湘西岩溶区石漠化空间动态研究——以凤凰县为例

夏诗禹 彭 海 吴平英

(1.湖南省农林工业勘察设计研究总院 长沙 410007；2. 花垣县花垣镇自然资源所 湘西 416499)

岩溶石漠化是在中国西南部喀斯特脆弱生态环境条件下，由于自然或人为因素而导致的植被破坏、水土流失、基岩裸露、土地生产力衰退甚至丧失，使下垫面表现为类似于石质荒漠化的景观过程与结果[1,2]。中国西南喀斯特地区岩溶石漠化面积达1 007万 hm2，涉及贵州、云南、广西、湖南等8个省份，面积占所涉及省份国土面积的9.4%，其中湖南省石漠化面积125.10万hm2[3]，石漠化是严重制约中国西南喀斯特地区区域经济发展的重大生态环境问题[4]。

学者和林业主管部门将岩溶区土地划分为非石漠化土地、潜在石漠化土地和石漠化土地3种土地状况[5]，石漠化土地划分为轻度石漠化、中度石漠化、重度石漠化和极重度石漠化4种石漠化程度[6,7]。当前石漠化方面的研究主要集中于石漠化成因[8]、土壤侵蚀与地下产流[9]、植被修复[10]、生物群落结构[11]、流域综合治理[12]、治理模式[13]等学科基础和治理研究。随着“3S”技术的成熟，利用“空中”力量对石漠化土地进行时空精准监测成为信息林业在监测方面的实用性技术发展方向。为讨论5年间凤凰县石漠化综合治理及重点地区封山育林对石漠化土地的影响，利用2016年和2021年两期亚米级高分辨率卫星影像，对湖南凤凰县两期石漠化土地进行空间动态变化监测研究，探讨县域尺度下的石漠化演变过程，结合地区石漠化生态修复措施分析石漠化演变规律。

1 研究区概况

凤凰县(E109°16′6″～109°47′46″，N27°42′48″～28°20′13″)位于湖南省的西部，北接湘西州花垣县、吉首市，东与泸溪县接壤，南靠麻阳县，西邻贵州省松桃县、铜仁市，地处武陵山区，倚靠沱江，有中国“最美的小城之誉”。东西宽50 km，南北长66 km。全县国土面积174 462.00 hm2，占全省总面积的0.82%，全县岩溶地区面积151 077.58 hm2，占全县土地总面积31.35%。

2 数据与研究方法

2.1 研究数据及预处理

选取2016年及2021年SPOT-5遥感卫星影像为基础资料，成像时间为当年的5～6月。SPOT-5有5个工作波段，多光谱波段的空间分辨率为10 m，其中短波红外的空间分辨率为20.0 m，全色波段空间分辨率达到2.5 m，通过辐射定标、几何校正、大气校正及图像融合后，形成空间分辨率为2.5 m的遥感影像。

以2016年和2021年两期县域范围森林资源管理“一张图”为本底数据，提取并计算小班归一化岩石指数(NDRI)、归一化植被指数(NDVI)，用于基岩裸露度、综合植被盖度评价。计算公式如下：

NDRI=(B4-B3)/(B4+B3)；

NDVI=(B3-B2)/(B3+B2)。

式中，B4为SPOT-5卫星短波红外波段(1.58～1.78 μm)，B3为SPOT-5卫星近红外波段(0.78～0.89 μm)，B2为SPOT-5卫星红色波段(0.61～0.68 μm)。

2.2 研究方法

2.2.1 石漠化程度评价

利用森林资源管理“一张图”数据库和遥感影像提取数据来生成凤凰县两期石漠化小班信息。首先，结合2016年和2021年全县森林资源管理“一张图”提取林地范围和基本林地小班属性因子，并基于地质分布矢量数据对岩溶区和非岩溶区进行区分，获得县域范围内的岩溶区范围；通过SPOT-5波段运算提取NDRI、NDVI，用于计算岩溶区基岩裸露度和植被综合覆盖度；采用国家林业和草原局制定的《岩溶地区石漠化调查监测技术规定》[14]进行研究区石漠化土地石漠化程度分级，对岩溶区土地的基岩裸露度、植被类型、植被综合盖度、土层厚度进行分级评分，并依据四项评价指标得分求和(I)进行石漠化程度评价(表1、表2)。根据四项评价指标对岩溶区石漠化土地进行程度划分，各类指标及评价结果分别导入对应小班矢量数据，生成包含基岩裸露度、植被类型、植被综合盖度、土壤厚度、石漠化程度等多项因子的矢量图层。

表1 石漠化程度因子评定表

表2 石漠化程度分级评价标准

2021年9月，在生成的石漠化矢量数据基础上，分别随机选取凤凰县石漠化重点发生的筸子坪镇、禾库镇、沱江镇、山江镇、千工坪镇不同程度石漠化土地小班数的10%进行实地调查，确认石漠化程度评定因子是否正确。实地调查结果显示，石漠化土地小班856个，随机调查小班数量为86个，石漠化程度判定因子与2021年提取数据相符的有71个，提取数据准确度为82.56%。

2.2.2 动态分析

基于2016年和2021年两期石漠化矢量图层，利用空间转移矩阵全面描述研究区内石漠化土地的转变情况，刻画其时空演变过程。进行石漠化等级动态分析[15]，描述研究区域内石漠化类型和程度的变化情况，公式如下：

式中，K为不同石漠化程度变化动态度，Ua为研究区内该程度石漠化土地2016年的面积，Ub为研究区内该程度石漠化土地2021年的面积，T为两期研究间隔年限(即5 a)。

3 结果分析

3.1 石漠化总体动态特征

2016～2021年，凤凰县岩溶区范围面积由151 295.73 hm2减少为151 077.58 hm2，减少218.15 hm2，说明五年间需要监测的岩溶区调查范围缩小。非石漠化土地面积增加6 600.09 hm2，增幅为10.69%；潜在石漠化土地面积减少1 450.32 hm2，减少比例为2.19%；石漠化土地面积减少5 367.92 hm2，减少比例达23.00%。石漠化土地变化中，中度、重度、极重度石漠化土地分别减少4 804.07、798.8、250.33 hm2，减少幅度分别为44.23%、52.20%、92.02%，轻度石漠化土地增加485.28 hm2，增幅为4.55%(表3)。5年间凤凰县石漠化情况有较大程度改善，非石漠化土地增加，石漠化土地面积减少，中度以上石漠化程度土地面积大幅度减少，轻度石漠化土地增加，说明县域范围内石漠化综合治理效果良好，石漠化土地大面积转变为潜在或非石漠化土地，石漠化程度也在治理下由较严重石漠化向轻度、中度石漠化转变。

表3 2016年、2021年不同石漠化类型面积及比例

2016～2021年期间，凤凰县石漠化面积显著减少，石漠化程度大幅度减轻。图1-a中有较大面积的重度、极重度石漠化面积，分别占岩溶区总面积1.01%、0.18%，图1-b中则大幅度减少，占岩溶区总面积分别下降为0.48%、0.01%。石漠化土地面积也大幅度减少，石漠化土地所占比重由15.42%下降至11.89%。2021年，凤凰县石漠化土地面积主要在筸子坪镇、禾库镇、沱江镇、山江镇、廖家桥镇、千工坪镇、两林乡，在全县占比分别为14.92%、12.98%、10.06%、9.32%、7.96%、7.85%、6.76%(图1)。

图1 2016年(a)、2021年(b)石漠化土地程度及分布

全县151 077.58 hm2岩溶区土地在5年间的演变类型主要表现为稳定型，占比达87.99%；改善型土地为13 611.80 hm2，占比为9.01%，其中11 476.29 hm2为明显改善型，所占比例为7.60%；退化型土地为4 531.31 hm2，占比3.00%，其中退化严重加剧型4 248.81 hm2，所占比例为2.81%。

说明全县石漠化土地演变趋势整体向好，面积和程度均为顺向演变，但是有局部区域呈现退化类型，石漠化程度有加重趋势，主要位于千工坪镇，重度转变为极重度石漠化面积2.78 hm2，潜在石漠化转变为极重度石漠化面积0.70 hm2(表4)。

表4 石漠化演变类型统计表

3.2 石漠化转变分析

3.2.1 石漠化状况转变

2016～2021年，潜在石漠化土地转变为非石漠化土地2 615.18 hm2，占潜在石漠化土地转变面积的38.10%；潜在石漠化土地转变为石漠化土地各级程度均有转变，其中主要是转变为轻度石漠化，占比为42.91%，转变为重度、极重度石漠化面积分别为68.45、2.77 hm2，所占比例分别为1.00%、0.04%；轻度石漠化土地主要转变为潜在石漠化土地，面积为3 069.02 hm2，占轻度石漠化土地转变面积的77.60%；中度石漠化土地主要转变为潜在石漠化土地，面积为3 263.16 hm2，占中度石漠化土地转变的53.25%，其次为轻度石漠化土地，占比为29.25%；重度石漠化土地主要转变为潜在石漠化土地和中度石漠化，占比分别为58.46%、29.14%；极重度石漠化土地主要转变为潜在石漠化土地和重度石漠化土地，占比分别为50.71%、27.10%。从矩阵可以看出，全县石漠化情况逐渐向好，重度、极重度石漠化土地经过综合治理和生态修复措施，植被综合盖度增加，很大比例转变为潜在石漠化土地和较低程度的石漠化土地(表5)。

表5 2016年、2021年石漠化状况及程度转变矩阵 单位：hm2

3.2.2 石漠化转变速率

2016～2021年期间非石漠化土地不存在转变为其他石漠化土地的情况，因此针对石漠化转变速率不考虑非石漠化土地。5年间，石漠化土地总面积持续减少，其中中度、重度、极重度石漠化面积减少，轻度石漠化土地面积增加。石漠化土地面积共计减少5 367.92 hm2，平均年减少量为1 073.58 hm2，其中重度石漠化土地面积年均减少量最高，达到960.81 hm2·a-1。石漠化转变动态度反应不同石漠化状态和等级的动态速率，极重度、重度石漠化土地动态度分别为-18.40%、-10.44%，表明在2016～2021年间极重度和重度石漠化治理效果最为突出；中度、轻度石漠化土地动态度变化不显著，因为中度、轻度石漠化分布范围广、面积大，生态危害不严重，主要采取封山育林等封育措施，同时存量基数较大，导致动态变化不显著(表6)。

表6 2016～2021年石漠化土地程度与变化

4 结论与讨论

运用“3S”技术，基于遥感影像数据，并结合实地抽样调查，提取了2016年和2021年凤凰县石漠化土地分布特征，分析了5年间凤凰县石漠化土地空间动态变化特征，得出以下结论：

(1)凤凰县石漠化治理成果显著，石漠化土地面积减少，石漠化程度降低。石漠化面积减少5 367.92 hm2，占岩溶区土地面积比重由15.42%下降至11.89%；中度、重度、极重度石漠化土地分别减少4 804.07 、798.80、250.33 hm2。

(2)石漠化土地演变类型以稳定型为主，其次是明显改善型，严重退化加剧型也占据一定比例，表明凤凰县岩溶区石漠化情况总体是顺向发展，但局部地区由于改变林草结构或征占用林地导致石漠化土地逆向发展，主要位于千工坪镇，极重度石漠化增量较多。

(3)从石漠化转变情况分析得知，重度、极重度石漠化土地经过综合治理和生态修复措施，植被综合覆盖度增加，很大比例转变为潜在石漠化土地和较低程度的石漠化土地。

(4)石漠化面积动态区域主要集中在北部筸子坪镇、禾库镇、千工坪镇等山区，极重度、重度石漠化范围大幅度减少。县域范围石漠化土地顺向演变面积、占比明显大于逆向演变，生态修复效果突出。

石漠化状况转变主要方向为石漠化土地向潜在石漠化土地、非石漠化土地转变，极重度、重度石漠化土地向潜在石漠化土地及轻度、中度石漠化土地转变，与陈利[16]在冷水江市、卢涛[17]在云南开展的研究趋势一致。石漠化土地转变面积最大为中度石漠化土地，或是由于封禁管理及农村劳动人口流失，对山林的破坏程度较以前大幅度降低，林分自然恢复使得中度石漠化土地面积大面积减少；转变动态度最突出为极重度石漠化土地，则是由于极重度石漠化面积较少，且较为明显，多作为石漠化综合治理的示范区，通过工程措施和林草措施，能够在短时间内提升土地植被综合覆盖度。凤凰县地处武陵山区，部分地区山高坡陡，由于早期人为因素导致的生态破坏人工修复较为困难，以封山育林(草)措施为主，减少人为干扰，采取自然修复更符合自然规律；针对极重度、重度石漠化地区，集中专项资金重点攻克，在采用人工促进天然更新的基础上尽量减少深层土壤扰动和对原生植被的破坏。

基于“3S”技术进行的石漠化空间动态分析，能够较为精准地提取石漠化分布情况，可以就石漠化空间变化作初步分析，但是针对石漠化土地的变化缺乏社会、经济发展因素方面的分析讨论，例如施金谷[18]在研究中结合土地利用情况分析出最易发生石漠化的地类。同时在石漠化成因等方面未进行探讨，应当收集更充分的资料结合遥感监测进行分析讨论[19]。下一步工作将结合石漠化植被类型分布、综合治理工程实施现状及林业信息技术，针对岩溶区生态修复进行探讨，以期为武陵山区石漠化综合治理提供参考。