石漠化治理下土地利用与景观格局变化

舒 田，熊康宁，陈丽莎

(1. 贵州师范大学喀斯特研究院/贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地， 贵阳 550001； 2. 贵州省农业科学院 科技信息研究所，贵阳 550006)

【研究意义】土地利用/覆被变化(Land Use and Land Cover Change, LUCC)是社会、生态和物理过程相互作用的结果，是人类活动与自然环境相互作用最直接的表现形式[1-2]。在自然、经济、社会和政治等各种因素的作用下，土地利用的不断改变加速土地覆被的不断变化，土地覆被的变化反过来又对土地利用产生重要影响[3-4]。景观格局变化是土地利用变化在景观生态学研究中的表达，是各类景观要素在一定时空尺度内发生变化而引起的景观空间结构的变化[5]。区域内不同的土地利用方式及土地利用/覆被的组合变化都会对生态造成不同程度的影响，土地利用/覆被变化也可以直观体现人类改造地球表面景观的过程[6]。近年来，特别是乡村城镇化、大城市化进程加快以及建设用地需求持续增加的社会背景下的活动，必将对区域景观格局产生巨大影响。对区域景观格局的研究是揭示区域土地利用/覆被变化以及生态状况和空间变异特征的有效手段。因此，对区域景观格局的动态变化进行分析研判，对研究区政府制定合理的土地利用及生态环境规划、保障区域土地节约集约利用、促进区域经济、社会和生态协调发展具有重要的借鉴作用。【前人研究进展】“国际地圈与生物圈计划(IGBP)”和“国际全球环境变化的人文因素计划(IHDP)”1995年联合提出“土地利用/覆被变化”研究计划，使土地利用变化成为全球气候和环境变化研究的重要内容和土地可持续发展领域研究的热门课题[1,7-8]，而且LUCC区域尺度的研究多集中在“关键地区”“热点地区”“典型地区”“脆弱地区”[9-10]。根据《全国生态脆弱区保护规划纲要》和《全国水土保持规划(2015—2030年)》，西南岩溶区被作为生态脆弱区和重点治理区域。人类不合理的土地利用方式成为西南岩溶地区石漠化发生的主导原因[11]，石漠化导致该区地表植被景观破坏、水土流失严重、基岩大面积裸露、土地退化加剧、生态环境恶化。因此，石漠化是西南喀斯特地区的灾害之源、贫困之因和落后之根，已成为该区生态安全的最大威胁[12-13]，甚至直接威胁到长江、珠江流域的生态安全。【本研究切入点】目前，国内对西南喀斯特地区的土地利用/覆被变化与景观格局耦合分析的研究相对较少，大多数学者集中在石漠化景观格局与土地利用/覆被的时空演变关系[14-15]、响应机制[16-17]、驱动力分析[18]及其监测模拟与评价[19-20]等方面的研究。毕节是国务院批准成立的“开发扶贫、生态建设、人口控制”的综合改革试验区，是贵州垦殖指数最高、>25°陡坡地比重最高、人口密度最大、水土流失最严重、人民最贫困、生态环境最恶化的地区[21]，复杂的自然环境与剧烈的人类活动对LUCC产生的影响日益显著。【拟解决的关键问题】以西南喀斯特地区的毕节撒拉溪喀斯特高原山地石漠化综合治理示范区为研究区，基于GIS与RS技术对石漠化治理前(2009年)、中(2015年)和后(2019年)3期遥感数据进行解译，并基于Google Earth高分辨率影像和实地野外验证，对撒拉溪示范区的土地利用/覆被和景观格局动态变化进行定量分析，探讨石漠化综合治理、退耕还林还草、脱贫攻坚及农村产业结构调整对土地利用/覆被及景观格局变化的影响。

1 材料与方法

1.1 撒拉溪示范区概况

撒拉溪示范区位于贵州省西北部、毕节市西南部，六冲河流域支流区内，是喀斯特高原山地轻—中度石漠化区的典型代表，农业产业结构极不合理，农业产出与付出不成比例，农村贫困程度较深。示范区涉及2个乡镇的9个行政村，包括撒拉溪镇的朝营、钟山、冲锋、永丰、龙凤、沙乐、水营、撒拉和野角乡的茅坪，总面积8627.19 hm2，2015年喀斯特石漠化面积5593.08 hm2，占示范区面积的64.83%。示范区总人口20 215人，其中农业人口占99.62%，人口密度235人/km2。研究区属北亚热带湿润季风气候，出露有二叠系砂页岩、石灰岩和灰岩，大量峰丛洼地分布。土壤以地带性黄壤为主，少量黄棕壤和风化石灰土，旱地作物以玉米、薯类、豆类和烤烟为主，耕地多分布于坡面、台地和山间谷地，耕层浅薄，经果林以刺梨(Rosaroxburghii)、核桃(JuglansregiaL.)、板栗(CastaneamollissimaBL.)为主。区内水土流失以微度和中度为主，年平均降雨量为984.40 mm，降雨主要集中在5—9月，年平均气温为12 ℃，10 ℃以上积温4109 ℃，年均日照时数1261 h，无霜期258 d，海拔在1495～2200 m，整体地势东高西缓，地表呈现斜坡丘陵自然延伸的形态，是典型的喀斯特高原山地轻—中石漠化地区[22]。

1.2 数据来源与处理

遥感影像采用成像时间为2009年4月14日法国的SPOT5数据(全色波段空间分辨率2.5 m，多光谱波段空间分辨率10 m，传感器为HRG2，PATH为265，ROW为295/296)、2015年4月3日和2019年3月29日的Landsat8 OLI数据(全色波段空间分辨率15 m，多光谱波段空间分辨率30 m，影像条带号为128，列编号为41，数据级别为L1TP)，并辅以2018年10月31日的Google earth卫星数据(下载精度为17级，空间分辨率为2.38 m)，分别对全色波段和多光谱波段进行融合，从而保证示范区土地利用类型解译影像数据空间分辨率的一致。参照《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)并结合撒拉溪示范区的实际情况，将土地利用类型划分为耕地、有林地、灌木林地、疏林地、园地、草地、建设用地、水域和未利用地九大类。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用变化模型 土地利用动态度可用来定量描述区域土地利用变化的速度[23]。采用单一土地利用类型动态度、综合土地利用动态度及土地利用程度及其变化率模型分析撒拉溪示范区石漠化治理前后的土地利用/覆被变化过程和特征。

(1)单一土地利用动态度。单一土地利用动态度表征的是某一定时段内区域各土地利用类型数量变化情况，计算公式如下：

(1)

式(1)中，K为研究时段内某一种土地利用类型动态度，Ua、Ub分别为研究期初及研究期末的某一种土地利用类型面积，T为研究时段长，当T的时段设定为年时，K的值就是研究区某一土地利用类型的年动态度。

(2)综合土地利用动态度。运用综合土地利用动态度模型来定量描述土地利用类型变化速度的区域差异[24]，计算公式如下：

(2)

式(2)中，LC为研究时段内综合土地利用类型动态度，LUi为研究时段初期第i类土地利用类型的面积，LUi-j为研究时段内第i类土地转为非i类土地利用类型面积的绝对值，T为研究时段长。

(3)土地利用程度及其变化率。土地利用程度体现了土地利用在广度和深度的综合结果，不仅反映了土地利用中土地本身的自然属性，同时也反映了人类因素与自然环境因素的综合效应。土地利用程度及其变化率可定量地表达该地区土地利用的综合水平和变化趋势[25]。以刘纪远[26]从生态学的角度提出的土地利用程度分级标准为依据，将土地利用程度按照土地自然综合体在社会因素作用下的自然平衡状态分为若干级，并赋予分级指数，从而得出如下土地利用程度的定量化表达式[27]：

(3)

(4)

式(3)和(4)中，La为研究时段内区域土地利用程度综合指数，R为研究时段内区域土地利用程度变化率，Ai为研究区域内第i级土地利用程度分级指数，Ci为研究区域内第i级土地利用程度分级面积百分比，Cia为研究区域内研究期初第i级土地利用程度分级面积百分比，Cib为研究区域内研究期末第i级土地利用程度分级面积百分比，n为土地利用程度分级指数(表1)。

表1 土地利用程度分级与分级指数[27-28]

1.3.2 景观格局指数 景观格局指数高度浓缩了景观格局的信息，反映了土地利用类型的结构特征，更好地理解景观时空变化。将2009、2015和2019年的土地利用/覆被数据转换成栅格数据，在Fragstats 4.2 的支持下计算各时段土地利用类型的景观格局指数。结合研究区的实际情况和研究目的，根据景观格局指数所表达的生态学意义，应同生态过程、自然过程和人为过程相结合，参考前人研究[28-31]分别从斑块水平尺度选择斑块密度(PD)、形状指数(SI)、最大斑块指数(LPI)、分维度(FD)、破碎度(FN)5个度量指标，从景观水平尺度选择香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度(SHEI)、破碎度指数(FN1)、蔓延度指数(CONTAG)和聚合度指数(AI)5个度量指标，利用以上指标分析撒拉溪示范区生态治理前后的景观格局时空变化特征。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化

2.1.1 土地利用结构变化 从表2看出，撒拉溪示范区土地利用类型以耕地、灌木林地和有林地为主，2009、2015和2019年三者总面积分别占示范区总面积的95.52%、85.26%和83.61%。随着石漠化治理工程的持续开展、农业产业结构的快速调整和生态农业、经果林业和生态畜牧业的飞速发展，草地面积由2009年的154.45 hm2增加到2015年的927 hm2，但2019年有所减少，面积为743.84 hm2。园地面积从2009年的13.91 hm2显著增加到2019年的270.93 hm2。建设用地面积也在逐年增加，从2009年的149.57 hm2扩大到2019年的381.89 hm2；示范区内的未利用地主要是裸岩石砾地和裸土地，面积由2009年的53.56 hm2减少2019年的8.54 hm2，由此可见，10年间撒拉溪示范区的石漠化得到有效控制，生态逐步恢复。

表2 2009—2019年撒拉溪示范区不同土地利用类型面积

2.1.2 土地利用动态变化 (1)撒拉溪示范区建立至石漠化综合治理工程实施期间(2009—2015年)。从表3看出，此期间耕地、有林地、未利用地和疏林地面积减少，其中耕地、有林地面积减少最大，分别达722.29和626.79 hm2，未利用地和疏林地减少较小，仅11.75 hm2；灌木林地、草地、建设用地和园地面积增加，以灌木林地和草地面积增加迅速，分别达463.43和773.19 hm2，水域面积无变化。有林地的减少量与灌木林地和建设用地增加量相当，耕地的减少量与园地和草地的增加量相当。草地的动态变化度最大，达83.43%，说明其增加的面积最大，原因是退耕还林还草工程及部分撂荒耕地成草地，加上畜牧业的发展，草地面积增加。灌木林地的动态变化度最小，为2.53%。

(2)撒拉溪示范区石漠化综合治理生态产业模式和技术实施期间(2015—2019年)。从表3可知，此期间有林地和园地面积分别增加448.78和245.44 hm2，原因是退耕还林、特色经果林尤其是核桃、刺梨和桑树等生态产业的种植和园地的建设，导致林地和果园面积增加，以致园地的动态变化度最大，达240.72%。建设用地和疏林地有所增加，增加面积不大；耕地面积继续减少，但其动态变化度最小，仅为-1.56%。灌木林地和草地面积减少，但两者的动态变化度不大，分别为-2.83%和-4.95%。

表3 2009—2019年撒拉溪示范区不同时段土地利用类型变化情况

(3)整个研究期间(2009—2019年)的综合变化。2009—2019年期间，耕地、有林地、疏林地及未利用地的面积均减少，以耕地面积减少最大，达914.85 hm2，其次是有林地，为178.01 hm2，原因主要是国家的退耕还林还草和石漠化治理的林灌草生态修复工程；裸岩石栎地和裸土地等未利用地减少使石漠化程度有所减轻。草地、园地、建设用地用及灌木林地的面积均增加，其中，退耕还果还园导致研究期内园地和果地面积迅速增加，分别达257.02和589.39 hm2，动态变化度分别达184.77%和38.16%；建设用地中的工矿用地、交通用地和城镇居民点建设迅猛，原因是示范区内砂石矿山的开采、撒拉溪城镇的扩张以及毕威高速公路和脱贫攻坚中农村道路基础设施的建设。

2.1.3 土地利用程度变化 从图2看出，2009—2015年综合土地利用动态度比2015—2019年期间大，分别为2.72和2.24，可见在撒拉溪示范区建立至石漠化综合治理工程实施期间，示范区土地利用类型变化速度较石漠化综合治理生态产业模式和技术实施期间大，石漠化综合治理和退耕还林还草工程广度大，土地利用变化明显。撒拉溪示范区2009、2015和2019年3期土地利用程度综合指数分别为247.25、243.25和245.53，说明撒拉溪示范区内土地利用程度随着时间的变化呈现稍微下降趋势，但总体上变化不大。2009—2015年土地利用程度变化率为1.62%，2015—2019年土地利用程度变化率为0.94%，两阶段的土地利用程度变化率与综合土地利用动态度一致，均为2009—2015年大于2015—2019年。随着社会经济的发展、人口剧增等人类活动对区域土地利用的影响也越来越大，土地利用程度提高是必然的趋势，但是由于石漠化地区退耕还林还草工程、石漠化综合治理和生态产业技术的实施，减缓了示范区内土地利用程度变化率的增长，从而使土地的自然属性得到应用发挥，有利于土地资源的永续利用和可持续发展。

图2 撒拉溪示范区综合土地利用动态Fig.2 Comprehensive dynamic changes of land use in Salaxi Treatment Demonstration Area

2.2 景观格局变化

2.2.1 斑块水平景观格局变化 石漠化综合治理、退耕还林还草和城镇化进程中土地利用类型变化必将引起景观指数发生变化。从表4看出，整个研究阶段除水域不变外，2009—2015年期间有林地、灌木林地、园地、草地、建设用地和未利用地等景观要素的斑块密度显著增加，其中草地、建设用地、有林地和园地变化最大，表明石漠化治理工程和退耕还林还草工程实施后景观斑块的空间扩展能力增强，斑块物质能量之间的交换加大[32]。其他景观要素如耕地和疏林地略有减少，2015—2019年变化幅度减缓；形状指数和分维度表明斑块形状的复杂程度；2009—2015年林地、园地、建设用地的形状指数减小，其他地类有所增加，但变化不大，分维度变化不明显，主要是由于人为因素对林地和园地的干扰增加，形状趋于规则。2009—2015年间有林地、园地和建设用地最大斑块指数和破碎度指数增加明显，说明三者空间在增加的同时破碎化程度也在增大。耕地的最大斑块指数和破碎度指数有所增加，但增加量不大。灌木林地、草地和未利用地的最大斑块指数逐渐减小，而破碎度指数却有所增加。总之，2009—2015年间各种土地利用类型斑块水平景观指数变化明显，2015—2019年间变化差异不大，说明撒拉溪示范区自建立至石漠化综合治理工程及城镇化建设期间对景观斑块影响变化大，后期有所缓和。

表4 2009—2019年撒拉溪示范区斑块水平景观指数

2.2.2 景观水平景观格局变化 从表5看出，整个研究时段内撒拉溪示范区香农多样性指数呈不断上升趋势，从2009年的1.22上升到2019年的1.48，说明随着石漠化治理工程和退耕还林还草工程以及城镇化的不断推进，撒拉溪示范区景观多样性和异质性也随之增加；香农均匀度指数小幅上升，从2009年的0.55上升到2019年的0.67，2009—2015上升趋势较为明显，2015—2019年上升幅度较小，仅增加了0.05，说明撒拉溪示范区各类景观均匀度逐步上升；破碎度指数和蔓延度指数反映了景观的连通性、延展和破碎程度，破碎度指数增加，蔓延度指数减少。从2009—2019年，撒拉溪示范区破碎度指数逐年增加，且2009—2015年增加最大，从0.44增加到0.96。蔓延度指数逐年减少，从2009年的66.84下降到2019年的57.59，聚合度指数也有下降趋势但在2015—2019年略有上升但不明显，2009年、2015年和2019年的聚合度指数分别为94.86、91.45和91.78。石漠化工程、退耕还林还草工程[27]、交通道路建设[33]使得大面积景观被破坏侵蚀，导致撒拉溪示范区内景观破碎化程度增高、蔓延度下降、景观的连通性变差。总之，示范区内的人类活动导致了区内景观破碎化程度加大的同时，也降低了区内景观的连接度，但可能有利于生态环境的改善[34]。

表5 2009—2019年撒拉溪示范区景观水平的景观指数

3 讨 论

2009—2019年撒拉溪示范区土地利用/覆被变化明显，土地利用变化程度和速度加剧，尤其是2009—2015年示范区的建立和石漠化综合治理工程的实施，耕地面积减少最大，有林地面积减少次之，未利用地减少也导致示范区内石漠化面积减少，草地、园地和建设用地面积增加较大，这也得益于封山育林和生态扶贫，在产业结构调整的同时恢复了生态环境，实现了生态和脱贫的双赢，撒拉溪镇建档立卡贫困人口从2015年的10 809人(国扶办系统)减少到2020年的967人。随着生态产业模式和技术的开发，部分草地及坡耕地将是未来土地利用调整变化的重点，示范区耕地面积将继续减少，林地和园地面积继续增加。

撒拉溪示范区景观多样性和异质性增加，建设用地包括城镇居民点建设、工矿开采和交通用地等面积从2009年的149.57 hm2增加到2019年的381.89 hm2，增加了近2倍，使得大面积草地、有林地景观被破坏导致了区内景观破碎化程度增高、蔓延度下降、景观的连通性变差。因此，在后续的石漠化生态治理以及退耕还林还果工程中，保证特色经济林、果园数量增加的同时，应统筹考虑降低其他人类活动对生态景观格局的干扰影响，从而更多增进人类福祉，促进生态系统的健康发展。

4 结 论

耕地、有林地、灌木林地是撒拉溪示范区内主要的土地利用类型，随着退耕还林还草、石漠化治理的林灌草生态修复和农业产业结构调整等实施后，耕地面积减少最大，达914.85 hm2，灌木林地和草地面积增加，裸岩石栎地和裸土地等未利用地减少，石漠化减轻。园地面积迅速增加且动态变化度最大，建设用地面积增长迅猛。

2015—2019年间撒拉溪示范区土地利用程度呈下降趋势，区内石漠化综合治理、退耕还林还草还果和生态产业的布局，减缓了土地利用程度变化率的增长，使得土地的自然属性得到应用发挥。2009—2015年间土地利用类型斑块水平景观指数变化显著，2015—2019年间变化较缓，表明石漠化综合治理工程及城镇化建设期间对景观斑块影响变化大，后期有所缓和。

2015—2019年间撒拉溪示范区内景观多样性和均匀度上升、异质性增加，景观破碎化程度增高、蔓延度下降、景观的连通性变差。人类活动对土地利用的干扰程度加大，石漠化综合治理、退耕还林还草工程和建设工程对景观格局的影响大于退耕还果还园工程，但后者实现了生态和脱贫的双赢。