楊倩楠, 高海東, 李占斌,2, 王 杰

(1.西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地 西安理工大學, 西安 710048;2.黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

景觀格局是自然因素和人類活動共同作用的結果，而人類活動的影響主要表現(xiàn)在土地利用變化對景觀格局演變的驅動[1]。景觀的空間配置與類型組成影響水循環(huán)，從而影響流域的水文過程[2-3]。從景觀生態(tài)學角度探討流域水文過程對景觀變化的響應，能夠揭示人類活動對流域水沙的影響[4]。近年來，大量關于景觀格局變化對水文過程影響的研究表明，人類活動通過改變土地利用空間結構，引起流域水文循環(huán)發(fā)生變化，進而改變徑流過程，并引發(fā)諸多生態(tài)環(huán)境問題[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給源[10]?；鞑粌H對維持河川徑流穩(wěn)定具有重要作用，而且在流域水資源開發(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]。對于以降水補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)基流研究一直以來是水文學研究的熱點。陳利群等[14]應用濾波法和改進的加里寧法對比分析了黃河源區(qū)的基流量，結果表明源區(qū)枯季的河川徑流基本上是由基流組成。Ahiablame等[15]應用遞歸數(shù)字濾波技術分割基流，并用基流、土地利用和流域地理特征資料建立回歸模型，預測了美國印第安納無資料地區(qū)的基流和基流指數(shù)(年基流量占年總徑流量的比重，簡稱BFI)。Santhi等[16]研究顯示，基流的時空變化與氣候、地形、景觀和地理特征有關，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)可以用來分析徑流對水文景觀帶的響應，建立多元回歸分析模型。然而，基流與景觀格局之間相互作用關系的研究報道仍相對較少。

清水河作為黃河的一級支流，是寧夏南部的重要產(chǎn)水區(qū)域[17]，探討區(qū)域基流變化，對該流域水資源的開發(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，分析了基流總體變化趨勢、景觀格局的變化特征以及基流與景觀格局之間的關系。在水資源短缺和水土流失嚴重的黃土干旱區(qū)開展此類研究，有助于認識干旱區(qū)水文循環(huán)特征及其轉化關系，可為更加客觀全面地評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量，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。徑流的特點是年內(nèi)分配不均，不僅有豐枯交替的特點，而且存在連續(xù)干旱的情況。徑流與降水的年內(nèi)變化關系十分密切，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)來源

徑流數(shù)據(jù)來源于黃土高原生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(http:∥www.loess.csdb.cn)以及黃河流域水文資料。土地利用數(shù)據(jù)來源于中國1∶10萬土地利用數(shù)據(jù)庫共4期，在Landsat TM和中國環(huán)境1號衛(wèi)星(HJ-1)影像的基礎上，采用人機交互解譯獲得。土地利用一級類型綜合評價精度達94.3%以上，二級類型分類綜合精度達91.2%以上[18]。

為增強景觀變化指標討論的科學性和可操作性，本研究對土地利用分類中的二級地類進行合并，形成六大類土地類型，即耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地。建立了景觀類型GIS數(shù)據(jù)庫。隨后運用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，導致采用的基流計算方法也有所區(qū)別。本研究采用枯季徑流分割法[19]對基流進行分割。具體方法：月徑流量最小的3個月(即最枯3個月)乘以4，得到年基流量。

1.3.2景觀格局指數(shù)計算應用景觀格局分析軟件FRAGSTATS 4.2，對流域的土地利用景觀空間格局特征參數(shù)進行分析，并計算相關的景觀指標。由于FRAGSTATS計算的50多種景觀指標可被分為3組級別，分別代表3種不同的應用尺度：(1) 斑塊級別：反映景觀中單個斑塊的結構特征，是計算其他級別景觀格局指數(shù)的基礎；(2) 類型級別：反映景觀中不同斑塊類型的結構特征；(3) 景觀級別：反映景觀的整體結構特征。因此，本研究選取斑塊個數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、周長—面積分維數(shù)(PAFRAC)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、斑塊結合度(COHESION)、景觀分割度(DIVISION)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)等12個指標，分析清水河流域上游景觀格局變化特征。上述指標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)的具體計算方法與地學意義見表1[20]。

1.3.3統(tǒng)計分析相關分析和回歸分析均在SPSS 16.0軟件下實現(xiàn)，趨勢分析由Mann-Kendall突變檢驗實現(xiàn)。

表1　景觀格局指數(shù)計算公式及其生態(tài)學意義

2　結果與分析

2.1　土地利用與景觀格局分析

2.1.1土地利用年際變化與轉換特征研究區(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的低覆蓋度草地轉化為中覆蓋度草地；1995—2013年，各地類轉化均不明顯。

1980—2000年，清水河上游占最大比例的景觀為草地，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，其中草地轉化為耕地1.96 km2，草地轉化為林地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，比上一時期略有增加。耕地面積增加的結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，流域景觀格局變化會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，共轉出1.71 km2，其中耕地轉化為草地0.57 km2，耕地轉化為水體0.19 km2，耕地轉化為建筑用地0.95 km2。其次為草地，從2000—2013年，草地轉出面積為1.45 km2，草地轉化為耕地的面積達1.35 km2，轉化為水體的面積僅為0.01 km2。最小的是水體，共轉出0.09 km2，其中，水體轉化為耕地0.03 km2，轉化為草地0.06 km2。地類之間存在相互轉換，互為補給源，轉出面積大于補給面積，地類面積減少，反之，地類面積增加。

表2　1980-2000清水河上游控制流域土地利用類型轉移矩陣　km2

2.1.2土地利用景觀格局1980年、1995年、2000年、2013年4個時期清水河上游控制流域景觀格局指數(shù)，計算結果見表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，總體斑塊個數(shù)呈增加趨勢，表明景觀趨于破碎化。相應的斑塊結合度(COHESION)開始基本保持不變隨后減小，說明其空間分布由穩(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，說明在2000年景觀連通性較高，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，而這一行為也導致了周長—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，說明斑塊類型趨于多樣化，景觀豐富度增加。

表3　2000-2013年清水河上游控制流域土地利用類型轉移矩陣　km2

表4　清水河上游控制流域景觀格局指數(shù)年際變化特征

在眾多景觀格局指數(shù)中，4個時期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，說明研究區(qū)內(nèi)土地利用豐富，且各斑塊類型分布狀況相對均衡。1980—2013年間各景觀格局指數(shù)相對穩(wěn)定，但SHDI在2013年有略微增大趨勢，說明近年來控制流域內(nèi)景觀多樣性逐漸增加，整體向好。總之，由于人為活動對流域影響越來越大，景觀類型趨于規(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年達到最大值，為81.33億m3；2009年最小，僅為0.95億m3?；髁空紡搅髁康谋壤^小，多年平均基流量為1.74億m3。上述結果表明，清水河上游年徑流量變化較大，其Cv值為0.73，波動性比較大。相對于徑流，基流的Cv值僅為0.57，則相對穩(wěn)定。

對于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，從側面反映出清水河上游流域徑流量主要來自于大氣降水，地下水對徑流的補給有限。尤其在2009年，徑流量僅為0.95億m3，基流量僅為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。Mann-Kendall趨勢檢驗表明徑流量呈顯著減少趨勢(p<0.01)，基流量呈極顯著減少趨勢(p<0.001)，徑流量在2009年發(fā)生突變。徑流量的變化過程大致經(jīng)歷了3個階段，1980—2006 年為徑流波動期，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的趨勢線可以看出，2007—2012年，清水河上游年降水量并無明顯減少。因此，本研究認為，造成清水河上游年徑流量出現(xiàn)3個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[21]。其原因包括兩方面：首先，2000年以后，耗水型地類面積增大，如低覆蓋度草地轉化成中覆蓋度草地，約轉化8.6 km2，導致流域用水量增加。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。正因為上述兩方面原因，導致流域徑流量在2006—2013年期間較多年平均值明顯減少。

2.3　景觀與基流關系分析

景觀格局指數(shù)綜合了景觀的阻滯能力及地理位置，反映了水土流失的潛在危險[21]。因此，徑流向下游運移時，會受到景觀空間格局的阻滯。為進一步研究景觀格局對水的影響，我們對徑流量、基流量和景觀格局指數(shù)分別進行Pearson相關分析。相比于徑流量，基流量、基流指數(shù)與景觀格局指數(shù)的相關性更好(表5)。

表5　徑流量、基流量、基流指數(shù)與景觀格局指數(shù)相關分析

注：*代表在0.05水平下顯著。

對比表6和表7的回歸方程，SHAPE_AM，COHESION，CONTAG，LPI這4個指數(shù)與基流量、基流指數(shù)回歸得到的線性回歸方程斜率均大于0，說明這4個指數(shù)與基流量、基流指數(shù)呈顯著正相關(p<0.05)，景觀格局指數(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個指數(shù)與基流量、基流指數(shù)回歸得到的線性方程斜率小于0，說明其與基流指數(shù)呈顯著負相關(p<0.05)，景觀格局指數(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)與景觀格局指數(shù)回歸方程的決定系數(shù)均在0.66以上，且均達到顯著水平(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個指數(shù)與基流的回歸方程斜率大于0，而其余4個指數(shù)與基流的回歸方程斜率小于0。這說明SHAPE_AM，COHESION，LPI，CONTAG對促進基流產(chǎn)生具有積極作用，而SIDI，PRD，PAFRAC和NP則對基流產(chǎn)生具有抑制作用。

表7　基流指數(shù)與景觀格局指數(shù)回歸分析

注：*代表在0.05水平下顯著

線性方程的斜率代表了自變量與因變量之間的變化速率。對比表6和表7發(fā)現(xiàn)，回歸方程斜率最大的景觀格局指數(shù)均為COHESION，SIDI，PRD和PAFRAC共4個指數(shù)，其中，PRD和PAFRAC的斜率最大，說明這兩個指數(shù)對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，斑塊類型的形狀越復雜，說明流域的破碎化程度越高，空間異質性越強。在此條件下，流域內(nèi)景觀格局對徑流的利用及分配作用增強。

3　討 論

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

(2) 清水河流域上游草地和耕地的破碎度較高，斑塊形狀也較復雜，林地、建設用地分布趨于集中化，破碎度減小，形狀趨于簡單化。在景觀水平上，雖然草地仍為主導性的土地利用景觀格局，但耕地和林地的面積略有增加。雖然清水河流域內(nèi)草地景觀斑塊類型面積較大，但該斑塊類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]，而非下滲進入土體形成基流。由于植被恢復引起的水分消耗[24]，導致研究區(qū)河道徑流與基流均相應減少。

(3) 隨斑塊密度和周長—面積分維數(shù)增大，流域內(nèi)景觀格局被分割的破碎化程度越高，斑塊類型的形狀越復雜，空間異質性程度越強。這說明在流域生態(tài)環(huán)境治理中，不僅要重視流域景觀承載能力，還要關注斑塊類型之間的延展性和連接度，避免斑塊過度破碎所引起的負面生態(tài)效果[25-26]。在流域生態(tài)建設中，不僅要注重景觀類型的均一化程度，還要重視景觀格局對水文過程的響應，應尋求合理的景觀格局配置，進而提高流域的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[27]。

4　結 論

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

(2) 近三十年原州流域徑流量呈減小趨勢，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，說明清水河河道徑流主要來自地表徑流，基流的貢獻很小。

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

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