基于水土流失风险的流域景观格局识别方法研究

张桐艳，贺敬滢，李光录，朱首军，周茂玲

（1.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌712100；2.洋县水土保持工作站，陕西 洋县723300）

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

丹江河流域位于东经109°30′—112°00′，北纬32°30′—34°10′。河流自西北至东南，地势东低西高，海拔为600～1 200m，丹江在陕西省境内的流域面积为7 510.8km2，多年平均径流量为18.9亿m3。丹江流域地势由西北向东南降低而敞开，有利于低空东南暖湿气流向该区域内侵入，所以具有亚热带气候和暖湿带气候特点。年平均气温由北向南、由西向东递增。多年平均气温为11～14℃，丹江流域降水量受气候和地形的影响，降水分布极不均匀，年降水量随地形高度增加而递增，因而山地为多雨区，河谷及附近川道为少雨区。该流域年平均降水量为743.5 mm，多年平均径流量为8.2亿m3，受季节性气候变化的影响，径流的年内分配不均，枯水期河水主要靠地下水补给。土壤主要有黄棕壤、棕壤、黄褐土和水稻土。生物资源丰富，共有3 000多种，各类树种2 100余种，地带性景观以落叶—常绿阔叶混交林，落叶阔叶—针叶混交林为主，动物近800种［11］，森林覆盖率高达50%。

1.2 研究方法

1.2.1 “源—汇”景观的确定 在景观生态学中，“源”景观和“汇”景观的区分，应结合具体的过程进行分析，“源”景观是指在格局与过程研究中，那些能促进生态过程发展的景观类型；“汇”景观是那些能阻止和延缓生态过程发展的景观类型。然而，由于“源”、“汇”景观是针对生态过程而言，在识别时，必须和待研究的生态过程相结合。只有明确了生态过程的类型，才能确定景观类型的性质［12］。本文以水土流失过程来确定景观类型。流域内一些景观类型在降雨过程中产生大量的地面径流，土壤流失严重，在流域中起到了“源”作用，如农田、居住用地、裸地，因此可以认为是一种“源”景观类型；对于许多自然景观类型，由于树根深而交错盘结，固土能力强，可以防止土壤流失，在一定程度上具有坡面截留作用，减少地面径流，在流域中起到了“汇”的作用，如林地、灌木林地和草地，因此，可以认为是一种“汇”景观类型。同时一些景观（比如河流水体）起到了传输的作用［5］。

地形被认为是影响流域水文过程的重要因素，尤其是坡度对流域的水、沙输移具有重要的影响［13］。本文利用坡度因子判断流域的“源”“汇”景观格局，对于研究一个流域水土流失形成的危险性具有重要意义。如果流域中“源”景观单元分布的坡度越小，“汇”景观单元分布的坡度越大，流域会产生较少的水、沙输出，发生水土流失的风险就小；反之，如果流域“源”景观单元分布的坡度越大，“汇”景观单元分布的坡度越小，并有较多的“源”集中分布，而缺乏“汇”的滞蓄作用，流域将会有较多的水、沙输出，发生水土流失的风险就大［14］。

1.2.2 景观格局指数的构建 陈利顶［10］提出借用洛伦兹曲线理论来确定“源”、“汇”在空间的分布格局。洛伦兹曲线最早是用来描述不同人群的财富分布的一种曲线，它实际上刻画的是某一因素在递增过程中，另一个与其相关的变量的累积过程。本文以坡度作为一个景观空间分布因素，构建不同景观类型在坡度递增过程中累积的曲线（图1）。从图1看出，O（0，0）表示0坡度，C点表示流域最大坡度，横坐标OC表示坡度的递增过程，纵坐标OA表示与坡度对应的景观类型的面积累积（取值范围0～1）。OEB表示的是绝对平均分布曲线，如果“源”、“汇”景观均匀分布在流域中，那么将会出现OEB的分布曲线，在这种情况下，如果“源”“汇”景观在流域中的比例相同，同时假设他们单位环境效应相同，那么这种流域景观格局的环境效应在理论上处于正负平衡状态。如果“源”“汇”景观在空间上分布不均匀，如ODB、OFB（ODB、OFB分别表示源、汇景观类型随坡度增加的面积累积曲线）曲线所示，在坡度上的分布情况可以用各景观类型面积曲线与直线OC、CB组成不规则三边形的面积来判断。如果曲线呈凸型并且接近于A点，表示该景观类型在空间分布上主要分布在缓坡度范围，它们对流域水沙输移过程的作用相对较小，此时该曲线与直线OC、CB构成的不规则多边形的面积较大；当曲线呈凹型并接近于C点时，则表示该类景观主要分布于坡度较陡的地带，它对水、沙输移的作用相对较大，此时该曲线与直线OC、CB构成的不规则多边形的面积较小。对于任何一个流域都可以得出每一种景观类型空间分布的累积曲线。以每一种景观类型的0坡度分布（OAB）为标准，衡量其实际坡度空间分布，可以构建出景观坡度指数：

式中：LSI——某一景观类型的坡度指数；SOFBC——某一景观面积累积曲线构成的不规则多边形面积；SOABC——如果该景观全部分布在0坡度时的面积累积曲线构成的不规则多边形面积。LSI的值越大，表示景观类型分布的坡度越大，对水土流失的风险越大。

图1 “源”“汇”景观空间分布示意图

如果从不同景观类型的“源”“汇”作用来考虑，可以将各种景观类型划分为对水土流失过程起到“源”作用和起到“汇”作用两类，构成“源”“汇”景观空间对比指数，其可表示为：

式中：LCI——景观负荷对比指数；SODBC——源景观面积累积曲线构成的不规则多边形面积；SOFBC——汇景观面积累积曲线构成的不规则多边形面积；对于坡度来说，LCI的值越大，表明源景观分布在坡度较小的地方，水土流失的风险较低。

上面仅仅讨论了“源”“汇”景观类型的流域景观格局指数，实际上不同景观类型对水土流失的贡献差异较大。为了客观准确地比较它们在水土流失过程中的作用，需要对不同景观类型进行标准化处理。对此可以选择一种标准的“源”“汇”景观类型，通过比较，可以对其他景观类型赋予一定的权重［15］。为客观的评价景观类型在水土流失过程中的作用，从影响水土流失的影响因素（坡度、植被覆盖度与土地利用类型）来作为改进景观格局指数的依据。由此公式（2）可以改进为：

式中：LCIx——第x个子流域景观负荷对比指数；SiODBC，SjOFBC——第i种“源”景观和第j种“汇”景观在洛伦兹曲线图中面积累积曲线组成的不规则多边形面积；wi，wj——第i种“源”景观和第j种“汇”景观的地面覆盖度；PCi，PCj——第i种“源”景观和第j种“汇”景观在流域中所占的百分比。对计算结果取对数主要是为了控制LCI的变化范围；取对数后，LCI的值将在0左右变化。当LCI的值为0时，表示“源”“汇”景观在流域尺度上处于均匀分布状态，这种格局在各个坡度上相平衡；当LCI的值大于0时，表明流域内“源”景观在坡度上要大于“汇”景观，该流域水土流失风险较小；当LCI的值小于0时，表明“汇”景观在坡度上要大于“源”景观，该流域水土流失风险较大。在理论上，LCI的值越大，流域水土流失风险越小，反之越大。

1.2.3 景观格局指数的计算 应用国家科学数据服务平台数据库中2007年夏季的丹江流域TM影像作为数据源，由专家通过计算机屏幕进行人工解译，形成1∶5万比例尺成图标准的数字化土地利用／土地覆被专题地图［16－17］。地形数据采用中国科学院地理与资源研究所提供的1∶25万地形。在地理信息系统软件ArcGIS支持下建立丹江流域数字高程模型（DEM），在此基础上生成流域坡度图，并将丹江流域划分为9个子流域［18－19］。将丹江流域土地利用数据与坡度数据叠加，统计每个子流域不同土地利用类型的坡度分布数据，并绘制每个集水区每种土地利用类型的洛伦兹曲线，采用积分计算每种土地利用类型的洛伦兹曲线多边形面积，得出每个集水区每种土地利用类型的景观坡度指数。归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是根据植被反射波段的特性计算出来的反映地表植被生长情况、覆盖情况、生物量情况和植被种类情况的间接指标，被广泛应用于植被覆盖的定量研究，研究认为植被覆盖程度对水土流失有重要的影响，所以本研究NDVI值来自 TM 2004—2009年夏季数据［20］（表1），从而得到景观空间负荷对比指数。

2 结果与分析

2.1 景观组成结构分析

表2所示丹江流域陕西境内9个子流域土地利用类型组成结构，由表1可以看出，流域分为南、北两岸，丹江流域上游北岸板桥河子流域土地利用以中低覆盖度草地和耕地等水土流失的“源”景观所占比例较大，二者合计共占流域总面积的50%以上，其它类型所占比例较小；会峪河和老君河子流域主要以“汇”景观为主，土地利用类型以森林、果园和高覆盖度草地的“汇”景观所占面积比例较大。流域上游南岸南秦河子流域的“汇”景观类型面积大于“源”景观类型面积。处于流域中下游北岸的清油河、武关河和湘河等子流域土地利用以森林和高覆盖度草地等“汇”景观所占比例达到50%以上，说明在这些子流域中，“汇”景观面积大于“源”景观面积。流域中下游南岸主要有县河和银花河两个子流域，县河子流域中“源”景观面积大于“汇”景观面积，“源”景观主要以耕地为主；而银花河主要以“汇”景观占主导地位，土地利用类型以果园为主（表2）。

表1 丹江流域土地利用类型的植被指数

表2 丹江流域土地利用类型组成

2.2 景观格局坡度分析

景观坡度指数是把景观空间分布与地形平坦状况结合起来，描述景观地形空间分布格局的一个重要指标。

表3所示为丹江流域各子流域不同土地利用类型的景观坡度指数，耕地和居住用地一般分布在地势平坦的河川谷道地，河谷比较开阔，河滩较多，是农田的主要分布区。森林、灌丛、疏林地、高覆盖度草地等一般分布在坡度相对陡峭的峡谷地带，一般景观坡度指数都在3.0以上。其中，板桥河、南秦河流域疏林地坡度指数最大，对水土流失影响较大；会峪河、老君河流域景观坡度指数在1～3，在各个坡度上各类景观分布较为均衡；清油河流域中灌丛林地坡度指数达到最大，灌从林地主要位于清油河河源至两岔段的峡谷地段；武关河除了河口有较大片耕地外，其它河段全部为峡谷，因此武关河流域各景观分布较为均衡；湘河流域花子潭至对窝坪段，河峡深切，谷坡陡峭，低覆盖草地主要分布在此段，景观坡度指数最大。县河流域景观坡度指数整体较低，银花河流域除了耕地和居住用地外，景观坡度指数整体较高。

2.3 景观“源－汇”负荷对比分析

景观空间负荷对比指数反映的是“源”、“汇”在空间上分布的相对性，计算出的指数越大，意味着该流域发生水土流失的危险性越小，因此，该方法在水土流失危险性评价中具有重要参考价值。丹江流域由于受自然环境的限制及人类活动的干扰，各个子流域土地利用景观空间负荷对比指数差异很大。从表3和图2可以看出，板桥河和清油河子流域景观空间负荷对比指数大于0，表明流域内“源”景观在坡度上要大于“汇”景观，该流域水土流失风险较小，这两个子流域虽然地处山区地带，地形陡峭，坡度较大，但流域的主要土地利用类型是地表覆盖度很好的森林和高覆盖度草地等水土流失“汇”景观，而耕地和人类活动干扰产生的低覆盖度草地等“源”景观主要分布于流域的下游坡度较小的平地，子流域内“汇”的作用大于“源”的作用，所以这两个子流域水土流失风险相对低；南秦河与银花河子流域景观空间负荷对比指数小于0，但大于负0.1，表明“汇”景观在坡度上要大于“源”景观，该流域水土流失风险相对较大，子流域上游一般为植被覆盖相对比较好的森林、疏林和灌丛等“汇”景观类型，但由于人类过渡的土地开发利用，流域中、下游土地利用类型多为耕地和中、低覆盖类型草地等“源”景观，“源”、“汇”景观在流域内分布不均衡，导致这些子流域处于水土流失中风险区；会峪河、老君河、武关河、湘河、县河子流域景观空间负荷指数小于负0.1，说明这些流域处于水土流失高度风险区，“源”景观坡度指数较大，地面覆盖程度较低，以耕地和中、低覆盖度草地等源景观类型，由于受地形影响主要分布于坡度相对陡的谷坡，所以景观空间负荷对比指数很小。

表3 丹江流域各子流域植被景观格局数量特征

图2 丹江流域水土流失景观风险区

3 结论

丹江流域是南水北调中线工程的水源区，为保证京津唐地区的水质安全，应降低水源区水土流失风险，减少非点源污染。流域水土流失过程是多种因素共同作用的结果，包括气候因子、地形因子、植被因子和人类干扰作用等方面。流域上游区域除了板桥河子流域的景观空间负荷对比指数大于0，该子流域土地利用以中低覆盖度草地和耕地等水土流失的“源”景观所占比例较大，属于水土流失低风险区；其余流域（会峪河、老君河、南秦河）的景观空间负荷对比指数都小于0，流域内“源”景观分布的坡度较大，因此流域处于水土流失高度风险区。流域下游区域除了清油河景观空间负荷对比指数大于0，其余流域（武关河、湘河、县河、银花河）景观空间负荷对比指数都小于0，尤其流域北岸的武关河和湘河指数达到最小，表明流域内“汇”景观坡度指数较大，发生水土流失的风险较高，子流域上游一般为植被覆盖相对比较好的森林、疏林和灌丛等“汇”景观类型，但由于人类过渡的土地开发利用，流域中、下游土地利用类型多为耕地和中、低覆盖类型草地等“源”景观，“源”、“汇”景观在流域内分布不均衡，导致这些子流域存在一定程度的水土流失风险。

本文通过比较研究不同景观类型在水土流失过程中的作用，借用洛伦兹曲线的理论和方法，通过比较不同“源”、“汇”景观类型对生态过程的贡献进行赋值，在此基础上，提出了“源”“汇”景观空间负荷对比指数，利用坡度因子判断流域的“源”“汇”景观格局的合理性，指数的大小可以反映景观空间格局对生态过程的影响。该模型充分考虑了格局与过程的关系，从而为研究景观格局与生态过程提供了一个新的思路。

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