粤北山区土地石漠化敏感性评价

周红艺,王兮之,李辉霞

(佛山科学技术学院资源环境系,广东佛山 528000)

粤北山区土地石漠化敏感性评价

周红艺,王兮之,李辉霞

(佛山科学技术学院资源环境系,广东佛山 528000)

土地石漠化;敏感性;影响因子;综合指数法;粤北山区

将石漠化敏感性影响因子归结为岩性、土壤湿度、坡度和植被4个方面 ,并确定了各因子对石漠化敏感性的影响程度。在GIS和RS技术支持下,将粤北山区土地石漠化区域分为潜在敏感区、轻度敏感区、中度敏感区、重度敏感区和极重度敏感区5个等级区域,介绍了不同石漠化敏感区的空间分布及防治建议。

石漠化即岩溶石漠化,是指在热带、亚热带湿润地区岩溶发育的自然背景下,由于受人为活动的干扰,地表植被遭受破坏,造成土壤严重侵蚀、基岩大面积裸露、砾石堆积,地表呈现类似荒漠化景观的土地退化乃至消失的现象[1]。生态环境敏感性是指生态系统对各种环境变异和人类活动干扰的敏感程度 ,即生态系统在遇到干扰时生态环境问题出现概率的大小[2]。石漠化敏感性是指在自然状况下土地发生石漠化可能性的大小,研究它可以识别容易石漠化的区域,评价石漠化对人类活动的敏感程度,从而为人们的生产和生活提供科学依据[1]。近年来,许多学者对喀斯特地区石漠化评价指标体系和方法已进行了较为深入的研究[3-5],这些研究主要包括基于大量野外调查工作的样地评价和基于影响因子的危险度分析这两个方面,而采用遥感 (RS)技术获取石漠化景观表征因子,结合地理信息系统(GIS)技术进行宏观综合评价的研究较少,造成目前对于不同地区景观退化状况、石漠化敏感性程度及其空间分布规律缺乏直接的认识,在防治过程中不能做到因地制宜,很大程度上影响了石漠化治理的成效。本研究根据前人研究成果,选取岩性、土壤湿度、坡度和植被,运用GIS和 RS技术提取各指标的数据,利用综合指数法对粤北山区土地石漠化敏感性进行综合评价。

1 研究区概况

研究区地处珠江干流北江源头上游的水源涵养林区,系南方土地石漠化的主要区域之一。在以阳山、英德、乳源和连州为中心的研究区内,广泛发育着下石炭统维宪组(C1wx)、岩关组(C1yg)和上泥盆统乐晶组(D3lj)、帽子峰组(D3m)石灰岩地层,形成峰林、峰丛、溶蚀谷地、台地、洼地、地下溶洞和溶蚀高原等多种岩溶地貌类型。由于岩溶区造壤能力低,水源流失,形成“水在峡谷中、土在高原面”的水土资源不配套的基本格局,加之本区是南岭南坡的多雨区,年均降雨量高达1 600～2 000 mm,年均暴雨日数 ＞10 d,侵蚀模数达2800 t/(km2·a),从而使本区成为中亚热带南部脆弱的岩溶生态环境区域。近50年来,粤北岩溶山区人口增长过快,自然增长率高达3.3%。在人口过快增长和水土资源短缺的压力下,陡坡开荒加剧。据调查:20世纪60—90年代,本区植被覆盖率由35.8%减少到16.8%,水土流失面积所占比例、土壤侵蚀模数分别由18.2%和605 t/(km2·a)增加到41.3%和2 863 t/(km2·a);80年代初期岩石裸露率＞70%的石漠化土地占岩溶面积的6.12%,到90年代初期已占到11.25%,年均扩展31.84 km2;30%的山区农民年人均收入不到300元,远低于非岩溶区农民的收入水平[6],石漠化已成为粤北山区的灾害之源和贫困之根。20世纪90年代中后期以来,尽管在“八七”扶贫攻坚计划的支持下,本区实施“生态移民”工程,加大了石漠化土地整治力度,部分地区出现了石漠化逆转的趋势,但由于本区石漠化面积和治理难度都很大,石漠化的发展态势依然严峻,贫困与生态恶化仍然是本区建设小康社会的难点所在。由此可知,本区是我国南方中亚热带脆弱的岩溶生态环境区域,是石漠化演变过程十分典型、石漠化问题依然严重的区域,在我国石漠化研究与防治中占有重要地位[6]。

2 石漠化敏感性评价

2.1 数据处理和评价指标选择及分级

美国陆地卫星Landsat TM资料对于资源与环境调查及监测效果良好,是目前国内外应用最为广泛的卫星资料,故本次石漠化敏感性评价选用2004年冬季TM影像作为主要信息源。该期TM影像质量良好,且正处于植被和农作物生长最差的季节,有利于削弱植被对石漠化土地信息的干扰。在ERDAS软件支持下,以1∶10万地形图及野外GPS定位数据为参考,采用三次多项式方法对TM影像进行重采样,将所有波段重采样成30 m×30 m的像元,纠正后影像的投影坐标系为WGS 1984 UTM 49N,图像配准后的几何精度控制在0.5个像元以内,几何校正整体误差RMS为0.186,可满足石漠化分布图绘制的精度要求。基于几何校正后的TM影像,采用回归分析方法在ERDAS中进行大气校正,并按试验区范围对校正影像进行剪裁,提取的像元值更接近于地物反(发)射率值,是更好反映试验区地表真实情况的TM影像。石漠化敏感性评价的目的是为了识别容易造成石漠化的区域,评价人类活动对石漠化敏感性的影响。本研究将影响石漠化的因素确定为岩性、土壤湿度指数、坡度和植被指数等4项,敏感性评价等级标准见表1。

表1 石漠化敏感性影响分级

2.2 评价因子的计算与确定

2.2.1 岩 性

碳酸盐岩是产生土地石漠化的基础,故本研究只对岩溶地区进行评价,但不同类型的碳酸盐岩石漠化发生率各不相同[7]。灰岩、灰岩与白云岩互层、夹碎屑岩的碳酸盐岩层中的石漠化发生率较高,分别为29.86%、29.01%和29.47%;白云岩岩层中的石漠化发生率为19.37%,碳酸盐岩与碎屑岩互层的石漠化发生率为15.83%,夹碳酸盐岩的碎屑岩岩层中的石漠化发生率仅为12.92%。在碳酸盐岩层中,方解石的含量越高则越容易发生石漠化,反之白云石的含量越高则越不易发生石漠化[7]。利用中国石灰岩分布图进行矢量化,根据岩性不同进行分级,绘制出石漠化对岩性的敏感性分布图。

2.2.2 土壤湿度指数(NDMI)

常用的定量研究土壤湿度(土壤含水量)的方法有热红外遥感、微波遥感等方法,这些方法需要特定的遥感数据源和大量的实测数据。考虑到 TM5波段(1.55—1.75 μm)处于水的吸收带(1.4—1.9 μm)之间,受水吸收带的影响,对湿度、含水量信息非常敏感,且TM2波段(G)对水体有一定的反射,选用这两个波段经标准化处理的湿度指数NDMI可以实现宏观土壤湿度的快速评价。NDMI的表达式为[8]

NDMI与石漠化程度成反比,即石漠化程度越严重,则土壤湿度指数值就越小。运用公式(1)在Arcmap中计算出粤北试验区的NDMI值。

2.2.3 坡 度

地形起伏是影响土地石漠化的一个重要因素,它反映了坡长、坡度等地形因子对石漠化的综合影响。以采用1∶100 000数字地形图所提取的坡度为准值,根据表1分级标准,得出粤北试验区坡度对石漠化敏感性图。

2.2.4 植被指数(NDVI)

土地石漠化过程首先从地被物消失开始,以自然或人工植被的受损、破坏为先导,所以植被状况可认为是反映石漠化的敏感指示器。植物叶片组织对蓝光和红光有强烈的吸收作用,对绿光尤其是近红外光有强烈的反射功能,植被覆盖越好红光(Red)反射越小,近红外光(NIR)反射越大。因此,由Red和NIR波段数据经线性和非线性组合可构成各种植被指数,其中归一化植被指数NDVI对绿色植被表现敏感,能够较好地反映植被变化,且它采用通道间的比值形式,可以部分地消除太阳高度角、卫星扫描角、大气状况等的影响,是目前使用最广泛的植被指数[9]。NDVI表达式为

NDVI与石漠化程度成反比,即石漠化程度越严重,则植被指数值就越小。运用公式(2)在Arcmap中计算出粤北试验区的NDVI值。

2.3 石漠化敏感性综合评价

结合以上4种因子的评价结果,利用地理信息系统软件中的空间叠加分析功能,并利用(3)式计算石漠化敏感性指数,分级后得到石漠化敏感性评价结果。石漠化敏感性指数的计算式为

式中:SSj为空间单元石漠化敏感性指数;Ci为因素敏感性等级值。

根据分级标准来确定石漠化敏感性分布。根据(3)式,利用GIS软件中的空间叠加分析功能得到石漠化敏感性综合评价图 。根据值所在的范围将敏感性分为极重度敏感、重度敏感、中度敏感、轻度敏感和潜在敏感5个级别。

3 评价结果与讨论

根据上述步骤,得到如表2的评价结果。

表2 粤北山区不同石漠化敏感性等级面积及所占比例

石漠化土地主要分布在岩溶丘陵和峰丛、峰林的斜坡、陡坡地带,多为坡耕地、石笼地或裸露基岩。从表2可以看出,粤北典型岩溶山区石漠化现象依然存在,中度敏感以上石漠化面积476.58 km2,占石漠化土地总面积的7.61%,其中大部分成片状分布在阳山县中部和乳源县西北部,在连州市和英德市也有少量的零散分布。从空间看石漠化分布具有如下特点:

(1)极重度敏感、重度敏感石漠化土地主要集中分布在阳山县东山、岭背、江英、青连、水口镇和英德市青塘、青坑镇,连州市大路边、山塘镇和乳源县红云、大坪、必背大桥镇也有少量分布。极重度、重度石漠化土地多为全裸石山,可种植藤类等攀爬植物,以增加植被覆盖度和湿润度,促进石头风化,减少蒸发。

(2)中度敏感石漠化土地在阳山县分布最广,主要分布在东山、岭背、江英、青莲、犁头、七拱等镇;乳源县和连州市中度敏感石漠化土地面积大致相当,主要分布在乳源县的大桥、必背镇和连州市东陂、九陂、西岸、龙潭、龙坪、高山等镇;英德市仅有少量中度敏感石漠化土地且呈零星分布。中度石漠化土地多为半裸石山,可种植花椒、柏树、香椿等喜钙性、旱生性和岩生性的石漠化“先锋植物”,这样既可减弱石漠化程度,又可获得一定的经济收益。

(3)轻度敏感石漠化土地呈小块斑状零星分布在各县(市)的裸露石灰岩分布区及岩溶盆地中的峰林、残丘。英德市和阳山县还分布有大面积的潜在敏感石漠化土地(主要为耕地和草地)。综合治理中,轻度石漠化地区可实行封山育林,以促进森林植被恢复,达到防治石漠化的目的;潜在石漠化地区立地条件较好,可人工种植乡土阔叶树,提高森林的生态功能。

[1]王世杰.喀斯特石漠化概念演绎及其科学内涵的探讨[J].中国岩溶,2002,21(2):101-105.

[2]刘康,欧阳志云,王效科,等.甘肃省生态环境敏感性评价及其空间分布[J].生态学报,2003,23(12):2711-2718.

[3]王德炉,朱守谦,黄宝龙.贵州喀斯特石漠化类型及程度评价[J].生态学报,2005,25(5):1057-1063.

[4]黄秋昊,蔡运龙.基于RBFN模型的贵州省石漠化危险度评价[J].地理学报,2005,60(5):771-778.

[5]李瑞玲,王世杰,熊康宁,等.喀斯特石漠化评价指标体系探讨——以贵州省为例[J].热带地理,2004,24(2):145-149.

[6]曾帮锐.广东石灰岩山区环境问题探讨[G]//自然地理与环境研究.广州:中山大学出版社,1992:107-109.

[7]张殿发,王世杰,周德全,等.贵州省喀斯特地区土地石漠化的内动力作用机制[J].水土保持通报,2001,21(4):1-5.

[8]黄雪峰,龚碧凯,黄海峰.基于Landsat的四川盆地NDVI变化研究——以眉山市东坡区和仁寿县为例[J].安徽农业科学,2009,37(7):3126-3128,3130.

[9]徐建春,赵英时,刘振华.利用遥感和 GIS研究内蒙古中西部地区环境变化[J].遥感学报,2002,6(2):142-148.

S157.1

B

1000-0941(2011)10-0056-03

国家自然科学基金项目(31070426);佛山科学技术学院博士启动项目

周红艺(1977—),男,湖北恩施市人,副教授,博士,主要从事山地生态与环境方面的研究。

2011-05-30

(责任编辑 赵文礼)