五华河流域景观格局演变对径流泥沙的影响

徐炫清, 陈裕婵, 李青圃, 张正栋

(华南师范大学 地理科学学院, 广州510631)

水土流失是区域生态恶化的集中表现，在我国南方山地丘陵区，水土流失不仅会导致土壤肥力下降，还会引起滑坡、塌方、泥石流等次生地质灾害，故为实现我国南方山区的可持续发展，就必须关注和研究流域水土流失问题[1]。20世纪80年代，韩江上游梅江地区是广东省水土流失最严重的地区，黄文辉等通过逐个检测梅江流域水文测站的径流泥沙变化，发现梅江的水沙主要来自五华河[2]。大多学者在研究五华河流域的水土流失问题时指出气候、地形、土壤等自然因素是五华河流域水上流失的潜在因素，而人类不不合理活动是诱发严重水土流失的主导因素[3-6]。

河川径流能够反映流域的产流汇流状况，而河川泥沙则能体现流域的土壤侵蚀状况，故五华河的径流泥沙的变化不仅反映了河川的发展变迁，也间接反映了流域的水土流失状况[7]。人类活动通过逐步改变下垫面特性而引起土地利用方式的变化，再而导致流域景观格局的变化[8]，景观格局与生态水文过程的关系是景观生态学研究的重要内容[9]。不同土地利用景观对地表径流的截留、地表水分的蒸散发和土壤水分的下渗等过程的影响不同，由此便会带来不同的水文效应。在我国，景观格局的生态水文效应研究多集中在干旱半干旱区，如傅伯杰、王计平等以小流域为尺度，对黄土高原景观格局演变与流域径流泥沙变化的响应关系作了大量研究[10-14]，但学者对我国南方亚热带丘陵区景观格局演变与径流泥沙的响应关系研究较少，而此类问题的研究能进一步丰富景观生态学研究的应用领域。

本文从流域尺度上，用Mann-Kendall法和滑动t检验法等数理统计法分析1981—2013年五华河径流泥沙的年内年际变化趋势，再利用1991年、2000年和2011年3期Landsat TM遥感影像，运用景观指数法，从类型水平和景观水平分析五华河流域景观格局变化与径流泥沙的相关关系，旨在为流域的水土流失治理和生态规划决策提供科学依据。

1 研究区概况

五华河是韩江上游梅江的一级支流，发源于广东省龙川县迥龙镇东北面的亚鸡寨，北纬23°48′—24°26′，东经115°14′—115°46′，其支流主要有桥头水、鹤市河、潭下河和矮车河，于水寨汇入琴江，全长105 km，流域面积1 832 km2，流域内仅布设有1个水文站，即河子口水文站，该站设立于1981年，集水面积为1 031 km2，是流域中下游控制站，该站点水文数据完整，且时间序列较长，符合本研究的需求。五华站和龙川站为流域附近的国家气象站，气象数据源于中国地面气候资料，具有一定的代表性。流域为亚热带季风气候，多年平均温度为21.6℃，夏秋季节多吹东南风，降水丰沛，多年平均降水量为1 465.2 mm。流域内多山地、丘陵，海拔200～400 m，山坡陡峻，坡度较大。流域土壤类型主要有黄壤、赤红壤、红壤和紫色土，其中砂页岩赤红壤广泛分布在山坡地带，其土壤母质主要为花岗岩，风化壳松散深厚，含砂量大，紫色土主要分布在低丘陵区，颜色深，吸热性强，易受干旱，夏秋季节高强度的降水冲刷地表，易造成坡面侵蚀[4]。流域自然植被多为稀疏的马尾松—芒箕—岗松群落或马尾松—桃金娘—蔗鸪草群落[6]，还有一定面积的光板山，自然林面积较少，近20 a来经济林面积大增。

2 材料与方法

2.1 气象水文数据处理方法

采用五华站、龙川站提供的1981—2013年逐月气温、降水量数据，及河子口水文站提供的1981—2013年逐月径流量、逐月输沙量数据，分别用不均匀系数(Cr)和变差系数(Cv)描述径流泥沙的年内变化特征，用一元线性回归法、滑动平均法分析径流的年际变化趋势，最后利用Mann-Kendall法和滑动t检验法检测径流泥沙的年际突变点。

2.2 土地利用矢量图的制作和景观指数的选取

参考全国土地利用分类方法和韩江流域土地利用图，将五华河流域土地利用类型分为6种：林地，草地，耕地，建筑用地，水域和未利用用地。选取五华流域1991年、2000年和2011年的Landsat TM影像(包含7个波段，波段1—5和波段7的空间分辨率为30 m)，用ENVI软件对1991年、2000年和2011年三期五华河流域的Landsat TM遥感影像进行监督分类。参考前人在景观指数选取上的经验，结合流域实际情况，最终选取斑块个数(NP)、斑块类型面积(CA)、斑块密度(PD)、斑块面积变异系数(PSCV)、边缘密度(ED)、香浓多样性指数(SDI)、香浓均匀度指数(SEI)、景观边缘总长度(TE)、面积加权的平均斑块分维数(AWMPFD)、面积加权的平均形状指标(AWMSI)10个景观指数，并将三期景观指数进行对比，分析1990—2011年来五华河流域景观格局演变过程。

2.3 景观格局与径流泥沙响应关系探究

由于流域尺度上径流变化对土地利用格局的变化有一定的响应时间段，本文以3 a为响应时间，将1991年2000年和2011年流域景观格局的响应时段划分别定为：1992—1994年、2000—2003年、2011—2013年。选取能代表五华河径流泥沙年内年际变化的指标，包括年径流量，径流年内变差系数，年输沙量、输沙量年内变差系数，采用Pearson相关系数法对径流泥沙因子和景观指数作相关分析。

3 结果与分析

3.1 五华河流域1981-2013年径流泥沙时空变化特征分析

五华河径流的年内分布呈现明显的季风区特性，4—9月为汛期，其径流量占全年的72%，河川输沙量则主要集中在3—8月份。表1显示了3个响应时段内径流泥沙的年内变化特征。径流不均匀系数(Cr)可反映径流年内分布的均匀性，五华河径流三个时段的Cr值略有减小，但总体稳定在0.5附近，说明径流量年内分布趋于均衡。而河川输沙量的Cv值却有明显上升，说明输沙量年内分布不均匀性变大。

表1 描述五华河流域径流泥沙年内特征的指标

图1为五华河径流量线性模型和5 a滑动平均曲线，可看出1980年以来，五华河径流量略有下降趋势，但下降趋势不显著，其线性趋势模型为Xt=-0.32t+89.98。图2为五华河输沙量的线性模型和5 a滑动平均曲线，可看出1980年以来，五华河输沙量有明显下降趋势，其线性趋势模型为Yt=-2.28t+83.22(r2=0.52)。

图1 五华河径流量年际变化趋势分析

图2 五华河输沙年际变化趋势分析

进一步采用M-K法分析历年河川径流泥沙的变化趋势并寻找其年际变化的突变点，从图3可看出径流UF曲线总体小于0，|UC|=|-0.45|<1.96，说明径流量总体呈下降趋势，除了1988年和1989年下降显著性水平达到0.05外，其余年份下降趋势不显著。从M-K突变检验得出可能的突变点有8个年份，分别是1982年、1983年、1997年、1998年、2001年、2004年、2005年、2007年，经滑动t检验法检验，8个年份都不是突变年，说明五华河径流量的年际变化是一个缓慢的过程。

从图4可看出输沙量的UF曲线基本在0以下，说明80年代以来五华河输沙量总体呈下降趋势，1995年后UF曲线超出置信下限，表明输沙量下降趋势显著。UF与UB曲线在置信区间临界线附近有2个交点，分别是1994年和1997年，而经过滑动t检验法的检验发现，2个年份均不是突变点。

图3 五华河流域径流的Mann-Kendall统计量曲线

图4 五华河流域输沙量的Mann-Kendall统计量曲线

目前，多数研究认为河川径流泥沙的变化与流域气候变化密切相关，其影响因子包括气温、降水、极端天气等。从图5可看出五华河流域年平均气温、年降水量、年径流量与年输沙量间的曲线升降关系。首先，1981年以来流域气温保持稳定，气温与径流泥沙曲线变率的相关性较小。五华河主要的补给源是雨水补给，所以降水与径流时序保持一致，而年降水量、年径流量与年输沙量的极大值极小值出现的时间也基本一致，如1983年和2006年，三者同时出现极大值，另外1991年三者又同时出现极小值。五华河的含沙量主要来自流域的土壤侵蚀，强降水会加剧雨水对地表的冲刷，地表松散泥沙汇入河川导致河川含沙量的增大，故径流是河川输沙的主要动力。从变化趋势来看，1988年后年径流量和年输沙量间的差距逐年变大，说明1988年后径流减少并不是导致输沙量减小的主要因素。

3.2 1981-2013年五华河流域景观格局演变分析

利用ENVI软件对五华河流域1991年、2000年和2011年三期Landsat TM遥感影像进行监督分类，得到三期土地利用图。

图5 河子口水文站气象水文要素历年变化

在景观水平上对1991年、2000年和2011年流域土地利用景观格局进行分析，得到表2。

景观水平上，1991—2011年，五华河流域的斑块数量(NP)先增大后减小，但数值总体从30 856下降到26 933；斑块密度(PD)则先减小后增加，数值总体从0.17下降到0.15，说明流域内景观破碎度总体有下降趋势，即景观内部生境面积增加，景观连续性变好。而流域的PSCV值呈明显上升趋势，说明流域景观的斑块面积更分散，且斑块面积年际变率增大。从景观斑块边缘指数上看，景观的TE，MPE，ED值均有下降趋势，说明景观边缘异质性减小。从景观形状指数上看，流域景观的AWMSI值有明显上升，1991年AWMSI值为21.81，2011年上升为48.37，景观形状变得不规则，表明其受人类活动影响减弱。景观多样性指数的大小取决于景观所包含的景观类型的多少和各景观要素类型间面积的差异。1991—2011年，流域景观的SDI值从1.13下降到0.85，SEI值则从0.63下降到0.47，说明流域内景观类型丰度减小，这不利于景观物种的更新演替，究其原因，可能是近二十年来流域内推广种植经济林，导致植被类型的趋向单一。在类型水平上计算1991年、2000年和2011年流域不同土地利用类型的景观指数，得到表3。

表2 五华河流域1991-2011年景观格局指数分析

表3 1991-2011年五华河流域各景观类型水平景观指数变化

从面积指数上看，1991—2011年五华河流域面积最大的斑块类型是林地，其占流域总面积50%以上，其次为草地和耕地，未利用用地和水域面积较小，所占比例均在2%以下，故林地是五华河流域的景观基质。1991—2011年，流域林地、草地、建筑用地、耕地发生了明显的面积流转，流域林地覆盖率从54%上升到76%，草地所占比例则从29%下降到7%，结合土地利用图中景观斑块位置的变化，发现流域内的林地面积增加的部分主要是草地面积减少的部分。1991年流域内丘陵的山脊多为疏林地和草地，植被覆盖度较低，而2011年丘陵山脊植被覆盖度明显增加，多为灌木林和有林地。建筑用地占景观面积的比例从3%提高到6%，面积增加了5 668.02 hm2，说明流域的城镇建设用地增加。耕地面积在2000年以前有所增加，2000年后则有所减少，结合斑块位置判断，2000年以前，人类开垦耕地的力度较大，2000年后，部分耕地还原为草地，也有部分沿河耕地开发为建筑用地。

从斑块密度指数上看，1991—2011年林地的NP，PD和PSCV值逐年减小，说明林地的景观破碎度减小，林地斑块间发生了拓展与合并现象，林地内部生境面积增加，斑块面积的年际变化减小。草地的NP和PD值逐年增加，但PSCV值减小，说明其景观破碎度也逐年增大，草地主要镶嵌在林地和耕地间。耕地主要是沿河分布在河漫滩和山谷间，其NP和PD逐年增大，说明其景观破碎度有所增加，主要是在山谷间新增了较多斑块。建筑用地的NP和PD逐年增加，2011年流域内建筑用地呈现连片发展，在华城镇、双头镇、鹤市镇表现尤为明显。

从斑块边缘指数和形状指数上看，1991—2011年，林地TE和ED值变化不大，但其AWMSI值从32.54增加到63.28，说明林地斑块几何形状越来越复杂，景观受人类活动的影响变小。草地TE和ED值明显减小，说明草地斑块的边缘形状变得规则和简单，景观受人类活动影响增强。耕地的TE，ED和MPE值、AWMSI值均先增大后减小。

3.3 五华河景观格局演变与径流泥沙的相关关系

表4看出，其中SDI，SEI，TE和ED与年径流量和年输沙量均有明显的正相关关系，相关系数均在0.9以上。PSCV，AWMSI和AWMPFD则与年径流量和年输沙量均有明显的负相关关系。1990年以来，由于五华河流域大面积种植果树，使得流域内物种丰度变小，景观斑块面积趋于分散，景观斑块变得破碎，不利于斑块景观物种内部的繁衍与景观整体的生态维护，使得流域内植被整体的持水能力变小，导致河川径流量呈下降趋势。河川径流的减小引起输沙量的减少。流域整体的土地利用转化主要是草地变成林地，相比草地，林地树冠更能减少降水对地表的直接冲刷，所以流域的输沙量有明显的减小。

景观的AWMSI，AWMPFD和PSCV与径流变差系数有显著的负相关关系，说明景观斑块面积越分散，景观斑块几何形状越复杂，流域径流量年内波动则越小。而AWMSI 、AWMPFD 和MPE与年输沙量变差系数的存在明显正相关关系。

表4 整体景观水平格局指数与径流泥沙的相关系数

注：**.在0.01水平(双侧)上显著相关，*.在0.05水平(双侧)上显著相关。

表5显示了各景观水平格局指数与径流泥沙的相关系数。其中，林地的NP，PD，TE和ED与多年平均径流量和输沙量有明显正相关关系，相关系数均在0.9以上，说明林地斑块越成片，景观破碎度越小，斑块边缘越简单，则年径流量和输沙量越小。CA，AWMPFD和AWMSI与多年平均径流量和输沙量有明显负相关关系，即流域林地面积越大，单个斑块形状越复杂，则五华河的年径流量和输沙量越小。这个结论似乎与森林涵养水源的功能不相符，但实际上，2000年以来大量草地和自然林转变成经济林，农民严格控制果林下层灌木和草本的生长，所以林地垂直层次发育不好，植被类型单一，持水功能减弱。但林地树冠可削减雨水对地表的直接冲刷，林地对泥沙的拦截能力优于草地，故林地面积的增大使得河川输沙量大大减小。林地的AWMPFD和AWMSI与径流年内变差系数呈明显的负相关关系，其中MPS，PSSD和MPE与年径流量的负相关关系达到0.05(双侧)显著水平，表明林地斑块破碎度越小，斑块几何形状越复杂，则径流变差系数越小，即径流年内分配越均匀。这说明了连通性好的景观布局有利于林地雨季滞留降水和旱季保持水分，从而对河川径流起到削峰补枯的作用，使得径流年内波动变小。而AWMPFD和AWMSI与年输沙量变差系数有明显的正相关关系，表明林地景观破碎度越小，斑块几何形状越复杂，则输沙量年内分配越不均匀。

耕地的NP，PD与年径流量和输沙量呈负相关，流域耕地类型的变化主要是实行了退耕还草工程，另外也有部分耕地变成了建筑用地，这都会使得耕地的斑块破碎度增大，景观整体的持水能力变弱，导致流域的年径流量变小。退耕还草也能起到固沙的作用，而耕地变成建筑用地过程中，硬底化建设的增加反而能一定程度上减小原本耕地面积上的泥沙流失。径流年内变差系数则与耕地的NP，PD在0.05(双侧)水平上有显著的负相关关系，相关系数均为0.997，耕地斑块越破碎，径流年内分配就越趋向均匀。NP和PD与年输沙量变差系数也有明显的负相关关系，相关系数为0.982，说明耕地斑块越破碎，五华河输沙量年内分配越不均匀。

草地的NP，PD与多年平均径流量和输沙量有明显的负相关关系，而CA，PSCV，TE，ED，AWMPFD和AWMSI则与年径流量和输沙量有明显的正相关关系。径流年内变差系数则与草地的NP，PD在0.05(双侧)水平上有显著的负相关关系，相关系数均为0.998，表明草地斑块越破碎，径流年内分配反而越均匀，流域年内旱涝灾害发生的概率则变小。而草地的NP，PD则与输沙量年内变差系数有明显的正相关关系。

建筑用地的NP，PD与年径流量和输沙量有明显的正相关关系，而CA，TE，ED，AWMPFD和AWMSI则与年径流量和输沙量有明显的负相关关系。建筑用地是人类活动强烈改变地表景观的表征，地面不透水层的建设将严重破坏流域的水循环系统，故建筑用地面积的增加和斑块破碎度减小，都会导致河川年径流量减少。但硬底化建设一定程度上也能起到固沙的作用，例如山间泥路的硬底化能减少雨水直接冲刷地表土壤带来的水土流失，故建筑用地的增加一定程度能使河川输沙量减小。径流年内变差系数则与建筑用地的NP，PD有明显正相关关系，与CA，TE，ED，AWMPFD和AWMSI均有明显的负相关关系，其中与TE和ED的负相关关系达到0.05显著性水平。表明，建筑用地的面积增加、破碎度减小，斑块形状变复杂，则径流年内波动越小。年输沙量的变差系数则与CA，TE，ED有明显正相关关系，表明建筑用地面积增大，斑块边缘变得越复杂，输沙量年内波动越大。

表5 斑块水平指数与径流泥沙的相关系数

注：**.在0.01水平(双侧)上显著相关；*.在0.05水平(双侧)上显著相关。

4 结论与讨论

(1) 1981—2013年，五华河径流量年内变差系数基本稳定，而输沙量变差系数则有明显增大。从年际变化上看，年径流量和年输沙量都呈现缓慢下降趋势，其中输沙量的下降趋势比径流量更明显。五华河流域主要的土地利用类型为林地、草地、耕地，1981年以来，大量草地转变成林地，林地类型的破碎度减小，形态变得复杂，说明人类活动对林地的影响减小。草地景观破碎度增大，斑块形态也变得简单，建筑用地则逐渐连片扩展，景观破碎度减小，流域景观边缘形状趋于复杂。

(2) 从径流泥沙年际变化上看，流域的年径流量与年输沙量对同一景观指数的响应具有相似性。景观水平上，香浓均匀度指数、景观边缘密度与河川年径流量和年输沙量有正相关关系，而景观形状指数则与年径流量和年输沙量负相关。类型水平上，林地的破碎度和边缘密度、草地的斑块形状指数和边缘密度、建筑用地的斑块破碎程度均与年径流量和输沙量正相关，而林地斑块形状指数和林地面积指数，草地破碎程度，耕地破碎程度，建筑用地的边缘密度、斑块形状指数、斑块面积指数则与年径流量和输沙量负相关。从径流泥沙年内变化上看，流域景观形状指数与输沙量变差系数正相关。类型水平上，林地形状指数、草地破碎度、耕地破碎度、建筑用地斑块边缘密度、形状指数和斑块面积指数均与输沙量变差系数正相关。

本文从景观格局演变的视角探究流域水文变化，实际上气候要素和人类活动均对河川径流泥沙变化均有明显影响，如何更加科学地区分两者的贡献率是后续研究的方向，建构多因子水文耦合模型能更科学地反映河川水文变化的实况。

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