。徑流量在7—9月變化明顯，徑流從每年7月進入汛期，月徑流量較前幾月有明顯增加，8月達到最大，9月徑流量降幅明顯，其中8月是每年徑流量最大的月份，7—9月徑流量占全年的77.89%，年內徑流量變異系數(Cv)為1.49，表明流域年內徑流總體變化程度較大，年內分配極不均勻?；矢Υê恿鬏斏沉恐饕性?—9月，與徑流量呈極顯著正相關，相關系數為0.951。年內輸沙量Cv值為1.96，表明流域年內輸沙變異程度較大(圖1)。

圖1 皇甫川流域水沙年內變化趨勢

流域降水、徑流、輸沙年際變化見圖2。多年平均降水量為337.4 mm，總體呈減少趨勢。多年平均徑流量為1.48億m3，呈顯著下降趨勢，最大徑流量為1954年5.88億m3，而在2010年11月至2011年12月基流出現斷流，年際差異較大。多年平均輸沙量為0.32億t，呈顯著下降趨勢，最大輸沙量為1959年的1.63億t。輸沙量階段劃分較為明顯，由圖2可見，1956—1989年屬于多沙階段，1990—2015屬于少沙階段。皇甫川流域降水、徑流、輸沙變化幅度基本一致(圖3)，年降水量與年徑流量變化呈極顯著線性相關，Pearson相關系數為0.718；流域1956—2015年輸沙量最大時徑流量也屬此年間較大值；當輸沙量最小時，徑流量也屬60 a間最小值，年徑流量與年輸沙量變化呈極顯著線性相關，pearson相關系數為0.883。

圖2 皇甫川流域水沙年際變化趨勢

圖3 皇甫川流域水沙相關關系

進一步分析皇甫川流域水沙變化突變特征(表2)，利用滑動t檢驗法，設置步長為3時，在0.05水平上，檢測到超出置信區間范圍的點有多個，這些時期水沙可能發生了突變，也可能是由于方法問題造成的誤差。因此再利用Pettitt法來進行檢驗，通過對比分析，最終確定1984年、1988年分別為徑流量和輸沙量的突變點，這與學者魏艷紅等[23]的研究較一致，說明該流域水沙變化拐點在20世紀80年代。

表2 皇甫川流域水沙變化突變點檢測

2.2 土地利用和景觀格局演變

五期土地利用類型均以草地為主，面積占比達到流域總面積的65%左右；耕地面積占比次之，約為20%；林地和未利用土地面積所占比例很小，在5%左右；水域和建設用地面積占比幾乎可忽略不計。由表3可見，流域耕地面積在 2005—2010年顯著減少，林地、草地面積在此期間顯著增加，建設用地面積也在 2000年后有所增加；這種變化與長期的水土保持工作和城市化的不斷進展之間具有重要的關系。

表3 皇甫川流域土地利用類型統計

由表4可看出，皇甫川流域 1990-2010年各類土地利用面積轉移較明顯，流域主要土地利用變化是耕地向林地和草地的轉移，以及未利用地向草地的轉移；其中耕地向草地、林地的轉移面積分別占到耕地總轉移面積的48.97%和24.04%，未利用地向草地的轉移面積占到未利用地總轉移面積的94.76%。

表4 1990-2010年皇甫川流域土地利用類型轉移矩陣 km2

利用 FRAGSTATS 4.2軟件對流域多期土地利用數據進行景觀水平和類型水平的景觀格局運算，得到的景觀指數計算結果見表5。

表5 流域景觀指數變化特征

景觀水平上，1990—2010年，皇甫川流域的斑塊數量(NP)基本呈增加趨勢，斑塊密度指數(PD)與NP值變化趨勢一致，說明流域中景觀破碎度逐漸增加，景觀中大斑塊有分裂趨勢，連續性變差。

從景觀形狀指數上看，大型斑塊面積(LPI)基本穩定，形狀指數(LSI)呈現波動緩慢上升趨勢，由1990年的49.44增加到2010年的52.22，香農多樣性指數(SHDI)基本穩定，表明流域景觀斑塊的形狀越來越復雜但變化程度不明顯。從破碎程度上看，面積分維數(PAFRAC)基本穩定，斑塊凝聚度指數(COHESION)基本穩定，景觀分裂度指數(DIVISION)基本穩定，這三者趨勢相似且處于中等偏上水平，蔓延度指數(CONTAG)呈波動緩慢下降趨勢，表明景觀具有多種要素的密集格局，景觀的破碎化程度較高，流域景觀優勢斑塊優勢度、分割度和聚集度處于中等偏上。皇甫川流域景觀總體結構未發生重大變化，景觀異質性上升。

2.3 景觀與水沙響應關系

皇甫川流域1990—2010年5期的景觀指數與徑流量、輸沙量與間的冗余度分析見圖4。景觀格局指數用紅色箭頭表示，箭頭連線越長對模型貢獻率越大，反之，則越小；箭頭與排序軸的夾角表示相關性的大小，夾角越小，相關性越大；景觀格局指數箭頭連線在徑流量、輸沙量箭頭連線上的投影越長，則對水沙變化的影響越大。

由圖4可知，NP，PD，LSI，PAFRAC與徑流呈極顯著負相關，說明景觀斑塊數量越多，斑塊破碎化程度越高，斑塊的形狀越復雜，流域徑流的減幅越大。CONTAG與徑流呈顯著正相關，表明斑塊蔓延程度對徑流有顯著的直接影響，隨著景觀斑塊的結合蔓延，徑流量減少趨勢變弱。PD，NP，LSI與輸沙呈顯著負相關，說明斑塊數目越多、景觀越破碎，對泥沙的阻滯具有積極顯著的作用。CONTAG與輸沙呈顯著正相關，表明景觀斑塊越聯通，流域的輸沙量減幅越小。其余指數中，COHESION對水沙變化表現為正相關，SHDI對水沙變化表現為負相關?；矢Υ饔虻膸追N景觀格局指數與徑流量、泥沙量均呈明顯相關關系。

圖4 流域水沙變化與景觀格局指數的冗余度分析(RDA)

2.4 討 論

影響皇甫川流域水沙變化的原因是復雜的、多因素的，其中氣候變化與下墊面環境的變化是尤為重要的兩個因素。降水是影響流域水文循環的重要因素，同時也是流域發生土壤侵蝕的重要動力之一，降雨的年際波動與流域水沙變化具有密切地關系。與此同時，皇甫川作為多沙粗沙區的重點治理流域，域內嚴格實行退耕還林政策以及布設各類水土保持工程措施，在各項措施共同作用下土地覆蓋及景觀格局發生了劇烈的變化，這也是造成該流域水沙變化的重要原因，本研究利用景觀格局指數表征下墊面環境的變化，初步研究了皇甫川流域水沙變化對流域景觀格局的響應。

皇甫川流域主要的土地利用類型為草地，主要的土地利用轉移類型也是耕地向林地和草地的轉移，以及未利用地向草地的轉移，土地利用和景觀格局指數的變化主要是由于國家對西部生態恢復的重視與水土保持工程的逐步深化開展和實施，和 1999年國家在西部地區對退耕還林(草)政策進行試點，從保護和改善生態環境出發，將易造成水土流失的坡耕地有計劃，有步驟地停止耕種，按照適地適樹的原則，因地制宜地植樹造林，恢復森林植被[24]。在皇甫川流域的這二十年間，主要實施退耕還林政策時先穩定農業生產力保持耕地面積減幅緩慢而大量的開發荒地，把未利用土地面積進行改變，選擇生長周期短的草進行初期恢復，所以土地轉移中耕地和未利用土地轉移量比較可觀。除耕地和未利用地向草地轉移外，流域內其他土地利用面積變化相對不大，而景觀格局指數有明顯變化，尤其是景觀斑塊的形狀越來越復雜，景觀異質性也有所提高。究其原因，是土地利用轉移矩陣只是直觀表示土地數量及類型的轉換，但是景觀指數可以從內部結構反映流域土地利用的變化，在土地利用某一類型面積沒變化的情況下，內部景觀的分布位置有所調整所引起的。

皇甫川流域徑流輸沙量的變化是氣候因素以及各種人類活動因素共同作用的結果，大規模的水土保持措施，如退耕還林還草，表征在耕地面積的減少和林草地面積的增加，可以很好的用土地利用變化來解釋。景觀格局指數從各土地利用類型斑塊內部結構反映了斑塊的面積、密度、鄰近度、多樣性和聚散性等。因此，本文著重研究土地利用和景觀格局變化對流域水沙變化的影響，發現皇甫川流域由于人類活動對流域土地利用類型的改變，景觀指數保持高聚集，向著多類型、破碎化的方向發展，土地利用越豐富，破碎化程度越高，但優勢斑塊類型內部連性較好，則越對水沙減少產生積極顯著的影響。說明改變流域土地配置，景觀格局必然相應發生變化，因此想要改變流域水沙趨勢，可以通過間接改變土地配置實現。

3 結 論

(1) 皇甫川流域降雨、徑流、輸沙量年內分配不均，變異較大；多年平均降雨量、徑流量及輸沙量分別為337.4 mm，1.48億m3，0.32億t，年際變化趨勢和幅度均基本一致，呈下降趨勢；徑流量和輸沙量的突變點分別為1984年和1988年。

(2) 皇甫川流域主要土地利用類型為草地，占流域總面積65%左右，并且1990—2010年皇甫川流域變化最大的土地利用類型依然是草地。林地和耕地利用類型在數量和空間上也有較大變化；而水域和建設用地變化不是很明顯。流域地類變化主要的原因是國家在西部進行的退耕還林、還草政策的實施，以及為穩定農業生產力而對未利用土地的進行的開荒。

(3) 皇甫川流域LPI，SHDI，PAFRAC，COHESION，DIVISION基本穩定，景觀總體結構未發生重大變化。隨著時間的增加，受水土保持措施和后期退耕還林政策影響，NP和PD有所上升，LSI呈波動緩慢上升趨勢，CONTAG有所下降，流域內景觀破碎度逐漸增加，景觀形狀越來越復雜但變化程度不明顯，景觀異質性上升。

(4) 皇甫川流域的NP，PD，LSI，PAFRAC，CONTAG與徑流量、輸沙量相關性強，土地利用和景觀格局對流域水沙變化影響較大。