景觀格局視角下晉西三川河流域徑流變化歸因分析

雷澤鑫,傅健宇,羅俊杰,曹 磊,*

1 天津大學(xué)建筑學(xué)院, 天津 300072 2 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院, 南京 210024

黃土高原地區(qū)地質(zhì)地貌條件特殊,由地表徑流沖蝕引發(fā)的水土流失與生態(tài)失衡等問題突出[1—2]。長(zhǎng)久以來,黃土高原徑流變化受到氣候變化和人類活動(dòng)雙重影響[3]。隨著水土保持與生態(tài)建設(shè)推進(jìn),降水量對(duì)于黃土高原地區(qū)徑流的影響在逐漸下降；退耕還林還草工程、淤地壩建工程等大規(guī)模人類活動(dòng)[4—5],造成下墊面變化,從而顯著改變了該地區(qū)的降雨-徑流關(guān)系[6],影響水文循環(huán)過程[7]。在大規(guī)模人類活動(dòng)背景下,揭示對(duì)下墊面變化對(duì)黃土高原地區(qū)徑流的影響,是進(jìn)一步開展水土保持與水資源規(guī)劃利用。然而,生態(tài)修復(fù)與規(guī)劃建設(shè)的落地實(shí)施是以土地空間為基本實(shí)施單元。因此,從地理空間角度探究景觀空間格局變化對(duì)區(qū)域徑流變化的影響,是維持水土保持成果、紓解區(qū)域水矛盾的科學(xué)依據(jù),也是新時(shí)期國(guó)土空間規(guī)劃的重要導(dǎo)向。

流域是黃土高原自然地貌與水土保持治理的基本空間單元。以流域?yàn)榉秶?探究土地利用或覆被類型(land use/ land cover, LULC)的空間變化特征有助于準(zhǔn)確理解和評(píng)價(jià)人工活動(dòng)干擾下的水文響應(yīng)過程[8]。定量評(píng)價(jià)流域尺度下氣候變化和下墊面變化對(duì)流域徑流變化的影響通常有水文模型和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析兩類方法[9—10]。水文模型建模過程往往需要高分辨率的數(shù)據(jù)集,且模型校準(zhǔn)驗(yàn)證過程較為繁瑣[11]。相比之下,在有長(zhǎng)期水文數(shù)據(jù)記錄的情況下,統(tǒng)計(jì)學(xué)方法具有一定優(yōu)勢(shì)。我國(guó)多位學(xué)者[12—14]基于Budyko水熱平衡方程[15]推導(dǎo)出的經(jīng)驗(yàn)公式,結(jié)合彈性框架的應(yīng)用[16],對(duì)于定量區(qū)分氣候與下墊面變化對(duì)流域徑流影響計(jì)算方便、形式簡(jiǎn)潔、科學(xué)性強(qiáng)[17—18]。這一方法在黃土高原地區(qū)流域徑流變化歸因分析方面得到一定的應(yīng)用：寧怡楠等[6]、張麗梅等[19]通過應(yīng)用Budyko方程的彈性公式,得出退耕還林還草工程引起下墊面變化是流域徑流減少的主要因素。畢早瑩等[20]進(jìn)一步將植被指數(shù)NDVI引入Budyko方程,并計(jì)算出窟野河流域植被變化對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率。在一定時(shí)間跨度內(nèi),流域下墊面的地形與土壤條件相對(duì)穩(wěn)定。因此,上述研究中都將LULC視為下墊面變化的主要影響因素。LULC對(duì)徑流變化的影響體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一方面,LULC變化造成曼寧系數(shù)等下墊面物理性質(zhì)變化[21],改變產(chǎn)匯流過程中的流量、峰值及路徑等[22]；另一方面,由LULC形態(tài)、比例和鑲嵌關(guān)系共同構(gòu)成的景觀格局[23]改變也會(huì)顯著改變流域水文特征。然而,已有研究多從前一方面分析具體植被覆蓋類型或面積造成的徑流變化；對(duì)于后者的研究?jī)H局限于從景觀格局指數(shù)與徑流變化的直觀分析,證實(shí)河川徑流與景觀格局之間存在的必然關(guān)聯(lián)[8,24]。黃土高原地區(qū)流域徑流量變化與景觀格局之間存在的具體空間關(guān)聯(lián),仍有待進(jìn)一步解釋。

作為黃土高原水土流失的嚴(yán)重區(qū)域與水土治理的典型代表,黃土丘陵溝壑區(qū)是開展景觀生態(tài)格局變化對(duì)徑流影響研究的適當(dāng)區(qū)域。本研究以晉西三川河流域?yàn)槔?基于景觀生態(tài)學(xué)“格局-過程”耦合視角,選用Budyko假設(shè)下的Choudhury-Yang經(jīng)驗(yàn)公式構(gòu)建彈性框架,通過景觀格局指數(shù)表征LULC的圖底空間變化,建立產(chǎn)匯流變化過程與流域景觀空間變化之間的數(shù)學(xué)模型,對(duì)徑流變化進(jìn)行地理空間層面的歸因分析。通過水文學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)的多學(xué)科融合方法,從景觀格局的角度量化分析下墊面變化與徑流變化的地理空間關(guān)系,探究解釋不同空間尺度景觀鑲嵌關(guān)系對(duì)徑流變化的影響,為流域水資源管理與水生態(tài)規(guī)劃提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

三川河是黃河左岸的一級(jí)支流,也是晉西地區(qū)匯入黃河的第二大支流,流域面積4161km2。根據(jù)流域地貌特征和水文情勢(shì)分異,三川河流域可劃分為北川河流域、東川河流域、南川河流域和三川河流域4個(gè)水文分區(qū)及子流域(圖1)。該流域是黃土丘陵溝壑區(qū)中水土流失較為嚴(yán)重的區(qū)域,1982年被列為全國(guó)8個(gè)水土保持重點(diǎn)治理流域之一后,隨即開始以“基本農(nóng)田、水保林、經(jīng)果林”為主要措施、為期十年(1983—1992年)的流域水土流失綜合治理[25]。因此,以三川河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,探索黃土高原丘陵區(qū)流域人類活動(dòng)引起的下墊面改變及其景觀格局變化和徑流關(guān)系具有一定的典型性,同時(shí)對(duì)于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)規(guī)劃和建設(shè)發(fā)展具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 研究區(qū)域概況Fig.1 Overview of Sanchuanhe River Basin

2 數(shù)據(jù)與方法

研究包括四個(gè)步驟：(1)通過Mann-Kendall相關(guān)檢驗(yàn)法分析年徑流量變化序列,確定研究期區(qū)間；(2)利用Budyko方程分析氣候變化和下墊面變化對(duì)于研究期間的年徑流量變化的貢獻(xiàn)；并基于移動(dòng)窗口函數(shù)(moving window),求得5年滑動(dòng)平均期的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)ω序列；(3)基于1980、1990、2000、2005、2010、2015、2020年的土地利用數(shù)據(jù),計(jì)算三川河流域及其49個(gè)子流域在類型和景觀層次的景觀指數(shù)；(4)利用下墊面變化對(duì)徑流變化的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)ω序列與景觀指數(shù)序列進(jìn)行相關(guān)性分析,并建立逐步線性回歸方程,分析景觀格局變化與徑流變化的潛在空間關(guān)聯(lián)。

2.1 數(shù)據(jù)來源

分析數(shù)據(jù)包括三川河流域下游后大成水文站1960—2020年逐月徑流量數(shù)據(jù),流域內(nèi)國(guó)家氣象站點(diǎn)離石站的同期逐日氣象數(shù)據(jù)(降雨量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速等數(shù)據(jù))。以上數(shù)據(jù)分別來源于國(guó)家水文年鑒和中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)。為了充分反映鐵路建設(shè)前后土地利用類型和景觀格局的變化,選取三川河流域所在區(qū)域2000、2005、2010、2015、2020年衛(wèi)星圖像作為研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。遙感影像以ASTER和LandSat 7 ETM+數(shù)據(jù)為主,分辨率為30m?；谖覈?guó)土地利用分類標(biāo)準(zhǔn),將研究區(qū)土地分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地和水體5種利用類型。通過ENVI完成遙感影像的監(jiān)督分類,結(jié)合實(shí)地調(diào)查對(duì)解譯數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和修正。利用ArcGIS完成影像數(shù)據(jù)的幾何校正、坐標(biāo)登記和矢量化。根據(jù)隨機(jī)抽樣和實(shí)地驗(yàn)證表明,圖像解讀的總體準(zhǔn)確率在90%以上。

2.2 研究方法

2.2.1趨勢(shì)檢驗(yàn)

Mann-Kendall相關(guān)檢驗(yàn)法(M-K法)屬于非參數(shù)檢驗(yàn)方法,可以用來檢驗(yàn)一個(gè)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)和識(shí)別序列是否有突變點(diǎn)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布,也不受異常值的干擾,更適用于類型變量和順序變量,且計(jì)算簡(jiǎn)單,在檢驗(yàn)降水、氣溫和徑流等時(shí)間序列的趨勢(shì)變化和突變等方面應(yīng)用廣泛[26]。本文采用M-K法對(duì)三川河流域的氣象和水文數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和突變點(diǎn)檢驗(yàn),顯著性水平為0.05。

2.2.2徑流變化貢獻(xiàn)率計(jì)算

(1)Budyko水量平衡方程建立

Choudhury-Yang經(jīng)驗(yàn)方程反映了在一定的氣候和植被條件下,流域長(zhǎng)期的水文氣候特征服從水分和能量平衡原理,表達(dá)式如下：

(1)

式中,E是長(zhǎng)期平均的年實(shí)際蒸散發(fā)量(mm),P是長(zhǎng)期平均年降水量(mm),E0是長(zhǎng)期平均的年潛在蒸散發(fā)量(mm),ω為無量綱常數(shù),反映人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面影響變化的特征參數(shù)。式中認(rèn)為P、E0和ω是相互獨(dú)立的變量。

結(jié)合流域長(zhǎng)期水量平衡方程P=E+R,長(zhǎng)時(shí)間尺度上流域徑流量R可以用流域內(nèi)降水P、潛在蒸散發(fā)E0以及與植被有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)ω進(jìn)行描述：

R=f(P,E0,ω)

(2)

(2)徑流變化貢獻(xiàn)量計(jì)算

將R與P、E0、ω的變化關(guān)系可以表示為全微分形式:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

突變前后的平均徑流深分別表示為R和R′,那么突變前后多年平均徑流深變化可表示為：

ΔR=R′-R

(8)

同時(shí),ΔR也可以用氣象要素變化及流域人類活動(dòng)變化的影響表示：

ΔR=ΔRP+ΔRE0+ΔRω

(9)

式中,ΔRP為降水變化引起的徑流變化,ΔRE0潛在蒸散發(fā)變化引起的徑流變化,ΔRω為人類活動(dòng)引起的徑流變化。

根據(jù)上文中得出的徑流彈性系數(shù)表達(dá)式,則可得到：

(10)

(11)

ΔRω=ΔR-(ΔRP+ΔRE0)

(12)

式中,ΔP和ΔE0分別為突變前后多年平均降水量和潛在蒸發(fā)量的差值,ΔP=P′-P,ΔE0=E0′-E0

降水、潛在蒸散發(fā)和人類活動(dòng)變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率β、γ、τ,可通過以下算式得出：

(13)

(14)

(15)

貢獻(xiàn)率為正值說明該因素變化所帶來的徑流效應(yīng)為正效應(yīng),即導(dǎo)致徑流增加,相反為負(fù)效應(yīng),即導(dǎo)致徑流減少。

(3)人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面影響變化的特征參數(shù)ω計(jì)算

移動(dòng)窗口是平滑水文序列隨機(jī)變化的一種簡(jiǎn)單而有效的方法,已被廣泛用于表示序列的非平穩(wěn)性[27]。為了消除蓄水變化和自然氣候變化影響,采用5年時(shí)間窗口的寬度求得年平均徑流量、降水量以及潛在蒸散量。以5年為中心的時(shí)間窗內(nèi),可以求得Budyko方程中的參數(shù)ω以表征不同滑動(dòng)平均時(shí)間內(nèi)人類活動(dòng)的變化規(guī)律。

2.3 景觀指數(shù)選取

景觀指數(shù)是通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)或拓?fù)溆?jì)算公式描述不同景觀要素的形態(tài)特征及其組合的結(jié)構(gòu)關(guān)系[28]。雖然景觀指數(shù)本身并不具有生態(tài)學(xué)意義,但是景觀指數(shù)能夠直接反映斑塊形狀特征或?qū)Σ煌邏K的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行量化描述,從而表征流域下墊面的變化情況。因此,根據(jù)生態(tài)學(xué)原理方法,綜合Fragstats 4.2幫助文檔[29]與已有研究成果在徑流歸因分析中對(duì)景觀指數(shù)的選擇[8,24],分別篩選類型水平上的22個(gè)指標(biāo)與景觀水平上的26個(gè)指標(biāo),利用Fragstats 4.2完成對(duì)整個(gè)流域和子流域級(jí)別的景觀指數(shù)統(tǒng)計(jì)。

2.4 數(shù)據(jù)分析

采用Pearson相關(guān)性分析在流域景觀水平-流域斑塊類型-子流域景觀水平3個(gè)層級(jí)檢測(cè)景觀指數(shù)與人類活動(dòng)對(duì)徑流變化影響參數(shù)之間的顯著性關(guān)系(P=0.05或0.01)。利用逐步線性回歸的方法確定與人類活動(dòng)影響參數(shù)相關(guān)的最敏感景觀指標(biāo)。采用SPSS 22.0完成Pearson相關(guān)系數(shù)和逐步回歸分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 三川河流域水文氣候特征

3.1.1徑流變化趨勢(shì)分析

根據(jù)M-K法對(duì)研究區(qū)的年徑流量和年降水量序列的變化趨勢(shì)與突變點(diǎn)進(jìn)行分析。由圖2可知,20世紀(jì)60年代中期以后,三川河流域的年降水量快速減少；從1979年至2010年年降水量變化表現(xiàn)出均勻波動(dòng)的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。三川河年徑流量變化情況較復(fù)雜(圖3)：由UF趨勢(shì)線分析可知,三川河流域年徑流變化在1970年呈相對(duì)穩(wěn)定的波狀起伏,70年代到80年代年徑流在總體減少的趨勢(shì)下略有波動(dòng),在80年代后徑流繼續(xù)呈現(xiàn)出快速減少的趨勢(shì)。在0.05的置信區(qū)間中,UF和UB趨勢(shì)線在1979—1980年間出現(xiàn)交點(diǎn)可知1980年至今的徑流減少是一突變現(xiàn)象。因此,本文以1980年作為突變點(diǎn),對(duì)1980年至今三川河流域徑流突變的歸因分析。

圖2 1957—2018逐年降水M-K統(tǒng)計(jì)曲線 Fig.2 Mann-Kendall statistical curve for annual precipitation from 1957 to 2018 UF表示按時(shí)間序列順序計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列,為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布；UB為逆序重復(fù)前一過程得到的計(jì)量序列

圖3 1955—2019逐年徑流M-K統(tǒng)計(jì)曲線 Fig.3 Mann-Kendall statistical curve for annual runoff from 1955 to 2018

3.1.2徑流變化歸因結(jié)果

三川河流域的徑流補(bǔ)給主要依靠降水,沒有外來河流匯入或冰川融雪,因此,在研究區(qū)的徑流變化歸因分析中,主要考慮降水、潛在蒸散量及人類活動(dòng)的影響。根據(jù)M-K分析結(jié)果分別將1957—1979年作為基準(zhǔn)期,1980—2020年作為突變期?；贑houdhury-Yang經(jīng)驗(yàn)公式(公式1),分別計(jì)算得出研究區(qū)年徑流量R對(duì)年降水量P、潛在蒸散量E0和人類活動(dòng)ω的彈性系數(shù)(公式5—7),反映了三川河流域?qū)σ陨弦蛩氐拿舾谐潭?表1)：當(dāng)年降水量增加1%,相應(yīng)地年徑流量增加幅度為2.7%；當(dāng)年潛在蒸散發(fā)量增加1%,相應(yīng)地年凈流量減少1.7%；流域下墊面參數(shù)增加1%,相應(yīng)地年徑流量減少2.2%?？梢?年徑流量變化對(duì)降水的敏感性要略大于人類活動(dòng)帶來的敏感性。根據(jù)公式13—15計(jì)算出以上三大因素對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率可知,在突變期后年平均徑流降低29.3mm,降雨、潛在蒸散量和人類活動(dòng)對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率分別為24.9%、14.29%和60.81%。換言之,人類活動(dòng)對(duì)徑流減少的影響超過六成,成為1980年后徑流變化的主要原因。

表1 不同因素對(duì)三川河流域徑流變化的敏感系數(shù)和貢獻(xiàn)率Table 1 Sensitivity coefficient and the contributions of different factors to annual runoff over the study area

3.1.35年滑動(dòng)窗口期內(nèi)氣候水文特征分析

以5年滑動(dòng)窗口期,分別求得1980—2020年R、P和E0的每隔五年的滑動(dòng)平均數(shù),基于Choudhury-Yang經(jīng)驗(yàn)公式中四個(gè)變量的數(shù)學(xué)關(guān)系(公式2),求取不同滑動(dòng)窗口期下墊面變化對(duì)徑流變化的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)ω(表2)。

表2 五年滑動(dòng)窗口期下徑流變化的影響因子變化Table 2 Change of influencing factors of runoff variation under five-year moving window period

3.2 三川河流域景觀格局變化

基于1980、1990、2000、2005、2010、2015、2020年的遙感影像判讀得到流域內(nèi)土地覆被類型,結(jié)合GIS和Fragstats對(duì)三川河流域1980—2020年的景觀格局變化進(jìn)行分析。

3.2.1土地利用類型變化

三川河流域主要土地利用類型為林地、草地、農(nóng)田、水域和建設(shè)用地,1980年與2020年土地利用變化對(duì)比如圖4所示。土地利用變化與三川河流域“土石山區(qū)-黃土丘陵溝壑區(qū)”的自然地形關(guān)系密切。建設(shè)用地沿河流谷地呈線性延伸,林地主要分布上游山區(qū)、農(nóng)田和草地主要分布在中下游坡地。各類土地類型變化(表3)可知：40年內(nèi),建設(shè)用地面積將近翻了十倍,水體面積增加近三成,農(nóng)田面積減少一成,林地和草地的面積變化相對(duì)較小。從2020年土地利用數(shù)據(jù)來看,其中近10%的草地以及近3%的林地是由農(nóng)田轉(zhuǎn)化而來,是“退耕還林還草”工程取得的部分成果；同時(shí)近65.5%的建設(shè)用地、近44%的水體是由農(nóng)田轉(zhuǎn)化而來,而分別有10%和近20%的農(nóng)田和建設(shè)用地來源于對(duì)草地的侵占,這體現(xiàn)了城市快速發(fā)展等人類活動(dòng)對(duì)土地利用變化的劇烈改變。總體來看,隨著城市建設(shè)的發(fā)展和生態(tài)工程的建設(shè),三川河流域各類用地對(duì)農(nóng)田和草地的侵占較為嚴(yán)重。

圖4 1980與2020土地利用類型變化對(duì)比分析Fig.4 Comparison of land use between 1980 and 2020

表3 1980—2020土地利用類型變化矩陣Table 3 Land use type change matrix 1980—2020

3.2.2流域尺度景觀格局變化特征

三川河流域的水土保持與生態(tài)建設(shè)以及城市擴(kuò)張帶來了劇烈的土地利用類型轉(zhuǎn)化,相應(yīng)地,從地理空間構(gòu)成上景觀格局也發(fā)生顯著變化(圖5)。

(1)景觀水平

在過去40年時(shí)間,三川河流域隨著最大斑塊面積(LPI)變小、總邊緣密度(TE)變小、斑塊核心面積(TCA、NDCA)與斑塊實(shí)際面積趨于一致,證明流域整體景觀斑塊形狀(PAFRAC)趨于規(guī)整；此外,斑塊之間對(duì)比度增強(qiáng)(CWED、TECI),進(jìn)一步反應(yīng)出整個(gè)流域景觀分布趨于破碎離散(DIVISION、CONNECT)、景觀蔓延度(CONHESION、IJL、CONTAG)增加、多樣性(SHDI、SHEI)增加。上述變化在2000年前后表現(xiàn)顯著。

(2)類型水平

不同類型用地的景觀格局變化呈現(xiàn)出較大差異。首先,林地在1990年之前變化顯著,在1990之后變化趨于平穩(wěn)。林地景觀的變化趨勢(shì)為：斑塊邊緣趨于不規(guī)整,但是斑塊面積與核心面積變化相對(duì)穩(wěn)定、林地景觀破碎度和蔓延度變化較小。其余四類用地在2000年發(fā)生顯著變化：其中農(nóng)田斑塊面積減少,剩余三類斑塊面積顯著增大。在此過程中只有建設(shè)用地斑塊形狀趨于雜亂,剩余類型用地斑塊形狀趨于規(guī)整。建設(shè)用地的無序擴(kuò)張(破碎度降低、連通度增高、蔓延度增強(qiáng))導(dǎo)致農(nóng)田和水體的破碎度增高、斑塊細(xì)分程度降低；草地破碎度增高、蔓延度降低。

3.2.3子流域尺度景觀格局變化特征

對(duì)三川河流域的49個(gè)子流域進(jìn)行景觀水平的景觀指數(shù)分析(圖6)可知,在1980到2020年的40年變化中,景觀格局變化最為顯著的子流域分別為三川河上游子流域5、18、29、32,以及位于城市建設(shè)發(fā)展的子流域16、28、47。在這些子流域中,位于河道上游的子流域邊緣密度減小、核心面積形狀趨于規(guī)整、斑塊對(duì)比度變大、斑塊細(xì)分程度變大、斑塊均勻分布程度降低,證明子流域景觀格局趨于破碎、連通度降低、斑塊形狀趨于規(guī)整,體現(xiàn)了人類活動(dòng)對(duì)流域上游景觀格局的改造。位于支流交匯口的子流域分別為離石區(qū)東城、南城以及北城新區(qū),在這些區(qū)域的最大斑塊面積呈擴(kuò)大趨勢(shì),斑塊連通度變強(qiáng)、分散和細(xì)分程度增加、斑塊多樣性顯著增強(qiáng)。這說明城市擴(kuò)張帶來以建設(shè)用地為主的主要斑塊面積增大,但是出現(xiàn)建設(shè)用地被多種用地細(xì)分的情況。這反應(yīng)了城市建設(shè)的擴(kuò)張以及城市內(nèi)部硬質(zhì)下墊面的破碎化改變。

圖6 1980—2020子流域景觀指數(shù)變化分析Fig.6 Analysis of landscape index change in subbasin from 1980 to 2020

3.3 三川河流域景觀格局對(duì)徑流變化的影響

3.3.1景觀格局變化與徑流變化的相關(guān)性分析

由于流域徑流改變受到下墊面變化的影響,以1980—2015的景觀指數(shù)序列分別與Budyko方程下的人類活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)ω序列(表2)做相關(guān)性分析可知(圖7)：ω與流域景觀水平上的景觀格局變化只與景觀分割指數(shù)(DIVISION)呈正相關(guān),與景觀最大斑塊面積(LPI)呈負(fù)相關(guān),與其他指數(shù)相關(guān)性不明顯。在流域類型水平上,ω與林地、草地、水體斑塊的最大面積、核心面積呈現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)性；與林地、草地、農(nóng)田聚合指數(shù)呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)性。此外,ω與建設(shè)用地形成的景觀格局沒有明顯的相關(guān)性。

在子流域尺度上,ω明顯與子流域32、47、28、29、7、5、22的景觀格局變化表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性,同時(shí)各子流域的最大斑塊面積指數(shù)(LPI)、核心斑塊面積指數(shù)(TCA)、景觀聚合指數(shù)(COHESION、DIVISION)以及景觀多樣性(SHDI)指數(shù)等類型表現(xiàn)出較多的相關(guān)性。

3.3.2景觀指數(shù)與徑流變化的回歸模型

基于流域景觀-流域斑塊類型-子流域景觀三個(gè)層次的景觀指數(shù)變量,采用逐步線性回歸方法,分別從不同景觀尺度下的14、55和686個(gè)景觀格局指數(shù)篩選關(guān)鍵指標(biāo),估算人類活動(dòng)影響系數(shù)。結(jié)果表明(表4)：流域景觀水平上景觀分割指數(shù)能夠從一定程度上表征流域的人類活動(dòng)影響(R2=0.623,P<0.05)；流域斑塊類型水平上,林地的斑塊核心面積(TCA)與水體的連通度(CONNECT)可以顯著解釋流域的人類活動(dòng)影響(R2=0.883,P<0.005)；子流域景觀水平上,子流域28的散布指數(shù)(IJI)、子流域5的邊緣指數(shù)(TE)以及子流域22和32的最大斑塊占比(LPI)可以較為準(zhǔn)確地解釋流域人類活動(dòng)影響(R2=0.998,P<0.001)。回歸中各變量共線性診斷的關(guān)鍵指標(biāo)VIF值小于10,說明各變量之間幾乎不存在共線性問題。

表4 基于景觀指數(shù)和人類活動(dòng)對(duì)徑流影響參數(shù)ω的逐步線性回歸方程Table 4 Stepwise linear regression equations for landscape index and the parameters of anthropogenic impact

4 討論

4.1 景觀格局變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分析

三川河流域氣候變化(降水、潛在蒸散量)和下墊面變化(參數(shù)ω)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為39.19%和60.81%。該結(jié)果與楊大文等[18]與劉艷麗等[30]對(duì)三川河流域徑流分析得出的結(jié)論一致。貢獻(xiàn)率計(jì)算數(shù)值上的誤差與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的時(shí)間區(qū)間選擇有關(guān)。三川河流域的下墊面變化參數(shù)ω對(duì)徑流存在負(fù)面影響,隨著ω的增加,徑流則會(huì)表現(xiàn)出相應(yīng)的減少趨勢(shì)。1980年后至今三川河流域徑流量的突變性減少趨勢(shì),下墊面變化的貢獻(xiàn)超過六成。此外,在黃土丘陵溝壑區(qū)(同時(shí)也是黃河中游的多沙粗沙區(qū))徑流變化歸因研究中,流域下墊面對(duì)徑流的貢獻(xiàn)均超過60%以上,徑流變化的時(shí)間均為20世紀(jì)80—90年代之間[6,18,20]。

三川河流域至今沒有中型以上水庫,缺少大規(guī)模農(nóng)業(yè)灌溉,人類直接用水活動(dòng)有限,屬于黃土丘陵溝壑區(qū)的典型山區(qū)流域。在地形和土壤條件相對(duì)穩(wěn)定的情況下,從景觀格局變化的角度,流域淤地壩、梯田以及退耕還林還草工程可以呈現(xiàn)為斑塊類型的轉(zhuǎn)換、斑塊核心面積、斑塊形狀以及連通程度的變化。流域下墊面變化基本可以用反映土地利用結(jié)構(gòu)的景觀格局變化來表征。對(duì)三川河流域1980—2020年40年間,對(duì)每間隔5年的LULC數(shù)據(jù)進(jìn)行景觀格局變化分析可知：流域尺度上,三川河流域景觀斑塊形狀趨于規(guī)整、分布趨于破碎、景觀蔓延度增加、多樣性增加；子流域?qū)用嫔?流域上游以及涉及河川谷地、大型溝道的子流域成為景觀格局變化最強(qiáng)烈的區(qū)域。結(jié)合該流域以“溝域”為主導(dǎo)的水土保持建設(shè)模式[31]以及黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持工程驅(qū)動(dòng)下的景觀格局變化特征[32—33],有理由認(rèn)為三川河流域的徑流減少是大規(guī)模水土保持建設(shè)引起景觀格局變化后的直接效果。

4.2 景觀格局變化與徑流減少的空間關(guān)聯(lián)

為了進(jìn)一步揭示景觀格局變化與徑流減少的地理空間對(duì)應(yīng)關(guān)系,本文以ω序列為因變量,以不同觀測(cè)尺度和不同研究水平的景觀指數(shù)為自變量,進(jìn)行person相關(guān)性分析和逐步線性回歸分析。

流域尺度上,景觀分割程度與ω正相關(guān),林地斑塊核心面積以及水體斑塊的連通性ω負(fù)相關(guān)。換言之,流域景觀分割度提高、林地斑塊的核心面積減少、水體斑塊連通度降低,導(dǎo)致ω增大,徑流減少。其中,景觀分割度提高,意味流域中大型斑塊面積和形狀的割裂,林地斑塊與水體斑塊的格局變化佐證了這一特征。根據(jù)逐步線性回歸模型,三川河流域徑流減少88.30%可以通過林地斑塊核心面積的減少和水體斑塊連通度的降低予以解釋。流域景觀尺度上,林地斑塊核心面積減小,會(huì)導(dǎo)致斑塊邊界的氣候修正現(xiàn)象,加大林地的蒸散水平,減少徑流[34]。此外,相同斑塊面積下,林地的核心斑塊面積減少,意味著林地斑塊帶來的徑流阻力增加,匯水效率降低,從一定程度上減少了徑流量[35]。上述兩個(gè)觀點(diǎn)都從不同側(cè)面解釋了林地斑塊核心面積的減小,造成徑流量降低。另外水體連通性降低,體現(xiàn)了河川斷流或蓄水力度的增加,這一過程伴必然伴隨著徑流減少[36]。上述研究徑流對(duì)林地與水體景觀格局變化的響應(yīng)特征與黃土丘陵溝壑區(qū)其他流域的徑流歸因結(jié)果一致[37—38]。

子流域尺度上的景觀格局與徑流變化分析能夠進(jìn)一步細(xì)化流域景觀格局改變的具體空間區(qū)位,從而定位影響流域產(chǎn)匯流的主要區(qū)域。林地核心面積以及城市建成區(qū)斑塊的散布程度能夠99.80%解釋徑流量降低的趨勢(shì)變化。子流域5、32為流域上游的主要林地,子流域22為支流交匯處的退耕還林工程用地,整個(gè)流域的徑流降低與這些子流域林地核心面積減少具有直接相關(guān)性。此外,子流域28為東川河流域的離石區(qū)城市建設(shè)擴(kuò)張的主要區(qū)域,該區(qū)域的吳城水庫與東川河淤地壩建設(shè)為城市用水以及郊區(qū)農(nóng)田灌溉蓄積水資源,導(dǎo)致整個(gè)子流域的斑塊分散程度提高,影響了東川河支流向干流的徑流貢獻(xiàn)。這一結(jié)果與Tian等對(duì)水體景觀格局的研究結(jié)論一致[39]。綜上,基于逐步線性回歸方程的建立,三川河流域的徑流減少的原因可以空間定位到以下兩部分：第一、主要支流的上游林地及兩條支流匯流處的林地核心斑塊面積減少；第二、城市建設(shè)區(qū)域?qū)τ谒w連通性的破壞。

4.3 水資源管理目標(biāo)下的景觀格局優(yōu)化建議

流域下墊面條件改變驅(qū)動(dòng)下的景觀格局變化對(duì)黃土高原地區(qū)徑流變化具有重要影響[21]。隨著國(guó)土空間規(guī)劃的深入,從整體景觀格局構(gòu)建的視角優(yōu)化用地結(jié)構(gòu)是黃土高原水土保持的方向[40—41]。景觀斑塊的鑲嵌模式與流域降雨-徑流-耗散直接相關(guān)。水土保持建設(shè)過程中對(duì)退耕還林用地的劃分,不僅保證用地率,同時(shí)要著重考量還林、還草用地的形狀特征與位置。此外,人類活動(dòng)對(duì)河道徑流的攔截和蓄積,提高了當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)水資源利用的保障,但是會(huì)影響流域自然水循環(huán)規(guī)律。因此在水資源缺乏的黃土高原地區(qū)水利工程的建設(shè)和城市用水的管理應(yīng)該基于更尺度的區(qū)域水資源統(tǒng)籌與可持續(xù)規(guī)劃[42]。

景觀格局變化是區(qū)域規(guī)劃發(fā)展研究的依據(jù),也是未來生態(tài)、水文、地理、規(guī)劃等專業(yè)跨學(xué)科合作的研究重點(diǎn)。因此,在黃土高原地區(qū)土地管理與生態(tài)修復(fù)過程中,強(qiáng)調(diào)土地利用模式對(duì)流域水土保護(hù)的重要作用,在控制土地規(guī)劃用地用量的基礎(chǔ)上,提出合理的不同用地規(guī)模與地理空間關(guān)系,優(yōu)化流域景觀格局,穩(wěn)定流域徑流為黃土高原的生態(tài)建設(shè)與高品質(zhì)健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)論

本文以晉西三川河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,利用景觀格局指數(shù)表征流域下墊面變化,結(jié)合水文學(xué)Budyko水量平衡方程下徑流歸因分析方法,通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和GIS空間分析,探討黃土高原流域景觀格局變化對(duì)徑流變化的原因與影響。研究表明：1980年至今是三川河流域徑流銳減的時(shí)期,其中人類活動(dòng)對(duì)徑流貢獻(xiàn)率為60.81%。通過對(duì)這段時(shí)期土地利用變化與人類活動(dòng)對(duì)徑流變化影響參數(shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析可知,造成該流域徑流減少的景觀格局變化主要由北川河和東川河支流上游以及支流交匯處林地核心面積的減少以及城市建成區(qū)內(nèi)水體連通度降低造成。本研究通過跨學(xué)科方法探究流域景觀格局與徑流變化之間的潛在空間關(guān)聯(lián),探索學(xué)科交叉背景下水土保持建設(shè)的生態(tài)景觀化模式,為黃土高原地區(qū)未來流域水資源管理與生態(tài)規(guī)劃提供決策依據(jù)。