麻窩山小流域石漠化景觀格局變化特征

陳 昊，吳 攀，劉 沛，顧尚義，曹振興

（貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng)550003）

石漠化指在亞熱帶脆弱的喀斯特環(huán)境背景下，受人類不合理社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的干擾破壞，造成土壤嚴(yán)重侵蝕，自然植被生態(tài)系統(tǒng)退化，基巖大面積出露，土地生產(chǎn)力嚴(yán)重下降的一種土地退化過(guò)程[1]。貴州省是中國(guó)西南喀斯特地貌的中心，石漠化面積已經(jīng)達(dá)到50 000km2[2]，也是西南山石地區(qū)石漠化面積最大的省份。作為繼西北地區(qū)沙漠化和黃土地區(qū)水土流失之后我國(guó)的第三大生態(tài)問(wèn)題，石漠化問(wèn)題已經(jīng)成為脆弱的西南喀斯特環(huán)境的研究熱點(diǎn)。雖然許多學(xué)者在建立石漠化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的問(wèn)題上的切入角度不同，選擇的評(píng)價(jià)因素不一，指標(biāo)的量化也存在差異，但石漠化以強(qiáng)烈的人類活動(dòng)為主導(dǎo)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，卻得到了普遍的接受和認(rèn)同。與此同時(shí)，也存在對(duì)石漠化的時(shí)空分布規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)認(rèn)識(shí)不明確，使得治理過(guò)程不能因地制宜，從而影響治理成效和速度的問(wèn)題[3]。另外，由于石漠化過(guò)程中的土壤侵蝕伴隨著有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分的流失，導(dǎo)致土地生產(chǎn)力的下降，從而引發(fā)的人地矛盾嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展[4]。因此，石漠化程度越高的地區(qū)，由于自然和經(jīng)濟(jì)因素的限制，所具備的歷史資料越匱乏。遙感技術(shù)的應(yīng)用卻能避開(kāi)地形地貌的限制，通過(guò)遙感影像所攜帶的豐富的地球資源和地貌特征信息有效地彌補(bǔ)這一缺憾。本文通過(guò)對(duì)多個(gè)時(shí)期的遙感影像進(jìn)行分析，輔助野外實(shí)地調(diào)查，揭示研究區(qū)域33a來(lái)石漠化的發(fā)展特點(diǎn)，并進(jìn)一步評(píng)價(jià)人為因素對(duì)水土流失的影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黔西北的威寧縣麻窩山一相對(duì)封閉的小型巖溶盆地（103°51′—103°55′E，27°05′—27°10′N），流域面積16.29km2，盆地面積0.74km2（圖1）。野外踏勘發(fā)現(xiàn)，盆地四周山體基巖裸露，植被和土被分布不連續(xù)，植被類型較單一，以刺葉高山櫟（Quercusspinosa）為主，摻雜少量灌木林，盆地中有大量紅土堆積，石漠化較嚴(yán)重。主要土地利用類型包括裸地、耕地、居民點(diǎn)、采礦用地、灌木林地、草地、疏林地和有林地等。相關(guān)資料顯示，研究區(qū)年均日照數(shù)1 800h，年降水量850mm，70%的降雨量集中在6—9月，年均氣溫11.2℃，1月均溫3.9℃，7月均溫17.0℃，屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候，區(qū)內(nèi)出露地層巖石為泥盆紀(jì)（D3）白云質(zhì)灰?guī)r。近50a來(lái)盆地的生態(tài)環(huán)境變化及其演變過(guò)程詳見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

圖1 研究區(qū)匯水面積示意圖[6]

2 研究方法

本文的技術(shù)路線分為資料采集、影像校正和解譯三個(gè)部分。筆者通過(guò)野外踏勘和歷史資料收集，整理了研究區(qū)1990—1991年的1∶1萬(wàn)地形圖和水文地質(zhì)圖，以及植被和土被的現(xiàn)狀圖片和通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)啬觊L(zhǎng)者的走訪所得的視頻和音頻資料等。遙感數(shù)據(jù)源采用不同年份非耕作期的 Landset－2MSS，Landset－7 TM 和ALOS AVNIR－2影像（表1）。運(yùn)用遙感圖像處理和GIS處理分別在ENVI 4.2和 MAPGIS 6.7中以1∶1萬(wàn)地形圖和地質(zhì)圖為基礎(chǔ)對(duì)遙感影像進(jìn)行精校正。為了最大限度地降低數(shù)據(jù)源和分辨率不統(tǒng)一所導(dǎo)致的誤差，采用遞進(jìn)式的校正方法，即均勻選擇不少于30個(gè)特征點(diǎn)和控制點(diǎn)，用1∶1萬(wàn)的地形圖和地質(zhì)圖先對(duì)空間分辨率較高的AVNIR－2影像進(jìn)行幾何精校正；將 MSS及TM影像與AVNIR－2影像統(tǒng)一為相同的投影標(biāo)準(zhǔn)，以精校正后的AVNIR－2影像為基礎(chǔ)對(duì)MSS及TM影像進(jìn)行精校正。校正的像元精度控制在0.3個(gè)像素之內(nèi)，同時(shí)采用一次多項(xiàng)式校正及最近鄰域法對(duì)影像進(jìn)行重采樣。在建立感興趣區(qū)（AOI）的基礎(chǔ)上，以監(jiān)督分類中的最大似然對(duì)影像進(jìn)行分類處理[7]。最后，結(jié)合植被指數(shù)NDVI分類結(jié)果和地形地質(zhì)圖，對(duì)監(jiān)督分類結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，降低原始影像資料中陰影和條帶的影響，得到最終的分類結(jié)果。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)信息

3 結(jié)果與分析

判定石漠化擴(kuò)張程度的三個(gè)關(guān)鍵指示因子分別是：輕度的綠色植被覆蓋、非綠色植物覆蓋和基巖的裸露[8]。通過(guò)綜合自動(dòng)信息處理、NDVI分析結(jié)果和實(shí)地調(diào)研資料修正，將研究區(qū)內(nèi)的地類根據(jù)基巖裸露率、土壤裸露率和植被覆蓋率分為五類（表2），其中人類活動(dòng)區(qū)包括耕地和居民點(diǎn)。鑒于影像分辨率的限制，1977年疏林地與有林地界限不明顯，為避免嚴(yán)重誤差，將其歸為一類，統(tǒng)一為林地（圖2）。同時(shí)，基巖裸露作為判斷石漠化的最為直接的標(biāo)志之一，本文選擇裸地面積指標(biāo)，輔以土壤裸露和植被覆蓋率來(lái)分析研究區(qū)石漠化的發(fā)展進(jìn)程。

表2 土地分類標(biāo)準(zhǔn)[9]

3.1 石漠化景觀格局分布

1977—2002年，研究區(qū)具有石化特征的裸地面積呈明顯上升趨勢(shì)。2000年，裸地面積增加了0.42 km2，是1977年石化面積的4倍多，疏林地和有林地的面積之和為2.88km2，較1977年減少了2.51 km2，而灌木林地和人類活動(dòng)區(qū)面積分別增加了0.22 km2和1.87km2（圖2）。斑塊呈現(xiàn)由成片分布向零星分布、少成片分布的分異格局，分離度上升[10]，整體分布凌亂程度增加。研究區(qū)的石化特征主要發(fā)生在盆地周邊（圖中A，B，C，D處）和研究區(qū)南部（圖3b的E處）。演變的進(jìn)程在靠近有林地與人類活動(dòng)區(qū)域的分界線處，1977年時(shí)仍為植被覆蓋良好的林地大量發(fā)展為裸地，其中A處石化擴(kuò)張最為明顯。林地面積的減少，人類活動(dòng)區(qū)域和裸地的增加，表明在無(wú)明顯氣候變化的前提下，人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋的影響較大。2002—2010年間，裸地面積以平均0.015 km2／a的速度增長(zhǎng)，若以此速度逆退至1977年，該年的裸地面積應(yīng)為0.13km2，與實(shí)際值（0.09km2）相差甚遠(yuǎn)。故推測(cè)1977—2002年間，流域所承載的人類活動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于2002—2010年。據(jù)資料顯示[5]，70年代后期至80年代初，土地家庭聯(lián)產(chǎn)承包制的實(shí)行導(dǎo)致當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)盆地周圍山體植被的大幅破壞，直接導(dǎo)致了土壤裸露面積的增加，由于盆地周邊坡度較大，導(dǎo)致無(wú)植被覆蓋區(qū)域的表土隨降雨大量流失。因此，1977—2002年間，由土地家庭聯(lián)產(chǎn)承包制的實(shí)行而引發(fā)的植被破壞，在脆弱的地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，最終導(dǎo)致研究區(qū)石漠化大范圍擴(kuò)張的可能性較大。

圖2 研究區(qū)地類面積變化圖

從總體上來(lái)說(shuō)，2002—2010年期間，研究區(qū)石漠化面積以較為平緩的速度增加，增量為0.12km2，表明石漠化在經(jīng)歷明顯的擴(kuò)張期后，進(jìn)入較為緩和的發(fā)展期，并在2009年達(dá)到峰值（0.66km2）。在其空間分布上，主要表現(xiàn)為向人類活動(dòng)區(qū)域的擴(kuò)張（圖3c C，D處）和灌木林地和草地向裸地的發(fā)展（圖3cA，B，F(xiàn)處）。有林地面積呈下降趨勢(shì)，疏林地和灌木林地以及草地面積的少量增加，說(shuō)明景觀格局向植被覆蓋度更低的趨勢(shì)發(fā)展。人為因素控制的耕地和居民點(diǎn)區(qū)域以及石化區(qū)域在2009年出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，可能由兩個(gè)方面引起（圖2）。一是根據(jù)2002—2009年間，人類活動(dòng)區(qū)面積略微下降和石化面積的穩(wěn)步增長(zhǎng)，說(shuō)明原來(lái)耕作區(qū)的土地石化，導(dǎo)致當(dāng)?shù)鼐用駷楸ＷC一定的耕種面積，而轉(zhuǎn)為對(duì)灌木林地、草地或者疏林地的開(kāi)墾（圖3cG處）。同時(shí)，原來(lái)石化區(qū)域在退耕還林還草政策的保護(hù)下，逐漸從裸巖發(fā)展為草地或灌木林地。二是由于AVNIR－2影像與其他影像在空間分辨率上的差異較大，分類精度的差距所致。

圖3 研究區(qū)不同時(shí)期景觀格局分布

3.2 人為因素引發(fā)的土壤沉積量

在喀斯特地區(qū)，強(qiáng)烈的人類活動(dòng)是導(dǎo)致土地石漠化最重要的因素之一[11]，研究區(qū)在1977—2010年間，具有人類活動(dòng)特征的居民點(diǎn)和耕作區(qū)的規(guī)模呈現(xiàn)出較為明顯的擴(kuò)張趨勢(shì)，其總量增加了0.54km2。同時(shí)，人為因素的影響，使得植被和土被的覆蓋度下降，土壤和基巖裸露面積上升，大量的表土匯入盆地內(nèi)，成為研究區(qū)石漠化進(jìn)程的最佳記錄者。從不同景觀格局的定義來(lái)看[9]，人類活動(dòng)區(qū)包括耕地和居民點(diǎn)，是人為建筑和種植區(qū)域面積的總和，在該景觀格局范圍內(nèi)，人類活動(dòng)是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的主要控制因素。由于空間分辨率的原因，像元對(duì)灌木林地和草地的區(qū)分能力較低，故灌木林地或草地定義的覆蓋度（10%～40%）較廣。根據(jù)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)鼐用竦母N和砍伐行為對(duì)灌木林地的破壞程度較高，逐漸將植被密度較高的灌木林格局改造為密度較低的草地格局，從而導(dǎo)致土壤裸露率上升。在灌木叢向草地發(fā)展的過(guò)程中，人類活動(dòng)是其內(nèi)部格局分異的最重要的驅(qū)動(dòng)因素。因此，筆者將主要受人為活動(dòng)影響的人類活動(dòng)區(qū)和灌木林地或草地區(qū)作為人為干擾范圍，定義為人為干擾區(qū)。同時(shí)，人為干擾區(qū)范圍內(nèi)，用人為因素引起的土壤侵蝕模數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)土壤流失和石漠化發(fā)展的貢獻(xiàn)。

已有研究表明，將1980年（土地家庭聯(lián)產(chǎn)承包制）作為盆地水土流失加劇的起點(diǎn)較為合理[5]，結(jié)合對(duì)遙感影像的分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)石漠化大規(guī)模發(fā)生于1977—2002年期間，故選擇1980年作為人為控制的土壤侵蝕的起點(diǎn)。

因此1977—1980年間，盆地內(nèi)景觀格局沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，那么1980年與1977年時(shí)由人為活動(dòng)引發(fā)的土壤侵蝕區(qū)域面積近似相當(dāng)，其值的計(jì)算為[12]：

式中：A0——1980年研究區(qū)人為干擾區(qū)面積；Ae——自然侵蝕總面積，等于侵蝕流域總面積（16.29km2）與盆地面積（0.74km2）值差，即15.55km2；Av——植被覆蓋面積，即有林地、疏林地面積之和為5.39 km2；Ar——石化區(qū)域面積0.09km2。由此，可以計(jì)算出研究區(qū)1980年人為干擾區(qū)面積為15.46km2。同時(shí)，1980—2009年間，根據(jù)此公式，用Ai代替A0，并相應(yīng)替換各年植被和石化面積參數(shù)值，即得到各年人為因素控制的土壤侵蝕區(qū)域面積Ai。其中，各年的植被和面積參數(shù)值用內(nèi)插法計(jì)算得到。

根據(jù)修改后的土壤侵蝕模數(shù)的定義[5]，人為干擾區(qū)的侵蝕模數(shù)計(jì)算公式為：

式中：Mh——人為干擾區(qū)的侵蝕模數(shù)；m——1980—2009年間，研究區(qū)的侵蝕總量1 308 002t；ρ——土壤平均密度1.33g／cm3；Vs——自然侵蝕速率，取距今4.69萬(wàn)年（BP）至20世紀(jì)70年代末間的平均侵蝕速率，即為0.000 777cm／a[13]；Ai由公式（1）計(jì)算得出。由此公式可以計(jì)算出研究區(qū)1980—2009年，人為干擾區(qū)內(nèi)人為因素引發(fā)的土壤侵蝕模數(shù)約為3 983.15 t／（km2·a）。

4 討論

20世紀(jì)70年代末期，研究區(qū)內(nèi)的植被覆蓋程度較高，具有明顯石化特征的區(qū)域極少。至2002年，區(qū)內(nèi)出現(xiàn)明顯的石漠化分布區(qū)，耕地面積增加，植被覆蓋度下降，驗(yàn)證了當(dāng)?shù)啬觊L(zhǎng)者對(duì)20世紀(jì)70年代后期至80年代初流域內(nèi)地貌特征的描述[5]。與此同時(shí)，選擇研究區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)時(shí)，影像需要具備獲取時(shí)間為非耕種期和影像中研究區(qū)位置未被云層覆蓋兩個(gè)條件，故所得到的有效影像數(shù)量有限。受數(shù)據(jù)量的限制，對(duì)1977—2002年間，具有明顯石漠化特征的裸地面積的擴(kuò)張趨勢(shì)有可能是逐年增加，也可能是某一年（如1980年）劇烈變化，其具體的變化趨勢(shì)還需進(jìn)一步的研究。由此認(rèn)為2002年遙感影像所呈現(xiàn)的石漠化范圍主要是由于該時(shí)間段內(nèi)無(wú)節(jié)制的砍伐和前期少量耕種活動(dòng)累積所導(dǎo)致的結(jié)果。

對(duì)盆地侵蝕速率的研究表明[13]，區(qū)內(nèi)沉積盆地承載的侵蝕量是人為干擾沉積和自然沉積兩者的總和。20世紀(jì)70年代至2009年，土壤平均沉積速率為0.22cm／a，而距今46.9ka BP至20世紀(jì)70年代末間的平均沉積速率為0.000 777cm／a，兩者相差3個(gè)數(shù)量級(jí)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，人為因素導(dǎo)致的土壤侵蝕總量達(dá)到1 303 985t，占總侵蝕量的99.69%，侵蝕模數(shù)達(dá)3 983.15t／（km2·a）。綜合區(qū)內(nèi)以石漠化面積增加和植被覆蓋等級(jí)下降為主的景觀格局變化特征，表明由人類活動(dòng)（砍伐和耕種）所積累的地表擾動(dòng)直接引發(fā)了石漠化的產(chǎn)生與發(fā)展。

據(jù)此，本研究認(rèn)為，流域內(nèi)石漠化的形成和發(fā)展以及土壤流失的進(jìn)程主要受由人為因素的控制。1977—2002年期間，由于以砍伐為主的人為活動(dòng)對(duì)盆地內(nèi)及周邊植被的破壞，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)植被等級(jí)以及覆蓋度迅速下降，直接導(dǎo)致具有石化特征的裸地面積的劇烈增加以及土壤流失量的大幅上漲。在此期間，研究區(qū)石化面積的增量達(dá)到0.42km2，是1977年石化面積（0.09km2）的4倍有余。2002—2010年間，區(qū)內(nèi)石漠化進(jìn)程表現(xiàn)為較為平緩的發(fā)展趨勢(shì)。在此期間，區(qū)內(nèi)石化面積的增量（0.12km2）較石漠化發(fā)展前期有所下降。但是，植被破壞模式由前期對(duì)成材樹(shù)木的砍伐，轉(zhuǎn)向?qū)Φ偷燃?jí)的灌木林地、草地或者疏林地的開(kāi)墾。同時(shí)，基于前人的研究成果，計(jì)算出1980—2009年間，由人為因素引發(fā)的土壤侵蝕量達(dá)1 303 985t，其侵蝕模數(shù)為3 983.15t／（km2·a）。

另外，可見(jiàn)光波段在信息表達(dá)方式上主要集中于色彩和亮度[14]，所以，基于亮度值的DNVI植被歸一化指數(shù)分類并不能完全解決植被覆蓋度的問(wèn)題。據(jù)此，本文采取通過(guò)綜合自動(dòng)信息提取、植被指數(shù)NDVI分類處理和人機(jī)交互解譯方法，進(jìn)行地類的識(shí)別和分析，從而達(dá)到減少分類誤差的目的。為了深入研究區(qū)石漠化發(fā)展過(guò)程，下一步的研究工作應(yīng)以基巖裸露率、植被和土被覆蓋率、平均土厚和植被類型作為判別標(biāo)準(zhǔn)[15]，對(duì)流域內(nèi)石漠化發(fā)展過(guò)程分等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

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