基于Geodetector的滇中巖溶區石漠化空間分布特征及影響因子分析*

王丹，丁文榮

(云南師范大學 地理學部，云南 昆明 650500)

巖溶石漠化是土地荒漠化的主要類型之一，以脆弱的生態地質環境為基礎，以強烈的人類活動為驅動力，自然和人為因素疊加是其發生的主要原因[1-2]。我國石漠化主要發生在西南巖溶地區，其巖溶總面積為53.56×104km2，至2015年,石漠化總面積為9.20×104km2，占巖溶面積的比例達17.18%[3]，石漠化問題嚴重。石漠化不僅造成貧困和危害生態環境，還成為我國西南巖溶山區可持續發展的主要障礙之一[4]。眾多學者從石漠化成因[5]、分布特征[6]、時空演變特征[7]及治理模式[8]對其進行研究。在空間分布及驅動因素研究中，蘇成杰等[9]利用相關分析法研究石漠化與人文驅動因素的相關性，得出廣西地區石漠化與人口密度、土地墾殖率成正相關，與人均耕地和經濟密度成負相關。王曉帆等[10]對貴州石漠化的分析中發現農業活動對石漠化的影響顯著。涂杰楠等[11]對南洞地下河流域的研究發現石漠化在低海拔、緩坡度和純碳酸鹽中發育顯著。劉鵬等[12]基于信息熵與層次分析法得出云南省石漠化的主要驅動因素是人口自然增長率、土地利用方式等。以上學者揭示了不同研究尺度中石漠化與自然和人為驅動因子相關性，但都是以定性或半定量進行分析，一般采用相關分析和主成分分析法，這些方法難以直觀的揭示空間上不同驅動因子對石漠化分布的影響，且只能揭示單一因子的影響，對于多個因子交互影響的研究較少。

云南省巖溶面積占總國土面積的38.2%，是全國巖溶分布面積最廣泛的地區之一[13]。其中滇中地區地處云貴高原中部，巖溶分布廣，且降水季節性變率大，石漠化較嚴重，作為云南省的經濟發展中心，嚴重的石漠化問題阻礙當地的發展。對于滇中巖溶區石漠化的研究中，吳風志等[14]基于遙感數據得出昆明市石漠化敏感性較高地區主要集中在金沙江流域及東南部地區；徐斌等和曹金仙等[15-16]在曲靖市石漠化研究中得出，至2016年其石漠化面積占全省總石漠化面積的18.1%，石漠化成為當地生態環境建設較為突出的問題。玉溪市2005年石漠化面積占國土面積的12.6%，石漠化問題較嚴峻[17]；李鄉旺等[18]基于對地理、環境、災害、土壤及植被等因子的綜合分析，將云南省石漠化區域進行劃分，有利于因地制宜地指導石漠化綜合治理。不同學者的研究揭示了滇中巖溶區石漠化的嚴峻形勢，也為石漠化治理提供了參考依據，但研究尺度多以單獨的縣、市等較小尺度為主，缺乏以滇中區為整體的石漠化研究。滇中區的石漠化空間分布狀況研究較少，石漠化數據的獲取主要從歷史資料獲取，且對驅動因子研究主要定性為主。明確石漠化的空間分布特征以及評估其驅動因子對石漠化影響的定量研究、對滇中地區的生態恢復以及制定合理治措施具有重要意義。地理探測器作為探測地理要素空間分異性以及揭示其驅動因子的空間分析模型，能夠對各因子及因子交互作用進行定量歸因[19-20]。

有鑒于此，本文基于RS-GIS技術與地理探測器模型對滇中巖溶區石漠化進行探究，運用遙感影像獲取滇中區2018年石漠化數據，揭示其石漠化的空間分布特征，對石漠化的驅動因素進行定量分析，明確各因子及交互因子對研究區石漠化分布的影響，以期為滇中巖溶地區石漠化的防治和生態環境保護提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

滇中地區位于云南省中東部，是云南巖溶高原的主體，按地域和巖溶面積占國土面積的比例大于30%的地區劃分，研究區(101°54′～104°49′E,25°55′～27°04′N)涉及滇中地區3個地州市共29個縣市區[21]。2018年總人口為1 657.8×104人，土地總面積為55 141.32 km2，巖溶面積為22 635.72 km2，占總土地面積的41.05%(圖1)。平均海拔為2 014.37 m，屬亞熱帶高原季風氣候。為中山、低中山山原盆地地貌,斷陷盆地發育,元古界至中生界碳酸鹽巖累計厚達3 000 m左右,出露面積占總土地面積的50%以上[22]。

圖1 滇中地區巖溶分布概況

1.2 數據來源

本文所用遙感數據包括Landsat8 OLI-TIRS和DEM數據(空間分辨率均為30 m)，其他數據為土地利用數據(格式為柵格數據)、人口密度(人/km2)和第一生產總值(×108元)，巖性數據通過對1︰20萬地質圖進行數字化獲取，見表1。

表1 主要數據來源

1.3 研究方法

1.3.1 石漠化等級劃分及影響因子選取

根據研究區實際情況結合前人的分類標準[23-24]，以基巖裸露率和植被+土被覆蓋率為指標，土地利用為參照將石漠化劃分無石漠化、潛在、輕度、中度、強度和極強度石漠化6個等級，其中輕度石漠化及以上為已石漠化(表2)。在軟件NEVI 5.3上對遙感影像進行剪裁拼接、輻射校正和大氣校正等預處理后，運用B4(紅波段)和B5(近紅外波段)進行波段運算得出歸一化植被指數，歸一化巖石指數由B5和B7(短波紅外2)計算；基于像元二分模型計算基巖裸露率[25]和植被+土被覆蓋率[26]，得出2018年滇中巖溶區石漠化分布圖；以分類結果計算石漠化的分類精度混淆矩陣，分類結果總精度為 98.67%,Kappa系數為0.873 2，分類結果較好，精度滿足要求。石漠化空間分布格局是多種因素共同作用的結果，不同研究區域的影響因素有差異。在結合前人[27-28]對石漠化影響因素選取的基礎上，根據滇中巖溶區的實際情況選取影響因子，并按照不同等級對其進行劃分，見表3。

表2 石漠化分類標準

表3 石漠化影響因子劃分

1.3.2 地理探測器模型

地理探測器是用于探測空間分異性的一種新的統計學方法，可以定量地揭示空間分異背后的驅動因子，其核心思想是如果某個自變量對因變量有重要影響，那么自變量和因變量的空間分布應該具有相似性[19]。本文主要運用其因子探測和交互探測。

(1)因子探測器 探測因變量Y的空間分異性和某自變量X多大程度上揭示了Y的空間分異，用q值度量，計算公式如下。

SST=Nσ2

(2)交互式探測器 評估不同因子共同作用是否會增加或減弱對因變量Y的解釋力。

將研究區石漠化圖層與各個影響因子圖層在ArcGIS 10.2進行空間疊加分析，其中因變量Y值是石漠化分布數據，為數值量。自變量X分別是各影響因子，探測器中要求自變量為類型量，運用自然間斷點分級法將自變量進行離散化處理進行重分類。將滇中巖溶區提取到網格點上(圖2)，提取在巖溶區等距分布的7 234個采樣點為運行數據，計算q值。

圖2 研究區采樣點

2 結果與分析

2.1 石漠化現狀

滇中巖溶區2018年石漠化總面積為3 025.04 km2，占全區總國土面積的5%，占巖溶區面積的13.36%。其中輕度、中度、強度和極強度石漠化面積分別為1 119.38 km2、971.97 km2、527.1 km2和406.59 km2，占巖溶面積比例分別為4.95%、4.29%、2.33%和1.8%。輕度和中度石漠化分布較廣，極強度石漠化比重較低。從圖3看出在空間分布上，石漠化在各縣市均有分布，呈現北多南少的分布特征，其中縣市區石漠化面積分布最多的是石林縣，石漠化面積為187.91 km2,占總土地面積的11.18%，其次是東川市，石漠化面積為205.55 km2，所占比例為11.02%。

圖3 滇中區石漠化分布

2.2 石漠化在各影響因子中的空間分布特征

2.2.1 在不同巖性上的分布

從圖4a可看出：石漠化主要分布在碳酸鹽巖夾碎屑巖，石漠化面積為1 864.59 km2,占總石漠化面積的62%，其次分布在白云巖與石灰巖互層，面積為690.73 km2,占總石漠化面積比例為23%；4類巖性石漠化發生率分別為17.03%、12.11%、12.67%和13.65%，連續性白云巖石漠化發生率最高；在不同等級石漠化中，輕度石漠化發生率最高的是連續性白云巖為6.74%，中度石漠化發生率最高是連續性白云巖為6.01%，強度石漠化發生率最高是連續性白云巖為2.29%，極強度石漠化發生率最高在白云巖石與石灰巖互層為1.88%。

2.2.2 在不同土地利用類型上的分布

從圖4b中可得出，石漠化主要分布在草地，面積為1 460.24 km2，其所占總石漠化面積的48.62%，其次是耕地，石漠化面積為634.43 km2,占總石漠化面積的21.12%。發生率最高的是草地，為17.94%，其次是耕地為11.56%，未利用地石漠化面積最小，發生率也最低。在不同等級石漠化中，輕度和中度石漠化發生率最高均在草地，分別為6.46%和6.08%，其次在灌木林，分別為4.52%和3.445%；強度和極強度石漠化發生率最高在草地，分別為3.14%和2.25%，其次在耕地，分別為2.19%和1.94%。耕地受人為活動影響最為密切，尤其石質坡耕地上不合理的耕種易導致較高等級石漠化的發生，研究區耕地主要是山地旱地居多且以坡耕地為主，農業活動以粗放式為主，為追求經濟效益會過度使用土地資源造成石漠化加劇。滇中巖區草地多分布于一定坡度的山地上，土層較薄且較貧瘠，石漠化發生率較高。

圖4 石漠化在不同巖性和土地利用方式上的分布

2.2.3 在不同坡度中的分布

從圖5a中可得出：總體上石漠化分布面積和發生率并不呈正相關，石漠化主要分布在8°～15°坡度范圍內，面積為965.17 km2,占總石漠化面積的32.01%，其次是15°～25°，面積為685.82 km2，占總石漠化面積的22.75%。發生率最高的是坡度>25°的范圍，發生率為18.52%，其次是坡度在5°～8°范圍內，發生率為19.28%。坡度在0°～5°范圍內石漠化面積最少為240.82 km2，發生率為4.64%，是所有坡度類型中最小的。在不同坡度中，石漠化面積隨著坡度的增加呈先增加后減少趨勢。輕度和中度石漠化發生率最高均在坡度大于25°，分別為7.21%和6.58%。強度和極強度石漠化發生率最高均在坡度為5°～8°范圍內，分別為3.1%和2.81%。

2.2.4 在不同人口密度和第一生產總值中的分布

從圖5b中可得出：滇中巖溶區石漠化在不同人口密度下分布不均，且不成正相關關系，石漠化主要分布在100～200人/km2范圍內，其次是200～300人/km2范圍內，面積分別為1 656.88 km2和712.65 km2，占總石漠化面積的比例分別為54.77%和23.56%。石漠化發生率最高的是0～100人/km2范圍內，為17.38%，其次是300～400人/km2范圍內，發生率為12.99%，石漠化發生率最小的是100～200人/km2范圍內，但該范圍內石漠化面積最大，原因為該人口密度在此范圍內的面積較廣。

從圖5c中可得出：在不同生產總值中，石漠化主要分布在大于40×108元范圍內，其次是20～30×108元，面積分別為1 341.15 km2和805.59 km2，占總石漠化面積的比例分別為44.33%和26.63%；0～10×108元范圍內石漠化發生率最高，為17.25%，其次是>40×108元,發生率為14.17%；第一生產總值較高的區域石漠化分布范圍較廣。

圖5 石漠化在不同坡度、人口密度和第一生產總值中的分布

2.3 基于地理探測器的影響因子定量分析

2.3.1 因子探測器分析

從表4中得出影響研究區石漠化分布的各驅動因子大小依次為：土地利用(0.42)、坡度(0.29)、巖性(0.17)、第一生產總值(0.14)、人口密度(0.14)。

表4 因子探測器結果

其中土地利用類型(q=0.42)是驅動研究區石漠化的最主要因子。滇中巖溶區土地利用類型主要包括耕地(5 489.73 km2)、林地(4 073.73 km2)、草地(8 140.18 km2)、灌木林(4 1801.81 km2)和未利用地(701.49 km2)，草地面積所占比例最高，為36.4%，其次是耕地，所占比例為24.3%，與石漠化的分布面積和發生率相似。土地利用方式在很大程度上體現了人類活動對石漠化的影響，研究區石漠化主要分布在草地和坡耕地等人類干擾強烈的土地上。

坡度(q=0.29)對研究區石漠化分布的影響僅次于土地利用類型，研究區內石漠化主要分布在坡度為8°～15°的土地上，主要原因是耕地多分布于該坡度范圍內，人類活動對土地的干擾較劇烈，基巖裸露程度增加；8°以下主要是居民用地或較為平坦的耕地，水土流失程度較低；>25°區域由于坡度較陡，加上巖溶地區脆弱的地質環境和集中的降水沖刷，水土流失和基巖裸露較嚴重，使得石漠化發生率較高，治理難度大。

滇中區碳酸鹽巖分布較廣，是石漠化發生的物質基礎，巖性(q=0.17)的分布范圍很大程度上控制著石漠化的分布。人口密度和第一生產總值對石漠化分布的影響程度較為相似，其q值均為0.14。人類活動對石漠化的影響較為活躍，隨著人口的增長，對土地的需求也加大，不斷開墾耕地，人地矛盾加劇，加上研究區降雨較為集中，水土流失加劇。但在滇中巖溶區石漠化分布與人口密度不是正相關關系，原因是人口密度較大的區域主要分布在小盆地中，地勢較平坦，城鎮發展較快，土地利用類型主要屬城鎮用地，石漠化面積也相對較少。

2.3.2 交互式探測器分析

在地理探測器的交互探測中，q值越大表明2個驅動因子共同作用時對Y的解釋力越大，越小時則反之。從交互探測結果(表5)中得出，不同的驅動因子交互作用時對石漠化分布的解釋力都大于單因子作用，無論是單因子還是交互作用，土地利用、坡度和巖性3個驅動因子對石漠化的解釋力權重都較高。土地利用和坡度因子交互作用時對石漠化分布的解釋力最大，q=0.58。其次是土地利用和巖性相互作用q=0.50，脆弱的地質環境和人類活動也是導致滇中石漠化產生的一個重要原因。

表5 交互探測分析結果

根據不同坡度和土地利用類型中石漠化的分布(表6)，可以得出，在不同坡度和土地中石漠化的發生率大小依次為:大于25°(89.80%)、15°～25°(68.51%)、5°～8°(67.95%)、8°～15°(53.84%)、0°～5°(19.85%)。坡度大于25°范圍內，耕地、林地、灌木林和未利用地石漠化發生率最高，說明在該范圍內由于坡度較陡，不合理的人類活動極導致石漠化的發生，在治理過程中應該對坡度較陡的耕地及其它利用價值不高的土地進行退耕還林和植樹造林，減緩石漠化的發生。在坡度為15°～25°范圍內，耕地、林地、草地、灌木林和未利用地中的石漠化占總石漠化面積的比例均最高，分別為51.47%、57.00%、55.63%、55.93%、46.82%。石漠化也主要分布在該坡度范圍內，占總石漠化面積的61.43%。對石漠化有利的坡度條件加上不同土地利用方式的人類活動加速了石漠化的發展，使得石漠化治理很難達到理想效果，在后期的治理中，應該把重心放在該坡度范圍，有針對性地對不同利用類型的石漠化土地進行治理。

表6 巖溶區不同坡度和土地利用類型中石漠化的分布

3 討論與結論

本文基于RS-GIS技術探討了滇中巖溶區石漠化不同影響因子的空間分布特征，并利用地理探測器模型計算不同影響因子的貢獻率。得出的結論如下：(1)滇中巖溶區石漠化總面積為3 025.04 km2，占巖溶區面積的13.36%，其中輕度、中度、強度和極強度石漠化面積分別為1 119.38、971.97、527.1和406.59 km2，呈現北多南少分布特征。(2)在不同巖性中石漠化發生率最高的是連續性白云巖，為6.74%；不同土地利用方式上發生率最高在草地，為17.94%，其次是耕地；坡度大于25°范圍內石漠化發生率最高，為18.52%；在人口密度和第一生產總值中，石漠化發生率最高分別在0～100人/km2和0～10×108元范圍內，發生率分別為17.38%和17.25%。(3)地理探測器中土地利用(q=0.42)、坡度(q=0.29)和巖性(q=0.17)是滇中巖溶區石漠化的主要驅動因子。在交互探測中坡度和土地利用類型(q=0.58)、巖性和土地利用類型(q=0.50)相互作用共同促進了石漠化的形成。(4)研究區石漠化在不同影響因子上的分布具有顯著差異，坡度和土地利用對石漠化的影響最大，石漠化的治理重點應放在石質坡耕地上。

本文在巖溶分布較集中區域劃分出研究區，與傳統行政區域劃分的方法不同；不僅探討了滇中巖溶地區石漠化在不同影響因子上的空間分布特征，還對石漠化影響的單一因子和交互因子進行量化分析，計算出不同單一因子和交互因子的貢獻率，可為滇中巖溶區石漠化治理提供科學、直觀的參照依據。但地理探測器主要利用點數據對石漠化信息的提取，且所計算的數據量有限，對于較大尺度地域的石漠化影響因子貢獻率計算會存在誤差，在更大尺度的研究應結合其他量化方法使計算結果更精確。