基于“源”“汇”景观指数的定西关川河流域土壤水蚀研究

2013-09-15李海防李旭春张佰林

生态学报 2013年14期

李海防，卫伟，陈瑾，李旭春，张佰林

(1.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100086;2.桂林理工大学旅游学院，桂林 541004;3.定西市水土保持科学研究所，定西 743000)

景观格局与生态过程的相互关系是景观生态学研究的核心内容。陈利顶等［1，2］基于大气污染研究的“源”“汇”理论，提出景观“源”“汇”的概念和理论，认为可以根据不同景观类型的生态功能，将大地景观简单划分为“源”“汇”两种景观类型，从而将景观格局融于生态过程中。“源”“汇”景观格局理论融合了景观的类型、面积、空间位置和地形特征，方法简单实用，能较好地刻画生态过程的空间异质性［3］。在黄土高原，土壤水蚀的产生和迁移过程与地表景观的空间格局密切相关，不同类型景观的水土流失贡献具有很大差异。一些景观类型起到“源”的作用;另一些景观类型起到“汇”的作用;同时，一些景观起到了传输的作用［4］。利用“源”“汇”景观指数［2］(LWLI)，探讨景观格局与土壤水蚀的关系，是黄土高原水土保持研究的重要内容，因而，本研究以甘肃定西关川河流域为研究对象，结合实地调查的方法，解译1995年、2000年、2005年和2010年的TM影像，获得关川河流域15a土地利用格局演变图，运用LWLI表征景观空间分布格局，分析流域景观格局演变与土壤水蚀的关系。本研究对深入了解黄土高原“退耕还林还草”工程与流域水土流失过程的关系，有效控制土壤水蚀，优化黄土高原的治理，具有重要的理论和实践意义。

图1 关川河流域地理位置Fig．1 Location of Guanchuanhe River basin

1 研究区概况

关川河流域位于35°17'—36°14'N，104°11'—105°01'E之间，属黄土高原丘陵沟壑区(图1)。关川河发源于甘肃省定西境内，在郭城驿汇入祖厉河，全长百余公里，流域面积3 535 km2。流域海拔在1 420—3 941 m之间，属中温带半干旱气候。年平均气温为7.2℃，无霜期122—160d，年平均降水量370 mm，年蒸发量1400 mm以上。长期以来，受自然、人为等多种因素的影响，这里沟壑纵横，梁峁起伏，植被稀疏，黄土裸露，水土流失严重，平均年土壤侵蚀模数为5 252.7 t/km2［5］。1999年，关川河流域大力实施“退耕还林还草”工程，流域水土流失得到有效的控制［6-8］。

2 研究方法

2.1 “源”“汇”景观类型的划分

遥感影像采用美国陆地资源卫星(LANDSAT 5)于1995年7月、2000年7月、2005年8月和2010年7月拍摄的TM影像，空间分辨率都为30 m。首先，对遥感影像进行几何校正和影像配准，以目视解译和外业调查的结果为辅，进行监督分类和分类结果精度评价，形成平均分类精度达到85%以上的景观类型图(图2)。参照土地利用分类标准(GB/T 21010—2007)，并根据当地实际情况及后续研究的需要，将关川河流域景观分为农地、林地、草地、建设用地、水体和裸地6种景观类型。最后，根据“源”“汇”景观理论，依据土壤水蚀过程划分“源”“汇”景观(表1)。根据前期研究［9-14］，农地是土壤水蚀的主要“源”景观，而建筑用地和裸地由于没有地表植被，容易造成水土流失，也划分为“源”景观。林地和草地由于植被覆盖良好，对地表径流有滞留作用，因而和水体一起归为“汇”景观。RUSLE模型是研究黄土高原时应用最广泛的水蚀模型。RUSLE模型全面考虑了影响土壤水蚀的过程因素，包括降雨侵蚀力(R)、土壤可蚀性(K)、坡度坡长(LS)、植被覆盖与管理因子(C)、水土保持措施(P)五大因子，其中，C值能反映植被覆盖和管理变量对土壤侵蚀的综合作用。在很多前期文献中［1-3］，都有用RUSLE模型里的C值来替代土壤水蚀贡献的先例。因此，本研究根据前期相关研究［1-3，15-16］，借鉴土壤侵蚀通用方程中的C值，对不同景观类型的土壤水蚀贡献给予权重赋值(表1)。

图2 关川河流域景观格局图1995年，2000年，2005年和2010年Fig．2 Landscape pattern in Guanchuanhe River basin from 1995 to 2010

表1 关川河流域“源”“汇”景观分类Table 1 Classification of source and sink in Guanchuanhe River basin

2.2 “源”“汇”景观指数的引入

陈利顶等［2］利用了洛仑兹曲线公式建立了“源”“汇”景观指数，按照相对距离、相对高程和坡度统计“源”“汇”景观的面积，以相对距离、相对高度和坡度为横坐标，景观累积面积为纵坐标绘制曲线，最后，运用公式(1)和(2)计算“源”“汇”景观指数:

式中，LWLI是“源”“汇”景观指数，LWLIdistance、LWLIelevation和LWLIslope表示分别以相对距离、相对高程和坡度为横坐标建立的“源”“汇”景观分指数，Asourcei和Asinkj分别指“源”景观和“汇”景观在洛仑兹曲线中的累积面积，Wi和Wj指“源”景观和“汇”景观的权重，APi和APj指的是“源”景观和“汇”景观在流域内的面积比例，m和n为“源”景观和“汇”景观的类型数目。

2.3 土壤水蚀数据处理

土壤水蚀数据以定西水文水资源勘测局提供的1990年到2010年5—9月间关川河流域水文定点监测数据为依据，计算土壤水蚀过程的特征指标，包括河川径流量、径流系数和侵蚀模数。最后，利用SPSS统计软件进行“源”“汇”景观指数与土壤水蚀的相关分析。

3 结果与讨论

3.1 不同景观类型随相对高程、相对距离和坡度的空间分布

“源”“汇”景观指数借用洛伦兹曲线理论，将流域的“源”“汇”景观空间分布与流域出水口相比，计算不同景观类型随相对高程、相对距离和坡度的空间配置，结果见图3，利用公式(1)和(2)计算“源”“汇”景观指数(图4)。相对高程用各栅格单元高程与流域出水口的高程之差来表示，差越大，泥沙的输移比越大，向流域出水口输送的泥沙就越多［17］。从图 4可以看出，关川河流域在1995年、2000年、2005年和2010年的LWLIelevation指数分别为0.796、0.737、0.575和0.573。1995年到2010年的LWLIelevation指数呈逐年降低的趋势，说明随着高程的不断增加，“源”景观的土壤水蚀贡献逐渐小于“汇”景观的贡献。这表明自1999年施行“退耕还林还草”后，分布在高海拔的“源”景观，如农地，逐年减少，而“汇”景观，如林地和草地，面积逐渐增加(图2和图3)，从而导致LWLIelevation指数下降。也就是说，“退耕还林还草”工程的实施主要集中在高海拔地区，农田向林草地的转移比率大，“源”景观的土壤水蚀作用小于“汇”景观的截流作用，导致流域土壤水蚀量逐年减少。

相对距离用流域各栅格单元到流域出水口的距离来表示。相对距离越远，泥沙运移的途径越长，发生沉积的几率越大，泥沙输移比越小，向河道输送的泥沙就越少［17］。图4结果显示，关川河流域在1995年、2000年、2005年和2010年的LWLIdistance指数分别为0.777、0.749、0.576和0.542，也呈逐年下降的趋势。这表明在相对距离这个空间要素上，离流域出水口距离较长的“源”景观面积逐渐减少，“汇”景观面积逐步增加。这也可以从图2中看出，从1995年到2010年，远离流域出水口的林地和草地景观持续增加，而农地景观持续减少，这种“源”“汇”景观空间布局有利于保持水土，抑制土壤水蚀。

土壤水蚀过程受地形坡度的影响较大，坡度越大，土壤水蚀量越大，流域产沙越多;且随着坡长的增长，坡面流累积增大，土壤水蚀随之增加［17］。在图4中，关川河流域1995年、2000年、2005年和2010年LWLIslope指数分别为0.787、0.774、0.576和0.525，也是逐年下降。这表明“源”、“汇”景观随坡度分布的格局越来越有利于水土保持，LWLIslope取值越小，水土保持效益越高。在图3中，流域不同景观类型随坡度的分布格局基本相似，但也有所差异:林地主要分布在坡度较小的地区，而草地则主要分布在坡度较大的地区。在2010年，水体景观主要集中在小坡度地区，这也从侧面反映了水资源对林草地格局的影响。

3.1 “源”“汇”景观指数综合分析

图4为关川河流域1995年到2010年“源”“汇”景观综合指数变化，可以看出，“源”“汇”景观综合指数LWLI从1995年的0.786，下降到2000年的0.713，最后下降到2005年的0.573，但2010年的 LWLI值比2005年又有所提高，为0.593。这说明“退耕还林还草”工程实施后，流域土地利用结构急剧变化，25°以上的陡坡农地“源”景观显著减少，林草地“汇”景观显著增加，但在2010年，距离出水口较近的山区农地面积又有所回升(图2和图3)。这就说明尽管关川河流域在努力推行“退耕还林还草”工程，但由于地区人口的扩张和自然资源的限制，局部地区农地扩张的压力依然很大。

图3 1995年到2010年关川河流域不同景观类型随LWLIelevation、LWLIdistance和LWLIslope的空间分布Fig．3 Spatial distribution of different landscape types related to elevation，distance and slope in Guanchuanhe River basin from 1995 to 2010

3.2 “退耕还林还草”前后水土流失演变

利用关川河流域出水口水文定位站和气象站的监测数据，统计1990年到2010年20a间河川径流量、径流系数和土壤侵蚀模数年际变化，代表关川河流域土壤水蚀演变情况。结果表明(图 5)，从1990年到2010年，流域20a大气降水并没有发生显著变化，年平均降雨量方差分析不显著(P＞0.05)。但从流域出水口的河川径流量、径流系数及5—9月的侵蚀模数来看，关川河流域出水口的河川径流量和径流系数呈持续减少的趋势，土壤侵蚀模数也在逐年减少。河川径流量和土壤侵蚀模数在1995年达到最大值，分别为6.56 m3/s和4589.30 t/km2，最低值分别是2001年的1.11 m3/s和2010年的225.15t/km2。这表明“退耕还林还草”工程实施后，水土流失有所缓解，流域景观格局朝良性方向发展。

图4 关川河流域1995年到2010年“源”“汇”景观指数Fig．4 LWLI of Guanchuanhe River basin from 1995 to 2010

图5 关川河流域1990年到2010年水土流失演变Fig．5 Changes of soil and water losses in Guanchuanhe River basin from 1990 to 2010

表2 “源”“汇”景观指数对水土流失指标的响应Table 2 Soil and water losses response to LWLI

3.4 景观格局演变与水土流失的关系

从表2的“源”“汇”景观综合指数对土壤水蚀指标的响应关系来看，流域侵蚀模数随“源”“汇”景观指数的降低而降低，具有显著的正相关关系(R2=0.920，P＜0.05)。由此可见，“源”“汇”景观空间上的分布格局对流域的河川径流、径流系数和土壤侵蚀模数都具有显著的响应关系，景观空间分布格局对流域水土流失具有重要的影响，对水土流失的年际变化作用明显。同时，本研究也说明LWLI指数能够较好地反映流域土壤水蚀规律，“源”“汇”景观指数可作为流域水体流失评价的有效方法之一。

4 结论

(1)关川河流域1995年、2000年、2005年和2010年的LWLIelevation，LWLIdistance和 LWLIslope指数都呈逐年降低的趋势。在高海拔和距离流域出水口较远的地区，“源”景观的贡献逐渐小于“汇”景观的贡献。林地主要分布在坡度较小的地区，而草地主要分布在坡度较大的地区。

(2)关川河流域“源”“汇”景观综合指数自1995年到2000年持续下降，但2010年的LWLI值比2005年又有所提高，这说明尽管关川河流域在努力推行“退耕还林还草”工程，但由于地区人口的扩张和自然环境的限制，某些地区农地扩张的压力依然很大。

(3)1990年到2010年20年间流域大气降水没有发生明显变化，但河川径流量、径流系数和土壤侵蚀模数逐年减少。“源”“汇”景观指数与土壤侵蚀模数都具有显著正相关关系。LWLI指数能较好地反映流域土壤侵蚀规律，可作为流域水体流失评价的有效方法之一。

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