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, 3, 4, 5, 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, 8, 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, 10, 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, 13, 14, 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, 17, 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, 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。

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 晋江流域水系图 Fig.1 River system of Jinjiang watershed

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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 ℃，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)空间数据 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”，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 ∶ 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 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。

图 2 研究区1985年和2006年土地利用覆被分布 Fig.2 Land use and land cover maps of study area in 1985,2006

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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-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-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：

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式中，Q_i,t为t年i类洪枯径流的径流深变化率，Q_i,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，Q_i,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。

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：

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式中， R_a为a类景观格局指数变化率，K_a,2006为2006年景观格局下a类景观格局指数取值，K_a,1985为1985年景观格局下a类景观格局指数取值。

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。

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。

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。

图 3 石砻站日径流量模拟图 Fig.3 Simulated daily runoff in Shilong gauge

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图 4 研究区1985—2006年斑块类型面积变化 Fig.4 Area of landscape class change from 1985 to 2006 in study area

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1 985—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47.31%。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。

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。

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 研究区不同景观格局下洪枯径流变化率的年际变化 Fig.5 The annual change ratio in flood,low flow between two simulations using landscape maps in 1985and 2006 in study area

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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 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 The annual change ratio in flood,low flow between two simulations using landscape maps in 1985and 2006 in no.19 typical subbasins

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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27.71%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%。

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。

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。

(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。