基于GEE平臺1990—2020 年黔西市石漠化時空演變與土地利用類型響應

中圖分類號：X37 文獻標識碼：A 文章編號：1008-0457（2025）04-0083-10

國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2025.04.013

石漠化是喀斯特地區特有的土壤侵蝕、植被退化、巖石裸露現象[1-2]。貴州省巖溶地貌及巖溶形態發育齊全，巖溶裸露的面積達到全省總面積的61.92% ，是全國石漠化問題最為嚴重的地區之二[3]。黔西市作為貴州省典型的喀斯特地貌區域，碳酸鹽巖覆蓋面積達 2 261.09km² ，石漠化問題嚴重影響了自然生態平衡、水土保持及農業生產[4]，已成為阻礙地區發展的重要因素[5-6] 。

眾多專家學者對喀斯特山區石漠化特征提取與土地利用類型響應展開了深入研究。文林琴等[7利用2004—2016年的Landsat影像，系統分析了貴州省石漠化的時空演變特征及其未來發展趨勢。胡寶清等8通過構建喀斯特石漠化動力指數模型，揭示了都安瑤族自治縣喀斯特石漠化的分布規律。舒田等利用遙感影像建立的土地利用變化模型系統得到了撒拉溪喀斯特高原石漠化治理區的土地利用類型及其景觀格局特征。李陽兵等[10]綜合ASTER 影像和野外考察數據，發現巖石類型與不同石漠化等級及土地覆蓋類型之間存在密切關系。此外，李楚瑜等\"基于土地利用演變與生態系統服務價值變化的研究表明，生態保護情景是龍巖市實現可持續發展的最優土地利用格局。王福海等[2對重慶山地城市植被凈初級生產力的研究表明，自然與人為因素對生態環境關鍵指標存在重要影響，為石漠化研究中考慮影響因素提供了參考。

上述研究多采用傳統單機處理遙感數據，隨著時間和空間尺度的變化，傳統石漠化監測數據的獲取及處理的局限性越發明顯[13]，而谷歌地球引擎（GoogleEarthEngine，GEE）云處理平臺憑借豐富的遙感數據集、強大的云存儲、優異的計算性能以及交互式開發環境，有效降低了地理空間數據分析的成本和復雜程度[14-15]。本文基于GEE平臺，選取1990—2020年Landsat系列影像數據，分析了黔西市石漠化的時空演變特征和過程，并結合石漠化動態度、石漠化轉移矩陣和土地利用數據從多維度探究了石漠化的轉移過程及土地利用類型的響應關系，該方法有效克服了傳統方法在時間尺度上的局限，為今后石漠化時空演變特征研究和石漠化綜合治理提供了科學依據和實踐參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

黔西市是貴州省的縣級市，地處烏蒙高原東部，東經 105^°47^′～106^°26^′ ，北緯 26^°45^′～27^°21^′ ，轄域總面積 2 380.5km² ，黔西市地理區位如圖1所示。黔西市地勢西北高、東南低，東南西三面被河谷深切，中部地形平坦開闊。作為典型的喀斯特地貌區，黔西市受亞熱帶季風氣候影響，雨季較為集中，土壤層薄、保水能力差，土壤侵蝕嚴重，而濫伐森林和無序發展的農牧業破壞了植被，生態環境脆弱，巖石裸露率高。

圖1黔西市地理區位圖

Fig.1Geographical location of Qianxi City

1. 2 數據來源和預處理

針對黔西市衛星影像受云霧影響較大，研究采用GEE平臺對黔西市1990—2020年Landsat影像進行相應處理：1）首先以5年為時間間隔，篩選涵蓋每年固定時間段內的影像（1月1日至12月31日），利用去云算法優化影像質量，減少云層干擾；2）在處理后的影像集合中，采用QualityMosaic函數挑選每個時間點的最佳影像；3）拼接和裁剪影像來生成年度最優分析數據。此外，基于武漢大學 30m 土地覆蓋產品（China’sLand-UseDatasets，CLCD）獲取了黔西市的土地類型分布情況，再利用ArcGIS10.8重分類工具將黔西市的土地利用類型劃分為耕地、林地、灌木地、草地、水體和建筑用地。本研究所使用的數據及其來源見表1。

表1數據信息

Tab.1Data sources and information

1.3 石漠化等級劃分

以植被覆蓋度和巖石裸露率作為劃分指標[16-19]，根據石漠化劃分標準，黔西市的石漠化等級劃分見表2。

表2黔西市石漠化等級劃分標準

Tab.2Classificationcriteriaforrockydesertification levels in Qianxi City

1.4 研究方法

1.4.1 植被覆蓋度

歸一化植被指數 （V） 表征地表植被覆蓋的比例特征[20]，公式如下，

式中， ρ_NR 為Landsat近紅外波段反射率， ρ_RED 為Landsat紅光波段反射率。

根據像元二分模型計算植被覆蓋度"（ ? _{V C}^{[ 2 1 ]}，公式如下，

式中， V_min 為年度合成歸一化植被指數的累積頻率為 5% 時所對應的值； V_max 為年度合成歸一化植被指數的累積頻率達到 95% 時所對應的值。

1.4.2巖石裸露率

歸一化巖石指數 （R） 反映地表的巖石裸露狀況[22]，公式如下，

式中， ρ_SWIR 為Landsat短波紅外波段反射率，ρ_NR 為Landsat近紅外波段反射率。

利用歸一化巖石指數 R ，根據像元二分法模型計算巖石裸露率 （f_R）^[23] ，公式如下，

式中， R_min 為年度合成歸一化巖石指數的累積頻率為 5% 時所對應的值； R_max 為年度合成歸一化巖石指數的累積頻率達到 95% 時所對應的值。

1.4.3石漠化動態度

利用單一等級石漠化動態度 K 和綜合石漠化動態度P來定量分析石漠化的動態演變過程[24] 。

式中， K_i 表示演變時段內石漠化類型 i 的動態度； U_ai，U_bi 分別代表演變初期、末期石漠化類型 χ_i 的數量， T 為演變的時間間隔。

式中， P 表示研究時段內綜合石漠化類型的動態度； C_ai，C_bi 分別為第 i 類石漠化類型在研究起始年、終止年的面積， s 為研究區的總面積， n 為石漠化類型的數目， T 為演變的時間間隔。

2 結果與分析

2.1 石漠化時空演變特征

2.1.1黔西市植被覆蓋度時空變化特征

黔西市植被覆蓋度的空間分布呈現北部和西部覆蓋度較高、東部和中部覆蓋度相對較低的特征，覆蓋度隨時間變化逐漸提高（圖2）。1990—2020年，低覆蓋度 0.0～0.1 面積占比從 13.62% 下降至 6.89% ，低覆蓋區的植被逐漸得到恢復。中等覆蓋度 0.3～0.5 面積占比從 25.08% 下降至13.12% ，而高覆蓋度 0.5～0.7 和 0.8～1.0 的比例顯著上升，兩者面積的相應占比分別從 16.98% 和12.00% 提高到 28.08% 和 28.15% ，低、中等覆蓋度區域逐漸向高覆蓋度區域轉變，植被狀況顯著改善。

圖21990—2020年黔西市的植被覆蓋度時空分布

Fig.2Spatiotemporal distribution of vegetation coveragein Qianxi City from199O to 2020

2.1.2黔西市巖石裸露率時空變化特征

黔西市巖石裸露率的空間分布表現為北部區域裸露率較高，而中部和南部區域裸露率較低，裸露區域隨時間推移逐漸減少（圖3）。1990—2020年，裸露率 0.0～0.2 面積占比從 12.62% 上升到 15.98% ，低裸露巖石面積有所增加。中等裸露率 0.3～0.5 和 0.5～0.7 面積占比分別呈現上升和降低趨勢，2020年達到了 23.41% 和 24.42% 。高裸露率0.7～0.9 面積變化最為明顯，相較于1990年下降了 7.54% ，高巖石裸露率區域面積大幅降低，植被生態逐漸得到恢復。

圖31990—2020年黔西市的巖石裸露率時空分布

Fig.3Spatiotemporal distribution of rock exposure rate in Qianxi City from 199O to 2020

2.1.3黔西市石漠化時空演變特征

綜合黔西市的石漠化時空分布圖（圖4）和黔西市石漠化面積變化統計表（表3）發現，黔西市石漠化空間分布上呈現西重東輕的特征，石漠化主要集中在市域的中北部和西南部地區，極重度和重度石漠化區域相對較少且零散分布。隨著時間的推移，極重度和重度石漠化區域顯著減少，輕度和潛在石漠化區域的面積逐步擴大，石漠化程度逐漸減輕。1990—2020年，無石漠化面積從 2 006.95km² 增加至 2139.37km² ，占比從 78.26% 提升至 83.43% ：中度、重度和極重度石漠化面積總和從 466.76km² 減少至 193.00km² ，占比從 18.20% 降至 7.52% ：潛在石漠化和輕度石漠化面積總和從 90.58km² 增加至 231.92km² ，占比從 3.54% 增加至 9.05% ，石漠化程度總體改善。但在2015年，中度、重度和極重度石漠化的面積總和顯著增加到 388.78km² 占比為15. 16% ，石漠化情況有所惡化。

圖41990—2020年黔西市的石漠化時空分布

Fig.4Spatiotemporal distribution of rocky desertification in Qianxi City from 1990 to 2020

表31990—2020年黔西市石漠化面積變化

Tab.3Changes of rockydesertificationareain Qianxi City from 199o to2020

2.2黔西市石漠化動態度和轉移過程

2.2.1黔西市石漠化的動態度解析

從1990—2020年黔西市的石漠化單一等級動態變化圖（圖5）來看，黔西市石漠化整體呈改善態勢，但極重度石漠化面積有所增加。無石漠化面積變化幅度較小，其余等級石漠化的變化幅度較大，極重度石漠化的變化尤為顯著。黔西市中度和重度石漠化面積總體呈下降趨勢，其平均動態度分別為 -1.26% 和 -2.84% 。無石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化及極重度石漠化面積呈增長趨勢，其平均動態度分別為 0.23%10.22%3.63% 和 20.91% 。

通過石漠化動態度分析表（表4）發現，1990—2020年，黔西市石漠化變化的總面積達到 1251.4km² 變化幅度較大，年均綜合石漠化動態度為 1.63% 。1995—2000年，變化面積為 36.04km² ，綜合石漠化動態度最低，僅為 0.28% ；而在2015—2020 年期間，變化面積增至 391.54km² ，動態度最高值達到3.06% ?？傮w而言，黔西市1990—2020 年的石漠化面積變化較大，其中1995—2000年則表現相對平穩，2015—2020年的變化最為顯著。

圖51990—2020年黔西市石漠化單一等級動態度變化圖

Fig.5Dynamics of single-grade rocky desertificationin Qianxi City from1990to 2020

表41990—2020年黔西市石漠化綜合動態度表

Tab.4 Comprehensive dynamic of rocky desertificationin QianxiCityfrom1990to2020

2.2.2黔西市石漠化轉移過程分析

黔西市石漠化轉移矩陣如圖6所示。1990—2020年，中度和重度石漠化分別向無石漠化類型轉移了164.07和 143.89km² ，同時無石漠化類型又向其他類型轉移了 322.20km² 。1995—2000 年，無石漠化向中度石漠化的轉移面積最大，為125.92km² ;輕度和中度石漠化分別向無石漠化轉移了116.83和 116.36km² 。2000—2005 年，輕度、中度和重度石漠化分別向無石漠化轉移了115.07、126.90和 72.89km² ，極重度石漠化向無石漠化轉移了 24.69km² 。2005—2010年，輕度石漠化向無石漠化的轉移面積為 128.13km² ，居各類型之首；同時，無石漠化向中度石漠化轉移了110.78km² 。2010—2015年，無石漠化向中度石漠化的轉移面積達到 155.36km² ，轉移程度最顯著；而其他石漠化類型向無石漠化的轉移總面積為302.06km² 。2015—2020年，輕度、中度和重度石漠化分別有111.40、149.07和 99.39km² 轉移為無石漠化，同時有 140.06km² 的無石漠化轉移為輕度石漠化。整體而言，從1990—2020年，黔西市總體石漠化轉移趨勢逐步減輕，尤其是中度和重度石漠化向無石漠化的大規模轉移，表明黔西市石漠化治理效果顯著。同時，無石漠化向其他石漠化類型的反向轉移相對較小，并且主要集中在2010—2015年。

圖61990—2020年黔西市石漠化轉移矩陣

Fig.6Transfer matrix of rockydesertification in Qianxi City from199O to 2020

2.3黔西市石漠化與土地利用變化響應

綜合石漠化地區的土地利用類型圖（圖7）及石漠化分布圖（圖4可以看出，極重度和重度石漠化區域主要集中在植被稀疏的邊緣地帶，這些區域多為耕地，尤其是在坡度較大的山區，過度耕作導致土壤侵蝕，最終形成石漠化現象。此外，草地和部分林地的退化也可能進一步加劇重度石漠化面積的擴張。中度和輕度石漠化區域主要位于耕地與林地的交界處。林地較多的地區顯示出良好的生態功能，石漠化程度較輕。而潛在石漠化區多為草地和灌木地區，尚未形成顯著的石漠化問題。

從圖8可以發現，在1990—1995年，耕地面積從 1441.79km² 增長至 1570.61km² ，林地面積則由 453.50km² 變為 439.36km² ，而潛在石漠化區域的耕地和林地面積均出現增加。1995—2000 年，無石漠化區域的耕地面積從 1 570.61km² 降至1 383.93km² ，林地面積卻從 439.36km² 增至570.79km² 。2000—2005年，耕地面積從 1 383.93km² 上升至1 ?391.86km² ，林地面積從 570.79km² 降至563.69km² 。灌木面積有所增加，由 109.81km² 提升到 116.53km² ，草地面積也有小幅增長。2005—2010年，無石漠化區域的耕地面積從 1 391.86km² 增加至 1458.36km² ，林地面積從 563.69km² 增加至 581.14km² 。而在潛在石漠化區域，耕地面積有所縮減。2010—2015年，無石漠化區域的耕地面積顯著減少至 1300.46km² ，相較于2010年的1458.36km² 變化明顯；林地面積從 581.14km² 增加至 639.18km² 。2015—2020 年，無石漠化區域耕地面積從 1 300.46km² 降至 1264.00km² ，林地面積則大幅回升至 815.36km² ，同時灌木與草地面積略有減少，水體和建筑用地面積呈現增長趨勢。

總體而言，在1990—2020年期間，無石漠化區域的耕地和林地面積經歷了較為復雜的波動變化。耕地面積在1990—2000年初期稍有增加后逐漸減少，而林地面積整體呈現顯著增加的趨勢。潛在石漠化區域的耕地面積逐步減少，灌木和草地面積不斷增加。反映出黔西市在不同時間段內，無石漠化區域和潛在石漠化區域的土地利用類型呈現出動態變化的特點。耕地和林地面積的變化與石漠化狀態密切相關，林地面積的增加有利于抑制石漠化，且能夠增強區域生態系統的穩定性，減少水土流失；而耕地面積的過度增長則可能破壞生態平衡，對生態環境產生負面影響，增加石漠化的風險。

圖71990—2020年黔西市土地利用類型的時空分布

Fig.7Spatiotemporal distribution of land use types in Qianxi City from 199O to 2020

3 討論與結論

3.1 討論

本研究借助GEE平臺處理多期Landsat影像，其豐富的云數據資源與強大的高性能計算能力，在影像長時序研究中展現出顯著優勢。傳統GIS方法在影像分析中常面臨數據處理流程煩瑣、效率低等問題，而GEE平臺憑借其云端數據存儲與高效的數據處理能力，已成為眾多學者開展長時序土地利用變化監測的重要工具。高偉杰等[25利用GEE平臺成功剖析了曲靖市石漠化的時空演變進程，徐紅楓等[26則基于該平臺深入探究了西疇縣石漠化的驅動機制。GEE憑借先進的云計算算法與高效的影像處理能力，為精確解析石漠化時空變化奠定了堅實基礎。

本研究結果表明，在1990—2020年期間，黔西市石漠化狀況改善顯著。中度、重度和極重度石漠化區域面積大幅縮減，得益于黔西市積極推行退耕還林、封山育林等一系列措施。同時，潛在石漠化面積占比極低，黔西市通過實施生態移民及合理規劃土地利用等策略，有效遏制了潛在石漠化的惡化趨勢。進一步探究黔西市石漠化演變規律與土地利用類型的響應關系發現，耕地和林地在緩解石漠化方面發揮著關鍵的作用，其在無石漠化地區所占比例高達 77.32% ，凸顯了科學規劃農業和林業用地對抑制石漠化的核心意義。相比之下，灌木地、草地等土地利用類型在改善石漠化方面的成效相對有限，這與它們較低的植被覆蓋度密切相關。

本研究主要聚焦于石漠化的時空演變特征及與土地利用類型的響應關系分析，尚未深入觸及石漠化動態驅動機制的探究。后續研究可綜合考慮社會經濟數據、氣候數據以及人類活動強度等多方面因素，以此從多源角度來揭示石漠化變化背后的復雜驅動因素，為石漠化治理提供更為全面、深入的理論支撐。

圖81990—2020年黔西市石漠化與土地利用類型轉移矩陣

Fig.8Transfer matrix between rocky desertification and land use types in Qianxi City from 1990 to 2020

3.2 結論

本文基于黔西市1990—2020年多期Landsat遙感影像與土地利用數據，利用GEE平臺計算植被覆蓋度和巖石裸露率表征黔西市石漠化等級分布圖，以此探究黔西市石漠化時空演變特征。同時，結合石漠化動態度、石漠化轉移矩陣和土地利用數據多角度探究了1990—2020年石漠化的轉移過程及土地利用類型的響應。具體結論如下：

黔西市石漠化呈西重東輕分布特征。1990—2020年，黔西市石漠化程度得到了明顯改善，巖石裸露率減少，植被覆蓋度增加。無石漠化面積增加了 132.42km² ，潛在和輕度石漠化面積共增加了141.34km² ，而中度、重度和極重度石漠化面積共減少了 273.76km² 。

從石漠化動態度和轉移過程來看，無石漠化單一等級動態度最為穩定，平均單一等級石漠化動態度僅有 0.23% ，而其他類型都呈現出很大的變化趨勢。2015—2020年，綜合動態度最大，達到 3.06% ，石漠化演變過程最為劇烈。黔西市整體石漠化轉移過程呈現石漠化逐漸減輕的趨勢，1990—2020年，其他類型向無石漠化轉移面積共計 2 223.62km²

土地利用變化對石漠化演化具有顯著影響。耕地和林地與石漠化的響應程度最為強烈，其他土地利用類型與石漠化的響應程度較弱。1990—2020年，黔西市無石漠化區林地面積由 453.50km² 增至815.36km² ，呈顯著增長趨勢，有效抑制了石漠化；而耕地面積先增后減，從1995年的 1570.61km² 降至2020年的 1264.00km² ，過度耕作在早期加劇石漠化風險。潛在石漠化區耕地面積減少，草地與灌木面積增加，表明合理的土地利用有助于緩解石漠化。土地利用格局的動態變化與石漠化演化密切相關，林地擴張顯著改善生態，而耕地擴張則在部分地區誘發土壤退化與石漠化。

（責任編輯：胡吉鳳）

作者簡介：羅林（2004—），男，漢族，2023 級礦業學院測繪工程本科生，E-mail：3206651436@qq.com.

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Spatiotemporal Evolution of Rocky Desertification and Its Response to Land Use Types in Qianxi City （1990—2020） Based on the Google Earth Engine Platform

Luo Lin'， Deng Xiaodong "， Zhang Xianyun "， Li Baoshan "， Wen Pengfan'

（1.Scholof Mining，Guizhou University，Guiyang 55OO25，Guizhou，China;2.InstituteofAgricultural Remote Sensing andInformation Technology，Colege of Environment and Resources， Zhejiang University，Hangzhou 310o58， Zhejiang，， China）

Abstract：Rockydesertification inkarstregions severelyconstrainssocioeconomic and ecological developmentin Guizhou Province，China.Thisstudyutilizedmulti-temporal Landsatimagery（199O—2O2O）processed via the GoogleEarth Engine（GEE）platform toanalyze spatiotemporal changes inrocky desertification inQianxi Cityand examine its response to landuse types.Theresultsshowed that spatially，rockydesertification was more severe in western areas and less pronounced ineastern areas.Thetotal area experiencing potential andmild rocky desertification increased by （204號 141.34km² ，whereas moderate，severe，and extremely severe desertification collectively decreased by 273.76km² ： Dynamicanalysis revealed minimalarea fluctuations in non-desertified regions，with the most intense changes occurring between 2O15 and 2O20. Single-grade and comprehensive dynamics during this period were 0，23% and 3， 06% ， respectively，indicating a general trend towarddeclining severity.Regarding landuseresponses，cultivatedandforest lands，which together accounted for 77.32% ofnon-desertified areas，exhibited’the strongest response to rocky desertification dynamics，hereas other land use types showed weaker corelations.These findings offer valuable insights for managing rocky desertification and optimizing land use strategies in karst regions.

Keywords：rocky desertification；GoogleEarth Engine（GEE）；spatiotemporal evolution；transitionmatrix；land use change response