喀斯特石漠化景觀空間分布特征分析
——以貴州六枝特區(qū)為例

馬士彬,張勇榮,安裕倫,張躍紅

（1.六盤水師范學(xué)院a.環(huán)境與資源科學(xué)系；b.烏蒙山發(fā)展研究院,貴州六盤水 553001；2.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,貴陽(yáng) 550001；3.貴陽(yáng)市環(huán)境信息中心,貴陽(yáng) 550001）

喀斯特石漠化景觀空間分布特征分析
——以貴州六枝特區(qū)為例

馬士彬1a,1b,2,張勇榮1a,1b,安裕倫2,張躍紅3

（1.六盤水師范學(xué)院a.環(huán)境與資源科學(xué)系；b.烏蒙山發(fā)展研究院,貴州六盤水 553001；2.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,貴陽(yáng) 550001；3.貴陽(yáng)市環(huán)境信息中心,貴陽(yáng) 550001）

為揭示石漠化空間分布及演化特征,通過(guò)遙感解譯獲取石漠化數(shù)據(jù),運(yùn)用地形位指數(shù)和分布指數(shù)定量分析貴州六枝特區(qū)1990—2010年間石漠化變化空間特征。結(jié)果表明：①研究區(qū)1990—2010年間石漠化景觀空間分布呈現(xiàn)高區(qū)段為無(wú)、潛在、輕度、極強(qiáng)度石漠化優(yōu)勢(shì)分布區(qū),中區(qū)段為中度、強(qiáng)度石漠化優(yōu)勢(shì)分布區(qū),低區(qū)段為無(wú)石漠化景觀優(yōu)勢(shì)分布區(qū)；②不同主導(dǎo)因素驅(qū)動(dòng)形成的石漠化景觀分布地形位區(qū)段也不同,人為因素為主驅(qū)使形成的潛在、輕度、中度石漠化主要分布于低、中地形位區(qū),自然因素為主驅(qū)使形成的強(qiáng)度、極強(qiáng)度石漠化分布于高地形位區(qū)段；③中地形位區(qū)是石漠化分布的普遍適應(yīng)地形區(qū)。由于不同地形位區(qū)段內(nèi)石漠化等級(jí)分布具有較大的差異性,因此治理的重點(diǎn)應(yīng)放在低、中地形位區(qū)段內(nèi)的潛在、輕度、中度石漠化,以及中地形位區(qū)段內(nèi)的中度、強(qiáng)度石漠化,而對(duì)自然因素驅(qū)使形成的高地形位區(qū)的強(qiáng)度、極強(qiáng)度石漠化應(yīng)以自然生態(tài)恢復(fù)為主。

喀斯特石漠化；空間特征；地形位指數(shù)；分布指數(shù)；遙感數(shù)據(jù)

2015,32（12）：30－35

1 研究背景

中國(guó)南方喀斯特地區(qū)是世界上喀斯特連片分布面積最大的區(qū)域[1］,其成因及形態(tài)都具有很強(qiáng)的獨(dú)特性。但全球變化及區(qū)域內(nèi)部尖銳的人地矛盾,導(dǎo)致大面積的水土流失,引起了較為嚴(yán)重的基巖裸露的石漠化問(wèn)題[2］。目前國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界對(duì)石漠化的研究成果主要體現(xiàn)在石漠化成因、演化、治理等方面,如D.X.Yuan[3］和S.J.Wang等[4］認(rèn)為石漠化是巖溶山區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)與人類不合理經(jīng)濟(jì)活動(dòng)相互作用而造成的土地退化過(guò)程；李陽(yáng)兵等[5］認(rèn)為土地石漠化以強(qiáng)烈的人類活動(dòng)為驅(qū)動(dòng)力,并系統(tǒng)地分析了以土地利用為具體表現(xiàn)的人類活動(dòng)與石漠化的關(guān)系；熊康寧等[6］運(yùn)用遙感及GIS方法完成石漠化分布的調(diào)查與典型研究,并建立了畢節(jié)鴨池、花江、紅楓湖等石漠化治理示范區(qū)；張勇榮等[7］應(yīng)用Markov方法分析石漠化演化特征,分析石漠化治理模式,認(rèn)為重點(diǎn)應(yīng)加強(qiáng)潛在石漠化區(qū)域的生態(tài)保護(hù),避免石漠化生態(tài)修復(fù)進(jìn)入死循環(huán)模式。

筆者認(rèn)為還應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的、定量的石漠化景觀空間分布特征研究。本文引入地形位指數(shù)和分布指數(shù)2種分析方法,定量研究喀斯特石漠化的空間分布特征,解決分析單一空間因子對(duì)石漠化發(fā)生、發(fā)展影響的局限性,以期為揭開(kāi)石漠化成因的實(shí)質(zhì)規(guī)律及生態(tài)恢復(fù)提供依據(jù)與支持。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)概況

六枝特區(qū)位于貴州省西南部（圖1）,105°08′E—105°43′E,25°59′N—26°22′N,面積1 792 km2,海拔596～2 074 m。區(qū)內(nèi)屬典型喀斯特分布區(qū),喀斯特面積占區(qū)域總面積的77.02%。研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,年平均氣溫13.5～15.2℃,年降水量1 536 mm,降水時(shí)空分布不均勻,主要集中于5—8月份。區(qū)內(nèi)石漠化等級(jí)發(fā)育完全,具有較強(qiáng)的代表性。

圖1 貴州省六枝特區(qū)地理位置Fig.1 Geographic location of Liuzhi special zone in Guizhou province

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

石漠化數(shù)據(jù)通過(guò)遙感數(shù)據(jù)提取,主要參照1990年TM、2000年ETM＋及2010年環(huán)境減災(zāi)遙感影像數(shù)據(jù),解譯標(biāo)準(zhǔn)及石漠化等級(jí)劃分主要參照熊康寧等[6］和李陽(yáng)兵等[5］的劃分方法。結(jié)合1∶5萬(wàn)地形圖,30m分辨率DEM（坡度）以及土壤、植被、土地利用等專題數(shù)據(jù)及野外實(shí)地考察235個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證,吻合度達(dá)到89.74%。研究區(qū)1990—2010年石漠化等級(jí)景觀分布如圖2所示。

3 研究方法

3.1 地形位指數(shù)法

地形是地表空間分異的重要影響因子之一,因此地表景觀結(jié)構(gòu)及其變化往往在地形梯度上表現(xiàn)出一定的分布規(guī)律。為了定量分析石漠化景觀變化與地形梯度之間的相互關(guān)系,本研究借用地形位指數(shù)來(lái)度量地形梯度[8］。地形位指數(shù)可以用下式來(lái)計(jì)算,即

圖2 研究區(qū)1990—2010年各等級(jí)石漠化景觀分布Fig.2 Landscape pattern of Karst rocky desertification of different levels in the research area from 1990 to 2010

3.2 分布指數(shù)

為了消除地形位梯度分段和石漠化景觀斑塊面積差異的影響,可以使用地形位分布指數(shù)來(lái)描述不同石漠化等級(jí)景觀斑塊在地形位梯度上的分布特征。分布指數(shù)為

式中：Pie為第i種石漠化等級(jí)類型在地形位e上的分布指數(shù)；Sie為第i種石漠化等級(jí)類型在地形位e上的面積；Si為研究區(qū)內(nèi)第i種石漠化等級(jí)類型的面積；Se為研究區(qū)內(nèi)地形位e的總面積；S為整個(gè)研究區(qū)的總面積。分布指數(shù)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、無(wú)量綱的指數(shù),其取值范圍為[0,S］。若Pie＞1,表示地形位e是該石漠化等級(jí)類型分布的優(yōu)勢(shì)地形位,Pie越大,優(yōu)勢(shì)越明顯。反之,若Pie＜1,表示地形位e是該石漠化等級(jí)類型分布的非優(yōu)勢(shì)地形位[8］。

地形位與分布指數(shù)結(jié)合在描述喀斯特石漠化景觀空間分布特征上具有如下意義：

（1）橫向比較不同等級(jí)石漠化景觀斑塊的地形位分布曲線時(shí),石漠化景觀在地形位梯度上的分布變化情況可以體現(xiàn)出其對(duì)地形變化的適應(yīng)程度；根據(jù)喻紅等[8］的研究,若曲線比較平緩,起伏不大,則表明該種組分的分布與標(biāo)準(zhǔn)分布偏離不大,對(duì)地形差異的適宜性較廣；若曲線起伏較大,有明顯的峰或谷,表明該組分對(duì)地形具有較強(qiáng)選擇性（偏好性）,在其優(yōu)勢(shì)地形位上這種組分發(fā)育較多。

（2）縱向比較同一地形位上不同等級(jí)石漠化景觀分布值,能夠反映出地形對(duì)石漠化發(fā)生的適宜性。若不同等級(jí)景觀斑塊的P值都集中在1附近,表明此地形是一種石漠化發(fā)生的普適地形。若P值差別很大,說(shuō)明此種地形位是一種狹適性的地形位[8］。

4 結(jié)果分析

4.1 石漠化總體演化趨勢(shì)

由表1可知,研究區(qū)近20a石漠化景觀類型面積變化較大,石漠化強(qiáng)度有減弱趨勢(shì),具體表現(xiàn)為：①無(wú)石漠化景觀類型面積增大趨勢(shì)明顯,從1990年至2010年增加了73.16 km2,增加的部分主要是由潛在及輕度、中度石漠化轉(zhuǎn)化為無(wú)石漠化,其中由潛在石漠化轉(zhuǎn)化來(lái)的最多；②潛在、輕度、中度、強(qiáng)度及極強(qiáng)度石漠化面積之和,由1990年的1 211.07 km2減少至2010年的1 137.91 km2,其中強(qiáng)度和極強(qiáng)度石漠化景觀類型面積減少不明顯；③從各石漠化景觀類型面積的轉(zhuǎn)移變化中可以看出,石漠化景觀類型向良性發(fā)展的同時(shí),也有相當(dāng)部分向惡性發(fā)展,這也體現(xiàn)了石漠化治理過(guò)程中防御的重要性,防、治結(jié)合才是治理石漠化的關(guān)鍵。

4.2 石漠化變化空間特征整體趨勢(shì)

將工作區(qū)內(nèi)的地形位指數(shù)從低到高分為20段區(qū),并按1—20的順序依次進(jìn)行編號(hào),分別計(jì)算各石漠化類型在這20個(gè)地形位下不同年份的分布指數(shù),見(jiàn)圖3。

圖3 研究區(qū)各等級(jí)石漠化與地形位指數(shù)梯度的分布關(guān)系Fig.3 Relationship between rocky desertification level and topographic index gradient of research area

表1 1990—2010年研究區(qū)石漠化強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣Table 1 Conversion matrix of rocky desertification level in the study area from 1990 to 2010km2

從圖3中可以看出,1990—2010年各石漠化類型在地形位指數(shù)梯度上的分布格局未發(fā)生顯著變化,都呈現(xiàn)出高（17—20）、中（5—16）、低（1—4）3段模式分布結(jié)構(gòu)[9－10］。在高段區(qū)各等級(jí)石漠化景觀分布曲線波動(dòng)較大,其中分布優(yōu)勢(shì)明顯的是無(wú)（圖3（a））、潛在（圖3（b））、輕度（圖3（c））、極強(qiáng)度（圖3（f））石漠化；中段區(qū)為中度（圖3（d））、強(qiáng)度（圖3（e））石漠化的優(yōu)勢(shì)地形位分布區(qū),同時(shí)潛在（圖3（b））、輕度（圖3（c））、極強(qiáng)度（圖3（f））石漠化的分布指數(shù)值均在1左右,所以中地位區(qū)段為石漠化發(fā)生的普適性地形；低段區(qū)為無(wú)石漠化（圖3（a））的優(yōu)勢(shì)分布區(qū)。

形成上述石漠化空間分布特征的原因是：①在高海拔、大坡度地形區(qū),人類對(duì)土地的利用難度較大,石漠化形成、發(fā)展、演化主要受自然因素驅(qū)使,所以出現(xiàn)高等級(jí)石漠化景觀同無(wú)石漠化景觀并存的矛盾現(xiàn)象,而人類驅(qū)使下逐步喪失土地生產(chǎn)力并形成大面積巖石出露的中度（圖3（d））和強(qiáng)度（圖3（e））石漠化景觀則分布較少；②中地形區(qū)段為石漠化發(fā)生的普適地形且20 a間這種分布特征沒(méi)有發(fā)生明顯改變,形成這種分布特征的原因是由于喀斯特山區(qū)尖銳的人地矛盾所造成。

4.3 各等級(jí)石漠化景觀分布特征分析

圖3顯示了研究區(qū)1990,2000,2010年各等級(jí)石漠化的地形位梯度分布特征。其變化規(guī)律如下所示。

（1）無(wú)石漠化（圖3（a））：無(wú)石漠化的地形位分布指數(shù)曲線特征明顯,隨地形位上升分布指數(shù)值先下降再上升,1—7,14—20區(qū)段為優(yōu)勢(shì)分布區(qū)。3個(gè)時(shí)間段無(wú)石漠化分布指數(shù)曲線基本重合,優(yōu)勢(shì)分布范圍無(wú)明顯變化。

（2）潛在石漠化（圖3（b））：1990—2010年間潛在石漠化的分布隨地形位在1—13區(qū)段范圍內(nèi)的變化不大,頻率趨勢(shì)線總體在1附近波動(dòng),只有高段區(qū)出現(xiàn)一定的波動(dòng),2010年后趨勢(shì)線發(fā)生明顯改變,在13—18區(qū)段形成明顯優(yōu)勢(shì)區(qū)。表明潛在石漠化對(duì)地形的選擇性較弱,區(qū)域內(nèi)分布較為廣泛。這主要由于潛在石漠化是石漠化發(fā)生的萌發(fā)階段,這種景觀的形成可能是地表原有結(jié)構(gòu)被破壞形成,也可能是更高等級(jí)石漠化恢復(fù)形成人工林,所以它在區(qū)域內(nèi)各地形區(qū)段均有分布,無(wú)特別明顯優(yōu)勢(shì)分布區(qū)。2010年后形成典型優(yōu)勢(shì)分布區(qū)是石漠化治理工程形成的人工次生植被。

（3）輕度石漠化（圖3（c））：輕度石漠化分布在1—12區(qū)段范圍內(nèi)變化趨勢(shì)不明顯,優(yōu)勢(shì)分布區(qū)較廣且分布指數(shù)均在1附近,表明地形對(duì)輕度石漠化分布限制較小。在9—20區(qū)段范圍內(nèi),研究區(qū)1990—2000年優(yōu)勢(shì)分布區(qū)間逐漸縮小,優(yōu)勢(shì)分布指數(shù)明顯降低,2000年以后在9—15區(qū)段內(nèi)失去優(yōu)勢(shì)分布。

（4）中度石漠化（圖3（d））：中度石漠化分布隨地形位升高先上升后降低,優(yōu)勢(shì)分布區(qū)集中于8—15的中區(qū)段范圍內(nèi),2010年后中度石漠化的優(yōu)勢(shì)分布范圍縮小1個(gè)地形位。中度石漠化優(yōu)勢(shì)分布區(qū)集中于中區(qū)段,因?yàn)橹卸仁漠a(chǎn)生主要是由于過(guò)分的樵采和不合理的農(nóng)業(yè)耕作[6］,而該地區(qū)旱耕地中32%都分布在15°以上的坡地中,不合理的耕種促使中度石漠化的形成。隨著石漠化的治理中度石漠化數(shù)量減少,分布區(qū)間發(fā)生萎縮,但縮小的范圍比較窄。

（5）強(qiáng)度石漠化（圖3（e））：強(qiáng)度石漠化空間分布特征趨勢(shì)線與中度石漠化的相似。優(yōu)勢(shì)分布趨勢(shì)集中于9—17區(qū)段。1990—2010年間,強(qiáng)度石漠化在其優(yōu)勢(shì)分布區(qū)段范圍內(nèi)的分布指數(shù)大幅度降低,但分布區(qū)段范圍有擴(kuò)大并向低區(qū)段蔓延的趨勢(shì)。這主要是由于強(qiáng)度石漠化一般無(wú)土地生產(chǎn)力,但生態(tài)可以得到自然恢復(fù),加上人為的治理,其石漠化面積可以快速減少,但由于恢復(fù)難度較大,所以只是分布指數(shù)降低但分布優(yōu)勢(shì)沒(méi)有完全失去。另外由于治理恢復(fù)的同時(shí)又有新的石漠化形成,造成分布范圍擴(kuò)大。

（6）極強(qiáng)度石漠化（圖3（f））：極強(qiáng)度石漠化分布隨著地形位的升高而升高,在高區(qū)段范圍內(nèi)變化明顯。因?yàn)闃O強(qiáng)度石漠化斑塊內(nèi)巖石幾乎完全裸露,植被覆蓋率低于5%。這種景觀一般是自然因素造成,所以在低、中地形位區(qū)段范圍分布很少,主要分布于高地形位區(qū)。

5 結(jié) 論

（1）石漠化的分布嚴(yán)格受地形因素控制,研究區(qū)1990—2010年間石漠化景觀在各地形位區(qū)段上呈現(xiàn)為3段的分布模式,即高地形位指數(shù)區(qū)（17—20）為無(wú)、潛在、輕度、極強(qiáng)度石漠化優(yōu)勢(shì)分布區(qū),中地形位指數(shù)區(qū)（5—16）為中度、強(qiáng)度石漠化優(yōu)勢(shì)分布區(qū),低地形位指數(shù)區(qū)（1—4）為無(wú)石漠化景觀優(yōu)勢(shì)分布區(qū)。

（2）不同主導(dǎo)因素驅(qū)動(dòng)形成的石漠化景觀分布地形位區(qū)段不同。人為因素為主導(dǎo)驅(qū)使形成的潛在、輕度、中度石漠化主要分布于低、中地形位區(qū),自然因素為主導(dǎo)驅(qū)使形成強(qiáng)度、極強(qiáng)度石漠化分布于高地形位區(qū)段。

（3）中地形位區(qū)是石漠化分布的普遍適應(yīng)區(qū),尤其適合中、強(qiáng)度石漠化分布,這2種石漠化景觀的形成主要是由于人類對(duì)一定坡度土地的使用造成的,所以海拔不高但坡度較大或者海拔較高但坡度較緩的中地形位區(qū)段是石漠化治理的重點(diǎn)區(qū)域。

針對(duì)上述研究結(jié)果得出,不同地形位區(qū)段內(nèi)石漠化等級(jí)分布具有較大的差異性,不同成因的石漠化景觀的空間分布特征也存在一定的差異性。所以在分析石漠化的發(fā)生、演化及成因時(shí),應(yīng)結(jié)合各等級(jí)石漠化景觀的空間分布特征分析才具有實(shí)際意義。具體在石漠化治理過(guò)程中,重點(diǎn)應(yīng)放在對(duì)人為驅(qū)使為主導(dǎo)因素的低、中地形位區(qū)段內(nèi)的潛在、輕度、中度石漠化以及中地形位區(qū)段內(nèi)中度、強(qiáng)度石漠化,而對(duì)自然因素驅(qū)使形成的高地形位區(qū)的強(qiáng)度、極強(qiáng)度石漠化應(yīng)以自然生態(tài)恢復(fù)為主。

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（編輯：劉運(yùn)飛）

Analysis on Spatial Distribution Feature of Landscape of Karst Rocky Desertification in Liuzhi Special Zone of GuiZhou

MA Shi-bin1,2,3,ZHANG Yong-rong1,2AN Yu-lun3,ZHANG Yue-hong4
（1.Environmental and Chemical Engineering Department,Liupanshui Normal Univercity,Liupanshui 553001,China；2.Institute of Wumeng Mountain Area Development and Research,Liupanshui Normal University,Liupanshui 553001,China；3.School of Geographic and Environmental Sciences,Guizhou Normal University,Guiyang 550001,China；4.Guiyang Environmental Information Center,Guiyang 550001,China）

In order to obtain spatial distribution and evolution characteristics of rocky desertification,we used topo-graphic position index and distribution index,as well as remote sensing and GIS technologies.Liuzhi special zone of Guizhou province from 1990 to 2010 was taken as an example.Topographic position can be divided into 3 intervals according to elevation and slope：low interval,middle interval,and high interval,and there are 6 levels for rocky desertification：none,potential,slight,moderate,severe,and extra severe.The results indicate that：Firstly,none,potential,slight,and extra severe rocky desertification regions are mainly located in the high interval,whereas moderate and severe rocky desertification regions are mainly located in the middle interval,with none rocky desertification regions in the low interval.Subsequently,the distribution of topographic position interval varied with different causes such as human activities and nature which lead to rocky desertification.Potential,slight,and moderate rocky desertification regions caused by human activities are mainly located in low and middle intervals of topographic position, whereas severe and extra severe rocky desertification regions caused by nature are distributed in high interval.Furthermore,the distribution of rocky desertification is easy to be seen in middle interval of topographic position.Finally,more attention should be paid to low and middle intervals,where the levels are potential,slight,moderate,or severe,whereas natural ecological restoration should be highlighted in the severe and extra severe rocky desertification areas in the high interval driven by natural factors.

Karst rocky desertification；spatial feature；topographic position index；distribution index；remote sensing data

X144

A

1001－5485（2015）12－0030－06

10.11988/ckyyb.20140529

2014－06－30；

2014－08－14

貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目（黔科合J字[2012］2309號(hào)）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41161002）；六盤水市科技局科技創(chuàng)新能力建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目（52020 2012－04－01－01）

馬士彬（1982－）,男,黑龍江齊齊哈爾人,副教授,博士研究生,主要從事環(huán)境遙感與信息系統(tǒng)應(yīng)用研究,（電話）15086450053（電子信箱）msb88.com＠163.com。

安裕倫（1957－）,男,貴州貴陽(yáng)人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究,（電話）0851－83227356（電子信箱）anyulun＠126.com。