南流江流域景觀格局變化對水沙過程的影響

摘要： 基于南流江近60 a的水沙數(shù)據(jù)和流域內(nèi)近30 a的土地利用數(shù)據(jù)，采用景觀格局指數(shù)、水沙突變分析及Pearson相關性分析方法，分析流域景觀格局和水沙變化特征及其相關性。結果表明：流域內(nèi)最主要的土地利用類型為林地，約占流域面積的60%，土地利用變化主要是林地、耕地、建設用地之間的轉(zhuǎn)變；流域景觀格局指數(shù)略有變化，景觀破碎度增加、形狀復雜；水沙年際變化均呈減少趨勢，徑流量和輸沙量的突變點均出現(xiàn)在2002年；水沙變化和景觀聚集度呈正相關關系，與景觀破碎化程度呈負相關關系。

關鍵詞： 水沙變化；土地利用；景觀格局指數(shù)；南流江流域

中圖分類號： S157文獻標識碼： ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.04.014

引用格式： 王夢竹，許珊珊，楊夏玲，等.南流江流域景觀格局變化對水沙過程的影響[J].中國水土保持，2025（4）：50-54.

流域水沙過程是河流系統(tǒng)的自然組成部分，在構建景觀、創(chuàng)造生態(tài)棲息地和輸送營養(yǎng)物質(zhì)等方面發(fā)揮著重要作用[1]，對三角洲濕地資源時空變化也具有重要影響[2]。但是，近年來中國主要江河的徑流量和輸沙量總體均呈減少趨勢[3]，這給水沙管理帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。水沙變化過程主要受氣候和人類活動的影響。大氣降水是氣候影響水沙變化過程的一個重要方式[4]。影響水沙變化過程的主要因素是人類活動，主要表現(xiàn)為在流域內(nèi)進行水土保持、河道采砂、引水灌溉和改變地表覆被類型等[5]。這些活動會改變流域內(nèi)的下墊面條件，導致景觀格局變化，進而影響水沙過程[6]。景觀格局的變化是表征土地利用變化的重要標志[7]。探究水沙變化過程對土地利用及景觀格局演變的響應，有助于優(yōu)化流域水沙管理。

南流江是位于北部灣北部的山溪型中小型入海河流，具有流程短、流速快、流量小、對極端天氣響應迅速的特點。受氣候變化和人類活動共同影響，近年來南流江年均徑流量和年均含沙量均呈下降趨勢[8]。有學者從極端天氣[9]、降水[10]等方面探討了南流江入海水沙的變化，還有學者從土地利用的角度分析了南流江流域的水土流失狀況[11]。在人類活動影響下，流域景觀格局改變，對應的斑塊密度、形狀、數(shù)量和產(chǎn)匯流過程也會隨之發(fā)生變化[12]，進而影響流域的徑流量和輸沙量。因此，明確南流江流域水沙變化過程與景觀格局變化的關系，對于流域內(nèi)水沙治理及土地利用規(guī)劃具有實際意義。

1研究區(qū)概況

南流江（東經(jīng)109°00′～110°30′，北緯21°30′～23°00′）地處我國廣西東南部，是廣西獨流入海第一大河，全長287 km，流域面積約為9 291.9 km2。南流江發(fā)源于玉林大容山，自北向南流經(jīng)北流市、玉林市、博白縣、浦北縣和合浦縣，最后在合浦縣注入北部灣[8]。南流江流域氣候溫暖濕潤，多年平均降水量1 736 mm，多年平均氣溫22 ℃。南流江流域概況見圖1[該圖基于全國地理信息資源目錄服務系統(tǒng)網(wǎng)站下載的審圖號為GS（2020）4619號標準地圖制作]。

2數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

本研究1965—2022年徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)主要來源于南流江常樂水文站的實測水沙數(shù)據(jù)[9]；土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn），分辨率為30 m，選取南流江流域1990年、2000年、2010年、2020年的4期土地利用數(shù)據(jù)。

2.2研究方法

1）土地利用和景觀指數(shù)的處理方法?；?990年、2000年、2010年、2020年的土地利用數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件獲取分析景觀格局所需數(shù)據(jù)。采用 Fragstats 軟件計算土地利用類型的景觀格局指數(shù)，結合流域的實際狀況，最終選取PD（斑塊密度指數(shù)）、LPI（最大斑塊指數(shù)）、ED（邊緣密度）、LSI（形狀指數(shù)）、PAFRAC（面積分維數(shù)）、CONTAG（蔓延度指數(shù)）、IJI（散布與并列指標）、DIVISION（景觀分裂度指數(shù)）、SPLIT（分裂指數(shù)）、SHDI（香農(nóng)多樣性指數(shù)）、AI（聚集度）共計11個景觀格局指數(shù)進行分析。

2）氣象水文數(shù)據(jù)處理方法。采用常樂水文站提供的1965—2022年水沙數(shù)據(jù)，利用一元線性回歸法描述徑流泥沙的年際變化趨勢，采用Mann-Kendall檢驗法[13]（以下簡稱“M-K檢驗”）、Pettitt檢驗法[14]和累計距平法檢測徑流泥沙的年際突變點。

3）景觀格局與徑流泥沙的關系探究。使用Pearson相關性分析方法對景觀格局特征與徑流泥沙量之間的關聯(lián)性進行量化分析，其相關系數(shù)取值介于-1至1之間：-1表示完全負相關，1表示完全正相關，0則意味著變量間不存在線性相關關系。利用SPSS 27.0軟件對景觀指數(shù)與流域徑流量、泥沙量進行Pearson相關性分析。

3結果與分析

3.1土地利用與景觀格局變化

利用ArcGIS 10.4軟件對南流江流域1990年、2000年、2010年、2020年4期土地利用數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計不同土地利用類型在南流江流域的分布面積，結果見表1。由表1可知，流域內(nèi)林地面積最大，1990年、2000年、2010年、2020年林地面積占流域面積的比例分別為61.41%、61.08%、61.13%、60.69%；耕地面積次之，占流域面積的比例分別為28.40%、29.17%、28.74%、28.19%；之后是草地，占流域面積的比例分別為4.38%、3.44%、3.25%、3.29%；水域面積基本保持不變，未出現(xiàn)顯著波動； 王夢竹等：南流江流域景觀格局變化對水沙過程的影響建設用地則呈現(xiàn)出擴張態(tài)勢，占流域面積比例分別為3.05%、3.54%、4.08%、5.01%。

根據(jù)不同時期的土地利用類型面積，計算土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，得到1990—2000年、2000—2010年、2010—2020年南流江流域的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（見表2、表3、表4）。整體來看，土地利用面積變化主要是林地、耕地、建設用地之間的轉(zhuǎn)變，草地、水域、未利用地變化不是很明顯。1990—2000年，林地主要轉(zhuǎn)移為耕地，轉(zhuǎn)移面積達123.35 km2；2000—2010年，耕地主要轉(zhuǎn)出為建設用地和林地，分別轉(zhuǎn)移了41.88、15.54 km2；2010—2020年，耕地主要轉(zhuǎn)出為林地和建設用地，轉(zhuǎn)移面積分別為94.80、70.86 km2。

使用Fragstats 4.2軟件對南流江流域4個時間點的土地利用數(shù)據(jù)進行景觀格局指數(shù)計算，得到南流江流域景觀格局指數(shù)變化見表5。由表5可知，PD呈現(xiàn)輕微下降后回升的趨勢，反映了流域內(nèi)景觀破碎化程度減小后又有所增加；PAFRAC、IJI呈先增后減的變化趨勢，說明流域內(nèi)景觀異質(zhì)性先增后減，反映了景觀結構的動態(tài)變化；LPI從1990年的36.027下降到2020年的19.067，呈顯著下降趨勢，即在人類活動的影響下，流域內(nèi)景觀破碎化程度增加；ED、LSI、DIVISION、SPLIT、SHDI呈上升趨勢，說明流域內(nèi)片段之間的連接性減弱，同時斑塊形狀呈現(xiàn)日益復雜的趨勢；CONTAG出現(xiàn)波動上升趨勢，說明景觀連通性得到改善；相比之下，AI保持相對穩(wěn)定，呈輕微下降趨勢，說明景觀結構相對穩(wěn)定，但仍存在微小變化。

3.2水沙變化特征

1965—2022年南流江年均徑流量為51.07億m3，年均輸沙量為86.89萬t，水沙變化特征見圖2。由圖2可知，1965—2022年南流江徑流量呈減少趨勢，最大年徑流量發(fā)生在2002年，為88.04億m3；輸沙量則明顯減少，最大年輸沙量發(fā)生在1971年，為189.19萬t。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，1965—2022年南流江流域降水量呈不明顯的增加趨勢，徑流量和輸沙量均表現(xiàn)出下降趨勢，且輸沙量的下降幅度明顯大于徑流量，這表明南流江流域的水沙變化還受到外部因素的影響。

圖3為南流江流域水沙關系擬合結果。由圖3可知，南流江輸沙量與徑流量呈顯著正相關關系，相關系數(shù)為0.79；徑流量與降水量呈顯著正相關關系，相關系數(shù)為0.84。這說明輸沙量與徑流量、徑流量與降水量的變化趨勢之間存在密切關聯(lián)，降水量在一定程度上也會對輸沙量產(chǎn)生影響。

利用M-K檢驗、Pettitt檢驗、累計距平檢驗（均采用Matlab軟件分析）對南流江1965—2022年歷年徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)進行突變檢驗分析，結果見表6。由表6可知，Pettitt檢驗對水沙突變表現(xiàn)出較高的靈敏性，并且其結果與累計距平檢驗的突變點相一致；而根據(jù)M-K檢驗，徑流量的突變發(fā)生在2003年，考慮到實際的年徑流量變化情況，其變化特征不夠顯著，所以認為該突變點不夠可靠。因此，在綜合分析流域內(nèi)降水和徑流變化情況后，認為流域的水沙突變發(fā)生在2002年。

3.3景觀格局與徑流泥沙的相關關系

利用SPSS 27軟件，將南流江流域景觀格局指數(shù)與徑流量、輸沙量進行相關性分析，結果見圖4。由圖4可知，輸沙量、徑流量與AI、CONTAG、LPI均呈正相關關系，說明景觀中較為緊密、凝聚的斑塊結構有助于減少水土流失；輸沙量、徑流量與SHDI、SPLIT、DIVISION、LSI、ED均呈負相關關系，說明景觀結構的復雜性增加，導致水流路徑變得更加復雜，增加了水流的阻力和路徑長度，從而減小了徑流量和輸沙量；徑流量與PAFRAC、IJI均呈負相關關系，說明景觀破碎化和分散化程度越高，徑流匯聚能力越弱；輸沙量與PAFRAC、IJI的相關性均不強，輸沙量、徑流量與PD的相關性均不強，說明流域水土流失還受到其他因素的影響，如土壤質(zhì)地、植被覆蓋等。

4討論

1990—2020年，南流江流域林地和耕地面積較大且分布廣泛，土地利用面積變化主要是耕地、林地和建設用地之間的轉(zhuǎn)移。土地利用及景觀格局指數(shù)的變化主要受政策驅(qū)動影響，比如2000年以來廣西大力推進退耕還林工程，顯著改善了石漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，特別是自2009年起，廣西大面積種植桉樹，進一步增加了林草面積，提高了植被覆蓋率[15]。受這些因素的影響，南流江流域耕地向林地轉(zhuǎn)移的面積明顯增加，由2000—2010年的15.54 km2增加到2010—2020年的94.80 km2。同時，流域內(nèi)的景觀格局指數(shù)也發(fā)生了顯著變化，表現(xiàn)為斑塊形狀日益復雜。

水沙變化方面，1965—2022年南流江流域年降水量呈微弱增加趨勢，而年徑流量和年輸沙量整體均呈下降趨勢，這與相關學者研究結果一致。流域水沙變化受到多種因素的綜合影響，包括降水[10]、氣溫[8]、植被覆蓋率[16]、極端天氣[9]、人類活動等，其中人類活動的影響尤為顯著，比如采砂活動[8]。此外，玉林市、欽州市、北海市相繼實施退耕還林政策[17-18]，導致了土地覆蓋類型和景觀格局的變化，進而對水沙變化產(chǎn)生重要影響。

土地利用和景觀格局的變化在一定程度上影響了流域水沙的變化。隨著人類活動的影響，南流江流域土地利用類型發(fā)生調(diào)整，大斑塊面積呈減少趨勢，景觀格局向破碎化、復雜化方向發(fā)展。一方面，景觀破碎化和復雜化導致斑塊內(nèi)部結構或連續(xù)性減弱，影響了地表徑流的匯流能力，進而影響流域產(chǎn)水、產(chǎn)沙過程。另一方面，土地利用類型越豐富，破碎化程度越高，植被的截留和下滲功能增強，從而減少了徑流量，進而影響泥沙輸移過程。這說明土地利用結構的調(diào)整必然引發(fā)景觀格局的相應變化，進而對水沙過程產(chǎn)生深遠影響。

5結論

1）南流江流域最主要的土地利用類型為林地，約占流域總面積的60%。1990—2020年土地利用面積變化主要是林地、耕地、建設用地之間的轉(zhuǎn)變，草地、水域、未利用地面積變化不是很明顯；受退耕還林政策影響，土地由耕地向林地的轉(zhuǎn)移面積持續(xù)增加。

2）南流江流域AI基本穩(wěn)定，ED、LSI、DIVISION、SPLIT、CONTAG、SHDI呈上升趨勢，PD先減后增，PAFRAC、IJI先增后減，LPI呈顯著下降趨勢，說明流域內(nèi)景觀破碎度緩慢增加，形狀更復雜但變化程度不明顯。

3）南流江流域1965—2022年多年平均徑流量和輸沙量分別為51.07億m3、86.89萬t，降水量呈不明顯的增加趨勢，徑流量和輸沙量均呈減少趨勢，但輸沙量的減少趨勢比徑流量明顯。徑流量和輸沙量的突變點均出現(xiàn)在2002年。

4）南流江流域的輸沙量、徑流量與AI、CONTAG、LPI均呈正相關關系，與SHDI、SPLIT、DIVISION、LSI、ED均呈負相關關系，即流域的水沙變化和景觀聚集度呈正相關關系，與景觀破碎化程度呈負相關關系。

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（責任編輯 李楊楊）