石漠化治理下土地利用與景觀格局變化

舒 田，熊康寧，陳麗莎

(1. 貴州師范大學喀斯特研究院/貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地， 貴陽 550001； 2. 貴州省農業科學院 科技信息研究所，貴陽 550006)

【研究意義】土地利用/覆被變化(Land Use and Land Cover Change, LUCC)是社會、生態和物理過程相互作用的結果，是人類活動與自然環境相互作用最直接的表現形式[1-2]。在自然、經濟、社會和政治等各種因素的作用下，土地利用的不斷改變加速土地覆被的不斷變化，土地覆被的變化反過來又對土地利用產生重要影響[3-4]。景觀格局變化是土地利用變化在景觀生態學研究中的表達，是各類景觀要素在一定時空尺度內發生變化而引起的景觀空間結構的變化[5]。區域內不同的土地利用方式及土地利用/覆被的組合變化都會對生態造成不同程度的影響，土地利用/覆被變化也可以直觀體現人類改造地球表面景觀的過程[6]。近年來，特別是鄉村城鎮化、大城市化進程加快以及建設用地需求持續增加的社會背景下的活動，必將對區域景觀格局產生巨大影響。對區域景觀格局的研究是揭示區域土地利用/覆被變化以及生態狀況和空間變異特征的有效手段。因此，對區域景觀格局的動態變化進行分析研判，對研究區政府制定合理的土地利用及生態環境規劃、保障區域土地節約集約利用、促進區域經濟、社會和生態協調發展具有重要的借鑒作用。【前人研究進展】“國際地圈與生物圈計劃(IGBP)”和“國際全球環境變化的人文因素計劃(IHDP)”1995年聯合提出“土地利用/覆被變化”研究計劃，使土地利用變化成為全球氣候和環境變化研究的重要內容和土地可持續發展領域研究的熱門課題[1,7-8]，而且LUCC區域尺度的研究多集中在“關鍵地區”“熱點地區”“典型地區”“脆弱地區”[9-10]。根據《全國生態脆弱區保護規劃綱要》和《全國水土保持規劃(2015—2030年)》，西南巖溶區被作為生態脆弱區和重點治理區域。人類不合理的土地利用方式成為西南巖溶地區石漠化發生的主導原因[11]，石漠化導致該區地表植被景觀破壞、水土流失嚴重、基巖大面積裸露、土地退化加劇、生態環境惡化。因此，石漠化是西南喀斯特地區的災害之源、貧困之因和落后之根，已成為該區生態安全的最大威脅[12-13]，甚至直接威脅到長江、珠江流域的生態安全。【本研究切入點】目前，國內對西南喀斯特地區的土地利用/覆被變化與景觀格局耦合分析的研究相對較少，大多數學者集中在石漠化景觀格局與土地利用/覆被的時空演變關系[14-15]、響應機制[16-17]、驅動力分析[18]及其監測模擬與評價[19-20]等方面的研究。畢節是國務院批準成立的“開發扶貧、生態建設、人口控制”的綜合改革試驗區，是貴州墾殖指數最高、>25°陡坡地比重最高、人口密度最大、水土流失最嚴重、人民最貧困、生態環境最惡化的地區[21]，復雜的自然環境與劇烈的人類活動對LUCC產生的影響日益顯著。【擬解決的關鍵問題】以西南喀斯特地區的畢節撒拉溪喀斯特高原山地石漠化綜合治理示范區為研究區，基于GIS與RS技術對石漠化治理前(2009年)、中(2015年)和后(2019年)3期遙感數據進行解譯，并基于Google Earth高分辨率影像和實地野外驗證，對撒拉溪示范區的土地利用/覆被和景觀格局動態變化進行定量分析，探討石漠化綜合治理、退耕還林還草、脫貧攻堅及農村產業結構調整對土地利用/覆被及景觀格局變化的影響。

1 材料與方法

1.1 撒拉溪示范區概況

撒拉溪示范區位于貴州省西北部、畢節市西南部，六沖河流域支流區內，是喀斯特高原山地輕—中度石漠化區的典型代表，農業產業結構極不合理，農業產出與付出不成比例，農村貧困程度較深。示范區涉及2個鄉鎮的9個行政村，包括撒拉溪鎮的朝營、鐘山、沖鋒、永豐、龍鳳、沙樂、水營、撒拉和野角鄉的茅坪，總面積8627.19 hm2，2015年喀斯特石漠化面積5593.08 hm2，占示范區面積的64.83%。示范區總人口20 215人，其中農業人口占99.62%，人口密度235人/km2。研究區屬北亞熱帶濕潤季風氣候，出露有二疊系砂頁巖、石灰巖和灰巖，大量峰叢洼地分布。土壤以地帶性黃壤為主，少量黃棕壤和風化石灰土，旱地作物以玉米、薯類、豆類和烤煙為主，耕地多分布于坡面、臺地和山間谷地，耕層淺薄，經果林以刺梨(Rosaroxburghii)、核桃(JuglansregiaL.)、板栗(CastaneamollissimaBL.)為主。區內水土流失以微度和中度為主，年平均降雨量為984.40 mm，降雨主要集中在5—9月，年平均氣溫為12 ℃，10 ℃以上積溫4109 ℃，年均日照時數1261 h，無霜期258 d，海拔在1495～2200 m，整體地勢東高西緩，地表呈現斜坡丘陵自然延伸的形態，是典型的喀斯特高原山地輕—中石漠化地區[22]。

1.2 數據來源與處理

遙感影像采用成像時間為2009年4月14日法國的SPOT5數據(全色波段空間分辨率2.5 m，多光譜波段空間分辨率10 m，傳感器為HRG2，PATH為265，ROW為295/296)、2015年4月3日和2019年3月29日的Landsat8 OLI數據(全色波段空間分辨率15 m，多光譜波段空間分辨率30 m，影像條帶號為128，列編號為41，數據級別為L1TP)，并輔以2018年10月31日的Google earth衛星數據(下載精度為17級，空間分辨率為2.38 m)，分別對全色波段和多光譜波段進行融合，從而保證示范區土地利用類型解譯影像數據空間分辨率的一致。參照《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2017)并結合撒拉溪示范區的實際情況，將土地利用類型劃分為耕地、有林地、灌木林地、疏林地、園地、草地、建設用地、水域和未利用地九大類。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化模型 土地利用動態度可用來定量描述區域土地利用變化的速度[23]。采用單一土地利用類型動態度、綜合土地利用動態度及土地利用程度及其變化率模型分析撒拉溪示范區石漠化治理前后的土地利用/覆被變化過程和特征。

(1)單一土地利用動態度。單一土地利用動態度表征的是某一定時段內區域各土地利用類型數量變化情況，計算公式如下：

(1)

式(1)中，K為研究時段內某一種土地利用類型動態度，Ua、Ub分別為研究期初及研究期末的某一種土地利用類型面積，T為研究時段長，當T的時段設定為年時，K的值就是研究區某一土地利用類型的年動態度。

(2)綜合土地利用動態度。運用綜合土地利用動態度模型來定量描述土地利用類型變化速度的區域差異[24]，計算公式如下：

(2)

式(2)中，LC為研究時段內綜合土地利用類型動態度，LUi為研究時段初期第i類土地利用類型的面積，LUi-j為研究時段內第i類土地轉為非i類土地利用類型面積的絕對值，T為研究時段長。

(3)土地利用程度及其變化率。土地利用程度體現了土地利用在廣度和深度的綜合結果，不僅反映了土地利用中土地本身的自然屬性，同時也反映了人類因素與自然環境因素的綜合效應。土地利用程度及其變化率可定量地表達該地區土地利用的綜合水平和變化趨勢[25]。以劉紀遠[26]從生態學的角度提出的土地利用程度分級標準為依據，將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素作用下的自然平衡狀態分為若干級，并賦予分級指數，從而得出如下土地利用程度的定量化表達式[27]：

(3)

(4)

式(3)和(4)中，La為研究時段內區域土地利用程度綜合指數，R為研究時段內區域土地利用程度變化率，Ai為研究區域內第i級土地利用程度分級指數，Ci為研究區域內第i級土地利用程度分級面積百分比，Cia為研究區域內研究期初第i級土地利用程度分級面積百分比，Cib為研究區域內研究期末第i級土地利用程度分級面積百分比，n為土地利用程度分級指數(表1)。

表1 土地利用程度分級與分級指數[27-28]

1.3.2 景觀格局指數 景觀格局指數高度濃縮了景觀格局的信息，反映了土地利用類型的結構特征，更好地理解景觀時空變化。將2009、2015和2019年的土地利用/覆被數據轉換成柵格數據，在Fragstats 4.2 的支持下計算各時段土地利用類型的景觀格局指數。結合研究區的實際情況和研究目的，根據景觀格局指數所表達的生態學意義，應同生態過程、自然過程和人為過程相結合，參考前人研究[28-31]分別從斑塊水平尺度選擇斑塊密度(PD)、形狀指數(SI)、最大斑塊指數(LPI)、分維度(FD)、破碎度(FN)5個度量指標，從景觀水平尺度選擇香農多樣性指數(SHDI)、香農均勻度(SHEI)、破碎度指數(FN1)、蔓延度指數(CONTAG)和聚合度指數(AI)5個度量指標，利用以上指標分析撒拉溪示范區生態治理前后的景觀格局時空變化特征。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化

2.1.1 土地利用結構變化 從表2看出，撒拉溪示范區土地利用類型以耕地、灌木林地和有林地為主，2009、2015和2019年三者總面積分別占示范區總面積的95.52%、85.26%和83.61%。隨著石漠化治理工程的持續開展、農業產業結構的快速調整和生態農業、經果林業和生態畜牧業的飛速發展，草地面積由2009年的154.45 hm2增加到2015年的927 hm2，但2019年有所減少，面積為743.84 hm2。園地面積從2009年的13.91 hm2顯著增加到2019年的270.93 hm2。建設用地面積也在逐年增加，從2009年的149.57 hm2擴大到2019年的381.89 hm2；示范區內的未利用地主要是裸巖石礫地和裸土地，面積由2009年的53.56 hm2減少2019年的8.54 hm2，由此可見，10年間撒拉溪示范區的石漠化得到有效控制，生態逐步恢復。

表2 2009—2019年撒拉溪示范區不同土地利用類型面積

2.1.2 土地利用動態變化 (1)撒拉溪示范區建立至石漠化綜合治理工程實施期間(2009—2015年)。從表3看出，此期間耕地、有林地、未利用地和疏林地面積減少，其中耕地、有林地面積減少最大，分別達722.29和626.79 hm2，未利用地和疏林地減少較小，僅11.75 hm2；灌木林地、草地、建設用地和園地面積增加，以灌木林地和草地面積增加迅速，分別達463.43和773.19 hm2，水域面積無變化。有林地的減少量與灌木林地和建設用地增加量相當，耕地的減少量與園地和草地的增加量相當。草地的動態變化度最大，達83.43%，說明其增加的面積最大，原因是退耕還林還草工程及部分撂荒耕地成草地，加上畜牧業的發展，草地面積增加。灌木林地的動態變化度最小，為2.53%。

(2)撒拉溪示范區石漠化綜合治理生態產業模式和技術實施期間(2015—2019年)。從表3可知，此期間有林地和園地面積分別增加448.78和245.44 hm2，原因是退耕還林、特色經果林尤其是核桃、刺梨和桑樹等生態產業的種植和園地的建設，導致林地和果園面積增加，以致園地的動態變化度最大，達240.72%。建設用地和疏林地有所增加，增加面積不大；耕地面積繼續減少，但其動態變化度最小，僅為-1.56%。灌木林地和草地面積減少，但兩者的動態變化度不大，分別為-2.83%和-4.95%。

表3 2009—2019年撒拉溪示范區不同時段土地利用類型變化情況

(3)整個研究期間(2009—2019年)的綜合變化。2009—2019年期間，耕地、有林地、疏林地及未利用地的面積均減少，以耕地面積減少最大，達914.85 hm2，其次是有林地，為178.01 hm2，原因主要是國家的退耕還林還草和石漠化治理的林灌草生態修復工程；裸巖石櫟地和裸土地等未利用地減少使石漠化程度有所減輕。草地、園地、建設用地用及灌木林地的面積均增加，其中，退耕還果還園導致研究期內園地和果地面積迅速增加，分別達257.02和589.39 hm2，動態變化度分別達184.77%和38.16%；建設用地中的工礦用地、交通用地和城鎮居民點建設迅猛，原因是示范區內砂石礦山的開采、撒拉溪城鎮的擴張以及畢威高速公路和脫貧攻堅中農村道路基礎設施的建設。

2.1.3 土地利用程度變化 從圖2看出，2009—2015年綜合土地利用動態度比2015—2019年期間大，分別為2.72和2.24，可見在撒拉溪示范區建立至石漠化綜合治理工程實施期間，示范區土地利用類型變化速度較石漠化綜合治理生態產業模式和技術實施期間大，石漠化綜合治理和退耕還林還草工程廣度大，土地利用變化明顯。撒拉溪示范區2009、2015和2019年3期土地利用程度綜合指數分別為247.25、243.25和245.53，說明撒拉溪示范區內土地利用程度隨著時間的變化呈現稍微下降趨勢，但總體上變化不大。2009—2015年土地利用程度變化率為1.62%，2015—2019年土地利用程度變化率為0.94%，兩階段的土地利用程度變化率與綜合土地利用動態度一致，均為2009—2015年大于2015—2019年。隨著社會經濟的發展、人口劇增等人類活動對區域土地利用的影響也越來越大，土地利用程度提高是必然的趨勢，但是由于石漠化地區退耕還林還草工程、石漠化綜合治理和生態產業技術的實施，減緩了示范區內土地利用程度變化率的增長，從而使土地的自然屬性得到應用發揮，有利于土地資源的永續利用和可持續發展。

圖2 撒拉溪示范區綜合土地利用動態Fig.2 Comprehensive dynamic changes of land use in Salaxi Treatment Demonstration Area

2.2 景觀格局變化

2.2.1 斑塊水平景觀格局變化 石漠化綜合治理、退耕還林還草和城鎮化進程中土地利用類型變化必將引起景觀指數發生變化。從表4看出，整個研究階段除水域不變外，2009—2015年期間有林地、灌木林地、園地、草地、建設用地和未利用地等景觀要素的斑塊密度顯著增加，其中草地、建設用地、有林地和園地變化最大，表明石漠化治理工程和退耕還林還草工程實施后景觀斑塊的空間擴展能力增強，斑塊物質能量之間的交換加大[32]。其他景觀要素如耕地和疏林地略有減少，2015—2019年變化幅度減緩；形狀指數和分維度表明斑塊形狀的復雜程度；2009—2015年林地、園地、建設用地的形狀指數減小，其他地類有所增加，但變化不大，分維度變化不明顯，主要是由于人為因素對林地和園地的干擾增加，形狀趨于規則。2009—2015年間有林地、園地和建設用地最大斑塊指數和破碎度指數增加明顯，說明三者空間在增加的同時破碎化程度也在增大。耕地的最大斑塊指數和破碎度指數有所增加，但增加量不大。灌木林地、草地和未利用地的最大斑塊指數逐漸減小，而破碎度指數卻有所增加。總之，2009—2015年間各種土地利用類型斑塊水平景觀指數變化明顯，2015—2019年間變化差異不大，說明撒拉溪示范區自建立至石漠化綜合治理工程及城鎮化建設期間對景觀斑塊影響變化大，后期有所緩和。

表4 2009—2019年撒拉溪示范區斑塊水平景觀指數

2.2.2 景觀水平景觀格局變化 從表5看出，整個研究時段內撒拉溪示范區香農多樣性指數呈不斷上升趨勢，從2009年的1.22上升到2019年的1.48，說明隨著石漠化治理工程和退耕還林還草工程以及城鎮化的不斷推進，撒拉溪示范區景觀多樣性和異質性也隨之增加；香農均勻度指數小幅上升，從2009年的0.55上升到2019年的0.67，2009—2015上升趨勢較為明顯，2015—2019年上升幅度較小，僅增加了0.05，說明撒拉溪示范區各類景觀均勻度逐步上升；破碎度指數和蔓延度指數反映了景觀的連通性、延展和破碎程度，破碎度指數增加，蔓延度指數減少。從2009—2019年，撒拉溪示范區破碎度指數逐年增加，且2009—2015年增加最大，從0.44增加到0.96。蔓延度指數逐年減少，從2009年的66.84下降到2019年的57.59，聚合度指數也有下降趨勢但在2015—2019年略有上升但不明顯，2009年、2015年和2019年的聚合度指數分別為94.86、91.45和91.78。石漠化工程、退耕還林還草工程[27]、交通道路建設[33]使得大面積景觀被破壞侵蝕，導致撒拉溪示范區內景觀破碎化程度增高、蔓延度下降、景觀的連通性變差。總之，示范區內的人類活動導致了區內景觀破碎化程度加大的同時，也降低了區內景觀的連接度，但可能有利于生態環境的改善[34]。

表5 2009—2019年撒拉溪示范區景觀水平的景觀指數

3 討 論

2009—2019年撒拉溪示范區土地利用/覆被變化明顯，土地利用變化程度和速度加劇，尤其是2009—2015年示范區的建立和石漠化綜合治理工程的實施，耕地面積減少最大，有林地面積減少次之，未利用地減少也導致示范區內石漠化面積減少，草地、園地和建設用地面積增加較大，這也得益于封山育林和生態扶貧，在產業結構調整的同時恢復了生態環境，實現了生態和脫貧的雙贏，撒拉溪鎮建檔立卡貧困人口從2015年的10 809人(國扶辦系統)減少到2020年的967人。隨著生態產業模式和技術的開發，部分草地及坡耕地將是未來土地利用調整變化的重點，示范區耕地面積將繼續減少，林地和園地面積繼續增加。

撒拉溪示范區景觀多樣性和異質性增加，建設用地包括城鎮居民點建設、工礦開采和交通用地等面積從2009年的149.57 hm2增加到2019年的381.89 hm2，增加了近2倍，使得大面積草地、有林地景觀被破壞導致了區內景觀破碎化程度增高、蔓延度下降、景觀的連通性變差。因此，在后續的石漠化生態治理以及退耕還林還果工程中，保證特色經濟林、果園數量增加的同時，應統籌考慮降低其他人類活動對生態景觀格局的干擾影響，從而更多增進人類福祉，促進生態系統的健康發展。

4 結 論

耕地、有林地、灌木林地是撒拉溪示范區內主要的土地利用類型，隨著退耕還林還草、石漠化治理的林灌草生態修復和農業產業結構調整等實施后，耕地面積減少最大，達914.85 hm2，灌木林地和草地面積增加，裸巖石櫟地和裸土地等未利用地減少，石漠化減輕。園地面積迅速增加且動態變化度最大，建設用地面積增長迅猛。

2015—2019年間撒拉溪示范區土地利用程度呈下降趨勢，區內石漠化綜合治理、退耕還林還草還果和生態產業的布局，減緩了土地利用程度變化率的增長，使得土地的自然屬性得到應用發揮。2009—2015年間土地利用類型斑塊水平景觀指數變化顯著，2015—2019年間變化較緩，表明石漠化綜合治理工程及城鎮化建設期間對景觀斑塊影響變化大，后期有所緩和。

2015—2019年間撒拉溪示范區內景觀多樣性和均勻度上升、異質性增加，景觀破碎化程度增高、蔓延度下降、景觀的連通性變差。人類活動對土地利用的干擾程度加大，石漠化綜合治理、退耕還林還草工程和建設工程對景觀格局的影響大于退耕還果還園工程，但后者實現了生態和脫貧的雙贏。