三岔河上游景觀格局變化對徑流量的影響

王 杰，趙翠薇,2，賀中華，田仁偉，徐志榮

(1. 貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2. 喀斯特山地生態(tài)環(huán)境保護(hù)與資源利用協(xié)同創(chuàng)新中心，貴州 貴陽 550001)

水是人類一切生命活動的起源，是國家或地區(qū)發(fā)展的重要保障[1]，但是，氣候變化與人類社會經(jīng)濟(jì)活動的加劇深刻影響著全球的水循環(huán)過程，給許多國家或地區(qū)帶來了嚴(yán)重的水問題[2-3]。河川徑流作為流域水循環(huán)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，受到諸多因素影響[4]。在長時間尺度上，氣候變化對河川徑流的影響較為明顯，但短期內(nèi)人類活動對河川徑流的影響則更為明顯[5-6]。氣候變化主要通過改變降水的時空分配而影響徑流量的大小，而人類活動則是通過改變區(qū)域土地利用方式使下墊面性質(zhì)發(fā)生變化，從而干擾地表截留、填洼、下滲、蒸發(fā)等環(huán)節(jié)，最終影響水資源的空間分布狀況[5-7]。

作為景觀格局變化與徑流關(guān)系研究的一種有效方法，景觀格局指數(shù)與徑流量變化間的相關(guān)性分析被國內(nèi)外學(xué)者較為廣泛地運(yùn)用。Callow等[8]研究發(fā)現(xiàn)，澳大利亞肯特河上游12個子流域的景觀連接度對流域徑流具有較強(qiáng)的控制性。李瑩等[9]研究發(fā)現(xiàn)，灤河流域景觀分離度和均勻度指數(shù)與徑流呈正相關(guān)。李晶等[10]研究發(fā)現(xiàn)，延河流域綜合景觀指數(shù)與子流域的產(chǎn)沙及產(chǎn)流量呈顯著負(fù)相關(guān)。總之，景觀格局對地表產(chǎn)匯流過程具有明顯的干擾作用，但不同地區(qū)差異較大，通常在我國西南巖溶地區(qū)尤為突出[11-12]。

三岔河上游流域為我國西南地區(qū)典型喀斯特山地小流域，是一個生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)，流域內(nèi)特有的喀斯特地表、地下二元結(jié)構(gòu)，自古以來素有“八山一水一分田”的描述[13-14]。此外，流域水資源開發(fā)利用難度大，存在時空分配不均的現(xiàn)狀問題[15-16]。在三岔河修建的取水水利樞紐工程平寨水庫，有效地緩解當(dāng)?shù)厝彼畣栴}[17-18]。三岔河上游作為黔中水利樞紐的水源區(qū)，其土地利用和景觀格局不僅影響水源區(qū)的水量及水質(zhì)狀況，更會影響整個黔中經(jīng)濟(jì)區(qū)的用水安全[19]。目前，針對三岔河的研究主要有生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)流服務(wù)特征研究[20]、降水徑流時空變化分析[21]、水化學(xué)特征研究[22]及碳匯效應(yīng)研究[23]等，但在土地利用景觀格局對地表徑流量影響方面的研究相對較少?；诖耍疚闹羞x取三岔河上游作為研究區(qū)域，采用景觀格局指數(shù)分析法、Mann-Kendall秩次相關(guān)法及地理信息系統(tǒng)(GIS)空間分析方法，分析2000年開展“退耕還林還草”等生態(tài)工程以來土地利用景觀格局變化對地表徑流量產(chǎn)生的影響，不僅為提高流域生態(tài)穩(wěn)定性提供參考數(shù)據(jù)，而且對于保護(hù)長江流域和珠江流域的生態(tài)環(huán)境安全具有重要現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

三岔河發(fā)源于貴州烏蒙山脈東麓花漁洞，是長江流域烏江南源的一級支流，流經(jīng)安順、畢節(jié)等地區(qū)。地理位置為東經(jīng)104°17′—106°17′，北緯26°11′—27°10′，流域面積為4 077.31 km2。流域內(nèi)喀斯特地貌廣布，水土流失嚴(yán)重，人地矛盾突出[24]。氣候主要為亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，溫和濕潤，降水豐沛，年均降水量大于1 200 mm[25]。以林地、耕地、草地以及建設(shè)用地為主的土地利用類型是其特征之一。三岔河上游地形及水文、雨量站分布見圖1。

三岔河地理位置地圖從標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)站下載，地圖審批號為GS(2019)3333(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html?picId=%224o28b0625501ad13015501ad2bfc0182%22)，地形及水文、雨量站分布圖經(jīng)過ArcGIS10.2軟件數(shù)字化處理后得到。圖1 三岔河上游地形及水文、雨量站

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來源于《全國生態(tài)環(huán)境十年(2000—2010年)變化遙感調(diào)查與評估》 《貴州省2015年生態(tài)環(huán)境監(jiān)測》，分辨率為30 m×30 m?；谕恋乩?覆被變化(LUCC)分類系統(tǒng)，將三岔河上游土地利用類型劃分為6個一級地類，即建設(shè)用地、林地、草地、耕地、水域和未利用土地。

降水量數(shù)據(jù)來自于研究區(qū)內(nèi)3個雨量站(付家寨站、二塘站、南開站)及3個水文站(龍場橋站、向陽站、陽長站)所提供的1990—2015年逐月平均降雨量數(shù)據(jù)。通過反距離空間插值運(yùn)算，得到流域各年份面上平均降水量。

1990—2015年實測逐月平均徑流資料作為整個流域的徑流量，利用均值法計算出各年份平均徑流量，并以年平均徑流深表示年平均徑流量的大小[26]。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall秩次相關(guān)法

Mann-Kendall秩次相關(guān)法，是通過計算統(tǒng)計量τ、標(biāo)準(zhǔn)化變量U來判斷離散數(shù)據(jù)點(diǎn)變化趨勢顯著性的一種方法[27]，常用于檢驗降水和徑流變化趨勢及顯著性，計算公式為

(1)

(2)

(3)

2.2.2 土地利用動態(tài)變化指數(shù)

變化量和變化幅度作為描述土地變化特征的重要指標(biāo)，計算公式為

ΔS=Sb-Sa，

(4)

K=(Ub-Ua)/Ua×100%，

(5)

式中：Sa、Sb分別為研究初期、末期某種土地類型的面積；ΔS為研究時段內(nèi)某種土地面積變化量；K為研究時段內(nèi)某種土地類型的變化量[28]，Ua、Ub分別為研究初期、末期某種土地的檢驗系數(shù)。

2.2.3 景觀指數(shù)的選取及分析

基于Fragstats 4.2軟件，結(jié)合前人研究基礎(chǔ)及流域?qū)嶋H情況，選取能夠反映研究區(qū)景觀格局特征的9個指標(biāo)，即最大斑塊面積指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(AWMSI)、景觀聚集度指數(shù)(CONTAG)、景觀破碎度(DIVISION)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)、Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)、散布及并列指數(shù)(IJI)、斑塊數(shù)量(NP)和斑塊密度(PD)。

利用Person相關(guān)系數(shù)功能分析景觀格局指數(shù)與徑流量指標(biāo)之間的相關(guān)性[29]，探討流域景觀格局變化對地表徑流量的影響。徑流量指標(biāo)用5 a平均徑流深替代，由于流域徑流量變化對土地利用景觀格局的變化有一定的響應(yīng)時間段，因此將2000年景觀指數(shù)對應(yīng)的徑流量響應(yīng)時段確定為1996—2000年，2005年的響應(yīng)時段確定為2001—2005年，2010年的響應(yīng)時段確定為2006—2010年，2015年的響應(yīng)時段確定為2011—2015年。所有數(shù)據(jù)分析均在統(tǒng)計產(chǎn)品與服務(wù)解決方案(SPSS)軟件中進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量與徑流量變化特征分析

根據(jù)三岔河上游1990—2015年降水量和徑流量資料，繪制出三岔河上游年平均降水量和年平均徑流深的年際變化趨勢見圖2。由圖可知，年平均降水量與徑流深均呈現(xiàn)波動下降的趨勢，其中多年平均年降水量為1 031.63 mm，最大值和最小值分別為1 316.41 (1991年)、811.67 mm(2011年)。相對而言，多年平均徑流深為950.58 mm，最大值和最小值分別為1 296.09(1991年)、575.32 mm(2013年)，說明徑流量變化幅度大于降水量。

圖2 2000—2015年三岔河上游年平均降水量和年平均徑流深的年際變化趨勢

根據(jù)Mann-Kendall秩次相關(guān)法計算結(jié)果顯示，年降水量檢驗系數(shù)|Up|=1.655U(0.05，2)，表明其下降趨勢顯著。

降水量和徑流深的距平百分率可用于分析降水量和徑流量變化幅度特征，流域降水量和徑流深距平百分率計算結(jié)果如圖3所示。由圖可見，1990—2015年降水量與徑流深的距平百分率呈現(xiàn)正負(fù)交替，變化顯著。其中，年平均降水量距平百分率最大值及最小值分別為23.55%(1991年)和-23.82%(2011年)；年平均徑流深距平百分率最大值和最小值分別為38.91%(1991年)和-38.47%(2013年)。三岔河上游年降水量變化趨勢與年徑流量變化趨勢大致相同，但年徑流量的變幅要大于年降水量，說明年降水量是引起年徑流變化的主要因素。由于年降水量的變化在年徑流的變化中被放大，而年徑流量的距平百分率絕對值最大值(77.38%)明顯大于年降水量的相應(yīng)值(47.37%)。經(jīng)過計算，2000—2015年降水量和人類活動對徑流量變化的貢獻(xiàn)率分別為55.57%、44.43%，可見景觀格局的變化作為人類活動的主要方面對地表徑流造成了顯著的影響。

圖3 2000—2015年三岔河上游年平均降水量及年平均徑流深距平百分率變化特征

3.2 土地類型變化分析

運(yùn)用ArcGIS10.2軟件的空間分析模塊，對三岔河上游2000、2005、2010、2015年4期土地利用矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到三岔河上游流域4期土地利用狀況見圖4。由2000、2005、2010、2015年土地類型統(tǒng)計結(jié)果(見表1)可知，2000—2015年間林地、草地、建設(shè)用地和水域面積分別增加66.52、77.28、94.24、25.17 km2，耕地面積變化最為顯著，減少259.01 km2，未利用地面積變化不明顯，減少了4.20 km2。此外，林地與草地面積占總面積60%以上，耕地占30%左右，建設(shè)用地約4%，水域和未利用地占比不足2%。其中，水域面積變幅最大(323.11%)，建設(shè)用地為144.24%，林地變化最小(4.23%)。

表1 三岔河上游2000—2015年各土地類型面積及比例

為了進(jìn)一步揭示研究區(qū)土地利用類型變化特征，利用GIS對不同時段內(nèi)的土地利用空間分布進(jìn)行處理，獲取2000—2005、2005—2010、2010—2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，如表2—4所示。

表2 2000—2005年三岔河上游土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

綜上，三岔河上游土地利用變化趨勢為：1)林地、草地、水域與建設(shè)用地面積均呈現(xiàn)出不斷增加的變化趨勢，其中水域與建設(shè)用地面積增加幅度較大；2)耕地不斷減少，未利用地變化不大；3)耕地、未利用地的變化趨勢與林地、草地、耕地及建設(shè)的變化趨勢恰好相反，說明土地利用類型的轉(zhuǎn)變是以由“退耕還林還草”生態(tài)工程實施以及城市化建設(shè)加快等原因?qū)е碌牧值?、草地面積的變化為特征。

表3 2005—2010年三岔河上游土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表4 2010—2015年三岔河上游土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

3.3 景觀格局變化分析

由2000—2015年三岔河上游景觀指數(shù)計算結(jié)果(見表5)可知：流域內(nèi)NP數(shù)量增加了466，PD增加了0.114 km-2，DIVISION增加了0.02%，表明流域景觀破碎程度加深，主要是由“退耕還林還草”“天然林保護(hù)”以及研究區(qū)城市化進(jìn)程加快等造成的[30]。林地、草地景觀面積增加的主要原因是耕地轉(zhuǎn)化。隨著后期人類活動的加強(qiáng)，部分耕地轉(zhuǎn)化建設(shè)用地導(dǎo)致大面積耕地被分割為許多小斑塊，進(jìn)一步加深景觀的破碎度。

表5 2000—2015年三岔河上游景觀指數(shù)的變化特征

LPI減小了7.1%，AWMSI減小了2.24，表明景觀斑塊形狀逐漸朝著簡單和規(guī)則化方向演變。CONTAG減小了5.08%，反映出各景觀斑塊之間的通連性逐漸減弱。此外，SHDI、SHEI分別增大了0.09、0.05，表明流域的景觀異質(zhì)性提高，同時各類型斑塊的空間分布逐漸趨向于均勻。

綜上，自流域“退耕還林還草”等相關(guān)政策實施及城市化建設(shè)以來，三岔河上游景觀格局變化較為顯著，變化特征表現(xiàn)為景觀破碎度增加，優(yōu)勢度降低，連通性減弱，斑塊形狀逐漸趨于簡單和規(guī)則化，異質(zhì)性提高，各類斑塊的空間分布趨于均勻。

3.4 景觀水平格局對徑流量的影響

在景觀水平上選取的8個景觀指數(shù)與年平均徑流深的Person相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果如圖5所示。由圖可以看出：年平均徑流深變化與NP、PD、DIVISION呈負(fù)相關(guān)，說明景觀格局破碎化程度的加深阻滯了地表徑流的形成；LPI與年平均徑流深呈正相關(guān)，表明景觀斑塊優(yōu)勢度的提高有利于促進(jìn)徑流的形成，而流域景觀優(yōu)勢度在降低，促進(jìn)地表徑流形成的作用被削弱；年平均徑流深變化與AWMSI呈正相關(guān)，表明景觀斑塊形狀的復(fù)雜化，加強(qiáng)了流域地表產(chǎn)流能力，但是人類活動的影響致使景觀斑塊形狀變化逐漸呈現(xiàn)規(guī)則和簡單化，有效滯留了降水，減少了地表徑流的形成；年平均徑流深變化與CONTAG呈正相關(guān)，說明景觀斑塊之間聚集度的提高可促進(jìn)地表徑流的形成，而流域景觀之間的聚集度在逐漸降低，影響地表產(chǎn)流。

此外，SHDI、SHEI與年平均徑流深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明景觀斑塊類型復(fù)雜化，且空間分布逐漸趨于均勻，延緩了地表徑流的形成，說明2000年之后人類活動加強(qiáng)了對流域景觀格局改造，致使景觀的破碎化、優(yōu)勢度和聚集度降低，異質(zhì)性提高，以及各類型景觀在空間上趨于均勻分布，增加了對降水的攔蓄和消耗，從而阻滯地表徑流的形成。

3.5 斑塊類型水平格局指數(shù)與徑流量的關(guān)系

三岔河上游土地類型以林地為主，在各時間階段內(nèi)林地、耕地、草地及建設(shè)用地占流域總面積比例均在97%以上，所以以下主要分析林地、耕地、草地及建設(shè)用地的景觀格局指數(shù)與年徑流之間的相關(guān)性。選取5個主要景觀指數(shù)與徑流指標(biāo)變化作相關(guān)性分析，分析結(jié)果如表6所示。

1)林地。NP、PD和IJI指數(shù)與徑流量呈負(fù)相關(guān)，LPI與徑流量呈正相關(guān)關(guān)系。林地斑塊數(shù)量增多主要由耕地轉(zhuǎn)化而來，且主要分布在耕地的周邊，導(dǎo)致景觀破碎度增加和優(yōu)勢度降低，同時與其他景觀之間的鄰接度增大，由此增加了林冠截流和土壤入滲，使地表徑流很難形成。此外，林地面積的增加影響了流域內(nèi)水循環(huán)，具體表現(xiàn)為植物對河流的補(bǔ)給與削弱作用，有利于對徑流年際變化的穩(wěn)定。

2)草地。LPI和AWMSI與徑流量呈顯著負(fù)相關(guān)，表明草地優(yōu)勢度增大以及形狀復(fù)雜化增強(qiáng)能有效阻滯地表徑流形成。2000年實施“退耕還林還草”政策后，許多耕地逐漸撂荒成草地，細(xì)碎的草地逐漸連接成大面積的草地，增大了降水的滯留量以及蒸騰速率，對徑流減少具有顯著的作用。

3)耕地。徑流量與NP、PD及IJI指數(shù)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，LPI和AWMSI指數(shù)與年徑流量之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。作為三岔河上游優(yōu)勢度最大的景觀類型，耕地在2000年之后大面積減少，逐漸變化為林地、草地及其他景觀，導(dǎo)致耕地優(yōu)勢度降低，破碎度增加，形狀逐漸趨于簡單與規(guī)則化，并因此降低了耕地的產(chǎn)流作用，導(dǎo)致流域年徑流減少。

4)建設(shè)用地。徑流量只與IJI指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，與NP、PD、LPI和AWMSI指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城市化進(jìn)程的加快，建設(shè)用地發(fā)展趨勢呈現(xiàn)集中化，大量不透水面積的增加有利于促進(jìn)徑流增加，但建設(shè)用地面積較少，占流域總面積不足4%，對于徑流變化的影響較弱。此外，建設(shè)用地分布較為集中，距離縣城駐地較近，農(nóng)業(yè)用地分布較多且地勢較為平坦的地方，人口相對集中，對水資源的需求量較大，所以才會造成建設(shè)用地增加、徑流減少。

綜上所述，2000—2015年間三岔河上游年降水量減少的同時，年平均徑流量也在減少，并且減少的幅度大于降水的。2000年后“退耕還林還草”“天然林保護(hù)”等生態(tài)工程實施，林地和草地的持續(xù)增加主要由耕地轉(zhuǎn)化而來，且主要分布在耕地周圍以防護(hù)林的形式出現(xiàn)，增加了對降水的滯留和消耗，有效阻滯了地表徑流的形成，對其變化具有顯著的影響，而耕地與建設(shè)用地表現(xiàn)出的變化對徑流的影響相對較小。

4 討論及結(jié)論

4.1 討論

本文中分析了2000—2015年三岔河上游土地利用變化對徑流量的影響，同時也從景觀生態(tài)學(xué)的角度分析了2000—2015年流域景觀格局演變對徑流量的影響，對于進(jìn)一步揭示人類活動對徑流變化的影響機(jī)制具有重要參考價值。不足之處在于，雖然從宏觀角度上定性分析了三岔河上游LUCC對徑流量的影響，以及從景觀水平和斑塊類型水平上研究了流域景觀格局演變對地表徑流量的影響機(jī)制，但尚未從微觀角度定量分析LUCC對地表徑流的具體影響值，在以后研究中需要進(jìn)一步完善。

4.2 結(jié)論

1)1990—2015年，三岔河上游年降水量變化趨勢與年徑流量變化趨勢具有相似性，但年降水量的變化幅度要小于年徑流量的，說明降水是引起徑流變化的主要因素。2000—2015年流域降水量和人類活動對徑流量變化的貢獻(xiàn)率分別為55.57%、44.43%，說明流域土地利用類型、景觀格局變化作為人類活動的主要表現(xiàn)對地表徑流造成了顯著的影響。

2)采用Person相關(guān)分析法研究2000—2015年三岔河上游景觀格局與徑流量之間相關(guān)性，結(jié)果表明：DIVISION、SHDI及SHEI與徑流呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明景觀破碎度、景觀異質(zhì)性的增加和景觀空間的均勻分布，增加了對降水的滯留和消耗，阻礙了地表徑流的形成；LPI、AWMSI和CONTAG與徑流呈正相關(guān)，但流域景觀優(yōu)勢度和聚集度的降低以及斑塊形狀的簡單化，不利于徑流量的增加。出現(xiàn)這一影響機(jī)制的主要原因是林地和草地作為流域的優(yōu)勢景觀，其面積的增大、破碎化程度及鄰接度的增加有效阻滯了地表徑流的形成，造成流域徑流量減少。