基于RS和GIS的云南石林县石漠化时空变化特征分析

王 丹, 丁文荣

(云南师范大学 地理学部, 昆明 650050)

岩溶石漠化指脆弱环境背景下, 受人类不合理的社会经济活动的干扰破坏, 造成土壤严重侵蚀, 基岩大面积裸露, 土地生产力下降,地表出现类似荒漠景观的土地退化过程[1]。自然和人为因素叠加是石漠化发生的主要原因[2]。西南岩溶区的石漠化是我国西部大开发中生态建设面临的一大根本性地域环境问题[3]。石漠化问题严重制约着西南岩溶区的发展, 对石漠化演变规律的研究是治理的重要前提。前人利用不同分析方法对石漠化的时空演变进行分析: 如左太安等[4]基于RS和GIS, 选用演变方式、 演变方向等揭示毕节试验区2000—2010年石漠化的内部转移特征； 陈起伟等[5]基于土地利用动态度对贵州省2000—2010年的石漠化进行遥感监测； 朱梓弘等[6]利用GIS技术探究了西江流域石漠化整体分布和动态特征； 孟小军等[7]对打狗河流域内的石漠化以及绿地进行时空变化分析。前人的研究为石漠化时空演变特征分析提供了大量的方法和技术, 也为研究区早期的石漠化动态监测和治理提供了科学依据， 但是研究方向大多集中于省域级别的大尺度上, 对县域级的石漠化动态研究较少, 然而石漠化的治理大多是基于县域尺度或小流域的。

云南石林县岩溶面积分布广, 石漠化问题较典型且严重制约当地的发展。前人对该县石漠化的研究主要集中于成因和治理措施, 如: 余涛[8]在分析石漠化现状的基础上提出了初步的治理原则; 赵书学[9]对石漠化成因进行分析，提出了相应的治理措施; 陈俊松等[10]提出“一圈、 两屏、 两域、 三区”的石漠化治理格局, 并对各治理区治理方向提出了建议。 以往对石林县的石漠化研究多以定性分析为主, 而在石漠化空间分布和较长时间尺度上动态研究较少。

鉴于此, 本文选取云南省石林县为研究区, 基于Landsat TM/OLI影像反演石林县石漠化信息分布图, 旨在充分探讨石林县近10年石漠化在时空上的变化特征, 为石漠化治理提供科学参考依据。

1 研究区概况

石林彝族自治县(24°30′N—25°03′N, 103°10′E—104°40′E)位于云南省中部的岩溶高原区, 主要地貌类型为山地。全县国土面积1 719 km2, 岩溶土地面积1 008 km2, 石漠化土地面积286.55 km2, 平均海拔1 730 m, 年均气温15.6 ℃, 年均降水量约为963 mm, 属于低纬高原山地气候[10-11]。境内岩溶广泛发育和强烈的人类活动, 使石漠化问题严重, 生态环境恶化, 制约当地的社会经济发展, 在滇中岩溶区具有典型性和代表性(图1)。

图1 研究区位置示意图

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

2.1.1 数据来源 本文所用数据包括遥感数据Landsat TM/OLI (空间分辨率30 m)、 土地利用现状图、 1∶20万水文地质图及行政区矢量图, 详见表1。石林县土地利用现状图使用ENVI 5.3软件采用监督分类技术对3期遥感影像解译获取。

表1 主要数据来源

2.1.2 数据预处理 遥感影像数据预处理用ENVI 5.3软件完成, 包括如下内容和步骤: (1)石林县行政区矢量数据对遥感影像进行剪裁。(2)选取辐射定标模块的辐射定标工具(Radiometric Calibration)对影像进行辐射定标, 辐射定标类型为辐射亮度值, BSQ转换成BIL格式, 缩放系数为0.1, 使辐射亮度值和格式达到FLAASH大气校正的要求。(3)大气校正基于辐射传输模式的MORTRAN模型, FLAASH大气校正模块对经过辐射定标后的影像进行处理。基本参数设置中, 传感器类型为Landsat8-OLI; 平均地面高程为1.76 km; 大气模型为Mid-Latitude Summer; 气溶胶模型为Rural; 气溶胶反演为2-band(K-T)。 多光谱数据参数中K-L反演模式为Over-Land Retrieval standard(600∶2 100)。(4)大气校正反演后的能见度为40.00 km, 平均水量为1.23 cm, 校正后获得的植被波谱更接近实际。

2.2 研究方法

2.2.1 石漠化分类标准 由于研究区的尺度和实际情况存在差异, 石漠化等级的划分目前还没有形成统一的标准, 各石漠化等级所选取的指标以及阈值也有所不同[12]。在石漠化地区水土流失严重, 基岩大面积裸露导致植被难以生长, 基于遥感识别, 在同一像元单位内基岩裸露率越高, 植被+土被覆盖率越低(但在空间上并不是绝对相反), 两者可作为反映石漠化情况的重要指标。因此， 根据石林县的实际情况结合前人的分类标准, 本研究以基岩裸露率和植被+土被覆盖率为主要指标, 将石林县石漠化划分为6个等级[13-17]， 划分标准如表2所示。

表2 石漠化等级分类标准

2.2.2 石漠化指标计算 基于归一化植被指数(NDVI)的像元二分模型提取研究区植被覆盖率

(1)

式中:fc为植被覆盖率；NDVIveg为完全被植被覆盖区域的NDVI值；NDVIsoil为完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI值。 分别选取累计频率为5%和95%的NDVI值为NDVIveg和NDVIsoil[18]。

基于归一化岩石指数(NDRI)根据像元二分模型原理计算基岩裸露率

(2)

式中:fr指基岩裸露率；NDRIr是全由裸露岩石组成时的NDRI值；NDRIo是全无裸露岩石组成时的NDRI值。 分别选取累计频率为5%和95%的NDRI值为NDRIo和NDRIr[19]。

2.2.3 石漠化制图 石漠化制图包括如下内容和步骤: (1)运用ENVI 5.3软件得出的NDVI值和NDRI值基于像元二分模型计算基岩裸露率及植被覆盖率。 (2)通过野外调查结合遥感影像发现，研究区内的三七种植棚、 太阳能电池板建设用地、 水体、 居民地及道路在提取基岩裸露率时会造成误判, 因此进行掩膜处理将其划分为无石漠化区域；此外, 大量未种植作物且坡度小于5°的耕地在遥感识别时极易被误判成石漠化土地, 在考察中发现石林县石漠化主要集中在坡度较大的土地上, 较平坦的耕地中石漠化面积占总石漠化土地的比例小, 为了提高石漠化制图的精度, 将石林县中坡度小于5°的耕地划分为无石漠化区域。 (3)对水文地质图进行数据化处理后提取石林县岩溶区。 (4)在ArcGIS 10.2 中按照石漠化等级分类标准将植被覆盖率和基岩裸露率进行重分类后赋值。

通过栅格计算器将以上图层进行叠置分析, 土地利用现状图对解译出的石漠化分布图进行修正, 得出石林县3期石漠化信息分布图(图2)。为验证解译结果的精确度, 通过野外考察确定各等级石漠化影像特征及部分采样点(图3), 在Google Earth影像上进行采样, 以2018年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92.22%,Kappa值为0.880 9, 分类结果较好, 精度满足要求。

图2 石林县石漠化解译与遥感影像

图3 实际采样点

2.2.4 石漠化变化分析方法 为探究石漠化的时空变化特征, 以石漠化的变化方式、 变化方向来探究研究区石漠化的内部变化。参考白晓永等[20]的方法, 结合本区实际, 本区岩溶石漠化变化可以归纳为4种方式。为便于公式化表达, 设a、b、c分别表示3种不同的岩溶石漠化类型(简称类型),D2008—2013、D2013—2018、D2008—2018分别代表2008—2013年、 2013—2018年和2008—2018年石漠化4种石漠化变化类型分布区面积的差值, 则这4种方式定义并表示为: ①单变方式(F1), 是a/b类型向b/a类型的转变, 转变后维持不变, 即保持为b/a类型,F1:a/b→b/a→b/a; ②渐变方式(F2), 是a/b类型先变为b/a类型, 再变为c类型,F2:a/b→b/a→c; ③返变方式(F3), 是a/b类型向b/a类型的转变, 又转变为a/b类型,F3:a/b→b/a→a/b; ④不变方式(F4), 一致保持为a/b/c类型, 后续不再发生转变,F4:a/b/c→a/b/c→a/b/c。将①～④种方式汇总, 附加各自对应的时像条件, 得到以下变化方式模型:

式中:D2008—2013=0,D2013—2018=0,D2008—2018=0分别表示相应时段内石漠化类型没有发生变化; ≠0则表示石漠化类型发生了变化。

在ArcGIS 10.2中将3期石漠化分布图进行空间运算得出不同石漠化变化方式, 具体变化分析步骤为: 将3期石漠化分布图划分为像元大小30 m×30 m的网格； 不同等级石漠化编码为1～6， 将编码后的石漠化分布图在栅格计算器中相减, 得出的差值为-1、 -2时表示改善一级, 差值为-3、 -4、 -5时为改善二级, 差值为0时表示基本不变, 差值为1、 2时表示恶化一级, 差值为3、 4、 5时为恶化二级。

3 结果与分析

3.1 石漠化空间变化特征

从3期石漠化空间分布图(图4)得出, 在空间分布上, 2008年石漠化严重区域分布于西街口镇的东北部和鹿阜街道的东部, 潜在和轻度石漠化分布范围最广且面积最多； 2013年强度和极强度石漠化面积大幅增加且分布散乱, 在长湖镇东南部、 圭山镇西南部、 大可乡东北部以及鹿阜街道东部地区石漠化面积增加明显； 2018年长湖镇东南部、 大可乡及鹿阜街道较高等级石漠化面积减少明显, 石漠化主要分布于西街口镇东北部地区, 但较2013年石漠化面积分布范围有所减少。

总体上， 石漠化较严重区主要分布于西街口镇和鹿阜街道以及圭山镇, 极强度石漠化面积出现先增加后减少的趋势, 分布范围呈集中—分散—集中。此外， 部分地区石漠化分布存在突变, 极强度石漠化直接变化成无石漠化区域, 发生突变集中在居民地附近以及太阳能电池板安装区域, 由于居民地的不断扩张, 在石漠化土地上新增建设用地, 加上石林县近年来不断在石漠化较严重区域进行新能源项目建设, 在一定程度上使石漠化面积减少。

3.2 石漠化时间变化特征

从石林县3期不同等级石漠化面积及比例(表3)得出， 在时间变化上， 2008、 2013和2018年石漠化总面积分别为234.82、 277.08和237.27 km2， 占全县总国土面积的比例为19.98%、 23.58%和20.19%， 石漠化面积增加了2.45 km2。 石漠化面积呈现先增加后减少的趋势， 其中极强度石漠化面积变化较明显， 从30.97 km2增加到45.59 km2后又下降到22.19 km2。 2008—2013年总石漠化面积增加了42.26 km2， 增加速率为8.45 km2/a， 其中强度、 极强度石漠化面积增加显著， 分别增加了23.92和14.80 km2， 该时段内石漠化治理不理想， 导致较高等级石漠化面积有所增加。 2013—2018年总石漠化面积减少了39.81 km2， 减少速率为7.96 km2/a, 其中强度、极强度石漠化面积减少最多，分别为28.66和23.40 km2。 虽然对高等级石漠化治理取得较好效果，但不同等级石漠化之间的自然演变导致低等级石漠化面积有所增加，使潜在和轻度石漠化增加明显，在后期石漠化治理中对各等级石漠化要做到统筹兼顾。

表3 石林县2008—2018年不同等级石漠化面积及比例

3.3 石漠化变化方式

从2008—2018年石林县石漠化不同变化方式占总面积比例(图5)可知，主要变化方式为单变方式，占总面积的比例为22.12%，石漠化单变方式反映研究区石漠化变化的直接性和跳跃性，表示石漠化变化频繁且快速； 其次是返变方式， 所占比例为7.15%，该变化方式反映石漠化变化的反复性，说明出现治理好又恶化或者出现恶化又治理好的现象, 研究区内主要以第一产业为主， 多以粗放方式对土地进行利用，对石漠化的治理难以达成连续性成效， 容易出现石漠化反复变化的现象； 渐变方式所占比例最小， 为4.15%， 该方式体现石漠化的逐级变化，说明研究区内石漠化处于不断变化中，因此在治理过程中要循序渐进，合理规划治理周期。石漠化变化面积占总面积的33.41%，研究区内脆弱的地质环境加上人类活动频繁，石漠化边治理边恶化，治理形势仍然较为严峻。

3.4 石漠化变化方向

3.4.1 石漠化面积转移矩阵 基于土地利用转移矩阵计算出石林县石漠化面积转移矩阵(表4)，得出 2008—2013 年，已石漠化类型中转移最显著的是轻度—中度石漠化， 面积21.35 km2； 未石漠化类型主要向轻度和中度石漠化转移， 面积为34.28和19.16 km2； 转移变化较明显的是无石漠化、 潜在和轻度石漠化， 面积为89.95、 66.68和58.00 km2。 在2013—2018年间， 已石漠化类型中转移最显著的是轻度—潜在石漠化， 面积23.71 km2； 转移变化较明显的是无石漠化、 轻度和中度石漠化， 面积为94.46、 50.37和55.08 km2； 强度和极强度石漠化向低等级石漠化转移较明显， 主要向轻度和中度石漠化转移， 说明该时段对高等级石漠化的治理取得显著成效。 2008—2018年已石漠化类型中转移最显著的是轻度—潜在石漠化， 转移面积24.74 km2。

表4 石林县 2008—2018年石漠化面积转移矩阵

根据各等级石漠化转移面积计算出各等级石漠化平均转移速率(图6)， 3个时期中无石漠化和

图6 2008—2018年石林县各等级石漠化平均转移速率

潜在石漠化类型转移速率较快， 潜在石漠化虽然不计已石漠化土地，但是极易发展成已石漠化，在治理过程中仍要高度重视，防止其转变为石漠化土地。石漠化转移速率与石漠化等级成反比，随着石漠化等级的升高石漠化转移速率逐渐降低。3个时期中，2013—2018年中度、强度和极强度石漠化转移速率较其他时期快，原因是在该期间加大对石漠化治理后，发生自然演变使得石漠化转移速率加快； 平均转移速率较快的是无石漠化、潜在和轻度石漠化，分别为16.20、 9.32和8.95 km2/a， 最慢的是极强度石漠化, 为3.76 km2/a， 中度及以下石漠化呈现转移速率快、 变化面积较多的特点， 后期石漠化治理重点应向低等级石漠化转移。

3.4.2 石漠化动态变化分析 从石漠化改善和恶化程度面积(表5)可见， 2008—2018年改善二级大于恶化二级面积， 恶化一级大于改善一级面积。 2008—2013年石漠化改善和恶化面积分别为105.37和186.67 km2， 恶化面积大于改善面积， 石漠化趋于恶化。 2013—2018年石漠化改善和恶化面积分别为197.67和132.89 km2， 改善面积大于恶化面积， 说明石漠化恶化趋势得到遏制。 总体上3个时期变化面积呈金字塔状并且与变化等级成反比关系， 所占比例最大的等级为恶化一级和改善一级， 也证实了石漠化变化方式以单变方式为主。

表5 石林县2008—2018年石漠化变化面积

从石漠化变化的空间分布看(图7)，2008—2013年间石漠化恶化面积分布较广，长湖镇东南部及西街口镇等人类活动较密集的区域石漠化恶化较严重。2013—2018年间西街口镇东北部和鹿阜街道石漠化改善明显，说明石漠化治理取得显著成效。2008—2018年石漠化恶化分布在石林县南部，石漠化改善集中于北部，其中西街口镇改善较明显，在后期治理要保持北部地区的治理前提下把重心逐步转移到南部地区石漠化的治理上。

图7 2008—2018年石林县石漠化变化空间分布

4 讨 论

在石林县岩溶区，脆弱的生态环境和人口压力以及不合理的土地持续利用造成了石漠化，2008—2013年石漠化面积增加42.27 km2，这段时间石林县处于经济快速发展时期，人类活动剧烈，大量滥伐森林以及粗放耕作，在人口稠密区林下过度放牧现象较为严重,对石漠化的治理处于薄弱阶段[8]。加之， 2009—2012年云南多极端干旱天气，加剧了石漠化的演变，石漠化治理形势严峻。随着石林县加大了对石漠化的科学治理力度，2013—2018年石漠化面积减少了39.82 km2，自2012年石林县被列为国家石漠化综合治理工程范围以来,加大人工造林和封山育林等石漠化综合治理工程，至2017年治理工程达到18.09万亩(12.06×103hm2)[21]。云南省2016年被列为国家休耕制度试点区域，石林县休耕试点面积为666.67 hm2,石漠化较严重的鹿阜街道、西街口镇、长湖镇和圭山镇的休耕区域涉及到1 644户农户和3 783块耕地[22]。休耕制度使得石漠化土地生态得到恢复, 减少水土流失，大力推广清洁能源, 如太阳能以及农村地区沼气的使用，改善了农村地区的能源使用结构，减少了对植被的砍伐,以上措施遏制了石林县石漠化的恶化。

在石漠化演变方向上改善和恶化同时存在，石漠化转移也集中于较低等级之间, 且相邻等级转移较大，此结论与陈起伟等[5]和张蕊娇等[23]对岩溶地区石漠化演变特征分析的结果一致。低等级石漠化平均演变速率较快且变化频繁，在后期治理中的重点要放在低等级石漠化上， 同时实现对高等级石漠化的兼顾，防止治理好的石漠化出现返变，由于高等级石漠化水土流失和基岩裸露较为严重，治理难度大，在治理中要做到循序渐进。

5 结 论

(1)在时空分布上，强度和极强度石漠化分布为2008—2013年为扩散阶段，2013—2018年为减少阶段，主要集中分布在西街口镇、长湖镇和圭山镇，已石漠化类型轻度和中度石漠化分布范围最广，在人类活动强烈地区，石漠化等级分布存在突变。

(2)2008—2018年石漠化总面积增加了2.45 km2，呈先增加后减少趋势，2008—2013年石漠化面积增加速率为8.45 km2/a，2013—2018年石漠化面积减少速率为7.96 km2/a,总体上石漠化恶化得到遏制，但减少面积和速率较低，治理形势仍较为严峻。

(3)变化方式以单变方式为主， 返变方式次之， 说明石林县的不同等级石漠化的演变有频繁快速的特点， 石漠化出现改善和恶化出现返变的情况较普遍。

(4)变化方向上，相邻等级石漠化转移较明显，转移面积与等级成反比关系，平均变化速率最快的是无石漠化(16.20 km2/a)，高等级石漠化变化速率较慢。石漠化恶化和好转同时存在，恶化面积减少，好转面积增加，石漠化得到改善。石漠化恶化地区主要分布在石林县南部，改善地区集中于北部，后期治理要保持北部地区的治理前提下把重心逐步转移到南部地区石漠化的治理上。