西南岩溶山地石漠化近50年演变——基于5个地点的案例研究

李阳兵,李珊珊,徐 倩,罗光杰

1 贵州师范大学地理与环境科学学院,贵阳 550001 2 贵州师范学院贵州省流域地理国情监测重点实验室,贵阳 550018

岩溶石漠化是涉及严重土壤侵蚀、基岩高度裸露、土壤生产力大幅度下降和呈现类荒漠景观的土地退化过程[1-2]。已有研究认为,石漠化极敏感区集中分布在贵州西部与南部、广西西部、云南东北部、四川西南部等[3],自然环境因素和人为因素综合作用[4,5],连续性碳酸盐岩的低成土速率[6]、人口急剧增长、生态观念单薄、发展政策偏差等是加剧石漠化过程的重要因素[7]；人类活动叠加在岩溶地区特殊的岩性、土壤和植被组合上,显著影响石漠化分布[8],因此,石漠化与居民点分布、人口密度、坡耕地和人口贫困关系密切[9],在清朝中期后人为因素对石漠化的作用比重逐渐超过了自然因素的作用比重[10]。

对西南岩溶区来说,从1999 年到2008 年间,石漠化已经呈现转轻趋势[11],由21世纪以前的加剧变化为21世纪的逐渐减缓,石漠化趋势得到有效遏制,重度石漠化面积比例由38.08%降至15.31%[12]。贵州石漠化在20世纪90年代末达到最大值[13]；或者认为因生态治理石漠化的扩张整体上得到控制,石漠化土地面积已实现由持续增加向“净减少”的重大转变[14]。但是因研究时段和地域空间的差异,关于石漠化演变的认识并不完全统一。如有研究者认为从2000年到2005年,广西的石漠化仍在增加,尤其是强度石漠化比例上升明显[15]；贵州石漠化在2000—2005 年期间面积也仍在增长,只是增长幅度变小[16]；铜仁地区的石漠化在2000—2006年面积明显增加,2008年开始保持低位稳定[17]。还有研究者认为贵州中部石漠化从1974年至2001年,年均增加116.2 km2/a[18],或者认为石漠化正向演变与逆向演变并存,又出现了新的石漠化[19]。

图1 研究区空间分布Fig.1 The spatial distribution of the study area

综上所述,对石漠化的形成原因已有充分的、深入的认识,但对其演变过程和阶段仍缺乏基于长时间序列和高精度影像的实证比较研究,因此,对石漠化的演变趋势未能做出有说服力的判断,对石漠化未来演变趋势亦缺乏有说服力的预测,这样的情况会可能进一步影响到石漠化治理模式的选择。近50年来,中国社会经济发生了巨大的变化,为准确回答近50年来在中国社会经济背景变化下的西南岩溶山地石漠化演变趋势和演变阶段,本文选择了贵州省5个典型岩溶山地区域,基于高分辨航片、卫星影像和实地调查访问,探讨了这5个地点在近50年期间岩溶石漠化的变化趋势,以回答西南岩溶山地石漠化的长期演变趋势是否存在转型演变？演变的多样性？以及石漠化演变的主要类型和空间格局特征,尤其是在近年来社会经济背景多重变化下的演变趋向等科学问题,以为岩溶山地乡村振兴、人地关系调控和土地利用优化提供参考。

1 研究区概况

在贵州典型岩溶区域选择了四周平坝环绕型峰丛洼地群区-普定县后寨河地区、开口型峰丛洼地-清镇市王家寨地区、连续性峰丛洼地、谷地-荔波茂兰自然保护区及其外围、岩溶峰丛洼地-峡谷型贞丰花江峡谷区和岩溶槽谷等不同的地貌、土地资源组合格局区域作为研究对象(图1)。5个研究区的面积分布为62.72、20.86、148.62、114.39 km2。其中,朗溪槽谷位于黔东北印江内,为一典型的向斜槽谷,地势起伏大,垂直高差900余米[20]。其余4个研究区的详细情况见文献[21-22]。后寨河地区自然社会经济状况在岩溶山区具有普遍性,代表一般水平；王家寨地处贵阳市清镇市境内西部簸箩村等,其社会经济发展受城市辐射作用大；茂兰地区位于贵州省荔波县境内,其西南部是世界自然遗产地——岩溶原始森林核心区；花江地区位于黔西南关岭和贞丰交界的北盘江峡谷南坡,区内石漠化程度严重。5个研究区基本涵盖了我国西南岩溶地区主要自然和社会经济背景类型,是我国西南岩溶山地的典型区域。

2 研究方法

2.1 数据来源

本文收集了 5个研究点较长时期的高清遥感影像和地形图(表1),并以此作为提取研究区不同时期聚落的基本数据源(图2)。

表1 研究区不同时期聚落数据源Table 1 The data sources of rural settlement in the study area

图2 研究区石漠化数据源Fig.2 Data sources of KRD

2.2 石漠化识别

对土地石漠化的判断基本是一致的[23-25],本文在参考文献的基础上,采用如下石漠化分类标准(表2),根据各地点不同时期的高分辨率遥感影像,结合野外调查,进行石漠化识别和判读(图3)。

2.3 指标计算

2.3.1石漠化变化重要性指数和石漠化变化面积比重

参照土地利用重要性指数[26],定义了石漠化变化重要性指数,用于筛选石漠化变化的主要类型,其计算公式为：

Ci=Ai/A×100%

(1)

表2 研究区不同等级石漠化划分标准Table 2 The classification criterion and characteristic of different KRD types

图3 研究区石漠化的遥感影像识别Fig.3 Identification of KRD in study area

(2)

式中,Ci是第i种石漠化类型的变化重要性指数,取值介于(0,1)之间,Ci值越大,说明该类石漠化变化占据主导；Ai是第i类石漠化变化面积(km2),A是该区域各类土地变化面积之和(km2)。考虑到石漠化变化种类较多,将Ci值进行降序排列,取累计之和>80%作为主要的石漠化变化类型。

石漠化变化面积比重是指各类石漠化变化面积之和占区域总面积的比重,计算公式为：

D=A/S× 100%

(3)

式中,D是石漠化变化面积的比重,取值0—1之间,可揭示石漠化变化的剧烈程度；A是区域各类石漠化土地变化面积之和(km2),计算公式见式(2)；S是区域面积(km2)。D值越大,说明该区域石漠化变化越剧烈。

2.3.2石漠化变化幅度

石漠化变化幅度(KD)反映两个时期(t1、t2)石漠化数量形态的相对变化值,其数值的正负表示石漠化变化方向：

KD=(x1-x2)/S＊100

(4)

式中,x1为基期研究区石漠化面积,x2为末期研究区石漠化面积,S为区域总面积。

2.3.3石漠化变化动态度

该模型可直观地反映某一石漠化类型变化剧烈程度与速度,也可反映不同类型间变化的差异。其计算公式为：

(5)

式(5)中,Ua、Ub分别为研究区初期和末期某一石漠化类型面积,t1、t2分别表示研究时段的初、末时间,若t设定为年时,K值就是该研究区石漠化年综合变化率。

2.3.4石漠化综合指数

定义石漠化综合指数,建立基于石漠化面积比例和等级权重的石漠化综合指数A[27],A值越大反映石漠化程度越严重,其最大值为8。

3 结果分析

3.1 研究区石漠化面积演变趋势

5个研究区作为一个整体,其不同石漠化类型面积随时间的演变见图4 。总体上,各时段石漠化面积比例为轻度>中度>强度和极强度石漠化顺序,但随时间的变化趋势存在差异,除中度石漠化外,总体上呈递减趋势。从1963年到2015年,石漠化总面积和轻、中度石漠化类型面积以1980年前后最高,到2004年和2010年逐渐降低,到2016年又有小幅度增加。但强度和极强度石漠化分别以1990年和2004年最高,到2015年明显降低。

图4 研究区石漠化面积的整体变化Fig.4 Overall change of KRD area in the study area

在分析5个研究区作为一个整体其石漠化变化趋势的基础上,进一步讨论各研究区石漠化的差异化演变。茂兰研究区石漠化总面积自1963年至2015年逐年降低,其中中度石漠化以1963年最高,因为在1980年代设置保护区的缘故,1990年其比例明显下降,而轻度石漠化比例以1990年最高,而后逐年降低(图5)。

花江研究区石漠化情况严重[28],石漠化总面积占研究区土地面积一半以上,以1978年最高,存在波动变化。轻度石漠化比例与石漠化总面积比例变化趋势一致,中度石漠化从1963年到2010年明显下降,到2015年又增至9.50%,强度石漠化在历年没有明显变化。花江研究区极强度石漠化比例较高,其比例从1963年的10.92%增至2004年的17.48%,到2010年无明显变化,到2010年下降到9.85%。

后寨河和王家寨研究区位于贵州中部高原,自然条件和社会经济条件相对较好,石漠化总面积比例从1963年到2015年一直呈较明显的下降趋势(除2010年后寨河石漠化总面积比例略有上升)。后寨河区石漠化自2004年其明显下降,中度石漠化从1963年来总体上明显下降；轻度石漠化的变化以2004年为拐点,之前明显下降,之后又有所回升。王家寨地区的中度、强度和极强度石漠化比例从1963年到2015年呈降低趋势,中度石漠化在2010年到2015年略有增加；轻度石漠化比例从1982年的0.73%增加2015年的1.23%。

在朗溪槽谷区,石漠化总面积、中度和强度石漠化都呈增-减-增的趋势,石漠化总面积和中度石漠化面积以1973年最高,至2014年明显下降,至2017年二者面积比例又分别增加了6.51%和8.21%。强度石漠化呈波动变化以2004年为最高,轻度石漠化自1963年来明显下降以2014年最低,2017年略有增加。

图5 各研究区不同类型石漠化面积演变Fig.5 The area change of the different types of KRD in the study area

3.2 石漠化变化的主要类型

以各石漠化类型变化重要性指数来反映不同时间段石漠化的主要变化类型。在茂兰研究区,1973年前以中度石漠化变化相对较大,1973—2010年期间以轻度石漠化变化较大,2010—2015年期间中度石漠化的变化增加。

在花江研究区,2010年前轻度石漠化是主要变化类型,2010年后,极强度和中度石漠化则成为主要的变化类型,轻度石漠化的变化下降；且从1963年到2015年,强度石漠化变化很小,极强度和中度石漠化的变化波动较大。

在后寨河研究区,2010年以前,轻度和中度石漠化是变化的主要类型,2010年以后,强度石漠化与前二者一起,也成为变化的主要类型。

在王家寨研究区,不同时间段石漠化变化主要类型存在较大的变化。1963—1982年期间强度和轻度石漠化为主要变化类型,1982—2004年间中度、轻度和强度石漠化为主要变化类型,2004—2010年间强度和中度石漠化为主要变化类型,2010—2015年间中度和极强度石漠化为主要变化类型,说明在本研究区,各石漠化类型的面积相对不稳定。

在朗溪研究区,中度石漠化的重要性值较高,轻度石漠化的重要性较低。以2004年为拐点,中度和强度石漠化的重要性值呈此消彼长的相反变化,2004年前,本区的石漠化演变以中度石漠化变化为主,2004年后,本区的石漠化演变以中度和强度石漠化变化为主(图6)。

图6 研究区石漠化重要性指数Fig.6 Significance index of KRD change in study area

3.3 石漠化综合指数与石漠化面积比重变化

5个研究点作为一个整体来看,其石漠化综合指数A值从1963年到1980年代有所增加,然后逐年下降,但5个研究点的石漠化综合指数变化差异较大(图7)。茂兰地区A值最低,花江地区A值最高,朗溪槽谷A值总体高于王家寨和后寨河。茂兰地区K值从1963年来,除1990年略有增加外,持续降低；花江地区A值一直较高,以2010年最高,2015年有明显下降；后寨河地区A值自1963年来持续下降；王家寨地区A值1963年到1982年变化不大,到1990年大幅度下降,随后持续下降；朗溪地区A值呈先增后减再增的波动式变化,以1973年最高,2010年最低,到2015年略有增加。5个研究点K值的差异变化是与其自然和社会背景紧密相关的。

图7 研究区石漠化综合指数变化Fig.7 Changes of KRD comprehensive index in the study area

从研究区石漠化变化面积比重D值来看(图8),从1963年到2015年,石漠化变化面积比重总体上减少,反映研究区石漠化面积区域稳定。但各研究点的D值变化差异较大,其中,王家寨研究区D值以1982—1990年段最高,茂兰和花江研究区D值逐年降低；后寨河研究区D值以1990—2004年最低,说明该时间段本区石漠化面积变化小；朗溪研究区D值在总体下降的趋势下,在1990—2004、2010—2015年时间段出现波动。

图8 研究区石漠化变化面积比重Fig.8 Values of the proportion of changed KRD area in study area

3.4 石漠化变化的幅度和动态度

图9反映了各研究区石漠化总面积数量形态变化的幅度和速度。从变化幅度看,各研究区存在1980年代和2004年两个明显的转折点,从1963年到1980年代,各区石漠化面积有增有减,又可分3种类型：朗溪、花江石漠化面积明显增加,后寨河石漠化面积明显下降,茂兰和王家寨的石漠化面积不明显下降。在1980年代到2004年时间段,5个研究区的石漠化面积都表现为下降,又以朗溪的石漠化面积下降最明显,其次是王家寨和花江。2004年后的石漠化面积演变总体以继续下降为主,但个别地点石漠化面积增加,呈现出多样化演变；如2004—2010年间,花江、后寨河石漠化面积表现出增加,其余3个研究区石漠化面积下降,又以朗溪石漠化面积下降最明显；2010—2015年(2017年),朗溪和花江石漠化面积表现出增加,其余3个研究区石漠化面积下降。

进一步分析不同类型石漠化的变化幅度,轻度石漠化变化幅度在茂兰从1990后逐年下降,在花江2004年后增加,在后寨河2010年后增加,在朗溪以1990—2004期间下降最明显,在王家寨以1980—1990年期间最高。总体上看,轻度石漠化变化幅度有1980s和2004年2个转折点；中度石漠化变化幅度以2004年为转折点；强度石漠化变化幅度存在1980s和2004年2个转折点；而2004年后是极强度石漠化下降的转折点。

图9 研究区石漠化变化幅度Fig.9 The variation amplitude of KRD

石漠化变化动态度所反映出的石漠化面积演变规律与石漠化变化幅度揭示的规律一致。不同研究区各石漠化类型动态度最大值出现的时间段不一致,总体上看,2004年是石漠化动态度变化的较明显转折点。另外图10 也反映了2010年到2017年间朗溪槽谷区石漠化总面积动态度明显高于其余各区和其余时间段,即此时段石漠化增加速度快,主要与该区今年大力发展经果林,导致一些已退耕撂荒地被重新垦殖有关。

图10 研究区石漠化动态度Fig.10 The dynamic degree of KRD

3.4 石漠化空间分布演变

为了反映5个点各时期石漠化空间分布格局的变化,采用移动窗口法(200 m×200 m),计算了各研究点石漠化变化主要类型的面积比例分布图(图11)。从空间分布上看,茂兰地区的轻度石漠化退缩于西北的缓冲区,保护区核心区的轻度石漠化减少；花江地区的强度石漠化有集中连片逐渐转化成离散分布；后寨河中度石漠化和王家寨强度石漠化在空间分布上同样表现为收缩,且>25°范围的无石漠化比例在增加[29]；朗溪中度石漠化空间上表现为先扩张再收缩、近年再扩张。

图11 研究区主要石漠化变化类型的空间分布演变Fig.11 The spatial evolution of main KRD change type in the study area

4 讨论

4.1 石漠化演变的转型性

从乡村尺度来看,大量和快速增长的人口、不可持续土地利用形成强烈的土地压力,诱发了石漠化[30]。但从1978年经济改革开放以来,农村人口大量流失,中国从依附土地的农业社会转变成城市和工业社会,从而引起中国土地利用转型[31]；而山区农村土地利用转型是自然恢复和生态优化的良性过程[32],对于岩溶山地来说,这种土地利用转型则意味着石漠化程度减轻[33]。本文尽管只选择了贵州省的5各地点作为研究区,但笔者认为,岩溶山地的其他地域也是处于中国当前的经济社会发展的大背景下,其石漠化演变的总体趋势应是一致的,其他研究者的研究结果也反映了这一趋势[34]。当然也不排除西南岩溶山地局部地方因种种原因,仍存在石漠化扩张演变。

5个研究区作为一个整体从1963年以来其石漠化演变又进一步可分为增加阶段、稳定阶段、转型阶段和多样化演变阶段(图12),可在一定程度上反映出中国西南岩溶山地石漠化演变的共性和一般特征,即石漠化演变的趋势发生了由增到减的转型。研究发现1980年代是西南岩溶山地石漠化由增到减的拐点,从1963年到2015年,石漠化演变经历了由增到减的转型,宏观上,这与中国1978年改革开放以来社会经济的发展是分不开的；同时,2004年也是岩溶山地石漠化,特别是强度石漠化和极强度石漠化明显下降的拐点,这与2000年后实行和退耕还林政策和近年的石漠化治理工程存在密切关系,体现了石漠化土地的可逆转性和可恢复治理性,如以贵州省为例,其森林覆盖率在2000年逐步上升,就是对此的直接反映(图13)。同时,岩溶山地的这种土地利用变化与生态恢复,在国外岩溶山地同样存在,如原本植被稀疏的经典岩溶地区的景观特性在过去250年期间(1763/1787—2012)发生了变化,森林面积比例从17%增长到73%[35]。同时,本文也发现,不同类型的石漠化都可以成为石漠化演变的主要类型,不论是轻度、中度,还是强度、极强度石漠化,其增减都可以成为石漠化变化的主要形式,说明石漠化演变是可逆转的,石漠化土地是可恢复治理的。

4.2 石漠化演变模式的多样性

从各研究区1963年来石漠化的面积比例变化、变化重要性、变化幅度和速度等可以总结出,茂兰研究区形成低石漠化-持续下降-轻度石漠化为主-小幅度缓慢演变模式；花江研究区形成高石漠化-波动下降-中强度石漠化为主-较大幅度明显演变模式,2010—2015年间极强度石漠化变化幅度为-7.43%,动态度为-8.60%,说明石漠化治理成果比较显著[36]；后寨河研究区形成较高石漠化-持续下降-中轻度石漠化为主-小幅度转型缓慢演变模式；王家寨研究区形成低石漠化-持续下降-中强度石漠化为主-小幅度转型缓慢演变模式；朗溪研究区形成高石漠化-波动下降-中强度石漠化为主-大幅度快速演变模式,其近年石漠化增加的原因在于很多已撂荒多年且演变成灌丛的承包地,现以土地流转的方式被重新垦殖为果园等(图14),导致近期岩石裸露增加,2010—2015年中度石漠化变化幅度为8.21%,动态度为34.15%。综上所述,5个研究区因自然条件和社会经济背景不同,分别形成不同的石漠化演变模式。

图12 石漠化演变阶段模型Fig.12 The evolving model of KRD in different stages

图13 贵州省森林覆盖率变化Fig.13 The forest coverage variation of Guizhou Province

图14 朗溪研究区三村村土地利用变化Fig.14 The land use change of Sancun village in Langxi study area

石漠化演变模式的多样性体现在演变时段的多样性、不同地域的多样性,但因各地的自然背景和社会经济因素存在差异,其石漠化变化的时间节点、变化规模、变化类型必然存在差异,也不一定就会出现多样化演变阶段,从而体现出石漠化演变在不同时段和不同地域的多样性。进而从5个研究区50年来石漠化的演变过程来看,我们同样可以认为,岩溶山地石漠化的存在是有时间阶段性的,这取决于宏观的社会经济背景和乡村地域特性,但随着石漠化治理工程的深入实施,近年中石漠化演变存在的多样性将减少,石漠化将不断萎缩。

5 结论

本文基于贵州省5个典型岩溶地貌区近50年的高分辨率遥感影像和实地调查,探讨了在社会经济背景多重变化下的岩溶石漠化演变趋向等科学问题,得到以下几点结论：

(1)5个研究区其石漠化综合指数从1963年到1980年代有所增加,然后逐年下降；强度和极强度石漠化分别以1990年和2004年最高,到2015年明显降低。从变化幅度看,各研究区石漠化变化存在1980年代和2004年两个明显的转折点。

(2)5个研究区主要石漠化变化类型在空间分布上主要表现为收缩,仅局部区域有所扩张。

(3)5个研究区因自然条件和社会经济背景不同,形成石漠化演变模式的多样性和演变时段的多样性。

(4)5个研究区作为一个整体来看,其石漠化演变阶段可分为为增加阶段、稳定阶段、转型阶段和多样化演变阶段,呈现了由增到减的转型演变趋势,可在一定程度上反映出中国西南岩溶山地石漠化演变的共性和一般特征,说明石漠化演变是可逆转的。