基于水土流失的景觀格局分析方法

盧愛剛，張鐳，索安寧

1.渭南師范學(xué)院環(huán)境與生命科學(xué)系, 陜西 渭南 714000；2.陜西省科學(xué)器材公司, 陜西 西安 710054；3.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心, 遼寧 大連 1160232

正確理解和把握景觀格局變化的生態(tài)學(xué)原則，即建立景觀格局與生態(tài)過程之間的相互聯(lián)系對景觀生態(tài)學(xué)研究是至關(guān)重要的[1]。因此，長期以來，景觀格局和生態(tài)過程之間關(guān)系的研究一直是景觀生態(tài)學(xué)研究的一項(xiàng)核心內(nèi)容[2]。建立景觀格局與生態(tài)過程之間相互關(guān)系的首要問題是景觀格局的數(shù)量化。景觀格局指數(shù)因景觀格局的數(shù)量化應(yīng)運(yùn)而生，其可使景觀格局具有一定統(tǒng)計(jì)性質(zhì)和比較、分析不同尺度上的格局等優(yōu)點(diǎn)，長期以來一直倍受景觀生態(tài)學(xué)者的關(guān)注[3]。

20世紀(jì)70年代以來，針對各種景觀格局分析的需要，不同景觀生態(tài)學(xué)家提出了眾多的描述景觀格局及其變化的景觀指數(shù)，而對于很多景觀指數(shù)的生態(tài)學(xué)意義缺乏深入的探討[4-10]。目前很多研究工作，只關(guān)注對景觀空間分布格局的簡單描述與分析，而缺乏深入探討景觀格局變化的生態(tài)學(xué)意義。這種趨勢因數(shù)字化景觀數(shù)據(jù)的容易獲得和GIS的廣泛應(yīng)用而進(jìn)一步得到加強(qiáng)[7,10-14]。如何把景觀格局指數(shù)與實(shí)際的生態(tài)過程聯(lián)系起來依然是目前研究中的不足。針對這種現(xiàn)狀，提出有針對性和普適意義的景觀格局分析方法，對于深化景觀格局和生態(tài)過程關(guān)系的研究有重要意義。黃土高原是我國甚至全球水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一[15]，一方面是與黃土高原特殊的土壤、氣候條件有關(guān)[16-17]，另一方面植被景觀格局的不合理也導(dǎo)致了水土流失的加劇[18]。研究認(rèn)為流域產(chǎn)沙的多少是流域農(nóng)、林、草地等景觀類型之間產(chǎn)流和攔蓄兩種作用相互平衡的結(jié)果[19]，取決于水土流失“源“和“匯“的相對比例和空間位置。迄今為止，雖然許多學(xué)者對此做過多次探討[18-20]，但還沒有尋找到一種能把景觀格局與水土流失過程聯(lián)系起來的景觀格局分析方法。本文針對黃土高原水土流失這一突出的生態(tài)過程，通過分析不同景觀類型及其空間分布格局在水土流失過程中的地位和作用，利用洛倫茲曲線理論，提出了跨越空間尺度的景觀坡度指數(shù)和景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)，并以黃土高原典型區(qū)域——涇河流域?yàn)槔糠治隽藳芎恿饔?15個子流域的景觀空間格局，為黃土高原地區(qū)水土保持和流域土地資源管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

涇河流域位于黃土高原腹地，106°20′—108°48′E，34°24′—37°20′N，處于六盤山和子午嶺之間，流域絕大部分屬于隴東黃土高原，流域面積45421 km2。流域氣候?yàn)榈湫偷臏貛Т箨懶詺夂颍幱跍貛О霛駶櫹虬敫珊禋夂虻倪^渡地帶。據(jù)流域各氣象站點(diǎn)多年觀測資料，流域多年平均氣溫8 ℃，最冷月平均氣溫-8～-10 ℃，最熱月平均溫度22～24℃，年降水量在350～600 mm之間，主要集中于夏季，夏季降水量一般占到年降水量的50%以上，且降水強(qiáng)度大，年際變化也很大。

流域黃土層深厚，一般在50～80 m不等，部分黃土殘塬黃土厚達(dá)100 m以上。土壤為典型的黃綿土和黑壚土，結(jié)構(gòu)疏松，極易塌陷、流失。植被為溫帶森林草原過渡類型。流域北部為典型溫帶草原，由于開發(fā)歷史悠久，原始植被已受人類活動影響而破壞極大，農(nóng)業(yè)用地和草地為流域目前的主要土地利用類型。

涇河及各級支流均深切于梁、塬、峁和黃土溝壑鑲嵌的黃土地貌景觀中，流域內(nèi)地形支離破碎，溝壑樅橫，水系較發(fā)達(dá)，集水面積大于 1000 km2的主要支流有13條見圖1，大于500 km2的支流有26條，長1～2 km2的沖刷溝系十分發(fā)育，多達(dá)上萬條是黃土高原水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一。

圖1 “源”、“匯”空間分布洛倫茲曲線圖Fig.1 spatial distribution of Lorenz curve of “source” and “sink”

2 研究方法

2.1 基于水文過程的景觀格局指數(shù)的構(gòu)建

2.1.1 “源-匯”理論

“源-匯”理論認(rèn)為在一切物種都存在其最初產(chǎn)生的“源”和最終消亡的“匯”。在水、沙運(yùn)移形成的水文過程中，流域內(nèi)一些景觀類型起到了水、沙徑流“源”的作用，另一些景觀類型可能滯蓄水、沙徑流，因而起到“匯”的作用，同時一些景觀（比如河流水體）起到了傳輸?shù)淖饔肹21]。如果流域中“源”“匯”景觀在空間上分布達(dá)到了平衡狀態(tài)，形成合理的空間分布格局，流域會產(chǎn)生較少的水、沙輸出；反之，如果流域景觀格局分布不合理，并有較多的“源”集中分布，而缺乏“匯”的滯蓄作用，流域?qū)休^多的水、沙輸出產(chǎn)生。因此，如何判斷流域的“源”“匯”景觀格局的合理性對于研究一個流域水文過程具有重要意義。地形被認(rèn)為是影響流域水文過程的重要因素，尤其是坡度對流域的水、沙輸移具有重要的影響[22]。一般“源”景觀單元分布的坡度越小，水、沙流失的可能性就越小，“匯”景觀單元分布的坡度越小，其滯蓄水、沙的可能性越大；相反，如果“源”景觀單元分布的坡度越大，水、沙流失的可能性就越大，“匯“景觀單元分布的坡度越大，其水、沙滯蓄的可能性就越小。

2.1.2 景觀格局指數(shù)的構(gòu)建

陳利頂[23]提出借用洛倫茲曲線理論來確定“源”、“匯”在空間的分布格局。洛倫茲曲線最早是用來描述不同人群的財(cái)富分布的一種分布曲線，它實(shí)際上刻畫的是某一因素在遞增過程中，另一個與其相關(guān)的變量的累積過程。坡度被認(rèn)為是影響水土流失的最重要地形因素，因此，本文以坡度作為一個景觀空間分布因素，來觀察不同景觀類型在坡度遞增過程中累積的曲線，可以表示為圖1。圖1中，O（0，0）表示0坡度，C點(diǎn)表示流域最大坡度，橫坐標(biāo)OC表示坡度的遞增過程，縱坐標(biāo)OA表示與坡度對應(yīng)的景觀類型的面積累積（取值范圍0～1）。ODB，OFB分別表示不同景觀類型隨坡度增加的面積累積曲線。OAB和OCB可以認(rèn)為是某一景觀類型全部分布在0坡度（平坦地）和最大坡度上的累積曲線。OEB表示沿坡度絕對均勻的分布曲線，如果某一景觀類型均勻的分布在各個坡度上，將會出現(xiàn)OEB的分布曲線。如ODB、OFB（假設(shè)它們分別表示不同的景觀曲線）曲線所示，他們在坡度上的分布情況，可以用各景觀類型面積累積曲線與直線 OC、CB構(gòu)成的不規(guī)則圖形的面積來判斷，如果曲線呈凸型并且接近于A點(diǎn)，表示該景觀類型在空間分布上主要分布在緩坡度范圍，它們對流域水沙輸移過程的作用相對較小，此時該曲線與直線OC、CB構(gòu)成的不規(guī)則多邊形的面積較大；當(dāng)曲線呈凹型并接近于C點(diǎn)時，則表示該類景觀主要分布于坡度較陡的地帶，它對水、沙輸移的作用相對較大，此時該曲線與直線OC、CB構(gòu)成的不規(guī)則多邊形的面積較小。對于任何一個流域都可以得出每一種景觀類型空間分布的累積曲線。我們以每一種景觀類型的0坡度分布（OAB）為標(biāo)準(zhǔn)，衡量其實(shí)際坡度空間分布，可以構(gòu)建成景觀坡度指數(shù)：

其中，LSI為某一景觀類型的坡度指數(shù)，SOFBC表示某一景觀面積累積曲線構(gòu)成的不規(guī)則多邊形面積，SOABC表示如果該景觀全部分布在 0坡度時的面積累積曲線構(gòu)成的不規(guī)則多邊形面積。LSI的值越大，表示景觀類型分布的坡度越大，對水文過程的影響越大。

如果從不同景觀類型的“源”“匯”作用來考慮，可以將各種景觀類型劃分為對水土流失過程起到“源”作用和起到“匯”作用兩類，構(gòu)成“源”“匯”景觀空間對比指數(shù)，即陳利頂提出的景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)[23]，其可以表示為：

其中，LCI為景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)，SODBC、SOFBC分別表示由“源”、“匯”景觀類型的面積累積曲線構(gòu)成的不規(guī)則多邊形面積。與曲線 OFB相比，曲線 ODB表示景觀類型更多的分布在坡度平緩的地方。LCI的值越大，對水文過程影響越小，表明“源”景觀分布在坡度較小的地方，“匯”景觀分布在坡度較大的地方。

在流域水、沙產(chǎn)生過程中，不同景觀類型對水、沙輸移過程的影響差異較大，在研究區(qū)農(nóng)田、裸地和低密度草地、居住用地等被認(rèn)為水、沙流失的“源”，而森林、灌叢、高密度草地可以截留、滯蓄坡面水、沙，在一定程度上起到“匯”的作用[18,20]。由于不同土地利用類型的性質(zhì)和受人為干擾的程度不同，它們在水、沙流失和滯蓄方面的作用差異較大，為了客觀的評價景觀類型在水文過程中的作用，需要根據(jù)其對地面的覆蓋程度進(jìn)行權(quán)重賦值。不同的“源”“匯”景觀在流域中分布的比例也是影響流域水文過程的重要因素，為了考慮流域“源”、“匯”景觀總量的貢獻(xiàn)，需要將各類景觀的面積百分比引入到計(jì)算公式中。另外，由于研究區(qū)流域上、下游，降水有較大的差異，故按每個子流域的年降水比進(jìn)行降水加權(quán)，因此，公式（2）可以改進(jìn)為公式（3）：

其中，LCIx為第x個子流域景觀負(fù)荷對比指數(shù)，SODBC、SOFBC分別表示第i種“源”景觀和第j種“匯”景觀在洛倫茲曲線圖中面積累積曲線組成的不規(guī)則多邊形面積；Wi、Wj分別表示第i種“源”景觀和第j種“匯”景觀的地面覆蓋度；PCi、PCj分別表示第i種“源”景觀和第j種“匯”景觀在流域中所占的百分比；Rx表示第x子流域的降水權(quán)重，m表示有m種“源”景觀類型，n表示有n種“匯”景觀類型。景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)LCI越大，表示流域水土流失的風(fēng)險越小，反之越大。

2.2 景觀格局指數(shù)的計(jì)算

1999/2000年涇河流域土地利用數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所提供，該數(shù)據(jù)是“國土資源環(huán)境遙感動態(tài)調(diào)查與空間服務(wù)體系”的核心數(shù)據(jù)之一，該數(shù)據(jù)以TM影像為數(shù)據(jù)源，由專家通過計(jì)算機(jī)屏幕進(jìn)行人工解譯，形成滿足1︰10萬比例尺成圖標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化土地利用/土地覆被專題地圖。野外調(diào)查顯示，土地利用數(shù)據(jù)的位置誤差平均小于50 m，圖斑的正確判讀率達(dá)97.8%[24-25]。地形數(shù)據(jù)采用中國科學(xué)院地理與資源研究所提供的1︰25萬地形。在地理信息系統(tǒng)軟件Arc/Info支持下建立涇河流域數(shù)字高程模型（DEM），在此基礎(chǔ)上生成流域坡度圖，并將涇河流域劃分為15個子流域[26-27]。將涇河流域土地利用數(shù)據(jù)與坡度數(shù)據(jù)疊加，統(tǒng)計(jì)每個子流域不同土地利用類型的坡度分布數(shù)據(jù)，并繪制每個集水區(qū)每種土地利用類型的洛倫茲曲線，采用積分計(jì)算每種土地利用類型的洛倫茲曲線多邊形面積，得出每個集水區(qū)每種土地利用類型的景觀坡度指數(shù)和景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 景觀組成結(jié)構(gòu)分析

對涇河流域 15個子流域土地利用類型組成進(jìn)行分析。圖2所示的環(huán)江流域、東川、蒲河、茹河、洪河等子流域土地利用以耕地和中、低覆蓋度草地等水土流失的“源”景觀所占比例最大，二者合計(jì)共占到流域總面積的80%以上，其它類型所占比例微小，甚至缺失。其中流域最北部的環(huán)江上游耕地占到子流域面積的 65.22%，中、低覆蓋度草地占31.85%，是涇河流域土地覆蓋程度最差的一個子流域；處于流域西南的汭河、達(dá)奚河、黑河子流域土地利用組成類型有所改變，中低覆蓋度草地比例大大減少，高覆蓋度草地和各類林地等“匯”景觀類型的比例有所增加，說明這這些流域土地覆蓋相對較好。流域東南部的三水河和合水川的林地（“源”景觀）比例分別達(dá)到53.96%和25.21%。土地覆蓋情況普遍好于流域西北部。

圖2 涇河流域土地利用類型組成Fig.2 composition of land use in Jinghe River basin

3.2 景觀格局坡度分析

景觀坡度指數(shù)是把景觀空間分布與地形平坦?fàn)顩r結(jié)合起來，描述景觀地形空間分布格局的一個重要指標(biāo)。表1為涇河流域各個子流域不同土地利用類型的景觀坡度指數(shù)，耕地一般分布在坡度較小的黃土塬地和地勢平坦的河川谷地地帶，所以流域中南部的各個子流域的耕地坡度指數(shù)都比較小（達(dá)奚河子流域除外，達(dá)奚河子流域處于流域南部的黃土丘陵區(qū)，所以耕地坡度指數(shù)達(dá)到1.218），流域北部為黃土丘陵區(qū)，地形比較復(fù)雜，平坦地帶少，所以流域北部的環(huán)江上、下游、東川等子流域耕地坡度指數(shù)都在1.20以上。森林、疏林和灌從林地一般分布在坡度相對陡的山地地帶，除個別地勢平坦的子流域外，大多子流域森林、灌叢的坡度指數(shù)都大于1.20，如處于流域西南部六盤山區(qū)的涇河、汭河子流域，森林主要分布于流域上游的六盤山區(qū)，由于山區(qū)地形陡峭，森林坡度指數(shù)分別達(dá)到1.555和1.547，為全流域坡度指數(shù)最大的景觀類型。另外疏林地由于包括人工林和部分經(jīng)濟(jì)林，這些人工造林一般分布在坡度較小的地方，所以疏林坡度指數(shù)相對較小。各類草地主要分布在坡度不適于耕作的陡坡地帶，這些地帶由于森林被毀或不適于林地發(fā)育，只能發(fā)育不同覆蓋度的草地，所以各類草地的坡度指數(shù)都在 1.20以上，而且受地形影響各子流域之間差異較大。

表1 涇河流域各子流域植被景觀格局?jǐn)?shù)量特征Tab 1 Quantity characteristics of landscape in sub-catchments of Jinghe River basin

3.3 景觀“源”-“匯”負(fù)荷對比分析

景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)是結(jié)合了景觀功能與其空間位置的一種流域綜合景觀格局指數(shù)。涇河流域由于受自然環(huán)境的限制及人類活動的干擾，各個子流域土地利用景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)差異很大。從表1可以看出，涇河流域土地利用景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)可明顯分為3類：第一類為環(huán)江上游、下游、東川、蒲河、茹河、洪河、董志和涇河下游干流區(qū)，景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)小于0.80，為水土流失高度風(fēng)險區(qū)；第二類為涇河、汭河、固城河、黑河、達(dá)奚河，景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)在 0.80～1.50之間，為水土流失中度風(fēng)險區(qū)；第三類為合水和三水河，景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)大于1.50為水土流失低度風(fēng)險區(qū)。

圖3 涇河流域水土流失景觀風(fēng)險區(qū)Fig.3 Landscape risk evaluation of soil water loss in Jinghe river basin

由圖3可以看出，水土流失高度風(fēng)險區(qū)主要分布在流域北部和中部，氣候比較干燥，土地利用類型以耕地和中、低覆蓋度草地等“源”景觀類型為主，其對地面覆蓋程度較低，而且受地形影響主要分布于坡度相對陡的丘陵山地，所以景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)很??；第二類的水土流失中度風(fēng)險區(qū)主要分布于流域中南部，因?yàn)檫@些子流域氣候條件相對好轉(zhuǎn)，子流域上游一般為植被覆蓋相對比較好的森林、疏林和灌叢等“匯”景觀類型，但由于人類過渡的土地開發(fā)利用，流域中、下游土地利用類型多為耕地和中、低覆蓋類型草地等“源”景觀，“源”、“匯”景觀在流域內(nèi)分布不均衡，導(dǎo)致這些子流域存在一定程度的水土流失風(fēng)險；第三類為景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)大，水土流失風(fēng)險低的流域東部子午嶺山地子流域，這兩個子流域雖然地處山區(qū)地帶，地形陡峭，坡度較大，但流域的主要土地利用類型是對地表覆蓋很好的林灌地和高覆蓋度草地等水土流失“匯”景觀，而耕地和人類活動干擾產(chǎn)生的中、低覆蓋度草地等“源”景觀主要分布于流域的下游坡度較小的平地，子流域內(nèi)“匯”的作用大于“源”的作用，所以水土流失風(fēng)險相對較小。

3 結(jié)論與討論

水土流失作為一種面狀的隨機(jī)生態(tài)過程，全面準(zhǔn)確地測定景觀格局與水土流失之間的關(guān)系在方法上幾乎不可能[28-30]。本文提出以水土流失過程為研究對象，同時監(jiān)測數(shù)據(jù)屬性特征的景觀坡度指數(shù)和景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)，是在充分考慮了各類景觀對流域生態(tài)過程不同作用的基礎(chǔ)上，從坡度這個影響水土流失過程的地形因素提出了分析景觀空間分布格局的新方法，這種方法可以把景觀空間格局分析與水土流失過程緊密結(jié)合起來，從而較好地評價景觀空間分布格局的水土流失效應(yīng)，為進(jìn)一步進(jìn)行水土保持問題的景觀格局研究奠定了基礎(chǔ)。

涇河流域是黃土高原地區(qū)水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域之一[31]。流域北部的環(huán)江上下游、東川和蒲河等子流域土地利用主要以耕地和中、低覆蓋度草地為等水土流失的“源”景觀為主，“源”景觀占到這些子流域面積的80%以上，而水土流失的“匯”景觀在這些子流域分布的比例很小，加上流域北部地形復(fù)雜，各種“源”景觀的坡度指數(shù)普遍比較大，“源”、“匯”景觀在這些子流域分布的不均衡，導(dǎo)致流域中北部景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)很小，水土流失風(fēng)險很大；流域中南部的達(dá)奚河、黑河、汭河、涇河等子流域的上游為森林、疏林和灌叢等水土流失的“匯”景觀，他們的坡度指數(shù)都較大，中下游為耕地和中低覆蓋度草地等水土流失的“源”景觀，坡度指數(shù)相對較小，“源”、“匯”景觀在空間上的分布不平衡，使流域內(nèi)也存在一定的水土流失風(fēng)險；流域東部子午嶺山區(qū)的三水河和合水川子流域以森林、灌叢和高覆蓋度草地等水土流失的“匯”景觀為主，“匯”景觀占到子流域面積的60%以上，耕地等水土流失的“源”景觀在子流域內(nèi)占的比例較小，而且主要分布在地勢平坦的河谷地帶，景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)很大，水土流失風(fēng)險比較小。這一結(jié)論與其他研究結(jié)果相吻合[32-33]。

這種基于水土流失生態(tài)過程的景觀格局評價方法針對性強(qiáng)，具有明確的方向性，而不會受到尺度變化的影響，適合于不同大小的集水區(qū)范圍。由于所得出的景觀格局指數(shù)是一個相對值，其指數(shù)值的大小只能代表流域水土流失風(fēng)險程度的大小。因此，該方法在水土流失風(fēng)險評價中有重要的參考價值，其結(jié)果還可用于流域景觀生態(tài)規(guī)劃。但是由于影響流域水土流失的不確定因子太多，水土流失形成過程復(fù)雜多變，對于環(huán)境背景差異較大的流域，計(jì)算出的景觀格局指數(shù)不具備可比性，必須對其環(huán)境差異進(jìn)行技術(shù)處理，方可適用[34-36]。

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