基于“源”“匯”景觀指數(shù)的定西關(guān)川河流域土壤水蝕研究

李海防，衛(wèi) 偉，陳 瑾，李旭春，張佰林

(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100086;2.桂林理工大學(xué)旅游學(xué)院，桂林 541004;3.定西市水土保持科學(xué)研究所，定西 743000)

景觀格局與生態(tài)過程的相互關(guān)系是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心內(nèi)容。陳利頂?shù)龋?，2］基于大氣污染研究的“源”“匯”理論，提出景觀“源”“匯”的概念和理論，認(rèn)為可以根據(jù)不同景觀類型的生態(tài)功能，將大地景觀簡單劃分為“源”“匯”兩種景觀類型，從而將景觀格局融于生態(tài)過程中。“源”“匯”景觀格局理論融合了景觀的類型、面積、空間位置和地形特征，方法簡單實(shí)用，能較好地刻畫生態(tài)過程的空間異質(zhì)性［3］。在黃土高原，土壤水蝕的產(chǎn)生和遷移過程與地表景觀的空間格局密切相關(guān)，不同類型景觀的水土流失貢獻(xiàn)具有很大差異。一些景觀類型起到“源”的作用;另一些景觀類型起到“匯”的作用;同時(shí)，一些景觀起到了傳輸?shù)淖饔茫?］。利用“源”“匯”景觀指數(shù)［2］(LWLI)，探討景觀格局與土壤水蝕的關(guān)系，是黃土高原水土保持研究的重要內(nèi)容，因而，本研究以甘肅定西關(guān)川河流域?yàn)檠芯繉ο?，結(jié)合實(shí)地調(diào)查的方法，解譯1995年、2000年、2005年和2010年的TM影像，獲得關(guān)川河流域15a土地利用格局演變圖，運(yùn)用LWLI表征景觀空間分布格局，分析流域景觀格局演變與土壤水蝕的關(guān)系。本研究對深入了解黃土高原“退耕還林還草”工程與流域水土流失過程的關(guān)系，有效控制土壤水蝕，優(yōu)化黃土高原的治理，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

圖1 關(guān)川河流域地理位置Fig．1 Location of Guanchuanhe River basin

1 研究區(qū)概況

關(guān)川河流域位于35°17'—36°14'N，104°11'—105°01'E之間，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)(圖1)。關(guān)川河發(fā)源于甘肅省定西境內(nèi)，在郭城驛匯入祖厲河，全長百余公里，流域面積3 535 km2。流域海拔在1 420—3 941 m之間，屬中溫帶半干旱氣候。年平均氣溫為7.2℃，無霜期122—160d，年平均降水量370 mm，年蒸發(fā)量1400 mm以上。長期以來，受自然、人為等多種因素的影響，這里溝壑縱橫，梁峁起伏，植被稀疏，黃土裸露，水土流失嚴(yán)重，平均年土壤侵蝕模數(shù)為5 252.7 t/km2［5］。1999年，關(guān)川河流域大力實(shí)施“退耕還林還草”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”“匯”景觀類型的劃分

遙感影像采用美國陸地資源衛(wèi)星(LANDSAT 5)于1995年7月、2000年7月、2005年8月和2010年7月拍攝的TM影像，空間分辨率都為30 m。首先，對遙感影像進(jìn)行幾何校正和影像配準(zhǔn)，以目視解譯和外業(yè)調(diào)查的結(jié)果為輔，進(jìn)行監(jiān)督分類和分類結(jié)果精度評價(jià)，形成平均分類精度達(dá)到85%以上的景觀類型圖(圖2)。參照土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010—2007)，并根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況及后續(xù)研究的需要，將關(guān)川河流域景觀分為農(nóng)地、林地、草地、建設(shè)用地、水體和裸地6種景觀類型。最后，根據(jù)“源”“匯”景觀理論，依據(jù)土壤水蝕過程劃分“源”“匯”景觀(表1)。根據(jù)前期研究［9-14］，農(nóng)地是土壤水蝕的主要“源”景觀，而建筑用地和裸地由于沒有地表植被，容易造成水土流失，也劃分為“源”景觀。林地和草地由于植被覆蓋良好，對地表徑流有滯留作用，因而和水體一起歸為“匯”景觀。RUSLE模型是研究黃土高原時(shí)應(yīng)用最廣泛的水蝕模型。RUSLE模型全面考慮了影響土壤水蝕的過程因素，包括降雨侵蝕力(R)、土壤可蝕性(K)、坡度坡長(LS)、植被覆蓋與管理因子(C)、水土保持措施(P)五大因子，其中，C值能反映植被覆蓋和管理變量對土壤侵蝕的綜合作用。在很多前期文獻(xiàn)中［1-3］，都有用RUSLE模型里的C值來替代土壤水蝕貢獻(xiàn)的先例。因此，本研究根據(jù)前期相關(guān)研究［1-3，15-16］，借鑒土壤侵蝕通用方程中的C值，對不同景觀類型的土壤水蝕貢獻(xiàn)給予權(quán)重賦值(表1)。

圖2 關(guān)川河流域景觀格局圖1995年，2000年，2005年和2010年Fig．2 Landscape pattern in Guanchuanhe River basin from 1995 to 2010

表1 關(guān)川河流域“源”“匯”景觀分類Table 1 Classification of source and sink in Guanchuanhe River basin

2.2 “源”“匯”景觀指數(shù)的引入

陳利頂?shù)龋?］利用了洛侖茲曲線公式建立了“源”“匯”景觀指數(shù)，按照相對距離、相對高程和坡度統(tǒng)計(jì)“源”“匯”景觀的面積，以相對距離、相對高度和坡度為橫坐標(biāo)，景觀累積面積為縱坐標(biāo)繪制曲線，最后，運(yùn)用公式(1)和(2)計(jì)算“源”“匯”景觀指數(shù):

式中，LWLI是“源”“匯”景觀指數(shù)，LWLIdistance、LWLIelevation和LWLIslope表示分別以相對距離、相對高程和坡度為橫坐標(biāo)建立的“源”“匯”景觀分指數(shù)，Asourcei和Asinkj分別指“源”景觀和“匯”景觀在洛侖茲曲線中的累積面積，Wi和Wj指“源”景觀和“匯”景觀的權(quán)重，APi和APj指的是“源”景觀和“匯”景觀在流域內(nèi)的面積比例，m和n為“源”景觀和“匯”景觀的類型數(shù)目。

2.3 土壤水蝕數(shù)據(jù)處理

土壤水蝕數(shù)據(jù)以定西水文水資源勘測局提供的1990年到2010年5—9月間關(guān)川河流域水文定點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，計(jì)算土壤水蝕過程的特征指標(biāo)，包括河川徑流量、徑流系數(shù)和侵蝕模數(shù)。最后，利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行“源”“匯”景觀指數(shù)與土壤水蝕的相關(guān)分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同景觀類型隨相對高程、相對距離和坡度的空間分布

“源”“匯”景觀指數(shù)借用洛倫茲曲線理論，將流域的“源”“匯”景觀空間分布與流域出水口相比，計(jì)算不同景觀類型隨相對高程、相對距離和坡度的空間配置，結(jié)果見圖3，利用公式(1)和(2)計(jì)算“源”“匯”景觀指數(shù)(圖4)。相對高程用各柵格單元高程與流域出水口的高程之差來表示，差越大，泥沙的輸移比越大，向流域出水口輸送的泥沙就越多［17］。從圖 4可以看出，關(guān)川河流域在1995年、2000年、2005年和2010年的LWLIelevation指數(shù)分別為0.796、0.737、0.575和0.573。1995年到2010年的LWLIelevation指數(shù)呈逐年降低的趨勢，說明隨著高程的不斷增加，“源”景觀的土壤水蝕貢獻(xiàn)逐漸小于“匯”景觀的貢獻(xiàn)。這表明自1999年施行“退耕還林還草”后，分布在高海拔的“源”景觀，如農(nóng)地，逐年減少，而“匯”景觀，如林地和草地，面積逐漸增加(圖2和圖3)，從而導(dǎo)致LWLIelevation指數(shù)下降。也就是說，“退耕還林還草”工程的實(shí)施主要集中在高海拔地區(qū)，農(nóng)田向林草地的轉(zhuǎn)移比率大，“源”景觀的土壤水蝕作用小于“匯”景觀的截流作用，導(dǎo)致流域土壤水蝕量逐年減少。

相對距離用流域各柵格單元到流域出水口的距離來表示。相對距離越遠(yuǎn)，泥沙運(yùn)移的途徑越長，發(fā)生沉積的幾率越大，泥沙輸移比越小，向河道輸送的泥沙就越少［17］。圖4結(jié)果顯示，關(guān)川河流域在1995年、2000年、2005年和2010年的LWLIdistance指數(shù)分別為0.777、0.749、0.576和0.542，也呈逐年下降的趨勢。這表明在相對距離這個(gè)空間要素上，離流域出水口距離較長的“源”景觀面積逐漸減少，“匯”景觀面積逐步增加。這也可以從圖2中看出，從1995年到2010年，遠(yuǎn)離流域出水口的林地和草地景觀持續(xù)增加，而農(nóng)地景觀持續(xù)減少，這種“源”“匯”景觀空間布局有利于保持水土，抑制土壤水蝕。

土壤水蝕過程受地形坡度的影響較大，坡度越大，土壤水蝕量越大，流域產(chǎn)沙越多;且隨著坡長的增長，坡面流累積增大，土壤水蝕隨之增加［17］。在圖4中，關(guān)川河流域1995年、2000年、2005年和2010年LWLIslope指數(shù)分別為0.787、0.774、0.576和0.525，也是逐年下降。這表明“源”、“匯”景觀隨坡度分布的格局越來越有利于水土保持，LWLIslope取值越小，水土保持效益越高。在圖3中，流域不同景觀類型隨坡度的分布格局基本相似，但也有所差異:林地主要分布在坡度較小的地區(qū)，而草地則主要分布在坡度較大的地區(qū)。在2010年，水體景觀主要集中在小坡度地區(qū)，這也從側(cè)面反映了水資源對林草地格局的影響。

3.1 “源”“匯”景觀指數(shù)綜合分析

圖4為關(guān)川河流域1995年到2010年“源”“匯”景觀綜合指數(shù)變化，可以看出，“源”“匯”景觀綜合指數(shù)LWLI從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，為0.593。這說明“退耕還林還草”工程實(shí)施后，流域土地利用結(jié)構(gòu)急劇變化，25°以上的陡坡農(nóng)地“源”景觀顯著減少，林草地“匯”景觀顯著增加，但在2010年，距離出水口較近的山區(qū)農(nóng)地面積又有所回升(圖2和圖3)。這就說明盡管關(guān)川河流域在努力推行“退耕還林還草”工程，但由于地區(qū)人口的擴(kuò)張和自然資源的限制，局部地區(qū)農(nóng)地?cái)U(kuò)張的壓力依然很大。

圖3 1995年到2010年關(guān)川河流域不同景觀類型隨LWLIelevation、LWLIdistance和LWLIslope的空間分布Fig．3 Spatial distribution of different landscape types related to elevation，distance and slope in Guanchuanhe River basin from 1995 to 2010

3.2 “退耕還林還草”前后水土流失演變

利用關(guān)川河流域出水口水文定位站和氣象站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)1990年到2010年20a間河川徑流量、徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)年際變化，代表關(guān)川河流域土壤水蝕演變情況。結(jié)果表明(圖 5)，從1990年到2010年，流域20a大氣降水并沒有發(fā)生顯著變化，年平均降雨量方差分析不顯著(P＞0.05)。但從流域出水口的河川徑流量、徑流系數(shù)及5—9月的侵蝕模數(shù)來看，關(guān)川河流域出水口的河川徑流量和徑流系數(shù)呈持續(xù)減少的趨勢，土壤侵蝕模數(shù)也在逐年減少。河川徑流量和土壤侵蝕模數(shù)在1995年達(dá)到最大值，分別為6.56 m3/s和4589.30 t/km2，最低值分別是2001年的1.11 m3/s和2010年的225.15t/km2。這表明“退耕還林還草”工程實(shí)施后，水土流失有所緩解，流域景觀格局朝良性方向發(fā)展。

圖4 關(guān)川河流域1995年到2010年“源”“匯”景觀指數(shù)Fig．4 LWLI of Guanchuanhe River basin from 1995 to 2010

圖5 關(guān)川河流域1990年到2010年水土流失演變Fig．5 Changes of soil and water losses in Guanchuanhe River basin from 1990 to 2010

表2 “源”“匯”景觀指數(shù)對水土流失指標(biāo)的響應(yīng)Table 2 Soil and water losses response to LWLI

3.4 景觀格局演變與水土流失的關(guān)系

從表2的“源”“匯”景觀綜合指數(shù)對土壤水蝕指標(biāo)的響應(yīng)關(guān)系來看，流域侵蝕模數(shù)隨“源”“匯”景觀指數(shù)的降低而降低，具有顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.920，P＜0.05)。由此可見，“源”“匯”景觀空間上的分布格局對流域的河川徑流、徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)都具有顯著的響應(yīng)關(guān)系，景觀空間分布格局對流域水土流失具有重要的影響，對水土流失的年際變化作用明顯。同時(shí)，本研究也說明LWLI指數(shù)能夠較好地反映流域土壤水蝕規(guī)律，“源”“匯”景觀指數(shù)可作為流域水體流失評價(jià)的有效方法之一。

4 結(jié)論

(1)關(guān)川河流域1995年、2000年、2005年和2010年的LWLIelevation，LWLIdistance和 LWLIslope指數(shù)都呈逐年降低的趨勢。在高海拔和距離流域出水口較遠(yuǎn)的地區(qū)，“源”景觀的貢獻(xiàn)逐漸小于“匯”景觀的貢獻(xiàn)。林地主要分布在坡度較小的地區(qū)，而草地主要分布在坡度較大的地區(qū)。

(2)關(guān)川河流域“源”“匯”景觀綜合指數(shù)自1995年到2000年持續(xù)下降，但2010年的LWLI值比2005年又有所提高，這說明盡管關(guān)川河流域在努力推行“退耕還林還草”工程，但由于地區(qū)人口的擴(kuò)張和自然環(huán)境的限制，某些地區(qū)農(nóng)地?cái)U(kuò)張的壓力依然很大。

(3)1990年到2010年20年間流域大氣降水沒有發(fā)生明顯變化，但河川徑流量、徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)逐年減少?！霸础薄皡R”景觀指數(shù)與土壤侵蝕模數(shù)都具有顯著正相關(guān)關(guān)系。LWLI指數(shù)能較好地反映流域土壤侵蝕規(guī)律，可作為流域水體流失評價(jià)的有效方法之一。

［1］ Chen L D，F(xiàn)u B J，Zhao W W.Source-sink landscape theory and its ecological significance.Acta Ecologica Sinica，2006，26(5):1444-1449.

［2］ Chen L D，Tian H Y，F(xiàn)u B J，Zhao X F.Development of a new index for integrating landscape patterns with ecological processes at watershed scale.Chinese Geographical Science，2009，19(1):37-45.

［3］ Sun R H，Chen L D，Wang W，Wang Z P.Correlating landscape pattern with total Nitrogen concentration using a Location-weighted Sink-source Landscape Index in the Haihe River basin.China Environmental Science，2012，33(6):1784-1787.

［4］ Suo A N，Wang T M，Wang H，Yu B，Ge JP.Empirical study on non-point sources pollution based on landscape pattern＆ecological processes theory:a case of soil water loss on the Loess Plateau in China.Environmental Science，2006，27(12):2415-2420.

［5］ Wan T C.Efficiency and experience on construction of sediment-trapping dam in Dingxi Municipality.Bulletin of Soil and Water Conservation，2005，25(6):89-90.

［6］ Zhang J X，Zhang B，Zhang H，Zhang D Y，Dai SP，Ma Z H.Landscape pattern change and soil erosion research-take Malian River basin in Loess Plateau as an example.Journal of Natural Resources，2011，26(9):1513-1525.

［7］ Hu CX，F(xiàn)u B J，Chen L D.Impacts of“Grain for Green Project”on agriculture and rural economics development in the Loess Hilly and Gully Area a case study in Ansai County.Journal of Arid Land Resources and Environment，2006，20(4):67-72.

［8］ Li M，Yang JF，Hou JC.Analysis on the benefit of silt dams for the environment in Wangmaogou Catchment.Research of Soil and Water，2006，13(5):145-147.

［9］ Wang X L，Xiao D N，Bu R C，Hu Y M.Analysis on landscape patterns of Liaohe delta wetland.Acta Ecologica Sinica，1997，17(3):317-323.

［10］ Lu A G，Zhang L，Suo A N.Method of landscape pattern analysis based on soil and water loss process.Ecology and Environmental Sciences，2010，19(7):1599-1604.

［11］ Ma J H.The Modeling of Temporal-Spatial Pattern of Soil Erosion in Luoyugou Watershed，Tianshui，China ［D］.Lanzhou:Lanzhou University，2007.

［12］ Wang Y，Zhang JF，Chen G C，Xu Y H，Chen Y，Liu Y Q.Spatiotemporal characteristics of water quality in Taihu Lake watershed based on source-sink landscape change.Chinese Journal of Ecology，2012，31(2):399-405.

［13］ Liu F，Shen Z Y，Liu R M.The agricultural non-point sources pollution in the upper reaches of the Yangtze River based on source-sink ecological process.Ecologica Sinica，2009，29(6):3271-3277.

［14］ Xu SL，Zhou H.The landscape dynamics of Source and Sink and its quantification method.Research of Soil and Water Conservation，2008，15(6):64-71.

［15］ Lin B.A Study on Soil Erosion Factors Extraction and Quantitative Evaluation on Erosion Intensity Based on RS and GIS in Anding District in Dingxi City［D］.Gansu:Gansu Agricultural University，2011.

［16］ Yue J，Wang Y L，Li G C，Wu J S，Xie M M．The influence of landscape spatial difference on water quality at differing scales:A case study of Xili reservoir watershed in Shenzhen city.Acta Ecologica Sinica，2007，27(12):5271-5281.

［17］ Yang M，Li X Z，Yang Z P，Hu Y M，Wen Q C．Effects of sub-watershed landscape patterns at the upper reaches of Minjiang River on soil erosion.Chinese Journal of Applied Ecology，2007，18(11):2512-2519.

參考文獻(xiàn):

［1］ 陳利頂，傅伯杰，趙文武.“源”“匯”景觀理論及其生態(tài)學(xué)意義.生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26(5):1444-1449.

［3］ 孫然好，陳利頂，王偉，王趙明.基于“源”“匯”景觀格局指數(shù)的海河流域總氮流失評價(jià).環(huán)境科學(xué)，2012，33(6):1784-1787.

［4］ 索安寧，王天明，王輝，于波，葛劍平.基于格局-過程理論的非點(diǎn)源污染實(shí)證研究:以黃土丘陵溝壑區(qū)水土流失為例.環(huán)境科學(xué)，2006，27(12):2415-2420.

［5］ 萬廷朝.定西市淤地壩建設(shè)成效與經(jīng)驗(yàn).水土保持通報(bào)，2005，25(6):89-90.

［6］ 張建香，張勃，張華，張多勇，戴聲佩，馬中華.黃土高原的景觀格局變化與水土流失研究——以黃土高原馬蓮河流域?yàn)槔?自然資源學(xué)報(bào)，2011，26(9):1513-1525.

［7］ 虎陳霞，傅伯杰，陳利頂.淺析退耕還林還草對黃土丘陵溝壑區(qū)農(nóng)業(yè)與農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響——以安塞縣為例.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2006，20(4):67-72.

［8］ 李勉，楊劍鋒，侯建才.王茂溝淤地壩壩系建設(shè)的生態(tài)環(huán)境效益分析.水土保持研究，2006，13(5):145-147.

［9］ 王憲禮，肖篤寧，布仁倉，胡遠(yuǎn)滿.遼河三角洲濕地的景觀格局分析.生態(tài)學(xué)報(bào)，1997，17(3):317-323.

［10］ 盧愛剛，張鐳，索安寧.基于水土流失的景觀格局分析方法.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，19(7):1599-1604.

［11］ 馬金輝.天水羅裕溝流域土壤侵蝕時(shí)空格局模擬研究［D］.蘭州:蘭州大學(xué)，2007.

［12］ 王瑛，張建鋒，陳光才，徐永輝，陳云，劉永慶.基于“源-匯”景觀的太湖宜興段入湖港口水質(zhì)時(shí)空變化.生態(tài)學(xué)雜志，2012，31(2):399-405.

［13］ 劉芳，沈珍瑤，劉瑞民.基于“源-匯”生態(tài)過程的長江上游農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染.生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29(6):3271-3277.

［14］ 許申來，周昊.景觀“源-匯”的動(dòng)態(tài)特性及其量化方法.水土保持研究，2008，15(6):64-71.

［15］ 林斌.基于RS與GIS的定西市安定區(qū)土壤侵蝕因子提取與侵蝕強(qiáng)度定量評價(jià)研究［D］.甘肅:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

［16］ 岳雋，王仰麟，李貴才，吳健生，謝苗苗.不同尺度景觀空間分異特征對水體質(zhì)量的影響:以深圳市西麗水庫流域?yàn)槔?生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，27(12):5271-5281.

［17］ 楊孟，李秀珍，楊兆平，胡遠(yuǎn)滿，問青春.岷江上游小流域景觀格局對土壤侵蝕過程的影響.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18(11):2512-2519.