水土流失是黄土高原流域水文过程的主要特征(Shi et al., 2000)。黄土高原中部的子午岭山区，是整个黄土高原为数不多的几片天然林区之一，分布着辽东栎(Quercus liaotungensis)、白桦(Betula platyphylla)、山杨(Populus davidiana)、山榆(Ulmus pumila)等树种构成的次生落叶阔叶林，以及侧柏(Platycladus orientalis)、油松(Pinus tabulaeformis)为常见树种的针叶林。近几十年以来，随着黄土高原区域社会经济的快速发展，子午岭林区森林遭到了严重破坏。与20世纪50年代相比，林线约后退了20 km，林区的水土流失现象日趋严重(程积民等，2002)。为此，有关学者对黄土高原森林破碎化对流域水文过程的影响进行了探讨，但这些研究主要集中于局部地点的试验和观察(Huang et al., 2003; 2004;Li et al., 2004; Liu et al., 2004)。随着全球范围内IGBP和LUCC计划的推行，从流域景观层次上来探讨森林破碎化对水文过程的影响的研究，才逐渐被人们重视起来(Williams et al., 1997; Defries et al.; 2004;Loerup et al., 1997)。本文以处于子午岭南部的三水河流域为例，采用遥感数据与地面气候、水文监测数据相结合的方法，通过分析近30年以来该流域森林景观破碎化对流域水文过程的影响，揭示森林植被在黄土高原水土保持中的重要作用。

1 研究区概况

研究区位于子午岭南部的三水河流域(106°20′—107°28′ E，35°24′—35°46′ N)。流域面积1 283.6 km²，海拔800~1 300 m，温带大陆性半湿润气候，年均降水量600 mm，年均蒸发量1 200 mm。三水河发源于子午岭西坡，由东北向西南在陕西长武县刘家河汇入泾河，在河流下游断面上建有水文监测站，该站现有1971—2003年的河流连续水文观测记录，反映了近30年来的河流地表水文状况。流域中、上游为子午岭林区，下游为关中平原北部山地。近年来，由于砍伐，流域森林破碎化程度不断加剧，河流泥沙含量明显增加。

2 研究方法

当前，用来分析森林破碎化对河流水文过程影响的主要方法有两大类(Potter, 1991; Bewket et al., 2004)：模型模拟和基于水文数据的统计分析方法。许多模型模拟方法存在很多局限性(Loerup et al., 1997)。基于流域水文过程长期观测数据和森林破碎化数据，利用统计分析方法中的多种趋势分析方法和回归模拟方法进行森林破碎化对河流水文过程影响的研究，是目前经常采用的方法(Huang et al., 2004; Legesses et al., 2003; 王根绪等, 2005)，本研究也选用了该方法。

2.1 森林破碎化数据与分析方法

采用遥感卫星数据作为森林破碎化的主要监测数据源，其时间序列依次为1976年的MSS数据，1986和1995年的TM数据，2000年的ETM数据。在ERDAS IMAGE和ARC/INFO数据处理软件的支持下，参考1:50 000地形图和其他的区域研究专题与资料，对上述4期遥感数据进行了地理坐标配准和几何精确校正，依据中国科学院资源环境数据库中的1:100 000土地利用分类系统，并根据研究区的土地覆被特点，进行计算机屏幕人机交互判读，将三水河流域土地覆被类型划分为：天然林地、灌木林地、疏林地和人工林地、耕地、草甸与山地草原草地、居住交通用地和水域共8个类型。利用FRAGSTATS3.3软件计算斑块数目、斑块面积、斑块密度等指标。

三水河流域是一个以森林为主的山地森林流域，通过对以上遥感数据分析和查阅历史文献记载，获得了三水河流域1976、1986、1995和2000年4个时期的各类林地面积。为了能够将森林破碎化数据与河流水文过程数据进行同步分析，本文利用分段线性插补技术，来获取1970—2000年连续30年的天然林地破碎化数据系列。分段线性插补方法是基于流域每年的森林砍伐量与森林破碎化的关系的认识，利用森林砍伐量作为线性插值的权重，具体方法为F_it=F_it-1+α(F_i-F_i0)。式中：i为分段数，it为第t个分段数，F_it是it时的天然林地面积，F_it-1是it-1时的天然林地面积，F_i、F_i0分别为第i阶段天然林地在阶段末和阶段初的面积，α为阶段的砍伐权重。

2.2 森林破碎化与河流水文过程的相互关系

三水河流域处于子午岭山区，流域工农业发展落后，本研究不考虑工业用水和其他水利工程对河流水文过程的影响，只认为流域河流水文过程变化与流域内的地表覆被变化和气候变化有关。

2.2.1 流域水文过程变化趋势分析

以三水河下游的刘家河水文站监测数据，反映流域上游的河流水文年变化过程。选择河流水文过程中的年径流深度，汛期径流深度和年侵蚀模数3个参变量，分别利用5年平均数据的滑动曲线来反映这些水文参数的动态变化(Loerup et al., 1998; Burn et al., 2002)。

2.2.2 森林破碎化与河流水文过程的关系分析

由图 1可以看出，在1980年森林破碎化以前，流域径流量与降水量之间具有较好的相关性，1980年以后，随着流域森林破碎化程度的加剧，径流量与降水量的相关性不那么明显，利用上述获得的森林破碎化数据系列，应用回归分析方法，分析森林破碎化与流域年径流深度、汛期径流比例和年侵蚀模数3个水文参量之间的统计关系，判断是否存在显著相关性，并建立流域水文过程与森林破碎化关系的数学模型。

2.2.3 气候变化对水文过程的影响

利用1960—1980年刘家河水文站的水文观测数据与流域同期平均降水数据，建立相关回归方程，分析其显著性和拟合误差，确定径流过程随降水变化的模拟模型。利用该模型获得1980年以后假定无森林破碎化的河流水文过程Q₁，评价实际水文过程Q与模拟水文过程Q₁之间的森林破碎化校准残差R₁：R₁=Q－Q₁。同样办法，利用森林破碎化数据与河流水文过程数据之间的模拟模型，计算不考虑气候变化因素下的河流水文过程Q₂，得到实际水文过程Q与模拟水文过程Q₂之间的气候变化校准残差R₂，比较R₁和R₂，评价气候变化与森林破碎化分别对河流水文过程的影响：R₂=Q－Q₂。

2.2.4 建立模型

只考虑气候变化和森林破碎化2个因素建立流域水文动态变化模拟模型：Q_m= αQ₁+βQ₂，式中：Q_m为综合模拟径流量，Q₁为只考虑降水变化的模拟径流量，Q₂为只考虑森林破碎化的模拟径流量，α、β分别为森林破碎化和气候变化的影响权重，依据R₁、R₂和最小二乘法来确定。根据(4)式的模拟误差，定量评价流域河流水文过程与森林破碎化的动态关系。

3 结果分析 3.1 森林破碎化的动态过程

选择研究区的天然林、灌木林、疏林和园林4种林地类型，分析1976年来森林景观破碎化的特征指标。

从表 1可以看出，三水河流域近30年以来呈现了严重的森林破碎化过程，1976年各类林地总面积达到流域总面积的68.23%，到2000年减少为30.16%，24年减少了4.887万hm²。从森林破碎化的动态过程来看，1976—1986年林地面积减少最多，减少了3.127万hm²；其次为1995—2002年，减少了0.942万hm²；1986—1995年减少0.818万hm²。

森林景观空间特征也发生了巨大变化，景观斑块数目出现明显的增加趋势，斑块密度持续增大，1976年为0.876，1986年增大0.962，2000年进一步增大为1.173，说明人类活动不断促进了新斑块的产生，增加了斑块的总体数目。斑块数目的增加改变了森林景观的整体空间格局，从而降低了景观空间的聚集程度。景观聚集度由1976年的95.817降低到2000年的93.580。随着流域内斑块数目的增大，斑块的空间形状也发生了很大的变化，反映景观斑块圆整程度的景观分维数在1976年为1.363，1986年为1.385，2002年增大到1.408，说明森林破碎化使景观斑块由圆整形状变成了各种复杂的空间形状。而主要反映景观空间格局复杂程度的景观多样性指数在1976年为1.452，1986年增大为1.598，2000年进一步增大为1.818，呈现出明显的增加趋势，说明近30年来三水河流域景观空间结构由原来的单一化森林景观格局正在向多种景观类型的复合景观格局转化。

3.2 水文过程变化

三水河上游的子午岭林区是该流域的主要径流发生区。1960年以来，流域年径流深度、最大月径流量、年侵蚀模数和河流泥沙含量都呈现出明显的增大趋势(图 2)，1990—1999年10年的均径流量比1960—1969年10年均径流量增加了62.85%，最大月径流量增加了58.36%，侵蚀模数增加了90.76%。进入90年代以后，年径流深度和侵蚀模数的递增趋势有所减缓，但河流平均含沙量显著增大。根据线性回归趋势的斜率分析年平均变化速率，年径流深度均增大1.233 mm，年侵蚀模数平均每年增大16.09 t·km^-2。

3.2.1 降水与水文过程的关系

根据图 1所示的流域降水与径流多年变化特征可见，在1980年以前降水与径流具有较好的同步变化关系，故利用1960—1980年间的降水和径流数据，建立了降水和各种水文参数之间的统计关系，如图 3所示。图 3表明，降水与各水文参数之间具有显著的线性关系，降水是构成径流的主要因素。利用回归分析，建立降水与各水文参数之间的统计方程，列于表 2。

根据表 2，误差校核后，对流域的水文过程各参数进行模拟。对比模拟与实测结果，分析拟合的均方根误差(root mean squared eror，RMSE)和相对误差(relative error，ER)的分布情况。在20世纪80年代以前，水文过程各参数的降水模型模拟结果的RMSE较小，以后，年均径流深度和侵蚀模数的模拟误差急剧增加。20世纪70年代的相对误差分别为13.29%和52.28%，到90年代发展到26.48%和123.67%，说明80年代以来降水对径流和侵蚀的贡献显著减弱，到90年代，降水对径流、侵蚀的贡献进一步减弱(表 3)。

3.2.2 森林破碎化与水文过程间的关系

上述分析表明：流域降水没有发生明显的增减变化，而水文各参数均显著增大。自20世纪80年代以来，降水对流域水文过程的影响逐渐减弱，而流域严重的森林破碎化是河流水文过程发生持续变化的重要原因。选择各类林地总面积，利用(1)式森林破碎化面积变化的系列数据，分析其与水文过程各参数之间的统计关系。如表 4所示。

从森林面积变化与水文过程各参数的关系来看，最大月径流量、河流平均泥沙含量与林地面积变化的关系较弱，回归分析的相关系数 < 0.50，其他参数与林地面积变化的关系都具有显著的幂指数关系。从林地模型拟合的相对误差来看(表 5)，20世纪70年代年径流深度、年侵蚀模数、最大月径流量和河流平均泥沙含量模拟的相对误差为14.11%~34.84%；80年代，年侵蚀模数和河流平均泥沙含量模拟的相对误差分别增大到50.65%和99.17%；90年代各模拟的相对误差都进一步增大。与降水模型的模拟结果相比较，森林破碎化模型具有很高的拟合精度。从模拟计算的RMSE值来看，年径流深度和年侵蚀模数始终< 0.03。显示了森林破碎化模型对径流的拟合度较高。

3.2.3 基于森林破碎化程度和降水对水文过程的模拟

利用上述各水文参数对降水和森林破碎化模型在不同时期模拟的相对误差, 利用最小二乘法原理，确定拟合精度最高时(4)式中的待定系数值。根据参数可构建基于降水和森林破碎化两种因素的水文过程模拟模型，即(4)式的标定，确定最佳参数值后的模拟结果如图 4所示，从图中可以看出，对33年水文过程的模拟具有很好的拟合度。年径流深度和最大月径流量拟合结果的R²值> 0.60，年侵蚀模数和河流平均泥沙含量拟合结果的R²值分别为0.518、0.497，表明模型的精度和拟合度较高。

不同时期的水文过程参数具有最佳模拟精度时的模型参数列于表 6。年侵蚀模数受森林破碎化的影响比较大，在30年的大部分时段，林地面积减少的因子贡献率在77%以上；径流深度变化受森林破碎化的影响相对较小，林地影响因子贡献率为62%~65%；降水对最大月径流量的影响较大，平均降水贡献率为14%~26%，对河流平均含沙量影响微弱，其贡献率30年以来始终在4%以下。总体上，从20世纪80年代以来，森林破碎化对于水文过程各参数的影响十分显著，在林地面积变化对各水文参数变化的贡献率均 > 60%，而降水 < 25%。

4 结论与讨论

森林破碎化对流域水文过程的影响及其机理一直是国际上争议较大且被广泛关注的热点问题(Jones et al., 1999; Lowrance, 2001; Baskent et al., 1995; Creed et al., 1996; 刘昌明等，1978)。有关黄土高原的研究表明(赵鸿雁等, 2001):在降水量相对较大的半湿润区，当降水强度和降水量较小时，流域森林及土壤凭借自身巨大的蓄水能力可把降水全部贮存起来，其中林冠截留蒸发为8%，森林植被生理耗水为23%，森林地被物和土壤蓄水为45%。子午岭林区树冠的截留率为11.4%~22.4%，树冠蒸发为8%~10%，地被物吸水量和拦水量、土壤蓄水量分别为21%和33.1%。同时枯枝落叶层具有滞缓产流时间和降低径流速率的作用(孙立达等, 1995)。朱显谟(1960)、吴钦孝等(1998)研究发现：在黄土高原常见坡度25°条件下，有1 cm厚的枯落物覆盖，径流流速可降到相当于无覆盖坡面的1/10~1/15，从而有利于降水渗入土壤。加上林区根系-土壤层的透水和蓄水性能，森林把汛期相当一部分降水转化为土壤水，其中一部分通过裂隙等途径可转化为地下水，起到调洪补枯的作用(李勇等, 1990)。

在子午岭南部的三水河流域，近20多年来，各类林地面积减少了55.80%，斑块数目增加了34.02%，森林景观出现了严重的破碎化现象。利用流域下游水文站点40多年的水文和降水数据，建立水文过程参量与林地面积的统计回归模型，可以得出以下结论：自20世纪70年代以来，三水河流域上游森林景观的破碎化对流域水文过程产生了显著的影响，年径流深度增加了62.85%，年侵蚀模数增加了90.76%，最大月径流量和河流平均泥沙含量分别增大58.36%和63.21%。林地面积的减少对年径流深度的影响贡献率为72.35%，对最大月径流量的影响贡献为45.18%，对侵蚀模数和河流泥沙平均含量的影响贡献分别为86.7 3%和79.61%。因此，合理保护流域各类林地资源对于流域水土资源保持和区域可持续发展具有重要意义。