喀斯特石漠化演變軌跡的典型案例研究
——以貴州盤縣為例

李陽兵，王世杰，羅光杰，程安云

(1.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽 550001; 2.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽 550002)

喀斯特石漠化演變軌跡的典型案例研究
——以貴州盤縣為例

李陽兵1，王世杰2，羅光杰1，程安云2

(1.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽 550001; 2.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽 550002)

本文以1974年MSS、1999年TM、2007年TM影像為基本數(shù)據(jù)源，輔以實(shí)地踏勘，考慮一個(gè)完整的峰叢洼地等，扣除其平壩部分后作為評價(jià)單元，獲得了貴州省盤縣3個(gè)時(shí)期的石漠化數(shù)據(jù)并計(jì)算了石漠化和無石漠化土地的演變軌跡。相應(yīng)于1974年、1999年、2007年3個(gè)時(shí)段，研究區(qū)土地退化演變軌跡可分為8種，并可進(jìn)一步歸納為不變型、逆轉(zhuǎn)減弱型、反復(fù)型和加重型4種演變過程類型，從1974年、1999年到2007年未發(fā)生過變化的不變型軌跡面積占較高的比例。研究區(qū)的喀斯特土地可分為石漠化土地、無石漠化土地、石漠化已恢復(fù)土地和潛在可恢復(fù)石漠化土地。

石漠化;演變軌跡;空間格局;貴州盤縣

0 引言

石漠化是近百年來發(fā)生在中國西南部喀斯特地區(qū)的一種典型土地退化現(xiàn)象，是巖溶環(huán)境脆弱性加上人類不恰當(dāng)?shù)耐恋乩酶蓴_形成的［1］。目前對單一時(shí)段的石漠化研究較多，闡述了石漠化土地的監(jiān)測評價(jià)［2］、空間分布與巖性的關(guān)系［3］、石漠化土地的景觀結(jié)構(gòu)特征［6－7］;但對石漠化在近幾十年來的演變研究較少，或研究時(shí)間間隔太短，不能反映石漠化土地的變化過程，得出的結(jié)論難以令人信服［8－9］。研究時(shí)段達(dá)30年石漠化研究成果很少［10－11］，且這些成果采用的石漠化土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的方法只是定量地反映了石漠化等級類型的數(shù)量變化，而不能在空間反映出某一石漠化圖斑的連續(xù)演替過程?？λ固厥芯恳訌?qiáng)過程的研究，把石漠化現(xiàn)狀研究和演化歷史有機(jī)地結(jié)合起來，弄清石漠化土地變化的類型、變化的原因及其空間分布，才能切實(shí)對石漠化地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)重建起到指導(dǎo)作用。

土地覆蓋演變軌跡是對環(huán)境和人類活動最重要的響應(yīng)之一［12］，對了解土地覆蓋變化的高度時(shí)空復(fù)雜性很有必要［13］，時(shí)間序列的遙感數(shù)據(jù)被越來越多的用于研究變化跡線［14］。因此，本文針對目前注重石漠化的“現(xiàn)象研究”，而忽視其歷史的“過程研究”，選擇貴州省典型石漠化地區(qū)盤縣，利用土地覆蓋演變軌跡的方法結(jié)合1974年、1999年和2007年的遙感數(shù)據(jù)，著重解決以下2個(gè)問題:(1)不同等級的石漠化土地和無石漠化土地是怎樣演變的?其演變過程能否指示石漠化未來的演變格局?(2)石漠化土地動態(tài)變化過程對石漠化評價(jià)和石漠化土地治理的啟示。旨在為石漠化的基礎(chǔ)研究和石漠化治理提供一種思路。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)的來源和校正

研究區(qū)概況及其石漠化和土地利用分布見文獻(xiàn)［4，15］。研究區(qū)喀斯特石漠化數(shù)據(jù)主要來源于1974 年MSS、1999年TM、2007年TM影像解譯數(shù)據(jù)。首先以1∶5萬地形圖為基礎(chǔ)控制依據(jù)，在遙感圖像和地形圖上選擇穩(wěn)定、明顯的對應(yīng)地物作為控制點(diǎn)，糾正誤差控制在1個(gè)像元左右，以保證長時(shí)間序列中的多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)不發(fā)生明顯的空間位置偏移，因MSS影像空間分辨率較低，輔以利用1963年測繪的1∶5萬地形圖，通過地形特征的限制盡量提高M(jìn)SS影像的解譯精度。本文選取石漠化評價(jià)單元時(shí)，主要考慮以一個(gè)完整的地貌單元為評價(jià)單元，以峰叢洼地為例，扣除洼地底部平坦部分，根據(jù)洼地四周峰叢坡面上的巖石裸露率和裸巖分布部位、植被類型和植被季節(jié)變化特征(表1)，結(jié)合研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀、地形圖、土壤圖以及實(shí)地調(diào)查，生成1∶5萬喀斯特石漠化圖(圖1)。本文所指的喀斯特石漠化不包括非碳酸鹽巖區(qū)的巖石裸露。坡度圖來源于根據(jù)1∶5萬地形圖數(shù)字化的DEM，地貌數(shù)據(jù)來源于1∶50萬的貴州省地貌類型圖。在2004年和2007年進(jìn)行了2次實(shí)地踏勘，通過實(shí)地調(diào)查訪問以解決解譯過程中遇到的同物異譜問題，為了驗(yàn)證1974年MSS影像對石漠化的解譯精度，特調(diào)查了在1974年MSS、1999年TM、2007年TM影像上均表現(xiàn)為強(qiáng)烈石漠化的圖斑，與實(shí)地情況明顯一致，證明利用MSS影像研究縣級尺度的石漠化分布是可行的。

1.2 研究方法

獲得1974年、1999年、2007年3個(gè)時(shí)段的石漠化分布圖后，將3個(gè)時(shí)段的石漠化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成30m× 30m柵格，運(yùn)用ARCGIS軟件中的圖層代數(shù)運(yùn)算方法得到石漠化的演變軌跡。從無石漠化土地到極強(qiáng)度石漠化土地經(jīng)過3個(gè)時(shí)期將產(chǎn)生216種可能的演變軌跡。

為簡化運(yùn)算，本文把輕度以上強(qiáng)度(13～16)石漠化統(tǒng)稱為石漠化土地，只探討最有代表性的演變軌跡。

表1 喀斯特石漠化強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)表Table 1 Classification criterion of karst rocky desertification

2 結(jié)果分析

2.1 盤縣石漠化演變軌跡

本文把輕度及其以上等級(13～16)石漠化統(tǒng)稱為石漠化土地，根據(jù)1974年、1999年到2007年盤縣喀斯特地區(qū)土地的石漠化等級狀態(tài)的變化，盤縣石漠化和無石漠化土地在3個(gè)時(shí)期可分為石漠化－石漠化－石漠化、無石漠化－石漠化－石漠化等8種演變軌跡(表2)。

3個(gè)時(shí)期中一直為石漠化土地的面積1060.92km2;由石漠化土地逆轉(zhuǎn)減弱為無石漠化土地的面積為140.40km2;在石漠化和無石漠化之間反復(fù)變動的面積占167.63 km2;由無石漠化轉(zhuǎn)變成石漠化土地，石漠化程度加重的面積占11.66 km2(表2)?？偟膩碚f，逆轉(zhuǎn)的趨勢大于加重的趨勢。從1974年、1999年﹑2007年，3個(gè)時(shí)期的石漠化總面積變化不明顯，但土地退化軌跡表明3個(gè)時(shí)期盤縣土地仍存在著復(fù)雜和較大數(shù)量的轉(zhuǎn)化，2007年石漠化土地面積明顯減少.但局部有惡化加重的趨勢。

8種演變軌跡進(jìn)一步可分為不變型、逆轉(zhuǎn)減弱型、反復(fù)型和加重型4種演變類型，每一種演變軌跡和類型都有明確的生態(tài)含義，反映了盤縣土地在自然因素和人為因素綜合作用下的不同演變軌跡(圖2)。

表2 盤縣石漠化1974－1999－2007年土地演變軌跡和演變類型Table 2 Land degradation tracks and types of 1974－1999－2007a

圖1 盤縣1974，1999和2007年喀斯特石漠化空間分布Fig.1 Distribution map of karst rocky desertification land in study area in 2007(a)，1999(b)and 1974(c)

表3 不變型演變類型下的喀斯特石漠化強(qiáng)度組成Table 3 Percentage of the unchanged land

圖2 盤縣石漠化1974－1999－2007年土地演變軌跡Fig.2 Land degradation tracks of 1974－1999－2007，in Panxian County

4種類型配合石漠化強(qiáng)度還可進(jìn)一步劃分。以不變型為例，可分為11－11－11、12－12－12等6種強(qiáng)度演變軌跡。盤縣2007年的退化土地中，從1974～2007年不變形演變類型的面積占較高的比例(表3)，如極強(qiáng)度石漠化(16)有95.4%是未發(fā)生過變化。這反映了石漠化土地，尤其是退化程度高的石漠化土地，如其發(fā)生的特定地質(zhì)、地貌和人為干擾條件不改變，石漠化土地一旦形成，其恢復(fù)是一個(gè)長期的過程;當(dāng)然具體到盤縣各個(gè)等級石漠化區(qū)，各種石漠化不變型軌跡的驅(qū)動因素應(yīng)存在差別，可能是嚴(yán)酷的自然條件，也可能是人為干擾持續(xù)存在所導(dǎo)致石漠化土地長期未發(fā)生變化。

2.2 不同軌跡的分布與地貌和坡度的關(guān)系

2.2.1 不同軌跡的分布與地貌的關(guān)系

分析8種退化演變軌跡在不同地貌類型和坡度梯度上的分布，有助于判斷各種退化演變軌跡形成的原因。

不變型主要分布在峰叢淺洼地、其次是溶丘洼地、喀斯特中高山;逆轉(zhuǎn)減弱型主要分布在峰叢谷地、峰叢淺洼地、溶丘洼地和喀斯特中高山;反復(fù)型發(fā)生在喀斯特中高山、峰叢淺洼地、溶丘洼地;加重型發(fā)生在峰叢淺洼、喀斯特中高山。具體而言，石－石－石、無－無－無、石－石－無、無－無－石等在峰叢淺洼地里分布比例最高;石－無－石、無－石－石在喀斯特中高山的分布比例最高(圖3)。可以看出，峰叢淺洼地是石漠化土地和無石漠化土地相互之間變化劇烈的區(qū)域，原因在于這一區(qū)域是開墾－撂荒－開墾等，反復(fù)進(jìn)行干擾的地域。

圖3 不同地貌類型的石漠化土地演變軌跡(1974－1999－2007)Fig.3 Land degradation tracks of 1974－1999－2007 for different Karst geomorphology

2.2.2 不同軌跡的分布與坡度的關(guān)系

不變型主要分布在10°～35°坡度級內(nèi)(圖4)，10°～17.5°坡度級內(nèi)各變化軌跡分布比例最高，其次是17.5°～25°和25°～35°。

逆轉(zhuǎn)減弱型和反復(fù)性主要分布在10°～17.5°、17.5°～25°坡度級內(nèi)，原因與這一坡度級內(nèi)的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和退耕有關(guān)。

加重型主要分布在17.5°～25°、25°～35°坡度級。上述分布表明10°～25°、35°～45°坡度級內(nèi)保水保土難，植被難以恢復(fù)，石漠化土地長期存在。

進(jìn)一步分析不變的石漠化土地中各等級石漠化在不同坡度梯度等級的分布，發(fā)現(xiàn)其主要分布在10° ～17.5°、17.5°～25°、25°～35°坡度級內(nèi)(表4)，應(yīng)與人為干擾主要發(fā)生在這一坡度級有關(guān)，而對其具體原因，則需要進(jìn)一步結(jié)合具體的地貌條件和人為干擾方式頻率才能確定，仍需進(jìn)一步研究。

2.3 石漠化土地演變未來情景預(yù)測

根據(jù)喀斯特石漠化土地的演變軌跡在不同地貌類型和坡度級的分布情況，在目前的石漠化防治措施下，對未來石漠化空間分布格局進(jìn)行預(yù)測。設(shè)定(1)較低坡度級內(nèi)的不變型、反復(fù)型、加重型土地將逐步得到治理，演變?yōu)闊o石漠化和潛在石漠化;(2)已經(jīng)持續(xù)30余年未發(fā)生變化的石漠化土地仍將不變化。預(yù)測結(jié)果表明，集中連片的石漠化景觀將從區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)中下降，強(qiáng)度(15)、極強(qiáng)度(16)石漠化僅分布于氣候寒冷的巖溶高中山山地、巖溶高中山峰叢谷地和地表水缺乏的大面積峰叢洼地區(qū)(圖5)，這些自然條件較惡劣的區(qū)域，強(qiáng)度(15)以上石漠化主要由自然因素造成［15］。隨著土地利用的規(guī)模和格局調(diào)整和優(yōu)化，最終將導(dǎo)致強(qiáng)度、極強(qiáng)度石漠化景觀逐漸向無石漠化景觀轉(zhuǎn)變。在粵北山區(qū)的研究也得到了類似的結(jié)論［16］。

圖4 不同坡度梯度的土地演變軌跡(1974－1999－2007)Fig.4 Land change tracks of 1974－1999－2007 for different slope levels

表4 不同坡度梯度中的不變型石漠化土地分布(%)Table 4 Percentage of unchange land in different slope(%)

圖5 盤縣石漠化未來空間格局預(yù)測圖Fig.5 simulation for the future KRD spatial pattern

3 討論

3.1 石漠化土地與土地石漠化

本文通過多時(shí)相遙感影像數(shù)據(jù)，把盤縣1974年、1999年和2007年的石漠化變化軌跡分為8種，并歸納為不變型、逆轉(zhuǎn)減弱型、反復(fù)型和加重型等4種演變類型，比穩(wěn)定型、前期變化型、后期變化型、反復(fù)變化型和持續(xù)變化型的劃分［17］含義更明確，可據(jù)此對研究區(qū)喀斯特土地類型做如下劃分:

a石漠化土地:石漠化－石漠化－石漠化;

b無石漠化土地:無石漠化－無石漠化－無石漠化;

c已恢復(fù)土地:石漠化－石漠化－無石漠化、石漠化－無石漠化－無石漠化、無石漠化－石漠化－無石漠化;

d潛在可恢復(fù)土地:石漠化－無石漠化－石漠化。

基于上述分析，本文提出要區(qū)分土地石漠化和石漠化土地兩個(gè)概念。土地石漠化指的是無石漠化－無石漠化－石漠化、無石漠化－石漠化－石漠化這兩種演變軌跡，是一種退化過程。石漠化土地強(qiáng)調(diào)的是已經(jīng)發(fā)生石漠化且長期保持石漠化現(xiàn)狀的土地。從恢復(fù)時(shí)間來看，必須是經(jīng)過一定時(shí)間仍不能自然恢復(fù)的土地才是石漠化土地。

3.2 不同變化軌跡類型的治理

在確定石漠化土地的治理恢復(fù)模式和治理重點(diǎn)時(shí)，有必要考慮石漠化土地的演變軌跡差異性和成因的地域差異性，進(jìn)行合理規(guī)劃布局。石漠化4種演變類型的劃分，有助于對石漠化進(jìn)行有針對性的防治。

治理思路如:對不變型進(jìn)行封育，使其逐步逆轉(zhuǎn)減弱;逆轉(zhuǎn)減弱型要采取合理的預(yù)防措施，防止再反復(fù)或加重石漠化;重點(diǎn)治理反復(fù)型和加重型，防止這兩種類型的擴(kuò)張。進(jìn)一步，研究石漠化土地演變軌跡和其形成原因，如弄清其在各坡度等級內(nèi)的分布，有助于采取合理的防治措施。經(jīng)典喀斯特地區(qū)地表覆蓋的變化過程表明，人為形成的地表巖石裸露經(jīng)過恢復(fù)和保護(hù)是可以治理的［18］，而盤縣石漠化變化軌跡中，逆轉(zhuǎn)減弱型的比例大于加重型的比例，也初步體現(xiàn)了和經(jīng)典喀斯特地區(qū)相類似的過程。

4 結(jié)論

(1)1974～1999年研究區(qū)總面積變化并不明顯; 2007年石漠化面積明顯減少。

(2)1974年、1999年到2007年，研究區(qū)石漠化土地的強(qiáng)度可劃分為:無石漠化(11)、潛在石漠化(12)、輕度石漠化(13)、中度石漠化(14)、強(qiáng)度石漠化(15)、極強(qiáng)度石漠化(16)等6種。

(3)從1974年、1999年到2007年，研究區(qū)石漠化土地和無石漠化土地的變化可分為8種演變軌跡，歸納為不變型、逆轉(zhuǎn)減弱型、反復(fù)型和加重型4種演變類型。研究區(qū)2007年的退化土地中，從1974～2007年未發(fā)生過變化的面積占較高的比例。

(4)根據(jù)演變軌跡和演變過程，研究區(qū)的喀斯特地區(qū)可分為石漠化土地、無石漠化土地、已恢復(fù)土地和潛在可恢復(fù)土地。對未來的石漠化空間分布格局預(yù)測表明，集中連片的石漠化景觀將從區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)中消失。

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Abstract:Remotely sensed data such as MSS for 1974，TM for 1999 and 2007，integrated with the field and lab investigation，were used to evaluate karst rocky desertification(KRD)evolving tracks of 1974，1999 and 2007 in Panxian county，Guizhou province.Every karst peak－cluster－depression was considered as an KRD assessment unit except its flat part.The KRD tracks could be divided into 8 types，such as KRD－KRD－KRD and no desertificationno desertification－no desertification，from 1974，1999 to 2007.Furthermore，these 8 types could include changeless KRD，weakening KRD，repeating degradation and aggravating KRD.The unchanged land which had been no change from 1974，1999 to 2007 accounts for a higher proportion.According to the land degradation tracks，the karst area in Panxian county should divided into KRD land，no desertification land，meliorated KRD land and potential restoration land.

Key words:karst rocky desertification;evolution tracks;spatial pattern;Panxian County，Guizhou Prorinee

Evolution tracks of karst rocky desertification:a typical case study in Panxian County

LI Yang－bing1，WANG Shi－jie2，LUO Guang－jie1，CHENG An－yun2
(1.School of Geography and Environmental Sciences，Guizhou Normal University，Guiyang550001，China; 2.National key laboratory of environmental geochemistry，geochemistry institute of Chinese Academy of Science，Guiyang550002，China)

1003－8035(2010)03－0118－07

F301.24

A

2010－01－07;

2010－05－18

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2006CB4032001);中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程(kzcx2－yw－306);黔科合J 字(2005)2077號;教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”(NCET－05－0819)

李陽兵(1968—)，男，潼南人，博士后，教授，研究方向?yàn)橥恋刭Y源與生態(tài)環(huán)境治理。

E－mail:li－yapin@sohu.com