五華河流域景觀格局演變對徑流泥沙的影響

徐炫清, 陳裕嬋, 李青圃, 張正棟

(華南師范大學 地理科學學院, 廣州510631)

水土流失是區域生態惡化的集中表現，在我國南方山地丘陵區，水土流失不僅會導致土壤肥力下降，還會引起滑坡、塌方、泥石流等次生地質災害，故為實現我國南方山區的可持續發展，就必須關注和研究流域水土流失問題[1]。20世紀80年代，韓江上游梅江地區是廣東省水土流失最嚴重的地區，黃文輝等通過逐個檢測梅江流域水文測站的徑流泥沙變化，發現梅江的水沙主要來自五華河[2]。大多學者在研究五華河流域的水土流失問題時指出氣候、地形、土壤等自然因素是五華河流域水上流失的潛在因素，而人類不不合理活動是誘發嚴重水土流失的主導因素[3-6]。

河川徑流能夠反映流域的產流匯流狀況，而河川泥沙則能體現流域的土壤侵蝕狀況，故五華河的徑流泥沙的變化不僅反映了河川的發展變遷，也間接反映了流域的水土流失狀況[7]。人類活動通過逐步改變下墊面特性而引起土地利用方式的變化，再而導致流域景觀格局的變化[8]，景觀格局與生態水文過程的關系是景觀生態學研究的重要內容[9]。不同土地利用景觀對地表徑流的截留、地表水分的蒸散發和土壤水分的下滲等過程的影響不同，由此便會帶來不同的水文效應。在我國，景觀格局的生態水文效應研究多集中在干旱半干旱區，如傅伯杰、王計平等以小流域為尺度，對黃土高原景觀格局演變與流域徑流泥沙變化的響應關系作了大量研究[10-14]，但學者對我國南方亞熱帶丘陵區景觀格局演變與徑流泥沙的響應關系研究較少，而此類問題的研究能進一步豐富景觀生態學研究的應用領域。

本文從流域尺度上，用Mann-Kendall法和滑動t檢驗法等數理統計法分析1981—2013年五華河徑流泥沙的年內年際變化趨勢，再利用1991年、2000年和2011年3期Landsat TM遙感影像，運用景觀指數法，從類型水平和景觀水平分析五華河流域景觀格局變化與徑流泥沙的相關關系，旨在為流域的水土流失治理和生態規劃決策提供科學依據。

1 研究區概況

五華河是韓江上游梅江的一級支流，發源于廣東省龍川縣迥龍鎮東北面的亞雞寨，北緯23°48′—24°26′，東經115°14′—115°46′，其支流主要有橋頭水、鶴市河、潭下河和矮車河，于水寨匯入琴江，全長105 km，流域面積1 832 km2，流域內僅布設有1個水文站，即河子口水文站，該站設立于1981年，集水面積為1 031 km2，是流域中下游控制站，該站點水文數據完整，且時間序列較長，符合本研究的需求。五華站和龍川站為流域附近的國家氣象站，氣象數據源于中國地面氣候資料，具有一定的代表性。流域為亞熱帶季風氣候，多年平均溫度為21.6℃，夏秋季節多吹東南風，降水豐沛，多年平均降水量為1 465.2 mm。流域內多山地、丘陵，海拔200～400 m，山坡陡峻，坡度較大。流域土壤類型主要有黃壤、赤紅壤、紅壤和紫色土，其中砂頁巖赤紅壤廣泛分布在山坡地帶，其土壤母質主要為花崗巖，風化殼松散深厚，含砂量大，紫色土主要分布在低丘陵區，顏色深，吸熱性強，易受干旱，夏秋季節高強度的降水沖刷地表，易造成坡面侵蝕[4]。流域自然植被多為稀疏的馬尾松—芒箕—崗松群落或馬尾松—桃金娘—蔗鴣草群落[6]，還有一定面積的光板山，自然林面積較少，近20 a來經濟林面積大增。

2 材料與方法

2.1 氣象水文數據處理方法

采用五華站、龍川站提供的1981—2013年逐月氣溫、降水量數據，及河子口水文站提供的1981—2013年逐月徑流量、逐月輸沙量數據，分別用不均勻系數(Cr)和變差系數(Cv)描述徑流泥沙的年內變化特征，用一元線性回歸法、滑動平均法分析徑流的年際變化趨勢，最后利用Mann-Kendall法和滑動t檢驗法檢測徑流泥沙的年際突變點。

2.2 土地利用矢量圖的制作和景觀指數的選取

參考全國土地利用分類方法和韓江流域土地利用圖，將五華河流域土地利用類型分為6種：林地，草地，耕地，建筑用地，水域和未利用用地。選取五華流域1991年、2000年和2011年的Landsat TM影像(包含7個波段，波段1—5和波段7的空間分辨率為30 m)，用ENVI軟件對1991年、2000年和2011年三期五華河流域的Landsat TM遙感影像進行監督分類。參考前人在景觀指數選取上的經驗，結合流域實際情況，最終選取斑塊個數(NP)、斑塊類型面積(CA)、斑塊密度(PD)、斑塊面積變異系數(PSCV)、邊緣密度(ED)、香濃多樣性指數(SDI)、香濃均勻度指數(SEI)、景觀邊緣總長度(TE)、面積加權的平均斑塊分維數(AWMPFD)、面積加權的平均形狀指標(AWMSI)10個景觀指數，并將三期景觀指數進行對比，分析1990—2011年來五華河流域景觀格局演變過程。

2.3 景觀格局與徑流泥沙響應關系探究

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，本文以3 a為響應時間，將1991年2000年和2011年流域景觀格局的響應時段劃分別定為：1992—1994年、2000—2003年、2011—2013年。選取能代表五華河徑流泥沙年內年際變化的指標，包括年徑流量，徑流年內變差系數，年輸沙量、輸沙量年內變差系數，采用Pearson相關系數法對徑流泥沙因子和景觀指數作相關分析。

3 結果與分析

3.1 五華河流域1981-2013年徑流泥沙時空變化特征分析

五華河徑流的年內分布呈現明顯的季風區特性，4—9月為汛期，其徑流量占全年的72%，河川輸沙量則主要集中在3—8月份。表1顯示了3個響應時段內徑流泥沙的年內變化特征。徑流不均勻系數(Cr)可反映徑流年內分布的均勻性，五華河徑流三個時段的Cr值略有減小，但總體穩定在0.5附近，說明徑流量年內分布趨于均衡。而河川輸沙量的Cv值卻有明顯上升，說明輸沙量年內分布不均勻性變大。

表1 描述五華河流域徑流泥沙年內特征的指標

圖1為五華河徑流量線性模型和5 a滑動平均曲線，可看出1980年以來，五華河徑流量略有下降趨勢，但下降趨勢不顯著，其線性趨勢模型為Xt=-0.32t+89.98。圖2為五華河輸沙量的線性模型和5 a滑動平均曲線，可看出1980年以來，五華河輸沙量有明顯下降趨勢，其線性趨勢模型為Yt=-2.28t+83.22(r2=0.52)。

圖1 五華河徑流量年際變化趨勢分析

圖2 五華河輸沙年際變化趨勢分析

進一步采用M-K法分析歷年河川徑流泥沙的變化趨勢并尋找其年際變化的突變點，從圖3可看出徑流UF曲線總體小于0，|UC|=|-0.45|<1.96，說明徑流量總體呈下降趨勢，除了1988年和1989年下降顯著性水平達到0.05外，其余年份下降趨勢不顯著。從M-K突變檢驗得出可能的突變點有8個年份，分別是1982年、1983年、1997年、1998年、2001年、2004年、2005年、2007年，經滑動t檢驗法檢驗，8個年份都不是突變年，說明五華河徑流量的年際變化是一個緩慢的過程。

從圖4可看出輸沙量的UF曲線基本在0以下，說明80年代以來五華河輸沙量總體呈下降趨勢，1995年后UF曲線超出置信下限，表明輸沙量下降趨勢顯著。UF與UB曲線在置信區間臨界線附近有2個交點，分別是1994年和1997年，而經過滑動t檢驗法的檢驗發現，2個年份均不是突變點。

圖3 五華河流域徑流的Mann-Kendall統計量曲線

圖4 五華河流域輸沙量的Mann-Kendall統計量曲線

目前，多數研究認為河川徑流泥沙的變化與流域氣候變化密切相關，其影響因子包括氣溫、降水、極端天氣等。從圖5可看出五華河流域年平均氣溫、年降水量、年徑流量與年輸沙量間的曲線升降關系。首先，1981年以來流域氣溫保持穩定，氣溫與徑流泥沙曲線變率的相關性較小。五華河主要的補給源是雨水補給，所以降水與徑流時序保持一致，而年降水量、年徑流量與年輸沙量的極大值極小值出現的時間也基本一致，如1983年和2006年，三者同時出現極大值，另外1991年三者又同時出現極小值。五華河的含沙量主要來自流域的土壤侵蝕，強降水會加劇雨水對地表的沖刷，地表松散泥沙匯入河川導致河川含沙量的增大，故徑流是河川輸沙的主要動力。從變化趨勢來看，1988年后年徑流量和年輸沙量間的差距逐年變大，說明1988年后徑流減少并不是導致輸沙量減小的主要因素。

3.2 1981-2013年五華河流域景觀格局演變分析

利用ENVI軟件對五華河流域1991年、2000年和2011年三期Landsat TM遙感影像進行監督分類，得到三期土地利用圖。

圖5 河子口水文站氣象水文要素歷年變化

在景觀水平上對1991年、2000年和2011年流域土地利用景觀格局進行分析，得到表2。

景觀水平上，1991—2011年，五華河流域的斑塊數量(NP)先增大后減小，但數值總體從30 856下降到26 933；斑塊密度(PD)則先減小后增加，數值總體從0.17下降到0.15，說明流域內景觀破碎度總體有下降趨勢，即景觀內部生境面積增加，景觀連續性變好。而流域的PSCV值呈明顯上升趨勢，說明流域景觀的斑塊面積更分散，且斑塊面積年際變率增大。從景觀斑塊邊緣指數上看，景觀的TE，MPE，ED值均有下降趨勢，說明景觀邊緣異質性減小。從景觀形狀指數上看，流域景觀的AWMSI值有明顯上升，1991年AWMSI值為21.81，2011年上升為48.37，景觀形狀變得不規則，表明其受人類活動影響減弱。景觀多樣性指數的大小取決于景觀所包含的景觀類型的多少和各景觀要素類型間面積的差異。1991—2011年，流域景觀的SDI值從1.13下降到0.85，SEI值則從0.63下降到0.47，說明流域內景觀類型豐度減小，這不利于景觀物種的更新演替，究其原因，可能是近二十年來流域內推廣種植經濟林，導致植被類型的趨向單一。在類型水平上計算1991年、2000年和2011年流域不同土地利用類型的景觀指數，得到表3。

表2 五華河流域1991-2011年景觀格局指數分析

表3 1991-2011年五華河流域各景觀類型水平景觀指數變化

從面積指數上看，1991—2011年五華河流域面積最大的斑塊類型是林地，其占流域總面積50%以上，其次為草地和耕地，未利用用地和水域面積較小，所占比例均在2%以下，故林地是五華河流域的景觀基質。1991—2011年，流域林地、草地、建筑用地、耕地發生了明顯的面積流轉，流域林地覆蓋率從54%上升到76%，草地所占比例則從29%下降到7%，結合土地利用圖中景觀斑塊位置的變化，發現流域內的林地面積增加的部分主要是草地面積減少的部分。1991年流域內丘陵的山脊多為疏林地和草地，植被覆蓋度較低，而2011年丘陵山脊植被覆蓋度明顯增加，多為灌木林和有林地。建筑用地占景觀面積的比例從3%提高到6%，面積增加了5 668.02 hm2，說明流域的城鎮建設用地增加。耕地面積在2000年以前有所增加，2000年后則有所減少，結合斑塊位置判斷，2000年以前，人類開墾耕地的力度較大，2000年后，部分耕地還原為草地，也有部分沿河耕地開發為建筑用地。

從斑塊密度指數上看，1991—2011年林地的NP，PD和PSCV值逐年減小，說明林地的景觀破碎度減小，林地斑塊間發生了拓展與合并現象，林地內部生境面積增加，斑塊面積的年際變化減小。草地的NP和PD值逐年增加，但PSCV值減小，說明其景觀破碎度也逐年增大，草地主要鑲嵌在林地和耕地間。耕地主要是沿河分布在河漫灘和山谷間，其NP和PD逐年增大，說明其景觀破碎度有所增加，主要是在山谷間新增了較多斑塊。建筑用地的NP和PD逐年增加，2011年流域內建筑用地呈現連片發展，在華城鎮、雙頭鎮、鶴市鎮表現尤為明顯。

從斑塊邊緣指數和形狀指數上看，1991—2011年，林地TE和ED值變化不大，但其AWMSI值從32.54增加到63.28，說明林地斑塊幾何形狀越來越復雜，景觀受人類活動的影響變小。草地TE和ED值明顯減小，說明草地斑塊的邊緣形狀變得規則和簡單，景觀受人類活動影響增強。耕地的TE，ED和MPE值、AWMSI值均先增大后減小。

3.3 五華河景觀格局演變與徑流泥沙的相關關系

表4看出，其中SDI，SEI，TE和ED與年徑流量和年輸沙量均有明顯的正相關關系，相關系數均在0.9以上。PSCV，AWMSI和AWMPFD則與年徑流量和年輸沙量均有明顯的負相關關系。1990年以來，由于五華河流域大面積種植果樹，使得流域內物種豐度變小，景觀斑塊面積趨于分散，景觀斑塊變得破碎，不利于斑塊景觀物種內部的繁衍與景觀整體的生態維護，使得流域內植被整體的持水能力變小，導致河川徑流量呈下降趨勢。河川徑流的減小引起輸沙量的減少。流域整體的土地利用轉化主要是草地變成林地，相比草地，林地樹冠更能減少降水對地表的直接沖刷，所以流域的輸沙量有明顯的減小。

景觀的AWMSI，AWMPFD和PSCV與徑流變差系數有顯著的負相關關系，說明景觀斑塊面積越分散，景觀斑塊幾何形狀越復雜，流域徑流量年內波動則越小。而AWMSI 、AWMPFD 和MPE與年輸沙量變差系數的存在明顯正相關關系。

表4 整體景觀水平格局指數與徑流泥沙的相關系數

注：**.在0.01水平(雙側)上顯著相關，*.在0.05水平(雙側)上顯著相關。

表5顯示了各景觀水平格局指數與徑流泥沙的相關系數。其中，林地的NP，PD，TE和ED與多年平均徑流量和輸沙量有明顯正相關關系，相關系數均在0.9以上，說明林地斑塊越成片，景觀破碎度越小，斑塊邊緣越簡單，則年徑流量和輸沙量越小。CA，AWMPFD和AWMSI與多年平均徑流量和輸沙量有明顯負相關關系，即流域林地面積越大，單個斑塊形狀越復雜，則五華河的年徑流量和輸沙量越小。這個結論似乎與森林涵養水源的功能不相符，但實際上，2000年以來大量草地和自然林轉變成經濟林，農民嚴格控制果林下層灌木和草本的生長，所以林地垂直層次發育不好，植被類型單一，持水功能減弱。但林地樹冠可削減雨水對地表的直接沖刷，林地對泥沙的攔截能力優于草地，故林地面積的增大使得河川輸沙量大大減小。林地的AWMPFD和AWMSI與徑流年內變差系數呈明顯的負相關關系，其中MPS，PSSD和MPE與年徑流量的負相關關系達到0.05(雙側)顯著水平，表明林地斑塊破碎度越小，斑塊幾何形狀越復雜，則徑流變差系數越小，即徑流年內分配越均勻。這說明了連通性好的景觀布局有利于林地雨季滯留降水和旱季保持水分，從而對河川徑流起到削峰補枯的作用，使得徑流年內波動變小。而AWMPFD和AWMSI與年輸沙量變差系數有明顯的正相關關系，表明林地景觀破碎度越小，斑塊幾何形狀越復雜，則輸沙量年內分配越不均勻。

耕地的NP，PD與年徑流量和輸沙量呈負相關，流域耕地類型的變化主要是實行了退耕還草工程，另外也有部分耕地變成了建筑用地，這都會使得耕地的斑塊破碎度增大，景觀整體的持水能力變弱，導致流域的年徑流量變小。退耕還草也能起到固沙的作用，而耕地變成建筑用地過程中，硬底化建設的增加反而能一定程度上減小原本耕地面積上的泥沙流失。徑流年內變差系數則與耕地的NP，PD在0.05(雙側)水平上有顯著的負相關關系，相關系數均為0.997，耕地斑塊越破碎，徑流年內分配就越趨向均勻。NP和PD與年輸沙量變差系數也有明顯的負相關關系，相關系數為0.982，說明耕地斑塊越破碎，五華河輸沙量年內分配越不均勻。

草地的NP，PD與多年平均徑流量和輸沙量有明顯的負相關關系，而CA，PSCV，TE，ED，AWMPFD和AWMSI則與年徑流量和輸沙量有明顯的正相關關系。徑流年內變差系數則與草地的NP，PD在0.05(雙側)水平上有顯著的負相關關系，相關系數均為0.998，表明草地斑塊越破碎，徑流年內分配反而越均勻，流域年內旱澇災害發生的概率則變小。而草地的NP，PD則與輸沙量年內變差系數有明顯的正相關關系。

建筑用地的NP，PD與年徑流量和輸沙量有明顯的正相關關系，而CA，TE，ED，AWMPFD和AWMSI則與年徑流量和輸沙量有明顯的負相關關系。建筑用地是人類活動強烈改變地表景觀的表征，地面不透水層的建設將嚴重破壞流域的水循環系統，故建筑用地面積的增加和斑塊破碎度減小，都會導致河川年徑流量減少。但硬底化建設一定程度上也能起到固沙的作用，例如山間泥路的硬底化能減少雨水直接沖刷地表土壤帶來的水土流失，故建筑用地的增加一定程度能使河川輸沙量減小。徑流年內變差系數則與建筑用地的NP，PD有明顯正相關關系，與CA，TE，ED，AWMPFD和AWMSI均有明顯的負相關關系，其中與TE和ED的負相關關系達到0.05顯著性水平。表明，建筑用地的面積增加、破碎度減小，斑塊形狀變復雜，則徑流年內波動越小。年輸沙量的變差系數則與CA，TE，ED有明顯正相關關系，表明建筑用地面積增大，斑塊邊緣變得越復雜，輸沙量年內波動越大。

表5 斑塊水平指數與徑流泥沙的相關系數

注：**.在0.01水平(雙側)上顯著相關；*.在0.05水平(雙側)上顯著相關。

4 結論與討論

(1) 1981—2013年，五華河徑流量年內變差系數基本穩定，而輸沙量變差系數則有明顯增大。從年際變化上看，年徑流量和年輸沙量都呈現緩慢下降趨勢，其中輸沙量的下降趨勢比徑流量更明顯。五華河流域主要的土地利用類型為林地、草地、耕地，1981年以來，大量草地轉變成林地，林地類型的破碎度減小，形態變得復雜，說明人類活動對林地的影響減小。草地景觀破碎度增大，斑塊形態也變得簡單，建筑用地則逐漸連片擴展，景觀破碎度減小，流域景觀邊緣形狀趨于復雜。

(2) 從徑流泥沙年際變化上看，流域的年徑流量與年輸沙量對同一景觀指數的響應具有相似性。景觀水平上，香濃均勻度指數、景觀邊緣密度與河川年徑流量和年輸沙量有正相關關系，而景觀形狀指數則與年徑流量和年輸沙量負相關。類型水平上，林地的破碎度和邊緣密度、草地的斑塊形狀指數和邊緣密度、建筑用地的斑塊破碎程度均與年徑流量和輸沙量正相關，而林地斑塊形狀指數和林地面積指數，草地破碎程度，耕地破碎程度，建筑用地的邊緣密度、斑塊形狀指數、斑塊面積指數則與年徑流量和輸沙量負相關。從徑流泥沙年內變化上看，流域景觀形狀指數與輸沙量變差系數正相關。類型水平上，林地形狀指數、草地破碎度、耕地破碎度、建筑用地斑塊邊緣密度、形狀指數和斑塊面積指數均與輸沙量變差系數正相關。

本文從景觀格局演變的視角探究流域水文變化，實際上氣候要素和人類活動均對河川徑流泥沙變化均有明顯影響，如何更加科學地區分兩者的貢獻率是后續研究的方向，建構多因子水文耦合模型能更科學地反映河川水文變化的實況。

參考文獻：

[1] 中國科學院南方山區綜合科學考察隊.中國亞熱帶山區水土流失治理與防治[M].北京:科學出版社,1989.

[2] 黃文輝,任成均,陳志勇,等.梅江水沙特性變化分析[J].人民珠江,2007(5):37-38.

[3] 鐘兆和.五華縣堅持長期治理烏陂河小流域成效顯著[J].水土保持通報,1993,13(2):47-49.

[4] 楊永歡.五華縣水土流失現狀及保護對策[J].廣東水利水電,2011(4):69-71.

[5] 張金泉,徐頌軍.五華縣的水土流失及其分區治理[J].熱帶地理,1989,9(3):213-221.

[6] 古麗霞.五華縣水土流失現狀與治理[J].廣東建材,2010,26(3):169-171.

[7] 董磊華,熊立華,于坤霞,等.氣候變化與人類活動對水文影響的研究進展[J].水科學進展,2012,23(2):278-285.

[8] 傅伯杰,陳利頂,王軍,等.土地利用結構與生態過程[J].第四紀研究,2003,23(3):247-255.

[9] Turner M G. Landscape ecology: the effect of pattern on process[J]. Annual Review of Ecology and Systematics,1989,20(1):171-197.

[10] 王計平,陳利頂,汪亞峰.黃土高原地區景觀格局演變研究綜述[J].地理科學進展,2010,29(5):535-542.

[11] 張學霞,陳麗華.黃土高原地區流域景觀格局對水土流失的影響分析[J].北京林業大學學報,2008,30(2):95-102.

[12] 王麗娜.黃土高原地區小流域景觀格局及其尺度效應分析[D].遼寧阜新:遼寧工程技術大學,2011.

[13] 陳鵬飛.黃土丘陵溝壑區小流域水沙變化與土地利用格局演變的耦合研究[D].北京:北京林業大學,2010.

[14] 程復.黃土丘陵溝壑區生態恢復背景下土地利用變化對河川徑流泥沙影響研究[D].北京:北京林業大學,2011.