渭河源流域源汇景观演变对径流泥沙的影响

周添惠,杨 磊,赵方凯,李旭春,邓居礼,李 敏,黄 勇,段兴武

1 云南大学国际河流与生态安全研究院, 昆明 650500 2 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085 3 甘肃省定西市水土保持科学研究所, 定西 743000 4 甘肃省定西水文水资源勘测局, 定西 743000

源汇景观格局分析方法将景观格局与生态过程有机结合,可用于定量表征不同景观类型及其空间配置对特定生态过程的影响[1—2],是目前景观生态学的一个核心研究议题。近几十年来黄土高原地区大规模退耕还林还草工程的实施,使得地表景观发生了显著变化。遥感数据表明,从1980年至2020年黄土高原地区农田面积减少了11.43%,而森林面积增加了58.18%[3—5]。这一景观演变过程也带来了径流泥沙“源”和“汇”功能的变化,如植被恢复使得汇景观面积不断增加,改变了地表产水、产沙过程[6—7],从而使得地表径流及泥沙负荷呈现显著下降趋势[8—11]。黄土高原地区土地利用对水土流失过程的影响已经开展了大量的工作,研究表明坡面、流域、区域尺度不同景观配置均能影响水土流失过程[9,12]。通过景观格局指数来反映景观配置信息,并通过其变化来表征水土流失演变特征已经做了比较多的尝试。例如,王计平等[13—14]分别通过类型水平和景观水平的格局指数探讨了其对河口-龙门区间径流泥沙的表征,也有研究发现景观多样性、聚集度及蔓延度是土壤侵蚀及产沙过程的主要影响因子[10,15—16]。然而,景观格局指数难以建立和具体生态过程的定量关系。对水土流失过程而言,径流和泥沙在空间上的“源”和“汇”由景观类型及其空间位置决定,并且受到海拔、坡度及传输距离等因素的影响[17—18]。源汇功能景观沿着水土流失过程发生和传输方向上的空间配置能够影响流域内的产流和产沙过程。一方面源汇景观格局本身具有明显的时空异质性,不同时间源汇景观格局的演变对水土流失的影响仍需要从过程上予以明确；另一方面,源汇景观格局对哪些水土流失过程具有更为显著的影响还需要进一步地识别,比如源汇景观演变对流域洪峰流量及河道径流含沙量的作用尚需要进一步的探讨。此外,降水是驱动地表产流及侵蚀时空分异的关键因素之一[19—21],不同降雨条件下景观配置对产流产沙过程的影响存在明显差异[22],并且也有研究表明降水的变化能够显著改变源汇景观负荷比与土壤侵蚀量的相关性[23]。因而,探讨降雨与源汇景观演变耦合驱动下的产流产沙过程,对建立景观格局演变与水文响应的定量关系具有重要意义。

本研究基于源汇景观模型,以黄土高原和西秦岭土石山区交界的渭河源为例,分析流域源汇景观格局演变特征与径流和泥沙的关系,定量表征降水和源汇景观格局对产流产沙的相对影响,以期为黄土高原植被恢复的空间格局优化和流域管理提供科学依据。

1 研究区及方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省定西市渭源县的渭河源流域(34°57′N—35°9′N, 104°1′E—104°14′E),面积114.3 km2。流域为黄土高原和西秦岭山地、青藏高原的交界地带,海拔2076—3480 m,北部为典型的黄土丘陵区,南部为土石山区,属西秦岭山地(图1)。流域为温带大陆性气候,多年平均降水量512 mm,潜在蒸发量1119 mm,平均气温6.8℃,极端最高气温30.5℃,极端最低气温-20.1℃,无霜期166 d。流域内黄土丘陵部分人口较为密集,且地形破碎、沟壑纵横,水土流失严重,植被覆盖以农作物、天然荒草、油松及人工种植的旱柳等为主。相比而言,土石山区则较为陡峭,无人口定居和农业活动,植被覆盖以高山草甸、天然灌木和乔木为主,是重要的水源涵养区。

图1 研究区位置及地形特征 Fig.1 Location and topographical features of study area

1.2 径流泥沙监测和遥感解译

在渭源水文站对研究区每日径流量、含沙量、洪峰流量以及降雨量进行长期定位监测,本研究径流泥沙的监测时间为1982—2017年。基于现场野外调查,并通过监督分类的方法对1982年Landsat MSS、1985年、1990年、1995年、2000年、2005年Landsat TM、2010年Landsat ETM+、2015年和2017年Landsat OLI系列不同传感器遥感影像进行解译,并与Google Earth结合对解译结果进行校正,分别得到相应年份土地利用数据。Landsat MSS影像分辨率为60 m,Landsat TM、ETM+和OLI影像分辨率为30 m。基于研究区土地利用特征,将土地利用分为农田、城镇、林地、草地、草甸、水域 6种类型。

1.3 源汇景观分析

应用中国科学院生态环境中心城市与区域生态国家重点实验室开发的源汇景观模型(Source Sink Landscape Model, SSLM)进行源汇景观格局分析,源汇景观模型是基于ArcGIS开发的分布式评价模型[24—25]。模型的输入数据主要包括DEM和土地利用,需要根据具体研究的生态学过程确定源景观和汇景观的类型及其权重。源汇景观模型可以根据景观类型及其所处的海拔、坡度和距离,绘制不同景观在海拔、坡度和距离上分布的洛伦兹曲线,并分别计算海拔负荷比(LWLIE)、坡度负荷比(LWLIS)和传输距离负荷比(LWLID),最终计算得出源汇景观负荷比(Location-Weighted Landscape Index, LWLI)[17,24—25],这些指标可用于评估不同格局特征对生态过程的影响。LWLI越大流域发生水土流失的风险越大,而LWLIE、LWLIS和LWLID的比较意义在于衡量相同或相似的景观斑块分布在不同海拔、坡度和传输距离上对水土流失影响的程度。对水土流失过程而言,农田是产流产沙的主要景观类型,因而本研究将农田定义为源景观,草地、草甸和林地植被覆盖良好,在产流和泥沙迁移中一般承担着汇的作用。由于不同源景观和汇景观对径流泥沙的产生和阻滞作用不同,因而不同源景观和汇景观的权重存在差异(表1)[26],另外由于水域一般承担着流景观的作用,不在产流产沙过程中发挥源或者汇的功能,因而本研究暂不考虑水域的作用。

表1 源汇景观类型及权重

1.4 统计分析

采用Pearson相关分析探讨径流泥沙与源汇景观负荷比、景观组成及降雨量之间的关系。为明确源汇景观格局特征对径流泥沙的作用,根据信息理论方法(Information theoretic approach, ITA)确定源汇景观负荷比和降雨量对径流量、洪峰流量及含沙量的相对重要性(Relative variable importance, RVI)[27]。Pearson相关分析和ITA分析在R 4.0.2中分别采用corrplot、MuMIN包实现。

2 结果与讨论

2.1 流域源汇景观演变特征

图2表明1982—2017年研究区农田面积逐渐减少,草地、林地和城镇面积逐渐增加,其中城镇出现不同程度的扩张,相比而言,草甸和水域面积变化较小。由图2和图3可以看出,研究区农田面积变化最大,由1982年的60.45%减少到2017年的37.77%,且在1995—2010年间明显减少；而草地和林地这一时期的面积增加较为明显,分别从1.17%和30.67%增加至11.82%和37.50%；城镇面积在1982—1995年间增长缓慢,2000—2017年间扩张明显,由2.98%增长至5.61%。从图2可以明显看出,研究区景观演变主要集中在黄土丘陵区,大面积减少的农田主要转化为草地和林地,黄土丘陵区内城镇面积也有较大幅度的扩张；相比而言,这一时期内属西秦岭山地的土石山区没有明显的景观变化。

图2 1982—2017年渭河源区土地利用变化Fig.2 Land use change in source of Weihe River from 1982 to 2017

针对产水产沙过程的“源”、“流”和“汇”功能景观演变可以看出,研究区源景观面积在1982—2017年间逐渐减少,汇景观面积则逐渐增加,流景观没有明显的变化。源汇景观模型计算表明,这一时期研究区源汇景观负荷比随时间的推移呈下降趋势,从0.49降为0.26,其中,1982—1995年和2010—2015年变化较小,而1995—2010年出现较为明显的下降(图3),这一变化和源景观面积的变化趋势一致,与汇景观的变化趋势相反。由图2可知,研究区内属西秦岭山地的景观变化不明显,西秦岭山地地势陡峭、土层浅薄[28],不适宜发展农业耕作,因而作为水源涵养区在研究期间内一直作为汇景观存在。相比而言,研究区源汇景观功能的演变主要发生在黄土丘陵区,尤其是这一地区自1999年以来实施的退耕还林还草工程[29],促使流域源汇景观结构向土壤保持的方向演进,使得LWLI下降,成为源汇景观功能演变的主要驱动因素。LWLIE、LWLIS及LWLID同样表现出减小趋势(图3),表明研究区源汇景观不仅在组成上趋于合理,在空间分布上也逐渐趋于合理,使得水土流失的风险逐渐降低。LWLIE降低了58%,相对于 LWLID(42%)和LWLIS(54%)的降低更为明显,表明研究区内源功能景观向汇功能景观的转变主要集中于相对高海拔的地区。

图3 研究区1982—2017年景观组成及景观负荷比指数变化Fig.3 Changes of landscape proportion and Location-Weighted Landscape Index from 1982 to 2017

2.2 流域年径流量和泥沙量的时间变化

为探讨源汇景观格局演变与产流产沙的关系,本研究将1982—2017年的降水量、径流量、洪峰流量和含沙量做年平均,代表年径流量和泥沙量的演变情况。从图4可以看出,1982—2017年研究区降水量有较为显著的年际波动,但没有明显的增加或降低趋势。年径流量的波动变化与降水量较为一致,但总体上呈减少的趋势(R2=0.16,P<0.05)；其中1982—2000年下降较为明显,2000年之后呈现波动变化。比较特殊的是最大年径流量为1984年的43.25×106m3,而当年降水量为600.6 mm,这主要与当年降雨特征有关。洪峰流量在1982—2017年随着时间的推移呈下降趋势(R2=0.30,P<0.01),从1982年的54.8 m3/s下降为2017年的2.27 m3/s。与径流量不同,1982—2000年洪峰流量没有显著的年际变化,而在2000年之后下降趋势较为明显(R2=0.24,P<0.05)。径流含沙量与洪峰流量的变化较为相似,随着时间的推移呈波动下降(R2=0.41,P<0.01),1991年出现最大含沙量15.90 kg/m3,2015年出现最小含沙量0.23 kg/m3。含沙量与径流量的变化特征在2000年之前较为相似,而在2000—2017年则表现出相反的趋势,与洪峰流量表现出一致的下降趋势(R2=0.25,P<0.05),这表明汇景观的增加有效提升了流域的调水保土功能。有类似研究也表明黄土高原地区植被重建面积比例与径流减少量存在显著的正相关关系[8]。研究区2000—2005年间林地和草地面积分别增加2.38%和4.10%,LWLI下降了13.97%,源汇景观格局的优化使得径流泥沙量骤减1.12 kg/m3。值得注意的是,研究区1982—1995年间泥沙含量呈波动下降趋势,但LWLI较为稳定,这主要是由于径流泥沙减少的主要影响因素在不同时期存在差异,1982—1995年研究区黄土丘陵部分水土保持以梯田建设等工程措施为主,而2000年后则以植被恢复与人工植被重建为主,黄土高原其他地区径流泥沙的减少也同样存在这一现象[30-31]。

图4 1982—2017年流域降水量、径流量、泥沙量变化趋势 Fig.4 Changes of annual precipitation, runoff and sediment from 1982 to 2017

2.3 景观格局演变对径流和泥沙含量的影响

图5可以看出,LWLI、LWLIE、LWLIS及LWLID都与含沙量呈显著的正相关关系,表明源汇景观的时空分布能有效影响产流产沙过程,并且对其年际变化影响显著；与之相反的是,年径流量仅与降水量呈显著正相关,表明研究区径流量主要受到降水影响,与源汇景观格局关系并不密切。含沙量与洪峰流量呈显著正相关关系,二者均与农田面积比例呈正相关,而与其他景观类型(城镇、林地、河流、草地、草甸)的面积比例呈负相关。洪峰流量与源汇景观负荷比同样呈较强的正相关关系,表明在长时间尺度上,洪峰流量及含沙量对源汇景观组成及其格局具有显著的响应。

图5 径流及泥沙含量与景观特征的相关分析Fig.5 Correlation analysis between runoff, sediment and landscape features

通过定量表征降水和景观格局对径流量、洪峰流量及含沙量的相对重要性,以进一步揭示降水和景观格局对产流产沙的耦合影响。由表2可知,仅降水量与河道径流量显著相关,并且相对重要性较高,而源汇景观负荷比对径流量的相对重要性较低,这与前面相关分析的结果一致,说明研究区径流量的主要影响因素是降雨,源汇景观格局并非主要影响因素。黄土高原长期监测结果表明,1960—2010年间降雨和径流均呈现一致的下降趋势[9,32],同时森林景观的扩张,也将导致径流量的下降[8],但黄土高原区域尺度河川年径流量的长期下降趋势主要由降水量变化驱动[31]。本研究结果表明降雨对径流量减少的贡献度要高于源汇景观格局的作用,与以上黄土高原其他地区的研究结果一致,这也主要由于研究区内西秦岭山地土石山区景观未发生显著的变化,源汇景观功能的演变主要集中于黄土丘陵区,因此流域内上游地区较为稳定的景观格局对径流年际变化的影响较弱。

表2 源汇景观负荷比及降水对径流和泥沙含量的相对重要性

有研究表明,长时间尺度上土地利用变化导致的景观演变是影响流域水土流失的主要因素[33]。本研究同样发现,洪峰流量和含沙量与源汇景观负荷比显著相关,表明其受到海拔、坡度和传输距离综合调控下的源汇景观格局的影响,并且景观格局对其的重要性高于降雨,这与径流量的结果不同。其中,LWLIE和LWLID对洪峰流量及含沙量的影响次于LWLI,LWLIS的相对重要性最低,表明洪峰流量与含沙量受到海拔和传输距离的影响大于坡度。径流泥沙输移过程是从源景观到汇景观,由高海拔区域到低海拔区域,由远区域到近区域,因此随着源汇景观格局随海拔和传输距离的变化,流域内土壤水蚀过程对源汇景观时空格局具有明显的响应特征。从图2可以得知,研究区源汇景观的演变主要发生在海拔相对较低和传输距离较近的黄土丘陵区,尽管黄土丘陵区的坡度小于西秦岭山地的土石山区,其产流产沙能力要远高于植被覆盖度高且产沙能力低的土石山区,在植被覆盖和土壤可蚀性的综合影响下,坡度对流域整体径流泥沙输移过程的影响较弱,因此本研究中海拔和传输距离对流域洪峰流量和含沙量的调节作用大于坡度,而沿海拔和传输距离分布的源汇景观格局也显著影响流域产流产沙过程。坡面尺度上的研究发现,下坡位的农田转变为林地和草地也可以显著提高坡面保水保沙能力[34],源汇景观配置能够显著调节坡面水土流失过程,进而可以影响流域河川径流特征和泥沙含量,并且景观格局对产沙过程的影响明显大于其对产流过程的影响[22,35-36],这也进一步证实了流域源汇景观格局对含沙量的影响要大于径流量。

有研究表明传输距离负荷比能够很好的反映土壤侵蚀过程对景观格局的响应,源汇景观沿传输距离的分布格局对径流泥沙含量的贡献率大于其沿海拔和坡度的分布格局[18],对传输距离较近并且海拔较低区域的源景观(农田等)和汇景观空间布局进行调整可以有效改变降雨导致的产流产沙过程[37]。还有研究表明,在不考虑降水影响的情况下源汇景观负荷比与土壤侵蚀率和产沙率均存在显著正相关,而在考虑降水影响的情况下,仅与输沙率存在显著相关性[23]。研究区2000年以前黄土丘陵区部分主要为源景观,使得径流产沙能更快的进入河道,因而这一时期泥沙含量较高。图5也表明农田作为源景观与含沙量具有明显的正相关,而林地及草地作为汇景观则表现出明显的负相关。2000年以后由于黄土丘陵区汇景观比例的上升以及汇景观向流域出口的趋近,增强了其对水土流失的拦截能力,使得洪峰流量和泥沙含量显著减少。源汇景观的空间优化配置能够显著调节流域水土流失过程,影响径流泥沙含量,但源汇景观格局对流域径流和泥沙含量的影响具有明显的空间异质性,仍然需要进一步深入探讨。

3 主要结论

(1)渭河源流域1982—2017年源汇景观结构变化明显,源景观面积比例逐渐下降,从60.49%降低至37.77%,尤其是1995—2010年间下降最明显,而汇景观面积比例逐渐上升,从35.98%增加至55.46%。研究区内源汇景观的演变主要发生在黄土丘陵地区,西秦岭山地土石山区没有发生明显的景观演变。

(2)洪峰流量和泥沙含量在1982—2017年呈现显著降低趋势,而径流量随时间变化趋势并不明显。洪峰流量与含沙量主要受流域源景观面积比例和LWLI及LWLIE、LWLIS、LWLID的影响,而径流量仅与降水量存在相关关系。表明影响流域径流和泥沙的主要因素不同,并且研究区内黄土丘陵区的源汇景观变化决定了流域整体的径流和泥沙演变特征。

(3)基于信息理论方法的相对重要性分析表明,降雨对径流量相对重要性高于源汇景观格局,而源汇景观格局对流域洪峰流量和含沙量具有较高的重要性,其中LWLIE、LWLID对洪峰流量及含沙量的影响均高于LWLIS,表明合理地调整传输距离和海拔的分布格局可以有效的调控径流含沙量和洪峰流量。