三岔河上游景观格局变化对径流量的影响

王 杰，赵翠薇,2，贺中华，田仁伟，徐志荣

(1. 贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550025；2. 喀斯特山地生态环境保护与资源利用协同创新中心，贵州 贵阳 550001)

水是人类一切生命活动的起源，是国家或地区发展的重要保障[1]，但是，气候变化与人类社会经济活动的加剧深刻影响着全球的水循环过程，给许多国家或地区带来了严重的水问题[2-3]。河川径流作为流域水循环过程中的一个重要环节，受到诸多因素影响[4]。在长时间尺度上，气候变化对河川径流的影响较为明显，但短期内人类活动对河川径流的影响则更为明显[5-6]。气候变化主要通过改变降水的时空分配而影响径流量的大小，而人类活动则是通过改变区域土地利用方式使下垫面性质发生变化，从而干扰地表截留、填洼、下渗、蒸发等环节，最终影响水资源的空间分布状况[5-7]。

作为景观格局变化与径流关系研究的一种有效方法，景观格局指数与径流量变化间的相关性分析被国内外学者较为广泛地运用。Callow等[8]研究发现，澳大利亚肯特河上游12个子流域的景观连接度对流域径流具有较强的控制性。李莹等[9]研究发现，滦河流域景观分离度和均匀度指数与径流呈正相关。李晶等[10]研究发现，延河流域综合景观指数与子流域的产沙及产流量呈显著负相关。总之，景观格局对地表产汇流过程具有明显的干扰作用，但不同地区差异较大，通常在我国西南岩溶地区尤为突出[11-12]。

三岔河上游流域为我国西南地区典型喀斯特山地小流域，是一个生态环境脆弱的地区，流域内特有的喀斯特地表、地下二元结构，自古以来素有“八山一水一分田”的描述[13-14]。此外，流域水资源开发利用难度大，存在时空分配不均的现状问题[15-16]。在三岔河修建的取水水利枢纽工程平寨水库，有效地缓解当地缺水问题[17-18]。三岔河上游作为黔中水利枢纽的水源区，其土地利用和景观格局不仅影响水源区的水量及水质状况，更会影响整个黔中经济区的用水安全[19]。目前，针对三岔河的研究主要有生态系统产流服务特征研究[20]、降水径流时空变化分析[21]、水化学特征研究[22]及碳汇效应研究[23]等，但在土地利用景观格局对地表径流量影响方面的研究相对较少。基于此，本文中选取三岔河上游作为研究区域，采用景观格局指数分析法、Mann-Kendall秩次相关法及地理信息系统(GIS)空间分析方法，分析2000年开展“退耕还林还草”等生态工程以来土地利用景观格局变化对地表径流量产生的影响，不仅为提高流域生态稳定性提供参考数据，而且对于保护长江流域和珠江流域的生态环境安全具有重要现实意义。

1 研究区概况

三岔河发源于贵州乌蒙山脉东麓花渔洞，是长江流域乌江南源的一级支流，流经安顺、毕节等地区。地理位置为东经104°17′—106°17′，北纬26°11′—27°10′，流域面积为4 077.31 km2。流域内喀斯特地貌广布，水土流失严重，人地矛盾突出[24]。气候主要为亚热带季风性湿润气候，温和湿润，降水丰沛，年均降水量大于1 200 mm[25]。以林地、耕地、草地以及建设用地为主的土地利用类型是其特征之一。三岔河上游地形及水文、雨量站分布见图1。

三岔河地理位置地图从标准地图服务系统网站下载，地图审批号为GS(2019)3333(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html?picId=%224o28b0625501ad13015501ad2bfc0182%22)，地形及水文、雨量站分布图经过ArcGIS10.2软件数字化处理后得到。图1 三岔河上游地形及水文、雨量站

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

土地利用数据来源于《全国生态环境十年(2000—2010年)变化遥感调查与评估》 《贵州省2015年生态环境监测》，分辨率为30 m×30 m。基于土地利用/覆被变化(LUCC)分类系统，将三岔河上游土地利用类型划分为6个一级地类，即建设用地、林地、草地、耕地、水域和未利用土地。

降水量数据来自于研究区内3个雨量站(付家寨站、二塘站、南开站)及3个水文站(龙场桥站、向阳站、阳长站)所提供的1990—2015年逐月平均降雨量数据。通过反距离空间插值运算，得到流域各年份面上平均降水量。

1990—2015年实测逐月平均径流资料作为整个流域的径流量，利用均值法计算出各年份平均径流量，并以年平均径流深表示年平均径流量的大小[26]。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall秩次相关法

Mann-Kendall秩次相关法，是通过计算统计量τ、标准化变量U来判断离散数据点变化趋势显著性的一种方法[27]，常用于检验降水和径流变化趋势及显著性，计算公式为

(1)

(2)

(3)

2.2.2 土地利用动态变化指数

变化量和变化幅度作为描述土地变化特征的重要指标，计算公式为

ΔS=Sb-Sa，

(4)

K=(Ub-Ua)/Ua×100%，

(5)

式中：Sa、Sb分别为研究初期、末期某种土地类型的面积；ΔS为研究时段内某种土地面积变化量；K为研究时段内某种土地类型的变化量[28]，Ua、Ub分别为研究初期、末期某种土地的检验系数。

2.2.3 景观指数的选取及分析

基于Fragstats 4.2软件，结合前人研究基础及流域实际情况，选取能够反映研究区景观格局特征的9个指标，即最大斑块面积指数(LPI)、景观形状指数(AWMSI)、景观聚集度指数(CONTAG)、景观破碎度(DIVISION)、Shannon多样性指数(SHDI)、Shannon均匀度指数(SHEI)、散布及并列指数(IJI)、斑块数量(NP)和斑块密度(PD)。

利用Person相关系数功能分析景观格局指数与径流量指标之间的相关性[29]，探讨流域景观格局变化对地表径流量的影响。径流量指标用5 a平均径流深替代，由于流域径流量变化对土地利用景观格局的变化有一定的响应时间段，因此将2000年景观指数对应的径流量响应时段确定为1996—2000年，2005年的响应时段确定为2001—2005年，2010年的响应时段确定为2006—2010年，2015年的响应时段确定为2011—2015年。所有数据分析均在统计产品与服务解决方案(SPSS)软件中进行。

3 结果与分析

3.1 降水量与径流量变化特征分析

根据三岔河上游1990—2015年降水量和径流量资料，绘制出三岔河上游年平均降水量和年平均径流深的年际变化趋势见图2。由图可知，年平均降水量与径流深均呈现波动下降的趋势，其中多年平均年降水量为1 031.63 mm，最大值和最小值分别为1 316.41 (1991年)、811.67 mm(2011年)。相对而言，多年平均径流深为950.58 mm，最大值和最小值分别为1 296.09(1991年)、575.32 mm(2013年)，说明径流量变化幅度大于降水量。

图2 2000—2015年三岔河上游年平均降水量和年平均径流深的年际变化趋势

根据Mann-Kendall秩次相关法计算结果显示，年降水量检验系数|Up|=1.655U(0.05，2)，表明其下降趋势显著。

降水量和径流深的距平百分率可用于分析降水量和径流量变化幅度特征，流域降水量和径流深距平百分率计算结果如图3所示。由图可见，1990—2015年降水量与径流深的距平百分率呈现正负交替，变化显著。其中，年平均降水量距平百分率最大值及最小值分别为23.55%(1991年)和-23.82%(2011年)；年平均径流深距平百分率最大值和最小值分别为38.91%(1991年)和-38.47%(2013年)。三岔河上游年降水量变化趋势与年径流量变化趋势大致相同，但年径流量的变幅要大于年降水量，说明年降水量是引起年径流变化的主要因素。由于年降水量的变化在年径流的变化中被放大，而年径流量的距平百分率绝对值最大值(77.38%)明显大于年降水量的相应值(47.37%)。经过计算，2000—2015年降水量和人类活动对径流量变化的贡献率分别为55.57%、44.43%，可见景观格局的变化作为人类活动的主要方面对地表径流造成了显著的影响。

图3 2000—2015年三岔河上游年平均降水量及年平均径流深距平百分率变化特征

3.2 土地类型变化分析

运用ArcGIS10.2软件的空间分析模块，对三岔河上游2000、2005、2010、2015年4期土地利用矢量数据进行分析，得到三岔河上游流域4期土地利用状况见图4。由2000、2005、2010、2015年土地类型统计结果(见表1)可知，2000—2015年间林地、草地、建设用地和水域面积分别增加66.52、77.28、94.24、25.17 km2，耕地面积变化最为显著，减少259.01 km2，未利用地面积变化不明显，减少了4.20 km2。此外，林地与草地面积占总面积60%以上，耕地占30%左右，建设用地约4%，水域和未利用地占比不足2%。其中，水域面积变幅最大(323.11%)，建设用地为144.24%，林地变化最小(4.23%)。

表1 三岔河上游2000—2015年各土地类型面积及比例

为了进一步揭示研究区土地利用类型变化特征，利用GIS对不同时段内的土地利用空间分布进行处理，获取2000—2005、2005—2010、2010—2015年土地利用转移矩阵，如表2—4所示。

表2 2000—2005年三岔河上游土地利用转移矩阵

综上，三岔河上游土地利用变化趋势为：1)林地、草地、水域与建设用地面积均呈现出不断增加的变化趋势，其中水域与建设用地面积增加幅度较大；2)耕地不断减少，未利用地变化不大；3)耕地、未利用地的变化趋势与林地、草地、耕地及建设的变化趋势恰好相反，说明土地利用类型的转变是以由“退耕还林还草”生态工程实施以及城市化建设加快等原因导致的林地、草地面积的变化为特征。

表3 2005—2010年三岔河上游土地利用转移矩阵

表4 2010—2015年三岔河上游土地利用转移矩阵

3.3 景观格局变化分析

由2000—2015年三岔河上游景观指数计算结果(见表5)可知：流域内NP数量增加了466，PD增加了0.114 km-2，DIVISION增加了0.02%，表明流域景观破碎程度加深，主要是由“退耕还林还草”“天然林保护”以及研究区城市化进程加快等造成的[30]。林地、草地景观面积增加的主要原因是耕地转化。随着后期人类活动的加强，部分耕地转化建设用地导致大面积耕地被分割为许多小斑块，进一步加深景观的破碎度。

表5 2000—2015年三岔河上游景观指数的变化特征

LPI减小了7.1%，AWMSI减小了2.24，表明景观斑块形状逐渐朝着简单和规则化方向演变。CONTAG减小了5.08%，反映出各景观斑块之间的通连性逐渐减弱。此外，SHDI、SHEI分别增大了0.09、0.05，表明流域的景观异质性提高，同时各类型斑块的空间分布逐渐趋向于均匀。

综上，自流域“退耕还林还草”等相关政策实施及城市化建设以来，三岔河上游景观格局变化较为显著，变化特征表现为景观破碎度增加，优势度降低，连通性减弱，斑块形状逐渐趋于简单和规则化，异质性提高，各类斑块的空间分布趋于均匀。

3.4 景观水平格局对径流量的影响

在景观水平上选取的8个景观指数与年平均径流深的Person相关系数计算结果如图5所示。由图可以看出：年平均径流深变化与NP、PD、DIVISION呈负相关，说明景观格局破碎化程度的加深阻滞了地表径流的形成；LPI与年平均径流深呈正相关，表明景观斑块优势度的提高有利于促进径流的形成，而流域景观优势度在降低，促进地表径流形成的作用被削弱；年平均径流深变化与AWMSI呈正相关，表明景观斑块形状的复杂化，加强了流域地表产流能力，但是人类活动的影响致使景观斑块形状变化逐渐呈现规则和简单化，有效滞留了降水，减少了地表径流的形成；年平均径流深变化与CONTAG呈正相关，说明景观斑块之间聚集度的提高可促进地表径流的形成，而流域景观之间的聚集度在逐渐降低，影响地表产流。

此外，SHDI、SHEI与年平均径流深呈负相关关系，表明景观斑块类型复杂化，且空间分布逐渐趋于均匀，延缓了地表径流的形成，说明2000年之后人类活动加强了对流域景观格局改造，致使景观的破碎化、优势度和聚集度降低，异质性提高，以及各类型景观在空间上趋于均匀分布，增加了对降水的拦蓄和消耗，从而阻滞地表径流的形成。

3.5 斑块类型水平格局指数与径流量的关系

三岔河上游土地类型以林地为主，在各时间阶段内林地、耕地、草地及建设用地占流域总面积比例均在97%以上，所以以下主要分析林地、耕地、草地及建设用地的景观格局指数与年径流之间的相关性。选取5个主要景观指数与径流指标变化作相关性分析，分析结果如表6所示。

1)林地。NP、PD和IJI指数与径流量呈负相关，LPI与径流量呈正相关关系。林地斑块数量增多主要由耕地转化而来，且主要分布在耕地的周边，导致景观破碎度增加和优势度降低，同时与其他景观之间的邻接度增大，由此增加了林冠截流和土壤入渗，使地表径流很难形成。此外，林地面积的增加影响了流域内水循环，具体表现为植物对河流的补给与削弱作用，有利于对径流年际变化的稳定。

2)草地。LPI和AWMSI与径流量呈显著负相关，表明草地优势度增大以及形状复杂化增强能有效阻滞地表径流形成。2000年实施“退耕还林还草”政策后，许多耕地逐渐撂荒成草地，细碎的草地逐渐连接成大面积的草地，增大了降水的滞留量以及蒸腾速率，对径流减少具有显著的作用。

3)耕地。径流量与NP、PD及IJI指数明显的负相关关系，LPI和AWMSI指数与年径流量之间存在明显的正相关关系。作为三岔河上游优势度最大的景观类型，耕地在2000年之后大面积减少，逐渐变化为林地、草地及其他景观，导致耕地优势度降低，破碎度增加，形状逐渐趋于简单与规则化，并因此降低了耕地的产流作用，导致流域年径流减少。

4)建设用地。径流量只与IJI指数呈正相关关系，与NP、PD、LPI和AWMSI指数呈负相关关系，表明随着社会经济发展及城市化进程的加快，建设用地发展趋势呈现集中化，大量不透水面积的增加有利于促进径流增加，但建设用地面积较少，占流域总面积不足4%，对于径流变化的影响较弱。此外，建设用地分布较为集中，距离县城驻地较近，农业用地分布较多且地势较为平坦的地方，人口相对集中，对水资源的需求量较大，所以才会造成建设用地增加、径流减少。

综上所述，2000—2015年间三岔河上游年降水量减少的同时，年平均径流量也在减少，并且减少的幅度大于降水的。2000年后“退耕还林还草”“天然林保护”等生态工程实施，林地和草地的持续增加主要由耕地转化而来，且主要分布在耕地周围以防护林的形式出现，增加了对降水的滞留和消耗，有效阻滞了地表径流的形成，对其变化具有显著的影响，而耕地与建设用地表现出的变化对径流的影响相对较小。

4 讨论及结论

4.1 讨论

本文中分析了2000—2015年三岔河上游土地利用变化对径流量的影响，同时也从景观生态学的角度分析了2000—2015年流域景观格局演变对径流量的影响，对于进一步揭示人类活动对径流变化的影响机制具有重要参考价值。不足之处在于，虽然从宏观角度上定性分析了三岔河上游LUCC对径流量的影响，以及从景观水平和斑块类型水平上研究了流域景观格局演变对地表径流量的影响机制，但尚未从微观角度定量分析LUCC对地表径流的具体影响值，在以后研究中需要进一步完善。

4.2 结论

1)1990—2015年，三岔河上游年降水量变化趋势与年径流量变化趋势具有相似性，但年降水量的变化幅度要小于年径流量的，说明降水是引起径流变化的主要因素。2000—2015年流域降水量和人类活动对径流量变化的贡献率分别为55.57%、44.43%，说明流域土地利用类型、景观格局变化作为人类活动的主要表现对地表径流造成了显著的影响。

2)采用Person相关分析法研究2000—2015年三岔河上游景观格局与径流量之间相关性，结果表明：DIVISION、SHDI及SHEI与径流呈明显的负相关关系，说明景观破碎度、景观异质性的增加和景观空间的均匀分布，增加了对降水的滞留和消耗，阻碍了地表径流的形成；LPI、AWMSI和CONTAG与径流呈正相关，但流域景观优势度和聚集度的降低以及斑块形状的简单化，不利于径流量的增加。出现这一影响机制的主要原因是林地和草地作为流域的优势景观，其面积的增大、破碎化程度及邻接度的增加有效阻滞了地表径流的形成，造成流域径流量减少。