2004—2016年貴州省石漠化狀況及動態演變特征

文林琴,栗忠飛

西南林業大學生態與環境學院,昆明 650224

石漠化是一種受人類不合理社會經濟活動干擾和破壞而造成的土壤嚴重侵蝕、基巖大面積裸露、土地生產力嚴重下降、地表出現類似荒漠景觀的土地退化過程[1]。我國石漠化主要分布于貴州、云南、廣西、湖南、四川、重慶、湖北和廣東等8個省份[2- 3],其中尤以西南區域的貴州、云南為重,已經成為困擾我國西南區域生態建設的重大環境問題[4- 6]。

地處我國西南區域的貴州省,位于長江中上游與珠江上游重要水源補給區,具有十分重要的地理位置和生態區位[7]。貴州省是世界上巖溶地貌發育最典型的地區之一,是全國石漠化分布面積最大、類型最全、形成最強烈的高原山區[8]。貴州省嚴重的石漠化問題,導致區域水土流失加劇、生態系統功能退化,江河湖庫泥沙淤積,嚴重威脅著長江、珠江等江河中下游地區的生態安全與可持續發展[9],一直以來都是區域內研究的熱點和生態環境治理的重點[10- 12]。

諸多學者針對貴州省石漠化問題開展了一系列研究,包括石漠化時空演變[10,13- 14]、動態變化及成因[15-16]、驅動機制[17]、生態恢復與治理[18-19]以及監測技術及評價方法[20-21]等。對石漠化的研究中,分析石漠化格局變化過程是認識石漠化發生、發展的前提和基礎[22]。但由于研究目的、數據來源及研究區自然環境狀況等條件的差異與制約,當前針對貴州省石漠化的各類研究,總體上呈現：1)研究區多為石漠化治理試點區域、縣域及地州區域等中小區域,未能體現貴州省域尺度上石漠化空間格局狀況；2)研究時間序列較短,未能體現近二十多年來貴州全省石漠化治理、演變的過程及發展態勢。因此,長時間序列下、貴州省域尺度的石漠化演變狀態及未來趨勢變化的相關研究,在當前生態文明建設背景下顯得尤為迫切而重要。

本文基于TM遙感影像數據,以貴州全省為研究區,對貴州省2004—2016年間4個不同時段的石漠化演變狀況,開展動態化的定量分析,揭示貴州省近些年來,在國家生態環境建設大背景下,其石漠化狀態的發展演變規律及空間分布格局,與此同時,進而模擬預測其未來演變趨勢。研究對未來貴州省乃至整個西南區域生態文明建設需求下的石漠化治理提供現實的科學指導依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

貴州省地處中國西南地區腹地(103°36′—109°35′E、24°37′—29°13′N),地貌類型屬于中國西南喀斯特高原山地,境內地勢西高東低,自中部向北、東、南三面傾斜,平均海拔在1100 m左右。西部高海拔區域屬暖溫帶季風氣候,中部、東部為亞熱帶季風氣候,區內氣溫和降水分布差異顯著,年平均降水量682—1134 mm,年均氣溫14—16 ℃,常年相對濕度在70%以上。

全省土壤類型復雜多樣,其中黃壤面積最多,主要分布于中部區域,是全省土壤類型的主體部分。境內還廣泛發育石灰土和紫色土等巖性土[23]。

全省植被類型主要包括栽培植被、灌叢、草叢、草甸、針葉林、闊葉林和針闊葉混交林[24],其東南部、南部、西北部植被類型以闊葉林、針闊混交林、竹林為主,而西部、西南部、東北部以灌叢、灌草叢為主[25]。

1.2 數據來源

本文采用的遙感影像數據及DEM數字高程數據源于地理空間數據云共享平臺(http://www.gscloud.cn/)。其中2004年和2008年數據為Landsat TM影像數據,2012年和2016年數據為Landsat 8的OLI_TIRS影像數據,數據空間分辨率均為30 m×30 m,時間頻率為16 d。

2 研究方法

2.1 數據處理

首先對原始影像數據進行投影轉換為UTM(通用橫軸墨卡托投影坐標系),采用WGS_84坐標系；采用信息較豐富的TM5、4、3和OLI_TIRS6、5、4三個波段進行彩色合成圖像。利用ENVI5.3對數據進行輻射定標(Radiometric)和FLAASH大氣校正,校正后采用三次卷積法將研究區遙感影像數據進行鑲嵌,以貴州省地圖為底圖,進行裁剪以待信息提取。

2.2 石漠化程度等級劃分

2.2.1評價指標的選取

石漠化信息提取、空間分布研究以GIS技術結合遙感數據為基礎[26- 30],評價指標一般根據景觀特征和主要成因加以選擇[31]。植被覆蓋度下降,大面積巖石裸露是石漠化最直接的景觀標志[32-35],成為石漠化研究選用最多的分級指標[36]。也是石漠化調查、評估和等級劃分的重要依據[37]。諸多研究以及全國石漠化公報、貴州省石漠化公報等都將這兩個指標列為評價指標體系[12- 13,38- 39]。此外,坡度是影響石漠化變化的自然條件[40],坡度越大,地表結構不穩定性就越強,越容易發生石漠化,是石漠化演變過程中一個非常重要的影響因素[41],故而也常被作為石漠化的分級指標[12,42]。綜上情況,本文結合當前石漠化空間遙感監測指標體系研究現狀[12- 13,29- 30,39],結合石漠化遙感監測指標選取的目的性、可操作性和代表性等原則[43-44],同時,考慮影響貴州省石漠化演變的主導因素、空間尺度大小、地理環境狀況等特征,最終選取植被覆蓋度、巖石裸露率、坡度等3個指標作為本研究中石漠化空間格局演變的評價指標(表1)。

2.2.2石漠化等級的劃分

對于較大區域的石漠化監測研究,常采用3—4級的劃分方法[37]。國家林業局制定《巖溶地區石漠化監測技術規定》(2011年修訂),將石漠化劃分為輕、中、強和極強度4個等級,也有學者將石漠化劃分為分為重、中、輕度和無石漠化4個等級[12,45]。也有研究依據巖石裸露率和植被覆蓋度指標,劃分出無石漠化或潛在石漠化,及強度或極強度石漠化等[38- 39,42]。指標的閾值主要根據空間尺度、分級目標以及遙感影像的解譯方法等因素確定[46]。本文基于數據可得性、主要研究目等,綜合前人研究成果等[47- 49],將石漠化等級劃分為為無石漠化、輕度、中度和重度石漠化4個等級(表1)。

表1 喀斯特石漠化等級分級標準

2.3 各指標信息提取

2.3.1坡度提取

選取DEM數據(http://www.gscloud.cn),利用ENVI 5.3軟件經融合裁剪、投影轉換并轉成Tif格式,得到研究區DEM,然后利用ArcGIS 10.4軟件Spatial Analyst Tools工具箱中Surface工具集,進行Slope坡度計算[50]。

2.3.2植被覆蓋度提取

運用Gutman像元二分模型[51],以歸一化差值植被指數(NDVI)估算植被覆蓋度的模型為基礎,參照李苗苗等[52]所改進的歸一化植被指數(NDVI)定量估算植被覆蓋度的模型,進行植被覆蓋度(FVc)估算。其表達式為：

NDVI=(NIR-RED)/(NIR+RED)

(1)

式中NIR和RED分別為近紅外波段與紅光波段。

FVc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

其中,NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值,NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI 值,即純植被像元的NDVI值。研究中NDVIveg與NDVIsoil取值分別為圖像中置信度為95%置信區間內的最大值與最小值。

2.3.3巖石裸露率提取

在NDVI估算植被覆蓋度的基礎上,參照張曉倫[44]歸一化巖石指數(NDRI)估算巖石裸露率(Fr)。其表達式為：

NDRI=(SWIR-NIR)/(SWIR+NIR)

(3)

式中,SWIR和NIR分別為短波紅外與近紅外波段。

Fr=(NDRI-NDRIrock)/(NDRIrock-NDRIn)

(4)

式中,NDRIrock為完全巖石覆蓋區域NDRI值,NDRIn為完全非巖石覆蓋時像元的NDRI值。研究中NDRIrock與NDRIn取值分別為圖像中置信度為95%的置信區間內的最大值與最小值。

2.3.4實測數據的獲取

選擇貴州省石漠化等級分布較全的黔西南州為野外抽樣調查區域,于2018年8月中旬,在該區域內進行空間抽樣調查共計36個樣地,記錄樣地經緯度、石漠化程度、植被類型、植被覆蓋度、巖石裸露率等指標。

2.3.5石漠化動態度與未來預測分析

為定量分析貴州省石漠化動態變化區域差異和預測未來變化趨勢,本文引用單一土地利用類型動態度來研究單一等級石漠化動態度,利用綜合石漠化動態度表示各石漠化類型總的變化幅度與速度[10],同時利用ArcGIS對4期石漠化數據進行融合和疊加,得到石漠化轉移矩陣,定量解釋各石漠化類型間轉移特征,運用馬爾科夫模型[53- 54],通過馬爾科夫過程轉移概率,預測2020年和2024年貴州省石漠化演變趨勢。

(1)單一等級石漠化動態度計算公式：

(5)

式中,K為研究時段內某一石漠化類型動態度；Ua和Ub分別為研究期初及研究期末該類石漠化類型的數量；T為研究時段長。

(2)綜合石漠化動態度計算公式：

(6)

式中,K為綜合石漠化動態度；Uai為研究區域內第i類石漠化類型在研究起始年的統計面積；Ubi為研究區內第i類石漠化類型在研究終止年的統計面積；S為研究區總的國土面積；T為研究年數；n為石漠化類型數。

3 結果

3.1 貴州省植被覆蓋度時空格局分析3.1.1 植被覆蓋度精度檢驗

圖1顯示,實測的植被覆蓋度與遙感解譯的植被覆蓋度,兩者相關性系數R2達到0.87,精度良好。

圖1 植被覆蓋度預測值與實測值的回歸關系 Fig.1 Regression relationship between vegetation coverage prediction value and measured value

3.1.2貴州省植被覆蓋度時空變化特征

貴州省植被覆蓋度各時期總體上均呈現從東南向西北遞減的趨勢,西北部畢節市平均植被蓋度僅為23.2%—49.1%,而東南部黔東南州達到64.8%—75.6%(圖2)。

2004—2016年間,貴州省植被覆蓋度總體呈持續上升趨勢(圖2),全省平均植被覆蓋度從44.3% 增加到63.4%；尤其是2004年到2008年間,貴州西部畢節市、安順市、六盤水市和黔西南州等地出現顯著增高趨勢,分別從23.2%—36.9%增加到了46.4%—59.3%。2008—2012年間,西南部的黔西南州和西部的六盤水市植被蓋度平均下降了9.6%和11.5%。2012—2016年間,貴州全省平均植被覆蓋度從57.3%增加到63.4%,但畢節市地區仍呈3.1%的局部下降趨勢(圖2)。

圖2 貴州省植被覆蓋度空間分布Fig.2 Distribution of vegetation coverage in Guizhou Province

3.2 貴州省巖石裸露率時空變化特征

貴州省巖石裸露率各個時期同樣呈現西高東低的特征,西部畢節市平均巖石裸露率高達65.1%—65.6%,而東部黔東南州僅為30.1%—40.5%(圖3)。

2004—2016年間,貴州省巖石裸露總體呈下降趨勢,全省平均巖石裸露從53.4%下降到了49.7%。2008年到2012年,西北畢節市呈上升趨勢。2012—2016年間,全省平均巖石裸露率下降了2.4%。

圖3 貴州省巖石裸露率空間分布Fig.3 Distribution of rocky exposure rate in Guizhou Province

3.3 貴州省石漠化時空演變特征

3.3.1貴州省石漠化空間分布格局

貴州省石漠化狀況在空間分布上呈現出西部重、東部輕的特征(圖4)。4個時期中,西北部畢節市中度以上石漠化面積占該區域的62.0%—86.4%,東南部黔東南州僅為18.4%—33.0%(圖4)。

貴州石漠化的主要分布區域是畢節市、黔南州、黔西南州、六盤水市和安順市等5個地州市,4個時期中,其石漠化面積分別占區域國土面積的46.2%、40.8%、41.2%和35.7%,而無石漠化分布較多的為銅仁市和黔東南州,石漠化面積分別占區域國土面積的16.3%、18.3%、13.6%和11.6%(圖4)。

圖4 貴州省石漠化空間分布Fig.4 Distribution of rocky desertification in Guizhou Province

3.3.2貴州省石漠化時間演變特征

2004—2016年間,貴州省石漠化面積占比從81.7%下降到61.4%,其中,中、重度石漠化面積從61.4%下降到了38.1%(表2)。從絕對面積看,12年間,無石漠化面積從32176.4 km2增加至67893.9 km2；重度石漠化區域從34011.9 km2下降至20407.0 km2,截止到2016年,貴州省石漠化面積仍有108161.9 km2。從單一等級動態度看,無石漠化動態度一直呈正值變化,面積持續增加,而中度和重度石漠化則呈相反的變化特征(表2)。

2004—2008年和2012—2016年2個時段,是貴州省石漠化顯著好轉時期,無石漠化面積分別增加了40.1%和30.1%,動態度分別為10.0%和7.5%；重度石漠化面積分別減少了20.4%和10.7%,動態度分別為-5.1%和-2.7%。值得注意的是,2012—2016年間的中度石漠化減少較為顯著,年均減少3873.6 km2,動態度為-6.4%。2008—2012年間,總體上也呈改善狀態,無石漠化面積增加了1780.8 km2,動態度為4.0%,輕度、中度和重度石漠化年均分別減少176.8 km2、544.8 km2和1055.6 km2(表2)。

2004—2008年,2008—2012年,2012—2016年3個時段的綜合石漠化動態度分別為 5.2%,2.2%,5.1%,呈先減小后增大的趨勢,石漠化總面積持續減少。2008—2012年時段變化面積最小,動態度最低,其他兩個時段面積變化相當,變化速度較快(表3)。

表2 貴州省2004—2016 年不同類型石漠化動態度

表3 貴州省2004—2016 年石漠化綜合動態度

3.4 貴州省2004—2016年石漠化轉移過程

2004—2008年時段,輕、中度石漠化向無石漠化分別轉化了16048.1 km2和15455.0 km2；重度石漠化在貴州省安順市、黔西南州及遵義市增加較多,主要貢獻是中度石漠化,貢獻了8557.7 km2(圖5)。

2008—2012年時段,石漠化改善主體仍然是輕、中度,分別轉化13714.3 km2和27938.2 km2；重度石漠化增加的部分有56.3%來源于中度石漠化,集中在畢節市和六盤水區域(圖5)。

2012—2016年時段,輕、中度石漠化分別向無石漠化轉化16374.3 km2和15735.7 km2,主要分布于貴陽市、安順市和黔南州(圖5)。

2004—2016年的12年間,無石漠化主要向輕、中度分別轉化4833.6 km2和3346.2 km2,而石漠化狀況改善的主體也是輕、中度,分別轉化16855.3 km2和22996.0 km2；中、重度石漠化的轉入和轉出面積分別為31613.9 km2和74486.9 km2,比值為42.4%,其中,中度石漠化增加的主要貢獻是輕度和重度石漠化,分別貢獻6193.1 km2和12012.2 km2,由輕度向中度石漠化轉移惡化的區域主要出現在畢節市、黔西南州及遵義市的西北部(圖5d)。

近12年間,貴州省無石漠化面積凈增加35717.4 km2,增速為2976.5 km2/a,無石漠化轉入和轉出速率分別為3743.6 km2/a和767.1 km2/a；中度以上石漠化的轉入和轉出速率分別為2634.5 km2/a和56207.2 km2/a。從各石漠化等級的轉入和轉出速率看,輕度和中度石漠化轉化較為活躍,而重度石漠化和無石漠化較為穩定(圖5)。

圖5 石漠化空間轉化Fig.5 Spatial transformation map of rocky desertification

3.5 貴州省石漠化狀況預測

表4顯示,到2020年,貴州省無石漠化面積將從2016年的67893.9 km2上升到73915.8 km2,石漠化面積將減少6023.4 km2,達8.9%,其中中度石漠化面積減少最多,達7.6%。到2024年,無石漠化面積將增加到76155.4 km2,將增加12.2%,石漠化面積將減少8263.0 km2,中度和重度石漠化減少較多,分別下降10.0%和15.3%。

表4 貴州省2020年和2024年石漠化類型預測結果

4 討論

4.1 貴州省石漠化空間分布格局

植被覆蓋度是評價石漠化的關鍵指標,與石漠化等級呈現負向關系[55]。本研究中,貴州省植被覆蓋度與石漠化空間分布格局基本一致(圖2、圖4),相關學者基于MODIS-NDVI數據的研究也呈現出基本一致的結果[56-58]。貴州省黔東南區域,少數民族聚集,人類活動相對較少,自然植被相對優越[59],西北部畢節市和六盤水市區域,地處貴州典型巖溶山區,巖石裸露碎裂、巖溶發育強烈[16],植被覆蓋度相對較低。貴州中部的安順、貴陽及北部的遵義等區域,由于城市快速發展、人口密集,人類活動影響相對強烈,致使其植被覆蓋也相對較低[56]。

巖石裸露是石漠化最直觀的表現,巖石裸露率的高低與石漠化程度呈正相關關系,本研究顯示貴州省巖石裸露率總體呈現西高東低的特征(圖3)。貴州省地勢西高東低,西部多中山區,多巖溶峽谷發育,地表物質不穩定,土被破碎,長期沖刷再加上人為因素破壞極易造成基巖裸露,中、東部海拔相對較低,為中、低山區,坡度相對較緩,地表物質相對穩定[60]。本研究也相應顯示,植被覆蓋度相對較高的東部和北部地區巖石裸露率低、西部地區巖石裸露率較高(圖2,圖3)。由此可見,生態建設中,提高區域植被蓋度、降低巖石裸露率,是石漠化防治首要任務。

石漠化的分布與發展不僅與植被蓋度、巖石裸露率直接相關,還受坡度、巖性、人口和社會經濟發展水平等關鍵驅動因子的影響[61-62]。、人口密集程度和經濟發展狀況密切相關,本研究及相關研究[42]所呈現的貴州省石漠化空間分布呈西部重、東部輕、南部重、北部輕的空間格局,顯著受到驅動因素的影響。貴州省碳酸鹽巖空間分布為南部富石灰巖、北部富白云巖,受巖性制約的地貌形態也具南部多峰叢洼地、北部多丘叢的分布特征[63],同時也形成與地形坡度特征相應的石漠化分布特征[55]。此外,貴州省人口分布同樣呈現西部地區較東部密集的特征,經濟密度相對較高[64],人口密集、頻繁的農業活動對生態環境及土地利用負擔加重,加之西北部密集分布的礦產資源,導致西北部經濟密度明顯高于東南部[65],所有這些均加劇了相應區域的石漠化發展。

4.2 2004—2016年間貴州省石漠化演變特征

本研究顯示,2004—2016年間,貴州省植被覆蓋度持續增加,達到了63.4%,巖石裸露率持續下降(圖2,圖3)。相關研究也顯示2004—2008年間,甚至到2016年間,貴州全省植被覆蓋度呈現持續增加趨勢[58]。相應地,貴州省2004—2016年間石漠化程度持續下降,尤其是2004—2008年間,其下降程度最為顯著(圖5)。根據石漠化公報[2- 3]顯示,2005—2011年和2011—2016年貴州省石漠化面積分別減少8.8%和18.3%。本研究中,貴州省石漠化面積在2004—2012年和2012—2016年分別下降13.9%和14.5%,與全國石漠化公報基本一致。

近年來,相關研究均顯示了貴州石漠化好轉的趨勢,諸如貴州晴隆縣[10]、貴州省普定縣[11],貴州省花江、朗溪、后寨河、王家寨、花江等5個典型巖溶山地[49],乃至貴州全省[42]等區域。究其原因,一方面,近年來,貴州省結合國務院批復的《巖溶地區石漠化綜合治理規劃大綱(2006—2015)》以及《貴州省水利建設生態建設石漠化治理綜合規劃石漠化綜合治理專項規劃(2011—2020)》等,把水利建設與生態建設、石漠化綜合治理,三位一體結合起來科學規劃,加快實施石漠化綜合治理、退耕還林、長江和珠江防護林等工程,促進了石漠化綜合治理,使石漠化擴展趨勢得以遏制。另一方面,自2008年以來,國家啟動石漠化綜合治理試點工作,貴州省55個縣列為第一批試點縣,2011年,貴州78個石漠化縣全部納入國家石漠化綜合治理實施范圍,石漠化治理步伐進一步加快[3]。本研究結果直接顯示出2004—2016年石漠化程度顯著好轉的演變特征(圖4、表2)。相關政策措施對石漠化的治理起到了顯著效應,但貴州省局部區域內石漠化仍繼續惡化(圖5)、生態環境依然十分脆弱,石漠化防治形勢依然嚴峻。

4.3 貴州省石漠化等級轉換及未來演變態勢

石漠化的演變并不是一蹴而就的,而是一個復雜而循序漸進的過程。本研究顯示,在石漠化轉換過程中,全省石漠化轉入類型集中在無石漠化和輕度石漠化這兩大類中(圖5)。相關研究也顯示出,石漠化的轉化以高等級向低等級轉化為主,而低等級向高等級的轉化面積越來越少的特征[42]。無石漠化和重度石漠化相對穩定,一方面體現貴州石漠化治理與防護取得一定成效,另一方面也反應出重度石漠化在治理過程中的難度。

基于馬爾科夫轉移矩陣模型預測顯示(表5),到2020年及2024年,貴州省石漠化狀況將持續好轉。由于預測值是以現有的石漠化綜合治理為基礎,隨著治理年限的延續,石漠化綜合治理成效會越來越顯著,石漠化改善狀況應比預測結果更為顯著。但是,隨著各治理措施的推進,余留區域的石漠化立地條件越來越差,治理成本越來越高,治理難度將越來越大[3]。為加快石漠化改善進程,實現2035年和2050年生態文明建設目標,在初步遏制石漠化發展后,仍需大力實施以植被恢復為重點的生態工程,結合國務院批復的《貴州省水利建設生態建設石漠化治理綜合規劃(2011—2020)》明確的目標,提高工程投資標準,加大投資力度,優化結構,全面加快石漠化治理步伐,持續跟蹤監測石漠化的動態變化。

快速準確地監測石漠化狀況是石漠化治理的關鍵,傳統的石漠化調查方法周期很長,難以達到監測目標,而遙感技術具備大范圍、綜合性、動態性觀測能力和宏觀、快捷、經濟以及信息綜合等優勢[66],是石漠化遙感信息提取不可或缺的手段。本研究結果證明該方法適用于貴州全省大尺度時空范圍內石漠化狀況的提取和分析,是該研究領域內,采用多種影像特征及多源數據進行石漠化遙感信息提取的科學而必要的補充,有助于對貴州省石漠化狀況進行實時監測和管理。但在研究中分級指標及指標閾值不具有統一性,定量化困難,對影像處理、提取技術等仍需進一步提高。

5 結論

(1)貴州省石漠化空間格局呈西重、東輕的分布特征,其中尤以畢節市、黔南州、黔西南州、六盤水市和安順市等區域為重,一方面與其區域地質地貌相關,另一方面也表現出相關區域密集的人類活動及相對活躍的社會經濟活動對石漠化演變的驅動作用。

(2)截止2016年,貴州省植被覆蓋度呈現持續增加,石漠化面積呈現持續減少的演變趨勢,近十多年來,貴州省石漠化狀況已經得到遏制,石漠化治理工程取得顯著成效,但局部區域諸如畢節市、黔西南州等石漠化分布較多的區域仍存在高度的不穩定性,或趨于惡化的態勢,尤其是重度石漠化區域,其治理尤為復雜而艱難。

(3)預測顯示的到2020年及2024年貴州省石漠化將繼續保持改善的態勢,表明貴州省石漠化治理的相關政策措施將繼續發揮重要作用,但所顯示出改善速度較慢的特征,也表明石漠化防治形勢的嚴峻性,當地政府應結合當前發展背景,統籌山水林田湖草一體化系統,在繼續推進各項重點工程的同時,應切實提高石漠化區域的生態環境自然修復能力。

致謝：西南林業大學黎銘鈺、王興永、葉緯平參與野外樣地調查、遙感影像數據前期處理工作，特此致謝。