太子河流域景觀格局對流域徑流的影響

張 婷，張 楠，張 遠，馮啟言

（1.中國環境科學研究院 流域水生態保護技術研究室，北京100012；2.中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州221116）

土地利用變化可改變地表植被的截留量、土壤水分的下滲能力以及地表蒸發，進而影響流域的水文過程［1］。土地利用變化直接導致景觀格局的改變，景觀格局分析可以有效反映土地利用的空間格局［2］。因此，認識和把握景觀格局對流域水文過程的影響，成為流域水資源管理和規劃、生態環境的可持續發展以及區域經濟建設等領域的核心問題。

早期人們單純研究區域景觀格局特征，未考慮其生態水文效應，而景觀格局與生態水文過程間存在緊密聯系。森林景觀的生態水文效應已有大量研究，楊國靖等［3］以祁連山區為研究區域得出森林景觀格局對生態水文效應有顯著影響，馬雪華［4］研究了四川省西部米亞羅高山林區，結果表明以森林為主要景觀類型的流域徑流量相較于森林覆蓋面積少的流域大。但是，單一研究森林植被的生態水文效應是不全面的，應綜合考慮研究區內不同景觀類型形成的景觀格局對水文過程的影響。劉明等［5］就洞庭湖流域中上游地區景觀格局變化的水文響應進行了深入研究，表明水田、林地等不同景觀類型對水文過程存在較大影響。景觀格局與生態水文過程間是相互作用的關系，有學者研究水文過程對景觀格局的影響，如李勝男等［6］以黃河三角洲濕地為研究區域分析了水沙變化對區域景觀格局演變的影響。隨著景觀生態學的不斷發展，越來越多的研究采用景觀格局指數表征景觀格局的變化，探索景觀格局指數與生態水文效應間的聯系，如王計平等［7］應用景觀格局指數研究黃土丘陵區景觀格局對水土流失過程的影響，并從景觀水平和斑塊類型水平不同景觀格局層次進行分析。

近年來，對于景觀格局的生態水文效應研究越來越多，但是仍然存在一些問題亟待解決。景觀指數的篩選是關鍵，如何保證所選的景觀指數科學全面還需要進一步的研究。針對不同土地利用類型景觀格局變化的水文效應研究尚不多見，而不同的土地利用類型對水文過程影響也不盡相同。因此，景觀格局生態水文效應研究還需進一步深入和完善。

太子河流域所在的遼中南城市群是我國最重要的經濟區和重工業基地之一，工業化和城市化進程快，人口相對集中，人類活動對周圍的生態環境造成了嚴重影響。本文以太子河流域為研究對象，從景觀生態學角度出發，運用統計學方法，從景觀水平和類型水平兩個層次研究景觀格局對流域內徑流的影響，以求揭示影響流域徑流變化的關鍵影響因素，試圖為太子河流域的土地利用和植被結構調整及生態恢復提供理論依據。

1 研究區域

太子河流域地處遼寧省中東部，流經本溪、遼陽、鞍山3市，是遼寧省東部較大的河流，干流全長413km，流域面積13 880km2。流域地貌呈現東部海拔高多起伏山地，西部海拔低多平原的分布趨勢，山地與平原之間以及河谷地區多分布低高地。太子河流域位于我國中高緯度，地處溫帶大陸性季風氣候區，雨熱同季，日照多，冬季寒冷期長，春秋季短，東濕西干，平原風大，多年平均氣溫2.27～9.99℃，降雨量在655～954mm。土壤類型主要有棕壤、潮棕壤、棕壤性土、暗棕壤、褐土、鈣質粗骨土、草甸土、鹽化草甸土、水稻土、淹育水稻土以及鹽漬水稻土，植被類型主要包括森林、灌木林、果園以及農作物。流域內土地利用類型主要有林地、草地、旱地、水田、河渠、水庫、建筑用地、沼澤，其中，林地、旱地和城鎮用地面積比例最大，分別為57.20%，24.06%和8.56%。

2 研究方法

2.1 水文數據

水文數據主要來源于水利部水文局存檔的遼河流域水文資料中太子河流域17個水文站的逐日平均流量資料（1992—2007年），其中1996年各水文站的逐日平均流量數據缺省。流域徑流的變化采用以下4個徑流指標表征［8－10］：（1）徑流深度：子流域單位面積多年平均產流深度；（2）徑流變差系數：流域斷面年徑流量的多年離差，反映徑流量的年際變化；（3）最小徑流指數：子流域多年平均最小月徑流量與年平均月徑流量之比；（4）最大徑流指數：多年平均最大月徑流量與年平均月徑流量之比。最小徑流指數和最大徑流指數反映徑流量的年內變化。

2.2 景觀信息提取與指數的選擇

以大遼河流域1992年和2001年的3景Landsat 5 TM影像為數據源，軌道號11831，11931和11932，在ENVI 4.4中對遙感影像進行幾何校正、影像拼接和影像截取等預處理后，導入面向對象的遙感解譯軟件Definiens Developer 7.0中。為確保解譯結果準確可靠，開展了流域野外實地調查，建立目視解譯標志和標準。采用目視解譯和鄰近分類相組合的人機交互解譯方式，進行信息提取，并結合研究區地形圖及野外調查情況，對初步解譯結果進行修正，得到最終解譯結果。

參照全國土地利用分類方法，并結合當地的實際情況，將研究區的土地利用類型分為林地、草地、旱地、水田、河渠、湖泊、水庫、灘地、沼澤地、魚塘、建筑用地和未利用地12種類型。

景觀指數可定量描述景觀格局的空間變化，是研究景觀生態學較成熟的指數。為科學全面反映流域景觀格局的空間變化特征，本文選取了15個景觀指數，分別是斑塊密度（PD）、最大斑塊指數（LPI）、形狀指數標準偏差（SHAPE＿SD）、面積加權平均分維數（FRAC＿MN）、周長面積比變差系數（PARA＿CV）、鄰接度指數中位數（CONTIG＿MD）、蔓延度指數（CONTAG）、散布與并列指數 （IJI）、斑塊連接 度（COHESION）、分離度指數（DIVISION）、有效粒度面積（MESH）、豐富度指數（PR）、香農多樣性指數（SHDI）、香農均勻性指數（SHEI）、斑塊聚集度指數（AI）。所有指數均基于景觀分析軟件Fragstats 3.3進行計算，其生態學意義和計算公式可查閱軟件操作說明或書籍［11］。

2.3 子流域的劃分

利用太子河流域的水系圖，并結合水文站點位置，生成流域邊界及不同水文站點對應的9個子流域，分別為太子河上游段、太子河中游段、太子河下游段、沙河段、細河段、蘭河段、南沙河段、湯河段和海城河段。

2.4 研究方法

針對選取的15個景觀指數，運用主成分分析方法，篩選出能夠替代原有指數的較少景觀指數，達到降低景觀指數冗余度的目的。借助相關分析揭示景觀格局與徑流變化間的統計學關系，從景觀水平和類型水平兩個層次探討景觀格局與徑流的關系。由于流域尺度上徑流變化對土地利用格局的變化有一定的響應時間段，所以文中對應于1992年土地利用格局設置了1993—2000年的響應時間段，2001年的土地利用格局設置2002—2007年的響應時間段，以年平均徑流變量作為景觀格局變化的響應變量。所有數據分析均基于SPSS 16.0進行。

3 結果與分析

3.1 主成分分析

對15個景觀指數進行主成分分析，按照主成分的提取原則，本文提取前3個特征值大于1的主成分，其累計貢獻率為89.60%。從表1可以看出，斑塊密度（PD）、最大斑塊指數（LPI）、蔓延度指數（CONTAG）、斑塊連接度（COHESION）、豐富度指數（PR）、香農均勻性指數（SHEI）和斑塊聚集度指數（AI）在第1主成分PC1上有較高載荷，面積加權平均分維數（FRAC＿MN）、周長面積比變差系數（PARA＿CV）、鄰接度指數中位數（CONTIG＿MD）、和散布與并列指數（IJI）在第2主成分上有較高載荷，香農多樣性指數（SHDI）在第3主成分上載荷較高。形狀指數標準偏差（SHAPE＿SD）、分離度指數（DIVISION）和有效粒度面積（MESH）在3個主成分中載荷較低。說明以上12個景觀指數（除SHAPE＿SD，DIVISION和MESH）基本能夠代替原有指標信息。因此，選取以上12個景觀指數作為景觀水平指標，選取PD，LPI，COHESION，AI，FRAC＿MN，PARA＿CV，CONTIG＿MD和IJI作為類型水平指標分析景觀格局變化對流域徑流的影響。

表1 旋轉后的因子載荷矩陣

3.2 徑流變化

研究了9個子流域的徑流特征（圖1），其平均徑流深度為104.06～533.68mm。各子流域的徑流年際、年內間有顯著變化。各子流域的徑流年際變化波動較大，其中湯河段的波動幅度最大，變差系數達0.969 0。太子河上游段波動相對較小，變差系數為0.174 5。太子河上游段徑流年內變化相對穩定，最小徑流指數為0.607 4，最大徑流指數為1.642 3。海城河段的年內波動最大，最小徑流指數為0.144 5，最大徑流指數為6.118 0。

3.3 流域土地利用類型組成

9個子流域的土地利用類型組成及比例見表2。從表2中可以看出，不同子流域土地利用類型組成存在較大差異。太子河上游段、太子河中游段、細河段、蘭河段、湯河段和海城河段以林地為主要土地利用類型，太子河下游段、沙河段和南沙河以旱地為主要土地利用類型。總體來看，林地、旱地和建筑用地在流域土地利用類型中占主要地位，面積合計76%～97%。太子河下游段、沙河段和南沙河段的水田面積所占比例相對較大，占11%～19%，這說明太子河流域的水田主要集中于流域下游北部地區。各子流域中草地面積比例均低于3%，因此，在后續分析中未考慮草地對徑流的影響。其他土地利用類型面積比例均低于1%，在此未一一列出。

圖1 各子流域徑流特征

表2 子流域主要土地利用類型面積比例 %

3.4 景觀格局分析

斑塊密度（PD）反映景觀的破碎化程度，太子河下游段的PD較大（表3），說明該子流域的景觀分布較為破碎。最大斑塊指數（LPI）度量斑塊優勢度，LPI越大，斑塊優勢度越高，細河段的LPI最大，表明斑塊優勢度突出。各子流域間的分維數（FRAC＿MN）和周長面積比（PARA＿CV）差異不顯著，說明各子流域景觀形狀的復雜程度相差不大。鄰接度指數中位數（CONTIG＿MD）表征斑塊間的鄰近程度，細河段和海城河段的CONTIG＿MD相對較小，表明景觀分散。蔓延度指數（CONTAG）描述斑塊的團聚程度，CONTAG越大，表明斑塊分布越集中，散布與并列指數（IJI）描述斑塊的分散程度，太子河上游段的CONTAG值較大而IJI值較小，表明太子河上游段的斑塊分布集中，聚集程度高。斑塊連接度指數（COHESION）和斑塊聚集度指數（AI）的變化趨勢與CONTAG相一致。細河段的豐富度指數（PR）最小，表明該子流域的斑塊數目最少。香農多樣性指數（SHDI）和香農均勻性指數（SHEI）均是針對斑塊類型而言，SHDI值越大，表明斑塊類型豐富，SHEI越大，表明各斑塊類型分布均勻，不同子流域的SHDI和SHEI的變化趨勢相同。綜上所述，細河段斑塊類型少，斑塊形狀簡單，分布不集中，景觀結構復雜性小，而太子河上游段斑塊類型豐富，斑塊形狀復雜，分布均勻，景觀結構相對復雜。

3.5 景觀水平格局和徑流的關系

將12個景觀水平指數分別與4個徑流指標進行相關分析，結果見表4。從表4中可以看出，徑流深與各景觀指標間沒有顯著相關性，變差系數與FRAC＿MN，CONTIG＿MD和IJI顯著負相關，最小徑流指數與FRAC＿MN，CONTIG＿MD和IJI呈顯著正相關，與SHDI呈顯著負相關關系，最大徑流指數與FRAC＿MN，CONTIG＿MD和IJI呈極顯著負相關，其中各徑流指標與FRAC＿MN的相關性最大。CONTIG＿MD和IJI的大小表明了流域景觀的破碎化程度，FRAC＿MN和SHDI表征景觀多樣性的大小，由此說明景觀的破碎化程度和多樣性大小對徑流的變化影響較顯著。

表3 各子流域景觀格局變化情況

表4 景觀水平格局和徑流指標的相關分析結果

3.6 類型水平格局和徑流的關系

在太子河流域土地利用類型中，建筑用地、旱地和林地占主導地位，因此，文中選擇這3種主要的土地利用類型進一步用相關分析方法分析不同類型水平格局與徑流指標間的關系（表5）。

（1）建筑用地。從表5可以看出，徑流深度僅與CONTIG＿MD顯著負相關，變差系數與FRAC＿MN和COHESION顯著負相關，最小徑流指數與FRAC＿MN，CONTIG＿MD和COHESION顯著正相關，與IJI顯著負相關，最大徑流指數與FRAC＿MN顯著負相關，與COHESION極顯著負相關。各徑流指標與其他景觀指數間無顯著相關性。表明太子河流域建筑用地的大面積比鄰連接分布對徑流變化有顯著影響，這主要是由于流域植被覆蓋面積減少和大量不透水面積的增加影響了流域水文過程，進而影響徑流量的變化。

（2）旱地。徑流深度僅與AI呈顯著負相關，變差系數與FRAC＿MN和PARA＿CV呈顯著負相關，最小徑流指數與PD呈極顯著負相關，與FRAC＿MN，COHESION和AI呈顯著正相關，最大徑流指數與PD呈顯著正相關，與FRAC＿MN極顯著負相關，與PARA＿CV呈顯著負相關。旱地受人類活動的干擾較大［12］，近地表層土壤裸露程度高，雨水攔截率低，因此，旱地的大面積出現會對徑流變化產生嚴重影響。

（3）林地。在林地類型影響下，徑流深度與各景觀指數間無顯著相關性。變差系數與AI極顯著負相關，最小徑流指數與PARA＿CV和AI顯著正相關，最大徑流指數與PARA＿CV和AI呈現極顯著負相關。林地通過林冠的阻滯截留和土壤的滲透蓄水作用來調節流域徑流過程，林地景觀的形狀復雜程度和聚集度的增加會導致流域徑流年內和年際變化幅度降低。

表5 類型水平格局和徑流指標的相關分析結果

4 討論

4.1 景觀水平格局對徑流的影響

徑流深度的變化與景觀格局指數變化間無顯著相關性，這主要是由于流域徑流深度受降雨量的影響較大，并與流域面積有關，對景觀格局的變化不敏感。FRAC＿MN與徑流指標間存在顯著相關性，FRAC＿MN反映的是景觀類型形狀的復雜程度，其值越大，單位面積內景觀邊界率越大，形狀越復雜，植被群落多樣性也越高［13］，流域徑流年內變化及年際變化相應穩定。

徑流指標與CONTIG＿MD和IJI也呈現出顯著相關性。CONTIG＿MD表征的是流域中各斑塊間的連接和鄰近程度，反映了景觀的空間破碎化程度，有研究表明，CONTIG＿MD與植被群落多樣性之間存在顯著正相關性［14］。IJI表征景觀格局的空間分布排列特征，反映各個斑塊類型間的總體散步與并列狀況，其值越大，各斑塊間分布越均勻［15］。因此，CONTIG＿MD和IJI越大，流域景觀越均勻，植被群落多樣性越高，徑流的年內和年際變化也越穩定。

SHDI僅與最小徑流指數顯著負相關，和其他徑流指標間相關性不顯著。SHDI用于度量景觀要素的豐富度，較高的SHDI反映出景觀格局中植被群落的多樣性越高，最小徑流指數也越小，徑流變化越穩定。

因此，從景觀水平來看，流域景觀中斑塊分布均勻，植被群落豐富，植被對徑流的調節作用明顯，流域徑流的年內和年際變化相對穩定。

4.2 類型水平格局對徑流的影響

PD反映的是斑塊的分化程度或破碎化程度，PD高，表明一定面積上斑塊數量多，斑塊規模小，景觀異質性高［16］。旱地的斑塊密度與最小徑流指數和最大徑流指數間存在顯著相關性，與最小徑流指數極顯著負相關，與最大徑流指數顯著正相關，表明旱地的面積和破碎化程度的增加，土壤的裸露程度高，對雨水的攔截率低，地表徑流量大，從而導致了最小徑流指數的減小和最大徑流指數的增加。

建筑用地和旱地的FRAC＿MN與變差系數和最大徑流指數呈負相關，與最小徑流指數正相關。高的FRAC＿MN表明斑塊形狀復雜，邊界率高，斑塊分布多而分散，因此，流域徑流年際變化和年內變化穩定。

旱地的PARA＿CV對變差系數和最大徑流指數存在顯著負效應，林地的PARA＿CV對最小徑流指數存在顯著正效應，對最大徑流指數存在極顯著負效應。表明PARA＿CV越大，流域徑流年際變化越小，年內變化越小，徑流變化越穩定。因為PARA＿CV描述的是斑塊外部形狀的復雜性，PARA＿CV越大，則斑塊形狀越復雜，景觀破碎化程度越高［17］，景觀多樣性高。林地受人類活動的干擾較小，對徑流的調節作用明顯，徑流的年內分配相對均勻，年際變化較小。

建筑用地的CONTIG＿MD與徑流深顯著負相關，與最小徑流指數顯著正相關，建筑用地的IJI與最小徑流指數顯著負相關。建筑用地受人類活動影響嚴重，分布集中。由于不透水面積的大量出現，地表的下滲行為降低，產生的地表徑流量增加，最小徑流指數增加。徑流深度的減小是由于受流域自然地理條件、水文地質因素、降雨徑流變化和人類活動等多方面的影響，導致降雨轉化為徑流的部分減少［18］。

COHESION和AI反映的是斑塊的聚集度和連通性。景觀破碎化和生境的隨機變化常常導致許多植物種群的適合度下降或種群滅絕［19］。對于林地而言，較高的AI，斑塊的破碎化程度低，植被覆蓋的多樣性較高，對徑流的調節作用明顯，徑流的變化相對較小。旱地和建筑用地的連通性增加，流域徑流量也會相應增加［20］，但是徑流的年際和年內變化相對穩定，主要是由于林地是在太子河流域的主要土地利用類型，對徑流的調節發揮了顯著作用。

5 結論

（1）在景觀水平層次上，景觀格局的變化對徑流深度的影響不顯著。徑流量的年內、年際變化與面積加權分維數、鄰接度指數、散布與并列指數和香農多樣性指數表現出顯著相關性。景觀破碎化程度越高，分布越均勻，植被群落豐富，徑流的年內和年際變化越穩定。

（2）類型水平的分析結果與景觀水平有較大差異。徑流的變化與斑塊密度、面積加權分維數、周長面積比、鄰接度指數、散布與并列指數、斑塊連接度和斑塊聚集度指數表現出顯著相關性。建筑用地和旱地分布集中，受人類活動影響較大，對徑流的調節作用微弱，建筑用地和旱地的大量出現會造成徑流變化不穩定，而林地是流域優勢土地利用類型，對徑流的穩定變化起到決定性作用。

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