摘要：延河流域作為典型的黃土高原丘陵溝壑區，水土流失是最主要的生態環境問題，其生態環境治理能為整個黃土高原生態恢復重建提供典型范例，因此評價延河流域景觀格局變化對水文過程的影響，對流域景觀格局與水文過程的研究具有重要的科學價值和現實意義。本文通過利用SWAT模型模擬的延河流域的41個子流域的水文響應單元，建立延河流域的“源—匯”水文響應單元景觀格局指數，通過計算不同地形條件下水文響應單元隨著坡度變化的面積累積百分比，構建了新的“地形—水文響應單元(Slope-HRU)綜合景觀指數”。并與SWAT水文模型所模擬獲得的子流域徑流量、產沙量進行相關性分析，評價“地形—水文響應單元(Slope-HRU)景觀指數”對水文過程的表征能力和適用性。結果表明：結果表明在子流域尺度上Slope-HRU景觀指數和產沙狀況存在明顯的區域分異規律，而且R值空間變異情況基本上與產沙量的空間變化規律相反，即R值呈現由南向北，由東向西遞增，而產沙量由南向北，由東向西遞減。R值與年產沙量在數值上呈顯著相關關系，相關系數為-0.60；再將Slope-HRU景觀指數與上文所選取的7個常用景觀格局指數相結合，構成新的綜合景觀指數，發現它們與子流域的產沙量耦合關系明確，均顯著負相關，相關系數絕對值范圍為0.43~0.63。

　　關鍵詞：延河流域；景觀格局；水文過程；水文響應單元；景觀指數

　　1引言

　　延河流域作為典型的黃土高原丘陵溝壑區，水土流失是最主要的生態環境問題，其生態環境治理能為整個黃土高原生態恢復重建提供典型范例；探討延河流域退耕還林(草)政策實施前后土地利用/覆被變化的特征，圍繞該流域水土流失這一核心生態問題，探尋土地利用/覆被變化引起的景觀格局變化對生態過程，尤其是泥沙輸送過程的影響規律，將自然環境條件與人類社會經濟發展以及歷史發展過程相互聯系，評價流域景觀格局變化對重要生態過程的影響，對流域綜合治理有重要的現實意義。

　　2研究區概況和數據處理

　　2.1研究區概況

　　延河發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，寶塔區平均海拔為958m，屬黃土丘陵溝壑區。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狀，干旱草本植物是植被的優勢種。延河水系為延安地區第二大水系，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，可以將流域相應劃分為上、中、下游三段區域：上、中游的分界是安塞縣的化子坪；中、下游的分界是寶塔區的甘谷驛。根據土地利用現狀分類系統，結合研究區土地利用現狀及其特點，將土地利用類型共分為8個一級土地類型(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、工礦及城鎮用地)、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數據來源

　　本文主要參考延安市地理志[14]等地理和歷史文本文獻[15]，數字高程數據DEM、統計據，2010年土壤類型圖、地形圖、地貌圖以及交通圖、行政圖等相關圖件，野外實地考察獲得的植被、水文、土壤分布、土地利用和退耕還林實施情況等資料；1956-2011年逐月實測氣象數據和1990-2010年水文站點的實測水文數據；本研究中選用的影像資料包括LandsatTM、LandsatETM+和SPOT4衛星遙感數據。其中，2010年為SPOT4數據，共9景，空間分辨率為20m。運用ERDAS9.2軟件，對2010年SPOT影像進行解譯，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據庫。

　　3研究方法

　　3.1SWAT分布式水文模型

　　SWAT模型是由美國農業部的農業研究中心研發的，是免費、開源的，是一種基于GIS基礎之上的分布式流域水文模型，在調參、徑流模擬、地表水、非點源污染計算、面源污染、數據構建、生態修復、作物生長、參數率定、敏感性分析、農業管理措施等方面都有著廣泛的應用。

　　3.2景觀指數選取

　　景觀指數可分為斑塊水平(Patch-Metric)、景觀類型水平(Class-Metric)和景觀水平(Landscape-Metric)等類型，本文應用景觀格局分析軟件FRAGSTATS4.1來計算景觀指數。因此，對所獲得景觀指數進一步做主成分分析。確定選取的景觀指數共有7個，即“獨立核心斑塊密度指數DCAD、回旋半徑指數GYRATE_SD、整體性(斑塊凝聚度)指數COHESION；香農均勻度指數SHEI、核心斑塊總面積TCA、周長面積分維指數PAFRAC、散布與并列指數IJI”。具體景觀指數表達式參見參考文獻[17-18]。

　　4結果分析

　　4.1HRU劃分和定義

　　本研究根據延河流域地形、土壤、土地利用和水土流失的實際情況，水文響應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/覆蓋數據和土壤數據導入模型，參數選取結果如下：(1)主要參數設定：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定為，土地利用類型數據最小面積比例為5%，土壤類型數據最小面積比例為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(坡度按百分比)，設置坡度系數：“slopeclass1”為0~10%、“slopeclass2”為10%~30%、“slopeclass3”是大于30%。將坡度如此劃分的依據是：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沙量。為驗證結果的準確性，將實測的資料分為兩部分，一部分用于校準模型，而另一部分用于模型的驗證。本研究方案將選擇1990-2010年甘谷驛水文站的徑流數據對SWAT模型進行參數率定和驗證。其中選擇1990-1999年為參數率定期，而以2000-2009年的徑流數據進行結果驗證。模型根據徑流參數的相對敏感性，不斷調整參數的取值范圍，期望得到一組合適的參數，以求達到較好的模擬效果。1990-1999年逐月的實測日均徑流量跟模擬值周期分布接近，相關性較好(圖2和圖3)，相關性系數R2為0.834；說明模擬值與實測值接近，且相關程度高，可信賴。從圖中可以看出，2000-2009年的徑流量模擬結果好，與實測值的相關性和誤差都在接受范圍之內。相關性系數R2為0.819，表明實測值和模擬值的相關性較高；模擬精度高，模擬結果可信賴。

　　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，二者成反相關關系。源匯景觀格局指數將景觀類型、面積、地形、土壤類型等信息進行集成，考慮了水文過程的部分機制，具有跨尺度性，可以適合于不同面積、氣候、地形特征的流域。源匯景觀格局指數是一個相對值，適合于環境背景相似的流域，如果環境背景差異較大的不同流域之間進行比較，可能指數不具可比性[22-23]，需要考慮進來其它環境因子。源匯景觀指數的構建具有開放性，可以將其它空間屬性和指標加以引進[24-25]，也會增加該指數的模擬精度，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的景觀格局指數，綜合評價源匯景觀指數的準確性。

　　(2)本文著力構建“流域—子流域—景觀單元”三級系統，將水文響應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。格局是過程發生的基礎，過程促使格局形成與演變。定義水文響應單元遵循地理要素綜合分析原則，將影響水文過程的重點地理要素與水文響應單元的劃分緊密結合起來。也就是說，水土流失是由地形、植被、土壤、氣候、人類活動等綜合影響的，劃分景觀單元要綜合考慮這些因素。達到景觀單元與水文過程單元意義相同目的。定義“源/匯”景觀水文響應單元時所采用的因素中，要著重考慮穩定的地理要素，如土壤屬性、坡度等短期內不會發生變化者，同時土地利用方式是一個綜合指標，它能有效的反映出人類活動的影響。延河流域被劃分為41個子流域，各子流域由眾多水文響應單元組成，在水文響應單元柵格數據基礎上，依據水土流失“源/匯”理論，本文構建了延河流域的一個“源—匯”景觀格局指數，即“地形—水文響應單元(Slope-HRU)景觀指數”。并與子流域的徑流量、產沙量進行相關性分析，評價“地形—水文響應單元(Slope-HRU)景觀指數”對水文過程的表征能力和適用性。雖然該指數與產沙量之間有顯著相關性，但它與徑流量之間沒有相關性，因此進一步深入分析該指數與水文過程的互動機制依舊難度很大，如何將流域空間上的景觀格局與監測點的數據聯系起來是景觀生態學家長期比較困惑的問題，加上研究尺度的變化，正確合理地評價景觀格局與生態過程之間的關系仍然存在較多問題需要繼續探索，例如，景觀格局對土壤侵蝕過程的作用機理、人文社會驅動力對“景觀格局—水文過程”系統的作用效果和改善途徑等尚需繼續深入研究。

　　6結論

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

　　(2)本文首次嘗試將水文響應單元(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、地形坡度等幾個要素區分、定義和命名水文響應景觀單元(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個景觀指數來研究水文響應單元(HRU)的空間格局特征。景觀指數與徑流量的相關系數很小，全部不能通過顯著性檢驗。但除了TCA和IJI外其他五個景觀指數與產沙量之間有顯著相關性，相關系數絕對值基本介于03~0.5之間。

　　參考文獻(References)

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　　李晶,周自翔