华南湿热山地小流域景观格局演变与径流关系——以宁江为例

朱汝雄， 张正栋， 杨传训， 万露文

(1. 中山大学地理科学与规划学院， 广州 510275; 2. 广东省防汛抢险技术保障中心, 广州 510635;3. 华南师范大学地理科学学院， 广州 510631)

华南湿热山地小流域景观格局演变与径流关系
——以宁江为例

朱汝雄1,2， 张正栋3*， 杨传训3， 万露文3

(1. 中山大学地理科学与规划学院， 广州 510275; 2. 广东省防汛抢险技术保障中心, 广州 510635;3. 华南师范大学地理科学学院， 广州 510631)

基于1986—2013年宁江流域5个气象站降水量和河口水文站径流量数据，以及1986、1995、2005、2013年流域土地覆被分类数据，运用景观格局指数分析和统计分析方法，分析宁江流域径流与景观格局变化的关系. 结果表明：1986—2013年宁江流域降水量波动较小，径流量在2002年之后出现下降趋势，且2002年以前降水量与径流量曲线吻合一致，2000年以后吻合性较低，运用Mann-Kendall检验法发现宁江流域年径流量突变点出现在2002年；1986年以来，随着城镇化发展与退耕还林政策的实施，宁江流域建筑用地、林地、未利用土地面积增加，耕地、草地面积减少，水体面积变化不大；受人类活动加剧的影响，流域内斑块数量、斑块密度、最大斑块指数激增，流域整体景观破碎度加大；宁江流域径流量与景观斑块数量、斑块密度、最大斑块指数及散布与并列指数相关性较大，与香农多样性指数、景观蔓延度、斑块形状指数及景观形状指数相关性较小. 当斑块数量大于2 500个、斑块密度大于18 个/km2、散步与并列指数大于66%以及最大斑块指数大于50时，径流量随此4个指数的增大而增大.

宁江流域； 景观格局； 径流

Keywords： Ning Jiang watershed; landscape pattern; runoff

水资源是社会经济发展的基础资源，也是保障地区和国家发展的重要战略资源[1]. 河川径流是水资源循环的重要组成部分，对沟通海陆能源交换起着重要的纽带作用[2]. 近几十年，随着全球气候的变化及人类活动的加剧，土地利用发展的变化导致景观格局的演变，而景观作为地球表面空间布局的复合体，其变化反映了景观的结构和功能随时间的变化过程与规律[3]. 不同的景观格局改变地表植被的截留量、土壤水分的下渗能力及地表蒸发量，从而影响河流流域的水文变化过程，对河川径流的时空变化及水资源的开发利用产生重大影响. 学者们探讨了森林植被景观与生态水文过程之间的关系，如发现流域产水量的变化是森林植被恢复速度或叶面积指数的函数[4]；英国Plynlimon等流域的试验结果证明，森林覆盖的集水区每年的蒸发量总高于草地覆盖区，原因是由于森林树冠截留雨水的蒸发使整个集水区内的蒸发量增加了1倍[5]; 在太子河景观格局变化与径流研究结果中表明景观格局对径流过程有显著影响[6]；分析潮河流域时发现，径流量随着景观形状指数的增大而减小，斑块的截留能力最强[7]；采用SWAT模型模拟流域景观格局和水文过程影响，同样发现洪水径流与景观格局相关性最大，林地面积减少降低了流域对强降水的截留能力[8]. 宁江作为梅江上游一个重要支流，是兴宁市工农业、生活用水的重要补给来源，但当前对宁江景观格局与径流的研究为空白. 前人研究景观格局与径流关系时所采用的分类系统侧重于土地分类[9-10]，但宁江自然植被分布面积较大，无法深入反映植被的自然属性. 本文以土地覆被标准和景观格局指数为依据，运用Mann-Kendall检验法及景观分析方法分析探讨其近几十年流域范围内景观格局与径流变化，寻找宁江流域景观格局与径流间关系，为其日后保护宁江流域的生态环境提供参考性意见.

1 研究区概况与数据

1.1 研究区域

宁江流域位于粤东北地区(图1)，发源于江西省寻乌县荷峰畲，贯穿广东省兴宁市南北，至水口站汇合进入梅江，主要流经兴宁盆地，全长107 km，流域面积1 364.75 km2，占兴宁市总面积的65%，是梅江流域面积最大的支流，被称为兴宁市的母亲河. 宁江流域属于亚热带季风性气候，夏季高温多雨，冬季温和少雨，全年气候温暖湿润，年均降水量为1 426 mm，降水主要集中在4—9月，年均气温为21.68 ℃，年平均日照时数为2 066 h. 流域地形狭长，北部、东部、西部均为山地，中部为宁江盆地，河流流速湍急，径流集流快，易出现洪峰. 土壤类型以水稻土、赤红壤为主. 流域植被为亚热带季风常绿阔叶林、灌木林、人工林及果园，流域内林地约占总面积的73%.

图1 宁江流域区位及站点分布

1.2 数据来源

(1)水文气象数据. 选用宁江流域罗岗、黄陂、合水、黄坭陂和水口等5个气象站点(图1)1986—2013年日降水量、气温数据，宁江控制站河口水文站1986—2013年月径流量资料，数据来源于中国气象数据共享网与河口水文站.

(2)空间数据. DEM数据来自于中国科学院国际科学数据服务平台，空间分辨率为30 m；使用了1986、1995、2005、2013年的Landsat TM影像.

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall检验法(简称M-K检验法)是气象学及气候学中经常用来进行突变检验的一种方法，适用于水文变量的趋势检验及突变点确定. 该方法已经被成熟运用于河流径流泥沙演变分析[11-12]，详细原理及计算方法见文献[13].

2.2 景观信息提取

以宁江流域1986、1995、2005、2013年4期Landsat遥感影像为数据源，在ENVI 5.1中进行校正、裁剪和拼接等预处理后，为提高解译精度，开展流域野外实地调查采样，建立目视解译标志和标准,采取监督分类方法对其进行目视解译. 根据全国土地分类方法和当地实际情况，将宁江流域土地利用类型分为林地、草地、耕地、水体、建筑用地和未利用土地.

利用景观格局指数分析软件Fragstats4.2，从景观格局水平和斑块类型上分析近几十年宁江流域景观变化特征[14]. 结合前人研究基础[15-17]和宁江当地景观格局特征，选择意义较大且较为常用的8个指标：斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、斑块形状指数(SHAPE)、景观形状指数(LSI)、香农多样性指数(SHDI)、蔓延度指数(CONTAG)、最大斑块指数(LPI)、散布与并列指数(IJI)，这些指标分别反映各景观类型面积、景观破碎化程度、景观形状复杂度以及景观均衡性. 并利用SPSS统计分析软件，计算1985—2015年宁江流域在4种景观格局下的景观格局变化与径流变化之间的响应关系.

3 结果与分析

3.1 宁江流域径流量变化规律分析

降水量和蒸发量是影响河流径流变化的重要因素. 1986年以来，宁江流域年均气温为21.69 ℃，最高气温为1998年的22.52 ℃，最低气温为1992年的20.97 ℃，气温年际变化波动较小. 由图2A可以看出1986—2013年间宁江流域降水量呈上升趋势，但上升趋势较小；而径流量呈现小幅下降趋势，且以2006—2012年下降幅度较大. 其中1986—2003年间宁江流域径流量、降水量变化波动较小，径流量变化趋势与降水量变化趋势吻合一致；而2003—2013年间宁江流域径流量、降水量变化波动较大，且径流量与降水量变化吻合度较低. 从图2B可以看出，宁江流域降水量与径流量之间有很好的相关关系(相关系数是0.808).

由图3可知,河口水文站的年径流量在1986—2002年呈上升趋势，在2003—2013年呈下降趋势，M-K曲线未能达到5%显著水平，其中M-K检验值U=-1.67,|U|

图2 宁江流域1986—2013年降水量、径流量变化趋势及关系

Figure 2 The changing trend and relationship between precipitation and runoff of the Ning Jiang river from 1986 to 2013

图3 宁江流域1986—2013年径流量的M-K检验结果

Figure 3 Result of M-K test for annual average runoff for Ning Jiang river basin from 1986 to 2013

1986—2013年宁江流域径流量没有发生显著变化，但径流量的变化呈现出明显的阶段性. 由图4可以看出径流量在2002年以前呈增加趋势，2002年以来径流量急剧下降，且在2011年距平值达到负值，累积距平值最大值发生在2002年.

图4 宁江流域1986—2013年径流量累积距平值

Figure 4 Cumulative departure curve of runoff in Ning Jiang river basin from 1986 to 2013

3.2 宁江流域土地利用变化分析

采用ENVI 5.1软件对4期Landsat影像进行几何配准、辐射校正，最后采用监督分类、目视解译以及GPS野外调查和采样验证，依据本研究特征及宁江流域自然地理环境特点，参考GB/T 2000—2007《土地利用现状分类》，将流域景观类型分为耕地、草地、林地、水体、建筑用地及未利用土地. 基于混淆矩阵法与野外采集样点进行解译精度评价，遥感影像解译总体精度达到85%以上. 图5为宁江流域4个不同时期景观格局分布图.

图5 宁江流域1986—2013年宁江流域景观格局图

从宁江流域不同时期景观类型面积情况看(表1)，流域内林地面积最大，从1986年占整个流域面积的58.4%上升到2013年73.8%，其次是耕地面积，第三是草地面积，三者共占整个流域面积95%，其余依次为建筑用地、水体、未利用土地. 1986—2013年流域内由于开展退耕还林、实施生态农业发展以及人工林的大量增加，林地面积增加28.8%；受当地退耕还林还草政策以及经济发展建设需要，耕地面积减少61.2%，耕地面积减少主要发生在宁江市北部；草地因生态恢复和人工林栽培逐渐转为林地，导致其面积减少41.6%. 1986年以来，当地经济的发展和人类活动的加剧，部分耕地转为建筑用地，1986—2013年建筑用地面积增加562%；水域面积主要受人类活动和气候变化影响，因宁江流域位于华南亚热带季风性气候，年降水量、径流量较大，上下波动较小. 人类活动的不合理性导致林地、草地的破坏，尤其1986以来未利用土地呈现为急剧上升.

表1 1986—2013年宁江流域土地利用类型面积变化比例

Table 1 Change ratio of area of land-use types in Ning Jiang river basin from 1986 to 2013 %

3.3 宁江流域景观格局变化分析

景观格局变化是景观生态学中的核心，通过对景观格局的分析能更深入理解人类活动和景观构成的联系[18]. 关于景观格局变化的水文效应的研究，近年来多集中于流域景观格局变化对土壤侵蚀[19]、水土流失[20]和水质效应[21]的研究. 当前景观格局的生态水文效应研究越来越多，但仍然存在一些问题亟待解决，景观格局指数的筛选是关键. 如何保证所选的景观格局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还尚不多见，而有关不同的土地利用类型对水文过程影响也不尽相同. 本研究结合宁江流域当地自然、人文经济因素并参考前人研究成果，在斑块尺度与景观尺度上选择以下8个指标：斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、斑块形状指数(SHAPE)、景观形状指数(LSI)、香农多样性指数(SHDI)、蔓延度指数(CONTAG)、最大斑块指数(LPI)和散布与并列指数(IJI)，各景观指标计算公式详见文献[16]. 使用Fragstats4.2景观分析软件对宁江流域1986、1995、2005、2013年4期栅格数据进行分析计算，统计得到1986—2013年宁江流域景观水平上景观格局指数变化(表2).

表2 宁江流域1986—2013年景观格局指数变化Table 2 Change of landscape pattern indices in Ning Jiang river basin from 1986 to 2013

从表2可以看出，1986—2013年间宁江流域景观的斑块数量从860个上升到4 702个，斑块密度从0.59 个/km2增加到3.24 个/km2，二者在1986—1995年发生突变；景观形状指数(LSI)在1986—1995年呈下降趋势，在1995—2005年呈递增趋势，在2005—2013年再呈下降趋势；景观聚集度在1986—1995年与2005—2013年呈上升趋势，在1995—2005年出现下降趋势，表明在1995—2005年受经济发展、人类活动影响加剧，造成景观破碎化程度较高，在2005年以来受人工育林、封山育林和退耕还林等措施影响，优势种类型形成良好的衔接，降低景观的破碎化程度；而整个流域的Shannon多样性指数整体呈下降趋势.

3.4 景观格局与径流关系

从图6可以看出，径流模数与斑块数量、斑块密度、散步并列指数的相关性比较显著，R2均大于0.98；当斑块数量小于2 500个、斑块密度小于18 个/km2、散步与并列指数小于66%时，径流量随此3个指数的增大而减小；当斑块数量大于2 500个、斑块密度大于18 个/km2、散步与并列指数大于66%时，径流量随此3个指数的增大而增大；当斑块数量为2 500个、斑块密度为18 个/km2、散步与并列指数等于66%时，流域内斑块对产流、汇流起到较大阻碍作用，宁江流域产流、汇流能力达到最小；当斑块数量大于2 500个、斑块密度大于18 个/km2、散步与并列指数大于66%时，宁江流域内产流能力增强，径流模数增大.

图6 景观斑块指标与径流模数曲线

1986—2013年，宁江流域径流模数与香农多样性指数相关性不显著，但物种多样性小于0.92时，径流量随物种多样性的增大而减少，当香农多样性指数大于0.92时，土地利用越多样，景观破碎化程度越高，流域内径流量及径流模数随之上升；当蔓延度指数小于67%，流域景观破碎化程度较高，宁江流域径流模数出现下降趋势；当蔓延度指数大于67%、流域内景观出现某种类型集聚时，宁江流域径流模数呈上升趋势，表明流域内有助于产生汇流的某种类型面积比上升. 分析结果表明，香农多样性指数、景观蔓延度、斑块形状指数以及景观形状指数与径流模数相关性不高(图7).

图7 景观格局特征与径流模数曲线

4 结论与讨论

通过对宁江江流域1986—2013年河流水沙变化特征以及影响因素的研究，得出以下主要结论：

(1)1986—2013年，宁江流域降水量变化较小，径流量却呈现小幅下降. 2002年以前降水量与径流量实测吻合曲线较为一致，2002年以后实测吻合曲线变化较大，利用M-K突变性检验宁江流域年径流量变化，结果证实，2002年为流域径流量变化突变年，径流量在2002年之后出现先明显下降. 流域内径流变化主要受气候变化的降水影响.

(2)宁江流域内土地利用类型以林地为主，1986年以来随着经济发展以及城市规模扩大，流域内建筑用地面积增加562%，林地面积增加28.8%，耕地面积减少61.2%，草地面积减少41.6%，未利用土地面积增加172%，水体面积变化波动较小. 土地利用类型面积在1986—1995年发生了突变. 1986年以来流域内林地、建筑用地增加，而耕地、草地面积出现锐减，这主要由于国家进一步实行对外开放及城镇化发展，建设用地需求的扩张，同时由于国家出台《水土保持法》实行退耕退草还林政策，流域内生态环境得到保护，水土流失也随之得到防治，从而使流域内的林地面积得到增加.

(3)1986年以来随着人类活动的加大，流域内的斑块数量、斑块密度和最大斑块指数激增，流域整体景观破碎化程度加大；流域径流量变化与景观斑块数量、斑块密度、最大斑块指数及散布与并列指数相关性较大，当斑块数量大于2 500个、斑块密度大于18 个/km2、散步与并列指数大于66%以及最大斑块指数大于50时，径流量随此4个指数的增大而增大；但流域径流量与香农多样性指数、景观蔓延度、斑块形状指数、景观形状指数相关性较小.

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Relationship between Landscape Pattern Change and Runoff in the Southern China Humid Area River Basin：A Case Study of Ning Jiang

ZHU Ruxiong1, 2, ZHANG Zhengdong3*, YANG Chuanxun3, WAN Luwen3

(1. School of Geography Science and Planning, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China; 2. Technological Support Center of Flood Control of Guangdong Province, Guangzhou 510635, China;3. School of Geography, South China Normal University, Guangzhou 510631, China)

Based on the precipitation of five meteorological stations of Ning Jiang river and hydrological date gathered from Hekou station from 1986 to 2013, landscape pattern metrics with land use and land cover date derived from the Landsat TM imagery acquired in 1986, 1995, 2005 and 2013,the changes in landscape pattern are performed statistically with SPSS program to analyze the relationship between landscape index and runoff. The results indicate that the amount of precipitation has no obvious varieties while the runoff has appeared significant descendent trend since 2002. With the development of urbanization and returning the dry upland to forest or grass land from 1980s, the area of construction land, forestland and virgin land have increased dramatically. However, grassland, cultivated land and water area have been decreased. Influenced by human activities, the number of patch (NP), patch density(PD), largest patch index(LPI) were decreased sharply in 1986-2013, and the river basin landscape fragmentation degree was increased in recent years. The effect of NP, PD, LPI, IJJ on runoff is significant, while the Shannon’s diversity index(SHDI), Landscape shape index(LSI), Contagion index(CONTAG), patch shape index(PSI) show that there is no effect on the runoff change. When the number of patch is more than 2 500, the patch density is greater than 18 per squre kilometer, the largest patch index is bigger than 66% or the largest patch index is more than 50, the runoff is increased accordingly.

2016-01-25 《华南师范大学学报(自然科学版)》网址：http://journal.scnu.edu.cn/n

国家自然科学基金项目(41471147);华南师范大学研究生科研创新基金项目(2015lkxm39)

*通讯作者:张正栋，教授，Email:zhangzdedu@163.com.

S715.3

A

1000-5463(2017)05-0079-07

【中文责编：庄晓琼 英文审校：肖菁】