延河流域土地利用景观格局 变化对径流输沙的影响

Abstract

退耕还林（草）政策在黄土高原地区实施已逾 20 载，流域内土地利用景观 格局和径流泥沙发生显著变化，针对这一现象，本论文以延河流域为研究区，基 于甘谷驿水文站的长期实测水沙数据（1970-2010），结合四期遥感影像资料（1978 年、1990 年、2000 年、2010 年），采用 GIS、RS 和野外人工模拟降雨等技术手 段，运用景观生态学、数理统计和定性定量相结合的分析方法。在流域尺度上， 对延河流域的土地利用景观格局和径流泥沙变化特征进行分析总结，并建立景观 格局指数和径流泥沙指标之间的关系；同时，在坡面尺度上，研究不同恢复阶段 的人工刺槐林地、人工柠条林地和自然恢复草地的坡面产流产沙特征及减流减沙 效益，为解释流域尺度上土地利用景观格局变化对径流泥沙的影响提供理论基础。 研究取得的主要结论如下： （1）经过多年的生态建设和流域综合治理，尤其是退耕还林（草）工程的 实施，延河流域的土地利用景观格局发生了显著变化。在斑块水平上，耕地和草 地的破碎度较高，斑块形状也较复杂，林地、建设用地和水域斑块分布趋于集中 化，破碎度较小，形状较为简单；在景观水平上，以耕地为主导的土地利用景观 格局已不复存在，而以林地和草地为主导的新的土地利用景观格局正在形成，景 观格局大致经历了&ldquo;耕地主导-相对平衡-林草主导&rdquo;的变化过程，向集中化和简 单化的方向发展，由于林草植被的减蚀作用，以林草为主导的景观格局有利于生 态环境的改善。 （2）延河近 40 年的水沙量均呈下降趋势，输沙量的下降幅度高于径流量， Mann-Kendall 趋势检验表明， 2005 年为水沙发生突变的年份。其变化过程大致 经历了三个阶段，1970-1986 年为水沙波动期，1987-1996 年为丰水丰沙期， 1997-2010 年为枯水枯沙期。造成这种变化的主要原因不是降雨，而与流域内植 被恢复引起土地利用的阶段性变化有关。 （3）在流域尺度上，以耕林草为主导的土地利用景观格局与水沙变化关系 密切。在景观类型水平上，延河流域耕地斑块的分离度指数、林地斑块的连通度和草地斑块的斑块个数对流域的径流过程影响较大，耕地斑块的边缘密度、林地 斑块的斑块所占景观面积比、草地斑块的散布与并列指数与流域的输沙过程关系 密切。回归方程表明林地和草地斑块的面积越大和连通性越高，分布越集中；耕 地受人类活动的扰动越弱，分布越分散，则流域内的水土流失程度越弱，反之则 越强。在景观水平上，延河流域景观格局的斑块个数、平均斑块面积、多样性指 数和聚集度指数共同影响着流域的径流和输沙过程。回归方程表明景观的破碎化 程度越弱，多样性越丰富，分布越集中，流域的径流输沙量越小。 (4) 在坡面尺度上，植被恢复年限是影响延河流域自然恢复草地、人工柠 条林地和人工刺槐林地产流产沙的一个重要因素。同一植被恢复方式，在不同恢 复阶段的径流率和产沙强度变化规律各不相同。随恢复年限的增加，自然恢复草 地和人工柠条林地的径流率和产沙强度都减小，而人工刺槐林地则表现出径流率 差异不显著，产沙强度增大，主要是由于人工刺槐林地的郁闭度较高和树木高度 增加所致。各恢复阶段的累积径流量（Q W ）、累积产沙量（Q S ）和降雨历时之间 均存在较好的二次函数关系，而累计产沙量和累计产流量之间的相互关系可通过 幂函数来反应。 (5) 对于不同恢复阶段的自然恢复草地、人工柠条林地和人工刺槐林地， 其减沙效益均大于减流效益，这也很好的解释了流域尺度上泥沙减少幅度大于径 流的问题。人工刺槐林地的减流减沙效益最为突出，处在一个很高的水平，具有 蓄水减沙的水土保持功效，自然恢复草地和人工柠条林地的减水减沙效益都随恢 复年限的增加而增加，具有直接拦沙的水土保持功效。同时，处在恢复初期（0~8 年）的自然恢复草地和人工柠条林地，生态功能仍然比较脆弱，以及恢复后期（16 年以上）的人工刺槐林地，如果地表植被遭到破坏，仍然是暴雨条件下产沙的主 要来源之一，因此，在植被恢复重建过程中，要做好封育、禁牧等保护措施。 关键词：延河流域，土地利用景观格局，水沙变化，恢复阶段</p