基于水土流失風險的流域景觀格局識別方法研究

張桐艷，賀敬瀅，李光錄，朱首軍，周茂玲

（1.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌712100；2.洋縣水土保持工作站，陜西 洋縣723300）

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

丹江河流域位于東經(jīng)109°30′—112°00′，北緯32°30′—34°10′。河流自西北至東南，地勢東低西高，海拔為600～1 200m，丹江在陜西省境內(nèi)的流域面積為7 510.8km2，多年平均徑流量為18.9億m3。丹江流域地勢由西北向東南降低而敞開，有利于低空東南暖濕氣流向該區(qū)域內(nèi)侵入，所以具有亞熱帶氣候和暖濕帶氣候特點。年平均氣溫由北向南、由西向東遞增。多年平均氣溫為11～14℃，丹江流域降水量受氣候和地形的影響，降水分布極不均勻，年降水量隨地形高度增加而遞增，因而山地為多雨區(qū)，河谷及附近川道為少雨區(qū)。該流域年平均降水量為743.5 mm，多年平均徑流量為8.2億m3，受季節(jié)性氣候變化的影響，徑流的年內(nèi)分配不均，枯水期河水主要靠地下水補給。土壤主要有黃棕壤、棕壤、黃褐土和水稻土。生物資源豐富，共有3 000多種，各類樹種2 100余種，地帶性景觀以落葉—常綠闊葉混交林，落葉闊葉—針葉混交林為主，動物近800種［11］，森林覆蓋率高達50%。

1.2 研究方法

1.2.1 “源—匯”景觀的確定 在景觀生態(tài)學中，“源”景觀和“匯”景觀的區(qū)分，應結(jié)合具體的過程進行分析，“源”景觀是指在格局與過程研究中，那些能促進生態(tài)過程發(fā)展的景觀類型；“匯”景觀是那些能阻止和延緩生態(tài)過程發(fā)展的景觀類型。然而，由于“源”、“匯”景觀是針對生態(tài)過程而言，在識別時，必須和待研究的生態(tài)過程相結(jié)合。只有明確了生態(tài)過程的類型，才能確定景觀類型的性質(zhì)［12］。本文以水土流失過程來確定景觀類型。流域內(nèi)一些景觀類型在降雨過程中產(chǎn)生大量的地面徑流，土壤流失嚴重，在流域中起到了“源”作用，如農(nóng)田、居住用地、裸地，因此可以認為是一種“源”景觀類型；對于許多自然景觀類型，由于樹根深而交錯盤結(jié)，固土能力強，可以防止土壤流失，在一定程度上具有坡面截留作用，減少地面徑流，在流域中起到了“匯”的作用，如林地、灌木林地和草地，因此，可以認為是一種“匯”景觀類型。同時一些景觀（比如河流水體）起到了傳輸?shù)淖饔茫?］。

地形被認為是影響流域水文過程的重要因素，尤其是坡度對流域的水、沙輸移具有重要的影響［13］。本文利用坡度因子判斷流域的“源”“匯”景觀格局，對于研究一個流域水土流失形成的危險性具有重要意義。如果流域中“源”景觀單元分布的坡度越小，“匯”景觀單元分布的坡度越大，流域會產(chǎn)生較少的水、沙輸出，發(fā)生水土流失的風險就?。环粗?，如果流域“源”景觀單元分布的坡度越大，“匯”景觀單元分布的坡度越小，并有較多的“源”集中分布，而缺乏“匯”的滯蓄作用，流域?qū)休^多的水、沙輸出，發(fā)生水土流失的風險就大［14］。

1.2.2 景觀格局指數(shù)的構(gòu)建 陳利頂［10］提出借用洛倫茲曲線理論來確定“源”、“匯”在空間的分布格局。洛倫茲曲線最早是用來描述不同人群的財富分布的一種曲線，它實際上刻畫的是某一因素在遞增過程中，另一個與其相關的變量的累積過程。本文以坡度作為一個景觀空間分布因素，構(gòu)建不同景觀類型在坡度遞增過程中累積的曲線（圖1）。從圖1看出，O（0，0）表示0坡度，C點表示流域最大坡度，橫坐標OC表示坡度的遞增過程，縱坐標OA表示與坡度對應的景觀類型的面積累積（取值范圍0～1）。OEB表示的是絕對平均分布曲線，如果“源”、“匯”景觀均勻分布在流域中，那么將會出現(xiàn)OEB的分布曲線，在這種情況下，如果“源”“匯”景觀在流域中的比例相同，同時假設他們單位環(huán)境效應相同，那么這種流域景觀格局的環(huán)境效應在理論上處于正負平衡狀態(tài)。如果“源”“匯”景觀在空間上分布不均勻，如ODB、OFB（ODB、OFB分別表示源、匯景觀類型隨坡度增加的面積累積曲線）曲線所示，在坡度上的分布情況可以用各景觀類型面積曲線與直線OC、CB組成不規(guī)則三邊形的面積來判斷。如果曲線呈凸型并且接近于A點，表示該景觀類型在空間分布上主要分布在緩坡度范圍，它們對流域水沙輸移過程的作用相對較小，此時該曲線與直線OC、CB構(gòu)成的不規(guī)則多邊形的面積較大；當曲線呈凹型并接近于C點時，則表示該類景觀主要分布于坡度較陡的地帶，它對水、沙輸移的作用相對較大，此時該曲線與直線OC、CB構(gòu)成的不規(guī)則多邊形的面積較小。對于任何一個流域都可以得出每一種景觀類型空間分布的累積曲線。以每一種景觀類型的0坡度分布（OAB）為標準，衡量其實際坡度空間分布，可以構(gòu)建出景觀坡度指數(shù)：

式中：LSI——某一景觀類型的坡度指數(shù)；SOFBC——某一景觀面積累積曲線構(gòu)成的不規(guī)則多邊形面積；SOABC——如果該景觀全部分布在0坡度時的面積累積曲線構(gòu)成的不規(guī)則多邊形面積。LSI的值越大，表示景觀類型分布的坡度越大，對水土流失的風險越大。

圖1 “源”“匯”景觀空間分布示意圖

如果從不同景觀類型的“源”“匯”作用來考慮，可以將各種景觀類型劃分為對水土流失過程起到“源”作用和起到“匯”作用兩類，構(gòu)成“源”“匯”景觀空間對比指數(shù)，其可表示為：

式中：LCI——景觀負荷對比指數(shù)；SODBC——源景觀面積累積曲線構(gòu)成的不規(guī)則多邊形面積；SOFBC——匯景觀面積累積曲線構(gòu)成的不規(guī)則多邊形面積；對于坡度來說，LCI的值越大，表明源景觀分布在坡度較小的地方，水土流失的風險較低。

上面僅僅討論了“源”“匯”景觀類型的流域景觀格局指數(shù)，實際上不同景觀類型對水土流失的貢獻差異較大。為了客觀準確地比較它們在水土流失過程中的作用，需要對不同景觀類型進行標準化處理。對此可以選擇一種標準的“源”“匯”景觀類型，通過比較，可以對其他景觀類型賦予一定的權(quán)重［15］。為客觀的評價景觀類型在水土流失過程中的作用，從影響水土流失的影響因素（坡度、植被覆蓋度與土地利用類型）來作為改進景觀格局指數(shù)的依據(jù)。由此公式（2）可以改進為：

式中：LCIx——第x個子流域景觀負荷對比指數(shù)；SiODBC，SjOFBC——第i種“源”景觀和第j種“匯”景觀在洛倫茲曲線圖中面積累積曲線組成的不規(guī)則多邊形面積；wi，wj——第i種“源”景觀和第j種“匯”景觀的地面覆蓋度；PCi，PCj——第i種“源”景觀和第j種“匯”景觀在流域中所占的百分比。對計算結(jié)果取對數(shù)主要是為了控制LCI的變化范圍；取對數(shù)后，LCI的值將在0左右變化。當LCI的值為0時，表示“源”“匯”景觀在流域尺度上處于均勻分布狀態(tài)，這種格局在各個坡度上相平衡；當LCI的值大于0時，表明流域內(nèi)“源”景觀在坡度上要大于“匯”景觀，該流域水土流失風險較??；當LCI的值小于0時，表明“匯”景觀在坡度上要大于“源”景觀，該流域水土流失風險較大。在理論上，LCI的值越大，流域水土流失風險越小，反之越大。

1.2.3 景觀格局指數(shù)的計算 應用國家科學數(shù)據(jù)服務平臺數(shù)據(jù)庫中2007年夏季的丹江流域TM影像作為數(shù)據(jù)源，由專家通過計算機屏幕進行人工解譯，形成1∶5萬比例尺成圖標準的數(shù)字化土地利用／土地覆被專題地圖［16－17］。地形數(shù)據(jù)采用中國科學院地理與資源研究所提供的1∶25萬地形。在地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS支持下建立丹江流域數(shù)字高程模型（DEM），在此基礎上生成流域坡度圖，并將丹江流域劃分為9個子流域［18－19］。將丹江流域土地利用數(shù)據(jù)與坡度數(shù)據(jù)疊加，統(tǒng)計每個子流域不同土地利用類型的坡度分布數(shù)據(jù)，并繪制每個集水區(qū)每種土地利用類型的洛倫茲曲線，采用積分計算每種土地利用類型的洛倫茲曲線多邊形面積，得出每個集水區(qū)每種土地利用類型的景觀坡度指數(shù)。歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是根據(jù)植被反射波段的特性計算出來的反映地表植被生長情況、覆蓋情況、生物量情況和植被種類情況的間接指標，被廣泛應用于植被覆蓋的定量研究，研究認為植被覆蓋程度對水土流失有重要的影響，所以本研究NDVI值來自 TM 2004—2009年夏季數(shù)據(jù)［20］（表1），從而得到景觀空間負荷對比指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀組成結(jié)構(gòu)分析

表2所示丹江流域陜西境內(nèi)9個子流域土地利用類型組成結(jié)構(gòu)，由表1可以看出，流域分為南、北兩岸，丹江流域上游北岸板橋河子流域土地利用以中低覆蓋度草地和耕地等水土流失的“源”景觀所占比例較大，二者合計共占流域總面積的50%以上，其它類型所占比例較?。粫雍屠暇幼恿饔蛑饕浴皡R”景觀為主，土地利用類型以森林、果園和高覆蓋度草地的“匯”景觀所占面積比例較大。流域上游南岸南秦河子流域的“匯”景觀類型面積大于“源”景觀類型面積。處于流域中下游北岸的清油河、武關河和湘河等子流域土地利用以森林和高覆蓋度草地等“匯”景觀所占比例達到50%以上，說明在這些子流域中，“匯”景觀面積大于“源”景觀面積。流域中下游南岸主要有縣河和銀花河兩個子流域，縣河子流域中“源”景觀面積大于“匯”景觀面積，“源”景觀主要以耕地為主；而銀花河主要以“匯”景觀占主導地位，土地利用類型以果園為主（表2）。

表1 丹江流域土地利用類型的植被指數(shù)

表2 丹江流域土地利用類型組成

2.2 景觀格局坡度分析

景觀坡度指數(shù)是把景觀空間分布與地形平坦狀況結(jié)合起來，描述景觀地形空間分布格局的一個重要指標。

表3所示為丹江流域各子流域不同土地利用類型的景觀坡度指數(shù)，耕地和居住用地一般分布在地勢平坦的河川谷道地，河谷比較開闊，河灘較多，是農(nóng)田的主要分布區(qū)。森林、灌叢、疏林地、高覆蓋度草地等一般分布在坡度相對陡峭的峽谷地帶，一般景觀坡度指數(shù)都在3.0以上。其中，板橋河、南秦河流域疏林地坡度指數(shù)最大，對水土流失影響較大；會峪河、老君河流域景觀坡度指數(shù)在1～3，在各個坡度上各類景觀分布較為均衡；清油河流域中灌叢林地坡度指數(shù)達到最大，灌從林地主要位于清油河河源至兩岔段的峽谷地段；武關河除了河口有較大片耕地外，其它河段全部為峽谷，因此武關河流域各景觀分布較為均衡；湘河流域花子潭至對窩坪段，河峽深切，谷坡陡峭，低覆蓋草地主要分布在此段，景觀坡度指數(shù)最大?？h河流域景觀坡度指數(shù)整體較低，銀花河流域除了耕地和居住用地外，景觀坡度指數(shù)整體較高。

2.3 景觀“源－匯”負荷對比分析

景觀空間負荷對比指數(shù)反映的是“源”、“匯”在空間上分布的相對性，計算出的指數(shù)越大，意味著該流域發(fā)生水土流失的危險性越小，因此，該方法在水土流失危險性評價中具有重要參考價值。丹江流域由于受自然環(huán)境的限制及人類活動的干擾，各個子流域土地利用景觀空間負荷對比指數(shù)差異很大。從表3和圖2可以看出，板橋河和清油河子流域景觀空間負荷對比指數(shù)大于0，表明流域內(nèi)“源”景觀在坡度上要大于“匯”景觀，該流域水土流失風險較小，這兩個子流域雖然地處山區(qū)地帶，地形陡峭，坡度較大，但流域的主要土地利用類型是地表覆蓋度很好的森林和高覆蓋度草地等水土流失“匯”景觀，而耕地和人類活動干擾產(chǎn)生的低覆蓋度草地等“源”景觀主要分布于流域的下游坡度較小的平地，子流域內(nèi)“匯”的作用大于“源”的作用，所以這兩個子流域水土流失風險相對低；南秦河與銀花河子流域景觀空間負荷對比指數(shù)小于0，但大于負0.1，表明“匯”景觀在坡度上要大于“源”景觀，該流域水土流失風險相對較大，子流域上游一般為植被覆蓋相對比較好的森林、疏林和灌叢等“匯”景觀類型，但由于人類過渡的土地開發(fā)利用，流域中、下游土地利用類型多為耕地和中、低覆蓋類型草地等“源”景觀，“源”、“匯”景觀在流域內(nèi)分布不均衡，導致這些子流域處于水土流失中風險區(qū)；會峪河、老君河、武關河、湘河、縣河子流域景觀空間負荷指數(shù)小于負0.1，說明這些流域處于水土流失高度風險區(qū)，“源”景觀坡度指數(shù)較大，地面覆蓋程度較低，以耕地和中、低覆蓋度草地等源景觀類型，由于受地形影響主要分布于坡度相對陡的谷坡，所以景觀空間負荷對比指數(shù)很小。

表3 丹江流域各子流域植被景觀格局數(shù)量特征

圖2 丹江流域水土流失景觀風險區(qū)

3 結(jié)論

丹江流域是南水北調(diào)中線工程的水源區(qū)，為保證京津唐地區(qū)的水質(zhì)安全，應降低水源區(qū)水土流失風險，減少非點源污染。流域水土流失過程是多種因素共同作用的結(jié)果，包括氣候因子、地形因子、植被因子和人類干擾作用等方面。流域上游區(qū)域除了板橋河子流域的景觀空間負荷對比指數(shù)大于0，該子流域土地利用以中低覆蓋度草地和耕地等水土流失的“源”景觀所占比例較大，屬于水土流失低風險區(qū)；其余流域（會峪河、老君河、南秦河）的景觀空間負荷對比指數(shù)都小于0，流域內(nèi)“源”景觀分布的坡度較大，因此流域處于水土流失高度風險區(qū)。流域下游區(qū)域除了清油河景觀空間負荷對比指數(shù)大于0，其余流域（武關河、湘河、縣河、銀花河）景觀空間負荷對比指數(shù)都小于0，尤其流域北岸的武關河和湘河指數(shù)達到最小，表明流域內(nèi)“匯”景觀坡度指數(shù)較大，發(fā)生水土流失的風險較高，子流域上游一般為植被覆蓋相對比較好的森林、疏林和灌叢等“匯”景觀類型，但由于人類過渡的土地開發(fā)利用，流域中、下游土地利用類型多為耕地和中、低覆蓋類型草地等“源”景觀，“源”、“匯”景觀在流域內(nèi)分布不均衡，導致這些子流域存在一定程度的水土流失風險。

本文通過比較研究不同景觀類型在水土流失過程中的作用，借用洛倫茲曲線的理論和方法，通過比較不同“源”、“匯”景觀類型對生態(tài)過程的貢獻進行賦值，在此基礎上，提出了“源”“匯”景觀空間負荷對比指數(shù)，利用坡度因子判斷流域的“源”“匯”景觀格局的合理性，指數(shù)的大小可以反映景觀空間格局對生態(tài)過程的影響。該模型充分考慮了格局與過程的關系，從而為研究景觀格局與生態(tài)過程提供了一個新的思路。

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