巖溶地區(qū)土地利用和土地覆被與石漠化的相關(guān)性——以后寨河地區(qū)為例

李陽(yáng)兵,王世杰,程安云,羅光杰

(1.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,550001,貴陽(yáng);2.重慶師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,400047,重慶;3.中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,550002,貴陽(yáng))

巖溶地區(qū)土地利用和土地覆被與石漠化的相關(guān)性
——以后寨河地區(qū)為例

李陽(yáng)兵1,2,王世杰3,程安云3,羅光杰1

(1.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,550001,貴陽(yáng);2.重慶師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,400047,重慶;3.中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,550002,貴陽(yáng))

根據(jù)西南喀斯特地區(qū)的土地利用和土地覆被特點(diǎn),探討喀斯特土地石漠化的本質(zhì)特征。以貴州省普定縣后寨河地區(qū)為案例,根據(jù)研究區(qū)不同季節(jié)的影像特征,在概念上闡明土地覆被與土地利用和石漠化之間的關(guān)系,并提出在判斷喀斯特石漠化時(shí)要考慮地表的土地利用和土地覆被特征;指出研究區(qū)的石漠化土地為全年植被蓋度低于10%的植被貧瘠區(qū)灰色覆被,從生態(tài)演替的角度把單峰型季節(jié)性綠色覆被即草坡劃歸為潛在石漠化土地?；谕恋乩?土地覆被的石漠化分類評(píng)價(jià)方法,能夠使所劃分的石漠化土地具有明確的含義,無(wú)疑會(huì)更為準(zhǔn)確并具有更強(qiáng)的實(shí)用性,對(duì)石漠化土地的治理更具有針對(duì)性。

土地利用;土地覆被;土地石漠化;后寨河地區(qū)

土地石漠化是指在我國(guó)南方濕潤(rùn)地區(qū)、碳酸鹽巖發(fā)育的喀斯特脆弱生態(tài)環(huán)境下,由于人為干擾造成植被持續(xù)退化乃至喪失導(dǎo)致的水土資源流失,土地生產(chǎn)力下降,基巖大面積裸露于地表而呈現(xiàn)類似荒漠景觀的土地退化過(guò)程[1]。目前,在喀斯特石漠化評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇和石漠化強(qiáng)度與等級(jí)的劃分等方面尚缺乏深入研究,如在目前的實(shí)際工作中,將巖石裸露所占面積超過(guò) 70%的地帶劃分為石漠化地區(qū)[2],裸露的碳酸鹽巖面積小于 50%的地區(qū)劃分為無(wú)明顯石漠化區(qū)[3],或?qū)r石裸露面積大于土地總面積70%的土地劃分為嚴(yán)重石漠化土地,巖石裸露面積占土地總面積的50%～70%的土地劃分為中度石漠化土地,巖石裸露面積占土地總面積的 30%～50%的土地劃分為輕度石漠化土地[4],或認(rèn)為基巖裸露率 60%～70%為輕度石漠化[5],或認(rèn)為輕度石漠化基巖裸露率為 31%～50%,輕度等級(jí)以上的石漠化稱為石漠化土地,其占貴州全省土地面積的23.3%[6],或以巖性、小生境種數(shù)、小生境組合、裸露石面面積、石礫含量和土壤總量,將喀斯特石漠化分為顯性石漠化和隱性石漠化[7]。以上石漠化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系存在的問(wèn)題是:在概念上對(duì)石漠化和石漠化土地的本質(zhì)認(rèn)識(shí)不清,對(duì)二者進(jìn)行任意轉(zhuǎn)換;盡管已認(rèn)識(shí)到石漠化以強(qiáng)烈的人類活動(dòng)為驅(qū)動(dòng)力,但石漠化分類評(píng)價(jià)中并沒(méi)有考慮到土地利用這一主要影響因子[8],沒(méi)有考慮石漠化土地的土地覆被類型。因此,現(xiàn)行的石漠化程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),難以滿足石漠化成因分析、石漠化治理規(guī)劃編制和治理措施選擇的需要[9]。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)正致力于生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化,而且已綜合土地利用與土地覆被變化而進(jìn)行土地持續(xù)利用模型研究[10]。筆者引入土地利用與土地覆被科學(xué)的新觀念,進(jìn)行西南巖溶山地土地石漠化的理論研究,在概念上理清土地覆被與石漠化之間的關(guān)系,并根據(jù)研究區(qū)不同季節(jié)的影像特征,探討基于土地利用與土地覆被的石漠化分類評(píng)價(jià)方法,以期為喀斯特石漠化理論的進(jìn)一步研究,如石漠化土地分類治理和植被恢復(fù)與生態(tài)重建工作等提供參考。

1 土地利用、土地覆被與喀斯特石漠化

1.1 土地利用與土地覆被的新詮釋

土地覆被是一個(gè)與全球環(huán)境變化研究直接相關(guān)的新概念,國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)和國(guó)際全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃(IHDP)將土地覆被定義為“地球陸地表層和近地面層的自然狀態(tài),是自然過(guò)程和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果”。美國(guó)全球環(huán)境變化委員會(huì)(USS-GCR)將其定義為“覆蓋著地球表面的植被及其他特質(zhì)”。土地利用是人類應(yīng)用這些屬性的目的和打算,實(shí)質(zhì)就是地表人工化工程,它對(duì)周?chē)h(huán)境的影響是深遠(yuǎn)的[11],其方式一經(jīng)確定必將產(chǎn)生各種干擾作用。當(dāng)前,土地利用與土地覆被科學(xué)取得了很大的進(jìn)展,認(rèn)為“土地覆被”強(qiáng)調(diào)地表的物理特性,“土地利用”強(qiáng)調(diào)土地的社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性,“植被”強(qiáng)調(diào)植物的種類和群落,區(qū)分三者的目的是增強(qiáng)土地調(diào)查的科學(xué)性和調(diào)查資料的可比性[12]。土地利用是土地覆被動(dòng)態(tài)變化的外在驅(qū)動(dòng)力,植被是其主要的、也是最重要的組成成分,土地覆被與土地利用和植被的一個(gè)根本區(qū)別在于它具有更強(qiáng)的時(shí)相性[13]。

1.2 喀斯特地區(qū)的土地利用特點(diǎn)

喀斯特山地環(huán)境脆弱,地形起伏變化大,地表破碎,中小尺度土地利用格局變化較大,形成以裸露的巖溶荒山為基質(zhì)、耕地斑塊和林地斑塊分布其中的景觀模式。主要表現(xiàn)為在不宜耕作的坡度和海拔地形進(jìn)行農(nóng)牧生產(chǎn),不僅農(nóng)業(yè)產(chǎn)量低,而且會(huì)因此引發(fā)植被退化、水土流失、石漠化等嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。在不同土地利用類型的更替過(guò)程中,除成熟天然林外,其余的土地利用類型都可能存在不同程度的巖石裸露現(xiàn)象,貴州省石漠化野外調(diào)查中也證明了這一點(diǎn)[14-15]。不同的土地利用方式和不同土地利用類型對(duì)喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的干擾效應(yīng)和干擾過(guò)程是不一樣的,導(dǎo)致的土地退化過(guò)程、退化程度、退化群落特征也各不相同,最終表現(xiàn)在恢復(fù)方式和恢復(fù)難度上也存在差異。

1.3 喀斯特地區(qū)的土地覆被

土地覆被類型反映土地覆被變化的年平均狀況?？λ固氐貐^(qū)多耕地、灌叢草坡,受氣候條件的影響較大,凈第一性生產(chǎn)力整體波動(dòng)性比非喀斯特地區(qū)的大[16]?？λ固氐貐^(qū)的土地覆被具有季節(jié)性變化大和不同土地利用的土地覆被特點(diǎn)趨同 2個(gè)特點(diǎn),依據(jù)土地覆被狀況的季節(jié)性變化特征曲線,可以將喀斯特地區(qū)土地覆被類型劃分為:1)單峰型季節(jié)性綠色覆被(一年一作的農(nóng)田);2)單峰型季節(jié)性綠色覆被(草坡);3)常綠覆被(常綠闊葉林最典型);4)單峰型季節(jié)性綠色覆被(落葉闊葉林、落葉針葉林、落葉灌木林);5)季節(jié)性綠色覆被(高度混合的地表覆被,如作物、草灌混合覆被等);6)灰色覆被(植被貧瘠區(qū),如裸巖、建設(shè)用地);7)藍(lán)色覆被(水體)。

1.4 土地利用和土地覆被與喀斯特石漠化

不同研究者都認(rèn)為喀斯特石漠化以土地生產(chǎn)力退化為本質(zhì),以出現(xiàn)基巖大面積裸露的類似荒漠景觀為標(biāo)志[1,17],但具體評(píng)價(jià)指標(biāo)尚有分歧。而不管怎樣評(píng)價(jià)石漠化,都不能回避人類驅(qū)動(dòng)力—土地利用—土地覆被—石漠化這一過(guò)程,喀斯特石漠化的成因與土地利用有關(guān),喀斯特石漠化的現(xiàn)狀又是一種土地覆被狀態(tài),即不恰當(dāng)土地利用形成的一種類似荒漠的地表灰色土地覆被狀態(tài),也就是說(shuō),在夏季植被生長(zhǎng)最好的時(shí)候還是基巖連片裸露的植被貧瘠區(qū),其植被蓋度沒(méi)有表現(xiàn)出隨時(shí)間的變化規(guī)律。而對(duì)于單峰型季節(jié)性綠色草坡覆被等,其夏季是綠山,冬季是荒山,應(yīng)屬于自然界正常的季節(jié)變換,不屬于石漠化的范疇。

根據(jù)上述分析,在判斷是否為喀斯特石漠化時(shí),要考慮地表的土地利用和土地覆被特征。而目前的石漠化現(xiàn)狀調(diào)查和石漠化分類評(píng)價(jià)研究中,往往只根據(jù)單一時(shí)相地表覆被現(xiàn)狀進(jìn)行石漠化程度分級(jí),既沒(méi)有考慮到這一狀態(tài)是處于何種土地利用方式,也沒(méi)有進(jìn)一步分析該覆被類型的季節(jié)性變化,因此,得出的結(jié)論往往是不準(zhǔn)確的,不利于石漠化土地的治理和生態(tài)恢復(fù)。

2 案例研究

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)后寨河地區(qū)位于黔中高原安順市普定縣境內(nèi),處于長(zhǎng)江流域和珠江流域的分水嶺地區(qū),總面積 74.15 km2,包括馬官鎮(zhèn)、余官鄉(xiāng)以及 2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)的打油寨、陳旗堡、趙家田、下壩、白旗堡等居民點(diǎn)。區(qū)內(nèi)地勢(shì)東南高,西北低。海拔一般為 1 100～1 400m,最高 1 568m,最低 1 257m。相對(duì)高差平均在 250～300 m,最大達(dá) 311 m。后寨河地區(qū)三疊系碳酸鹽巖廣泛分布,巖溶地貌分布較廣,其中西部為峰林 -盆地,中部為峰林 -洼地,東南部為峰林 -谷地,東北部為丘陵 -洼地。后寨河是區(qū)內(nèi)唯一的地表河流,河流明暗交替,為季節(jié)性河流;后寨河地下河水系相當(dāng)發(fā)育,徑流常年不斷,為本區(qū)重要的供水水源。

2.2 研究區(qū)土地利用

根據(jù)研究區(qū)的土地利用特點(diǎn)和 1∶1萬(wàn)地形圖、2004年 10月 2.5m分辨率 SPOT影像(圖 1),結(jié)合野外調(diào)查,把研究區(qū)的土地利用分為水田、平壩旱耕地(＜7°)、緩坡旱耕地(7°～ 15°)、陡坡旱耕地(15°～ 25°)、有林地、稀疏林地、灌木叢 、高被草地、低被草地、鄉(xiāng)村居民點(diǎn)、工礦用地、鄉(xiāng)村道路、水體和裸巖地 14種類型(圖 2),所占比例分別為 26.71%、2.39%、20.64%、7.01%、8.42%、3.42%、13.22%、2.78%、4.25%、3.19%、0.50%、1.39%、1.62%、4.23%。為滿足石漠化評(píng)價(jià)的需要,將稀疏林地和稀疏草地從郁閉灌叢和高覆蓋度草地中區(qū)分出來(lái)。

2.3 研究區(qū)土地覆蓋

根據(jù)研究區(qū)的土地利用特點(diǎn),結(jié)合 2004年 12月 15m分辨率的 ASTER影像(圖 3(a))、2005年 9月的 19.5m分辨率中巴影像(圖 3(b))和 2007年 5月 10m分辨率的 SPOT影像(圖 3(c))所表現(xiàn)的地表覆蓋季節(jié)變化特征,研究區(qū)的土地覆被可劃為農(nóng)田覆被、季節(jié)性綠色覆被(草坡)、常綠林地覆被、季節(jié)性木本覆被、植被貧瘠區(qū)灰色覆被(全年植被蓋度低于 10%)、建設(shè)用地灰色覆被和水體覆被,其面積百分比分別為 49.84%、14.12%、8.42%、16.64%、4.23%、5.12%、1.62%。農(nóng)田覆被分布于平壩,常綠林地覆被分布于丘陵頂部,草坡一般分布于坡麓和陡峭的山脊,而植被貧瘠區(qū)一般分布于緩丘,被農(nóng)田或草坡所包圍(圖 4)。

2.4 基于土地利用/土地覆被的研究區(qū)石漠化評(píng)價(jià)

根據(jù)前面的討論,研究區(qū)的植被貧瘠區(qū)被劃分為石漠化土地,石漠化面積占研究區(qū)總面積的4.23%,而草坡從生態(tài)系統(tǒng)演替的角度看,相對(duì)于本地的地帶性植被發(fā)生了退化,如進(jìn)一步干擾破壞,可退化成植被貧瘠區(qū);因此,筆者把草坡劃歸為潛在石漠化,其他土地覆被類型劃歸為無(wú)石漠化(圖 5)。

2.5 討論

2.5.1 與當(dāng)前石漠化分類的比較 在巖溶山地,從影像上能夠直接判讀的有水田、林地、灌木林地、疏林地、居民點(diǎn)、水域、旱地、荒山荒地、草坡等類型,但是,由于巖溶山地地貌、巖性復(fù)雜,土地利用結(jié)構(gòu)復(fù)雜,使一些影像像元不完全是某一單一地類的反映,造成坡耕地與荒山、疏林、草地混淆而出現(xiàn)判讀錯(cuò)誤。例如:石旮旯土的土層淺薄、土被不連續(xù)、巖石出露率高,土壤深藏于石縫間,當(dāng)未種植農(nóng)作物時(shí),從山坡下往上看呈現(xiàn)嚴(yán)重石漠化景觀,但事實(shí)上仍是群眾長(zhǎng)年的耕種地。有作物生長(zhǎng)時(shí),作物的覆蓋度可達(dá) 1/2左右,而較明顯地屬于耕地,同時(shí),石旮旯土的復(fù)種率很低,一般一年只種一次旱生作物,作物生長(zhǎng)的時(shí)間只是 4個(gè)月左右;有稀疏草坡的裸巖地在土地利用上可歸為低覆蓋草地;疏林地,特別是在冬季,當(dāng)樹(shù)葉全落光后,其在影像上與裸巖非常相似。

圖 1 研究區(qū) 2004年 10月 2.5m分辨率 SPOT影像圖Fig.1 SPOT image(resolution at 2.5m)of study area in October,2004

圖 2 研究區(qū)土地利用圖Fig.2 Land usemap of study area

圖 3 研究區(qū)不同季節(jié)影像圖Fig.3 Images of different seasons in study area

圖 4 研究區(qū)的土地覆被Fig.4 Land covermap of study area

圖 5 研究區(qū)石漠化分布圖Fig.5 Rocky desertification map of study area

由于這些特點(diǎn),單一時(shí)相的影像不能準(zhǔn)確解譯石漠化,因此,筆者根據(jù)石漠化的定義,提出根據(jù)巖溶山地土地利用和土地覆被類型的季節(jié)性變化特點(diǎn),把全年植被蓋度低于 10%的植被貧瘠區(qū)劃分為石漠化,退化的草坡生態(tài)系統(tǒng)定義為潛在石漠化。進(jìn)一步,可以根據(jù)植被貧瘠區(qū)土地利用方式的差別對(duì)石漠化土地進(jìn)行類型劃分而不再進(jìn)行石漠化程度的分級(jí)。這種石漠化分類方法,能夠與土地利用方式和地表覆蓋類型對(duì)應(yīng)起來(lái),使所劃分的石漠化土地具有明確的含義。實(shí)際上,在 2001年,王瑞江等[2]在研究貴州六盤(pán)水市石漠化時(shí)就提出將裸露巖石所占面積達(dá) 70%以上的地帶劃分為石漠化地區(qū),而沒(méi)有進(jìn)行輕度、中度和強(qiáng)度石漠化的劃分,與筆者的思路是一致的。

圖6 研究區(qū)石漠化分布圖Fig.6 Rocky desertificationmap of study area

貴州省發(fā)改委利用 2004年 12月的 ASTER影像解譯得出的石漠化分布圖[18](圖 6),是根據(jù)單一時(shí)相影像解譯的結(jié)果,其結(jié)果為研究區(qū)無(wú)石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化和強(qiáng)度石漠化面積分別占研究區(qū)總面積的 51.84%、12.71%、15.48%、16.37%、3.60%,但這種分類劃分出的輕

度、中度和強(qiáng)度石漠化土地對(duì)應(yīng)的可能是相應(yīng)的坡耕地、灌叢地、疏林地和草坡等,輕、中和強(qiáng)度石漠化土地的含義不明確;因此,筆者提出的根據(jù)土地利用和土地覆被的季節(jié)性變化特點(diǎn)進(jìn)行石漠化土地的判斷和分類,無(wú)疑會(huì)更為準(zhǔn)確和具有更強(qiáng)的實(shí)用性,對(duì)石漠化土地的治理更具有針對(duì)性。

2.5.2 建議 受條件所限,沒(méi)有采用 8月份(植被生長(zhǎng)的最高峰)的高分辨率影像,但筆者的方法無(wú)疑為石漠化研究提供了新思路。為了進(jìn)行大面積的石漠化分析,可采用粗分辨率的土地覆蓋圖來(lái)監(jiān)測(cè)大尺度的發(fā)生石漠化的熱點(diǎn)區(qū)域,然后對(duì)這些熱點(diǎn)區(qū)域再用高分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)分析。

3 結(jié)論

1)提出了基于土地利用與土地覆被的季節(jié)性變化特點(diǎn)進(jìn)行石漠化土地評(píng)價(jià)的方法,認(rèn)為喀斯特石漠化是不合理的土地利用方式形成的喀斯特地區(qū)特有的一種地表覆被類型。

2)證明了根據(jù)土地利用和土地覆被的季節(jié)性變化特點(diǎn)進(jìn)行石漠化土地的判斷和分類的方法是可行的。與當(dāng)前普遍采用的根據(jù)單一時(shí)相影像解譯,把石漠化土地劃分為輕度、中度和強(qiáng)度等的做法相比,該方法使劃分的石漠化土地更具有明確的含義,更有科學(xué)性和實(shí)用性。

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Relationship between land use/land cover and rocky desertification in karst areas:Houzhai catchments in Puding County,Guizhou Province an example

Li Yangbing1,2,Wang Shijie3,Cheng Anyun3,Luo Guangjie1

(1.College of Geography and Environmental Science,Guizhou Normal University,550001,Guiyang;2.College of Geography Science,Chongqing Normal University,400047,Chongqing;3.State Key Laboratory of Environmental Geochemistry,Institute of Geochem istry,CAS,550002,Guiyang:China)

The paper aim atelucidating theessential characteristics of rocky desertification land based on the characteristics of land use/land cover and rocky desertification in southwestern karst areas in China.Houzhai catchments in Puding County,Guizhou Province was chosen as a case study to clarify the relationship between land use/land cover and rocky desertification according to the remote image of different seasons.So,this paper suggests that the characteristics of land use or land cover should be taken into consideration when discriminating rocky desertification,and reveals that rocky desertification land is thosewhose annual vegetation coverage lower than 10%,characterized by poorly grey coverage;while potential ones are those grass slope lands,characterized by seasonal single peak type green coverage from ecological succession viewpoint.Thismethod which relate land use/land cover to classify and evaluate rocky desertification land,can make each kind of rocky desertification land has a definite meaning,therefore are more accurate and practical,hence more pertinent in the rehabilitation of those desert lands.

land use;land cover;land rocky desertification;Houzhaicatachments

2009-03-18

2009-11-01

項(xiàng)目名稱:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“西南喀斯特石漠化的時(shí)空格局變化和驅(qū)動(dòng)力”(2006CB403201);中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程“巖溶山地土壤與植被關(guān)聯(lián)退化過(guò)程”(kzcx2-yw-306);貴州省自然科學(xué)基金“石漠化地區(qū)裸巖土壤斑塊與景觀格局關(guān)系模擬研究”(黔科合 J字(2005)2077號(hào))

李陽(yáng)兵(1968—),男,博士后,教授。主要研究方向:土地資源與生態(tài)環(huán)境治理。E-mail:li-yapin@sohu.com.

(責(zé)任編輯:宋如華)