皇甫川流域属干旱与半干旱气候,受季风影响,年均降水量350～450 mm,中上游地区年平均气温6.2～8.7℃,温差较大,平均风速1.9～3.4 m/s。皇甫川流域按地表物质分布和侵蚀差异,可将流域分为黄土丘陵沟壑区、沙化黄土丘陵沟壑区、砒砂岩丘陵沟壑区3个类型区。

皇甫川属多沙粗沙河流,全长1 251 km,流域面积3 246 km²,多年平均输沙量为6 120万t,输沙模数平均为1.91万t/(km²·a),其中50%以上地区输沙模数在2.1万t/(km²·a)以上,局部地区个别年份高达3～5万t/(km²·a)以上。大于0.05 mm的粗泥沙占总沙量的61.3%,粗泥沙模数为1.2万t/(km²·a),是黄河中游地区的剧烈侵蚀中心和粗泥沙主要来源地之一^[9]。

土地利用数据来自于地理国情监测云平台,基于Landsat 30 m遥感影像获取,经过影像融合、几何校正、图像增强与拼接等处理后,通过人机交互目视解译的方法,按照国家土地利用分类方法,结合刘纪远等在建设“中国20世纪LUCC时空平台”建立的LUCC分类系统^[10],将土地利用类型划分为6个一级类和25个二级类。以流域 1990—2010年5期的土地利用为基础资料,分4段(1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年,2005—2010年),通过 ArcGIS分析流域土地利用时空变化和内部动态转移情况。

年降水数据、径流数据来源于流域把口站皇甫水文站,输沙数据来源于:《中华人民共和国水文年鉴》,及黄河流域水文资料,时间为1956—2015年。

采用皇甫水文站提供的1956—2015年降雨量、径流量、输沙量,利用变差系数^[11](Cv)分析径流泥沙的年内变化特征; 利用一元线性回归法^[12]、滑动平均法^[13]描述径流的年际变化趋势; 利用滑动t检验法^[14-15]和 Pettitt法^[16-17]检测径流泥沙的年际突变点。

在ArcGIS 10.2平台上,对流域5期土地利用(1990—2010年)数据进行重分类,分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用土地六大种类。同一流域,不同时期,土地转移情况根据自然变化、人为干预的变化而产生变化^[18]。借助软件中Spatial Analyst工具合并相邻两期土地利用类型分布图,在合并后的地图中,得到不同土地利用类型面积的转移变化量,即某类土地利用类型的转入或转出面积,得知区域内不同利用类型用地面积间相互转移的大小和过程,为之后研究转移因素和规律做基础。

利用FRAGSTATS 4.2计算景观指数。研究区特征可划分为斑块、类型、景观3个尺度,通过各类尺度的景观指数对景观格局进行准确反映,同时更加准确地表征景观在空间上的配置和相关属性; FRAGSTATS能够计算不同尺度的景观指数,所以选择合适、适量的景观指数对景观配置分析的合理性尤为重要; 其中部分指标间可以相互转化,且具有极显著相关性,因此在选择指标前,要对大量的指标进行筛选选择能够精确概化研究区景观特征的指标进行研究分析^[19]; 本文在景观尺度上选择9种能够表征流域景观格局特征的指数进行计算和分析。部分指数的计算方法与生态学意义参见文献[20]和表1。

通过高度浓缩景观格局信息,结合流域的径流泥沙资料,综合描述该流域的景观空间配置与水沙关系,利用国际标准通用软件 CANOCO 5. 0采用线性模型对各指标进行冗余分析,分析年径流量、年输沙量等径流泥沙因子与景观指数之间的相关关系,作为多元线性回归的拓展,RDA能进行多变量直接梯度分析,即分析两个变量集之间的线性关系,并将两个变量集反映在同一直角坐标系中,直观反映两变量集的相关关系^[21-22],通过该相关关系可以揭示景观格局与水沙的响应。

表1 景观格局指数计算公式及其生态学意义

皇甫川流域受季风影响,降水量年内分布不均,自1月起降水逐渐增多,在每年7—8月达到最大值,随后逐渐减少,到12月降至最低。径流量在7—9月变化明显,径流从每年7月进入汛期,月径流量较前几月有明显增加,8月达到最大,9月径流量降幅明显,其中8月是每年径流量最大的月份,7—9月径流量占全年的77.89%,年内径流量变异系数(Cv)为1.49,表明流域年内径流总体变化程度较大,年内分配极不均匀。皇甫川河流输沙量主要集中在6—9月,与径流量呈极显著正相关,相关系数为0.951。年内输沙量Cv值为1.96,表明流域年内输沙变异程度较大(图1)。

图1 皇甫川流域水沙年内变化趋势

流域降水、径流、输沙年际变化见图2。多年平均降水量为337.4 mm,总体呈减少趋势。多年平均径流量为1.48亿m³,呈显著下降趋势,最大径流量为1954年5.88亿m³,而在2010年11月至2011年12月基流出现断流,年际差异较大。多年平均输沙量为0.32亿t,呈显著下降趋势,最大输沙量为1959年的1.63亿t。输沙量阶段划分较为明显,由图2可见,1956—1989年属于多沙阶段,1990—2015属于少沙阶段。皇甫川流域降水、径流、输沙变化幅度基本一致(图3),年降水量与年径流量变化呈极显著线性相关,Pearson相关系数为0.718; 流域1956—2015年输沙量最大时径流量也属此年间较大值; 当输沙量最小时,径流量也属60 a间最小值,年径流量与年输沙量变化呈极显著线性相关,pearson相关系数为0.883。

进一步分析皇甫川流域水沙变化突变特征(表2),利用滑动t检验法,设置步长为3时,在0.05水平上,检测到超出置信区间范围的点有多个,这些时期水沙可能发生了突变,也可能是由于方法问题造成的误差。因此再利用Pettitt法来进行检验,通过对比分析,最终确定1984年、1988年分别为径流量和输沙量的突变点,这与学者魏艳红等^[23]的研究较一致,说明该流域水沙变化拐点在20世纪80年代。

图2 皇甫川流域水沙年际变化趋势

图3 皇甫川流域水沙相关关系

五期土地利用类型均以草地为主,面积占比达到流域总面积的65%左右; 耕地面积占比次之,约为20%; 林地和未利用土地面积所占比例很小,在5%左右; 水域和建设用地面积占比几乎可忽略不计。由表3可见,流域耕地面积在 2005—2010年显著减少,林地、草地面积在此期间显著增加,建设用地面积也在 2000年后有所增加; 这种变化与长期的水土保持工作和城市化的不断进展之间具有重要的关系。

由表4可看出,皇甫川流域 1990-2010年各类土地利用面积转移较明显,流域主要土地利用变化是耕地向林地和草地的转移,以及未利用地向草地的转移; 其中耕地向草地、林地的转移面积分别占到耕地总转移面积的48.97%和24.04%,未利用地向草地的转移面积占到未利用地总转移面积的94.76%。

表2 皇甫川流域水沙变化突变点检测

表3 皇甫川流域土地利用类型统计

表4 1990-2010年皇甫川流域土地利用类型转移矩阵km2

利用 FRAGSTATS 4.2软件对流域多期土地利用数据进行景观水平和类型水平的景观格局运算,得到的景观指数计算结果见表5。

景观水平上,1990—2010年,皇甫川流域的斑块数量(NP)基本呈增加趋势,斑块密度指数(PD)与NP值变化趋势一致,说明流域中景观破碎度逐渐增加,景观中大斑块有分裂趋势,连续性变差。

从景观形状指数上看,大型斑块面积(LPI)基本稳定,形状指数(LSI)呈现波动缓慢上升趋势,由1990年的49.44增加到2010年的52.22,香农多样性指数(SHDI)基本稳定,表明流域景观斑块的形状越来越复杂但变化程度不明显。从破碎程度上看,面积分维数(PAFRAC)基本稳定,斑块凝聚度指数(COHESION)基本稳定,景观分裂度指数(DIVISION)基本稳定,这三者趋势相似且处于中等偏上水平,蔓延度指数(CONTAG)呈波动缓慢下降趋势,表明景观具有多种要素的密集格局,景观的破碎化程度较高,流域景观优势斑块优势度、分割度和聚集度处于中等偏上。皇甫川流域景观总体结构未发生重大变化,景观异质性上升。

表5 流域景观指数变化特征

皇甫川流域1990—2010年5期的景观指数与径流量、输沙量与间的冗余度分析见图4。景观格局指数用红色箭头表示,箭头连线越长对模型贡献率越大,反之,则越小; 箭头与排序轴的夹角表示相关性的大小,夹角越小,相关性越大; 景观格局指数箭头连线在径流量、输沙量箭头连线上的投影越长,则对水沙变化的影响越大。

由图4可知,NP,PD,LSI,PAFRAC与径流呈极显著负相关,说明景观斑块数量越多,斑块破碎化程度越高,斑块的形状越复杂,流域径流的减幅越大。CONTAG与径流呈显著正相关,表明斑块蔓延程度对径流有显著的直接影响,随着景观斑块的结合蔓延,径流量减少趋势变弱。PD,NP,LSI与输沙呈显著负相关,说明斑块数目越多、景观越破碎,对泥沙的阻滞具有积极显著的作用。CONTAG与输沙呈显著正相关,表明景观斑块越联通,流域的输沙量减幅越小。其余指数中,COHESION对水沙变化表现为正相关,SHDI对水沙变化表现为负相关。皇甫川流域的几种景观格局指数与径流量、泥沙量均呈明显相关关系。

图4 流域水沙变化与景观格局指数的冗余度分析(RDA)

影响皇甫川流域水沙变化的原因是复杂的、多因素的,其中气候变化与下垫面环境的变化是尤为重要的两个因素。降水是影响流域水文循环的重要因素,同时也是流域发生土壤侵蚀的重要动力之一,降雨的年际波动与流域水沙变化具有密切地关系。与此同时,皇甫川作为多沙粗沙区的重点治理流域,域内严格实行退耕还林政策以及布设各类水土保持工程措施,在各项措施共同作用下土地覆盖及景观格局发生了剧烈的变化,这也是造成该流域水沙变化的重要原因,本研究利用景观格局指数表征下垫面环境的变化,初步研究了皇甫川流域水沙变化对流域景观格局的响应。

皇甫川流域主要的土地利用类型为草地,主要的土地利用转移类型也是耕地向林地和草地的转移,以及未利用地向草地的转移,土地利用和景观格局指数的变化主要是由于国家对西部生态恢复的重视与水土保持工程的逐步深化开展和实施,和 1999年国家在西部地区对退耕还林(草)政策进行试点,从保护和改善生态环境出发,将易造成水土流失的坡耕地有计划,有步骤地停止耕种,按照适地适树的原则,因地制宜地植树造林,恢复森林植被^[24]。在皇甫川流域的这二十年间,主要实施退耕还林政策时先稳定农业生产力保持耕地面积减幅缓慢而大量的开发荒地,把未利用土地面积进行改变,选择生长周期短的草进行初期恢复,所以土地转移中耕地和未利用土地转移量比较可观。除耕地和未利用地向草地转移外,流域内其他土地利用面积变化相对不大,而景观格局指数有明显变化,尤其是景观斑块的形状越来越复杂,景观异质性也有所提高。究其原因,是土地利用转移矩阵只是直观表示土地数量及类型的转换,但是景观指数可以从内部结构反映流域土地利用的变化,在土地利用某一类型面积没变化的情况下,内部景观的分布位置有所调整所引起的。

皇甫川流域径流输沙量的变化是气候因素以及各种人类活动因素共同作用的结果,大规模的水土保持措施,如退耕还林还草,表征在耕地面积的减少和林草地面积的增加,可以很好的用土地利用变化来解释。景观格局指数从各土地利用类型斑块内部结构反映了斑块的面积、密度、邻近度、多样性和聚散性等。因此,本文着重研究土地利用和景观格局变化对流域水沙变化的影响,发现皇甫川流域由于人类活动对流域土地利用类型的改变,景观指数保持高聚集,向着多类型、破碎化的方向发展,土地利用越丰富,破碎化程度越高,但优势斑块类型内部连性较好,则越对水沙减少产生积极显著的影响。说明改变流域土地配置,景观格局必然相应发生变化,因此想要改变流域水沙趋势,可以通过间接改变土地配置实现。