太子河流域景观格局对流域径流的影响

张 婷，张 楠，张 远，冯启言

（1.中国环境科学研究院 流域水生态保护技术研究室，北京100012；2.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州221116）

土地利用变化可改变地表植被的截留量、土壤水分的下渗能力以及地表蒸发，进而影响流域的水文过程［1］。土地利用变化直接导致景观格局的改变，景观格局分析可以有效反映土地利用的空间格局［2］。因此，认识和把握景观格局对流域水文过程的影响，成为流域水资源管理和规划、生态环境的可持续发展以及区域经济建设等领域的核心问题。

早期人们单纯研究区域景观格局特征，未考虑其生态水文效应，而景观格局与生态水文过程间存在紧密联系。森林景观的生态水文效应已有大量研究，杨国靖等［3］以祁连山区为研究区域得出森林景观格局对生态水文效应有显著影响，马雪华［4］研究了四川省西部米亚罗高山林区，结果表明以森林为主要景观类型的流域径流量相较于森林覆盖面积少的流域大。但是，单一研究森林植被的生态水文效应是不全面的，应综合考虑研究区内不同景观类型形成的景观格局对水文过程的影响。刘明等［5］就洞庭湖流域中上游地区景观格局变化的水文响应进行了深入研究，表明水田、林地等不同景观类型对水文过程存在较大影响。景观格局与生态水文过程间是相互作用的关系，有学者研究水文过程对景观格局的影响，如李胜男等［6］以黄河三角洲湿地为研究区域分析了水沙变化对区域景观格局演变的影响。随着景观生态学的不断发展，越来越多的研究采用景观格局指数表征景观格局的变化，探索景观格局指数与生态水文效应间的联系，如王计平等［7］应用景观格局指数研究黄土丘陵区景观格局对水土流失过程的影响，并从景观水平和斑块类型水平不同景观格局层次进行分析。

近年来，对于景观格局的生态水文效应研究越来越多，但是仍然存在一些问题亟待解决。景观指数的筛选是关键，如何保证所选的景观指数科学全面还需要进一步的研究。针对不同土地利用类型景观格局变化的水文效应研究尚不多见，而不同的土地利用类型对水文过程影响也不尽相同。因此，景观格局生态水文效应研究还需进一步深入和完善。

太子河流域所在的辽中南城市群是我国最重要的经济区和重工业基地之一，工业化和城市化进程快，人口相对集中，人类活动对周围的生态环境造成了严重影响。本文以太子河流域为研究对象，从景观生态学角度出发，运用统计学方法，从景观水平和类型水平两个层次研究景观格局对流域内径流的影响，以求揭示影响流域径流变化的关键影响因素，试图为太子河流域的土地利用和植被结构调整及生态恢复提供理论依据。

1 研究区域

太子河流域地处辽宁省中东部，流经本溪、辽阳、鞍山3市，是辽宁省东部较大的河流，干流全长413km，流域面积13 880km2。流域地貌呈现东部海拔高多起伏山地，西部海拔低多平原的分布趋势，山地与平原之间以及河谷地区多分布低高地。太子河流域位于我国中高纬度，地处温带大陆性季风气候区，雨热同季，日照多，冬季寒冷期长，春秋季短，东湿西干，平原风大，多年平均气温2.27～9.99℃，降雨量在655～954mm。土壤类型主要有棕壤、潮棕壤、棕壤性土、暗棕壤、褐土、钙质粗骨土、草甸土、盐化草甸土、水稻土、淹育水稻土以及盐渍水稻土，植被类型主要包括森林、灌木林、果园以及农作物。流域内土地利用类型主要有林地、草地、旱地、水田、河渠、水库、建筑用地、沼泽，其中，林地、旱地和城镇用地面积比例最大，分别为57.20%，24.06%和8.56%。

2 研究方法

2.1 水文数据

水文数据主要来源于水利部水文局存档的辽河流域水文资料中太子河流域17个水文站的逐日平均流量资料（1992—2007年），其中1996年各水文站的逐日平均流量数据缺省。流域径流的变化采用以下4个径流指标表征［8－10］：（1）径流深度：子流域单位面积多年平均产流深度；（2）径流变差系数：流域断面年径流量的多年离差，反映径流量的年际变化；（3）最小径流指数：子流域多年平均最小月径流量与年平均月径流量之比；（4）最大径流指数：多年平均最大月径流量与年平均月径流量之比。最小径流指数和最大径流指数反映径流量的年内变化。

2.2 景观信息提取与指数的选择

以大辽河流域1992年和2001年的3景Landsat 5 TM影像为数据源，轨道号11831，11931和11932，在ENVI 4.4中对遥感影像进行几何校正、影像拼接和影像截取等预处理后，导入面向对象的遥感解译软件Definiens Developer 7.0中。为确保解译结果准确可靠，开展了流域野外实地调查，建立目视解译标志和标准。采用目视解译和邻近分类相组合的人机交互解译方式，进行信息提取，并结合研究区地形图及野外调查情况，对初步解译结果进行修正，得到最终解译结果。

参照全国土地利用分类方法，并结合当地的实际情况，将研究区的土地利用类型分为林地、草地、旱地、水田、河渠、湖泊、水库、滩地、沼泽地、鱼塘、建筑用地和未利用地12种类型。

景观指数可定量描述景观格局的空间变化，是研究景观生态学较成熟的指数。为科学全面反映流域景观格局的空间变化特征，本文选取了15个景观指数，分别是斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）、形状指数标准偏差（SHAPE＿SD）、面积加权平均分维数（FRAC＿MN）、周长面积比变差系数（PARA＿CV）、邻接度指数中位数（CONTIG＿MD）、蔓延度指数（CONTAG）、散布与并列指数 （IJI）、斑块连接 度（COHESION）、分离度指数（DIVISION）、有效粒度面积（MESH）、丰富度指数（PR）、香农多样性指数（SHDI）、香农均匀性指数（SHEI）、斑块聚集度指数（AI）。所有指数均基于景观分析软件Fragstats 3.3进行计算，其生态学意义和计算公式可查阅软件操作说明或书籍［11］。

2.3 子流域的划分

利用太子河流域的水系图，并结合水文站点位置，生成流域边界及不同水文站点对应的9个子流域，分别为太子河上游段、太子河中游段、太子河下游段、沙河段、细河段、兰河段、南沙河段、汤河段和海城河段。

2.4 研究方法

针对选取的15个景观指数，运用主成分分析方法，筛选出能够替代原有指数的较少景观指数，达到降低景观指数冗余度的目的。借助相关分析揭示景观格局与径流变化间的统计学关系，从景观水平和类型水平两个层次探讨景观格局与径流的关系。由于流域尺度上径流变化对土地利用格局的变化有一定的响应时间段，所以文中对应于1992年土地利用格局设置了1993—2000年的响应时间段，2001年的土地利用格局设置2002—2007年的响应时间段，以年平均径流变量作为景观格局变化的响应变量。所有数据分析均基于SPSS 16.0进行。

3 结果与分析

3.1 主成分分析

对15个景观指数进行主成分分析，按照主成分的提取原则，本文提取前3个特征值大于1的主成分，其累计贡献率为89.60%。从表1可以看出，斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）、蔓延度指数（CONTAG）、斑块连接度（COHESION）、丰富度指数（PR）、香农均匀性指数（SHEI）和斑块聚集度指数（AI）在第1主成分PC1上有较高载荷，面积加权平均分维数（FRAC＿MN）、周长面积比变差系数（PARA＿CV）、邻接度指数中位数（CONTIG＿MD）、和散布与并列指数（IJI）在第2主成分上有较高载荷，香农多样性指数（SHDI）在第3主成分上载荷较高。形状指数标准偏差（SHAPE＿SD）、分离度指数（DIVISION）和有效粒度面积（MESH）在3个主成分中载荷较低。说明以上12个景观指数（除SHAPE＿SD，DIVISION和MESH）基本能够代替原有指标信息。因此，选取以上12个景观指数作为景观水平指标，选取PD，LPI，COHESION，AI，FRAC＿MN，PARA＿CV，CONTIG＿MD和IJI作为类型水平指标分析景观格局变化对流域径流的影响。

表1 旋转后的因子载荷矩阵

3.2 径流变化

研究了9个子流域的径流特征（图1），其平均径流深度为104.06～533.68mm。各子流域的径流年际、年内间有显著变化。各子流域的径流年际变化波动较大，其中汤河段的波动幅度最大，变差系数达0.969 0。太子河上游段波动相对较小，变差系数为0.174 5。太子河上游段径流年内变化相对稳定，最小径流指数为0.607 4，最大径流指数为1.642 3。海城河段的年内波动最大，最小径流指数为0.144 5，最大径流指数为6.118 0。

3.3 流域土地利用类型组成

9个子流域的土地利用类型组成及比例见表2。从表2中可以看出，不同子流域土地利用类型组成存在较大差异。太子河上游段、太子河中游段、细河段、兰河段、汤河段和海城河段以林地为主要土地利用类型，太子河下游段、沙河段和南沙河以旱地为主要土地利用类型。总体来看，林地、旱地和建筑用地在流域土地利用类型中占主要地位，面积合计76%～97%。太子河下游段、沙河段和南沙河段的水田面积所占比例相对较大，占11%～19%，这说明太子河流域的水田主要集中于流域下游北部地区。各子流域中草地面积比例均低于3%，因此，在后续分析中未考虑草地对径流的影响。其他土地利用类型面积比例均低于1%，在此未一一列出。

图1 各子流域径流特征

表2 子流域主要土地利用类型面积比例 %

3.4 景观格局分析

斑块密度（PD）反映景观的破碎化程度，太子河下游段的PD较大（表3），说明该子流域的景观分布较为破碎。最大斑块指数（LPI）度量斑块优势度，LPI越大，斑块优势度越高，细河段的LPI最大，表明斑块优势度突出。各子流域间的分维数（FRAC＿MN）和周长面积比（PARA＿CV）差异不显著，说明各子流域景观形状的复杂程度相差不大。邻接度指数中位数（CONTIG＿MD）表征斑块间的邻近程度，细河段和海城河段的CONTIG＿MD相对较小，表明景观分散。蔓延度指数（CONTAG）描述斑块的团聚程度，CONTAG越大，表明斑块分布越集中，散布与并列指数（IJI）描述斑块的分散程度，太子河上游段的CONTAG值较大而IJI值较小，表明太子河上游段的斑块分布集中，聚集程度高。斑块连接度指数（COHESION）和斑块聚集度指数（AI）的变化趋势与CONTAG相一致。细河段的丰富度指数（PR）最小，表明该子流域的斑块数目最少。香农多样性指数（SHDI）和香农均匀性指数（SHEI）均是针对斑块类型而言，SHDI值越大，表明斑块类型丰富，SHEI越大，表明各斑块类型分布均匀，不同子流域的SHDI和SHEI的变化趋势相同。综上所述，细河段斑块类型少，斑块形状简单，分布不集中，景观结构复杂性小，而太子河上游段斑块类型丰富，斑块形状复杂，分布均匀，景观结构相对复杂。

3.5 景观水平格局和径流的关系

将12个景观水平指数分别与4个径流指标进行相关分析，结果见表4。从表4中可以看出，径流深与各景观指标间没有显著相关性，变差系数与FRAC＿MN，CONTIG＿MD和IJI显著负相关，最小径流指数与FRAC＿MN，CONTIG＿MD和IJI呈显著正相关，与SHDI呈显著负相关关系，最大径流指数与FRAC＿MN，CONTIG＿MD和IJI呈极显著负相关，其中各径流指标与FRAC＿MN的相关性最大。CONTIG＿MD和IJI的大小表明了流域景观的破碎化程度，FRAC＿MN和SHDI表征景观多样性的大小，由此说明景观的破碎化程度和多样性大小对径流的变化影响较显著。

表3 各子流域景观格局变化情况

表4 景观水平格局和径流指标的相关分析结果

3.6 类型水平格局和径流的关系

在太子河流域土地利用类型中，建筑用地、旱地和林地占主导地位，因此，文中选择这3种主要的土地利用类型进一步用相关分析方法分析不同类型水平格局与径流指标间的关系（表5）。

（1）建筑用地。从表5可以看出，径流深度仅与CONTIG＿MD显著负相关，变差系数与FRAC＿MN和COHESION显著负相关，最小径流指数与FRAC＿MN，CONTIG＿MD和COHESION显著正相关，与IJI显著负相关，最大径流指数与FRAC＿MN显著负相关，与COHESION极显著负相关。各径流指标与其他景观指数间无显著相关性。表明太子河流域建筑用地的大面积比邻连接分布对径流变化有显著影响，这主要是由于流域植被覆盖面积减少和大量不透水面积的增加影响了流域水文过程，进而影响径流量的变化。

（2）旱地。径流深度仅与AI呈显著负相关，变差系数与FRAC＿MN和PARA＿CV呈显著负相关，最小径流指数与PD呈极显著负相关，与FRAC＿MN，COHESION和AI呈显著正相关，最大径流指数与PD呈显著正相关，与FRAC＿MN极显著负相关，与PARA＿CV呈显著负相关。旱地受人类活动的干扰较大［12］，近地表层土壤裸露程度高，雨水拦截率低，因此，旱地的大面积出现会对径流变化产生严重影响。

（3）林地。在林地类型影响下，径流深度与各景观指数间无显著相关性。变差系数与AI极显著负相关，最小径流指数与PARA＿CV和AI显著正相关，最大径流指数与PARA＿CV和AI呈现极显著负相关。林地通过林冠的阻滞截留和土壤的渗透蓄水作用来调节流域径流过程，林地景观的形状复杂程度和聚集度的增加会导致流域径流年内和年际变化幅度降低。

表5 类型水平格局和径流指标的相关分析结果

4 讨论

4.1 景观水平格局对径流的影响

径流深度的变化与景观格局指数变化间无显著相关性，这主要是由于流域径流深度受降雨量的影响较大，并与流域面积有关，对景观格局的变化不敏感。FRAC＿MN与径流指标间存在显著相关性，FRAC＿MN反映的是景观类型形状的复杂程度，其值越大，单位面积内景观边界率越大，形状越复杂，植被群落多样性也越高［13］，流域径流年内变化及年际变化相应稳定。

径流指标与CONTIG＿MD和IJI也呈现出显著相关性。CONTIG＿MD表征的是流域中各斑块间的连接和邻近程度，反映了景观的空间破碎化程度，有研究表明，CONTIG＿MD与植被群落多样性之间存在显著正相关性［14］。IJI表征景观格局的空间分布排列特征，反映各个斑块类型间的总体散步与并列状况，其值越大，各斑块间分布越均匀［15］。因此，CONTIG＿MD和IJI越大，流域景观越均匀，植被群落多样性越高，径流的年内和年际变化也越稳定。

SHDI仅与最小径流指数显著负相关，和其他径流指标间相关性不显著。SHDI用于度量景观要素的丰富度，较高的SHDI反映出景观格局中植被群落的多样性越高，最小径流指数也越小，径流变化越稳定。

因此，从景观水平来看，流域景观中斑块分布均匀，植被群落丰富，植被对径流的调节作用明显，流域径流的年内和年际变化相对稳定。

4.2 类型水平格局对径流的影响

PD反映的是斑块的分化程度或破碎化程度，PD高，表明一定面积上斑块数量多，斑块规模小，景观异质性高［16］。旱地的斑块密度与最小径流指数和最大径流指数间存在显著相关性，与最小径流指数极显著负相关，与最大径流指数显著正相关，表明旱地的面积和破碎化程度的增加，土壤的裸露程度高，对雨水的拦截率低，地表径流量大，从而导致了最小径流指数的减小和最大径流指数的增加。

建筑用地和旱地的FRAC＿MN与变差系数和最大径流指数呈负相关，与最小径流指数正相关。高的FRAC＿MN表明斑块形状复杂，边界率高，斑块分布多而分散，因此，流域径流年际变化和年内变化稳定。

旱地的PARA＿CV对变差系数和最大径流指数存在显著负效应，林地的PARA＿CV对最小径流指数存在显著正效应，对最大径流指数存在极显著负效应。表明PARA＿CV越大，流域径流年际变化越小，年内变化越小，径流变化越稳定。因为PARA＿CV描述的是斑块外部形状的复杂性，PARA＿CV越大，则斑块形状越复杂，景观破碎化程度越高［17］，景观多样性高。林地受人类活动的干扰较小，对径流的调节作用明显，径流的年内分配相对均匀，年际变化较小。

建筑用地的CONTIG＿MD与径流深显著负相关，与最小径流指数显著正相关，建筑用地的IJI与最小径流指数显著负相关。建筑用地受人类活动影响严重，分布集中。由于不透水面积的大量出现，地表的下渗行为降低，产生的地表径流量增加，最小径流指数增加。径流深度的减小是由于受流域自然地理条件、水文地质因素、降雨径流变化和人类活动等多方面的影响，导致降雨转化为径流的部分减少［18］。

COHESION和AI反映的是斑块的聚集度和连通性。景观破碎化和生境的随机变化常常导致许多植物种群的适合度下降或种群灭绝［19］。对于林地而言，较高的AI，斑块的破碎化程度低，植被覆盖的多样性较高，对径流的调节作用明显，径流的变化相对较小。旱地和建筑用地的连通性增加，流域径流量也会相应增加［20］，但是径流的年际和年内变化相对稳定，主要是由于林地是在太子河流域的主要土地利用类型，对径流的调节发挥了显著作用。

5 结论

（1）在景观水平层次上，景观格局的变化对径流深度的影响不显著。径流量的年内、年际变化与面积加权分维数、邻接度指数、散布与并列指数和香农多样性指数表现出显著相关性。景观破碎化程度越高，分布越均匀，植被群落丰富，径流的年内和年际变化越稳定。

（2）类型水平的分析结果与景观水平有较大差异。径流的变化与斑块密度、面积加权分维数、周长面积比、邻接度指数、散布与并列指数、斑块连接度和斑块聚集度指数表现出显著相关性。建筑用地和旱地分布集中，受人类活动影响较大，对径流的调节作用微弱，建筑用地和旱地的大量出现会造成径流变化不稳定，而林地是流域优势土地利用类型，对径流的稳定变化起到决定性作用。

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