水蚀风蚀交错区流域景观格局变化及水沙响应关系

王金花，李占斌，张荣刚，姚文艺(1．西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，710048，西安;．黄河水利科学研究院 水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，45000，郑州;．黄河水利委员会水文局，450004，郑州)



水蚀风蚀交错区流域景观格局变化及水沙响应关系

王金花1，2，李占斌1†，张荣刚3，姚文艺2
(1．西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，710048，西安;2．黄河水利科学研究院 水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，450003，郑州;3．黄河水利委员会水文局，450004，郑州)

摘要:为揭示土壤侵蚀最为剧烈的水蚀风蚀交错区下垫面景观格局变化对流域降雨产流、侵蚀产沙的影响程度，以水蚀风蚀交错区典型流域西柳沟为研究对象，根据Landsat TM影像数据和流域长系列水沙实测数据资料，借助GIS 和Fragstats平台，分析流域景观格局和水沙变化特征，探讨景观指数与径流输沙的关系。结果表明:1)流域优势景观类型为草地，从斑块数量和面积变化率来分析，1985—2010年间耕地、林地和建设用地稳定性最高，其次为未利用土地。未利用土地、草地和耕地的转化最为剧烈，受人类活动影响最大。2)流域年径流量和年输沙量的年际差异显著;同年输沙量相比，径流量的减小趋势变化更为明显;径流泥沙相关关系显著，相关系数为0.67。3)景观指数与径流量、泥沙量呈显著线性相关，其中径流量与最大斑块指数、斑块结合度、聚集度指标和蔓延度指数均呈负相关，而与景观形态指数、景观分割度呈正相关;而泥沙仅与蔓延度指数、聚集度指标和斑块结合度成负相关，与其他景观指数呈正相关。研究结果表明，随着景观最大斑块指数、斑块结合度以及聚集度指数的提高，流域降雨入渗量明显增加，土壤侵蚀量明显减少;因此，提高流域景观最大斑块指数、斑块结合度以及聚集度指数可以增强水蚀风蚀交错区内流域的蓄水保土功能及生态优化作用，研究结果可为流域生态环境建设和水土资源综合利用提供理论支撑。

关键词:水蚀风蚀交错区;景观格局;径流量;输沙量;西柳沟流域

项目名称:国家重点基础研究计划(“973”计划)第三课题“沙漠宽谷河道水沙关系变化及驱动机理”(2011CB403303);中央公益性科研院所专项经费项目“植被作用下产流机制胁变性研究”(HKY201115);河南省创新型科技人才队伍建设工程(162101510004)

随着气候变化及社会经济的快速发展，不同尺度下的景观格局均发生了一定程度的变化，其中下垫面土地利用景观格局变化最为明显［1 2］，景观格局变化是对流域水文循环和水量平衡过程均有重要影响的因素［3 4］，通过改变流域水文特征进而影响地表蒸发、下渗能力、表层覆被的截留、填挖量和径流路径，从而影响整个流域的产汇流过程［5 6］。深入研究土地利用覆被变化和格局变化在流域水沙变化过程中的作用和贡献，对提高流域生态稳定性和水土资源可持续利用具有重要理论指导意义。

水蚀风蚀交错区是黄土高原土壤侵蚀最为严重的区域［7］，随着社会经济的快速发展和气候变化，该区域的侵蚀环境发生了明显的变化［8 9］。分析水蚀风蚀交错区景观格局变化，探讨其对流域水沙过程的影响程度，对指导水蚀风蚀交错区流域生态建设和水旱灾害预防具有重要意义。笔者选择水蚀风蚀交错区的西柳沟流域为研究对象，分析土地利用及景观格局变化，并建立其与年径流、泥沙的关系，以期为流域生态环境建设和水土资源综合利用提供理论支撑。

1　研究区概况

选择水蚀风蚀交错区典型流域西柳沟流域为研究对象。西柳沟作为内蒙古河段直接入黄的10大“孔兑”之一，发源于内蒙古鄂尔多斯台地，流经库布齐沙漠，横穿下游冲洪积平原后自南向北直接汇入黄河。从行政区划上来说，西柳沟流域位于内蒙古鄂尔多斯市东胜区及大拉特旗境内(E 109°24'～110°00';N 39°47'～40°30')。西柳沟全长 106.5 km，流域总面积1 356.3 km2:上游黄土丘陵沟壑区，占流域总面积的64.6%;中游库布齐沙漠区，占流域总面积的20.7%;下游为冲、洪积扇，占流域总面积的14.7%。流域多年平均降雨量305.9 mm，年均蒸发量2 200 mm，年平均气温6.1℃，降雨主要集中在夏季，高强度暴雨是流域内产流产沙的主要原因［10］。流域上游黄土丘陵区地面物质由白垩纪的砂岩和砂砾岩(即砒砂岩)组成，极易产生风蚀和水蚀，中游沙漠区域风蚀严重，是内蒙古段黄河河床淤积的主要泥沙来源。据统计，10大孔兑地区每年平均向黄河输沙2 711万t，其中60%以上是粒径大于0.05 mm的粗泥沙［11］。

2　材料与方法

2.1数据来源及处理

DEM数据来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站(http:∥datamirror．csdb．cn)，空间分辨率为30 m。利用ERDAS 9.1软件数据资料进行拼接和裁剪，生成西柳沟流域DEM。对生成的流域 DEM进行填挖预处理、水流流向生成、提取河网、生成控制流域。

土地利用数据采用中国1∶10万土地利用数据(1985、1996、2000和2010年共 4期)，下载自国家自然科学基金委员会“中国西部环境与生态科学数据中心”(http:∥westdc．westgis．ac．cn)，该数据库已经过野外实地考察验证，精度达到95%［12 15］。

径流输沙量数据来自于西柳沟流域把口水文站龙头拐水文站实测数据，详见中华人民共和国水文年鉴，资料系列时段为1960—2010年。

2.2研究方法

景观格局指标是景观生态学中广泛使用的一种定量研究方法，用来定量描述景观格局的空间配置及其时间变化。景观稳定性是反映景观抵御干扰的能力，以及受干扰后恢复的能力。景观稳定性研究方法有多种，如模型方法［16］、直接分析法［17］、景观生态数量化方法［18］以及景观指标法［1920］等。在本次研究中采用斑块特征稳定性、斑块密度稳定性和斑块结构稳定性3个指标来进行分析。由于本研究区域范围相对较大，为了景观变化指标讨论的科学性和可操作性，笔者建立一级地类的景观类型的GIS数据库，随后在ArcGIS系统中Spatial Analyst空间分析模块支持下，将土地利用矢量数据转换为30 m分辨率的栅格数据，以备随后分析计算使用。

2.2.1斑块特征稳定性能够反映斑块稳定性特征的主要为斑块数量、斑块面积和斑块形状。由于反映斑块形状的指数较多且大多数都主要反映的是斑块形状的相似性和复杂程度，因此，本研究仅以斑块的数量和面积的变化率来反映其稳定性。基本公式［21］如下:

式中:SP(Stability Index of Patch Charactoristics)为斑块的特征稳定性指数;Δni为第i类斑块的数量变化率;Δai为第i类斑块的面积变化率;ni1、ni2分别表示第i类初期和末期的斑块数量;ai1、ai2分别表示第i类初期和末期的斑块的面积，SP越接近1，斑块稳定性越高。

2.2.2斑块密度稳定性不论是绝对密度还是相对密度，变化率越小，景观格局越稳定。斑块密度稳定性可以用以下公式［22］表示:

式中:SD(Stability Index of Patch Density)为景观密度稳定指数;ΔD为景观密度变化率;D1、D2分别表示研究初期和末期的景观密度。

2.2.3斑块结构稳定性斑块结构稳定性主要表现为斑块镶嵌结构的复杂性，其计算方法如下［23］:

式中:SI(Stability Index of Patch Structure)为斑块结构稳定性指数;FD(Fractal Dimension)为分形维数。

3　结果与分析

3.1流域土地利用及景观格局分析

3.1.1流域土地利用时空特征根据西柳沟流域1985、1996、2000和2010年4个时期的 Landsat TM数据资料，提取不同时期土地利用信息。流域景观类型划分采用中国科学院资源环境数据库中的1∶10万土地利用分类系统，共划分出耕地景观、林地景观、草地景观、水域景观、城乡、工矿及居民用地景观和未利用土地景观6个1级景观类型，各类景观空间分布情况见图1。

如表1所示，草地为西柳沟流域面积最大的景观类型，占流域面积的65.46% ～67.46%，其次为未利用地和耕地。林地、水域和建设用地的面积较小。从时间序列看，过去25年间，耕地、草地的面积增大，增长率分别为5.3%和2.1%;林地、城乡、工矿及居民用地和未利用地的面积减小，减小率分别为3.4%、2.5%和 15.3%。水域的面积基本没有变化。

3.1.2流域景观类型转换随着气候变化及社会经济的发展，流域各景观类型之间会发生一定规模的相互转换，在局部地方甚至会引起景观格局的结构性变化。景观格局的转移矩阵可详细地说明景观类型之间相互转变的过程和流向(表2)。

图1　西柳沟流域1985—2010年土地利用变化图Fig．1　Variation of land use in Xiliu Gully watershed during 1985—2010

表1　西柳沟流域不同时期土地利用情况统计表Tab．1　Characteristics of land use in Xiliu Gully watershed

表2　西柳沟流域1985—2010年土地利用变化转移矩阵Tab．2　Transfer matrix of land use change in Xiliu Gully watershed during 1985—2010　km2

从流域土地利用变化转移矩阵表上看出:流域景观类型转换较为剧烈的主要有未利用地、草地和耕地。1985—2010年，流域内未利用地面积变化最为剧烈，在此期间，其他类型的土地转化为未利用地的面积为34.83 km2，主要来源于草地的转化;未利用地转化为其他土地利用类型的面积仅有15.64 km2，总面积增加19.19 km2。与未利用地变化情况相反，草地和耕地的面积在急剧减少，25年间草地面积减少15.63 km2，主要转化为未利用地，耕地面积减少6.06 km2，主要转化为草地。林地、水域和建设用地的面积发生转移的面积较少。

流域景观类型的转移规律反映该区景观格局变化趋势。耕地和草地的面积呈减小趋势，说明在该阶段内区域耕地和草地在退化，这同流域内农村人口不断向城镇迁移有密切的关系。

3.1.3流域景观稳定性

1)流域斑块数量变化特征:斑块数量的变化可以表征景观的破碎程度，数量越多破碎程度越高。西柳沟流域斑块数量由1985年的573块减少到2010年的553块(表3)，其中，林地和水域的斑块数量逐年增加，耕地、草地和未利用地的斑块数量在减少，建设用地的斑块数量没有变化。总的来看，过去25年期间景观破碎度在减小，林地和水域的破碎程度变大，耕地、草地和未利用地破碎程度相对减小，建设用地没有变化。

表3　西柳沟流域不同时期景观斑块数量Tab．3　Numbers of landscape patches in Xiliu Gully watershed

2)斑块特征及密度稳定性变化:根据斑块特征稳定性指数和密度稳定性指数来看，1985—2010年期间，各类斑块密度稳定性水平都较高;但不同景观类型其斑块特征稳定性水平在不同时期表现有所差异，林地斑块特征的稳定性水平在25年期间发生了很大的变化(表4):1985—1996年其特征稳定性水平较低;1996—2000年间特征稳定性指数水平最低，仅为0.152;2000—2010年特征稳定性水平有很大提高，指数接近于1。草地、水域的特征稳定性水平整体上呈现降低的趋势。

总体来看，1996—2000年期间，流域景观稳定性较差，说明在此期间，生产建设性项目、淤地坝拦截工程以及生态治理工程等人类活动对流域景观的稳定性干扰影响较大。

表4　西柳沟区斑块稳定性指数Tab．4　Landscape stability in Xiliu Gully watershed

3)斑块结构稳定性变化:如表5所示，耕地斑块结构稳定性水平在1985和2000年较高，1996年最低，其波动性强。林地斑块结构稳定性水平在1996年最低，以后呈增长趋势。草地斑块结构稳定性水平呈波动性变化，说明草地斑块结构稳定性受到外界干扰程度大。水域斑块结构稳定性在1985—2000年期间呈增长趋势，但2000年以来有所下降。建设用地斑块结构稳定性在1985—2000年期间基本不变，但在2000—2010年期间呈陡升趋势。未利用土地斑块结构稳定性在1985—2010年期间呈下降趋势，说明在过去25年间，未利用地变化最明显，受人为活动影响干扰最大。3.2流域水沙变化特征分析

表5　西柳沟区斑块结构稳定性Tab．5　Stability of patch structure in Xiliu Gully watershed

如图2所示，西柳沟流域多年平均径流量为2 916万m3，汛期(7—9月)径流量占年总径流量的64%，在洪水年份这种表现更为明显，最高可占年总径流量的91%(1989年)。径流量年际差异大，最大年径流量为9 299万m3(1961年)，最小年径流量为900万 m3(2010年)，最大与最小值相差 9倍。统计分析结果表明，1960—2010年，西柳沟流域年径流量变差系数为0.67。

同径流量的变化特征相似，输沙量的年际变化差异大，最大年输沙量为4 748.7万t(1989年)，最小年输沙量仅为0.057万t(2009年)，多年平均输沙量为386.6万t。输沙量变差系数为1.91，说明其同径流量相比，更易受人类活动的影响。

输沙量的峰值与径流量的峰值具有较好的对应关系，二者相关系数为0.67，达到α=0.001显著性相关水平检验。作为泥沙输移的重要载体，径流量的波动对把口站泥沙输出量大小具有重要的影响。

图2　西柳沟流域水沙变化过程及相关关系Fig．2　Characteristics of runoff and sediment and their correlation in Xiliu Gully watershed

图3示出降雨对西柳沟流域径流量和输沙量的影响，可以看出，径流量受降雨量的影响要比输沙量更为明显。降雨量同径流量二者之间的相关系数达到0.585，置信度水平超过99.9%，而降雨量同输沙量之间的相关系数仅为0.283，仅达到95%置信度水平。这说明输沙量除受降雨量的影响外，人类活动的影响也比较明显。

图3　降雨量与西柳沟流域径流、输沙关系Fig．3　Relationship between precipitation and runoff，sediment in Xiliu Gully watershed

3.3流域景观变化与水沙响应关系

流域水沙关系除受气候变化直接影响外，下垫面景观状况变化也是一个重要的影响因子。景观要素的空间格局会影响流域内径流和泥沙的输出，景观格局指数是描述景观空间组织结构的工具。为进一步分析西柳沟流域景观格局变化对水沙关系的影响，本次分析斑块密度、最大斑块指数、斑块结合度等景观指数与流域水沙变化之间的相关性(表6)。

径流量随着流域最大斑块指数、斑块结合度以及聚集度指数的增加而减少。最大斑块指数反映流域景观中优势种、内部种的丰度等生态特征，随着最大斑块指数的增大，地表景观对径流的阻滞作用增强。另外，景观斑块结合度和蔓延度以及聚集度指数越高则代表景观是有少数团聚的大斑块组成，而且相互之间已经形成良好的连接性。从其与径流量之间的相关关系可以看出，随着景观斑块结合度和蔓延度以及聚集度指数的增大，径流量呈明显较少趋势。这同王计平等［24］在黄土丘陵区其他区域景观格局对水土流失影响的相关研究结果一致。而景观形态指数和景观分割度与径流呈显著正相关，说明景观斑块破碎化程度越高、斑块的形状越复杂，对径流产生的积极影响越显著。

泥沙量仅与蔓延度指数、斑块结合度和聚集度指数呈负相关，即当流域优势种斑块类型内部链接性较好，且与周围相邻斑块空间连接程度较好时，流域侵蚀产沙量会明显减少。综合其与径流量之间的相关关系，可以看出，提高流域景观蔓延度指数、斑块结合度以及聚集度指数可以有效地保持流域降雨入渗过程，减少土壤侵蚀。

表6　流域景观指数与水沙相关关系分析Tab．6　Correlation between landscape index(Lis)and runoff，sediment

4　结论

水蚀风蚀交错区典型流域西柳沟流域以草地为优势景观，从景观稳定性分析来看，耕地、林地和建设用地稳定性最高;但由于受人类活动的影响，未利用土地、草地和耕地的转化最为剧烈。

下垫面景观格局的变化对流域径流、侵蚀产沙量有较大影响，相关关系分析表明景观指数与径流量、泥沙量呈显著线性相关，其中最大斑块指数、斑块结合度以及聚集度指数与径流径流及输沙量呈明显的负相关;因此在水蚀风蚀交错区流域治理中，提高流域景观最大斑块指数、斑块结合度以及聚集度指数可以有效增加流域降雨入渗，减少土壤侵蚀。

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Relationships between landscape，runoff，and sedimentation in wind-water erosion crisscross region

Wang Jinhua1，2，Li Zhanbin1，Zhang Ronggang3，Yao Wenyi2
(1．State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area(Xi'an University of Technology)，710048，Xi'an，China;2．Key Laboratory of Soil and Water Loss Process and Control on the Loess Plateau of Ministry of Water Resources，Yellow River Institute of Hydraulic
Research，450003，Zhengzhou，China;3．Hydrological Bureau of Yellow River Conservancy Commission，450004，Zhengzhou，China)

Abstract:［Background］Sedimentation and runoff variation caused by land use change has been emerged as one of the popular topics of discussion．And the phenomena is more obvious in wind-water erosion crisscross region than in other erosion region，thus it is necessary to study the effects of land use change on runoff and sediment in wind-water erosion crisscross region．Xiliu Gully watershed is the typical watershed in wind-water erosion crisscross region．［Methods］In order to meet the demand ofecological environment construction and comprehensive utilization of water and soil resources，and to put forward an actual production theory for our river basin management，relationships between landscape，runoff，and sedimentation were studied on the basis of long-term historical land use，runoff，and sediment data(1985—2010)by geographic information system and Fragstats software．［Results］1)According to the Landsat TM data in 1985，1996，2000 and 2010，the spatial variation characteristics of the landscape pattern were analyzed．Grassland was the dominant landscape in the watersheds．Farmland，forest and construction land were in the highest stability，and the second main landscape type was unused land。Unused land，grassland and farmland experienced the greatest changes，which were suffered seriously from human activities．2)Precipitation，annual runoff and sediment changed significantly in last 50 years，but the variation amplitude of them was different．Average precipitation from 1960 to 2010 changed not so obviously，however runoff and sediment were decreased significantly．Moreover，the decreasing trend of runoff was more obvious than sediment in the same year．A Pearson correlation analysis showed that there was a significant correlation between annual runoff and sedimentation(P＜0.01)．3)The variation of landscape status played an important role in the progress of precipitation to runoff，which not only inflected the output of the runoff and sediment，but also changed the mechanism of the rainfall to runoff．The main landscape ecological indexes，such as patch density，largest patch index，patch and spent landscape，et al．were analyzed，and the relationships between landscape pattern and runoff，sediment were studied．The Pearson correlation analysis showed that the landscape indexes (shorted for Lis)were in significant linear correlation with runoff and sedimentation．Largest Patch Index (LPI)， PatchCohesionIndex(COHESION)， AggregationIndex(AI)andContagionIndex (CONTAG)were negatively correlated with annual runoff，whereas Landscape Shape Index(LSI)and Landscape Division Index(DIVISION)were positively．CONTAG，AI and COHESION were negatively correlated with annual sedimentation，whereas other landscape indexes were positively．［Conclusions］From soil and water conservation in the watersheds，it was useful to increase soil infiltration and reduce soil erosion by improving LPI，COHESION，AI and CONTAG，which was also useful for the ecological construction and soil water resources utilization．

Keywords:wind-water erosion crisscross region;landscape;runoff;sedimentation;Xiliu Gully watershed

中图分类号:P951

文献标志码:A

文章编号:1672-3007(2016)03-0068-08

DOI:10．16843/j．sswc．2016．03．009

收稿日期:2015 12 08修回日期:2016 05 06

第一作者简介:王金花(1978—)，女，博士研究生，高级工程师。主要研究方向:气候变化，水文水资源。E-mail:wangjh_yr@ 126．com

通信作者†简介:李占斌(1962—)，男，博士，教授。主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持。E-mail:zhanbinli@126．com