基于RS的都安石漠化時空演變研究

蘇成杰　施宇軍　范亞軍　蔣霖　王文貫

關鍵詞：都安；石漠化；遙感

中圖分類號：X87 文獻標志碼：A

前言

喀斯特石漠化是指在獨特的喀斯特地質條件和氣候環境背景下，因為遭受不合理的人類活動的影響，導致巖石大量出露，促使土地可利用的價值下降。中國西南地區地處熱帶或亞熱帶氣候區，是世界上喀斯特地貌面積分布最廣泛、特色最鮮明和發育最密集的地區。西南喀斯特石漠化分布面積最廣的前三個省（區、市）為貴州省、廣西壯族自治區和云南省。石漠化加劇演變的本質就是粗放式和不科學的土地利用引起喀斯特地區可有效利用的土地驟減。石漠化的時空演變的實質是人類活動對生態系統的干預，直接對生態環境的演變的方向。從20世紀50年代末以來，西南喀斯特地區石漠化呈現出自先增加后減少的變化趨勢，石漠化程度明顯減輕，表明了中國政府治理石漠化的措施是有效的。

對石漠化信息提取和演變研究有以下方法：基于不同年份的Landsat遙感影像數據，可利用轉移矩陣分析石漠化動態；采用高分五號高光譜數據的混合像元分解法和Landsat-8多光譜數據的光譜指數法可以提取石漠化信息；基于”3S”技術提取石漠化信息，利用轉變矩陣和動態度分析石漠化轉變情況和轉變速率。

文章根據Landsat-5 TM和Landsat-8 011遙感影像，運用ENVI軟件提取都安2000年、2010年和2020年的石漠化信息，分析近20年都安石漠化的時空演變。

1研究區概述

都安瑤族自治縣位于廣西壯族自治區中部偏西，東經107°51′～108°30′，北緯23°47′～24°35′，隸屬于廣西壯族自治區河池市，地處于云貴高原向廣西盆地過渡的斜坡地帶上，都陽山脈東段，總體地勢為北西高、南東低，是全國喀斯特地貌發育最為典型的地區之一。地層以石炭系與二疊系的碳酸鹽巖為主，占總面積的94%左右。土壤以石灰巖土為主，占全縣總土地面積的89%左右。都安屬于南亞熱帶季風氣候區，年均氣溫18.2℃～21.7℃，年均降雨量為1200mm～1900mm。亞熱帶常綠闊葉林是該縣的主要植被，因為長期受到過度的破壞，生態環境嚴重失衡，石漠化嚴重。

根據2021年《廣西統計年鑒》數據，都安縣總人口72.65萬人（2020年末），2020年全縣農村居民人均可支配收入9825元，低于河池市全市農村居民人均可支配收入13832元。脆弱的生態環境、突出的人地矛盾和薄弱的經濟基礎制約著都安經濟社會的可持續發展，對石漠化的時空演變產生重大影響。

2不同三年都安石漠化信息的提取

2.1數據源

陸地衛星的主要目的是搜集地球資源和環境信息。由于陸地衛星能提供較為廉價周期性的遙感數據，因此在土地利用和水系資源勘察、農業作物生長狀況監測、礦產勘察、地質與測繪、自然災害動態變化監測和環境變化的動態監測等均得到廣泛應用。以美國從1972年以來不間斷成功發射的8顆“陸地衛星”（LANDSAT）為主。因此，文章選取陸地衛星拍攝的Landsat -5的TM和Landsat-8的OLI遙感影像提取石漠化信息。在中國科學院網站（http：//www.gscloud.cn）分別下載覆蓋整個都安的2000年和2010年的Landsat-5的TM；2020年的Landsat-8的OLI遙感影像。運用專業軟件ENVI對遙感影像進行鑲嵌，根據都安境界的矢量文件對鑲嵌的影像進行裁剪得到不同年份整個都安的遙感影像。如圖1所示為假彩色合成的2000年的都安遙感影像圖。

2.2喀斯特石漠化分級特征

以前人分類標準為參考，根據都安喀斯特地區野外實地調查和驗證為依據，喀斯特石漠化可以劃分成極強度石漠化、強度石漠化、中度石漠化、輕度石漠化和潛在石漠化5個等級。

極強度石漠化地類特征：是石漠化發育最嚴重的階段，石漠化現象顯著，地表植被覆蓋度低于10%，基巖裸露率大于80%，大量基巖露出地表。土壤分散分布在石溝、石槽和石縫中，巖石間隙中零星長有少量植被，基本處于裸露石山的景觀。

強度石漠化地類特征：是石漠化發育較為嚴重的階段，石漠化現象較為明顯，地表植被覆蓋度介于10%～20%之間，基巖裸露率大于70%。土壤破碎的分布于溶蝕溝、溶蝕縫和溶蝕坑中，土層厚度一般不超過10 cm。在破碎分布的土壤中長有少數旱生的草本植物和小灌木，在冬季旱生的草本類植物基本上枯萎，與夏季植被覆蓋度相差大，具有明顯的季節性。強度石漠化較高的發生于石灰巖含量高的峰叢、峰林喀斯特山地或丘陵中，在這類地區大多數為利用率低的荒草地和少數陡坡開墾地。

中度石漠化地類特征：地表植被覆蓋度介于20%～30%之間，基巖裸露率大于50%。土壤被石芽分割，土壤侵蝕顯著，土壤厚度一般小于30 cm。以草本植物和灌木混合群落為主要地表植被。生草本植物或小灌木生長于出露基巖的裂縫和溶溝的土壤中，冬季部分地表植被枯萎，引起地表植被覆蓋度的顯著下降。中度石漠化多數發生在純碳酸鹽巖峰叢洼地或峰林地貌喀斯特山地丘陵上，該地區屬于人類活動頻繁的區域。

輕度石漠化地類特征：石漠化現象不明顯，地表植被覆蓋度大于40%，巖石裸露率介于30%～40%之間。石芽少量出現在土壤中，土壤層片狀連續分布。一般情況下土層厚度大于50 cm，最厚可高達1.5m。地表植被長勢好且種類較為豐富，主要是多年草本植物、灌叢、灌木以及藤本群混合體。

潛在石漠化地類特征：該地區基本上不存在石漠化現象，地表植被覆蓋大于50%，基巖裸露率小于20%。具有連續分布的土壤，土壤厚度一般為介于1.0m～2.5m之間。灌木、喬木和草均有，植被種類豐富、結構完整。潛在石漠化生態系統基本上保持平衡，屬于經過石漠化治理后恢復或者人類活動較為合理的地區。

2.3石漠化信息的提取

根據5個級別的石漠化特征，可通過像元二分模型提取石漠化信息，相關研究表明提取石漠化信息有較高的精度。文章基于二分像元模型，運用遙感圖像處理專業軟件ENVI的決策樹分類方法提取研究區2000年、2010年和2020年的石漠化信息，獲得都安不同三年石漠化空間分布圖（見圖2）。

文章研究區為都安，總土地面積為4088 km²，不同三年各個等級石漠化統計結果如表1所示。2000年都安石漠化總面積為87.336 km²，占都安縣總土地面積的21.46%；2010年都安石漠化總面積為1618.561km²，占都安縣總土地面積的39.59%；2020年都安石漠化總面積為1237.142 km²，占都安縣總土地面積的30.26%。從以上統計結果可知2000年一2010年，都安石漠化總面積大幅度增加；2010年一2020年，都安石漠化總面積出現減少。

3近20年都安石漠化演變分析

喀斯特石漠化是一個隨著時間推移而動態的演變過程，可以表征生態環境惡化的程度，其自身景觀特性可以表現石漠化的動態變化。石漠化土地動態變化程度是指某個研究區在一定時間段內某個等級石漠化土地類型在數量上改變的情況，可以真實的反映石漠化土地變化的劇烈程度，可用以下公式計算：

式（1）中U_a為起始年統計面積，U_b為終止年統計面積，T為監測年數。動態度為正值表示某個等級石漠化演變加劇，負值則表示石漠化有逆轉的趨勢。動態度K值的絕對值的大小，反映石漠化變化趨勢的快慢。

根據遙感圖像處理軟件ENVI對遙感影像的解譯，并統計3個時期都安各個不同等級石漠化土地的面積，詳細分析都安石漠化土地動態變化的趨勢（見表2和表3）。

近20年來，都安石漠化總面積先快速增長，后逐漸逆轉，各個不同等級的石漠化土地均有不同程度的加劇或逆轉。2000年-2010年，各個等級石漠化土地均出現快速的加劇。2010年-2020年，極強度石漠化、強度石漠化和輕度石漠化出現逆轉，中度石漠化和潛在石漠化出現加劇，但石漠化土地總體出現逆轉。

2000年-2010年，石漠化土地年均增加74.122km²，在各個等級石漠化中，輕度石漠化年均增加速度最快，高達33.583 km²。輕度石漠化演變加劇最嚴重，動態度高達62.481%，其次為強度石漠化，動態度均為15.670%。由于本世紀初期喀斯特地區生產力水平低下和沿襲著傳統的生活方式，長期不合理的人為活動導致石漠化演變嚴重加劇。石漠化未引起政府部門重視，沒有制定相應的措施治理石漠化。隨著人口的逐年增長，在自然資源匱乏的喀斯特石山地區為了生存需要進行陡坡開墾耕種，使得原本植被稀疏和單一的地區植被遭到嚴重破壞。水土流失嚴重，大量基巖裸露，生態環境系統嚴重失衡，加劇石漠化演變。

2010年-2020年，石漠化土地出現逆轉，年均逆轉速度為38.142 km²，其中極強石漠化、強度石漠化和輕度石漠化均發生不同程度的逆轉，年均逆轉速度都高于17 km²，中度石漠化和潛在石漠化出現演變加劇，年均演變加劇程度較上一時期略高。石漠化出現逆轉且具有逆轉速度快的趨勢，主要是由于石漠化引起全社會的高度重視。喀斯特石山地區生產水平提高和生活方式的轉變，減少對環境施加的壓力，生態環境系統得以恢復。政府部門實行封山育林措施，植被覆蓋度逐年增加。

4結束語

2000年都安石漠化總面積為877.336km²2010年都安石漠化總面積為1618.561km²，2020年都安石漠化總面積為1237.142km²。2000年-2010年不同等級的石漠化土地總體呈上升變化，2010年-2020年不同等級石漠化土地呈下降趨勢。2000年-2010年，石漠化土地年均增加74.122 km²，其中輕度石漠化年均增加速度高達33.583 km²，輕度石漠化演變加劇最嚴重，動態度高達62.481%。在自然資源匱乏的喀斯特石山地區人地矛盾突出，生態環境系統嚴重失衡，加劇石漠化演變。2010年-2020年，石漠化土地出現逆轉，年均逆轉速度為38.142 km²，其中極強石漠化、強度石漠化和輕度石漠化均發生不同程度的逆轉，年均逆轉速度都高于17km²。都安石漠化演變的逆轉表明植被覆蓋的逐年增加，生態系統得以恢復，說明政府部門采取治理石漠化的措施有效。