喀斯特石漠化演变轨迹的典型案例研究——以贵州盘县为例

李阳兵，王世杰，罗光杰，程安云

(1.贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州贵阳 550001; 2.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵州贵阳 550002)

喀斯特石漠化演变轨迹的典型案例研究
——以贵州盘县为例

李阳兵1，王世杰2，罗光杰1，程安云2

(1.贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州贵阳 550001; 2.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵州贵阳 550002)

本文以1974年MSS、1999年TM、2007年TM影像为基本数据源，辅以实地踏勘，考虑一个完整的峰丛洼地等，扣除其平坝部分后作为评价单元，获得了贵州省盘县3个时期的石漠化数据并计算了石漠化和无石漠化土地的演变轨迹。相应于1974年、1999年、2007年3个时段，研究区土地退化演变轨迹可分为8种，并可进一步归纳为不变型、逆转减弱型、反复型和加重型4种演变过程类型，从1974年、1999年到2007年未发生过变化的不变型轨迹面积占较高的比例。研究区的喀斯特土地可分为石漠化土地、无石漠化土地、石漠化已恢复土地和潜在可恢复石漠化土地。

石漠化;演变轨迹;空间格局;贵州盘县

0 引言

石漠化是近百年来发生在中国西南部喀斯特地区的一种典型土地退化现象，是岩溶环境脆弱性加上人类不恰当的土地利用干扰形成的［1］。目前对单一时段的石漠化研究较多，阐述了石漠化土地的监测评价［2］、空间分布与岩性的关系［3］、石漠化土地的景观结构特征［6－7］;但对石漠化在近几十年来的演变研究较少，或研究时间间隔太短，不能反映石漠化土地的变化过程，得出的结论难以令人信服［8－9］。研究时段达30年石漠化研究成果很少［10－11］，且这些成果采用的石漠化土地利用转移矩阵的方法只是定量地反映了石漠化等级类型的数量变化，而不能在空间反映出某一石漠化图斑的连续演替过程。喀斯特石漠化研究要加强过程的研究，把石漠化现状研究和演化历史有机地结合起来，弄清石漠化土地变化的类型、变化的原因及其空间分布，才能切实对石漠化地区的生态恢复重建起到指导作用。

土地覆盖演变轨迹是对环境和人类活动最重要的响应之一［12］，对了解土地覆盖变化的高度时空复杂性很有必要［13］，时间序列的遥感数据被越来越多的用于研究变化迹线［14］。因此，本文针对目前注重石漠化的“现象研究”，而忽视其历史的“过程研究”，选择贵州省典型石漠化地区盘县，利用土地覆盖演变轨迹的方法结合1974年、1999年和2007年的遥感数据，着重解决以下2个问题:(1)不同等级的石漠化土地和无石漠化土地是怎样演变的?其演变过程能否指示石漠化未来的演变格局?(2)石漠化土地动态变化过程对石漠化评价和石漠化土地治理的启示。旨在为石漠化的基础研究和石漠化治理提供一种思路。

1 数据来源和研究方法

1.1 数据的来源和校正

研究区概况及其石漠化和土地利用分布见文献［4，15］。研究区喀斯特石漠化数据主要来源于1974 年MSS、1999年TM、2007年TM影像解译数据。首先以1∶5万地形图为基础控制依据，在遥感图像和地形图上选择稳定、明显的对应地物作为控制点，纠正误差控制在1个像元左右，以保证长时间序列中的多时相遥感数据不发生明显的空间位置偏移，因MSS影像空间分辨率较低，辅以利用1963年测绘的1∶5万地形图，通过地形特征的限制尽量提高MSS影像的解译精度。本文选取石漠化评价单元时，主要考虑以一个完整的地貌单元为评价单元，以峰丛洼地为例，扣除洼地底部平坦部分，根据洼地四周峰丛坡面上的岩石裸露率和裸岩分布部位、植被类型和植被季节变化特征(表1)，结合研究区土地利用现状、地形图、土壤图以及实地调查，生成1∶5万喀斯特石漠化图(图1)。本文所指的喀斯特石漠化不包括非碳酸盐岩区的岩石裸露。坡度图来源于根据1∶5万地形图数字化的DEM，地貌数据来源于1∶50万的贵州省地貌类型图。在2004年和2007年进行了2次实地踏勘，通过实地调查访问以解决解译过程中遇到的同物异谱问题，为了验证1974年MSS影像对石漠化的解译精度，特调查了在1974年MSS、1999年TM、2007年TM影像上均表现为强烈石漠化的图斑，与实地情况明显一致，证明利用MSS影像研究县级尺度的石漠化分布是可行的。

1.2 研究方法

获得1974年、1999年、2007年3个时段的石漠化分布图后，将3个时段的石漠化数据转换成30m× 30m栅格，运用ARCGIS软件中的图层代数运算方法得到石漠化的演变轨迹。从无石漠化土地到极强度石漠化土地经过3个时期将产生216种可能的演变轨迹。

为简化运算，本文把轻度以上强度(13～16)石漠化统称为石漠化土地，只探讨最有代表性的演变轨迹。

表1 喀斯特石漠化强度分级标准表Table 1 Classification criterion of karst rocky desertification

2 结果分析

2.1 盘县石漠化演变轨迹

本文把轻度及其以上等级(13～16)石漠化统称为石漠化土地，根据1974年、1999年到2007年盘县喀斯特地区土地的石漠化等级状态的变化，盘县石漠化和无石漠化土地在3个时期可分为石漠化－石漠化－石漠化、无石漠化－石漠化－石漠化等8种演变轨迹(表2)。

3个时期中一直为石漠化土地的面积1060.92km2;由石漠化土地逆转减弱为无石漠化土地的面积为140.40km2;在石漠化和无石漠化之间反复变动的面积占167.63 km2;由无石漠化转变成石漠化土地，石漠化程度加重的面积占11.66 km2(表2)。总的来说，逆转的趋势大于加重的趋势。从1974年、1999年﹑2007年，3个时期的石漠化总面积变化不明显，但土地退化轨迹表明3个时期盘县土地仍存在着复杂和较大数量的转化，2007年石漠化土地面积明显减少.但局部有恶化加重的趋势。

8种演变轨迹进一步可分为不变型、逆转减弱型、反复型和加重型4种演变类型，每一种演变轨迹和类型都有明确的生态含义，反映了盘县土地在自然因素和人为因素综合作用下的不同演变轨迹(图2)。

表2 盘县石漠化1974－1999－2007年土地演变轨迹和演变类型Table 2 Land degradation tracks and types of 1974－1999－2007a

图1 盘县1974，1999和2007年喀斯特石漠化空间分布Fig.1 Distribution map of karst rocky desertification land in study area in 2007(a)，1999(b)and 1974(c)

表3 不变型演变类型下的喀斯特石漠化强度组成Table 3 Percentage of the unchanged land

图2 盘县石漠化1974－1999－2007年土地演变轨迹Fig.2 Land degradation tracks of 1974－1999－2007，in Panxian County

4种类型配合石漠化强度还可进一步划分。以不变型为例，可分为11－11－11、12－12－12等6种强度演变轨迹。盘县2007年的退化土地中，从1974～2007年不变形演变类型的面积占较高的比例(表3)，如极强度石漠化(16)有95.4%是未发生过变化。这反映了石漠化土地，尤其是退化程度高的石漠化土地，如其发生的特定地质、地貌和人为干扰条件不改变，石漠化土地一旦形成，其恢复是一个长期的过程;当然具体到盘县各个等级石漠化区，各种石漠化不变型轨迹的驱动因素应存在差别，可能是严酷的自然条件，也可能是人为干扰持续存在所导致石漠化土地长期未发生变化。

2.2 不同轨迹的分布与地貌和坡度的关系

2.2.1 不同轨迹的分布与地貌的关系

分析8种退化演变轨迹在不同地貌类型和坡度梯度上的分布，有助于判断各种退化演变轨迹形成的原因。

不变型主要分布在峰丛浅洼地、其次是溶丘洼地、喀斯特中高山;逆转减弱型主要分布在峰丛谷地、峰丛浅洼地、溶丘洼地和喀斯特中高山;反复型发生在喀斯特中高山、峰丛浅洼地、溶丘洼地;加重型发生在峰丛浅洼、喀斯特中高山。具体而言，石－石－石、无－无－无、石－石－无、无－无－石等在峰丛浅洼地里分布比例最高;石－无－石、无－石－石在喀斯特中高山的分布比例最高(图3)。可以看出，峰丛浅洼地是石漠化土地和无石漠化土地相互之间变化剧烈的区域，原因在于这一区域是开垦－撂荒－开垦等，反复进行干扰的地域。

图3 不同地貌类型的石漠化土地演变轨迹(1974－1999－2007)Fig.3 Land degradation tracks of 1974－1999－2007 for different Karst geomorphology

2.2.2 不同轨迹的分布与坡度的关系

不变型主要分布在10°～35°坡度级内(图4)，10°～17.5°坡度级内各变化轨迹分布比例最高，其次是17.5°～25°和25°～35°。

逆转减弱型和反复性主要分布在10°～17.5°、17.5°～25°坡度级内，原因与这一坡度级内的农业结构调整和退耕有关。

加重型主要分布在17.5°～25°、25°～35°坡度级。上述分布表明10°～25°、35°～45°坡度级内保水保土难，植被难以恢复，石漠化土地长期存在。

进一步分析不变的石漠化土地中各等级石漠化在不同坡度梯度等级的分布，发现其主要分布在10° ～17.5°、17.5°～25°、25°～35°坡度级内(表4)，应与人为干扰主要发生在这一坡度级有关，而对其具体原因，则需要进一步结合具体的地貌条件和人为干扰方式频率才能确定，仍需进一步研究。

2.3 石漠化土地演变未来情景预测

根据喀斯特石漠化土地的演变轨迹在不同地貌类型和坡度级的分布情况，在目前的石漠化防治措施下，对未来石漠化空间分布格局进行预测。设定(1)较低坡度级内的不变型、反复型、加重型土地将逐步得到治理，演变为无石漠化和潜在石漠化;(2)已经持续30余年未发生变化的石漠化土地仍将不变化。预测结果表明，集中连片的石漠化景观将从区域景观结构中下降，强度(15)、极强度(16)石漠化仅分布于气候寒冷的岩溶高中山山地、岩溶高中山峰丛谷地和地表水缺乏的大面积峰丛洼地区(图5)，这些自然条件较恶劣的区域，强度(15)以上石漠化主要由自然因素造成［15］。随着土地利用的规模和格局调整和优化，最终将导致强度、极强度石漠化景观逐渐向无石漠化景观转变。在粤北山区的研究也得到了类似的结论［16］。

图4 不同坡度梯度的土地演变轨迹(1974－1999－2007)Fig.4 Land change tracks of 1974－1999－2007 for different slope levels

表4 不同坡度梯度中的不变型石漠化土地分布(%)Table 4 Percentage of unchange land in different slope(%)

图5 盘县石漠化未来空间格局预测图Fig.5 simulation for the future KRD spatial pattern

3 讨论

3.1 石漠化土地与土地石漠化

本文通过多时相遥感影像数据，把盘县1974年、1999年和2007年的石漠化变化轨迹分为8种，并归纳为不变型、逆转减弱型、反复型和加重型等4种演变类型，比稳定型、前期变化型、后期变化型、反复变化型和持续变化型的划分［17］含义更明确，可据此对研究区喀斯特土地类型做如下划分:

a石漠化土地:石漠化－石漠化－石漠化;

b无石漠化土地:无石漠化－无石漠化－无石漠化;

c已恢复土地:石漠化－石漠化－无石漠化、石漠化－无石漠化－无石漠化、无石漠化－石漠化－无石漠化;

d潜在可恢复土地:石漠化－无石漠化－石漠化。

基于上述分析，本文提出要区分土地石漠化和石漠化土地两个概念。土地石漠化指的是无石漠化－无石漠化－石漠化、无石漠化－石漠化－石漠化这两种演变轨迹，是一种退化过程。石漠化土地强调的是已经发生石漠化且长期保持石漠化现状的土地。从恢复时间来看，必须是经过一定时间仍不能自然恢复的土地才是石漠化土地。

3.2 不同变化轨迹类型的治理

在确定石漠化土地的治理恢复模式和治理重点时，有必要考虑石漠化土地的演变轨迹差异性和成因的地域差异性，进行合理规划布局。石漠化4种演变类型的划分，有助于对石漠化进行有针对性的防治。

治理思路如:对不变型进行封育，使其逐步逆转减弱;逆转减弱型要采取合理的预防措施，防止再反复或加重石漠化;重点治理反复型和加重型，防止这两种类型的扩张。进一步，研究石漠化土地演变轨迹和其形成原因，如弄清其在各坡度等级内的分布，有助于采取合理的防治措施。经典喀斯特地区地表覆盖的变化过程表明，人为形成的地表岩石裸露经过恢复和保护是可以治理的［18］，而盘县石漠化变化轨迹中，逆转减弱型的比例大于加重型的比例，也初步体现了和经典喀斯特地区相类似的过程。

4 结论

(1)1974～1999年研究区总面积变化并不明显; 2007年石漠化面积明显减少。

(2)1974年、1999年到2007年，研究区石漠化土地的强度可划分为:无石漠化(11)、潜在石漠化(12)、轻度石漠化(13)、中度石漠化(14)、强度石漠化(15)、极强度石漠化(16)等6种。

(3)从1974年、1999年到2007年，研究区石漠化土地和无石漠化土地的变化可分为8种演变轨迹，归纳为不变型、逆转减弱型、反复型和加重型4种演变类型。研究区2007年的退化土地中，从1974～2007年未发生过变化的面积占较高的比例。

(4)根据演变轨迹和演变过程，研究区的喀斯特地区可分为石漠化土地、无石漠化土地、已恢复土地和潜在可恢复土地。对未来的石漠化空间分布格局预测表明，集中连片的石漠化景观将从区域景观结构中消失。

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Abstract:Remotely sensed data such as MSS for 1974，TM for 1999 and 2007，integrated with the field and lab investigation，were used to evaluate karst rocky desertification(KRD)evolving tracks of 1974，1999 and 2007 in Panxian county，Guizhou province.Every karst peak－cluster－depression was considered as an KRD assessment unit except its flat part.The KRD tracks could be divided into 8 types，such as KRD－KRD－KRD and no desertificationno desertification－no desertification，from 1974，1999 to 2007.Furthermore，these 8 types could include changeless KRD，weakening KRD，repeating degradation and aggravating KRD.The unchanged land which had been no change from 1974，1999 to 2007 accounts for a higher proportion.According to the land degradation tracks，the karst area in Panxian county should divided into KRD land，no desertification land，meliorated KRD land and potential restoration land.

Key words:karst rocky desertification;evolution tracks;spatial pattern;Panxian County，Guizhou Prorinee

Evolution tracks of karst rocky desertification:a typical case study in Panxian County

LI Yang－bing1，WANG Shi－jie2，LUO Guang－jie1，CHENG An－yun2
(1.School of Geography and Environmental Sciences，Guizhou Normal University，Guiyang550001，China; 2.National key laboratory of environmental geochemistry，geochemistry institute of Chinese Academy of Science，Guiyang550002，China)

1003－8035(2010)03－0118－07

F301.24

A

2010－01－07;

2010－05－18

国家重点基础研究发展计划项目(2006CB4032001);中国科学院知识创新工程(kzcx2－yw－306);黔科合J 字(2005)2077号;教育部“新世纪优秀人才支持计划”(NCET－05－0819)

李阳兵(1968—)，男，潼南人，博士后，教授，研究方向为土地资源与生态环境治理。

E－mail:li－yapin@sohu.com