全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 苑期摇 摇 圆园员源年 源月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
青藏高原东北部 缘园园园 年来气候变化与若尔盖湿地历史生态学研究进展
何奕忻袁吴摇 宁袁朱求安袁等 渊员远员缘冤
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天山云杉森林土壤有机碳沿海拔的分布规律及其影响因素 阿米娜木窑艾力袁常顺利袁张毓涛袁等 渊员远圆远冤噎噎
个体与基础生态
小兴安岭红松日径向变化及其对气象因子的响应 李兴欢袁刘瑞鹏袁毛子军袁等 渊员远猿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
采伐剩余物对林地表层土壤生化特性和酶活性的影响 吴波波袁郭剑芬袁吴君君袁等 渊员远源缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
庞泉沟自然保护区典型森林土壤大团聚体特征 白秀梅袁韩有志袁郭汉清 渊员远缘源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
思茅松天然林树冠结构模型 欧光龙袁肖义发袁王俊峰袁等 渊员远远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
镁缺乏和过量胁迫对纽荷尔脐橙叶绿素荧光特性的影响 凌丽俐袁黄摇 翼袁彭良志袁等 渊员远苑圆冤噎噎噎噎噎噎噎
斑块生境中食果鸟类对南方红豆杉种子的取食和传播 李摇 宁袁王摇 征袁鲁长虎袁等 渊员远愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
重金属铅与两种淡水藻的相互作用 刘摇 璐袁闫摇 浩袁李摇 诚袁等 渊员远怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
刺参养殖池塘初级生产力及其粒级结构周年变化 姜森颢袁周一兵袁唐伯平袁等 渊员远怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
控渊微囊冤藻鲢尧鳙排泄物光能与生长活性 王银平袁谷孝鸿袁曾庆飞袁等 渊员苑园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
五爪金龙中香豆素类物质含量及其对福寿螺尧水稻和稗草的影响 犹昌艳袁杨摇 宇袁胡摇 飞袁等 渊员苑员远冤噎噎噎
种群尧群落和生态系统
西双版纳国家级自然保护区勐腊子保护区亚洲象种群和栖息地评价 林摇 柳袁金延飞袁陈德坤袁等 渊员苑圆缘冤噎噎
莱州湾鱼类群落同功能种团的季节变化 李摇 凡袁徐炳庆袁马元庆袁等 渊员苑猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
长期不同施肥方式对麦田杂草群落的影响 蒋摇 敏袁沈明星袁沈新平袁等 渊员苑源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
极端干旱条件下燕麦垄沟覆盖系统水生态过程 周摇 宏袁张恒嘉袁莫摇 非袁等 渊员苑缘苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
流域景观格局变化对洪枯径流影响的 杂宰粤栽模型模拟分析 林炳青袁陈兴伟袁陈摇 莹袁等 渊员苑苑圆冤噎噎噎噎噎
近 圆园年青藏高原东北部禾本科牧草生育期变化特征 徐维新袁辛元春袁张摇 娟袁等 渊员苑愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
丽江城市不同区域景观美学 郭先华袁赵千钧袁崔胜辉袁等 渊员苑怨源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
珠三角河网水域栅藻的时空分布特征 王摇 超袁李新辉袁赖子尼袁等 渊员愿园园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
博斯腾湖细菌丰度时空分布及其与环境因子的关系 王博雯袁汤祥明袁高摇 光袁等 渊员愿员圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
遗传算法支持下土地利用空间分形特征尺度域的识别 吴摇 浩袁李摇 岩袁史文中袁等 渊员愿圆圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎
川西亚高山不同海拔岷江冷杉树轮碳稳定同位素对气候的响应 靳摇 翔袁徐摇 庆袁刘世荣袁等 渊员愿猿员冤噎噎噎噎
基于 耘杂阅粤的西北太平洋柔鱼资源空间热点区域及其变动研究 冯永玖袁陈新军袁杨铭霞袁等 渊员愿源员冤噎噎噎噎
城乡与社会生态
基于居民生态认知的非使用价值支付意愿空间分异研究要要要以三江平原湿地为例
高摇 琴袁敖长林袁陈红光袁等 渊员愿缘员冤
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浑河河水及其沿岸地下水污染特征 崔摇 健袁都基众袁王晓光 渊员愿远园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
社会生态系统及脆弱性驱动机制分析 余中元袁李摇 波袁张新时 渊员愿苑园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
等渗 晕葬悦造和 悦葬渊晕韵猿冤 圆胁迫对黄瓜幼苗生长和生理特性的影响 周摇 珩袁郭世荣袁邵慧娟袁等 渊员愿愿园冤噎噎噎
专家观点
关于野生态保护和建设冶名称和内涵的探讨 沈国舫 渊员愿怨员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆愿圆鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢圆怨鄢圆园员源鄄园源
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 红豆杉人工林要要要红豆杉为常绿针叶乔木袁树高可达 圆缘皂袁属国家一级保护植物遥 红豆杉中含有的紫杉醇袁具有独
特的抗癌机制和较高的抗癌活性袁能阻止癌细胞的繁殖尧抑制肿瘤细胞的迁移袁是世界公认的抗癌药遥 红豆杉在我
国共有 源个种和 员个变种袁即云南红豆杉尧西藏红豆杉尧东北红豆杉尧中国红豆杉和南方红豆杉渊变种冤遥 由于天然红
豆杉稀缺袁国家严禁采伐利用袁因而我国南方很多地方都采取人工种植的方法生产利用遥 人工种植的南方红豆杉在
南方山区多呈斑块状分布袁斑块生境中鸟类对红豆杉种子的传播有重要的影响遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 7 期
2014年 4月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.7
Apr.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50979015);福建省公益科研院所专项重点项目(2013R04);2012年福建省公益科研院所专项(N00298)
收稿日期:2013鄄04鄄22; 摇 摇 修订日期:2013鄄11鄄13
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: cxwchen215@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201304220769
林炳青,陈兴伟,陈莹,刘梅冰.流域景观格局变化对洪枯径流影响的 SWAT模型模拟分析.生态学报,2014,34(7):1772鄄1780.
Lin B Q, Chen X W, Chen Y,Liu M B.Simulations and analysis on the effects of landscape pattern change on flood and low flow based on SWAT model.
Acta Ecologica Sinica,2014,34(7):1772鄄1780.
流域景观格局变化对洪枯径流影响的
SWAT模型模拟分析
林炳青1,陈兴伟1,2,3,*,陈摇 莹1,2,刘梅冰1,2
(1. 福建师范大学地理科学学院, 福州摇 350007; 2. 湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地, 福州摇 350007;
3. 福建省陆地灾害监测评估工程技术研究中心, 福州摇 350007)
摘要:为了进一步揭示流域景观格局变化的水文效应,以晋江流域为研究区,基于 SWAT 模型分别模拟 1985 年和 2006 年两种
景观格局下,2002—2010年气象条件时的日径流过程;应用景观格局分析法和 Pearson 相关分析法,定量分析了景观格局变化
对洪枯径流的影响,探讨了影响机制。 研究表明:(1)SWAT模型能够较精确模拟晋江流域的日径流过程;(2)2002—2010年气
象条件时,与 1985年景观格局相比,在 2006年景观格局下晋江流域年平均最大 1 d和连续最大 5 d 径流深分别增加 5.46%和
4郾 97%,年平均最小 1 d和连续最小 7 d径流深分别减少 3.79%和 2.55%;(3)洪水径流与景观格局相关性最显著,最大 1 d和连
续最大 5 d与林地景观面积呈显著负相关,相关系数分别为-0.764和-0.721;最大 1 d与 Shannon多样性指数和 Shannon均匀度
指数呈显著正相关,相关系数分别为 0.721和 0.736;与最大斑块指数和蔓延度呈显著负相关,相关系数分别为-0.61和-0.596,
说明林地景观面积的减少降低了流域对强降水的截留能力;景观类型均衡化分布,连通性降低,降低了水分在流域的内部循环
能力,导致洪峰流量的增加;(4)景观格局指数与最小 1 d和连续最小 7 d的相关性不显著,说明景观格局变化对枯水径流的直
接影响较小。
关键词:景观格局;洪枯, 径流;SWAT模型;晋江流域
Simulations and analysis on the effects of landscape pattern change on flood and
low flow based on SWAT model
LIN Bingqing1, CHEN Xingwei1,2,3,*, CHEN Ying1,2,LIU Meibing1,2
1 College of Geographic Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China
2 Cultivation Base of State Key Laboratory of Humid Subtropical Mountain Ecology, Fuzhou 350007, China
3 Fujian Provincial Engineering Research Center for Monitoring and Assessing Terrestrial Disasters, Fuzhou 350007, China
Abstract: The effects of landscape pattern change on hydrological processes have become one of the major ecological
concerns in the world. Some researches have been working on the yearly and monthly runoff response to the landscape
pattern change based on distributed hydrological model. How the daily runoff, such as flood and low flow, responds to
landscape pattern change has not been well studied. The study area of Jinjiang watershed, which is situated at southeastern
China, is one of the regions where the economy grow fast and the landscape pattern change dramatically. It is worth to reveal
how the change in landscape pattern influences the flood and low flow for the regional ecological security and economic
development. In this paper, an integrated approach of distributed hydrological modeling and Pearson correlation analysis was
applied to quantify the contributions of the changes of landscape indices on the variation in flood and low flow. Daily stream
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flow under the meteorological condition from 2002 to 2010 was simulated with the landscape pattern maps in two periods
(1985 and 2006) using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), respectively. The changes of annual maximum 1鄄
day, 5鄄day, and minimum 1鄄day, 7鄄day stream鄄flow between two simulations were calculated. Finally, the changes of
stream鄄flow were related to the changes of landscape indices in Pearson correlation to quantify the impacts of changes in
landscape on that of flood and low flow.
The results show as following: (1) All Ens and R2 are above 0.75, and Ers are in the range of 依10% in the calibration
and validation period for three gauge stations, suggesting SWAT model is well performance. ( 2) Compared with the
landscape in 1985, the annual mean maximum 1鄄day and 5鄄day stream flow from 2002 to 2010, which was simulated by
SWAT model with the landscape in 2006, increases by 5.46% and 4.97% in the Jinjiang watershed, while the annual mean
minimum 1鄄day and 7鄄day stream flow decreases by 3.79% and 2.55%, respectively. (3) There are significant correlations
between the variation of flood flow and landscape indices. The forestland area is negatively related with annual maximum 1鄄
day and 5鄄day stream flow with the correlation coefficients of -0.764 and -0.721. The glass area is positively related with
annual minimum 1鄄day and 7鄄day stream flow with the correlation coefficients of 0. 461 and 0. 478, respectively. It
demonstrates that the increase of forest area can reduce the discharge of flood, while the increase of glass area can increase
the discharge of low flow. Furthermore, the relationships between landscape metrics and flood are also revealed. SHDI and
SHEI are significantly positively related with maximum 1鄄day flow with the correlation coefficients of 0. 721 and 0.736,
respectively. On the other hand, LPI and CONTAG show negative relationships with maximum 1鄄day flow with the
coefficients of - 0. 61 and - 0. 596, respectively. The relationships between landscape metrics and flood reveal that
equilibrium distribution of landscape classes and low connectivity reduces hydrologic cycle of the basin and eventually leads
to the increase of flood flow. (4) Landscape metrics are not significantly related with low flow indicate that the impact of the
change in landscape on that of the low flow is not so important.
Key Words: landscape pattern; flood; low flow; SWAT model; Jinjiang watershed
摇 摇 景观格局是由相互作用的生态系统空间镶嵌组
成的异质区域,是各种自然因素和人类活动共同作
用的结果,而人类活动的影响主要表现为土地利用
覆被变化对景观格局演变的驱动[1]。 不同的景观格
局改变降水的分配形式、蒸散发和产汇流机制,从而
影响了径流量等水文要素的变化[2鄄6];目前人类活动
水文效应的研究也主要侧重于对径流影响的研
究[7鄄9]。 方法上主要是通过特征参数时间序列法开
展相关的研究[2,9鄄11],但由于资料时间序列短、观测
密度不足,尚难于将景观格局和径流之间建立明确
的相关性。 研究表明,在相同气象条件下,通过水文
模型对过去、现阶段或极端土地覆被情景的径流模
拟,可以为研究人类活动对径流的影响提供参
考[12鄄15]。 已有学者采用分布式水文模型 SWAT(Soil
and Water Assessment Tool)模型、TOPOG 模型定量
分析了景观格局变化的径流效应,结果表明流域景
观格局变化对径流具有重要的影响[16鄄18]。 然而上述
研究大多是分析流域景观面积变化的年、月径流响
应,缺少探讨对日径流影响的分析,因此难以将景观
格局变化与通常是日时间尺度的洪枯等水文极值事
件相结合研究,无法全面揭示水文要素对景观格局
变化的响应机制。
晋江流域位于我国东南沿海经济快速增长的泉
州市,是福建省土地利用变化最为剧烈的地区之一,
80年代以来大量林草地、耕地向园地和建设用地转
化。 业已开展的关于晋江流域 SWAT 模型的年、月
径流模拟研究,初步揭示了土地覆被变化对流域径
流的影响[19鄄20],但还未探讨日时间尺度的洪枯径流
对景观格局变化的响应机制。 因此本文在对流域
1985年和 2006年景观格局分析基础上,建立适合该
流域日径流模拟的 SWAT 模型,在全流域和子流域
尺度上,模拟相同气象条件下,不同景观格局的洪枯
径流响应,并探讨其响应机制,以期对晋江流域防灾
减灾与生态环境治理提供科学的依据。
3771摇 7期 摇 摇 摇 林炳青摇 等:流域景观格局变化对洪枯径流影响的 SWAT模型模拟分析 摇
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1摇 研究区概况与数据
1.1摇 研究区概况
摇 摇 晋江流域位于福建东南沿海,泉州市东南部,处
于闽江与九龙江之间,流域面积 5629 km2,占泉州市
土地总面积 53.8%。 晋江是福建省第 3 大河流,全
长 302 km,干流长 182 km,有东溪和西溪两大支流,
两溪汇流于南安的双溪口(石砻水文站以上 2.5 km
处)。 本研究选取石砻水文站以上的流域为研究区,
流域控制面积为 5042 km2(图 1)。 地形以西北戴云
山脉为主,地势由西北向东南海面倾斜,呈波状起伏
梯级分布。 土壤类型主要有红壤、黄红壤、黄
壤和水稻土。土地利用类型以有林地为主,其次是
图 1摇 晋江流域水系图
Fig.1摇 River system of Jinjiang watershed
园地、耕地和建设用地。 流域气候属于南亚热带湿
润气候区,平均气温 20—21 益,多年平均降水量
1200—1900 mm,降水年内分布不均,主要集中在
5—8月,约占全年降雨的 60%,夏季多对流性暴雨
和台风雨,洪涝灾害较频繁。 同时,该区经济发达,
人类活动较活跃,流域土地覆被变化也较明显,这些
均对径流产生了不同程度的影响。
1.2摇 数据来源
(1) 空间数据 摇 包括 DEM ( Digital Elevation
Model)、土壤类型和土地利用数据。 流域 DEM 来自
于“中国科学院国际科学数据服务平台冶,空间分辨
率为 30 m[21]。 土壤数据通过对福建省土壤肥料实
验站 1颐50万土壤类型图数字化得到,并概化成 11种
主要土壤类型,土壤的水文属性通过美国农业部开
发的土壤水特性软件 SPAW(Soil Plant Atmosphere
Water)软件计算得到[22]。 土地利用数据包括 1985
年和 2006 年两土地利用现状图,其中 1985 年的数
据来源于中国科学院南京土壤所,2006 年源于 TM
遥感影像解译所得(图 2)。 在景观类型提取过程
中,参考研究区的文献资料[23],并结合其土地利用
特征,将晋江流域景观类型分为水田、旱地、林地、园
地、草地、建设用地、水域和未利用地 8种类型。
(2)水文气象数据摇 包括晋江流域 32 个雨量站
点 2001—2010年日降水量,安溪站和石砻站 2 个水
文站点 2001—2010年日径流量,数据来源于福建省
水文资源勘测局;山美水库水文站2001—2010年日
图 2摇 研究区 1985年和 2006年土地利用覆被分布
Fig.2摇 Land use and land cover maps of study area in 1985, 2006
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入库和日出库径流量,数据来源于泉州市山美水库
管理局。 此外还有永春、德化 2 个气象站点 2001—
2010 年数据,包括月平均最高气温、月平均最低气
温,太阳辐射,风速,相对湿度等资料,数据来源于福
建省气象局。
2摇 研究方法
2.1摇 应用日尺度 SWAT模型模拟径流的空间变化
SWAT模型是具有较强物理机制的分布式水文
模型,它能够用于流域尺度模拟变化环境下的水文
响应研究[20,24],本文选用该模型进行研究区降雨径
流模拟。 考虑到计算量并兼顾子流域划分的意义,
将研究区划分成 20 个子流域。 以 2001 年作为模型
预热期,2002—2006 年作为率定期,2007—2010 作
为验证期,从日时间尺度上对模型进行率定和验证。
根据模型自带的 LH鄄OAT敏感性分析模块对模型参
数进行敏感性分析[25],确定模型的敏感参数,并进
行参数率定。 选用 Nash鄄Suttcliffe 效率系数(Ens)、
决定系数(R2)和相对误差(Er)作为模型的效率评
价指标。 当这 3 个指标分别达到相应的规定标准,
即 R2>0.6,Ens >0.65,Er <10%,表示模型的模拟精
度很高[26]。 运用率定好的模型,固定其他参数不
变,选取 2002—2010 年气象条件和 1985 年与 2006
年两种不同土地覆被条件进行模拟,从而得到 1985
年和 2006年土地覆被条件下,2002—2010 年气象条
件时的两组晋江流域逐日径流过程;将两种模拟结
果进行比较,以此探讨景观格局变化对洪枯径流的
影响。
分别选取年最大 1 d 和连续最大 5 d 径流作为
反映洪水径流变化的指标,选取后者主要考虑到本
流域洪水过程一般 5 d左右;枯水径流变化的指标选
取通行的年最小 1 d 和连续最小 7 d 径流。 对流域
1985年和 2006 年两种景观格局下,2002—2010 年
气象条件时的逐日径流深模拟结果进行统计,计算
全流域和 20 个子流域在两种景观格局下 2002—
2010年的洪枯径流变化率,公式为:
Qi,t =
Qi,t,2006 - Qi,t,1985
Qi,t,1985
伊 100% (1)
式中,Qi,t为 t 年 i 类洪枯径流的径流深变化率,
Qi,t,2006为 2006年景观格局下 t 年 i 类洪枯径流的径
流深模拟值,Qi,t,1985为 1985年景观格局下 t年 i类洪
枯径流的径流深模拟值。
2.2摇 景观格局变化
利用景观格局指数分析软件 Fragstats,从斑块类
型水平和景观水平上分析晋江流域景观格局变化。
在前人研究的基础上[6,27],结合流域特点,选取较常
用且意义较为明确的 9个指标,包括:斑块类型面积
(CA)、斑块个数(NP)、平均斑块面积(AREA_MN)、
形状指数 ( LSI)、面积加权分维数 ( FRAC _AM)、
Shannon 多样性指数( SHDI)、Shannon 均匀度指数
(SHEI)、最大斑块指数(LPI)、蔓延度(CONTAG),
这些指标分别主要反映各景观类型面积、景观破碎
化程度、景观形状复杂度、景观均衡性以及景观连通
性。 统计全流域和 20个子流域 1985年和 2006年两
种景观格局的景观格局指数,并分别计算全流域和
20个子流域 1985 —2006 年景观格局的变化率,计
算公式为:
Ra =
Ka,2006 - Ka,1985
Ka,1985
伊 100% (2)
式中, Ra为 a类景观格局指数变化率,Ka,2006为 2006
年景观格局下 a类景观格局指数取值,Ka,1985为 1985
年景观格局下 a类景观格局指数取值。
2.3摇 径流变化与景观格局变化的相关性分析
应用 Pearson相关分析法[28],计算 20 个子流域
在两种景观格局下,2002—2010 气象条件时洪枯径
流年平均变化率与景观格局指数变化率的相关性,
以此来分析景观格局变化对洪枯径流的影响机制。
3摇 结果与分析
3.1摇 日径流模型率定结果
通过多站点的方法率定和验证,能更客观真实
地率定模型参数[19],故选取流域现有的 3 个水文站
点,即安溪、山美、石砻 3 个水文站点 2002—2007 年
的实测日径流资料进行参数率定,2008—2010 年的
实测日径流资料进行模型验证。 根据模型参数敏感
性分析结果,确定出对模型较为敏感的 7 个参数,包
括土壤有效含水量 SOL_AWC、深蓄水层渗透系数
RCHRG_DP、径流曲线系数 CN2,浅层地下水再蒸发
系数 GWQMN,土壤蒸发补偿系数 ESCO,土壤饱和
水导电率 SOL_K,最大冠层截留量 CANMX。 根据参
数物理意义和研究区实际情况[29],进行手动调参,
以使径流模拟值和实测值相吻合。
5771摇 7期 摇 摇 摇 林炳青摇 等:流域景观格局变化对洪枯径流影响的 SWAT模型模拟分析 摇
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3个站点的模型评价指标如表 1。 除了安溪站
验证期 Ens为 0.772,3个站点率定期和验证期的 Ens
都超过 0.8,Er 均小于 8%,R2也达到了 0.8 以上,符
合规定的标准[26];其中石砻水文站日径流模拟与实
测的比较如图 3 所示,两者吻合较好。 表明模型模
拟的结果令人满意,可以进行景观格局变化对于晋
江流域日径流的影响研究。
表 1摇 3个水文站日径流的率定和验证结果
Tsble 1摇 Calibrated and validated results of daily runoff at three hydrologic stations
水文站
Hydrologic station
率定期 Calibration period
Ens Er / % R2
验证期 Validation period
Ens Er / % R2
石砻站 0.854 3.12 0.85 0.808 -6.71 0.83
安溪站 0.824 -5.42 0.84 0.772 -7.89 0.82
山美站 0.873 -3.78 0.87 0.868 -4.78 0.87
图 3摇 石砻站日径流量模拟图
Fig.3摇 Simulated daily runoff in Shilong gauge
3.2摇 景观格局变化分析
图 4摇 研究区 1985—2006年斑块类型面积变化
Fig.4 摇 Area of landscape class change from 1985 to 2006 in
study area
3.2.1摇 斑块类型面积变化
1985—2006年晋江流域景观类型面积变化如图
4所示,流域发生变化的地类面积占流域面积的
47郾 31%。 园地和建设用地是各类景观要素中变化
幅度最大,面积分别增加 974 km2和 271.9 km2,增幅
达到 1173.19%和 227.06%。 水田和旱地为主的传统
农业用地不断被其他景观类型占用,面积分别减少
244、360.4 km2,减少幅度为 34.65%和 69.62%。 由
于人类活动的干扰,草地和未利用地向经济林、园地
转化过程中,面积分别减少 298、70.4 km2。 林地面
积减少量达到 289 km2,但其基数大,面积减少幅度
为 9. 34%,对整个流域的景观格局变化影响较大。
水域景观类型面积变化较小。
3.2.2摇 景观水平上景观指数变化
从表 2可以看出,1985—2006 年流域景观斑块
数大幅增加,由 5292 增加到 10829 个;以此同时,平
均斑块面积由 95.3 hm2下降到 46.6 hm2,表明流域景
观呈破碎化趋势。 形状指数和面积加权分维数增
加,表明景观斑块形状的不规则程度增加。 最大斑
块指数和蔓延度下降,表明景观斑块连接性更差,优
势斑块类型的连通性降低。 此外,Shannon 多样性指
数、Shannon 均匀度指数提高,表明景观类型向均衡
性方向发展的趋势,这也是传统农业景观和林地景
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观地位不断减低,建设用地和以茶园为主的园地景 观地位不断上升,城镇化水平不断提高的反映。
表 2摇 1985—2006年研究区景观水平指数变化分析
Table 2摇 Analysis of landscape metrics in landscape level from 1985 to 2006
景观指数
Landscape metrics NP AREA_MN LSI FRAC_AM SHDI SHEI LPI CONTAG
1985 5292 95.3 63.7 1.246 1.29 0.62 30.0 62.6
2006 10829 46.6 84.4 1.256 1.33 0.64 23.8 59.9
摇 摇 CA: 斑块类型面积 Class area;NP: 斑块个数 Number of patches;AREA_MN: 平均斑块面积 Mean patch area;LSI: 形状指数 Landscape shape
index;FRAC_AM: 面积加权分维数 Area鄄weighted mean fractal dimension;SHDI: Shannon多样性指数 Shannon忆s diversity index;SHEI: Shannon均匀
度指数 Shannon忆s evenness index;LPI: 最大斑块指数 Largest patch index;CONTAG: 蔓延度 Contagion index
3.3摇 景观格局变化的洪枯径流响应
1985年和 2006年两种不同景观格局下,全流域
2002—2010年气象条件时的洪枯径流变化率如图 5
所示。 与 1985 年景观格局相比,在 2006 年景观格
局下,流域 9 a间最大 1 d和连续最大 5 d 径流深均
增加,最大 1 d径流深年平均增加 1.85 mm,连续最
大 5 d径流深年平均增加 4.82 mm;年平均变化率分
别为 5.46%、4.97%,最大 1 d增速普遍高于连续最大
5 d。 表明相对于 1985 年的景观格局,晋江流域
2006年景观格局对于强降水截留能力更低,容易直
接形成地表径流,进而引起洪水径流的增加。
图 5摇 研究区不同景观格局下洪枯径流变化率的年际变化
Fig.5摇 The annual change ratio in flood, low flow between two
simulations using landscape maps in 1985and 2006 in study area
对于枯水径流,在 2006 年景观格局下,除了
2005年和 2008 年,2002—2010 年其他年份全流域
最小 1 d和连续最小 7 d径流深均小于 1985 年景观
格局下的模拟结果。 年平均最小 1 d径流深由 0.151
mm减少到 0.146 mm,年平均连续最小 7 d径流深由
2.185 mm减少到 2.13 mm;最小 1d 减速普遍高于连
续最大 5 d,年平均变化率分别为-3.79%、-2.55%。
通过对最枯径流前期的降水统计发现,2005 年和
2008 年最枯径流前期都发生了较强降水,特别是
2008年最小 1 d 的前期第 8 天发生了 24.49 mm 的
较强降水,在 2006年景观格局下较强降水容易直接
形成地表径流,反而有利于最枯径流的增加。 表明
相对于 2006 年景观格局,晋江流域 1985 年景观格
局的涵养水源、调节河川径流能力更好,可以增加枯
水径流。
图 6摇 19号子流域不同景观格局下洪枯径流变化率的年际变化
Fig.6摇 The annual change ratio in flood, low flow between two
simulations using landscape maps in 1985and 2006 in no. 19
typical subbasins
3.3.2摇 典型子流域洪枯径流深变化
全流域水文极值变化是各个子流域水文极值变
化叠加的结果。 选取 19 号典型子流域进一步分析
洪枯径流的变化规律。 该子流域面积 281.96 km2。
1985—2006年,该子流域发生的土地利用变化面积
占其总面积的 60.8%,且以林草地向园地和旱地向
园地转换为主,转换面积分别占子流域面积的
27郾 71%和 8. 11%,园地面积也由 3. 01 km2增加到
116.97 km2。 也即该子流域的景观类型面积变化率
7771摇 7期 摇 摇 摇 林炳青摇 等:流域景观格局变化对洪枯径流影响的 SWAT模型模拟分析 摇
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大于全流域,且具有涵养水源功能的林草地面积大
量减少,而有利于形成地表径流的园地和建设用地
面积显著增加。 因此由图 6 可以看出,19 号子流域
与全流域的洪枯径流响应大致相似,在相同气象条
件下,与 1985年景观格局相比,2006 年景观格局下
的洪水径流增加,枯水径流减少,但变化幅度大于全
流域。 其中,2002—2010 年年平均最大 1 d 和连续
最大 5 d径流深分别增加 11.9%和 11.38%,年平均
最小 1 d和连续最小 7 d的径流深分别减少-27.99%
和-25.39%。
3.4摇 景观格局变化对洪枯径流的影响机制
如前所述,通过统计 20 个子流域各自的景观类
型面积变化、景观水平上景观指数变化和洪枯径流
变化,应用 Pearson 相关分析法,计算洪枯径流各指
标变化率与景观格局指数变化率的相关性,可以定
量分析景观格局与洪枯径流间的相互关系,所得结
果为表 3。 从景观类型面积变化的径流响应看,林地
景观面积与最大 1 d、连续最大 5 d 相关性显著(P<
0.01),相关系数分别为-0.764、-0.721,表明林地景
观对强降水截留和延长滞留时间具有积极作用,从
而起到消减洪峰流量的生态正效应,刘明等[30]也得
到了相一致的结果。 水域与最大 1 d、连续最大 5 d
相关性较显著(P<0.05),相关系数为 0.502、0.515,
水域面积的增加会加速径流的汇流速度,从而导致
洪水过程流量的增加。 草地与最小 1 d、连续最小 5
d相关性较显著(P<0.05),相关系数为 0.461、0.478,
表明草地可以提高流域水源的涵养能力,增加枯水
径流。
从景观水平上景观指数变化与洪枯径流变化相
关性看,景观 Shannon 多样性指数、Shannon 均匀度
指数与最大 1 d 相关性显著(P<0.01),相关性分别
达到 0.721、0.736。 表明从 1985 年到 2006 年,流域
林草地、农业用地景观向园地、建设用地景观转化过
程中而引起的景观均衡化分布,导致流域对降水截
留能力变差,会引起洪峰流量增加。 最大斑块指数
和蔓延度与最大 1 d 相关性显著(P<0.01),相关系
数为-0.61、-0.596,最大斑块指数与连续最大 5 d 相
关性较显著(P<0.05),相关系数为-0.472。 由此表
明与 1985 年景观格局相比,晋江流域 2006 年景观
连通性变差,物质循环程度也降低,削弱了其对降水
的截留和水源涵养能力,也会增加洪峰流量。 另外,
斑块个数、平均斑块面积、形状指数和面积加权分维
数变化与各径流指标变化都没有显著的相关性,表
明流域景观的破碎度和斑块形状复杂度对径流变化
影响不大。
表 3摇 研究区各景观指数变化与洪枯径流变化间的相关性
Table 3摇 The correlation coefficients between landscape metric changes with flood, low flow changes in study area
洪水径流 Flood flow
最大 1d
Maximum 1鄄day
连续最大 5d
Maximum 5鄄day
枯水径流 Low flow
最小 1d
Minimum 1鄄day
连续最小 7d
Minimum 7鄄day
景观类型 水田 Paddy 0.235 -0.172 0.402 0.192
Landscape class 旱地 Dry farming -0.262 -0.303 -0.204 0.02
林地 Forest -0.764** -0.721** 0.182 0.427
园地 Plantation 0.321 0.211 0.089 0.061
草地 Grass 0.201 -0.121 0.461* 0.478*
建设用地 Urban 0.363 0.369 0.03 -0.099
水域 Water 0.502* 0.515* 0.143 0.038
未利用地 Barren -0.356 -0.207 0.099 0.141
景观水平 NP -0.031 -0.068 0.318 0.297
Landscape level AREA_MN -0.065 0.048 -0.206 -0.397
LSI 0.264 0.321 0.272 0.321
FRAC_AM -0.435 -0.268 0.24 0.236
SHDI 0.721** 0.174 0.174 0.085
SHEI 0.736** 0.226 0.134 0.038
LPI -0.61** -0.472* 0.095 0.06
CONTAG -0.596** -0.248 -0.165 -0.151
摇 摇 **表示相关显著水平为 0.01(双尾检测),*表示相关显著水平为 0.05(双尾检测)
8771 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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摇 摇 景观格局指数变化与洪水径流变化相关性显
著,而与枯水径流变化则不呈显著相关,说明景观格
局变化对枯水径流的直接影响较小。 这可能是因为
枯水径流主要来源与土壤水和地下水,与土壤属性、
地质条件关系较密切,受景观格局的直接影响较小。
4摇 结论
(1)运用 SWAT模型模拟晋江流域日径流过程,
模拟精度较高,模型可靠,可以定量评估流域景观格
局变化对洪枯径流的影响。
(2)1985—2006年这 21 a 间,晋江流域景观格
局变化较剧烈,园地和建设用地景观面积大幅增加,
传统农业农地、林草地景观面积则相应减少。 景观
呈破碎化、形状复杂化、分布均衡化、连通性变差。
(3)2002—2010气象条件时,与 1985 景观格局
相比,2006年景观格局下晋江流域的年平均最大 1 d
和连续最大 5 d径流深分别增加 5.46%、4.97%,最小
1 d和连续最小 7 d径流深分别减少 3.79%、2.55%。
表明晋江流域景观格局的变化对于强降水截留能力
和涵养水源能力更差,更容易发生洪旱灾害。
(4)景观格局指数与径流相关性分析结果表明,
景观格局变化对洪水径流影响最大,流域林草地、农
业景观向园地、建设用地景观转化过程中而引起的
景观均衡化分布,降低流域对强降水的截留能力,景
观连通性变差,削弱流域内部水循环能力,进而导致
洪水径流量的增加;枯水径流主要来源于土壤水和
地下水,受景观格局的直接影响较小。
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0871 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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陨灶枣造怎藻灶糟藻 燥枣 皂葬早灶藻泽蚤怎皂 凿藻枣蚤糟蚤藻灶糟赠 葬灶凿 藻曾糟藻泽泽 燥灶 糟澡造燥则燥责澡赠造造 枣造怎燥则藻泽糟藻灶糟藻 糟澡葬则葬糟贼藻则蚤泽贼蚤糟泽 燥枣 晕藻憎澡葬造造 灶葬增藻造 燥则葬灶早藻 造藻葬增藻泽
蕴陨晕郧 蕴蚤造蚤袁 匀哉粤晕郧 再蚤袁 孕耘晕郧 蕴蚤葬灶早扎澡蚤袁 藻贼 葬造 渊员远苑圆冤
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杂藻藻凿 枣燥则葬早蚤灶早 葬灶凿 凿蚤泽责藻则泽葬造 燥枣 悦澡蚤灶藻泽藻 赠藻憎 渊栽葬曾怎泽 糟澡蚤灶藻灶泽蚤泽 增葬则援 皂葬蚤则藻蚤冤 遭赠 枣则怎早蚤增燥则燥怎泽 遭蚤则凿泽 憎蚤贼澡蚤灶 责葬贼糟澡赠 澡葬遭蚤贼葬贼泽
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陨灶贼藻则葬糟贼蚤燥灶泽 遭藻贼憎藻藻灶 澡藻葬增赠 皂藻贼葬造 造藻葬凿 葬灶凿 贼憎燥 枣则藻泽澡憎葬贼藻则 葬造早葬藻 蕴陨哉 蕴怎袁 再粤晕 匀葬燥袁 蕴陨 悦澡藻灶早袁 藻贼 葬造 渊员远怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
粤灶灶怎葬造 增葬则蚤葬贼蚤燥灶泽 燥枣 贼澡藻 责则蚤皂葬则赠 责则燥凿怎糟贼蚤增蚤贼赠 葬灶凿 蚤贼泽 泽蚤扎藻鄄枣则葬糟贼蚤燥灶藻凿 泽贼则怎糟贼怎则藻 蚤灶 糟怎造贼怎则藻 责燥灶凿泽 燥枣 粤责燥泽贼蚤糟澡燥责怎泽 躁葬责燥灶蚤糟怎泽 杂藻造藻灶噪葬
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砸藻泽藻则增藻袁 再怎灶灶葬灶 燥枣 悦澡蚤灶葬 蕴陨晕 蕴蚤怎袁 允陨晕 再葬灶枣藻蚤袁 悦匀耘晕 阅藻噪怎灶袁 藻贼 葬造蚤 渊员苑圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
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蕴陨 云葬灶袁 载哉 月蚤灶早择蚤灶早袁酝粤 再怎葬灶择蚤灶早袁 藻贼 葬造 渊员苑猿远冤
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允陨粤晕郧 酝蚤灶袁 杂匀耘晕 酝蚤灶早曾蚤灶早袁 杂匀耘晕 载蚤灶责蚤灶早袁 藻贼 葬造 渊员苑源远冤
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耘糟燥造燥早蚤糟葬造 责则燥糟藻泽泽 燥枣 憎葬贼藻则 贼则葬灶泽枣燥则皂葬贼蚤燥灶 蚤灶 枣怎则则燥憎 葬灶凿 则蚤凿早藻 皂怎造糟澡蚤灶早 泽赠泽贼藻皂 蚤灶 燥葬贼 枣蚤藻造凿 怎灶凿藻则 藻曾贼则藻皂藻 凿则燥怎早澡贼 泽糟藻灶葬则蚤燥
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杂蚤皂怎造葬贼蚤燥灶泽 葬灶凿 葬灶葬造赠泽蚤泽 燥灶 贼澡藻 藻枣枣藻糟贼泽 燥枣 造葬灶凿泽糟葬责藻 责葬贼贼藻则灶 糟澡葬灶早藻 燥灶 枣造燥燥凿 葬灶凿 造燥憎 枣造燥憎 遭葬泽藻凿 燥灶 杂宰粤栽 皂燥凿藻造
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远怨愿员 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 猿源卷摇
叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
国内邮发代号院愿圆鄄苑袁国外邮发代号院酝远苑园
标准刊号院陨杂杂晕 员园园园鄄园怨猿猿摇 摇 悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝
全国各地邮局均可订阅袁也可直接与编辑部联系购买遥 欢迎广大科技工作者尧科研单位尧高等院校尧图书
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通讯地址院 员园园园愿缘 北京海淀区双清路 员愿号摇 电摇 摇 话院 渊园员园冤远圆怨源员园怨怨曰 远圆愿源猿猿远圆
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本期责任副主编摇 魏辅文摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿源卷摇 第 苑期摇 渊圆园员源年 源月冤
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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电话院渊园员园冤远圆怨源员园怨怨憎憎憎援藻糟燥造燥早蚤糟葬援糟灶泽澡藻灶早贼葬蚤曾怎藻遭葬燥岳 则糟藻藻泽援葬糟援糟灶
主摇 摇 编摇 王如松
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