云南省岩溶地区土地利用对石漠化景观格局演变的影响分析

田湘云,张 超,2,陈 棋,史小蓉,王 妍,2

(1.西南林业大学,昆明 650224；2.云南省山地农村生态环境演变与污染治理重点实验室,昆明 650224)

岩溶石漠化是亚热带脆弱岩溶背景下的土地退化现象[1]。由于人类对土地的不合理利用方式[2-3]和自然环境因素[4-5],造成地表干旱缺水[6-7],植被破坏,岩石大面积裸露,导致土地生产力下降[8]。对石漠化形成发育与治理的研究是当前生态环境领域的热点问题。近年来,社会经济的快速发展,增加了对土地承载力的持续影响,从本质上改变了全球土地利用的动态演变[9]。目前,针对岩溶地区石漠化的形成机理[10]、提取方法[11-12]、驱动机制[13]和时空演变特征[14-15]等的研究已取得了一定进展,诸多学者对土地利用类型及石漠化景观进行了相关研究,如,陈昊等[16]对小流域石漠化景观格局进行动态变化特征分析；王媛媛等[17]对小流域的土地利用及石漠化景观格局时空演变关系进行了探讨；许玉凤[18]认为石漠化景观格局是岩溶地区的特性,而土地利用类型是影响景观格局普遍的一种影响因素,若不加以管理则将加剧石漠化特征的岩溶地区景观格局的发展。需要注意的是,当前的研究多是基于小尺度区域,在省域范围的宏观尺度对土地利用及石漠化的时空演变、景观格局变化及不同石漠化等级下土地利用类型分布特征的研究则较少。

由于人口、经济和城镇化的快速发展,影响了土地利用和石漠化的演变速率、景观格局演化及破碎化程度,本研究基于面积转移矩阵和景观指数方法对云南省岩溶地区土地利用和石漠化的时空演变特征及空间异质性进行定量分析。面积转移矩阵能够对岩溶地区土地利用和石漠化的数量进行定量描述,获得各时期的演变特征,准确掌握石漠化的变化趋势和发展方向；以景观指数分析其时空分异特征,解析区域石漠化及土地利用的演变规律,为区域生态环境修复和石漠化治理提供依据。

1 研究区概况

云南省位于中国西南边陲,地理坐标为21°8′～29°15′N,97°31′～106°11′E,国土总面积39.41万km2,其中岩溶地区面积11.8万km2。地貌为高山峡谷,地形为山地高原,地势西北高、东南低。受南亚季风大气环流影响,年温差小,干湿季分明。云南岩溶石漠化地区主要地带性土壤为暗棕壤、砖红壤、黄壤、赤红壤和红壤等,石漠化综合治理区域划分为北热带低山河谷盆地石漠化区、南亚热带中低河谷盆地石漠化区、中亚热带高原山地石漠化区、北亚热带高原山地石漠化区、暖温带高中山石漠化区、青藏高原东南缘高原温带石漠化区和金沙江燥热河谷石漠化区共7个分区[19]。

2 研究方法

2.1 数据收集与处理

1)土地利用分布数据获取。基于GlobeLand 30(http://www.globallandcover.com)平台的2000年、2010年和2020年3期影像数据集(30m分辨率),对原始数据进行预处理(包括投影转换、无效值处理、图幅拼接、字段赋值和掩模提取),获得云南省3期岩溶地区土地利用分布数据。

2)石漠化分布数据提取。通过Google Earth Engine获取云南省2000年、2010年和2020年Landsat TM/OLI卫星遥感影像,依据《云南省岩溶地区第二次石漠化监测实施细则》(1)云南省林业厅.云南省岩溶地区第二次石漠化监测实施细则.2011.建立石漠化等级识别知识规则,利用决策树分类法对石漠化等级分布数据进行计算和提取,得到云南省2000年、2010年和2020年3期石漠化等级分布数据。

2.2 土地利用及石漠化动态度计算

单一动态度是定量分析在一定范围内,土地利用/石漠化变化的速度,对土地利用/石漠化变化区域出现的差异和预测土地利用/石漠化未来变化的趋势发挥重要作用[20]。单一土地利用/石漠化动态度的计算方法如下[21]:

(1)

式中:K为单一土地利用/石漠化动态度；Ua为起始年面积；Ub为终止年面积；T为研究时段年数。K值绝对值的大小反映变化趋势的快慢。

2.3 面积转移矩阵构建

面积转移矩阵能够清晰反映土地利用及石漠化的具体流向与转入/转出面积,从而分析土地利用及石漠化的变化数量,其数学表达式如下:

(2)

式中:Pij为面积转移矩阵；n为类型数；i,j分别为起始年和终止年的等级序号。

2.4 景观格局指数选取

景观格局指数以斑块作为基本单元[22],高度浓缩景观格局信息[23],用以分析各景观类别的结构组成及空间特征[24]。广泛借鉴国内外相关研究成果,结合云南省实际情况,选取面积周长分维数(PAFRAC)、凝聚度指数(COHESION)、聚合度指数(AI)、分离度指数(DIVISON)、香农多样性(SHDI)和香农均匀度(SHEI)等6类景观格局指数分析景观格局特征(表1)。

表1 景观格局指数选取

3 结果与分析

3.1 土地利用及石漠化等级时空分布特征

基于云南省岩溶地区2000年、2010年和2020年土地利用情况(图1)和面积变化数据(表2)可知,耕地与林地是3个时段中重要的土地利用类型,耕地、建设用地面积一直呈现增长趋势,林地、草地及永久冰雪等呈减少趋势。其中,灌木和裸地面积以2010年为转折点,呈先增后减的变化趋势,整体分别减少了331.42 km2和50.00 km2；水域面积呈先减后增的变化趋势,整体增长151.70 km2。20年间,除耕地、水域及建设用地的动态度为正值外,其余地类动态度均为负值,变化面积最大的是建设用地(1 456.86 km2),且变化速度最快(10.94%),说明人类活动对土地利用类型演变有着重要影响。

图1 云南省岩溶地区2000—2020年土地利用情况

表2 云南省岩溶地区2000—2020年土地利用面积变化

从云南省2000年、2010年和2020年石漠化等级分布数据(图2)和面积变化数据(表3)可知,3个时段中,重度石漠化为主要的石漠化类型。其中,无石漠化地区面积一直呈增长趋势,重度石漠化一直呈减少趋势；潜在石漠化与中度石漠化面积呈先减后增的变化趋势,所占面积比例分别减少0.42%和0.56%,之后增加0.31%和0.14%；而轻度石漠化与极重度石漠化面积呈先增后减的变化趋势,所占面积比例分别增加0.47%和0.45%,之后减少1.66%和2.46%。在20年间,石漠化动态度均呈负值,且石漠化面积减少12 129.42 km2,而重度石漠化的变化面积最大(-7 834.84 km2)且变化速度最快(-1.96%),说明石漠化防治措施遏制了石漠化恶性发展。

图2 云南省岩溶地区土地利用2000—2020年石漠化等级占比

表3 云南省岩溶地区2000—2020年石漠化面积变化

3.2 土地利用及石漠化等级面积转移矩阵

根据云南省岩溶地区2000年、2010年和2020年石漠化等级和土地利用分布数据进行面积转移矩阵分析,得到面积转移矩阵。结合云南省石漠化等级面积转移矩阵(图3)分析可知,2000—2010年的主要变化特征是重度和极重度石漠化面积的减少。各石漠化等级转化为无石漠化等级的面积为12 609.54 km2,而各石漠化等级中加重趋势相对显著的是潜在石漠化(4 268.83 km2)。2010—2020年的主要变化趋势是重度和极重度石漠化面积的减少,各石漠化等级转化为无石漠化等级的面积为8 525.64 km2,各石漠化等级中呈显著加重趋势的是无石漠化,无石漠化转化为石漠化的面积为12 609.54 km2。2000—2020年的主要变化趋势为重度石漠化面积的减少,而各石漠化等级转化为无石漠化的面积为21 782.04 km2,在石漠化等级中加重趋势最显著的为无石漠化(8 423.05 km2)。

图3 云南省岩溶地区2000—2020年石漠化等级面积转移矩阵

结合云南省土地利用转移矩阵(图4)分析可知,2000—2010年土地利用的主要变化趋势为耕地、灌木林地与建设用地面积的增加,其中,主要转化类型是由林地、草地转化为耕地和灌木林地,耕地转化为建设用地。2010—2020年的主要变化趋势为耕地、水域和建设用地面积的增加,其中,主要转化类型是由林地、草地和灌木林地转化为耕地；耕地、林地和草地转化为水域和建设用地。2000—2020年的主要变化趋势为耕地和建设用地面积的增加,其中耕地主要由林地、草地转化而来,建设用地主要由耕地转化而来。

3.3 岩溶地区石漠化土地利用分布特征

由表4可知,云南省2000—2020年石漠化主要分布于林地和草地,其次分布于耕地和灌木林地。无石漠化主要分布于耕地与林地,潜在石漠化主要分布于林地,轻度、中度和重度石漠化主要分布于林地与草地,极重度石漠化主要分布于林地、草地和灌木林地。

无石漠化面积在耕地、湿地、水域和积雪区域中占比呈下降趋势,而在林地、草地、灌木林地及建设用地中呈上升趋势。潜在石漠化和重度石漠化面积在林地中占比呈下降趋势；轻度石漠化和中度石漠化面积在林地与灌木林地中占比呈下降趋势；对于潜在、轻度、中度和重度石漠化面积在耕地与草地中的占比均呈上升趋势。

需要引起注意的是,发生于耕地的石漠化面积呈增加趋势；除极重度石漠化等级外,草地石漠化面积呈增加趋势；发生于林地和灌木的石漠化面积除极重度石漠化外,均呈减少趋势；其余土地利用类型中的石漠化面积变化比例较小。

图4 云南省岩溶地区2000—2020年土地利用面积转移矩阵

表4 云南省2000—2020年不同土地利用中的石漠化分布变化

3.4 景观格局特征及空间变化趋势分析

依据景观生态学理论并结合研究目标,利用Fragstats软件对云南省2000年、2010年和2020年3期土地利用和石漠化分布矢量数据进行面积周长维数(PAFRAC)、凝聚度指数(COHESION)、聚合度指数(AI)、分离度指数(DIVISION)、香浓多样性(SHDI)和香农均匀度(SHEI)计算,结果如表5和表6所示。

由表5可知,2000—2020年：PAFRAC呈先增后减的变化,总体为减小趋势,说明土地利用斑块几何形状的复杂程度由复杂变化为简单,但总体变化趋势不大,景观形状趋于简单；COHESION呈降低趋势,说明土地利用斑块间的连接程度降低；AI呈降低趋势,说明景观类型聚集程度降低,空间分布逐渐分散,破碎化程度增加；DIVISION呈上升趋势,说明土地利用斑块间混合程度增大,景观分布越复杂,地域分布越分散；SHDI与SHEI的变化趋势一致,均为上升趋势,说明景观类型呈均衡化趋势分布,逐渐向平衡方向发展,景观异质性得到加强,破碎化程度随景观类型复杂程度的增加而增大。

如表6所示,2000—2020年：PAFRAC呈先增后减的变化,整体为减小趋势,说明石漠化景观的几何形状复杂程度由复杂逐渐变为简单；COHESION呈上升趋势,且在2010—2020年增加趋势显著,说明各石漠化等级同类斑块间的自然连通度提高；AI呈上升趋势,且在2010—2020年增加趋势显著,说明石漠化景观聚集程度增加,空间分布逐渐聚集,破碎化程度降低；DIVISION呈降低趋势,说明石漠化斑块间混合程度减小,景观分布趋于简单,地域分布逐渐聚集；SHDI与SHEI的变化趋势一致,均为下降趋势,说明石漠化景观的破碎化程度随景观类型的复杂程度减小而变小。

表5 云南省2000—2020年土地利用景观格局指数变化分析

表6 云南省2000—2020年石漠化景观格局指数变化分析

4 讨论与结论

4.1 讨论

1)土地利用对石漠化空间分布的影响。云南省土地利用以耕地、林地及草地为主。耕地对石漠化空间分布的影响是由于人类在耕作活动时破坏土地的土壤肥力、地表植被和抗侵蚀性等[25],加速了水土流失,从而间接驱动岩溶地区石漠化的发生与发育。林地对石漠化空间分布的影响主要为林地向耕地、草地和灌木林地转化时,由于植被覆盖度的降低,使景观类型逐渐向单一化趋势发展,岩溶生态系统稳定性变差。草地对石漠化空间分布的影响是草地向耕地和林地转化,草地蓄水保土能力较强,当草地转化为耕地时,地上植被遭到破坏,水土流失强度加剧且土地退化严重,增加石漠化发生风险[26]；当草地转化为林地时,增加了植被覆盖度和生物量,使景观类型趋于多样化,增强了生态系统的稳定性。

2)石漠化动态度变化分析。云南省近20年各石漠化等级中,除无石漠化地区的动态度为增加外,其余石漠化等级动态度均为减少,但在2000—2010年,轻度石漠化与极重度石漠化的动态度为增加。由图5可知,石漠化的加剧是由于西南干旱及人口增长对土地需求增大,不合理的土地开垦造成植被覆盖度减少,水土流失加剧,石漠化发生及发展程度加剧。在2010—2020年,潜在石漠化与中度石漠化的动态度呈增加趋势,是由于云南春夏连旱加剧部分地区石漠化程度恶化,而重度和极重度石漠化动态度为减少。在2000—2020年,石漠化等级总体为改善趋势,一方面,由于各项生态建设及生态修复政策的实施,对生态环境进行宏观调控,促使石漠化地区生态环境得以改善；另一方面,城镇化及社会经济快速发展,吸引大量农村劳动力,减轻了农村土地压力,减少了对林地的损耗,从而延缓了石漠化演变的速度[27]。

图5 近20年影响石漠化的主要因素时间轴

3)石漠化景观格局变化影响因素。云南省近20年石漠化面积变化较大,其中,潜在石漠化、轻度石漠化、中度石漠化、重度石漠化和极重度石漠化的面积均呈减少趋势,无石漠化地区面积比例增加,说明石漠化程度在逐渐减弱,高等级石漠化斑块减少,优势度降低,而低等级石漠化斑块增加,优势度升高。COHESION呈上升趋势,石漠化同等级斑块间自然连通度提高；AI与DIVISION呈反向发展,共同说明了石漠化斑块间趋于聚集的分布情况；SHDI与SHEI呈下降趋势,说明石漠化斑块类型的复杂程度减小。

4.2 结论

1)云南省土地利用以耕地、林地和草地为主,在2000—2020年3个时段中,耕地面积均呈上升趋势,林地与草地面积均呈下降趋势,建设用地的动态度变化最为显著。

2)在已发生石漠化的程度等级中,以重度石漠化分布为主,但20年间石漠化面积总体呈下降趋势。轻度石漠化与极重度石漠化面积在2000—2010年呈上升趋势,在2010—2020年呈下降趋势；潜在与中度石漠化面积在2000—2010年呈下降趋势,在2010—2020年呈上升趋势。在研究时段内,无石漠化地区面积逐年增加,云南省石漠化面积总体向良性方向发展。

3)在各石漠化等级中,除无石漠化和极重度石漠化外,石漠化面积在耕地与草地中的占比均呈上升趋势。发生于耕地的石漠化面积呈增加趋势；发生于林地和灌木的石漠化面积除极重度石漠化等级外,均呈减少趋势；其余土地利用类型中的石漠化面积变化比例较小。

4)COHESION与DIVISION反向发展,土地利用空间分布趋于分散,而石漠化空间分布趋于聚集。石漠化各等级的改善与景观多样性指数的减少和土地利用多样性指数的增加有关,说明石漠化斑块随土地利用的变化而复杂程度降低,石漠化斑块的几何形状复杂程度由复杂逐渐变为简单,有利于石漠化的治理。