麻窝山小流域石漠化景观格局变化特征

陈 昊，吴 攀，刘 沛，顾尚义，曹振兴

（贵州大学 资源与环境工程学院，贵阳550003）

石漠化指在亚热带脆弱的喀斯特环境背景下，受人类不合理社会经济活动的干扰破坏，造成土壤严重侵蚀，自然植被生态系统退化，基岩大面积出露，土地生产力严重下降的一种土地退化过程[1]。贵州省是中国西南喀斯特地貌的中心，石漠化面积已经达到50 000km2[2]，也是西南山石地区石漠化面积最大的省份。作为继西北地区沙漠化和黄土地区水土流失之后我国的第三大生态问题，石漠化问题已经成为脆弱的西南喀斯特环境的研究热点。虽然许多学者在建立石漠化评价指标体系的问题上的切入角度不同，选择的评价因素不一，指标的量化也存在差异，但石漠化以强烈的人类活动为主导的驱动机制及其对生态环境的负面影响，却得到了普遍的接受和认同。与此同时，也存在对石漠化的时空分布规律和发展趋势认识不明确，使得治理过程不能因地制宜，从而影响治理成效和速度的问题[3]。另外，由于石漠化过程中的土壤侵蚀伴随着有机质、养分的流失，导致土地生产力的下降，从而引发的人地矛盾严重制约当地的经济发展[4]。因此，石漠化程度越高的地区，由于自然和经济因素的限制，所具备的历史资料越匮乏。遥感技术的应用却能避开地形地貌的限制，通过遥感影像所携带的丰富的地球资源和地貌特征信息有效地弥补这一缺憾。本文通过对多个时期的遥感影像进行分析，辅助野外实地调查，揭示研究区域33a来石漠化的发展特点，并进一步评价人为因素对水土流失的影响。

1 研究区概况

研究区位于黔西北的威宁县麻窝山一相对封闭的小型岩溶盆地（103°51′—103°55′E，27°05′—27°10′N），流域面积16.29km2，盆地面积0.74km2（图1）。野外踏勘发现，盆地四周山体基岩裸露，植被和土被分布不连续，植被类型较单一，以刺叶高山栎（Quercusspinosa）为主，掺杂少量灌木林，盆地中有大量红土堆积，石漠化较严重。主要土地利用类型包括裸地、耕地、居民点、采矿用地、灌木林地、草地、疏林地和有林地等。相关资料显示，研究区年均日照数1 800h，年降水量850mm，70%的降雨量集中在6—9月，年均气温11.2℃，1月均温3.9℃，7月均温17.0℃，属亚热带高原季风气候，区内出露地层岩石为泥盆纪（D3）白云质灰岩。近50a来盆地的生态环境变化及其演变过程详见文献[5]。

图1 研究区汇水面积示意图[6]

2 研究方法

本文的技术路线分为资料采集、影像校正和解译三个部分。笔者通过野外踏勘和历史资料收集，整理了研究区1990—1991年的1∶1万地形图和水文地质图，以及植被和土被的现状图片和通过对当地年长者的走访所得的视频和音频资料等。遥感数据源采用不同年份非耕作期的 Landset－2MSS，Landset－7 TM 和ALOS AVNIR－2影像（表1）。运用遥感图像处理和GIS处理分别在ENVI 4.2和 MAPGIS 6.7中以1∶1万地形图和地质图为基础对遥感影像进行精校正。为了最大限度地降低数据源和分辨率不统一所导致的误差，采用递进式的校正方法，即均匀选择不少于30个特征点和控制点，用1∶1万的地形图和地质图先对空间分辨率较高的AVNIR－2影像进行几何精校正；将 MSS及TM影像与AVNIR－2影像统一为相同的投影标准，以精校正后的AVNIR－2影像为基础对MSS及TM影像进行精校正。校正的像元精度控制在0.3个像素之内，同时采用一次多项式校正及最近邻域法对影像进行重采样。在建立感兴趣区（AOI）的基础上，以监督分类中的最大似然对影像进行分类处理[7]。最后，结合植被指数NDVI分类结果和地形地质图，对监督分类结果进行调整，降低原始影像资料中阴影和条带的影响，得到最终的分类结果。

表1 遥感影像数据信息

3 结果与分析

判定石漠化扩张程度的三个关键指示因子分别是：轻度的绿色植被覆盖、非绿色植物覆盖和基岩的裸露[8]。通过综合自动信息处理、NDVI分析结果和实地调研资料修正，将研究区内的地类根据基岩裸露率、土壤裸露率和植被覆盖率分为五类（表2），其中人类活动区包括耕地和居民点。鉴于影像分辨率的限制，1977年疏林地与有林地界限不明显，为避免严重误差，将其归为一类，统一为林地（图2）。同时，基岩裸露作为判断石漠化的最为直接的标志之一，本文选择裸地面积指标，辅以土壤裸露和植被覆盖率来分析研究区石漠化的发展进程。

表2 土地分类标准[9]

3.1 石漠化景观格局分布

1977—2002年，研究区具有石化特征的裸地面积呈明显上升趋势。2000年，裸地面积增加了0.42 km2，是1977年石化面积的4倍多，疏林地和有林地的面积之和为2.88km2，较1977年减少了2.51 km2，而灌木林地和人类活动区面积分别增加了0.22 km2和1.87km2（图2）。斑块呈现由成片分布向零星分布、少成片分布的分异格局，分离度上升[10]，整体分布凌乱程度增加。研究区的石化特征主要发生在盆地周边（图中A，B，C，D处）和研究区南部（图3b的E处）。演变的进程在靠近有林地与人类活动区域的分界线处，1977年时仍为植被覆盖良好的林地大量发展为裸地，其中A处石化扩张最为明显。林地面积的减少，人类活动区域和裸地的增加，表明在无明显气候变化的前提下，人类活动对植被覆盖的影响较大。2002—2010年间，裸地面积以平均0.015 km2／a的速度增长，若以此速度逆退至1977年，该年的裸地面积应为0.13km2，与实际值（0.09km2）相差甚远。故推测1977—2002年间，流域所承载的人类活动强度远大于2002—2010年。据资料显示[5]，70年代后期至80年代初，土地家庭联产承包制的实行导致当地居民对盆地周围山体植被的大幅破坏，直接导致了土壤裸露面积的增加，由于盆地周边坡度较大，导致无植被覆盖区域的表土随降雨大量流失。因此，1977—2002年间，由土地家庭联产承包制的实行而引发的植被破坏，在脆弱的地质条件的基础上，最终导致研究区石漠化大范围扩张的可能性较大。

图2 研究区地类面积变化图

从总体上来说，2002—2010年期间，研究区石漠化面积以较为平缓的速度增加，增量为0.12km2，表明石漠化在经历明显的扩张期后，进入较为缓和的发展期，并在2009年达到峰值（0.66km2）。在其空间分布上，主要表现为向人类活动区域的扩张（图3c C，D处）和灌木林地和草地向裸地的发展（图3cA，B，F处）。有林地面积呈下降趋势，疏林地和灌木林地以及草地面积的少量增加，说明景观格局向植被覆盖度更低的趋势发展。人为因素控制的耕地和居民点区域以及石化区域在2009年出现明显的波动，可能由两个方面引起（图2）。一是根据2002—2009年间，人类活动区面积略微下降和石化面积的稳步增长，说明原来耕作区的土地石化，导致当地居民为保证一定的耕种面积，而转为对灌木林地、草地或者疏林地的开垦（图3cG处）。同时，原来石化区域在退耕还林还草政策的保护下，逐渐从裸岩发展为草地或灌木林地。二是由于AVNIR－2影像与其他影像在空间分辨率上的差异较大，分类精度的差距所致。

图3 研究区不同时期景观格局分布

3.2 人为因素引发的土壤沉积量

在喀斯特地区，强烈的人类活动是导致土地石漠化最重要的因素之一[11]，研究区在1977—2010年间，具有人类活动特征的居民点和耕作区的规模呈现出较为明显的扩张趋势，其总量增加了0.54km2。同时，人为因素的影响，使得植被和土被的覆盖度下降，土壤和基岩裸露面积上升，大量的表土汇入盆地内，成为研究区石漠化进程的最佳记录者。从不同景观格局的定义来看[9]，人类活动区包括耕地和居民点，是人为建筑和种植区域面积的总和，在该景观格局范围内，人类活动是其内部结构变化的主要控制因素。由于空间分辨率的原因，像元对灌木林地和草地的区分能力较低，故灌木林地或草地定义的覆盖度（10%～40%）较广。根据实地调查发现，当地居民的耕种和砍伐行为对灌木林地的破坏程度较高，逐渐将植被密度较高的灌木林格局改造为密度较低的草地格局，从而导致土壤裸露率上升。在灌木丛向草地发展的过程中，人类活动是其内部格局分异的最重要的驱动因素。因此，笔者将主要受人为活动影响的人类活动区和灌木林地或草地区作为人为干扰范围，定义为人为干扰区。同时，人为干扰区范围内，用人为因素引起的土壤侵蚀模数来评价人类活动对土壤流失和石漠化发展的贡献。

已有研究表明，将1980年（土地家庭联产承包制）作为盆地水土流失加剧的起点较为合理[5]，结合对遥感影像的分析发现，研究区石漠化大规模发生于1977—2002年期间，故选择1980年作为人为控制的土壤侵蚀的起点。

因此1977—1980年间，盆地内景观格局没有发生明显的变化，那么1980年与1977年时由人为活动引发的土壤侵蚀区域面积近似相当，其值的计算为[12]：

式中：A0——1980年研究区人为干扰区面积；Ae——自然侵蚀总面积，等于侵蚀流域总面积（16.29km2）与盆地面积（0.74km2）值差，即15.55km2；Av——植被覆盖面积，即有林地、疏林地面积之和为5.39 km2；Ar——石化区域面积0.09km2。由此，可以计算出研究区1980年人为干扰区面积为15.46km2。同时，1980—2009年间，根据此公式，用Ai代替A0，并相应替换各年植被和石化面积参数值，即得到各年人为因素控制的土壤侵蚀区域面积Ai。其中，各年的植被和面积参数值用内插法计算得到。

根据修改后的土壤侵蚀模数的定义[5]，人为干扰区的侵蚀模数计算公式为：

式中：Mh——人为干扰区的侵蚀模数；m——1980—2009年间，研究区的侵蚀总量1 308 002t；ρ——土壤平均密度1.33g／cm3；Vs——自然侵蚀速率，取距今4.69万年（BP）至20世纪70年代末间的平均侵蚀速率，即为0.000 777cm／a[13]；Ai由公式（1）计算得出。由此公式可以计算出研究区1980—2009年，人为干扰区内人为因素引发的土壤侵蚀模数约为3 983.15 t／（km2·a）。

4 讨论

20世纪70年代末期，研究区内的植被覆盖程度较高，具有明显石化特征的区域极少。至2002年，区内出现明显的石漠化分布区，耕地面积增加，植被覆盖度下降，验证了当地年长者对20世纪70年代后期至80年代初流域内地貌特征的描述[5]。与此同时，选择研究区遥感影像数据时，影像需要具备获取时间为非耕种期和影像中研究区位置未被云层覆盖两个条件，故所得到的有效影像数量有限。受数据量的限制，对1977—2002年间，具有明显石漠化特征的裸地面积的扩张趋势有可能是逐年增加，也可能是某一年（如1980年）剧烈变化，其具体的变化趋势还需进一步的研究。由此认为2002年遥感影像所呈现的石漠化范围主要是由于该时间段内无节制的砍伐和前期少量耕种活动累积所导致的结果。

对盆地侵蚀速率的研究表明[13]，区内沉积盆地承载的侵蚀量是人为干扰沉积和自然沉积两者的总和。20世纪70年代至2009年，土壤平均沉积速率为0.22cm／a，而距今46.9ka BP至20世纪70年代末间的平均沉积速率为0.000 777cm／a，两者相差3个数量级。经过计算，人为因素导致的土壤侵蚀总量达到1 303 985t，占总侵蚀量的99.69%，侵蚀模数达3 983.15t／（km2·a）。综合区内以石漠化面积增加和植被覆盖等级下降为主的景观格局变化特征，表明由人类活动（砍伐和耕种）所积累的地表扰动直接引发了石漠化的产生与发展。

据此，本研究认为，流域内石漠化的形成和发展以及土壤流失的进程主要受由人为因素的控制。1977—2002年期间，由于以砍伐为主的人为活动对盆地内及周边植被的破坏，导致区内植被等级以及覆盖度迅速下降，直接导致具有石化特征的裸地面积的剧烈增加以及土壤流失量的大幅上涨。在此期间，研究区石化面积的增量达到0.42km2，是1977年石化面积（0.09km2）的4倍有余。2002—2010年间，区内石漠化进程表现为较为平缓的发展趋势。在此期间，区内石化面积的增量（0.12km2）较石漠化发展前期有所下降。但是，植被破坏模式由前期对成材树木的砍伐，转向对低等级的灌木林地、草地或者疏林地的开垦。同时，基于前人的研究成果，计算出1980—2009年间，由人为因素引发的土壤侵蚀量达1 303 985t，其侵蚀模数为3 983.15t／（km2·a）。

另外，可见光波段在信息表达方式上主要集中于色彩和亮度[14]，所以，基于亮度值的DNVI植被归一化指数分类并不能完全解决植被覆盖度的问题。据此，本文采取通过综合自动信息提取、植被指数NDVI分类处理和人机交互解译方法，进行地类的识别和分析，从而达到减少分类误差的目的。为了深入研究区石漠化发展过程，下一步的研究工作应以基岩裸露率、植被和土被覆盖率、平均土厚和植被类型作为判别标准[15]，对流域内石漠化发展过程分等级进行综合评价。

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