粵北山區(qū)土地石漠化敏感性評價(jià)

周紅藝,王兮之,李輝霞

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院資源環(huán)境系,廣東佛山 528000)

粵北山區(qū)土地石漠化敏感性評價(jià)

周紅藝,王兮之,李輝霞

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院資源環(huán)境系,廣東佛山 528000)

土地石漠化;敏感性;影響因子;綜合指數(shù)法;粵北山區(qū)

將石漠化敏感性影響因子歸結(jié)為巖性、土壤濕度、坡度和植被4個(gè)方面 ,并確定了各因子對石漠化敏感性的影響程度。在GIS和RS技術(shù)支持下,將粵北山區(qū)土地石漠化區(qū)域分為潛在敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、重度敏感區(qū)和極重度敏感區(qū)5個(gè)等級(jí)區(qū)域,介紹了不同石漠化敏感區(qū)的空間分布及防治建議。

石漠化即巖溶石漠化,是指在熱帶、亞熱帶濕潤地區(qū)巖溶發(fā)育的自然背景下,由于受人為活動(dòng)的干擾,地表植被遭受破壞,造成土壤嚴(yán)重侵蝕、基巖大面積裸露、礫石堆積,地表呈現(xiàn)類似荒漠化景觀的土地退化乃至消失的現(xiàn)象[1]。生態(tài)環(huán)境敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)對各種環(huán)境變異和人類活動(dòng)干擾的敏感程度 ,即生態(tài)系統(tǒng)在遇到干擾時(shí)生態(tài)環(huán)境問題出現(xiàn)概率的大小[2]。石漠化敏感性是指在自然狀況下土地發(fā)生石漠化可能性的大小,研究它可以識(shí)別容易石漠化的區(qū)域,評價(jià)石漠化對人類活動(dòng)的敏感程度,從而為人們的生產(chǎn)和生活提供科學(xué)依據(jù)[1]。近年來,許多學(xué)者對喀斯特地區(qū)石漠化評價(jià)指標(biāo)體系和方法已進(jìn)行了較為深入的研究[3-5],這些研究主要包括基于大量野外調(diào)查工作的樣地評價(jià)和基于影響因子的危險(xiǎn)度分析這兩個(gè)方面,而采用遙感 (RS)技術(shù)獲取石漠化景觀表征因子,結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)進(jìn)行宏觀綜合評價(jià)的研究較少,造成目前對于不同地區(qū)景觀退化狀況、石漠化敏感性程度及其空間分布規(guī)律缺乏直接的認(rèn)識(shí),在防治過程中不能做到因地制宜,很大程度上影響了石漠化治理的成效。本研究根據(jù)前人研究成果,選取巖性、土壤濕度、坡度和植被,運(yùn)用GIS和 RS技術(shù)提取各指標(biāo)的數(shù)據(jù),利用綜合指數(shù)法對粵北山區(qū)土地石漠化敏感性進(jìn)行綜合評價(jià)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處珠江干流北江源頭上游的水源涵養(yǎng)林區(qū),系南方土地石漠化的主要區(qū)域之一。在以陽山、英德、乳源和連州為中心的研究區(qū)內(nèi),廣泛發(fā)育著下石炭統(tǒng)維憲組(C1wx)、巖關(guān)組(C1yg)和上泥盆統(tǒng)樂晶組(D3lj)、帽子峰組(D3m)石灰?guī)r地層,形成峰林、峰叢、溶蝕谷地、臺(tái)地、洼地、地下溶洞和溶蝕高原等多種巖溶地貌類型。由于巖溶區(qū)造壤能力低,水源流失,形成“水在峽谷中、土在高原面”的水土資源不配套的基本格局,加之本區(qū)是南嶺南坡的多雨區(qū),年均降雨量高達(dá)1 600～2 000 mm,年均暴雨日數(shù) ＞10 d,侵蝕模數(shù)達(dá)2800 t/(km2·a),從而使本區(qū)成為中亞熱帶南部脆弱的巖溶生態(tài)環(huán)境區(qū)域。近50年來,粵北巖溶山區(qū)人口增長過快,自然增長率高達(dá)3.3%。在人口過快增長和水土資源短缺的壓力下,陡坡開荒加劇。據(jù)調(diào)查:20世紀(jì)60—90年代,本區(qū)植被覆蓋率由35.8%減少到16.8%,水土流失面積所占比例、土壤侵蝕模數(shù)分別由18.2%和605 t/(km2·a)增加到41.3%和2 863 t/(km2·a);80年代初期巖石裸露率＞70%的石漠化土地占巖溶面積的6.12%,到90年代初期已占到11.25%,年均擴(kuò)展31.84 km2;30%的山區(qū)農(nóng)民年人均收入不到300元,遠(yuǎn)低于非巖溶區(qū)農(nóng)民的收入水平[6],石漠化已成為粵北山區(qū)的災(zāi)害之源和貧困之根。20世紀(jì)90年代中后期以來,盡管在“八七”扶貧攻堅(jiān)計(jì)劃的支持下,本區(qū)實(shí)施“生態(tài)移民”工程,加大了石漠化土地整治力度,部分地區(qū)出現(xiàn)了石漠化逆轉(zhuǎn)的趨勢,但由于本區(qū)石漠化面積和治理難度都很大,石漠化的發(fā)展態(tài)勢依然嚴(yán)峻,貧困與生態(tài)惡化仍然是本區(qū)建設(shè)小康社會(huì)的難點(diǎn)所在。由此可知,本區(qū)是我國南方中亞熱帶脆弱的巖溶生態(tài)環(huán)境區(qū)域,是石漠化演變過程十分典型、石漠化問題依然嚴(yán)重的區(qū)域,在我國石漠化研究與防治中占有重要地位[6]。

2 石漠化敏感性評價(jià)

2.1 數(shù)據(jù)處理和評價(jià)指標(biāo)選擇及分級(jí)

美國陸地衛(wèi)星Landsat TM資料對于資源與環(huán)境調(diào)查及監(jiān)測效果良好,是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星資料,故本次石漠化敏感性評價(jià)選用2004年冬季TM影像作為主要信息源。該期TM影像質(zhì)量良好,且正處于植被和農(nóng)作物生長最差的季節(jié),有利于削弱植被對石漠化土地信息的干擾。在ERDAS軟件支持下,以1∶10萬地形圖及野外GPS定位數(shù)據(jù)為參考,采用三次多項(xiàng)式方法對TM影像進(jìn)行重采樣,將所有波段重采樣成30 m×30 m的像元,糾正后影像的投影坐標(biāo)系為WGS 1984 UTM 49N,圖像配準(zhǔn)后的幾何精度控制在0.5個(gè)像元以內(nèi),幾何校正整體誤差RMS為0.186,可滿足石漠化分布圖繪制的精度要求?；趲缀涡Ｕ蟮腡M影像,采用回歸分析方法在ERDAS中進(jìn)行大氣校正,并按試驗(yàn)區(qū)范圍對校正影像進(jìn)行剪裁,提取的像元值更接近于地物反(發(fā))射率值,是更好反映試驗(yàn)區(qū)地表真實(shí)情況的TM影像。石漠化敏感性評價(jià)的目的是為了識(shí)別容易造成石漠化的區(qū)域,評價(jià)人類活動(dòng)對石漠化敏感性的影響。本研究將影響石漠化的因素確定為巖性、土壤濕度指數(shù)、坡度和植被指數(shù)等4項(xiàng),敏感性評價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 石漠化敏感性影響分級(jí)

2.2 評價(jià)因子的計(jì)算與確定

2.2.1 巖 性

碳酸鹽巖是產(chǎn)生土地石漠化的基礎(chǔ),故本研究只對巖溶地區(qū)進(jìn)行評價(jià),但不同類型的碳酸鹽巖石漠化發(fā)生率各不相同[7]。灰?guī)r、灰?guī)r與白云巖互層、夾碎屑巖的碳酸鹽巖層中的石漠化發(fā)生率較高,分別為29.86%、29.01%和29.47%;白云巖巖層中的石漠化發(fā)生率為19.37%,碳酸鹽巖與碎屑巖互層的石漠化發(fā)生率為15.83%,夾碳酸鹽巖的碎屑巖巖層中的石漠化發(fā)生率僅為12.92%。在碳酸鹽巖層中,方解石的含量越高則越容易發(fā)生石漠化,反之白云石的含量越高則越不易發(fā)生石漠化[7]。利用中國石灰?guī)r分布圖進(jìn)行矢量化,根據(jù)巖性不同進(jìn)行分級(jí),繪制出石漠化對巖性的敏感性分布圖。

2.2.2 土壤濕度指數(shù)(NDMI)

常用的定量研究土壤濕度(土壤含水量)的方法有熱紅外遙感、微波遙感等方法,這些方法需要特定的遙感數(shù)據(jù)源和大量的實(shí)測數(shù)據(jù)?？紤]到 TM5波段(1.55—1.75 μm)處于水的吸收帶(1.4—1.9 μm)之間,受水吸收帶的影響,對濕度、含水量信息非常敏感,且TM2波段(G)對水體有一定的反射,選用這兩個(gè)波段經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理的濕度指數(shù)NDMI可以實(shí)現(xiàn)宏觀土壤濕度的快速評價(jià)。NDMI的表達(dá)式為[8]

NDMI與石漠化程度成反比,即石漠化程度越嚴(yán)重,則土壤濕度指數(shù)值就越小。運(yùn)用公式(1)在Arcmap中計(jì)算出粵北試驗(yàn)區(qū)的NDMI值。

2.2.3 坡 度

地形起伏是影響土地石漠化的一個(gè)重要因素,它反映了坡長、坡度等地形因子對石漠化的綜合影響。以采用1∶100 000數(shù)字地形圖所提取的坡度為準(zhǔn)值,根據(jù)表1分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),得出粵北試驗(yàn)區(qū)坡度對石漠化敏感性圖。

2.2.4 植被指數(shù)(NDVI)

土地石漠化過程首先從地被物消失開始,以自然或人工植被的受損、破壞為先導(dǎo),所以植被狀況可認(rèn)為是反映石漠化的敏感指示器。植物葉片組織對藍(lán)光和紅光有強(qiáng)烈的吸收作用,對綠光尤其是近紅外光有強(qiáng)烈的反射功能,植被覆蓋越好紅光(Red)反射越小,近紅外光(NIR)反射越大。因此,由Red和NIR波段數(shù)據(jù)經(jīng)線性和非線性組合可構(gòu)成各種植被指數(shù),其中歸一化植被指數(shù)NDVI對綠色植被表現(xiàn)敏感,能夠較好地反映植被變化,且它采用通道間的比值形式,可以部分地消除太陽高度角、衛(wèi)星掃描角、大氣狀況等的影響,是目前使用最廣泛的植被指數(shù)[9]。NDVI表達(dá)式為

NDVI與石漠化程度成反比,即石漠化程度越嚴(yán)重,則植被指數(shù)值就越小。運(yùn)用公式(2)在Arcmap中計(jì)算出粵北試驗(yàn)區(qū)的NDVI值。

2.3 石漠化敏感性綜合評價(jià)

結(jié)合以上4種因子的評價(jià)結(jié)果,利用地理信息系統(tǒng)軟件中的空間疊加分析功能,并利用(3)式計(jì)算石漠化敏感性指數(shù),分級(jí)后得到石漠化敏感性評價(jià)結(jié)果。石漠化敏感性指數(shù)的計(jì)算式為

式中:SSj為空間單元石漠化敏感性指數(shù);Ci為因素敏感性等級(jí)值。

根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來確定石漠化敏感性分布。根據(jù)(3)式,利用GIS軟件中的空間疊加分析功能得到石漠化敏感性綜合評價(jià)圖 。根據(jù)值所在的范圍將敏感性分為極重度敏感、重度敏感、中度敏感、輕度敏感和潛在敏感5個(gè)級(jí)別。

3 評價(jià)結(jié)果與討論

根據(jù)上述步驟,得到如表2的評價(jià)結(jié)果。

表2 粵北山區(qū)不同石漠化敏感性等級(jí)面積及所占比例

石漠化土地主要分布在巖溶丘陵和峰叢、峰林的斜坡、陡坡地帶,多為坡耕地、石籠地或裸露基巖。從表2可以看出,粵北典型巖溶山區(qū)石漠化現(xiàn)象依然存在,中度敏感以上石漠化面積476.58 km2,占石漠化土地總面積的7.61%,其中大部分成片狀分布在陽山縣中部和乳源縣西北部,在連州市和英德市也有少量的零散分布。從空間看石漠化分布具有如下特點(diǎn):

(1)極重度敏感、重度敏感石漠化土地主要集中分布在陽山縣東山、嶺背、江英、青連、水口鎮(zhèn)和英德市青塘、青坑鎮(zhèn),連州市大路邊、山塘鎮(zhèn)和乳源縣紅云、大坪、必背大橋鎮(zhèn)也有少量分布。極重度、重度石漠化土地多為全裸石山,可種植藤類等攀爬植物,以增加植被覆蓋度和濕潤度,促進(jìn)石頭風(fēng)化,減少蒸發(fā)。

(2)中度敏感石漠化土地在陽山縣分布最廣,主要分布在東山、嶺背、江英、青蓮、犁頭、七拱等鎮(zhèn);乳源縣和連州市中度敏感石漠化土地面積大致相當(dāng),主要分布在乳源縣的大橋、必背鎮(zhèn)和連州市東陂、九陂、西岸、龍?zhí)?、龍坪、高山等?zhèn);英德市僅有少量中度敏感石漠化土地且呈零星分布。中度石漠化土地多為半裸石山,可種植花椒、柏樹、香椿等喜鈣性、旱生性和巖生性的石漠化“先鋒植物”,這樣既可減弱石漠化程度,又可獲得一定的經(jīng)濟(jì)收益。

(3)輕度敏感石漠化土地呈小塊斑狀零星分布在各縣(市)的裸露石灰?guī)r分布區(qū)及巖溶盆地中的峰林、殘丘。英德市和陽山縣還分布有大面積的潛在敏感石漠化土地(主要為耕地和草地)。綜合治理中,輕度石漠化地區(qū)可實(shí)行封山育林,以促進(jìn)森林植被恢復(fù),達(dá)到防治石漠化的目的;潛在石漠化地區(qū)立地條件較好,可人工種植鄉(xiāng)土闊葉樹,提高森林的生態(tài)功能。

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S157.1

B

1000-0941(2011)10-0056-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31070426);佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士啟動(dòng)項(xiàng)目

周紅藝(1977—),男,湖北恩施市人,副教授,博士,主要從事山地生態(tài)與環(huán)境方面的研究。

2011-05-30

(責(zé)任編輯 趙文禮)