基于Geodetector的滇中岩溶区石漠化空间分布特征及影响因子分析*

王丹，丁文荣

(云南师范大学 地理学部，云南 昆明 650500)

岩溶石漠化是土地荒漠化的主要类型之一，以脆弱的生态地质环境为基础，以强烈的人类活动为驱动力，自然和人为因素叠加是其发生的主要原因[1-2]。我国石漠化主要发生在西南岩溶地区，其岩溶总面积为53.56×104km2，至2015年,石漠化总面积为9.20×104km2，占岩溶面积的比例达17.18%[3]，石漠化问题严重。石漠化不仅造成贫困和危害生态环境，还成为我国西南岩溶山区可持续发展的主要障碍之一[4]。众多学者从石漠化成因[5]、分布特征[6]、时空演变特征[7]及治理模式[8]对其进行研究。在空间分布及驱动因素研究中，苏成杰等[9]利用相关分析法研究石漠化与人文驱动因素的相关性，得出广西地区石漠化与人口密度、土地垦殖率成正相关，与人均耕地和经济密度成负相关。王晓帆等[10]对贵州石漠化的分析中发现农业活动对石漠化的影响显著。涂杰楠等[11]对南洞地下河流域的研究发现石漠化在低海拔、缓坡度和纯碳酸盐中发育显著。刘鹏等[12]基于信息熵与层次分析法得出云南省石漠化的主要驱动因素是人口自然增长率、土地利用方式等。以上学者揭示了不同研究尺度中石漠化与自然和人为驱动因子相关性，但都是以定性或半定量进行分析，一般采用相关分析和主成分分析法，这些方法难以直观的揭示空间上不同驱动因子对石漠化分布的影响，且只能揭示单一因子的影响，对于多个因子交互影响的研究较少。

云南省岩溶面积占总国土面积的38.2%，是全国岩溶分布面积最广泛的地区之一[13]。其中滇中地区地处云贵高原中部，岩溶分布广，且降水季节性变率大，石漠化较严重，作为云南省的经济发展中心，严重的石漠化问题阻碍当地的发展。对于滇中岩溶区石漠化的研究中，吴风志等[14]基于遥感数据得出昆明市石漠化敏感性较高地区主要集中在金沙江流域及东南部地区；徐斌等和曹金仙等[15-16]在曲靖市石漠化研究中得出，至2016年其石漠化面积占全省总石漠化面积的18.1%，石漠化成为当地生态环境建设较为突出的问题。玉溪市2005年石漠化面积占国土面积的12.6%，石漠化问题较严峻[17]；李乡旺等[18]基于对地理、环境、灾害、土壤及植被等因子的综合分析，将云南省石漠化区域进行划分，有利于因地制宜地指导石漠化综合治理。不同学者的研究揭示了滇中岩溶区石漠化的严峻形势，也为石漠化治理提供了参考依据，但研究尺度多以单独的县、市等较小尺度为主，缺乏以滇中区为整体的石漠化研究。滇中区的石漠化空间分布状况研究较少，石漠化数据的获取主要从历史资料获取，且对驱动因子研究主要定性为主。明确石漠化的空间分布特征以及评估其驱动因子对石漠化影响的定量研究、对滇中地区的生态恢复以及制定合理治措施具有重要意义。地理探测器作为探测地理要素空间分异性以及揭示其驱动因子的空间分析模型，能够对各因子及因子交互作用进行定量归因[19-20]。

有鉴于此，本文基于RS-GIS技术与地理探测器模型对滇中岩溶区石漠化进行探究，运用遥感影像获取滇中区2018年石漠化数据，揭示其石漠化的空间分布特征，对石漠化的驱动因素进行定量分析，明确各因子及交互因子对研究区石漠化分布的影响，以期为滇中岩溶地区石漠化的防治和生态环境保护提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

滇中地区位于云南省中东部，是云南岩溶高原的主体，按地域和岩溶面积占国土面积的比例大于30%的地区划分，研究区(101°54′～104°49′E,25°55′～27°04′N)涉及滇中地区3个地州市共29个县市区[21]。2018年总人口为1 657.8×104人，土地总面积为55 141.32 km2，岩溶面积为22 635.72 km2，占总土地面积的41.05%(图1)。平均海拔为2 014.37 m，属亚热带高原季风气候。为中山、低中山山原盆地地貌,断陷盆地发育,元古界至中生界碳酸盐岩累计厚达3 000 m左右,出露面积占总土地面积的50%以上[22]。

图1 滇中地区岩溶分布概况

1.2 数据来源

本文所用遥感数据包括Landsat8 OLI-TIRS和DEM数据(空间分辨率均为30 m)，其他数据为土地利用数据(格式为栅格数据)、人口密度(人/km2)和第一生产总值(×108元)，岩性数据通过对1︰20万地质图进行数字化获取，见表1。

表1 主要数据来源

1.3 研究方法

1.3.1 石漠化等级划分及影响因子选取

根据研究区实际情况结合前人的分类标准[23-24]，以基岩裸露率和植被+土被覆盖率为指标，土地利用为参照将石漠化划分无石漠化、潜在、轻度、中度、强度和极强度石漠化6个等级，其中轻度石漠化及以上为已石漠化(表2)。在软件NEVI 5.3上对遥感影像进行剪裁拼接、辐射校正和大气校正等预处理后，运用B4(红波段)和B5(近红外波段)进行波段运算得出归一化植被指数，归一化岩石指数由B5和B7(短波红外2)计算；基于像元二分模型计算基岩裸露率[25]和植被+土被覆盖率[26]，得出2018年滇中岩溶区石漠化分布图；以分类结果计算石漠化的分类精度混淆矩阵，分类结果总精度为 98.67%,Kappa系数为0.873 2，分类结果较好，精度满足要求。石漠化空间分布格局是多种因素共同作用的结果，不同研究区域的影响因素有差异。在结合前人[27-28]对石漠化影响因素选取的基础上，根据滇中岩溶区的实际情况选取影响因子，并按照不同等级对其进行划分，见表3。

表2 石漠化分类标准

表3 石漠化影响因子划分

1.3.2 地理探测器模型

地理探测器是用于探测空间分异性的一种新的统计学方法，可以定量地揭示空间分异背后的驱动因子，其核心思想是如果某个自变量对因变量有重要影响，那么自变量和因变量的空间分布应该具有相似性[19]。本文主要运用其因子探测和交互探测。

(1)因子探测器 探测因变量Y的空间分异性和某自变量X多大程度上揭示了Y的空间分异，用q值度量，计算公式如下。

SST=Nσ2

(2)交互式探测器 评估不同因子共同作用是否会增加或减弱对因变量Y的解释力。

将研究区石漠化图层与各个影响因子图层在ArcGIS 10.2进行空间叠加分析，其中因变量Y值是石漠化分布数据，为数值量。自变量X分别是各影响因子，探测器中要求自变量为类型量，运用自然间断点分级法将自变量进行离散化处理进行重分类。将滇中岩溶区提取到网格点上(图2)，提取在岩溶区等距分布的7 234个采样点为运行数据，计算q值。

图2 研究区采样点

2 结果与分析

2.1 石漠化现状

滇中岩溶区2018年石漠化总面积为3 025.04 km2，占全区总国土面积的5%，占岩溶区面积的13.36%。其中轻度、中度、强度和极强度石漠化面积分别为1 119.38 km2、971.97 km2、527.1 km2和406.59 km2，占岩溶面积比例分别为4.95%、4.29%、2.33%和1.8%。轻度和中度石漠化分布较广，极强度石漠化比重较低。从图3看出在空间分布上，石漠化在各县市均有分布，呈现北多南少的分布特征，其中县市区石漠化面积分布最多的是石林县，石漠化面积为187.91 km2,占总土地面积的11.18%，其次是东川市，石漠化面积为205.55 km2，所占比例为11.02%。

图3 滇中区石漠化分布

2.2 石漠化在各影响因子中的空间分布特征

2.2.1 在不同岩性上的分布

从图4a可看出：石漠化主要分布在碳酸盐岩夹碎屑岩，石漠化面积为1 864.59 km2,占总石漠化面积的62%，其次分布在白云岩与石灰岩互层，面积为690.73 km2,占总石漠化面积比例为23%；4类岩性石漠化发生率分别为17.03%、12.11%、12.67%和13.65%，连续性白云岩石漠化发生率最高；在不同等级石漠化中，轻度石漠化发生率最高的是连续性白云岩为6.74%，中度石漠化发生率最高是连续性白云岩为6.01%，强度石漠化发生率最高是连续性白云岩为2.29%，极强度石漠化发生率最高在白云岩石与石灰岩互层为1.88%。

2.2.2 在不同土地利用类型上的分布

从图4b中可得出，石漠化主要分布在草地，面积为1 460.24 km2，其所占总石漠化面积的48.62%，其次是耕地，石漠化面积为634.43 km2,占总石漠化面积的21.12%。发生率最高的是草地，为17.94%，其次是耕地为11.56%，未利用地石漠化面积最小，发生率也最低。在不同等级石漠化中，轻度和中度石漠化发生率最高均在草地，分别为6.46%和6.08%，其次在灌木林，分别为4.52%和3.445%；强度和极强度石漠化发生率最高在草地，分别为3.14%和2.25%，其次在耕地，分别为2.19%和1.94%。耕地受人为活动影响最为密切，尤其石质坡耕地上不合理的耕种易导致较高等级石漠化的发生，研究区耕地主要是山地旱地居多且以坡耕地为主，农业活动以粗放式为主，为追求经济效益会过度使用土地资源造成石漠化加剧。滇中岩区草地多分布于一定坡度的山地上，土层较薄且较贫瘠，石漠化发生率较高。

图4 石漠化在不同岩性和土地利用方式上的分布

2.2.3 在不同坡度中的分布

从图5a中可得出：总体上石漠化分布面积和发生率并不呈正相关，石漠化主要分布在8°～15°坡度范围内，面积为965.17 km2,占总石漠化面积的32.01%，其次是15°～25°，面积为685.82 km2，占总石漠化面积的22.75%。发生率最高的是坡度>25°的范围，发生率为18.52%，其次是坡度在5°～8°范围内，发生率为19.28%。坡度在0°～5°范围内石漠化面积最少为240.82 km2，发生率为4.64%，是所有坡度类型中最小的。在不同坡度中，石漠化面积随着坡度的增加呈先增加后减少趋势。轻度和中度石漠化发生率最高均在坡度大于25°，分别为7.21%和6.58%。强度和极强度石漠化发生率最高均在坡度为5°～8°范围内，分别为3.1%和2.81%。

2.2.4 在不同人口密度和第一生产总值中的分布

从图5b中可得出：滇中岩溶区石漠化在不同人口密度下分布不均，且不成正相关关系，石漠化主要分布在100～200人/km2范围内，其次是200～300人/km2范围内，面积分别为1 656.88 km2和712.65 km2，占总石漠化面积的比例分别为54.77%和23.56%。石漠化发生率最高的是0～100人/km2范围内，为17.38%，其次是300～400人/km2范围内，发生率为12.99%，石漠化发生率最小的是100～200人/km2范围内，但该范围内石漠化面积最大，原因为该人口密度在此范围内的面积较广。

从图5c中可得出：在不同生产总值中，石漠化主要分布在大于40×108元范围内，其次是20～30×108元，面积分别为1 341.15 km2和805.59 km2，占总石漠化面积的比例分别为44.33%和26.63%；0～10×108元范围内石漠化发生率最高，为17.25%，其次是>40×108元,发生率为14.17%；第一生产总值较高的区域石漠化分布范围较广。

图5 石漠化在不同坡度、人口密度和第一生产总值中的分布

2.3 基于地理探测器的影响因子定量分析

2.3.1 因子探测器分析

从表4中得出影响研究区石漠化分布的各驱动因子大小依次为：土地利用(0.42)、坡度(0.29)、岩性(0.17)、第一生产总值(0.14)、人口密度(0.14)。

表4 因子探测器结果

其中土地利用类型(q=0.42)是驱动研究区石漠化的最主要因子。滇中岩溶区土地利用类型主要包括耕地(5 489.73 km2)、林地(4 073.73 km2)、草地(8 140.18 km2)、灌木林(4 1801.81 km2)和未利用地(701.49 km2)，草地面积所占比例最高，为36.4%，其次是耕地，所占比例为24.3%，与石漠化的分布面积和发生率相似。土地利用方式在很大程度上体现了人类活动对石漠化的影响，研究区石漠化主要分布在草地和坡耕地等人类干扰强烈的土地上。

坡度(q=0.29)对研究区石漠化分布的影响仅次于土地利用类型，研究区内石漠化主要分布在坡度为8°～15°的土地上，主要原因是耕地多分布于该坡度范围内，人类活动对土地的干扰较剧烈，基岩裸露程度增加；8°以下主要是居民用地或较为平坦的耕地，水土流失程度较低；>25°区域由于坡度较陡，加上岩溶地区脆弱的地质环境和集中的降水冲刷，水土流失和基岩裸露较严重，使得石漠化发生率较高，治理难度大。

滇中区碳酸盐岩分布较广，是石漠化发生的物质基础，岩性(q=0.17)的分布范围很大程度上控制着石漠化的分布。人口密度和第一生产总值对石漠化分布的影响程度较为相似，其q值均为0.14。人类活动对石漠化的影响较为活跃，随着人口的增长，对土地的需求也加大，不断开垦耕地，人地矛盾加剧，加上研究区降雨较为集中，水土流失加剧。但在滇中岩溶区石漠化分布与人口密度不是正相关关系，原因是人口密度较大的区域主要分布在小盆地中，地势较平坦，城镇发展较快，土地利用类型主要属城镇用地，石漠化面积也相对较少。

2.3.2 交互式探测器分析

在地理探测器的交互探测中，q值越大表明2个驱动因子共同作用时对Y的解释力越大，越小时则反之。从交互探测结果(表5)中得出，不同的驱动因子交互作用时对石漠化分布的解释力都大于单因子作用，无论是单因子还是交互作用，土地利用、坡度和岩性3个驱动因子对石漠化的解释力权重都较高。土地利用和坡度因子交互作用时对石漠化分布的解释力最大，q=0.58。其次是土地利用和岩性相互作用q=0.50，脆弱的地质环境和人类活动也是导致滇中石漠化产生的一个重要原因。

表5 交互探测分析结果

根据不同坡度和土地利用类型中石漠化的分布(表6)，可以得出，在不同坡度和土地中石漠化的发生率大小依次为:大于25°(89.80%)、15°～25°(68.51%)、5°～8°(67.95%)、8°～15°(53.84%)、0°～5°(19.85%)。坡度大于25°范围内，耕地、林地、灌木林和未利用地石漠化发生率最高，说明在该范围内由于坡度较陡，不合理的人类活动极导致石漠化的发生，在治理过程中应该对坡度较陡的耕地及其它利用价值不高的土地进行退耕还林和植树造林，减缓石漠化的发生。在坡度为15°～25°范围内，耕地、林地、草地、灌木林和未利用地中的石漠化占总石漠化面积的比例均最高，分别为51.47%、57.00%、55.63%、55.93%、46.82%。石漠化也主要分布在该坡度范围内，占总石漠化面积的61.43%。对石漠化有利的坡度条件加上不同土地利用方式的人类活动加速了石漠化的发展，使得石漠化治理很难达到理想效果，在后期的治理中，应该把重心放在该坡度范围，有针对性地对不同利用类型的石漠化土地进行治理。

表6 岩溶区不同坡度和土地利用类型中石漠化的分布

3 讨论与结论

本文基于RS-GIS技术探讨了滇中岩溶区石漠化不同影响因子的空间分布特征，并利用地理探测器模型计算不同影响因子的贡献率。得出的结论如下：(1)滇中岩溶区石漠化总面积为3 025.04 km2，占岩溶区面积的13.36%，其中轻度、中度、强度和极强度石漠化面积分别为1 119.38、971.97、527.1和406.59 km2，呈现北多南少分布特征。(2)在不同岩性中石漠化发生率最高的是连续性白云岩，为6.74%；不同土地利用方式上发生率最高在草地，为17.94%，其次是耕地；坡度大于25°范围内石漠化发生率最高，为18.52%；在人口密度和第一生产总值中，石漠化发生率最高分别在0～100人/km2和0～10×108元范围内，发生率分别为17.38%和17.25%。(3)地理探测器中土地利用(q=0.42)、坡度(q=0.29)和岩性(q=0.17)是滇中岩溶区石漠化的主要驱动因子。在交互探测中坡度和土地利用类型(q=0.58)、岩性和土地利用类型(q=0.50)相互作用共同促进了石漠化的形成。(4)研究区石漠化在不同影响因子上的分布具有显著差异，坡度和土地利用对石漠化的影响最大，石漠化的治理重点应放在石质坡耕地上。

本文在岩溶分布较集中区域划分出研究区，与传统行政区域划分的方法不同；不仅探讨了滇中岩溶地区石漠化在不同影响因子上的空间分布特征，还对石漠化影响的单一因子和交互因子进行量化分析，计算出不同单一因子和交互因子的贡献率，可为滇中岩溶区石漠化治理提供科学、直观的参照依据。但地理探测器主要利用点数据对石漠化信息的提取，且所计算的数据量有限，对于较大尺度地域的石漠化影响因子贡献率计算会存在误差，在更大尺度的研究应结合其他量化方法使计算结果更精确。