摘要：延河流域作為典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，水土流失是最主要的生態(tài)環(huán)境問題，其生態(tài)環(huán)境治理能為整個(gè)黃土高原生態(tài)恢復(fù)重建提供典型范例，因此評(píng)價(jià)延河流域景觀格局變化對(duì)水文過程的影響，對(duì)流域景觀格局與水文過程的研究具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文通過利用SWAT模型模擬的延河流域的41個(gè)子流域的水文響應(yīng)單元，建立延河流域的“源—匯”水文響應(yīng)單元景觀格局指數(shù)，通過計(jì)算不同地形條件下水文響應(yīng)單元隨著坡度變化的面積累積百分比，構(gòu)建了新的“地形—水文響應(yīng)單元(Slope-HRU)綜合景觀指數(shù)”。并與SWAT水文模型所模擬獲得的子流域徑流量、產(chǎn)沙量進(jìn)行相關(guān)性分析，評(píng)價(jià)“地形—水文響應(yīng)單元(Slope-HRU)景觀指數(shù)”對(duì)水文過程的表征能力和適用性。結(jié)果表明：結(jié)果表明在子流域尺度上Slope-HRU景觀指數(shù)和產(chǎn)沙狀況存在明顯的區(qū)域分異規(guī)律，而且R值空間變異情況基本上與產(chǎn)沙量的空間變化規(guī)律相反，即R值呈現(xiàn)由南向北，由東向西遞增，而產(chǎn)沙量由南向北，由東向西遞減。R值與年產(chǎn)沙量在數(shù)值上呈顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.60；再將Slope-HRU景觀指數(shù)與上文所選取的7個(gè)常用景觀格局指數(shù)相結(jié)合，構(gòu)成新的綜合景觀指數(shù)，發(fā)現(xiàn)它們與子流域的產(chǎn)沙量耦合關(guān)系明確，均顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值范圍為0.43~0.63。

　　關(guān)鍵詞：延河流域；景觀格局；水文過程；水文響應(yīng)單元；景觀指數(shù)

　　1引言

　　延河流域作為典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，水土流失是最主要的生態(tài)環(huán)境問題，其生態(tài)環(huán)境治理能為整個(gè)黃土高原生態(tài)恢復(fù)重建提供典型范例；探討延河流域退耕還林(草)政策實(shí)施前后土地利用/覆被變化的特征，圍繞該流域水土流失這一核心生態(tài)問題，探尋土地利用/覆被變化引起的景觀格局變化對(duì)生態(tài)過程，尤其是泥沙輸送過程的影響規(guī)律，將自然環(huán)境條件與人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及歷史發(fā)展過程相互聯(lián)系，評(píng)價(jià)流域景觀格局變化對(duì)重要生態(tài)過程的影響，對(duì)流域綜合治理有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　2研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)處理

　　2.1研究區(qū)概況

　　延河發(fā)源于陜西靖邊縣姬家畔附近的白于山東坡，自西北向東南流經(jīng)志丹、安塞、延安、延長等縣(市)，于延長縣涼水岸匯入黃河，屬于黃河一級(jí)支流，全長286.9km，流域面積7725km2。延河流域，其北部是清澗河流域、西南部為北洛河流域、南部和云巖河流域相接，海拔最高為1731m，寶塔區(qū)平均海拔為958m，屬黃土丘陵溝壑區(qū)。年降水量偏少，年降水量在400~550mm，多年平均降水量為520mm，本地區(qū)年均氣溫為8.8~10.2oC，由西北向東南遞增，平均日溫差13.2oC。光能資源豐富，年總輻射量為125~134千卡/cm2，有效輻射量為67.8千卡/cm2。無霜期為157~187天。延河流域殘存的天然林不多，森林草原為地帶性植被，但是，少量的灌叢林也呈塊狀分布，從而形成以牧草為主的景觀現(xiàn)狀，干旱草本植物是植被的優(yōu)勢(shì)種。延河水系為延安地區(qū)第二大水系，主要支流包括了杏子河、平橋川、西川河、南川河、蟠龍川等[14-15]。延河可以分成上、中、下游三段，可以將流域相應(yīng)劃分為上、中、下游三段區(qū)域：上、中游的分界是安塞縣的化子坪；中、下游的分界是寶塔區(qū)的甘谷驛。根據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)，結(jié)合研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀及其特點(diǎn)，將土地利用類型共分為8個(gè)一級(jí)土地類型(圖1)，即：耕地(旱地和水田)、灌叢林地、有林地、牧草地(天然草地和人工草地)、建筑用地(居民點(diǎn)、工礦及城鎮(zhèn)用地)、園地(果園、菜園)、水域(河流、水庫和池塘等)、和未利用地(沼澤和灘涂地)。

　　2.2數(shù)據(jù)來源

　　本文主要參考延安市地理志[14]等地理和歷史文本文獻(xiàn)[15]，數(shù)字高程數(shù)據(jù)DEM、統(tǒng)計(jì)據(jù)，2010年土壤類型圖、地形圖、地貌圖以及交通圖、行政圖等相關(guān)圖件，野外實(shí)地考察獲得的植被、水文、土壤分布、土地利用和退耕還林實(shí)施情況等資料；1956-2011年逐月實(shí)測氣象數(shù)據(jù)和1990-2010年水文站點(diǎn)的實(shí)測水文數(shù)據(jù)；本研究中選用的影像資料包括LandsatTM、LandsatETM+和SPOT4衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。其中，2010年為SPOT4數(shù)據(jù)，共9景，空間分辨率為20m。運(yùn)用ERDAS9.2軟件，對(duì)2010年SPOT影像進(jìn)行解譯，得到1:5萬的延河流域土地利用類型空間分布圖和土地利用類型的屬性數(shù)據(jù)庫。

　　3研究方法

　　3.1SWAT分布式水文模型

　　SWAT模型是由美國農(nóng)業(yè)部的農(nóng)業(yè)研究中心研發(fā)的，是免費(fèi)、開源的，是一種基于GIS基礎(chǔ)之上的分布式流域水文模型，在調(diào)參、徑流模擬、地表水、非點(diǎn)源污染計(jì)算、面源污染、數(shù)據(jù)構(gòu)建、生態(tài)修復(fù)、作物生長、參數(shù)率定、敏感性分析、農(nóng)業(yè)管理措施等方面都有著廣泛的應(yīng)用。

　　3.2景觀指數(shù)選取

　　景觀指數(shù)可分為斑塊水平(Patch-Metric)、景觀類型水平(Class-Metric)和景觀水平(Landscape-Metric)等類型，本文應(yīng)用景觀格局分析軟件FRAGSTATS4.1來計(jì)算景觀指數(shù)。因此，對(duì)所獲得景觀指數(shù)進(jìn)一步做主成分分析。確定選取的景觀指數(shù)共有7個(gè)，即“獨(dú)立核心斑塊密度指數(shù)DCAD、回旋半徑指數(shù)GYRATE_SD、整體性(斑塊凝聚度)指數(shù)COHESION；香農(nóng)均勻度指數(shù)SHEI、核心斑塊總面積TCA、周長面積分維指數(shù)PAFRAC、散布與并列指數(shù)IJI”。具體景觀指數(shù)表達(dá)式參見參考文獻(xiàn)[17-18]。

　　4結(jié)果分析

　　4.1HRU劃分和定義

　　本研究根據(jù)延河流域地形、土壤、土地利用和水土流失的實(shí)際情況，水文響應(yīng)單元定義的具體過程中，分別將延河流域分辨率為30m的土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，參數(shù)選取結(jié)果如下：(1)主要參數(shù)設(shè)定：土地利用圖層、土壤類型圖層和坡度圖層的面積比例閾值設(shè)定為，土地利用類型數(shù)據(jù)最小面積比例為5%，土壤類型數(shù)據(jù)最小面積比例為30%，坡度最小面積比例為5%。(2)坡度劃分：采用MultipleSlope方法，將坡度分為3級(jí)(坡度按百分比)，設(shè)置坡度系數(shù)：“slopeclass1”為0~10%、“slopeclass2”為10%~30%、“slopeclass3”是大于30%。將坡度如此劃分的依據(jù)是：延河流域地表破碎，溝壑縱橫，廣泛分布梁、峁斜坡和溝谷陡崖，前者坡度多在10~35度之間，后者坡度多大于35度。這些陡坡為流水侵蝕和重力侵蝕提供了有利的地貌條件。

　　4.2延河流域土地利用/覆被變化的水文效應(yīng)模擬

　　本文利用SWAT模型模擬得到延河流域逐年各月徑流和產(chǎn)沙量。為驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，將實(shí)測的資料分為兩部分，一部分用于校準(zhǔn)模型，而另一部分用于模型的驗(yàn)證。本研究方案將選擇1990-2010年甘谷驛水文站的徑流數(shù)據(jù)對(duì)SWAT模型進(jìn)行參數(shù)率定和驗(yàn)證。其中選擇1990-1999年為參數(shù)率定期，而以2000-2009年的徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。模型根據(jù)徑流參數(shù)的相對(duì)敏感性，不斷調(diào)整參數(shù)的取值范圍，期望得到一組合適的參數(shù)，以求達(dá)到較好的模擬效果。1990-1999年逐月的實(shí)測日均徑流量跟模擬值周期分布接近，相關(guān)性較好(圖2和圖3)，相關(guān)性系數(shù)R2為0.834；說明模擬值與實(shí)測值接近，且相關(guān)程度高，可信賴。從圖中可以看出，2000-2009年的徑流量模擬結(jié)果好，與實(shí)測值的相關(guān)性和誤差都在接受范圍之內(nèi)。相關(guān)性系數(shù)R2為0.819，表明實(shí)測值和模擬值的相關(guān)性較高；模擬精度高，模擬結(jié)果可信賴。

　　5討論

　　(1)通過本研究表明，子流域中Slope-HRU景觀格局指數(shù)的R值越大，流域的土壤流失量越小；相反，R值越小，流域的土壤流失量越大，二者成反相關(guān)關(guān)系。源匯景觀格局指數(shù)將景觀類型、面積、地形、土壤類型等信息進(jìn)行集成，考慮了水文過程的部分機(jī)制，具有跨尺度性，可以適合于不同面積、氣候、地形特征的流域。源匯景觀格局指數(shù)是一個(gè)相對(duì)值，適合于環(huán)境背景相似的流域，如果環(huán)境背景差異較大的不同流域之間進(jìn)行比較，可能指數(shù)不具可比性[22-23]，需要考慮進(jìn)來其它環(huán)境因子。源匯景觀指數(shù)的構(gòu)建具有開放性，可以將其它空間屬性和指標(biāo)加以引進(jìn)[24-25]，也會(huì)增加該指數(shù)的模擬精度，比如流域形狀、雨水匯集路徑、空間位置等。在下一步研究中，還需要通過比較其它傳統(tǒng)的景觀格局指數(shù)，綜合評(píng)價(jià)源匯景觀指數(shù)的準(zhǔn)確性。

　　(2)本文著力構(gòu)建“流域—子流域—景觀單元”三級(jí)系統(tǒng)，將水文響應(yīng)單元作為基本景觀單元，其空間分布格局與水土流失過程互為因果。格局是過程發(fā)生的基礎(chǔ)，過程促使格局形成與演變。定義水文響應(yīng)單元遵循地理要素綜合分析原則，將影響水文過程的重點(diǎn)地理要素與水文響應(yīng)單元的劃分緊密結(jié)合起來。也就是說，水土流失是由地形、植被、土壤、氣候、人類活動(dòng)等綜合影響的，劃分景觀單元要綜合考慮這些因素。達(dá)到景觀單元與水文過程單元意義相同目的。定義“源/匯”景觀水文響應(yīng)單元時(shí)所采用的因素中，要著重考慮穩(wěn)定的地理要素，如土壤屬性、坡度等短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化者，同時(shí)土地利用方式是一個(gè)綜合指標(biāo)，它能有效的反映出人類活動(dòng)的影響。延河流域被劃分為41個(gè)子流域，各子流域由眾多水文響應(yīng)單元組成，在水文響應(yīng)單元柵格數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，依據(jù)水土流失“源/匯”理論，本文構(gòu)建了延河流域的一個(gè)“源—匯”景觀格局指數(shù)，即“地形—水文響應(yīng)單元(Slope-HRU)景觀指數(shù)”。并與子流域的徑流量、產(chǎn)沙量進(jìn)行相關(guān)性分析，評(píng)價(jià)“地形—水文響應(yīng)單元(Slope-HRU)景觀指數(shù)”對(duì)水文過程的表征能力和適用性。雖然該指數(shù)與產(chǎn)沙量之間有顯著相關(guān)性，但它與徑流量之間沒有相關(guān)性，因此進(jìn)一步深入分析該指數(shù)與水文過程的互動(dòng)機(jī)制依舊難度很大，如何將流域空間上的景觀格局與監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)聯(lián)系起來是景觀生態(tài)學(xué)家長期比較困惑的問題，加上研究尺度的變化，正確合理地評(píng)價(jià)景觀格局與生態(tài)過程之間的關(guān)系仍然存在較多問題需要繼續(xù)探索，例如，景觀格局對(duì)土壤侵蝕過程的作用機(jī)理、人文社會(huì)驅(qū)動(dòng)力對(duì)“景觀格局—水文過程”系統(tǒng)的作用效果和改善途徑等尚需繼續(xù)深入研究。

　　6結(jié)論

　　(1)基于SWAT模型對(duì)延河流域土地利用/覆被變化的水文效應(yīng)進(jìn)行模擬分析，得出隨著林、灌、草地面積的增長有助于延河徑流量增加，而泥沙量將會(huì)大幅度減小的結(jié)論。

　　(2)本文首次嘗試將水文響應(yīng)單元(HRU)作為基本景觀單元來研究景觀格局。嘗試用土地利用類型、土壤類型、地形坡度等幾個(gè)要素區(qū)分、定義和命名水文響應(yīng)景觀單元(HRU)。在景觀水平上，通過主成分因子分析選取DCAD、GYRATE_SD、COHESION、SHEI、TCA、PAFRAC、IJI等7個(gè)景觀指數(shù)來研究水文響應(yīng)單元(HRU)的空間格局特征。景觀指數(shù)與徑流量的相關(guān)系數(shù)很小，全部不能通過顯著性檢驗(yàn)。但除了TCA和IJI外其他五個(gè)景觀指數(shù)與產(chǎn)沙量之間有顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值基本介于03~0.5之間。

　　參考文獻(xiàn)(References)

　　[1]LuYihe,ChenLiding,FuBojie.Analysisoftheintegratingapproachonlandscapepatternandecologicalprocesses.ProgressinGeography,2007,26(3):1-10.[呂一河,陳利頂,傅伯杰.景觀格局與生態(tài)過程的耦合途徑分析.地理科學(xué)進(jìn)展,2007,26(3):1-10.]

　　[2]ChenLiding,FuBojie,ZhaoWenwu.Source-sinklandscapetheoryanditsecologicalsignificance.ActaEcologicaSinica,2006,26(5):1444-1449.[陳利頂,傅伯杰,趙文武.“源”“匯”景觀理論及其生態(tài)學(xué)意義.生態(tài)學(xué)報(bào),2006,26(5):1444-1449.]

　　[3]ZhaoWenwu,FuBojie,ChenLiding.Theeffectsofgrainchangeonlandscapeindices.QuaternaryScience,2003,23(3):327-333.[趙文武,傅伯杰,陳利頂.景觀指數(shù)的粒度變化效應(yīng).第四紀(jì)研究,2003,23(3):327-333.]

　　李晶,周自翔