南流江流域景觀格局變化對水沙過程的影響

摘要： 基于南流江近60 a的水沙數據和流域內近30 a的土地利用數據，采用景觀格局指數、水沙突變分析及Pearson相關性分析方法，分析流域景觀格局和水沙變化特征及其相關性。結果表明：流域內最主要的土地利用類型為林地，約占流域面積的60%，土地利用變化主要是林地、耕地、建設用地之間的轉變；流域景觀格局指數略有變化，景觀破碎度增加、形狀復雜；水沙年際變化均呈減少趨勢，徑流量和輸沙量的突變點均出現在2002年；水沙變化和景觀聚集度呈正相關關系，與景觀破碎化程度呈負相關關系。

關鍵詞： 水沙變化；土地利用；景觀格局指數；南流江流域

中圖分類號： S157文獻標識碼： ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.04.014

引用格式： 王夢竹，許珊珊，楊夏玲，等.南流江流域景觀格局變化對水沙過程的影響[J].中國水土保持，2025（4）：50-54.

流域水沙過程是河流系統的自然組成部分，在構建景觀、創造生態棲息地和輸送營養物質等方面發揮著重要作用[1]，對三角洲濕地資源時空變化也具有重要影響[2]。但是，近年來中國主要江河的徑流量和輸沙量總體均呈減少趨勢[3]，這給水沙管理帶來了嚴峻挑戰。水沙變化過程主要受氣候和人類活動的影響。大氣降水是氣候影響水沙變化過程的一個重要方式[4]。影響水沙變化過程的主要因素是人類活動，主要表現為在流域內進行水土保持、河道采砂、引水灌溉和改變地表覆被類型等[5]。這些活動會改變流域內的下墊面條件，導致景觀格局變化，進而影響水沙過程[6]。景觀格局的變化是表征土地利用變化的重要標志[7]。探究水沙變化過程對土地利用及景觀格局演變的響應，有助于優化流域水沙管理。

南流江是位于北部灣北部的山溪型中小型入海河流，具有流程短、流速快、流量小、對極端天氣響應迅速的特點。受氣候變化和人類活動共同影響，近年來南流江年均徑流量和年均含沙量均呈下降趨勢[8]。有學者從極端天氣[9]、降水[10]等方面探討了南流江入海水沙的變化，還有學者從土地利用的角度分析了南流江流域的水土流失狀況[11]。在人類活動影響下，流域景觀格局改變，對應的斑塊密度、形狀、數量和產匯流過程也會隨之發生變化[12]，進而影響流域的徑流量和輸沙量。因此，明確南流江流域水沙變化過程與景觀格局變化的關系，對于流域內水沙治理及土地利用規劃具有實際意義。

1研究區概況

南流江（東經109°00′～110°30′，北緯21°30′～23°00′）地處我國廣西東南部，是廣西獨流入海第一大河，全長287 km，流域面積約為9 291.9 km2。南流江發源于玉林大容山，自北向南流經北流市、玉林市、博白縣、浦北縣和合浦縣，最后在合浦縣注入北部灣[8]。南流江流域氣候溫暖濕潤，多年平均降水量1 736 mm，多年平均氣溫22 ℃。南流江流域概況見圖1[該圖基于全國地理信息資源目錄服務系統網站下載的審圖號為GS（2020）4619號標準地圖制作]。

2數據來源與研究方法

2.1數據來源

本研究1965—2022年徑流量和輸沙量數據主要來源于南流江常樂水文站的實測水沙數據[9]；土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心（http：//www.resdc.cn），分辨率為30 m，選取南流江流域1990年、2000年、2010年、2020年的4期土地利用數據。

2.2研究方法

1）土地利用和景觀指數的處理方法?；?990年、2000年、2010年、2020年的土地利用數據，利用ArcGIS軟件獲取分析景觀格局所需數據。采用 Fragstats 軟件計算土地利用類型的景觀格局指數，結合流域的實際狀況，最終選取PD（斑塊密度指數）、LPI（最大斑塊指數）、ED（邊緣密度）、LSI（形狀指數）、PAFRAC（面積分維數）、CONTAG（蔓延度指數）、IJI（散布與并列指標）、DIVISION（景觀分裂度指數）、SPLIT（分裂指數）、SHDI（香農多樣性指數）、AI（聚集度）共計11個景觀格局指數進行分析。

2）氣象水文數據處理方法。采用常樂水文站提供的1965—2022年水沙數據，利用一元線性回歸法描述徑流泥沙的年際變化趨勢，采用Mann-Kendall檢驗法[13]（以下簡稱“M-K檢驗”）、Pettitt檢驗法[14]和累計距平法檢測徑流泥沙的年際突變點。

3）景觀格局與徑流泥沙的關系探究。使用Pearson相關性分析方法對景觀格局特征與徑流泥沙量之間的關聯性進行量化分析，其相關系數取值介于-1至1之間：-1表示完全負相關，1表示完全正相關，0則意味著變量間不存在線性相關關系。利用SPSS 27.0軟件對景觀指數與流域徑流量、泥沙量進行Pearson相關性分析。

3結果與分析

3.1土地利用與景觀格局變化

利用ArcGIS 10.4軟件對南流江流域1990年、2000年、2010年、2020年4期土地利用數據進行分析，統計不同土地利用類型在南流江流域的分布面積，結果見表1。由表1可知，流域內林地面積最大，1990年、2000年、2010年、2020年林地面積占流域面積的比例分別為61.41%、61.08%、61.13%、60.69%；耕地面積次之，占流域面積的比例分別為28.40%、29.17%、28.74%、28.19%；之后是草地，占流域面積的比例分別為4.38%、3.44%、3.25%、3.29%；水域面積基本保持不變，未出現顯著波動； 王夢竹等：南流江流域景觀格局變化對水沙過程的影響建設用地則呈現出擴張態勢，占流域面積比例分別為3.05%、3.54%、4.08%、5.01%。

根據不同時期的土地利用類型面積，計算土地利用轉移矩陣，得到1990—2000年、2000—2010年、2010—2020年南流江流域的土地利用轉移矩陣（見表2、表3、表4）。整體來看，土地利用面積變化主要是林地、耕地、建設用地之間的轉變，草地、水域、未利用地變化不是很明顯。1990—2000年，林地主要轉移為耕地，轉移面積達123.35 km2；2000—2010年，耕地主要轉出為建設用地和林地，分別轉移了41.88、15.54 km2；2010—2020年，耕地主要轉出為林地和建設用地，轉移面積分別為94.80、70.86 km2。

使用Fragstats 4.2軟件對南流江流域4個時間點的土地利用數據進行景觀格局指數計算，得到南流江流域景觀格局指數變化見表5。由表5可知，PD呈現輕微下降后回升的趨勢，反映了流域內景觀破碎化程度減小后又有所增加；PAFRAC、IJI呈先增后減的變化趨勢，說明流域內景觀異質性先增后減，反映了景觀結構的動態變化；LPI從1990年的36.027下降到2020年的19.067，呈顯著下降趨勢，即在人類活動的影響下，流域內景觀破碎化程度增加；ED、LSI、DIVISION、SPLIT、SHDI呈上升趨勢，說明流域內片段之間的連接性減弱，同時斑塊形狀呈現日益復雜的趨勢；CONTAG出現波動上升趨勢，說明景觀連通性得到改善；相比之下，AI保持相對穩定，呈輕微下降趨勢，說明景觀結構相對穩定，但仍存在微小變化。

3.2水沙變化特征

1965—2022年南流江年均徑流量為51.07億m3，年均輸沙量為86.89萬t，水沙變化特征見圖2。由圖2可知，1965—2022年南流江徑流量呈減少趨勢，最大年徑流量發生在2002年，為88.04億m3；輸沙量則明顯減少，最大年輸沙量發生在1971年，為189.19萬t。根據觀測數據，1965—2022年南流江流域降水量呈不明顯的增加趨勢，徑流量和輸沙量均表現出下降趨勢，且輸沙量的下降幅度明顯大于徑流量，這表明南流江流域的水沙變化還受到外部因素的影響。

圖3為南流江流域水沙關系擬合結果。由圖3可知，南流江輸沙量與徑流量呈顯著正相關關系，相關系數為0.79；徑流量與降水量呈顯著正相關關系，相關系數為0.84。這說明輸沙量與徑流量、徑流量與降水量的變化趨勢之間存在密切關聯，降水量在一定程度上也會對輸沙量產生影響。

利用M-K檢驗、Pettitt檢驗、累計距平檢驗（均采用Matlab軟件分析）對南流江1965—2022年歷年徑流量和輸沙量數據進行突變檢驗分析，結果見表6。由表6可知，Pettitt檢驗對水沙突變表現出較高的靈敏性，并且其結果與累計距平檢驗的突變點相一致；而根據M-K檢驗，徑流量的突變發生在2003年，考慮到實際的年徑流量變化情況，其變化特征不夠顯著，所以認為該突變點不夠可靠。因此，在綜合分析流域內降水和徑流變化情況后，認為流域的水沙突變發生在2002年。

3.3景觀格局與徑流泥沙的相關關系

利用SPSS 27軟件，將南流江流域景觀格局指數與徑流量、輸沙量進行相關性分析，結果見圖4。由圖4可知，輸沙量、徑流量與AI、CONTAG、LPI均呈正相關關系，說明景觀中較為緊密、凝聚的斑塊結構有助于減少水土流失；輸沙量、徑流量與SHDI、SPLIT、DIVISION、LSI、ED均呈負相關關系，說明景觀結構的復雜性增加，導致水流路徑變得更加復雜，增加了水流的阻力和路徑長度，從而減小了徑流量和輸沙量；徑流量與PAFRAC、IJI均呈負相關關系，說明景觀破碎化和分散化程度越高，徑流匯聚能力越弱；輸沙量與PAFRAC、IJI的相關性均不強，輸沙量、徑流量與PD的相關性均不強，說明流域水土流失還受到其他因素的影響，如土壤質地、植被覆蓋等。

4討論

1990—2020年，南流江流域林地和耕地面積較大且分布廣泛，土地利用面積變化主要是耕地、林地和建設用地之間的轉移。土地利用及景觀格局指數的變化主要受政策驅動影響，比如2000年以來廣西大力推進退耕還林工程，顯著改善了石漠化地區的生態環境，特別是自2009年起，廣西大面積種植桉樹，進一步增加了林草面積，提高了植被覆蓋率[15]。受這些因素的影響，南流江流域耕地向林地轉移的面積明顯增加，由2000—2010年的15.54 km2增加到2010—2020年的94.80 km2。同時，流域內的景觀格局指數也發生了顯著變化，表現為斑塊形狀日益復雜。

水沙變化方面，1965—2022年南流江流域年降水量呈微弱增加趨勢，而年徑流量和年輸沙量整體均呈下降趨勢，這與相關學者研究結果一致。流域水沙變化受到多種因素的綜合影響，包括降水[10]、氣溫[8]、植被覆蓋率[16]、極端天氣[9]、人類活動等，其中人類活動的影響尤為顯著，比如采砂活動[8]。此外，玉林市、欽州市、北海市相繼實施退耕還林政策[17-18]，導致了土地覆蓋類型和景觀格局的變化，進而對水沙變化產生重要影響。

土地利用和景觀格局的變化在一定程度上影響了流域水沙的變化。隨著人類活動的影響，南流江流域土地利用類型發生調整，大斑塊面積呈減少趨勢，景觀格局向破碎化、復雜化方向發展。一方面，景觀破碎化和復雜化導致斑塊內部結構或連續性減弱，影響了地表徑流的匯流能力，進而影響流域產水、產沙過程。另一方面，土地利用類型越豐富，破碎化程度越高，植被的截留和下滲功能增強，從而減少了徑流量，進而影響泥沙輸移過程。這說明土地利用結構的調整必然引發景觀格局的相應變化，進而對水沙過程產生深遠影響。

5結論

1）南流江流域最主要的土地利用類型為林地，約占流域總面積的60%。1990—2020年土地利用面積變化主要是林地、耕地、建設用地之間的轉變，草地、水域、未利用地面積變化不是很明顯；受退耕還林政策影響，土地由耕地向林地的轉移面積持續增加。

2）南流江流域AI基本穩定，ED、LSI、DIVISION、SPLIT、CONTAG、SHDI呈上升趨勢，PD先減后增，PAFRAC、IJI先增后減，LPI呈顯著下降趨勢，說明流域內景觀破碎度緩慢增加，形狀更復雜但變化程度不明顯。

3）南流江流域1965—2022年多年平均徑流量和輸沙量分別為51.07億m3、86.89萬t，降水量呈不明顯的增加趨勢，徑流量和輸沙量均呈減少趨勢，但輸沙量的減少趨勢比徑流量明顯。徑流量和輸沙量的突變點均出現在2002年。

4）南流江流域的輸沙量、徑流量與AI、CONTAG、LPI均呈正相關關系，與SHDI、SPLIT、DIVISION、LSI、ED均呈負相關關系，即流域的水沙變化和景觀聚集度呈正相關關系，與景觀破碎化程度呈負相關關系。

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（責任編輯 李楊楊）