本文是一篇农业论文，本文从景观数量与景观格局指数两方面对石盘丘小流域两个不同集水区的景观格局进行了量化，并分析了其对土壤侵蚀模数和径流水样中各形态氮、磷的影响，从土壤侵蚀和养分流失两方面，较为全面地描述了石盘丘小流域的水土流失现状。
第1章 文献综述
1.1 研究背景与意义
生态环境是人类生存和发展的主要物质来源，水土流失是生态环境突出的问题之一[1]。水土流失包含水土资源和土地生产能力的破坏及损失，在全球1.49亿km2的陆地中，约有10.94亿hm2的土地受到水土流失的影响[2]，每年流失有生产能力的表土250亿t[3]。目前，70%的国家和地区正在经受水土流失和荒漠化的危害。据《2019年中国水土保持公报》，我国共有水土流失面积271.08平方公里，西部地区水土流失面积为225.92万km2，中部地区水土流失面积为29.34万km2，东部地区水土流失面积为14.11万km2，呈现西多东少格局；侵蚀强度上，轻度、中度、强烈及以上等级水土流失侵蚀面积分别为170.55万km2、46.36万km2和54.17万km2，目前，我国的水土流失形势依然严峻。
已有大量研究表明，水土流失对土地生产力和非点源污染存在强烈影响。水土流失首先会导致土层厚度的减少，同时，随着土壤及泥沙沉积物的输移，下游水利设施的调蓄功能将被严重降低，而更细的土壤颗粒将随径流进入水体，从而导致水环境的紊乱[4]。此外，高强度的土壤流失，使土壤的固碳量和总生物量显著降低，土壤中有机碳、氮、磷、钾等元素的损失比例，也随着土壤侵蚀的增加而增加[5]。近50年来，我国因水土流失损毁的耕地达2.67万km2，造成退化、沙化、盐碱化草地约100万km2，年均4亿吨泥沙沉积在黄河流域下游河床，造成河道淤积，洪涝灾害频发，此外，地力下降加剧了群众贫困程度，我国有90%以上的人口生活在水土流失严重地区[6]。
三峡库区是长江经济带和长江上游水土流失最为严重的区域，库区现有水土流失面积1.59万km2，占库区土地总面积的34.49%，水土流失率远高于全国28.6%的平均水平，库区年泥沙淤积量达0.41亿t，化肥流失量达26kg·hm-2，2014~2018年间，随径流和泥沙进入库区的氨氮、总氮和总磷等化学物质达7.43万t [7]。三峡库区作为长江上游生态屏障的最后一道关口，在全国生态空间格局中具有重要的战略意义，因此，研究三峡库区由水土流失所带来的土壤侵蚀和面源污染问题，进而探索有效的水土保持措施和管理机制，对治理三峡库区水土流失、确保库区生态文明发展、落实库区生态文明建设具有重要意义。
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1.2 国内外研究进展
1.2.1 景观格局理论及研究进展
景观生态是地理学与生态学的结合，景观格局是气候、地形、土壤、水分利用能力、生物群落之间相互作用的结果[8]。随着对环境分析认知的不断深入，以景观层面描述生态系统空间类型、将小规模生态信息联系到景观水平的理论方法逐渐被应用于小流域的生态研究中[9]。1987年，Gardner R H等人研究发现，不同土地利用格局下，景观斑块的数量、大小、分布面积和分形维数指数之间存在显著差异[10]；1988年，Neill R V等人以美国地质调查局土地覆盖数字化地图为研究基础，发现景观格局指数之间相对独立，且与其对应研究区域的生态过程之间具有相关性，而一部分景观格局指数可以对如城市海岸景观、山林、农业景观进行类型水平的识别和区分[11]；同年，Turner M G等人基于景观格局理论，将美国佐治亚州的土地利用格局以斑块的平均数量和大小、分形维数、斑块间边缘量、多样性、优势度和蔓延度指数进行量化，发现景观格局的变化对许多生态过程和自然资源存在潜在的影响[12]；20世纪90年代，随着遥感技术日新月异的发展，RS、SPAN、GIS等空间分析程序逐渐与景观格局的研究相结合，跨空间尺度的景观格局研究也由此开启[13]；1999年，Giles J R等发现了研究景观格局的关键要素，并以移动窗口法获得景观格局指数[14]。景观格局引入我国的时间相对较晚，20世纪80年代，我国景观生态学的研究开始起步，经历漫长的探索阶段、吸纳阶段与实践阶段，直至21世纪初，开始了景观格局与生态过程相互作用及尺度效应的研究[15]，景观指标与生态过程研究、景观演化与人类活动相关性研究、景观格局优化研究是我国景观格局研究的重点[16]，借助景观格局分析生态过程的研究大量涌现。目前，景观格局由理论研究，逐渐向多个领域的生态过程应用研究过渡，水土保持学科也出现了以景观格局理论为基础，结合土壤侵蚀过程、沉积物输出过程、水文响应过程等的研究模式。
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第2章 研究目标与内容
2.1 研究目标
本研究以石盘丘小流域的两个自然集水区为研究对象，在厘清集水区面积、地形、自然资源、农业生产方式，明确集水区景观数量特征、景观格局特征的基础上，通过调查研究、模型分析研究、定位监测研究等研究方式，综合对比两个集水单元在土壤侵蚀模数与次降雨事件中氮、磷输出负荷方面的异同，分析基于景观格局理论下小流域土壤侵蚀规律及养分输出对水文的动态响应过程，探讨景观空间布局优化技术，为促进小流域综合治理和水土保持生态建设提供思路。
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2.2 研究内容
综合研究的科学可行性、把握水土流失的发生发展规律，制定如下研究内容
（1）集水区景观特征研究
小流域的景观特征是本研究的分析依据。以流域航测影像、数字高程模型为基础，利用ENVI、ArcGIS、Fragstats等软件，获取研究区坡度、高程、植被覆盖度、土地利用分类等数据，识别研究区“源”“汇”景观格局及其数量特征、计算小流域景观格局指数，对比两个集水区景观特征的异同。
（2）集水区土壤侵蚀模数研究
选取修正的通用土壤流失方程RUSLE模型，结合文献资料及野外考察，综合土地利用解译数据、站点气象数据，获取模型计算中的各指标：降雨侵蚀力因子R、土壤可蚀性因子K、地形因子LS、植被覆盖与管理因子C、水土保持措施因子P，计算并对比两个集水单元的土壤侵蚀模数。
（3）集水区次降雨过程中氮、磷流失特征研究
分别收集次降雨过程中两集水区出口断面处地表径流水样，监测径流样氮（总氮、可溶性总氮、铵态氮、硝态氮）、磷（总磷、可溶性总磷、正磷酸盐）流失浓度，计算径流平均浓度及非点源污染负荷，对比两个集水区养分输出对水文动态的响应过程。
（4）研究区景观格局对土壤侵蚀模数及氮、磷输出的相关性分析
基于以上研究结果，借助分析统计软件SPSS，进行景观格局对土壤侵蚀模数及氮、磷输出的相关性分析，揭示小流域尺度下土壤侵蚀和养分输出驱动动因的景观特征因子。
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第3章 石盘丘小流域概况与研究方法 ........................... 15
3.1 石盘丘小流域概况 ........................... 15
3.2 数据来源 ............................... 16
3.3 样品测定 ................................ 17
第4章 石盘丘小流域景观特征分析 .................................. 21
4.1 石盘丘小流域景观数量特征 ............................... 21
4.2 石盘丘小流域景观指数特征 ................................... 23
4.3 本章讨论与小结 ................................. 25
第5章 石盘丘小流域土壤侵蚀分析 ........................... 27
5.1 石盘丘小流域土壤侵蚀模数因子 ............................. 27
5.1.1 降雨侵蚀力因子R ................................... 27
5.1.2 土壤可蚀性因子K ................................... 27
第8章 研究区景观优化调控技术
8.1 “源－汇”景观格局识别
经上文研究发现，同一景观类型在不同降雨事件中的属性具有流动性，水土流失受到多重因素的共同控制，要对小流域的水土保持布局进行统筹规划，就不能片面的从景观类型着手，因此，必须借助宏观尺度上的因子进行小流域水土流失风险源的识别。本研究采用最小累计阻力模型对石盘丘小流域的“源—汇”景观格局进行识别，以判断流域水土流失的高风险区域。
如图8-1所示，景观阻力系数R与景观动力系数E之间呈现出此消彼长的趋势。景观阻力系数较高、动力系数较低的区域往往分布在流域西侧及中部位置，景观类型多为其他林地、其他草地，植被覆盖率高，同时具有较低的土壤可蚀性，而景观阻力系数较低、动力系数较高的区域大多分布在流域北侧及顶部位置，这些区域多数为果园、旱地、水田等，化肥投入量大，土壤可蚀性高，更易发生水土流失。如图8-2所示，流域内景观阻/动力成本空间格局反映了流域景观距出水口所耗费的阻/动力成本，与流域内景观阻/动力系数空间格局趋势相似，高阻力值的区域通常分布在流域西侧高程及坡度较高区域，而高动力值的区域往往分布在流域东侧，不同的是距离出水口越近的区域所耗费的成本越小。
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第9章 结论与展望
9.1 主要结论
本文以石盘丘小流域的两个集水区为研究对象，对农林复合型集水区以及传统农业型集水区的土壤侵蚀及径流养分进行了研究，最后识别了流域内水土流失易发区域，并提出景观格局优化调控措施，研究得到以下结论：
（1）研究区景观数量特征方面，CT集水区“源”“汇”景观面积比达7:3，而FH集水区“源”“汇”景观面积比约4:5；在景观数量随坡度的分布中，CT分布在5°以下的景观数量达到了FH的2倍，FH在25°以上的景观数量是CT的6倍；在景观数量随相对高程的分布中，FH在相对高程50m以上的景观数量达到CT的6倍。
（2）研究区景观指数特征方面，景观水平指数下，CT集水区与FH集水区的差异性主要体现在斑块密度（PD）、边缘密度（ED）和形状指数（LSI）中，而蔓延度指数（CONTAG）和香农多样性指数（SHDI）的差异不显著；类型水平指数下，CT集水区在“源”景观中的PD小于FH集水区，而ED大于FH集水区，CT集水区在“汇”景观中的PD大于FH集水区，而ED小于FH集水区。
（3）通过RUSLE模型对石盘丘小流域土壤侵蚀模数的计算，CT与FH集水区均表现出以微度侵蚀为基质的侵蚀格局，两集水区的侵蚀模数分别为66.66t·km-2·a-1和65.54t·km-2·a-1，无显著性差异，但CT集水区中存在侵蚀模数达5530.02t·km-2·a-1的强烈侵蚀区域；旱地、果园是“源”景观中侵蚀模数较高的景观类型，其他林地、其他草地是“汇”景观中土壤侵蚀模数较高的景观类型；
（4）对研究区2021年8月4场侵蚀性次降雨径流中各形态氮的分析结果表明，CT集水区径流中TN、DN、NN和AN的平均EMC分别为3.93mg·L-1、2.32 mg·L-1、1.26 mg·L-1和0.13 mg·L-1，平均输出负荷分别为104.30g、80.34g、41.37g和5.76g；FH集水区径流中TN、DN、NN和AN的平均EMC分别为1.96mg·L-1、1.57 mg·L-1、0.79 mg·L-1和0.10 mg·L-1，平均输出负荷分别为61.87g、50.02g、30.86g和3.31g，NN是两个集水区径流中溶解态氮的主要流失形式。对研究区2021年8月4场侵蚀性次降雨径流中各形态磷的分析结果表明，CT集水区径流中TP、TDP和DIP的平均EMC分别为0.68mg·L-1、0.43mg·L-1和0.11mg·L-1，平均输出负荷分别为32.86g、17.10g和4.76g；FH集水区径流中TP、TDP和DIP的平均EMC分别为0.53mg·L-1、0.36mg·L-1和0.11mg·L-1，平均输出负荷分别为15.29g、8.60g和3.20g，TDP是两个集水区径流中溶解态氮的主要流失形式。
参考文献（略）