基于RS和GIS的云南石林縣石漠化時空變化特征分析

王 丹, 丁文榮

(云南師范大學 地理學部, 昆明 650050)

巖溶石漠化指脆弱環境背景下, 受人類不合理的社會經濟活動的干擾破壞, 造成土壤嚴重侵蝕, 基巖大面積裸露, 土地生產力下降,地表出現類似荒漠景觀的土地退化過程[1]。自然和人為因素疊加是石漠化發生的主要原因[2]。西南巖溶區的石漠化是我國西部大開發中生態建設面臨的一大根本性地域環境問題[3]。石漠化問題嚴重制約著西南巖溶區的發展, 對石漠化演變規律的研究是治理的重要前提。前人利用不同分析方法對石漠化的時空演變進行分析: 如左太安等[4]基于RS和GIS, 選用演變方式、 演變方向等揭示畢節試驗區2000—2010年石漠化的內部轉移特征； 陳起偉等[5]基于土地利用動態度對貴州省2000—2010年的石漠化進行遙感監測； 朱梓弘等[6]利用GIS技術探究了西江流域石漠化整體分布和動態特征； 孟小軍等[7]對打狗河流域內的石漠化以及綠地進行時空變化分析。前人的研究為石漠化時空演變特征分析提供了大量的方法和技術, 也為研究區早期的石漠化動態監測和治理提供了科學依據， 但是研究方向大多集中于省域級別的大尺度上, 對縣域級的石漠化動態研究較少, 然而石漠化的治理大多是基于縣域尺度或小流域的。

云南石林縣巖溶面積分布廣, 石漠化問題較典型且嚴重制約當地的發展。前人對該縣石漠化的研究主要集中于成因和治理措施, 如: 余濤[8]在分析石漠化現狀的基礎上提出了初步的治理原則; 趙書學[9]對石漠化成因進行分析，提出了相應的治理措施; 陳俊松等[10]提出“一圈、 兩屏、 兩域、 三區”的石漠化治理格局, 并對各治理區治理方向提出了建議。 以往對石林縣的石漠化研究多以定性分析為主, 而在石漠化空間分布和較長時間尺度上動態研究較少。

鑒于此, 本文選取云南省石林縣為研究區, 基于Landsat TM/OLI影像反演石林縣石漠化信息分布圖, 旨在充分探討石林縣近10年石漠化在時空上的變化特征, 為石漠化治理提供科學參考依據。

1 研究區概況

石林彝族自治縣(24°30′N—25°03′N, 103°10′E—104°40′E)位于云南省中部的巖溶高原區, 主要地貌類型為山地。全縣國土面積1 719 km2, 巖溶土地面積1 008 km2, 石漠化土地面積286.55 km2, 平均海拔1 730 m, 年均氣溫15.6 ℃, 年均降水量約為963 mm, 屬于低緯高原山地氣候[10-11]。境內巖溶廣泛發育和強烈的人類活動, 使石漠化問題嚴重, 生態環境惡化, 制約當地的社會經濟發展, 在滇中巖溶區具有典型性和代表性(圖1)。

圖1 研究區位置示意圖

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

2.1.1 數據來源 本文所用數據包括遙感數據Landsat TM/OLI (空間分辨率30 m)、 土地利用現狀圖、 1∶20萬水文地質圖及行政區矢量圖, 詳見表1。石林縣土地利用現狀圖使用ENVI 5.3軟件采用監督分類技術對3期遙感影像解譯獲取。

表1 主要數據來源

2.1.2 數據預處理 遙感影像數據預處理用ENVI 5.3軟件完成, 包括如下內容和步驟: (1)石林縣行政區矢量數據對遙感影像進行剪裁。(2)選取輻射定標模塊的輻射定標工具(Radiometric Calibration)對影像進行輻射定標, 輻射定標類型為輻射亮度值, BSQ轉換成BIL格式, 縮放系數為0.1, 使輻射亮度值和格式達到FLAASH大氣校正的要求。(3)大氣校正基于輻射傳輸模式的MORTRAN模型, FLAASH大氣校正模塊對經過輻射定標后的影像進行處理。基本參數設置中, 傳感器類型為Landsat8-OLI; 平均地面高程為1.76 km; 大氣模型為Mid-Latitude Summer; 氣溶膠模型為Rural; 氣溶膠反演為2-band(K-T)。 多光譜數據參數中K-L反演模式為Over-Land Retrieval standard(600∶2 100)。(4)大氣校正反演后的能見度為40.00 km, 平均水量為1.23 cm, 校正后獲得的植被波譜更接近實際。

2.2 研究方法

2.2.1 石漠化分類標準 由于研究區的尺度和實際情況存在差異, 石漠化等級的劃分目前還沒有形成統一的標準, 各石漠化等級所選取的指標以及閾值也有所不同[12]。在石漠化地區水土流失嚴重, 基巖大面積裸露導致植被難以生長, 基于遙感識別, 在同一像元單位內基巖裸露率越高, 植被+土被覆蓋率越低(但在空間上并不是絕對相反), 兩者可作為反映石漠化情況的重要指標。因此， 根據石林縣的實際情況結合前人的分類標準, 本研究以基巖裸露率和植被+土被覆蓋率為主要指標, 將石林縣石漠化劃分為6個等級[13-17]， 劃分標準如表2所示。

表2 石漠化等級分類標準

2.2.2 石漠化指標計算 基于歸一化植被指數(NDVI)的像元二分模型提取研究區植被覆蓋率

(1)

式中:fc為植被覆蓋率；NDVIveg為完全被植被覆蓋區域的NDVI值；NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值。 分別選取累計頻率為5%和95%的NDVI值為NDVIveg和NDVIsoil[18]。

基于歸一化巖石指數(NDRI)根據像元二分模型原理計算基巖裸露率

(2)

式中:fr指基巖裸露率；NDRIr是全由裸露巖石組成時的NDRI值；NDRIo是全無裸露巖石組成時的NDRI值。 分別選取累計頻率為5%和95%的NDRI值為NDRIo和NDRIr[19]。

2.2.3 石漠化制圖 石漠化制圖包括如下內容和步驟: (1)運用ENVI 5.3軟件得出的NDVI值和NDRI值基于像元二分模型計算基巖裸露率及植被覆蓋率。 (2)通過野外調查結合遙感影像發現，研究區內的三七種植棚、 太陽能電池板建設用地、 水體、 居民地及道路在提取基巖裸露率時會造成誤判, 因此進行掩膜處理將其劃分為無石漠化區域；此外, 大量未種植作物且坡度小于5°的耕地在遙感識別時極易被誤判成石漠化土地, 在考察中發現石林縣石漠化主要集中在坡度較大的土地上, 較平坦的耕地中石漠化面積占總石漠化土地的比例小, 為了提高石漠化制圖的精度, 將石林縣中坡度小于5°的耕地劃分為無石漠化區域。 (3)對水文地質圖進行數據化處理后提取石林縣巖溶區。 (4)在ArcGIS 10.2 中按照石漠化等級分類標準將植被覆蓋率和基巖裸露率進行重分類后賦值。

通過柵格計算器將以上圖層進行疊置分析, 土地利用現狀圖對解譯出的石漠化分布圖進行修正, 得出石林縣3期石漠化信息分布圖(圖2)。為驗證解譯結果的精確度, 通過野外考察確定各等級石漠化影像特征及部分采樣點(圖3), 在Google Earth影像上進行采樣, 以2018年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92.22%,Kappa值為0.880 9, 分類結果較好, 精度滿足要求。

圖2 石林縣石漠化解譯與遙感影像

圖3 實際采樣點

2.2.4 石漠化變化分析方法 為探究石漠化的時空變化特征, 以石漠化的變化方式、 變化方向來探究研究區石漠化的內部變化。參考白曉永等[20]的方法, 結合本區實際, 本區巖溶石漠化變化可以歸納為4種方式。為便于公式化表達, 設a、b、c分別表示3種不同的巖溶石漠化類型(簡稱類型),D2008—2013、D2013—2018、D2008—2018分別代表2008—2013年、 2013—2018年和2008—2018年石漠化4種石漠化變化類型分布區面積的差值, 則這4種方式定義并表示為: ①單變方式(F1), 是a/b類型向b/a類型的轉變, 轉變后維持不變, 即保持為b/a類型,F1:a/b→b/a→b/a; ②漸變方式(F2), 是a/b類型先變為b/a類型, 再變為c類型,F2:a/b→b/a→c; ③返變方式(F3), 是a/b類型向b/a類型的轉變, 又轉變為a/b類型,F3:a/b→b/a→a/b; ④不變方式(F4), 一致保持為a/b/c類型, 后續不再發生轉變,F4:a/b/c→a/b/c→a/b/c。將①～④種方式匯總, 附加各自對應的時像條件, 得到以下變化方式模型:

式中:D2008—2013=0,D2013—2018=0,D2008—2018=0分別表示相應時段內石漠化類型沒有發生變化; ≠0則表示石漠化類型發生了變化。

在ArcGIS 10.2中將3期石漠化分布圖進行空間運算得出不同石漠化變化方式, 具體變化分析步驟為: 將3期石漠化分布圖劃分為像元大小30 m×30 m的網格； 不同等級石漠化編碼為1～6， 將編碼后的石漠化分布圖在柵格計算器中相減, 得出的差值為-1、 -2時表示改善一級, 差值為-3、 -4、 -5時為改善二級, 差值為0時表示基本不變, 差值為1、 2時表示惡化一級, 差值為3、 4、 5時為惡化二級。

3 結果與分析

3.1 石漠化空間變化特征

從3期石漠化空間分布圖(圖4)得出, 在空間分布上, 2008年石漠化嚴重區域分布于西街口鎮的東北部和鹿阜街道的東部, 潛在和輕度石漠化分布范圍最廣且面積最多； 2013年強度和極強度石漠化面積大幅增加且分布散亂, 在長湖鎮東南部、 圭山鎮西南部、 大可鄉東北部以及鹿阜街道東部地區石漠化面積增加明顯； 2018年長湖鎮東南部、 大可鄉及鹿阜街道較高等級石漠化面積減少明顯, 石漠化主要分布于西街口鎮東北部地區, 但較2013年石漠化面積分布范圍有所減少。

總體上， 石漠化較嚴重區主要分布于西街口鎮和鹿阜街道以及圭山鎮, 極強度石漠化面積出現先增加后減少的趨勢, 分布范圍呈集中—分散—集中。此外， 部分地區石漠化分布存在突變, 極強度石漠化直接變化成無石漠化區域, 發生突變集中在居民地附近以及太陽能電池板安裝區域, 由于居民地的不斷擴張, 在石漠化土地上新增建設用地, 加上石林縣近年來不斷在石漠化較嚴重區域進行新能源項目建設, 在一定程度上使石漠化面積減少。

3.2 石漠化時間變化特征

從石林縣3期不同等級石漠化面積及比例(表3)得出， 在時間變化上， 2008、 2013和2018年石漠化總面積分別為234.82、 277.08和237.27 km2， 占全縣總國土面積的比例為19.98%、 23.58%和20.19%， 石漠化面積增加了2.45 km2。 石漠化面積呈現先增加后減少的趨勢， 其中極強度石漠化面積變化較明顯， 從30.97 km2增加到45.59 km2后又下降到22.19 km2。 2008—2013年總石漠化面積增加了42.26 km2， 增加速率為8.45 km2/a， 其中強度、 極強度石漠化面積增加顯著， 分別增加了23.92和14.80 km2， 該時段內石漠化治理不理想， 導致較高等級石漠化面積有所增加。 2013—2018年總石漠化面積減少了39.81 km2， 減少速率為7.96 km2/a, 其中強度、極強度石漠化面積減少最多，分別為28.66和23.40 km2。 雖然對高等級石漠化治理取得較好效果，但不同等級石漠化之間的自然演變導致低等級石漠化面積有所增加，使潛在和輕度石漠化增加明顯，在后期石漠化治理中對各等級石漠化要做到統籌兼顧。

表3 石林縣2008—2018年不同等級石漠化面積及比例

3.3 石漠化變化方式

從2008—2018年石林縣石漠化不同變化方式占總面積比例(圖5)可知，主要變化方式為單變方式，占總面積的比例為22.12%，石漠化單變方式反映研究區石漠化變化的直接性和跳躍性，表示石漠化變化頻繁且快速； 其次是返變方式， 所占比例為7.15%，該變化方式反映石漠化變化的反復性，說明出現治理好又惡化或者出現惡化又治理好的現象, 研究區內主要以第一產業為主， 多以粗放方式對土地進行利用，對石漠化的治理難以達成連續性成效， 容易出現石漠化反復變化的現象； 漸變方式所占比例最小， 為4.15%， 該方式體現石漠化的逐級變化，說明研究區內石漠化處于不斷變化中，因此在治理過程中要循序漸進，合理規劃治理周期。石漠化變化面積占總面積的33.41%，研究區內脆弱的地質環境加上人類活動頻繁，石漠化邊治理邊惡化，治理形勢仍然較為嚴峻。

3.4 石漠化變化方向

3.4.1 石漠化面積轉移矩陣 基于土地利用轉移矩陣計算出石林縣石漠化面積轉移矩陣(表4)，得出 2008—2013 年，已石漠化類型中轉移最顯著的是輕度—中度石漠化， 面積21.35 km2； 未石漠化類型主要向輕度和中度石漠化轉移， 面積為34.28和19.16 km2； 轉移變化較明顯的是無石漠化、 潛在和輕度石漠化， 面積為89.95、 66.68和58.00 km2。 在2013—2018年間， 已石漠化類型中轉移最顯著的是輕度—潛在石漠化， 面積23.71 km2； 轉移變化較明顯的是無石漠化、 輕度和中度石漠化， 面積為94.46、 50.37和55.08 km2； 強度和極強度石漠化向低等級石漠化轉移較明顯， 主要向輕度和中度石漠化轉移， 說明該時段對高等級石漠化的治理取得顯著成效。 2008—2018年已石漠化類型中轉移最顯著的是輕度—潛在石漠化， 轉移面積24.74 km2。

表4 石林縣 2008—2018年石漠化面積轉移矩陣

根據各等級石漠化轉移面積計算出各等級石漠化平均轉移速率(圖6)， 3個時期中無石漠化和

圖6 2008—2018年石林縣各等級石漠化平均轉移速率

潛在石漠化類型轉移速率較快， 潛在石漠化雖然不計已石漠化土地，但是極易發展成已石漠化，在治理過程中仍要高度重視，防止其轉變為石漠化土地。石漠化轉移速率與石漠化等級成反比，隨著石漠化等級的升高石漠化轉移速率逐漸降低。3個時期中，2013—2018年中度、強度和極強度石漠化轉移速率較其他時期快，原因是在該期間加大對石漠化治理后，發生自然演變使得石漠化轉移速率加快； 平均轉移速率較快的是無石漠化、潛在和輕度石漠化，分別為16.20、 9.32和8.95 km2/a， 最慢的是極強度石漠化, 為3.76 km2/a， 中度及以下石漠化呈現轉移速率快、 變化面積較多的特點， 后期石漠化治理重點應向低等級石漠化轉移。

3.4.2 石漠化動態變化分析 從石漠化改善和惡化程度面積(表5)可見， 2008—2018年改善二級大于惡化二級面積， 惡化一級大于改善一級面積。 2008—2013年石漠化改善和惡化面積分別為105.37和186.67 km2， 惡化面積大于改善面積， 石漠化趨于惡化。 2013—2018年石漠化改善和惡化面積分別為197.67和132.89 km2， 改善面積大于惡化面積， 說明石漠化惡化趨勢得到遏制。 總體上3個時期變化面積呈金字塔狀并且與變化等級成反比關系， 所占比例最大的等級為惡化一級和改善一級， 也證實了石漠化變化方式以單變方式為主。

表5 石林縣2008—2018年石漠化變化面積

從石漠化變化的空間分布看(圖7)，2008—2013年間石漠化惡化面積分布較廣，長湖鎮東南部及西街口鎮等人類活動較密集的區域石漠化惡化較嚴重。2013—2018年間西街口鎮東北部和鹿阜街道石漠化改善明顯，說明石漠化治理取得顯著成效。2008—2018年石漠化惡化分布在石林縣南部，石漠化改善集中于北部，其中西街口鎮改善較明顯，在后期治理要保持北部地區的治理前提下把重心逐步轉移到南部地區石漠化的治理上。

圖7 2008—2018年石林縣石漠化變化空間分布

4 討 論

在石林縣巖溶區，脆弱的生態環境和人口壓力以及不合理的土地持續利用造成了石漠化，2008—2013年石漠化面積增加42.27 km2，這段時間石林縣處于經濟快速發展時期，人類活動劇烈，大量濫伐森林以及粗放耕作，在人口稠密區林下過度放牧現象較為嚴重,對石漠化的治理處于薄弱階段[8]。加之， 2009—2012年云南多極端干旱天氣，加劇了石漠化的演變，石漠化治理形勢嚴峻。隨著石林縣加大了對石漠化的科學治理力度，2013—2018年石漠化面積減少了39.82 km2，自2012年石林縣被列為國家石漠化綜合治理工程范圍以來,加大人工造林和封山育林等石漠化綜合治理工程，至2017年治理工程達到18.09萬畝(12.06×103hm2)[21]。云南省2016年被列為國家休耕制度試點區域，石林縣休耕試點面積為666.67 hm2,石漠化較嚴重的鹿阜街道、西街口鎮、長湖鎮和圭山鎮的休耕區域涉及到1 644戶農戶和3 783塊耕地[22]。休耕制度使得石漠化土地生態得到恢復, 減少水土流失，大力推廣清潔能源, 如太陽能以及農村地區沼氣的使用，改善了農村地區的能源使用結構，減少了對植被的砍伐,以上措施遏制了石林縣石漠化的惡化。

在石漠化演變方向上改善和惡化同時存在，石漠化轉移也集中于較低等級之間, 且相鄰等級轉移較大，此結論與陳起偉等[5]和張蕊嬌等[23]對巖溶地區石漠化演變特征分析的結果一致。低等級石漠化平均演變速率較快且變化頻繁，在后期治理中的重點要放在低等級石漠化上， 同時實現對高等級石漠化的兼顧，防止治理好的石漠化出現返變，由于高等級石漠化水土流失和基巖裸露較為嚴重，治理難度大，在治理中要做到循序漸進。

5 結 論

(1)在時空分布上，強度和極強度石漠化分布為2008—2013年為擴散階段，2013—2018年為減少階段，主要集中分布在西街口鎮、長湖鎮和圭山鎮，已石漠化類型輕度和中度石漠化分布范圍最廣，在人類活動強烈地區，石漠化等級分布存在突變。

(2)2008—2018年石漠化總面積增加了2.45 km2，呈先增加后減少趨勢，2008—2013年石漠化面積增加速率為8.45 km2/a，2013—2018年石漠化面積減少速率為7.96 km2/a,總體上石漠化惡化得到遏制，但減少面積和速率較低，治理形勢仍較為嚴峻。

(3)變化方式以單變方式為主， 返變方式次之， 說明石林縣的不同等級石漠化的演變有頻繁快速的特點， 石漠化出現改善和惡化出現返變的情況較普遍。

(4)變化方向上，相鄰等級石漠化轉移較明顯，轉移面積與等級成反比關系，平均變化速率最快的是無石漠化(16.20 km2/a)，高等級石漠化變化速率較慢。石漠化惡化和好轉同時存在，惡化面積減少，好轉面積增加，石漠化得到改善。石漠化惡化地區主要分布在石林縣南部，改善地區集中于北部，后期治理要保持北部地區的治理前提下把重心逐步轉移到南部地區石漠化的治理上。