渭河源流域源匯景觀演變對徑流泥沙的影響

周添惠,楊 磊,趙方凱,李旭春,鄧居禮,李 敏,黃 勇,段興武

1 云南大學國際河流與生態(tài)安全研究院, 昆明 650500 2 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 3 甘肅省定西市水土保持科學研究所, 定西 743000 4 甘肅省定西水文水資源勘測局, 定西 743000

源匯景觀格局分析方法將景觀格局與生態(tài)過程有機結合,可用于定量表征不同景觀類型及其空間配置對特定生態(tài)過程的影響[1—2],是目前景觀生態(tài)學的一個核心研究議題。近幾十年來黃土高原地區(qū)大規(guī)模退耕還林還草工程的實施,使得地表景觀發(fā)生了顯著變化。遙感數(shù)據(jù)表明,從1980年至2020年黃土高原地區(qū)農(nóng)田面積減少了11.43%,而森林面積增加了58.18%[3—5]。這一景觀演變過程也帶來了徑流泥沙“源”和“匯”功能的變化,如植被恢復使得匯景觀面積不斷增加,改變了地表產(chǎn)水、產(chǎn)沙過程[6—7],從而使得地表徑流及泥沙負荷呈現(xiàn)顯著下降趨勢[8—11]。黃土高原地區(qū)土地利用對水土流失過程的影響已經(jīng)開展了大量的工作,研究表明坡面、流域、區(qū)域尺度不同景觀配置均能影響水土流失過程[9,12]。通過景觀格局指數(shù)來反映景觀配置信息,并通過其變化來表征水土流失演變特征已經(jīng)做了比較多的嘗試。例如,王計平等[13—14]分別通過類型水平和景觀水平的格局指數(shù)探討了其對河口-龍門區(qū)間徑流泥沙的表征,也有研究發(fā)現(xiàn)景觀多樣性、聚集度及蔓延度是土壤侵蝕及產(chǎn)沙過程的主要影響因子[10,15—16]。然而,景觀格局指數(shù)難以建立和具體生態(tài)過程的定量關系。對水土流失過程而言,徑流和泥沙在空間上的“源”和“匯”由景觀類型及其空間位置決定,并且受到海拔、坡度及傳輸距離等因素的影響[17—18]。源匯功能景觀沿著水土流失過程發(fā)生和傳輸方向上的空間配置能夠影響流域內(nèi)的產(chǎn)流和產(chǎn)沙過程。一方面源匯景觀格局本身具有明顯的時空異質(zhì)性,不同時間源匯景觀格局的演變對水土流失的影響仍需要從過程上予以明確；另一方面,源匯景觀格局對哪些水土流失過程具有更為顯著的影響還需要進一步地識別,比如源匯景觀演變對流域洪峰流量及河道徑流含沙量的作用尚需要進一步的探討。此外,降水是驅動地表產(chǎn)流及侵蝕時空分異的關鍵因素之一[19—21],不同降雨條件下景觀配置對產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響存在明顯差異[22],并且也有研究表明降水的變化能夠顯著改變源匯景觀負荷比與土壤侵蝕量的相關性[23]。因而,探討降雨與源匯景觀演變耦合驅動下的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程,對建立景觀格局演變與水文響應的定量關系具有重要意義。

本研究基于源匯景觀模型,以黃土高原和西秦嶺土石山區(qū)交界的渭河源為例,分析流域源匯景觀格局演變特征與徑流和泥沙的關系,定量表征降水和源匯景觀格局對產(chǎn)流產(chǎn)沙的相對影響,以期為黃土高原植被恢復的空間格局優(yōu)化和流域管理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)及方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省定西市渭源縣的渭河源流域(34°57′N—35°9′N, 104°1′E—104°14′E),面積114.3 km2。流域為黃土高原和西秦嶺山地、青藏高原的交界地帶,海拔2076—3480 m,北部為典型的黃土丘陵區(qū),南部為土石山區(qū),屬西秦嶺山地(圖1)。流域為溫帶大陸性氣候,多年平均降水量512 mm,潛在蒸發(fā)量1119 mm,平均氣溫6.8℃,極端最高氣溫30.5℃,極端最低氣溫-20.1℃,無霜期166 d。流域內(nèi)黃土丘陵部分人口較為密集,且地形破碎、溝壑縱橫,水土流失嚴重,植被覆蓋以農(nóng)作物、天然荒草、油松及人工種植的旱柳等為主。相比而言,土石山區(qū)則較為陡峭,無人口定居和農(nóng)業(yè)活動,植被覆蓋以高山草甸、天然灌木和喬木為主,是重要的水源涵養(yǎng)區(qū)。

圖1 研究區(qū)位置及地形特征 Fig.1 Location and topographical features of study area

1.2 徑流泥沙監(jiān)測和遙感解譯

在渭源水文站對研究區(qū)每日徑流量、含沙量、洪峰流量以及降雨量進行長期定位監(jiān)測,本研究徑流泥沙的監(jiān)測時間為1982—2017年?；诂F(xiàn)場野外調(diào)查,并通過監(jiān)督分類的方法對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系列不同傳感器遙感影像進行解譯,并與Google Earth結合對解譯結果進行校正,分別得到相應年份土地利用數(shù)據(jù)。Landsat MSS影像分辨率為60 m,Landsat TM、ETM+和OLI影像分辨率為30 m?；谘芯繀^(qū)土地利用特征,將土地利用分為農(nóng)田、城鎮(zhèn)、林地、草地、草甸、水域 6種類型。

1.3 源匯景觀分析

應用中國科學院生態(tài)環(huán)境中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室開發(fā)的源匯景觀模型(Source Sink Landscape Model, SSLM)進行源匯景觀格局分析,源匯景觀模型是基于ArcGIS開發(fā)的分布式評價模型[24—25]。模型的輸入數(shù)據(jù)主要包括DEM和土地利用,需要根據(jù)具體研究的生態(tài)學過程確定源景觀和匯景觀的類型及其權重。源匯景觀模型可以根據(jù)景觀類型及其所處的海拔、坡度和距離,繪制不同景觀在海拔、坡度和距離上分布的洛倫茲曲線,并分別計算海拔負荷比(LWLIE)、坡度負荷比(LWLIS)和傳輸距離負荷比(LWLID),最終計算得出源匯景觀負荷比(Location-Weighted Landscape Index, LWLI)[17,24—25],這些指標可用于評估不同格局特征對生態(tài)過程的影響。LWLI越大流域發(fā)生水土流失的風險越大,而LWLIE、LWLIS和LWLID的比較意義在于衡量相同或相似的景觀斑塊分布在不同海拔、坡度和傳輸距離上對水土流失影響的程度。對水土流失過程而言,農(nóng)田是產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要景觀類型,因而本研究將農(nóng)田定義為源景觀,草地、草甸和林地植被覆蓋良好,在產(chǎn)流和泥沙遷移中一般承擔著匯的作用。由于不同源景觀和匯景觀對徑流泥沙的產(chǎn)生和阻滯作用不同,因而不同源景觀和匯景觀的權重存在差異(表1)[26],另外由于水域一般承擔著流景觀的作用,不在產(chǎn)流產(chǎn)沙過程中發(fā)揮源或者匯的功能,因而本研究暫不考慮水域的作用。

表1 源匯景觀類型及權重

1.4 統(tǒng)計分析

采用Pearson相關分析探討徑流泥沙與源匯景觀負荷比、景觀組成及降雨量之間的關系。為明確源匯景觀格局特征對徑流泥沙的作用,根據(jù)信息理論方法(Information theoretic approach, ITA)確定源匯景觀負荷比和降雨量對徑流量、洪峰流量及含沙量的相對重要性(Relative variable importance, RVI)[27]。Pearson相關分析和ITA分析在R 4.0.2中分別采用corrplot、MuMIN包實現(xiàn)。

2 結果與討論

2.1 流域源匯景觀演變特征

圖2表明1982—2017年研究區(qū)農(nóng)田面積逐漸減少,草地、林地和城鎮(zhèn)面積逐漸增加,其中城鎮(zhèn)出現(xiàn)不同程度的擴張,相比而言,草甸和水域面積變化較小。由圖2和圖3可以看出,研究區(qū)農(nóng)田面積變化最大,由1982年的60.45%減少到2017年的37.77%,且在1995—2010年間明顯減少；而草地和林地這一時期的面積增加較為明顯,分別從1.17%和30.67%增加至11.82%和37.50%；城鎮(zhèn)面積在1982—1995年間增長緩慢,2000—2017年間擴張明顯,由2.98%增長至5.61%。從圖2可以明顯看出,研究區(qū)景觀演變主要集中在黃土丘陵區(qū),大面積減少的農(nóng)田主要轉化為草地和林地,黃土丘陵區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)面積也有較大幅度的擴張；相比而言,這一時期內(nèi)屬西秦嶺山地的土石山區(qū)沒有明顯的景觀變化。

圖2 1982—2017年渭河源區(qū)土地利用變化Fig.2 Land use change in source of Weihe River from 1982 to 2017

針對產(chǎn)水產(chǎn)沙過程的“源”、“流”和“匯”功能景觀演變可以看出,研究區(qū)源景觀面積在1982—2017年間逐漸減少,匯景觀面積則逐漸增加,流景觀沒有明顯的變化。源匯景觀模型計算表明,這一時期研究區(qū)源匯景觀負荷比隨時間的推移呈下降趨勢,從0.49降為0.26,其中,1982—1995年和2010—2015年變化較小,而1995—2010年出現(xiàn)較為明顯的下降(圖3),這一變化和源景觀面積的變化趨勢一致,與匯景觀的變化趨勢相反。由圖2可知,研究區(qū)內(nèi)屬西秦嶺山地的景觀變化不明顯,西秦嶺山地地勢陡峭、土層淺薄[28],不適宜發(fā)展農(nóng)業(yè)耕作,因而作為水源涵養(yǎng)區(qū)在研究期間內(nèi)一直作為匯景觀存在。相比而言,研究區(qū)源匯景觀功能的演變主要發(fā)生在黃土丘陵區(qū),尤其是這一地區(qū)自1999年以來實施的退耕還林還草工程[29],促使流域源匯景觀結構向土壤保持的方向演進,使得LWLI下降,成為源匯景觀功能演變的主要驅動因素。LWLIE、LWLIS及LWLID同樣表現(xiàn)出減小趨勢(圖3),表明研究區(qū)源匯景觀不僅在組成上趨于合理,在空間分布上也逐漸趨于合理,使得水土流失的風險逐漸降低。LWLIE降低了58%,相對于 LWLID(42%)和LWLIS(54%)的降低更為明顯,表明研究區(qū)內(nèi)源功能景觀向匯功能景觀的轉變主要集中于相對高海拔的地區(qū)。

圖3 研究區(qū)1982—2017年景觀組成及景觀負荷比指數(shù)變化Fig.3 Changes of landscape proportion and Location-Weighted Landscape Index from 1982 to 2017

2.2 流域年徑流量和泥沙量的時間變化

為探討源匯景觀格局演變與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關系,本研究將1982—2017年的降水量、徑流量、洪峰流量和含沙量做年平均,代表年徑流量和泥沙量的演變情況。從圖4可以看出,1982—2017年研究區(qū)降水量有較為顯著的年際波動,但沒有明顯的增加或降低趨勢。年徑流量的波動變化與降水量較為一致,但總體上呈減少的趨勢(R2=0.16,P<0.05)；其中1982—2000年下降較為明顯,2000年之后呈現(xiàn)波動變化。比較特殊的是最大年徑流量為1984年的43.25×106m3,而當年降水量為600.6 mm,這主要與當年降雨特征有關。洪峰流量在1982—2017年隨著時間的推移呈下降趨勢(R2=0.30,P<0.01),從1982年的54.8 m3/s下降為2017年的2.27 m3/s。與徑流量不同,1982—2000年洪峰流量沒有顯著的年際變化,而在2000年之后下降趨勢較為明顯(R2=0.24,P<0.05)。徑流含沙量與洪峰流量的變化較為相似,隨著時間的推移呈波動下降(R2=0.41,P<0.01),1991年出現(xiàn)最大含沙量15.90 kg/m3,2015年出現(xiàn)最小含沙量0.23 kg/m3。含沙量與徑流量的變化特征在2000年之前較為相似,而在2000—2017年則表現(xiàn)出相反的趨勢,與洪峰流量表現(xiàn)出一致的下降趨勢(R2=0.25,P<0.05),這表明匯景觀的增加有效提升了流域的調(diào)水保土功能。有類似研究也表明黃土高原地區(qū)植被重建面積比例與徑流減少量存在顯著的正相關關系[8]。研究區(qū)2000—2005年間林地和草地面積分別增加2.38%和4.10%,LWLI下降了13.97%,源匯景觀格局的優(yōu)化使得徑流泥沙量驟減1.12 kg/m3。值得注意的是,研究區(qū)1982—1995年間泥沙含量呈波動下降趨勢,但LWLI較為穩(wěn)定,這主要是由于徑流泥沙減少的主要影響因素在不同時期存在差異,1982—1995年研究區(qū)黃土丘陵部分水土保持以梯田建設等工程措施為主,而2000年后則以植被恢復與人工植被重建為主,黃土高原其他地區(qū)徑流泥沙的減少也同樣存在這一現(xiàn)象[30-31]。

圖4 1982—2017年流域降水量、徑流量、泥沙量變化趨勢 Fig.4 Changes of annual precipitation, runoff and sediment from 1982 to 2017

2.3 景觀格局演變對徑流和泥沙含量的影響

圖5可以看出,LWLI、LWLIE、LWLIS及LWLID都與含沙量呈顯著的正相關關系,表明源匯景觀的時空分布能有效影響產(chǎn)流產(chǎn)沙過程,并且對其年際變化影響顯著；與之相反的是,年徑流量僅與降水量呈顯著正相關,表明研究區(qū)徑流量主要受到降水影響,與源匯景觀格局關系并不密切。含沙量與洪峰流量呈顯著正相關關系,二者均與農(nóng)田面積比例呈正相關,而與其他景觀類型(城鎮(zhèn)、林地、河流、草地、草甸)的面積比例呈負相關。洪峰流量與源匯景觀負荷比同樣呈較強的正相關關系,表明在長時間尺度上,洪峰流量及含沙量對源匯景觀組成及其格局具有顯著的響應。

圖5 徑流及泥沙含量與景觀特征的相關分析Fig.5 Correlation analysis between runoff, sediment and landscape features

通過定量表征降水和景觀格局對徑流量、洪峰流量及含沙量的相對重要性,以進一步揭示降水和景觀格局對產(chǎn)流產(chǎn)沙的耦合影響。由表2可知,僅降水量與河道徑流量顯著相關,并且相對重要性較高,而源匯景觀負荷比對徑流量的相對重要性較低,這與前面相關分析的結果一致,說明研究區(qū)徑流量的主要影響因素是降雨,源匯景觀格局并非主要影響因素。黃土高原長期監(jiān)測結果表明,1960—2010年間降雨和徑流均呈現(xiàn)一致的下降趨勢[9,32],同時森林景觀的擴張,也將導致徑流量的下降[8],但黃土高原區(qū)域尺度河川年徑流量的長期下降趨勢主要由降水量變化驅動[31]。本研究結果表明降雨對徑流量減少的貢獻度要高于源匯景觀格局的作用,與以上黃土高原其他地區(qū)的研究結果一致,這也主要由于研究區(qū)內(nèi)西秦嶺山地土石山區(qū)景觀未發(fā)生顯著的變化,源匯景觀功能的演變主要集中于黃土丘陵區(qū),因此流域內(nèi)上游地區(qū)較為穩(wěn)定的景觀格局對徑流年際變化的影響較弱。

表2 源匯景觀負荷比及降水對徑流和泥沙含量的相對重要性

有研究表明,長時間尺度上土地利用變化導致的景觀演變是影響流域水土流失的主要因素[33]。本研究同樣發(fā)現(xiàn),洪峰流量和含沙量與源匯景觀負荷比顯著相關,表明其受到海拔、坡度和傳輸距離綜合調(diào)控下的源匯景觀格局的影響,并且景觀格局對其的重要性高于降雨,這與徑流量的結果不同。其中,LWLIE和LWLID對洪峰流量及含沙量的影響次于LWLI,LWLIS的相對重要性最低,表明洪峰流量與含沙量受到海拔和傳輸距離的影響大于坡度。徑流泥沙輸移過程是從源景觀到匯景觀,由高海拔區(qū)域到低海拔區(qū)域,由遠區(qū)域到近區(qū)域,因此隨著源匯景觀格局隨海拔和傳輸距離的變化,流域內(nèi)土壤水蝕過程對源匯景觀時空格局具有明顯的響應特征。從圖2可以得知,研究區(qū)源匯景觀的演變主要發(fā)生在海拔相對較低和傳輸距離較近的黃土丘陵區(qū),盡管黃土丘陵區(qū)的坡度小于西秦嶺山地的土石山區(qū),其產(chǎn)流產(chǎn)沙能力要遠高于植被覆蓋度高且產(chǎn)沙能力低的土石山區(qū),在植被覆蓋和土壤可蝕性的綜合影響下,坡度對流域整體徑流泥沙輸移過程的影響較弱,因此本研究中海拔和傳輸距離對流域洪峰流量和含沙量的調(diào)節(jié)作用大于坡度,而沿海拔和傳輸距離分布的源匯景觀格局也顯著影響流域產(chǎn)流產(chǎn)沙過程。坡面尺度上的研究發(fā)現(xiàn),下坡位的農(nóng)田轉變?yōu)榱值睾筒莸匾部梢燥@著提高坡面保水保沙能力[34],源匯景觀配置能夠顯著調(diào)節(jié)坡面水土流失過程,進而可以影響流域河川徑流特征和泥沙含量,并且景觀格局對產(chǎn)沙過程的影響明顯大于其對產(chǎn)流過程的影響[22,35-36],這也進一步證實了流域源匯景觀格局對含沙量的影響要大于徑流量。

有研究表明傳輸距離負荷比能夠很好的反映土壤侵蝕過程對景觀格局的響應,源匯景觀沿傳輸距離的分布格局對徑流泥沙含量的貢獻率大于其沿海拔和坡度的分布格局[18],對傳輸距離較近并且海拔較低區(qū)域的源景觀(農(nóng)田等)和匯景觀空間布局進行調(diào)整可以有效改變降雨導致的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程[37]。還有研究表明,在不考慮降水影響的情況下源匯景觀負荷比與土壤侵蝕率和產(chǎn)沙率均存在顯著正相關,而在考慮降水影響的情況下,僅與輸沙率存在顯著相關性[23]。研究區(qū)2000年以前黃土丘陵區(qū)部分主要為源景觀,使得徑流產(chǎn)沙能更快的進入河道,因而這一時期泥沙含量較高。圖5也表明農(nóng)田作為源景觀與含沙量具有明顯的正相關,而林地及草地作為匯景觀則表現(xiàn)出明顯的負相關。2000年以后由于黃土丘陵區(qū)匯景觀比例的上升以及匯景觀向流域出口的趨近,增強了其對水土流失的攔截能力,使得洪峰流量和泥沙含量顯著減少。源匯景觀的空間優(yōu)化配置能夠顯著調(diào)節(jié)流域水土流失過程,影響徑流泥沙含量,但源匯景觀格局對流域徑流和泥沙含量的影響具有明顯的空間異質(zhì)性,仍然需要進一步深入探討。

3 主要結論

(1)渭河源流域1982—2017年源匯景觀結構變化明顯,源景觀面積比例逐漸下降,從60.49%降低至37.77%,尤其是1995—2010年間下降最明顯,而匯景觀面積比例逐漸上升,從35.98%增加至55.46%。研究區(qū)內(nèi)源匯景觀的演變主要發(fā)生在黃土丘陵地區(qū),西秦嶺山地土石山區(qū)沒有發(fā)生明顯的景觀演變。

(2)洪峰流量和泥沙含量在1982—2017年呈現(xiàn)顯著降低趨勢,而徑流量隨時間變化趨勢并不明顯。洪峰流量與含沙量主要受流域源景觀面積比例和LWLI及LWLIE、LWLIS、LWLID的影響,而徑流量僅與降水量存在相關關系。表明影響流域徑流和泥沙的主要因素不同,并且研究區(qū)內(nèi)黃土丘陵區(qū)的源匯景觀變化決定了流域整體的徑流和泥沙演變特征。

(3)基于信息理論方法的相對重要性分析表明,降雨對徑流量相對重要性高于源匯景觀格局,而源匯景觀格局對流域洪峰流量和含沙量具有較高的重要性,其中LWLIE、LWLID對洪峰流量及含沙量的影響均高于LWLIS,表明合理地調(diào)整傳輸距離和海拔的分布格局可以有效的調(diào)控徑流含沙量和洪峰流量。