全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿猿卷 第 圆猿期摇 摇 圆园员猿年 员圆月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
基于树干液流技术的北京市刺槐冠层吸收臭氧特征研究 王摇 华袁欧阳志云袁任玉芬袁等 渊苑猿圆猿冤噎噎噎噎噎噎
三疣梭子蟹增养殖过程对野生种群的遗传影响要要要以海州湾为例 董志国袁李晓英袁张庆起袁等 渊苑猿猿圆冤噎噎噎
土壤盐分对三角叶滨藜抗旱性能的影响 谭永芹袁柏新富袁侯玉平袁等 渊苑猿源园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
南美斑潜蝇为害对黄瓜体内 源种防御酶活性的影响 孙兴华袁周晓榕袁庞保平袁等 渊苑猿源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
模拟氮沉降对华西雨屏区苦竹林凋落物养分输入量的早期影响 肖银龙袁涂利华袁胡庭兴袁等 渊苑猿缘缘冤噎噎噎噎
茎瘤芥不同生长期植株营养特性及其与产量的关系 赵摇 欢袁李会合袁吕慧峰袁等 渊苑猿远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
雷竹覆盖物分解速率及其硅含量的变化 黄张婷袁张摇 艳袁宋照亮袁等 渊苑猿苑猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
渍水对油菜苗期生长及生理特性的影响 张树杰袁廖摇 星袁胡小加袁等 渊苑猿愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
广西扶绥黑叶猴的主要食源植物及其粗蛋白含量 李友邦袁丁摇 平袁黄乘明袁等 渊苑猿怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
氮素营养水平对膜下滴灌玉米穗位叶光合及氮代谢酶活性的影响 谷摇 岩袁胡文河袁徐百军袁等 渊苑猿怨怨冤噎噎噎
孕云韵杂对斑马鱼胚胎及仔鱼的生态毒理效应 夏继刚袁牛翠娟袁孙麓垠 渊苑源园愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
浒苔干粉末提取物对东海原甲藻和中肋骨条藻的克生作用 韩秀荣袁高摇 嵩袁侯俊妮袁等 渊苑源员苑冤噎噎噎噎噎噎
基于柑橘木虱 悦韵玉基因的捕食性天敌捕食作用评估 孟摇 翔袁欧阳革成袁载蚤葬 再怎造怎袁等 渊苑源猿园冤噎噎噎噎噎噎
健康和虫害的红松挥发物对赤松梢斑螟及其寄生蜂寄主选择行为的影响
王摇 琪袁严善春袁严俊鑫袁等 渊苑源猿苑冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
小麦蚕豆间作对蚕豆根际微生物群落功能多样性的影响及其与蚕豆枯萎病发生的关系
董摇 艳袁董摇 坤袁汤摇 利袁等 渊苑源源缘冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
喀斯特峰丛洼地不同生态系统的土壤肥力变化特征 于摇 扬袁杜摇 虎袁宋同清袁等 渊苑源缘缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土高原人工苜蓿草地固碳效应评估 李文静袁王摇 振袁韩清芳袁等 渊苑源远苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
粉垄耕作对黄淮海北部土壤水分及其利用效率的影响 李轶冰袁逄焕成袁杨摇 雪袁等 渊苑源苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
三峡库区典型农林流域景观格局对径流和泥沙输出的影响 黄志霖袁田耀武袁肖文发袁等 渊苑源愿苑冤噎噎噎噎噎噎
基于 月孕 神经网络与 耘栽酝垣遥感数据的盐城滨海自然湿地覆被分类 肖锦成袁欧维新袁符海月 渊苑源怨远冤噎噎噎噎
寒温带针叶林土壤 悦匀源吸收对模拟大气氮沉降增加的初期响应 高文龙袁程淑兰袁方华军袁等 渊苑缘园缘冤噎噎噎噎
寒温针叶林土壤呼吸作用的时空特征 贾丙瑞袁周广胜袁蒋延玲袁等 渊苑缘员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土高原小麦田土壤呼吸季节和年际变化 周小平袁王效科袁张红星袁等 渊苑缘圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同排放源周边大气环境中 晕匀猿浓度动态 刘杰云袁况福虹袁唐傲寒袁等 渊苑缘猿苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
施加秸秆和蚯蚓活动对麦田 晕圆韵排放的影响 罗天相袁胡摇 锋袁 李辉信 渊苑缘源缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
基于水声学方法的天目湖鱼类资源捕捞与放流的生态监测 孙明波袁谷孝鸿袁曾庆飞袁等 渊苑缘缘猿冤噎噎噎噎噎噎
应用支持向量机评价太湖富营养化状态 张成成袁沈爱春袁张晓晴袁等 渊苑缘远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
亚热带 源种森林凋落物量及其动态特征 徐旺明袁 闫文德袁李洁冰袁等 渊苑缘苑园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
青蒿素对蔬菜种子发芽和幼苗生长的化感效应 白摇 祯袁黄摇 玥袁黄建国 渊苑缘苑远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
晕韵参与 粤酝真菌与烟草共生过程 王摇 玮袁赵方贵袁侯丽霞袁等 渊苑缘愿猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于核密度估计的动物生境适宜度制图方法 张桂铭袁朱阿兴袁杨胜天袁等 渊苑缘怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
施氮方式对转基因棉花 月贼蛋白含量及产量的影响 马宗斌袁刘桂珍袁严根土袁等 渊苑远园员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
学术信息与动态
未来地球要要要全球可持续性研究计划 刘源鑫袁赵文武 渊苑远员园冤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怨圆鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿猿鄢圆园员猿鄄员圆
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 兴安落叶松林景观要要要中国的寒温带针叶林属于东西伯利亚森林向南的延伸部分袁它是大兴安岭北部一带的地带
性植被类型袁一般可分为落叶针叶林和常绿针叶林两类遥 兴安落叶松林景观地下部分为棕色森林土袁中上部为灰化
棕色针叶林土袁均呈酸性反应遥 随着全球气候持续变暖袁寒温针叶林生态系统潜在的巨大碳库将可能成为大气 悦韵圆
的重要来源袁研究表明袁温度是寒温针叶林生态系统土壤呼吸作用的主要调控因子袁对温度的敏感性随纬度升高而
增加袁根系和凋落物与土壤呼吸作用表现出相似的空间变异性遥
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 33 卷第 23 期
2013年 12月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.33,No.23
Dec.,2013
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:“十二五冶林业科技支撑计划资助项目(2011BAD38B04)
收稿日期:2012鄄09鄄05; 摇 摇 修订日期:2013鄄10鄄09
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: tianyaowu@ 126.com
DOI: 10.5846 / stxb201209051257
黄志霖,田耀武,肖文发,马德举.三峡库区典型农林流域景观格局对径流和泥沙输出的影响.生态学报,2013,33(23):7487鄄7495.
Huang Z L,Tian Y W,Xiao W F,Ma D J.Effects of landscape patterns on runoff and sediment export from typical agroforestry watersheds in the Three Gorges
Reservoir area, China.Acta Ecologica Sinica,2013,33(23):7487鄄7495.
三峡库区典型农林流域景观格局对径流
和泥沙输出的影响
黄志霖1,田耀武1,2,*,肖文发1,马德举3
(1. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,国家林业局森林生态环境重点实验室,北京摇 100091;
2. 河南科技大学林学院, 洛阳摇 471003; 3. 秭归县林业局,宜昌摇 443600)
摘要:以三峡库区秭归县 25个典型农林小流域作为研究对象,斑块类型水平上选取斑块面积比例指数(PLAND),景观水平上
选取斑块丰富度密度(PRD)、双对数回归分维数(DLFD)、Shannon 多样性指数(SHDI)、聚集度(CONT)等 5 类景观指数,基于
遥感和 GIS技术,应用 AnnAGNPS 模型模拟各流域径流和泥沙输出,FRAGSTATS软件计算流域景观格局指数,SPSS19.0分析景
观指数与径流、泥沙的相关回归关系,从景观水平探讨景观格局特征对径流、泥沙输出的影响。 结果表明:流域径流量与农坡
地、农梯地、农林梯地、居民地等斑块面积比例指数以及 CONT等景观指数显著正相关,林地、灌木地 PLAND与径流量显著负相
关;农坡地、农林梯地、居民地等斑块面积比例指数、CONT指数等与泥沙输出量显著正相关,而林地、灌木地 PLAND、SHDI等与
泥沙显著负相关。 景观指数(因子)与径流和泥沙输出复相关系数 R为 0.856和 0.962(均高度相关),复相关系数 R 均大于相
对应的单因子相关系数。 景观水平上,流域景观格局对径流和泥沙输出影响均显著,景观空间格局是景观功能多样性的反馈,
是景观格局影响径流、泥沙输出等生态过程的又一例证。
关键词:景观格局;径流;泥沙;AnnAGNPS模型;三峡库区
Effects of landscape patterns on runoff and sediment export from typical
agroforestry watersheds in the Three Gorges Reservoir area, China
HUANG Zhilin1,TIAN Yaowu1,2,*,XIAO Wenfa1,MA Deju3
1 State Forestry Administration Key Laboratory of Forest Ecology and Environment, Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese
Academy of Forestry, Beijing 100091, China
2 College of Forestry, Henan University of Science and Technology, Luoyang, Henan 471003, China
3 Forestry Bureau of Zigui County, Yichang, Hubei 443600, China
Abstract: The Three Gorges Reservoir area is one of China忆s the most ecologically sensitive areas. Transport and deposition
of eroded material as well as substances dissolved in runoff and attached to soil particles lead to declines in water quality,
eutrophication and negative impacts to agricultural lands and to waters of the Three Gorges Reservoir. Generally, land use
changes, especially the conversion of forests to agriculture in watersheds, are thought to cause these problems. The
conversion of cropland to forest as part of an extensive ecological afforestation engineering scheme has played a very
important role in reducing runoff and sediment export in this area.
Landscape pattern analysis plays an important role in landscape ecology, whose ultimate goal is to link spatial patterns
of landscapes with ecological processes and detect status of processes using landscape pattern information. By analyzing the
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spatial arrangement of relevant factors related to landscapes, landscape pattern analysis can obtain information to predict
dynamic patterns of ecological processes. A close relationship exists between land use structure and runoff and sediment
export. Landscape patterns have a significant and complex effect on soil erosion and sediment delivery.
In this study, a total of 25 typical agroforestry watersheds in Zigui County, Hubei, China, in the Three Gorges
Reservoir area were selected to investigate the effects of watershed landscape patterns on runoff and sediment by using RS
and GIS techniques. Watershed landscape pattern indices selected were percentage of landscape patch area (PLAND) at the
patch鄄class level, patch richness density, double log fractal dimension (DLFD), Shannon忆s diversity index (SHDI) and
contagion (CONT) at the landscape level. Watershed landscape pattern indices were calculated by FRAGSTATS 4.1. Runoff
and sediment exported from 25 watersheds in study area were simulated by the AnnAGNPS (Annualized AGricultural Non鄄
Point Source) model, which is a continuous watershed鄄scale model that can simulate runoff and sediment in watersheds
covering up to 300000 hm2 . Correlation between pattern indices and runoff sediment was analyzed using SPSS 19.5 software.
The results show a significant positive relationship exists between runoff and CONT and PLANDs of sloping farmlands,
terraces, agroforestry terraces and residential land. A significant negative correlation was found between runoff and PLANDs
of forestland and shrubland. Soil erosion correlation analysis also showed a significant positive relationship between sediment
and DLFD, CONT and PLANDs of sloping farmlands, agroforestry terraces and residential land. A significant negative
correlation was found between sediment and SHDI and PLANDs of forestland and shrubland. Multiple correlation coefficients
between landscape indices and runoff and sediment were 0.856 and 0.962, respectively, both of which were higher than
those of single鄄factor coefficients. There were linear regression relationships between the landscape indices and runoff and
sediment. Landscape pattern significantly influences runoff and sediment delivery in watersheds at the landscape鄄level. Our
results also present empirical evidence for the existence of direct relationship between the landscape patterns in study area
and runoff and sediment processes as well as suggest landscape spatial patterns and functional diversity may be linked
through feedback mechanisms.
Key Words: AnnAGNPS model; landscape pattern; runoff; sediment; Three Gorges Reservoir area
三峡库区农林小流域水土流失引发了一系列严重的生态环境问题,已成为制约库区经济社会发展的因素
之一[1]。 相关学者采用小区定位观测[2]、模型模拟[3鄄6]等不同方法与尺度对三峡库区不同尺度小流域产流产
沙进行了研究,尺度的变化导致产流、产沙及输移机制的变化[7鄄9],小区或生态系统尺度上描述的径流和产沙
过程可能会丢失一些信息[8,10]。 而建立景观格局与径流、侵蚀生态过程之间的联系是景观生态学中最常用的
定量化研究方法之一[10鄄11],景观格局包括景观组成单元的类型、数目以及空间分布与配置,过程产生于格局,
格局作用于过程[12鄄13],景观格局深刻影响着径流和泥沙的产生与输移过程。 AnnAGNPS模型是 USDA鄄ARS与
自然资源保护局(NRCS)共同研发流域尺度径流泥沙输出的评价工具,针对流域对管理措施的响应而设计的
基于连续事件的分布式模型[14]。 本文应用景观格局、生态过程与尺度原理,结合 AnnAGNPS 模型径流、泥沙
输出功能,分析三峡库区秭归县 25条典型农林流域景观格局对径流、泥沙输出的影响,揭示本地区小流域尺
度下景观格局水土流失反馈关系,为水土保持和土地资源管理提供科学依据。
1摇 研究地区和研究方法
1.1摇 研究地区概况
秭归县位于湖北省西部,东经 110毅18忆—110毅0忆,北纬 30 毅38忆—31毅11忆,国土面积 2427 km2,长江横贯中
部,流长 64 km,与境内 8条溪流形成“蜈蚣冶状水系,境内四周高,中间低,呈东西开口的不规则盆状分布(图
1)。 秭归县地处中纬度,属亚热带大陆性季风区,多年平均降雨量 1439 mm,年际差异大,年内降雨分布为单
峰型(5—8月占全年 68%)。 土壤有黄壤、黄棕壤、棕壤、石灰土、紫色土、潮土、水稻土等 7 类,分别占林地和
耕地的 14.34%、28.22%、0.15%、35.93%、17.91%、0郾 23%和 3.22%。 林地面积 164863 hm2,农地面积 42031
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图 1摇 秭归县 DEM及小流域位置示意图
Fig.1摇 DEM of Zigui county and location of 25 watersheds
hm2,草地面积 22051 hm2,内陆水域 3450 hm2,其他
10303 hm2。
1.2摇 研究方法
1.2.1摇 研究流域的确定
在秭归县范围内选取 25 条小流域(图 1,表 1),各
小流域总面积 33897.2 hm2,占全县国土面积的 13.9%,
所选流域涵盖了三峡库区小流域所有的景观斑块类型,
且各流域中林地斑块和农地斑块面积百分比差异明显
(表 2)。 根据研究和 AnnAGNPS模型参数输入[14]的需
要将 25条流域景观斑块划分为农坡地(坡耕地)、农梯
地(农业梯田)、农林梯地(林农间作的梯田)、林地、灌
木地、草地、未利用地、水域、居民地等 9 种,9 种斑块类
型面积占全部流域面积的 17. 4%、6. 2%、6. 5%、49%、
5郾 1%、7.7%、2.9%、3.6%、3.5%(表 1)。 从 25 个小流域
景观要素的空间分布和类型斑块面积上看,各小流域都
属于以灌木地、草地、未利用地、水体、农村居民点为镶
嵌斑块,道路和沟溪为廊道的典型农林复合小流域。
表 1摇 秭归县 25条小流域景观类型
Table 1摇 25 watershed landscape classification in Zigui County
编号
Code
面积 / hm2
Area
农坡地 / hm2
Sloping
farmland
农梯地 / hm2
Terrace
农林梯
地 / hm2
Agroforestry
terrace
林地 / hm2
Forest
灌木地 / hm2
Shrub
草地 / hm2
Grassland
荒地 / hm2
Barren land
水域 / hm2
Water area
居民地 / hm2
Residential
land
1 689 0 0 0 596.9 78.6 13.5 0 0 0
2 1036.2 301 64.1 74 354.1 55 100.4 17.8 42.9 26.9
3 1212.2 355.7 91.3 81.7 438.4 47.5 69.3 10.1 34.7 83.4
4 756.8 8.3 0 13.9 588.4 27.3 19.6 11.8 70.6 16.8
5 1699.7 44.2 34.3 60 1241.6 114.8 113.4 17.3 38.5 35.6
6 1877.4 131.4 132.4 150.4 1126.1 104.8 175.1 30.8 58.5 27.8
7 1779.4 165.7 138 155.8 918 100.4 154.2 18.5 61.2 67.6
8 1698.3 182.3 126.5 115.8 822.2 86.3 138.3 96 77.8 53
9 1382 204.2 73.7 51.8 824.4 76.9 54.1 57.5 34.1 16.8
10 1351.5 151.2 58.8 76.4 776.7 92.3 169.1 50.5 33.9 26.8
11 1311.1 122.7 60.6 78.7 788.6 67.6 155.5 44.5 26.5 36.4
12 1449 219.3 83.4 84.2 787.9 90.5 121 76.3 42.4 57.3
13 2195.7 623.2 145.7 149.4 737.3 74.2 206.1 75 95.9 88.8
14 876.7 266.1 40.9 50.6 343.2 33.3 97.5 6.7 10.7 27.8
15 1354.3 293.1 76.4 100.4 540.4 57.1 85.9 86 60.4 70.8
16 1722.7 220.6 102.3 103.1 930 72 117.9 50.5 143.2 67
17 1261.5 192 65.9 86.7 672.6 72.4 88 17.4 24.2 77.5
18 1475.6 197.8 164.3 111.6 669.5 49.2 102.5 85.9 60.3 34.4
19 1560.2 278.7 156.8 107.3 711.5 72.4 116.6 50.1 58.1 66.3
20 1923.5 528.3 134.6 145.4 683.4 106 190 39.6 40.9 55.3
21 1129.5 260.8 83.3 85.5 420 45.3 91.4 53.8 35.7 53.7
22 1254.9 394.6 85.9 110.4 408.3 62.6 98.8 34 32.4 42.7
23 966.3 335.4 62.9 92.8 307.9 15.1 0 9.6 56.2 85.4
24 1198.6 419.2 84.7 72.5 396.2 38.9 94.1 19 45.7 69.4
25 735.1 0 44.1 41.7 520.2 76.5 20.9 8.3 23.5 0
9847摇 23期 摇 摇 摇 黄志霖摇 等:三峡库区典型农林流域景观格局对径流和泥沙输出的影响 摇
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1.2.2摇 景观格局指数
景观格局是指景观的空间格局,是大小、形状、属性不一的斑块在空间上的分布与组合规律。 景观指数能
高度浓缩景观格局信息,反映其结构组成和空间配置某些方面特征的定量指标[13]。 景观格局分析的目的是
在无序的景观中发现潜在的有意义的秩序或规律[15]。 本文在斑块类型水平上选取斑块面积百分比指数
(PLAND),在景观水平上选取斑块丰富度密度(PRD)、双对数回归分维数(DLFD)、Shannon 多样性指数
(SHDI)、聚集度(CONT)分别代表景观丰富度、形状、多样性、蔓延度指数[12,16鄄17]。 基于景观结构数量化软件
包 FRAGSTATS 4.1[18]进行景观格局指数计算,景观指数的生态学意义和计算公式参见相关文献[13]。
1.2.3摇 数据源
(1)数字高程模型(DEM)摇 采用国家测绘部门 2006 年 1颐1 万 5 m 等高距 AutoCAD 数字地形图作为 25
条流域基本地形信息源,按照基础地理信息数字产品 1颐1 万 DEM 生产技术规程[19]进行等高线高程赋值,利
用 ArcView GIS 双线性内插重采样方法[20]生成 15 m格网[21]DEM。 在各流域地形图上随机选择 20—50个点
作为高程控制点,视其高程值作为准值,检验对应 DEM 栅格点的高程采样精度;在各流域内随机布设 100—
300个点,GPS定位并量测地面实际坡度,计算各流域 DEM提取地面坡度的中误差[22]。
(2)景观斑块类型摇 利用秭归县 SPOT 5(时相:2009鄄 09)影像作为信息源来获取景观斑块类型(土地利
用)专题数据。 影像处理软件为 ERDAS IMAGING 9.2 和 ArcGIS 9.2。 利用各流域数字地形图对遥感影像进
行几何精纠正。 对纠正后的遥感数据采用线性变换、图像运算和信息融合处理技术,进行主成份分析和数字
图像彩色增强,获得 3、1、2波段假彩色合成图像。 依 9类斑块解译标志对假彩色影像进行目视解译、监督分
类,并结合地形图资料和现场调查对解译分类结果进行修改编辑,进而获得 25 条小流域景观类型斑块图,矢
量化为 AnnAGNPS模型 fields.shp格式文件。 在各小流域景观类型斑块图上分别随机选取 250—300 个样本,
建立混淆矩阵,计算其生产者精度、用户精度以及 Kappa 系数,评价各流域斑块总分类精度。
(3)气象与土壤摇 气象数据(2009年)由国家林业局长江三峡库区(秭归)森林生态定位站提供。 主要有
最低最高气温、降雨量、风速、云量和露点温度等 6类。 土壤分类数据由中国科学院南京土壤研究所数据中心
提供,土壤属性数据由 AnnAGNPS模型参考文件及现场采样点调查取得[23]。 矢量化土壤数据,生成 soils.shp
模型输入文件。
1.2.4摇 AnnAGNPS模型与径流、泥沙的模拟输出
AnnAGNPS模型是 USDA鄄ARS与 NRCS联合开发的参数分布式、基于物理过程、连续模拟、流域尺度的高
级流域评价工具,最新版本为 AnnAGNPS4.0[14]。 AnnAGNPS 模型直接替代了其前身场次模型 AGNPS,实现
了与 ArcView 3.x界面的高度集成。 模型主要包括水文、土壤侵蚀、化学物质输移 3大模块。 水文计算法则为
土壤水分平衡方程与地表径流模型 (SCS鄄CN) [14]。 泥沙输出计算法则为修订的通用水土流失方程 RUSLE;
氮的矿化平衡计算法则为 EPIC模型,逐日计算氮磷等的吸收、降解,并按可溶态和颗粒吸附态计算,模型的
详细介绍可参阅其他相关文献[14]。
在秭归县 25条小流域条件下,AnnAGNPS模型应用的前提是精校准与验证,这是模型径流、泥沙输出精
度达到要求的关键步骤[4,14,24]。 AnnAGNPS 4.0模型在三峡库区秭归县地理和气象条件下的校准和验证过程
以及适用性评价详见相关文献[4,23],AnnAGNPS模型可用来研究库区环境条件下小流域的径流和泥沙输出。
1.2.5摇 数据分析
SPSS 19.5软件和 EXCEL 2010程序包进行因子相关性分析和多元线性回归分析。
2摇 结果与分析
2.1摇 流域径流、泥沙的 AnnAGNPS模型输出
秭归县 25条小流域 2009年径流、泥沙输出结果、5 类 13 个景观格局指数计算结果列于表 2。 在径流模
拟上,AnnAGNPS模型对秭归县黑沟小流域径流模拟误差为 5.0%(校正期)和 6.7%(验证期) [4],对秭归县域
径流模拟误差-11.6%[23],均为误差容许范围之内。 其他研究也认为 AnnAGNPS 模型对径流量模拟精度较
0947 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33卷摇
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高,误差较低[14,24]。 不考虑气象因子的空间差异,AnnAGNPS模型模拟 2009 年秭归县 25 条小流域径流量最
大值为 412 mm,最小为 320 mm,平均为 366 mm,径流量空间模拟变异系数为 5.7%。
泥沙输出模拟上,AnnAGNPS模型对秭归县黑沟小流域泥沙输出模拟误差为 15.1%(校正期)和 26.7%
(验证期),模拟误差均为误差容许范围之内[23]。 AnnAGNPS 模型对泥沙输出模拟精度较径流低[4,14,24]。 秭
归县 2009年 25条小流域泥沙输出量平均为 17.7 t / hm2,略低于 2006年秭归县全县泥沙输出模拟(约为 19.6
t / hm2) [23]。 不考虑气象因子的空间差异,秭归县 2009年 25 条小流域发生最大泥沙输出量为 43.2 t / hm2,最
小仅为 4.1 t / hm2,泥沙输出空间变异系数为 65.4%(超过 50%),远大于径流量的空间变异系数(5.7%)。
根据土壤侵蚀分类分级标准(SL190—2007)规定,本地区内 0—5 t / hm2为容许土壤流失量,5—25 t / hm2
为轻度土壤侵蚀,25—50 t / hm2为中度土壤侵蚀,50—80 t / hm2为强烈土壤侵蚀,>80 t / hm2为极强烈流失。 本
文 25条小流域中,土壤侵蚀 1个微度,18个轻度,6个中度,平均侵蚀程度(17.7 t / hm2)为轻度。
2.2摇 径流量、泥沙量与景观格局指数单因子相关性
这里采用的景观格局(因子)指数(表 2、表 3)看作影响径流量的不同处理,25 个小流域看作组间重复。
径流量与对应的景观格局指数的二元变量相关分析结果表明(表 3):农坡地、农梯地、农林梯地、居民地等
PLAND指数、聚集度 (CONT)与径流量显著正相关,农坡地 PLAND与径流量正相关系数最大(R = 0.794);林
地、灌木地 PLAND与径流量显著负相关,林地 PLAND 负相关系数最大(R = -0.780);草地、荒地、水域、居民
地等 PLAND、PRD、DLFD、CONT等指数与径流量的相关性不显著。 泥沙与景观格局指数二元变量相关分析
结果(表 3)为:农坡地、农林梯地、居民地等 PLAND、平均分维数、聚集度与泥沙输出量显著正相关,农坡地
PLAND与泥沙量相关系数量大(R= 0.929);林地、灌木地 PLAND、多样性与泥沙显著负相关,林地 PLAND与
泥沙负相关性最强(R= 0.833);草地、荒地、水域、居民地、斑块密度、平均分维数、多样性与径流量的相关性不
显著。 泥沙量与径流量相关分析表明,二者相关性显著(R= 0.748,P<0.01)(图 2),但其相关系数小于泥沙量
与农坡地的相关系数(R= 0.929,P<0.01)(表 3)。
2.3摇 径流量、泥沙量与景观格局指数的多因子回归
水土流失是一个复杂的生态过程,受多个生态因子的影响。 这里将径流量、泥沙量作为因变量 Y,13个景
观指数(表 2)作为自变量,即:农坡地 PLAND为 x1,农梯地 PLAND为 x2,农林梯地 PLAND为 x3,林地 PLAND
为 x4,灌木地 PLAND为 x5,草地 PLAND 为 x6,荒地 PLAND 为 x7,水域 PLAND 为 x8,居民地 PLAND 为 x9,
PRD为 x10,DLFD为 x11,SHDI为 x12,CONT为 x13,利用 SPSS 19.5 软件包进行多元线性回归分析。 结果为径
流量与景观指数复相关系数 R= 0.925(R>0.8,即为高度相关),判定系数 R2 = 0.856(P<0.01),复相关系数大
于任一自变量与因变量之间的单相关系数(表 2),这充分说明了景观格局对径流量的综合影响规律。 方差分
析统计量 F= 5.014,相伴概率值 P<0.01,景观格局指数(自变量)与径流量(因变量)之间存在线形回归关系,
回归方程为:
摇 摇 摇 摇 摇 摇 Y = 3.40x1 + 1.55x2 + 7.78x3 + 2.26x4 - 2.96x5 - 1.55x6 + 2.84x7 - 1.28x8 - 2.77x9 -
0.78x10 + 5.81x11 - 0.38x12 + 0.24x13 + 165.39 摇 摇 (R2 = 0.856 P<0.01)
同理,将泥沙量视为因变量 Y,上述 13 个景观指数作为自变量进行多元线性回归分析。 结果显示,泥沙
量与景观指数复相关系数 R= 0.981(高度相关) (P<0.001),判定系数 R2 = 0.962,复相关系数大于径流量复相
关系数,说明泥沙受景观格局影响更大。 泥沙量复相关系数也大于任一自变量和因变量之间的单相关系数
(表 2)。 方差分析统计量 F = 21.397,相伴概率值 P<0.001,自变量与因变量之间存在线形回归关系,回归方
程为:
摇 摇 摇 摇 摇 摇 Y = 1.25x1 - 0.25x2 + 0.57x3 + 0.13x4 + 0.80x5 - 0.50x6 + 0.07x7 + 0.73x8 - 0.01x9 -
0.36x10 + 16.63x11 - 11.58x12 - 0.28x13 + 5.47摇 摇 (R2 = 0.962 P<0.01)
1947摇 23期 摇 摇 摇 黄志霖摇 等:三峡库区典型农林流域景观格局对径流和泥沙输出的影响 摇
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图 2摇 径流量与泥沙量的相关性
摇 Fig.2摇 Correlation between runoff and sediment in 25 watersheds
in Zigui county
3摇 讨论
3.1摇 径流量与泥沙的模型输出
与相关研究[12,16鄄17,25]不同的是,本文利用高级流域
管理工具 AnnAGNPS 模型来模拟秭归县 25 条小流域
径流量和泥沙输出,进而提高了不同景观单元之间泥沙
输移的计算精度[12]。 但 AnnAGNPS模型是在美国地形
较平坦,降雨较不集中,侵蚀形式主要是不考虑重力侵
蚀的细沟和细沟间侵蚀,流域农场经营方式,耕作制度、
施肥(农药)数据统一且易于获取的情况下建立的。 秭
归县农业多属农户分散经营,耕作施肥(农药)方式不
一,数据不易获取且不确定性高。 地形上,25 条流域平
均坡度较高,景观较为破碎。 土地利用为农林间作,以
林为主的复合利用方式。 为真实表达土地利用方式,减
少参数的空间聚合[5],本文采用 15 m[21]的 DEM,描述流域微地形空间变异性的两个参数 CSA(Critical Source
Area)和 MSCL(Minimum Source Channel Length)确定为 1 hm2和 30 m,最大限度地减小各类输入参数的聚合
误差[5]。 同时,该模型对秭归县黑沟、兰陵溪、杉木溪等流域模拟结果上看,径流和泥沙输出误差均在可接受
范围之内[4,23],AnnAGNPS模型可以用来模拟本文 25 条流域径流和泥沙输出,模拟结果可以用来进行相关
研究。
3.2摇 景观格局指数与径流、泥沙输出
地形、土壤性质、气象因素、植被等因素均能引起库区小流域产生水土流失[26],陡坡开荒、林木采伐、开
矿、修路、采石等人类生产建设活动均能加剧水土流失,而库区坡改梯、退耕还林还草等工程是控制土壤流失
的有效措施[27]。 但由于研究区内坡改梯工程、灌木、草地等景观斑块类型面积较小,削减径流和控制泥沙输
出功能受 PLAND值较大斑块类型(林地、农地)等因子的强烈影响,而使这种相关性不显著;本文中林地、农
坡地 PLAND值较大,不同流域中的差异也较大,从而也使径流和泥沙输出差异明显,充分说明林地、农地在
水土流失中的主导效应。 研究区为典型的林农流域,景观斑块空间构型较为复杂,分维数(DLFD)有一定的
变异,虽与径流量相关性不强,但与泥沙相关性显著,证明产流和产沙两个生态过程虽然相关性较强,也有相
对独立的一面;Shannon多样性指数(SHDI)取决于两个方面的信息,一是斑块类型的丰富度,二是各斑块类型
在面积分布上的均匀性。 SHDI对景观类型数较敏感,能够反映景观的异质性,其对径流量和泥沙影响均显
著;景观聚集度(CONT)的大小反映景观中不同斑块类型的非随机性或聚集程度。 如果一个景观中小斑块较
多且较为离散,则 CONT值较小。 如景观中以少数大斑块为主或同一类型斑块高度相连,则 CONT 较大。 本
文中,CONT值空间变异系数仅为 9.3%,但对径流和泥沙输出影响均显著,这说明在流域水土流失治理过程
中,不但要重视有利于防治泥沙输出斑块的 PLAND值,还要关注已有斑块类型的空间延展性和连接度,避免
高强度泥沙大面积集中分布所引起的更高强度更大面积侵蚀的链动效果[12,16]。 本文与相关研究均证明小流
域景观格局特征与径流量、泥沙强度均有较强的相关性,林地、农坡地景观类型与聚集度指数与土壤侵蚀均显
著相关,土壤侵蚀与相关的景观格局指数复相关系数高度相关(R>0.8)。 本文中 25 条小流域泥沙输出量平
均为 17.7 t / hm2,属轻度侵蚀,但该区位于三峡库区生态敏感区,所以下一步的土地利用结构调整中应继续实
施退耕还林、农地坡改梯等高种植以及农地和经济作物地段林草过滤带等工程措施,大力推行沟渠植被恢复,
利用生物措施削减泥沙输出量[27]。
产流产沙过程是一个多尺度、非线性的空间地理―生态过程。 过程变量随景观格局的变化呈复杂的非线
性关系。 景观数据属性、常规格局指数本身性质以有产流产沙过程复杂性,使常规景观指数与泥沙过程变量
间的统计关系存在不确定性[9],多个景观指数对于同一个过程变量缺乏一致性[7,11,16,25],这是径流、泥沙等生
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态过程研究不确定性的重要原因。 本文采用的气象数据没有考虑降雨等气象因子的空间差异性,我们还假定
25个小流域土壤、地形等因子相对一致,没有考虑土壤、地形因子对径流和泥沙的影响差异,没有考虑景观格
局的粒度效应,所以进一步研究和探讨的问题是:粒度对上述景观格局指数有怎样的影响? 同时在特定的、均
一的气象条件下利用模型对 25条流域产流产沙进行了模拟,对其他气象条件(丰水年、干旱年)下产生的径
流与泥沙与景观格局关系如何,本文结论是否有一定的推广性,景观格局指数能否确定为小流域综合治理的
评价指标有待进一步研究,景观格局对径流和泥沙输出分析需要新的理论范式加以补充和完善。
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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
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本期责任副主编摇 王德利摇 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
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