景觀格局對(duì)流域水文影響研究指標(biāo)的分析

黃 麗 萍

(1.重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶 400020； 2.中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán) 重慶醫(yī)藥設(shè)計(jì)院，重慶 400042)

土地利用方式影響著諸如化學(xué)物質(zhì)輸入輸出、徑流、土壤、植被類型、地形地貌、耕作方式等因素[1]，河流水質(zhì)與流域人類活動(dòng)之間的關(guān)系的研究，最早始于土地利用對(duì)河流水質(zhì)的影響。自土地利用/覆被變化(LUCC)成為全球變化研究的重要領(lǐng)域之一[2]，LUCC的水質(zhì)效應(yīng)方面研究成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，但是研究缺乏對(duì)土地利用類型空間鑲嵌關(guān)系與水質(zhì)間關(guān)系的探究，而景觀生態(tài)學(xué)中景觀格局理論，為解決該領(lǐng)域開辟了一條嶄新的途徑，特別是遙感技術(shù)(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和多元分析等技術(shù)的成熟促進(jìn)了相關(guān)研究的發(fā)展[3]。

景觀格局是指大小形狀不一的景觀斑塊在空間上的配置。景觀格局是景觀異質(zhì)性的具體表現(xiàn)，同時(shí)又是包括干擾在內(nèi)的各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果。景觀格局分析的目的是從看似無序的景觀斑塊鑲嵌中，發(fā)現(xiàn)潛在的有意義的規(guī)律性。正是這種潛在的規(guī)律性與河流的水文水質(zhì)存在強(qiáng)烈的相互作用，進(jìn)而成為了目前景觀生態(tài)學(xué)研究熱點(diǎn)之一。

景觀格局的水文響應(yīng)的研究中，許多景觀指數(shù)與水文水質(zhì)間的關(guān)系并不明確，甚至不同學(xué)者的研究還得出了不同的結(jié)論，這究竟是地域差異還是研究誤差有待證明。如張大偉[4]在對(duì)入太湖河流武進(jìn)港的區(qū)域景觀格局與河流水質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析得出多樣性指數(shù)與污染顯著負(fù)相關(guān)；黃金良等[5]在對(duì)九龍江流域土地利用/景觀格局——水質(zhì)的初步關(guān)聯(lián)分析中卻得出多樣性指數(shù)與污染顯著正相關(guān)，前者分析是隨著景觀多樣性的增加，各種斑塊類型的分布也越均衡，而建設(shè)用、地耕地這樣的主要污染輸出類型在景觀中的優(yōu)勢(shì)程度和主導(dǎo)作用也會(huì)有所降低，因此氮營(yíng)養(yǎng)鹽、有機(jī)污染物的產(chǎn)生對(duì)水體的影響也會(huì)相對(duì)有所減緩，后者認(rèn)為，高的多樣性指數(shù)意味著強(qiáng)度更大的人類干擾，水質(zhì)下降的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)相應(yīng)地增加。

對(duì)流域景觀變化與水文變化間的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的耦合過程，多數(shù)學(xué)者在對(duì)該過程進(jìn)行研究時(shí)對(duì)所選擇的指標(biāo)并未經(jīng)過深入的分析和篩選，使得選擇的指標(biāo)缺乏說服力，因此要對(duì)景觀格局的變化與水文水質(zhì)相互作用機(jī)制進(jìn)行定量分析，必須選擇正確的研究指標(biāo)，包括水文指標(biāo)、水質(zhì)指標(biāo)和景觀格局指數(shù)，只有選擇了合理的指標(biāo)，進(jìn)而對(duì)指標(biāo)進(jìn)行量化分析，才能對(duì)景觀格局變化與水文水質(zhì)間的作用機(jī)制進(jìn)行準(zhǔn)確有效的分析。無效指標(biāo)的選擇不僅會(huì)加重課題研究的力度，而且可能得出一些無效的研究結(jié)果，甚至對(duì)結(jié)論產(chǎn)生誤導(dǎo)，因此指標(biāo)的選擇應(yīng)建立在景觀格局變化與水文水質(zhì)間的定性分析上，尋找兩者間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，進(jìn)而選擇能反應(yīng)兩者間作用機(jī)制的指標(biāo)。

在基于已有研究結(jié)論的基礎(chǔ)上，對(duì)研究過程中指標(biāo)指數(shù)的選擇進(jìn)行了分析和建議，以期為后續(xù)研究提供理論借鑒。

1 水文指標(biāo)的選擇

圖1 下墊面

下墊面(Underlying surface)是指與大氣下層直接接觸的地球表面(圖1)。大氣圈以地球的水陸表面為其下界，稱為大氣層的下墊面，它包括地形、地質(zhì)、土壤和植被等。水通過降雨到下墊面，在下墊面發(fā)生截留、填洼、下滲、徑流和蒸發(fā)最后又回到大氣，水循環(huán)周期進(jìn)行，維持著全球的水量平衡，可見下墊面對(duì)水循環(huán)的重要性。然而人類活動(dòng)造成的土地利用與覆蓋的變化使下墊面水力特征發(fā)生了巨大的改變，變化的土地覆被狀況與近地表面的蒸散發(fā)、截留、填洼、下滲等水文要素及其產(chǎn)匯流過程密切相關(guān)[6]，從而也大大改變了天然的水循環(huán)過程。

1.1 徑流系數(shù)

無論是直接影響蒸發(fā)還是延遲產(chǎn)流，從較長(zhǎng)時(shí)間尺度上講，土地覆蓋變化的水文效應(yīng)最終表現(xiàn)在流域水量平衡的蒸發(fā)分量上[7]。徑流系數(shù)指任意時(shí)間段內(nèi)的徑流深度與同時(shí)段內(nèi)的降水深度的比值，它說明了在降水量中有多少水變成了徑流，它綜合反映了流域內(nèi)自然地理要素對(duì)徑流的影響，指示了一個(gè)地區(qū)產(chǎn)流能力的大小，也間接地指示了該地區(qū)蒸散發(fā)量的大小，能較好的綜合表征景觀格局變化下的水文效應(yīng)。因此，徑流系數(shù)不失為一個(gè)能很好反映LUCC/景觀格局變化水文效應(yīng)的工具[8]。

1.2 年徑流深變差系數(shù)

年徑流深變差系數(shù)反映年徑流量總體系列離散程度，影響年徑流Cv值大小的因素主要有年徑流量、徑流補(bǔ)給來源和流域面積大小3個(gè)方面。根據(jù)上述分析植被、土壤及小水面對(duì)產(chǎn)流匯流的調(diào)節(jié)作用可以使年徑流區(qū)域穩(wěn)定，景觀格局的變化這一穩(wěn)定性也將改變，因此選取年徑流深變差系數(shù)來衡量流域?qū)搅鞯恼{(diào)節(jié)作用。年徑流深變差系數(shù)是反映徑流年際變化的一個(gè)指標(biāo)，變差系數(shù)愈大，表示徑流年際的分配愈不均勻，景觀類型對(duì)徑流的調(diào)節(jié)作用越小，尤其是在分析植被景觀格局。

1.3 洪水特征參數(shù)

盡管徑流系數(shù)能夠很好的指示流域景觀格局變化下的水文效應(yīng)，但是仍存在一定缺陷。隨著人類活動(dòng)對(duì)流域干擾的愈發(fā)劇烈，生活用水、工業(yè)用水以及農(nóng)業(yè)用水的增加也對(duì)徑流量的多少產(chǎn)生了必不可少的影響。比如，某一地區(qū)由于不透水面的增加，植被、洼地、池塘等的減少，截留、下滲及蒸散發(fā)量減少，理論上徑流量將會(huì)增加，但是，由于劇烈的人類活動(dòng)的大量用水干擾，徑流量的變化將不一定明顯。因此需要尋找一個(gè)水文指標(biāo)能夠排除人類用水的干擾。

洪水通常是指由暴雨、急驟融冰化雪、風(fēng)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漲的水流現(xiàn)象。因此，綜上分析，對(duì)于河流，洪水可以體現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)流域產(chǎn)流和匯流特點(diǎn)，可以排除由于人類活動(dòng)中用水量的干擾。

1.4 水質(zhì)指標(biāo)

隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，污水處理系統(tǒng)的不斷完善，點(diǎn)源污染已逐漸收到控制，非點(diǎn)源污染成為了水污染最主要的因素。非點(diǎn)源污染的成因有水土流失、城市膨脹、農(nóng)藥化肥過量使用、廢棄物堆放等，土地利用方式不合理是關(guān)鍵。非點(diǎn)源來源面廣，它夾帶著大量的泥沙、營(yíng)養(yǎng)物、有毒有害物質(zhì)進(jìn)入江河、湖庫，引起水體懸浮物濃度升高、有毒有害物質(zhì)含量增加，溶解氧減少，水體富營(yíng)養(yǎng)化和酸化。從世界范圍來看，非點(diǎn)源已成為水環(huán)境的一大污染源或首要污染源[9]。在美國(guó)，60%的水環(huán)境污染起源于非點(diǎn)源。在奧地利北部地區(qū)，據(jù)計(jì)算進(jìn)入水環(huán)境的非點(diǎn)源氮量遠(yuǎn)比點(diǎn)源大。丹麥270條河流94%的氮負(fù)荷、52%的磷負(fù)荷是由非點(diǎn)源污染引起的。荷蘭農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源提供的總氮、總磷分別占水環(huán)境污染總量的60%和40%～50%。在我國(guó)，非點(diǎn)源污染問題也日益嚴(yán)重，在太湖和滇池等重要湖泊，非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為水質(zhì)惡化的主要原因之一。

植被和水域面積被建筑用地覆蓋，降低了自然界對(duì)水體N、P及固體懸浮物和有機(jī)物的去除作用；并且城市化不透水面積的增加和雨水管網(wǎng)的完善，加劇了地表徑流的污染，同時(shí)在農(nóng)業(yè)面遠(yuǎn)的污染下，綜合以上幾種對(duì)水質(zhì)有明顯作用的景觀類型下的水質(zhì)特點(diǎn)，參考已有研究經(jīng)驗(yàn)[4-5，9-14]，考慮到可行性及效率問題，在本研究中分析景觀格局變化與水質(zhì)間的響應(yīng)關(guān)系時(shí)選取非點(diǎn)源污染的典型指標(biāo)：TN、TP、SS、CODMn。

2 景觀指數(shù)的選擇

單純土地利用和覆蓋方式是不足以完全評(píng)價(jià)景觀格局的水文響應(yīng)，還需充分考慮到各景觀類型分布的空間關(guān)系。但景觀格局指數(shù)層出不窮，在已有的研究中由于沒有統(tǒng)一原則而導(dǎo)致指數(shù)選取的不規(guī)范使得研究結(jié)果的說服力欠缺，并且許多學(xué)者在選用景觀指數(shù)時(shí)都直接套用了景觀格局與物種研究中的景觀指數(shù)，而這屬于兩類不同的景觀格局的生態(tài)響應(yīng)，因而不能等同視之。因此如何選擇有效的指數(shù)進(jìn)行研究成為了研究中重點(diǎn)問題之一。

根據(jù)水文指標(biāo)和水質(zhì)指標(biāo)的選擇分析，下墊面因素是影響水文水質(zhì)變化的重要因素，因此在研究景觀格局與水文水質(zhì)間的相互影響機(jī)制時(shí)，必須考慮到下墊面類型的分布情況，同時(shí)大多數(shù)的研究也證明了景觀類型與水文水質(zhì)直接相關(guān)[12-17]。因此，景觀類型水平上的斑塊面積有必要選擇，但是并非斑塊面積較廣，其對(duì)水質(zhì)的凈化作用和對(duì)雨水的產(chǎn)流匯流作用就越明顯，這還與景觀類型分布的聚集度和破碎度等空間異質(zhì)性相關(guān)[18]。

例如，植被斑塊在截留和徑流調(diào)蓄中起核心作用，植被斑塊的性質(zhì)會(huì)顯著影響到斑塊格局和生態(tài)水文過程。如植被斑塊面積大，數(shù)量多，連通性好，徑流侵蝕量就會(huì)減少，截獲的水分和養(yǎng)分增加。Ludwig等[19，20]在分析植被斑塊形狀的時(shí)候，比較分析了各種斑塊形狀特征對(duì)徑流、泥沙及養(yǎng)分的截獲能力，結(jié)果表明帶狀斑塊較點(diǎn)狀斑塊徑流截持率增加約8%，可見一定流域上并非單純有較廣的植被面積徑流調(diào)節(jié)就強(qiáng)，這還與植被的連通性相關(guān)。再如，官寶紅等[11]研究證明在100 m的緩沖半徑內(nèi)，景觀類型與污染指數(shù)的相關(guān)性并不明顯，而景觀優(yōu)勢(shì)度與DO成較強(qiáng)負(fù)相關(guān)，與TN、TP的值成較強(qiáng)正相關(guān)，而均勻度指數(shù)與TN、TP的值有較明顯的負(fù)相關(guān)。這主要體現(xiàn)了隨著商業(yè)及工礦用地和居民住宅用地的數(shù)量下降，其他類型的面積增加，TN和TP有下降趨勢(shì)。該研究也證明了斑塊面積并不能直接說明城市建設(shè)面積會(huì)降低河流水質(zhì)，而其優(yōu)勢(shì)度和均勻度都與河流水質(zhì)有明顯相關(guān)性。

在已有的研究中，大部分學(xué)者并未對(duì)景觀指數(shù)的選擇作出分析，而是直接套用了景觀格局與物種研究中的景觀指數(shù)，或是不加篩分的選取了大量常用的景觀指數(shù)然后與水文結(jié)果進(jìn)行分析，因此也得出了大量無用的結(jié)果，增加了研究的雜余工作，也使得在解釋景觀指數(shù)的生態(tài)意義時(shí)陷入僵局。如被大量研究者選擇的景觀形狀指數(shù)(分維數(shù)等)，盡管其與生物物種的相關(guān)性非常密切(景觀空間格局分析)，然而經(jīng)過分析該指數(shù)與水文水質(zhì)的相關(guān)性并不顯著[21，22]，因此其在水文方面并未具有顯著的生態(tài)意義，故可不予考慮。

再有，景觀指數(shù)的選取原則中要求指數(shù)間的相互獨(dú)立性要強(qiáng)，但是這并不意味著相關(guān)性的指數(shù)就該淘汰其中之一，不同的指數(shù)間相關(guān)性強(qiáng)，但卻代表著不同的生態(tài)解釋，因而不能粗略的舍去，如衡量多樣性中的均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)，相關(guān)性很強(qiáng)。但其代表的生態(tài)意義確很大不同，多樣性指數(shù)代表了斑塊類型的多樣性，也在一定程度上代表了人類的干擾程度，均勻度代表著這些各樣的斑塊的平均分布情況，當(dāng)各類斑塊分布情況均勻則均勻度值大，但當(dāng)其中某一類景觀的斑塊面積連通分布范圍很廣時(shí)，則優(yōu)勢(shì)度大，代表該類的景觀斑塊在景觀分布中占主導(dǎo)地位。因此這3個(gè)指標(biāo)的選擇盡管有很強(qiáng)的相關(guān)性，但是在選擇的同時(shí)不僅能夠相互進(jìn)行檢驗(yàn)，還能給予不同的生態(tài)解釋。

3 結(jié)論與展望

景觀格局與水文關(guān)系的研究中所需選擇的水文指標(biāo)包括徑流系數(shù)、年徑流深變差系數(shù)、洪水特征參數(shù)；水質(zhì)指標(biāo)選取面源污染的典型指標(biāo)，包括TN、TP、SS、CODMn；所需要選擇的景觀指數(shù)包括斑塊面積、景觀破碎度、聚集度等，但在研究景觀格局與水文關(guān)系時(shí)不能一味舍去相關(guān)性強(qiáng)的景觀指數(shù)，更應(yīng)避免片面利用在研究景觀格局與物種關(guān)系時(shí)所用的景觀指數(shù)。

景觀生態(tài)學(xué)是一門新興的學(xué)科，景觀格局也是出于不斷的發(fā)展中，因此景觀格局指數(shù)許多內(nèi)在的生態(tài)意義尚未可知，尤其是其與生態(tài)水文效應(yīng)間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)研究更是處于起步階段，還需要更多學(xué)者的加入，以深入深化景觀格局及其指數(shù)的生態(tài)內(nèi)涵。

參考文獻(xiàn)：

[1] 付永鋒，陳文輝，趙基花.非點(diǎn)源污染的研究進(jìn)展與前景展望[J].山西水利科技，2003(3)：32-35

[2] 倪紹祥.土地利用/覆被變化研究的幾個(gè)問題[J].自然資源學(xué)報(bào)，2005，20(6)：932-937

[3] JOHNSON L B，RICHARDS C，HOST G E，et al. Landscape Influences on Water Chemistry in Midwestern Stream Ecosystems[J].Freshwater Biology，1997，37(1)：193-208

[4] 張大偉，李楊帆，孫翔，等. 入太湖河流武進(jìn)港的區(qū)域景觀格局與河流水質(zhì)相關(guān)性分析[J]. 環(huán)境科學(xué)，2010，31(8)：1775-1783

[5] 黃金良，李青生，洪華生，等. 九龍江流域土地利用/景觀格局——水質(zhì)的初步關(guān)聯(lián)分析[J]. 環(huán)境科學(xué)，2011(1)：64-72

[6] 韓麗.流域土地利用變化及水文效應(yīng)研究[D].河海大學(xué)，2007

[7] 余新曉，李秀彬，夏兵，等.森林景觀格局與土地利用/覆被變化及其生態(tài)水文響應(yīng)[M].北京：科學(xué)出版社，2010

[8] O′CALLAGHAN J R. Land Use：the interaction of economics，ecology and hydrology[M]. Springer，1996

[9] 陳文輝，趙基花.非點(diǎn)源污染的研究進(jìn)展與前景展望[J].山西水利科技，2003(3)：32-35

[10] 于興修.楊桂山.典型流域土地利用/覆被變化及對(duì)水質(zhì)的影響——以太湖上游浙江西苕溪流域?yàn)槔?[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2003,12(3)：211-217

[11] 官寶紅，李君，曾愛斌，鄧勁松，張軍.杭州市城市土地利用對(duì)河流水質(zhì)的影響[J].資源科學(xué)，2008，30(6)：857-863

[12] 岳雋，王仰麟，李貴才，等. 深圳市西部庫區(qū)景觀格局與水質(zhì)的關(guān)聯(lián)特征應(yīng)用[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，19(1)：203-207

[13] 謝賀芳.白河流域景觀格局變化的水質(zhì)響應(yīng)[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2009

[14] 郭青海，馬克明，張易.城市土地利用異質(zhì)性對(duì)湖泊水質(zhì)的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2009(2)：776-787

[15] 戚曉明，杜培軍，周玉良，等.基于遙感和GIS的城市景觀格局演變與水文效應(yīng)關(guān)系研究 [J].國(guó)土資源遙感，2010(4)：103-107

[16] 金衛(wèi)斌，胡秉民.湖北四湖流域景觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)汛期湖泊水位影響的模擬分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23(4)：103-107

[17] 劉明，王克林.洞庭湖流域中上游地區(qū)景觀格局變化的水文響應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28(12)：5970-5979

[18] 劉曦，牟鳳云，林孝松，等.重慶主城區(qū)土地利用景觀格局變化分析[J]. 重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，30(12)：68-75

[19] LUDWIG J A，WILCOX B P，BRESHEARS D D，et al. Vegetation Patches and Runoff-erosion as Interacting Ecohydrological Processes in Semiarid Landscapes[J]. Ecology，2005，86(2)：288-297

[20] LUDWIG J A，TONGWAY D J，MARSDEN S G. Stripes，Strands or Stipples：Modelling the Influence of Three Landscape Banding Patterns on Resource Capture and Productivity in Semi-arid Woodlands，Australia[J]. Catena，1999，37(1)：257-273

[21] 索安寧，于波，王天明，等.涇河流域植被景觀格局對(duì)流域徑流的調(diào)節(jié)作用[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2005，19(4)：40-43

[22] 黃青.塔里木河中游景觀格局與生態(tài)水文過程的耦合分析[J].干旱資源與環(huán)境，2008，22(9)：83-87