景观格局对流域水文影响研究指标的分析

黄 丽 萍

(1.重庆市市政设计研究院，重庆 400020； 2.中国医药集团 重庆医药设计院，重庆 400042)

土地利用方式影响着诸如化学物质输入输出、径流、土壤、植被类型、地形地貌、耕作方式等因素[1]，河流水质与流域人类活动之间的关系的研究，最早始于土地利用对河流水质的影响。自土地利用/覆被变化(LUCC)成为全球变化研究的重要领域之一[2]，LUCC的水质效应方面研究成为人们关注的焦点，但是研究缺乏对土地利用类型空间镶嵌关系与水质间关系的探究，而景观生态学中景观格局理论，为解决该领域开辟了一条崭新的途径，特别是遥感技术(RS)、地理信息系统(GIS)和多元分析等技术的成熟促进了相关研究的发展[3]。

景观格局是指大小形状不一的景观斑块在空间上的配置。景观格局是景观异质性的具体表现，同时又是包括干扰在内的各种生态过程在不同尺度上作用的结果。景观格局分析的目的是从看似无序的景观斑块镶嵌中，发现潜在的有意义的规律性。正是这种潜在的规律性与河流的水文水质存在强烈的相互作用，进而成为了目前景观生态学研究热点之一。

景观格局的水文响应的研究中，许多景观指数与水文水质间的关系并不明确，甚至不同学者的研究还得出了不同的结论，这究竟是地域差异还是研究误差有待证明。如张大伟[4]在对入太湖河流武进港的区域景观格局与河流水质进行相关性分析得出多样性指数与污染显著负相关；黄金良等[5]在对九龙江流域土地利用/景观格局——水质的初步关联分析中却得出多样性指数与污染显著正相关，前者分析是随着景观多样性的增加，各种斑块类型的分布也越均衡，而建设用、地耕地这样的主要污染输出类型在景观中的优势程度和主导作用也会有所降低，因此氮营养盐、有机污染物的产生对水体的影响也会相对有所减缓，后者认为，高的多样性指数意味着强度更大的人类干扰，水质下降的风险也会相应地增加。

对流域景观变化与水文变化间的相互作用是一个复杂的耦合过程，多数学者在对该过程进行研究时对所选择的指标并未经过深入的分析和筛选，使得选择的指标缺乏说服力，因此要对景观格局的变化与水文水质相互作用机制进行定量分析，必须选择正确的研究指标，包括水文指标、水质指标和景观格局指数，只有选择了合理的指标，进而对指标进行量化分析，才能对景观格局变化与水文水质间的作用机制进行准确有效的分析。无效指标的选择不仅会加重课题研究的力度，而且可能得出一些无效的研究结果，甚至对结论产生误导，因此指标的选择应建立在景观格局变化与水文水质间的定性分析上，寻找两者间的内在关联，进而选择能反应两者间作用机制的指标。

在基于已有研究结论的基础上，对研究过程中指标指数的选择进行了分析和建议，以期为后续研究提供理论借鉴。

1 水文指标的选择

图1 下垫面

下垫面(Underlying surface)是指与大气下层直接接触的地球表面(图1)。大气圈以地球的水陆表面为其下界，称为大气层的下垫面，它包括地形、地质、土壤和植被等。水通过降雨到下垫面，在下垫面发生截留、填洼、下渗、径流和蒸发最后又回到大气，水循环周期进行，维持着全球的水量平衡，可见下垫面对水循环的重要性。然而人类活动造成的土地利用与覆盖的变化使下垫面水力特征发生了巨大的改变，变化的土地覆被状况与近地表面的蒸散发、截留、填洼、下渗等水文要素及其产汇流过程密切相关[6]，从而也大大改变了天然的水循环过程。

1.1 径流系数

无论是直接影响蒸发还是延迟产流，从较长时间尺度上讲，土地覆盖变化的水文效应最终表现在流域水量平衡的蒸发分量上[7]。径流系数指任意时间段内的径流深度与同时段内的降水深度的比值，它说明了在降水量中有多少水变成了径流，它综合反映了流域内自然地理要素对径流的影响，指示了一个地区产流能力的大小，也间接地指示了该地区蒸散发量的大小，能较好的综合表征景观格局变化下的水文效应。因此，径流系数不失为一个能很好反映LUCC/景观格局变化水文效应的工具[8]。

1.2 年径流深变差系数

年径流深变差系数反映年径流量总体系列离散程度，影响年径流Cv值大小的因素主要有年径流量、径流补给来源和流域面积大小3个方面。根据上述分析植被、土壤及小水面对产流汇流的调节作用可以使年径流区域稳定，景观格局的变化这一稳定性也将改变，因此选取年径流深变差系数来衡量流域对径流的调节作用。年径流深变差系数是反映径流年际变化的一个指标，变差系数愈大，表示径流年际的分配愈不均匀，景观类型对径流的调节作用越小，尤其是在分析植被景观格局。

1.3 洪水特征参数

尽管径流系数能够很好的指示流域景观格局变化下的水文效应，但是仍存在一定缺陷。随着人类活动对流域干扰的愈发剧烈，生活用水、工业用水以及农业用水的增加也对径流量的多少产生了必不可少的影响。比如，某一地区由于不透水面的增加，植被、洼地、池塘等的减少，截留、下渗及蒸散发量减少，理论上径流量将会增加，但是，由于剧烈的人类活动的大量用水干扰，径流量的变化将不一定明显。因此需要寻找一个水文指标能够排除人类用水的干扰。

洪水通常是指由暴雨、急骤融冰化雪、风暴潮等自然因素引起的江河湖海水量迅速增加或水位迅猛上涨的水流现象。因此，综上分析，对于河流，洪水可以体现短时间内流域产流和汇流特点，可以排除由于人类活动中用水量的干扰。

1.4 水质指标

随着城镇化的发展，污水处理系统的不断完善，点源污染已逐渐收到控制，非点源污染成为了水污染最主要的因素。非点源污染的成因有水土流失、城市膨胀、农药化肥过量使用、废弃物堆放等，土地利用方式不合理是关键。非点源来源面广，它夹带着大量的泥沙、营养物、有毒有害物质进入江河、湖库，引起水体悬浮物浓度升高、有毒有害物质含量增加，溶解氧减少，水体富营养化和酸化。从世界范围来看，非点源已成为水环境的一大污染源或首要污染源[9]。在美国，60%的水环境污染起源于非点源。在奥地利北部地区，据计算进入水环境的非点源氮量远比点源大。丹麦270条河流94%的氮负荷、52%的磷负荷是由非点源污染引起的。荷兰农业非点源提供的总氮、总磷分别占水环境污染总量的60%和40%～50%。在我国，非点源污染问题也日益严重，在太湖和滇池等重要湖泊，非点源污染已经成为水质恶化的主要原因之一。

植被和水域面积被建筑用地覆盖，降低了自然界对水体N、P及固体悬浮物和有机物的去除作用；并且城市化不透水面积的增加和雨水管网的完善，加剧了地表径流的污染，同时在农业面远的污染下，综合以上几种对水质有明显作用的景观类型下的水质特点，参考已有研究经验[4-5，9-14]，考虑到可行性及效率问题，在本研究中分析景观格局变化与水质间的响应关系时选取非点源污染的典型指标：TN、TP、SS、CODMn。

2 景观指数的选择

单纯土地利用和覆盖方式是不足以完全评价景观格局的水文响应，还需充分考虑到各景观类型分布的空间关系。但景观格局指数层出不穷，在已有的研究中由于没有统一原则而导致指数选取的不规范使得研究结果的说服力欠缺，并且许多学者在选用景观指数时都直接套用了景观格局与物种研究中的景观指数，而这属于两类不同的景观格局的生态响应，因而不能等同视之。因此如何选择有效的指数进行研究成为了研究中重点问题之一。

根据水文指标和水质指标的选择分析，下垫面因素是影响水文水质变化的重要因素，因此在研究景观格局与水文水质间的相互影响机制时，必须考虑到下垫面类型的分布情况，同时大多数的研究也证明了景观类型与水文水质直接相关[12-17]。因此，景观类型水平上的斑块面积有必要选择，但是并非斑块面积较广，其对水质的净化作用和对雨水的产流汇流作用就越明显，这还与景观类型分布的聚集度和破碎度等空间异质性相关[18]。

例如，植被斑块在截留和径流调蓄中起核心作用，植被斑块的性质会显著影响到斑块格局和生态水文过程。如植被斑块面积大，数量多，连通性好，径流侵蚀量就会减少，截获的水分和养分增加。Ludwig等[19，20]在分析植被斑块形状的时候，比较分析了各种斑块形状特征对径流、泥沙及养分的截获能力，结果表明带状斑块较点状斑块径流截持率增加约8%，可见一定流域上并非单纯有较广的植被面积径流调节就强，这还与植被的连通性相关。再如，官宝红等[11]研究证明在100 m的缓冲半径内，景观类型与污染指数的相关性并不明显，而景观优势度与DO成较强负相关，与TN、TP的值成较强正相关，而均匀度指数与TN、TP的值有较明显的负相关。这主要体现了随着商业及工矿用地和居民住宅用地的数量下降，其他类型的面积增加，TN和TP有下降趋势。该研究也证明了斑块面积并不能直接说明城市建设面积会降低河流水质，而其优势度和均匀度都与河流水质有明显相关性。

在已有的研究中，大部分学者并未对景观指数的选择作出分析，而是直接套用了景观格局与物种研究中的景观指数，或是不加筛分的选取了大量常用的景观指数然后与水文结果进行分析，因此也得出了大量无用的结果，增加了研究的杂余工作，也使得在解释景观指数的生态意义时陷入僵局。如被大量研究者选择的景观形状指数(分维数等)，尽管其与生物物种的相关性非常密切(景观空间格局分析)，然而经过分析该指数与水文水质的相关性并不显著[21，22]，因此其在水文方面并未具有显著的生态意义，故可不予考虑。

再有，景观指数的选取原则中要求指数间的相互独立性要强，但是这并不意味着相关性的指数就该淘汰其中之一，不同的指数间相关性强，但却代表着不同的生态解释，因而不能粗略的舍去，如衡量多样性中的均匀度指数、多样性指数和优势度指数，相关性很强。但其代表的生态意义确很大不同，多样性指数代表了斑块类型的多样性，也在一定程度上代表了人类的干扰程度，均匀度代表着这些各样的斑块的平均分布情况，当各类斑块分布情况均匀则均匀度值大，但当其中某一类景观的斑块面积连通分布范围很广时，则优势度大，代表该类的景观斑块在景观分布中占主导地位。因此这3个指标的选择尽管有很强的相关性，但是在选择的同时不仅能够相互进行检验，还能给予不同的生态解释。

3 结论与展望

景观格局与水文关系的研究中所需选择的水文指标包括径流系数、年径流深变差系数、洪水特征参数；水质指标选取面源污染的典型指标，包括TN、TP、SS、CODMn；所需要选择的景观指数包括斑块面积、景观破碎度、聚集度等，但在研究景观格局与水文关系时不能一味舍去相关性强的景观指数，更应避免片面利用在研究景观格局与物种关系时所用的景观指数。

景观生态学是一门新兴的学科，景观格局也是出于不断的发展中，因此景观格局指数许多内在的生态意义尚未可知，尤其是其与生态水文效应间的内在关联研究更是处于起步阶段，还需要更多学者的加入，以深入深化景观格局及其指数的生态内涵。

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