叶尔羌河流域景观格局变化对径流量的影响

摘要：分析景观格局在时空上的演变过程与河流径流量的相关关系，是认识干旱区生态环境变化的途径之一。采用监督分类的方法对叶尔羌河流域1990、2000、2005、2010年4期TM影像进行解译，获得土地利用/覆被数据，并进行景观类型综合处理，从时间和空间变化两个方面，在斑块水平、类型水平和景观水平方面分别探讨了新疆维吾尔自治区叶尔羌河流域近20年来景观格局的动态变化与水资源之间的关系，并分析了景观格局变化对河流径流量的综合作用。

关键词：景观格局；径流量；降水量；相关分析；叶尔羌河流域

中图分类号：P333.5（245） 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）19-4916-07

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.19.005

河流廊道是干旱区荒漠绿洲的主要生态流，河流廊道的变化是荒漠绿洲景观格局演变的主要驱动力[1]。景观格局演变指大小和形状不同的类型斑块在空间和时间上组合排列方式的改变，一定程度上体现了景观的空间异质性，是各种自然过程与人类活动综合作用的结果[2]。景观类型各相关参数的转移和变化，反映了景观格局随时间的演变过程，分析其转移变化，可以发现其内在规律。但在不同尺度上，景观格局演变的具体体现大不相同。全球尺度上，其表现为板块的移动、地壳的运动以及陆地与海洋间的相互转换；区域尺度上，其表现为景观空间面貌的改变和景观中物质的循环、能量的流动以及地下水和地表径流的转移、消耗等生态过程。目前，景观格局研究受到众多学者的关注，已在研究方法、研究内容等方面不断深化，相关报道有景观格局相关定义[3，4]、景观指数[5-7]、景观空间格局特征[8，9]、景观格局演变[10，11]和景观格局演变驱动力研究[12-14]等；其中景观格局与水资源响应机制的研究主要集中在利用统计分析方法探讨景观变化对河流径流量的影响[15]。学界内对景观格局与径流量的研究成果非常丰富，但由于研究区下垫面、气候和人类活动作用时间、作用方式的差异，各类研究成果差异较大[16-18]。景观生态学家在充分认识到格局过程关系的重要性以后，提出特定生态过程的景观格局分析将在当前及未来的景观格局分析中占据主导地位。判别景观格局的特征尺度是进行格局分析的前提，而这个特征尺度不仅包括空间尺度，还应包含时间尺度，二者缺一不可[19]。所以对干旱区内陆河流域尺度上景观时空演变进行研究是非常必要的[20，21]。20世纪80年代以来，许多学者将景观格局演变引入到土地利用与水资源关系的研究中，试图建立景观格局指数与流域水资源之间的量化关系[22]。从研究内容上看，目前主要从时间异质性、空间异质性、土地利用方式改变、景观驱动力因子等诸多方面对景观格局进行分析，这些研究大多停留在格局及其变化的层面，对该格局变化中的生态学过程的研究并不深入。格局、过程、尺度[23]是景观生态学研究的重点，仅仅研究格局问题是远远不够的。并且现实中多因素的综合作用引起了叶尔羌河河流径流量的变化，这些因素对径流量变化的影响程度会随着时空尺度的变化表现出显著差异，而传统相关分析方法对两者关系的量化强度较低[24，25]。基于景观指数的不确定性，不同的研究者对景观指数的选取并无规律，因此景观指数与河流水资源关系的研究具有一定的随机性[26]。叶尔羌河流域径流变化趋势和景观测度变化趋势是绿洲内的径流变化特征与绿洲景观格局演变综合作用的结果。

本研究主要从流域尺度上出发，对叶尔羌河流域的景观格局演变过程进行分析，以确定其格局形成的影响因子和内在机制与径流量之间的关系，通过计算一系列的景观格局指数，从斑块水平，景观异质性，景观破碎化等方面分析该流域的景观演变过程，发掘其内在规律，确定格局形成与河流径流量的异质性，结合空间分析方法，从时间异质性和空间邻近度两方面，阐明景观格局与径流量之间的内在联系[27，28]，进一步探索不同尺度下景观格局演变及其引起的生态效应，以期对今后城市规划建设、绿洲的合理利用与保护等方面提供理论依据[26，29-34]。

1 数据来源与方法

1.1 研究区概况

叶尔羌河流域（地处北纬34°50′-40°31′，东经74°28′-80°54′）位于新疆维吾尔自治区的西南部，塔里木盆地的西南面，发源于喀喇昆仑山脉，由西南流向东北，水系含叶尔羌河、提孜那甫河、柯克亚河与乌鲁克河4条河流（图1）；由于乌鲁克河和克柯亚河均为常年径流量不到1亿m3的小河，且枯水期径流量极小，因此此次研究只对叶尔羌河和提孜那甫河的径流过程进行分析。河流全长1 179 km，多年平均地表水总径流量75.71亿m3。流域总面积10.81万km2，其中山区面积6.08万km2，平原面积4.73万km2。该河流经叶城县、莎车县、泽普县、麦盖提县、巴楚县等地，在阿克苏县境内汇入塔里木河，是组成塔里木河的三大源流之一。叶尔羌河为冰雪补给型河流，上游的高山区覆盖着大量冰川，共有 5 925 km2，山区冰川覆盖率达10.5%。叶尔羌河在莎车县喀群乡以上为土石山岭，植被稀少，喀群乡以下滩地宽阔，土地平旷，平均宽约70 km，长约450 km，是新疆最大的一片绿洲。

1.2 数据来源与处理

利用ENVI 4.8软件对叶尔羌河流域1990、2000、2005、2010年4期8月份的Landsat TM（分辨率30 m×30 m）遥感影像数据进行大气校正、影像拼接，并以研究区所在面为ROI进行裁剪，辅以新疆流域分区图、Googleearth等选取1 000个像元以上的训练样本，利用监督分类最大似然法对图像进行信息提取解译分类，分类的Kappa系数分别达到0.832、0.867、0.854、0.878，说明图像分类精度可靠；将分类后图像导入ArcGIS 10.0中，进一步手动修改明显不合理的区域，最终将叶尔羌河流域土地利用类型分为8类，分别是耕地、林地、草地、水域、盐碱地、荒漠、冰川/永久积雪地和城乡建设用地，设置栅格数据重采样分辨率为60 m，导出栅格图像。

1.3 研究方法

1.3.1 景观格局时间动态变化 ①采用土地利用/覆被变化幅度分析土地利用类型的面积变化幅度，可反映不同土地利用类型在总量上的变化情况[35]。其表达式为：

R=（Ub-Ua）/Ua×100%， （1）

式中，R为研究时段内某种土地利用类型的变化幅度；Ua、Ub分别为研究初期和末期某一类土地利用类型的面积。②单一土地利用动态可表达区域内一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，并对预测未来土地利用/覆被的变化趋势具有积极作用，其计算公式为：

K=（Ub-Ua）/Ua×1/T×100%， （2）

式中，K为研究时段内某一土地利用类型的土地利用动态；Ua和Ub意义同上；T为研究时段长。K>0，表明这种土地利用类型的面积在增加；K

1.3.2 景观格局指数的选取 将ArcGIS 10.0输出的栅格图像加载到Fragstats 3.3中，计算叶尔羌河流域景观格局指数。此次研究所选的景观指数主要有5种，分别是面积指数（CA、NP、PD、MPS、LPI）、形状指数（AWMPFD、MPFD、LSI）、多样性指数（SHDI、HI、SHEI、VI）、空间构型指数（D、CO、CONTAG、AI），破碎化指数（ED、PLAND），由此对比分析，可得出近20年来叶尔羌河流域景观类型的变化转移情况。

1.3.3 景观格局指数与径流量的相关性分析 分别将计算出的叶尔羌河流域景观格局指数值与径流量数据汇总，利用SPSS 17.0软件对叶尔羌河流域4个年份景观格局指数的平均值和径流量均值进行相关分析，进一步研究景观格局的演变对径流量的影响。

2 结果与分析

2.1 景观类型分类结果

依据ENVI 4.8监督分类的结果，结合实际研究需要，利用ArcGIS 10.0软件将叶尔羌河流域研究区的各土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、盐碱地、荒漠、冰川/永久积雪地和城乡建设用地8个景观类型，具体见表1。利用ArcGIS 10.0软件对叶尔羌河流域1990、2000、2005、2010年4期的土地利用类型合并分类后作出叶尔羌河流域景观类型图，具体见图2。

2.2 景观格局时空分析

1990、2000、2005、2010年各景观类型面积占叶尔羌河流域总面积的百分比对比情况见图3。从图3可见，草地在该流域景观类型中占主导地位，草地面积在20年里的面积分别占叶尔羌河流域总面积的45.12%、43.41%、41.76%和41.67%。20年来叶尔羌河流域土地利用类型变化幅度和动态度改变情况见表2。从表2可见，从1990年以来，草地、林地和冰川/永久积雪地面积均相应减少，变化幅度分别为-0.10%、-0.24%和-0.06%；而荒漠、水域、耕地、城市建设用地和盐碱地面积均呈现一定的上升趋势，其中耕地、盐碱地面积变化幅度最大，分别为1.50%和4.12%。耕地在2000-2005年面积增长最快，增长率达11.76%；盐碱地在2000-2005年面积上升趋势最强烈，增长率达53.33%。这表明2000-2005年这5年间，人口对耕地的需求最大，但同时由于当时人们对合理开发资源的意识较低，导致大量耕地肥力流失，转化为盐碱地。

2.2.1 斑块形状指数 景观斑块形状指数有很多，此次研究主要选取斑块面积（TA）、最大拼块所占景观面积的比例（LPI）、景观平均斑块面积（AREA-MN）、斑块面积变异系数（AREA-CV）4个指标衡量叶尔羌河流域的景观斑块形状指数，1990-2010年叶尔羌河流域景观斑块形状指数的变化情况见表3。从表3可见，在20年间，研究区的斑块面积、最大拼块所占景观面积的比例、景观平均斑块面积和斑块面积变异系数均出现了一定程度的波动。就斑块面积而言，近20年来减少了0.03万hm2，最大拼块所占景观面积的比例在1990-2005年增加了4.82，在2005-2010年间虽稍微有些下降，但整体呈现上升趋势，这说明该流域斑块形状总体正向规则化与简单化发展。另外，占主导地位的景观类型草地所占百分比直线下降（图4），这一现象与近年来的城市建设与开发有着密不可分的关系。就叶尔羌河流域各景观类型来看，草地和荒漠的斑块面积、最大拼块所占景观面积的比例、类型平均斑块面积、斑块面积变异系数都是最大的，而耕地、林地、水域、盐碱地和城乡建设用地以及冰川/永久积雪地的各项指数则相对较小。荒漠、草地、水域与盐碱地的斑块面积变异系数在1990-2005年呈上升趋势，2005-2010年则开始缓慢下降；草地、荒漠的类型平均斑块面积在这20年里均在不断下降；耕地的平均斑块面积则呈现出与斑块面积变异系数相反的趋势，城乡建设用地由于其基础面积的狭小，类型平均斑块面积和斑块面积变异系数的变化趋势也不明显，此2种景观类型受人类活动影响最为显著，在扩张的过程中，由于人为因素的干扰，其斑块形状逐步趋于规则化。1990年草地面积442.47万hm2，荒漠面积332.83万hm2；到2010年草地面积减少了43.65万hm2，荒漠面积增加了31.67万hm2（图4），两者的斑块面积变异系数均呈现一定的上升趋势，说明这2种斑块形状逐渐趋于复杂不规则，究其原因，草地与荒漠在研究区所占面积较大，与其他土地利用类型镶嵌分布，因此其形状不一、种类多变；而耕地、水域和城乡建设用地的斑块形状都较稳定与规则，斑块形状最为简单。

2.2.2 景观多样性指数 在多样性指数方面，1990-2010年叶尔羌河流域景观多样性指数中的香农多样性指数（SHDI）和香农均匀度指数（SHEI）在增加，这意味着优势度的减少，即优势景观类型的所占比例在减少，优势景观类型对整体区域的控制作用降低。在20年里，景观的斑块数量先增加后减少，总体呈上升趋势，表明该流域整体趋于破碎化，景观多样性不断增加。叶尔羌河流域香农多样性指数由1.301 1升高到1.421 7，增加了0.120 6，香农均匀度指数上升了0.048 2，两者上升幅度分别为9.3%和7.6%。对比发现，香农多样性指数和香农均匀度指数在时间上的差异不大，但在整个流域里表现为微弱的上升趋势，说明该流域各景观类型具有匀质化分布趋势。具体在该流域中的反映为占主导地位的草地面积不断缩减，逐步转化为耕地等其他土地利用类型，这对整体区域的控制作用下降；而荒漠、耕地、盐碱地和城乡建设用地等的斑块面积动态度剧增，其中耕地、盐碱地面积变化幅度最大，分别达1.5%和4.12%。