梅江流域景觀格局變化及水沙響應(yīng)關(guān)系研究

摘 要 景觀格局是影響水土流失的因素之一，研究景觀格局演變對流域水沙的影響，對未來的景觀格局優(yōu)化具有重要指導(dǎo)作用。以南方紅壤區(qū)贛江支流梅江流域為研究區(qū)，對1957—2015年的水文要素和1980—2015年的土地利用景觀格局進(jìn)行分析。結(jié)果表明，流域內(nèi)耕地、林地和草地面積減少，城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積增加；林地是占絕對優(yōu)勢的景觀元素，景觀指數(shù)變化明顯，流域內(nèi)土地利用率在不斷發(fā)生變化；徑流量、輸沙量呈現(xiàn)增加趨勢，水沙相關(guān)性強(qiáng)；景觀聚集度和蔓延度的增加能有效減少地表徑流，降低水土流失。

關(guān)鍵詞 水沙關(guān)系；景觀格局演變；水土流失；梅江流域

中圖分類號：S157 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.22.004

水土流失，是指在水力、重力、風(fēng)力等外營力作用下，水土資源和土地生產(chǎn)力的破壞和損失，包括土地表層侵蝕和水土損失[1]。水土流失不僅會造成嚴(yán)重的環(huán)境問題，還會制約社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[2]。近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動強(qiáng)度增大，土地利用與開發(fā)頻繁，使得水土流失問題也變得更加突出。景觀格局是指土地利用景觀在空間上的分布，景觀格局指數(shù)可用于分析人類活動對土地利用景觀的干擾[3]。景觀格局又通過土地利用空間分布格局來影響地表徑流、泥沙輸送等過程，在一定程度上影響著水土流失的過程[4]。南方紅壤區(qū)是水土流失嚴(yán)重程度僅次于黃土高原的區(qū)域，然而目前，針對南方紅壤區(qū)景觀格局與水土流失的研究較為少見[5]。因此，研究選取南方紅壤區(qū)贛江上游左側(cè)支流梅江河流域為研究區(qū)，分析流域多年的徑流泥沙年際變化趨勢，多年的土地利用及景觀格局變化，并建立其與年徑流、年泥沙的關(guān)系，揭示南方紅壤區(qū)流域尺度水沙變化過程對景觀格局演變的響應(yīng)和關(guān)聯(lián)機(jī)制，提出景觀格局優(yōu)化的水沙調(diào)控對策，為江西省贛州市建設(shè)全國水土保持高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

梅江是贛江上游貢水左岸一級支流，發(fā)源于寧都縣與宜黃縣交接的王陂嶂，主河道長240 km，流域總面積7 121 km2，地處東經(jīng)115°22′～116°38′、北緯25°58′～27°09′。流域?qū)僦衼啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫為18.3 ℃，多年平均降水量為1 667.7 mm。

流域地形主要為低山丘陵區(qū)，土壤以紅壤為主；林地主要樹種有苦櫧、馬尾松、杉木，經(jīng)濟(jì)林以臍橙和柑橘為主。流域內(nèi)布設(shè)2個水文站寧都站和汾坑站，其中汾坑站設(shè)立于1957年，集水面積6 366 km2，該站點水文數(shù)據(jù)完成徑流數(shù)據(jù)從1957年開始觀測至今，泥沙數(shù)據(jù)從1958年開始觀測至今。

2 材料與方法

采用汾坑水文站提供的1957—2015年逐月徑流量、1958—2015年逐月輸沙量，用一元線性回歸和滑動平均法分析徑流泥沙的年際變化趨勢。

土地利用數(shù)據(jù)來源于地理國情監(jiān)測云平臺，時間為1980年、1990年、2000年、2010年及2015年，用地類型分別為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地及未利用地。

利用ArcGIS軟件分析流域內(nèi)土地利用變化，利用Fragstats景觀格局軟件計算流域內(nèi)各土地利用類型的景觀格局指數(shù)，選取斑塊密度（Patch density，PD）、最大形狀指數(shù)（Landscape shape index，LSI）、最大斑塊指數(shù)（Largest patch index，LPI）、蔓延度指數(shù)（Contagion index，CONTAG）、散布與并列指數(shù)（Interspersion juxtaposition index，IJI）、斑塊結(jié)合度（Patch cohesion index，COHESION）、景觀分割度（Landscape Division Index，DIVISION）、Shannon多樣性指數(shù)（Shannon′s diversity index，SHDI）、修正辛普森均勻度指數(shù)（Modified Simpson′s Evenness Index，MSIEI）及聚集度（Aggregation index，AI）10個景觀指數(shù)，指數(shù)的計算方法與意義參考相關(guān)文獻(xiàn)[6-8]。

采用Pearson相關(guān)系數(shù)對年徑流量、年輸沙量和景觀指數(shù)作相關(guān)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域土地利用及景觀格局分析

3.1.1 流域土地利用時空變化特征

表1為梅江流域不同時期和不同土地利用類型的面積及其占比。截至2015年，面積占比最大的景觀為林地（76.63%），其次是耕地（20.55%），然后是水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、草地及其他用地。1980—2015年，流域內(nèi)各土地利用類型面積均發(fā)生了變化，其中耕地面積減少最多（9.73 km2），占比由20.70%下降到20.55%；林地面積減少了7.83 km2；草地面積減少了2.31 km2；城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積增加最為明顯，為19.51 km2，占比由0.89%上升到1.20%；水域和未利用地面積略微增加，分別增加了0.34 km2和0.02 km2。

3.1.2 景觀格局變化

1980—2015年5個時期梅江流域的景觀指數(shù)如表2所示，各指標(biāo)變化不一。PD波動比較明顯。LPI波動較大，總體呈現(xiàn)下降的趨勢，表明受人類活動的影響，流域內(nèi)景觀破碎度和景觀多樣性增加。CONTAG和COHESION呈一定的增加趨勢，表明相同地類的斑塊在逐漸融合，連通性增強(qiáng)。SHDI均大于0.82，表明流域內(nèi)景觀類型豐富，各斑塊類型分布較為均衡。DIVISION指數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢，表明流域景觀異質(zhì)性在增加。AI呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，表明流域內(nèi)土地利用率在不斷發(fā)生變化。

3.2 流域徑流泥沙變化及水沙關(guān)系

3.2.1 徑流泥沙特征

從圖1可知，梅江流域年徑流量呈現(xiàn)不明顯的增大趨勢，包括2個枯水階段（1962—1969年和1985—1991年）和2個豐水階段（1979—1984年和1992—2002年），其他年份則變化不顯著。

從圖2可知，梅江流域年輸沙量呈現(xiàn)減小趨勢，包括2個顯著的少沙階段（1962—1967年和1999—2014年），2個顯著的多沙階段（1974—1984年和1991—1999年），剩余年份年輸沙量變化不大，多在多年平均輸沙量上下浮動。

3.2.2 水沙關(guān)系

從圖3可知，梅江流域年徑流與年輸沙量表現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.72，呈現(xiàn)水多沙多、水少沙少的趨勢。

3.3 流域景觀變化與水沙響應(yīng)關(guān)系

表3為梅江流域景觀指數(shù)與水沙的關(guān)系。PD、LSI、IJI、DIVISION、SHDI和MSIEI指數(shù)與徑流量呈正相關(guān)，其中LSI的相關(guān)性最高，其次是DIVISION，說明景觀斑塊破碎化程度越高、斑塊的形狀越復(fù)雜，對徑流產(chǎn)生的積極影響越顯著；CONTAG、COHESION和AI指數(shù)與徑流量呈負(fù)相關(guān)，表明隨著景觀結(jié)合度和蔓延度指數(shù)的增加，徑流有減少的趨勢。CONTAG和AI指數(shù)與泥沙呈負(fù)相關(guān)，表明提高流域景觀的蔓延度和聚集度，會使流域侵蝕產(chǎn)沙明顯減少。結(jié)合以上分析，提高景觀聚集度、蔓延度能有效減少地表徑流，促進(jìn)降雨下滲，減少水土流失。

4 結(jié)論與討論

梅江流域內(nèi)主要景觀類型為林地，面積占比約為76%，其次是耕地，面積占比約為20%；1980—2015年，面積增加最多的是城鄉(xiāng)建設(shè)用地，增加了19.51 km2；面積減少最多的是耕地，減少了9.73 km2，其次是林地，為7.38 km2。從景觀指數(shù)分析，流域內(nèi)景觀格局類型豐富，景觀破碎度增加，生物多樣性增強(qiáng)，受人類活動干擾較強(qiáng)，土地利用率在不斷變化。徑流量呈現(xiàn)不顯著增加趨勢，輸沙量呈現(xiàn)增加趨勢，水沙相關(guān)性強(qiáng)。在流域內(nèi)開展生產(chǎn)活動時，特別是開展改變用地類型的活動時，應(yīng)盡量避免跨地塊打破原有景觀類型，以降低景觀破碎度；應(yīng)提高景觀聚集度、蔓延度，增加相應(yīng)的水土保持措施，以降低地表徑流，減少水土流失。

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（責(zé)任編輯：劉寧寧）