基于遙感與地理信息系統(tǒng)的石漠化發(fā)育區(qū)土地整治適宜性評價

馬能，黃義忠，尹紅梅

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

石漠化是指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程，其本質(zhì)是喀斯特地區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)功能的退化。我國西南地區(qū)是全球最典型的熱帶—亞熱帶喀斯特地貌的代表，石漠化程度嚴重，導(dǎo)致當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展緩慢、人民生活水平下降、環(huán)境狀況惡化。該狀況已引起國家重視，并加大了石漠化治理力度[1-3]。長期以來，專家學(xué)者在石漠化研究方面取得了一系列成績，對喀斯特石漠化的成因、影響因子、危害及防治對策和各種治理模式等進行了深入研究[4-6]。

石漠化發(fā)育區(qū)土地整治是將土地整治工程措施與石漠化治理相結(jié)合，不僅能有效解決石漠化發(fā)育區(qū)域的生態(tài)環(huán)境問題，同時能通過提高耕地質(zhì)量、增加有效耕地面積，提高農(nóng)民收入，帶動農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展。云南省在西疇縣實施的石漠化發(fā)育區(qū)土地整治項目取得了顯著的成效。鑒于石漠化發(fā)育區(qū)域的土地整治工程剛剛起步，相關(guān)文獻還較少。司澤寬等[7]基于系數(shù)法、類比法等方法分析區(qū)域內(nèi)新增耕地數(shù)量與質(zhì)量的潛力，并以典型的石漠化地區(qū)貴州省金沙縣為例進行了實例分析；賈麗娟等[8]針對喀斯特地區(qū)提出3種灌溉排水工程方案；黃晶晶等[9-10]針對西南喀斯特山地采煤沉陷區(qū)——重慶松藻礦區(qū)，提出土地整治的關(guān)鍵技術(shù)在于土地整治規(guī)劃布局與工程設(shè)計。

石漠化發(fā)育區(qū)域的土地整治必須由政府牽頭，涉及土地、農(nóng)田水利、道路等各項工程設(shè)施，投入巨大，成功選取實施區(qū)域是影響整治工程實效的關(guān)鍵。本文從喀斯特石漠化發(fā)育特點出發(fā)，針對性選取評價因子，并借助高分辨率衛(wèi)星影像和地理信息系統(tǒng)(GIS)手段，探討石漠化發(fā)育區(qū)土地整治適宜性評價方法體系，以期為石漠化地區(qū)土地整治項目選址提供參考和依據(jù)。

1 研究方法

1.1 石漠化土地整治適宜性評價的特殊性與必要性

石漠化標志為基巖大面積裸露。根據(jù)喀斯特地貌發(fā)育規(guī)律，碳酸鹽巖層面被溶蝕，形成許多溶溝溶槽，溝間突起石芽，導(dǎo)致石漠化發(fā)育區(qū)域土地性質(zhì)呈現(xiàn)土壤與巖石交替分布的特征，基巖裸露面積越大，植被覆蓋度越低。石漠化形成的過程實質(zhì)是土地系統(tǒng)退化的過程，進程為林退、草毀→陡坡開墾→土壤沖刷→巖石裸露→石漠[11]，發(fā)展包括初期、中期、后期、末期4個階段。建立科學(xué)合理的石漠化土地整治適宜性評價體系，對快速有效選取適宜區(qū)域開展土地整治將起到事半功倍的效果，同時，評價成果對不同整治區(qū)域規(guī)劃設(shè)計具有指導(dǎo)借鑒意義。

在參考傳統(tǒng)土地適宜性評價因子的基礎(chǔ)上，根據(jù)土地石漠化特點，將基巖出露率、植被覆蓋度作為石漠化土地整治評價的重要參評因子，并探討其信息獲取的方法途徑。

1.2 土地平整工程及技術(shù)分析

參照聯(lián)合國糧農(nóng)組織《土地評價綱要》(1976年)分類體系，本文評價標準采用土地適宜等分類體系，將石漠化土地(主要指耕地)整治適宜性評價可分為高度適宜、中度適宜、低度適宜、勉強適宜和不適宜5級(表1)。

表1 石漠化發(fā)育區(qū)土地整治適宜性評價標準

1.3 評價指標選取、權(quán)重確定及指標量化

結(jié)合石漠化的特點，選取的評價指標包含：土地利用現(xiàn)狀類型、耕作層厚度、土壤有機質(zhì)含量、地形坡度、居民點分布、道路距離分布、基巖出露率、植被覆蓋度。將選定的評價因子構(gòu)建指標層，進而對指標屬性進行歸類，得到評價指標的準則層，石漠化土地整治適宜性評價綜合指數(shù)為本次評價的目標層(圖1)。

圖1 石漠化發(fā)育區(qū)土地整治適宜性評價指標體系

結(jié)合自身評價指標與目標的特性，將層次分析法和傳統(tǒng)的土地整治適宜性評價相對重要性相結(jié)合，通過構(gòu)建判斷矩陣并檢驗判斷矩陣的一致性來確定指標的權(quán)重。最終確定的石漠化土地整治適宜性評價指標量化標準及權(quán)重見表2。

1.4 評價模型建立

采取加權(quán)綜合指數(shù)法確定各單元單因素的綜合評價分值，模型運算如下：

式中：F表示各單元單因素獲得的綜合評價分值，Bi表示本文選取的第i個指標的分值，Wi表示第i個指標相應(yīng)的權(quán)重，n≤8。

2 實證研究

2.1 研究區(qū)概況

選取云南省西疇縣興街鎮(zhèn)三光、拉孩、老街3個村委會境內(nèi)的土地為研究區(qū)。研究區(qū)位于西疇縣西南部，屬典型的喀斯特丘陵地貌，山丘、洼地交錯分布，氣候?qū)倌蟻啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，日照充足，氣候溫和，降水量大且集中，積溫條件好，有利于各種作物的生長發(fā)育。地質(zhì)條件較穩(wěn)定，一般不會發(fā)生崩塌、泥石流、滑坡等自然災(zāi)害。研究區(qū)面積387.18 hm2，土地利用現(xiàn)狀見圖2。

表2 石漠化土地整治適宜性評價指標計分規(guī)則及權(quán)重

圖2 研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀

2.2 基于GIS與遙感(RS)的評價指標信息獲取與處理

在評價指標體系構(gòu)建中，植被覆蓋度與基巖出露率是2個關(guān)鍵因子。為獲取準確有效數(shù)據(jù)，采用遙感數(shù)據(jù)分析[12-13]。

2.2.1 遙感數(shù)據(jù)選取與預(yù)處理

本研究遙感數(shù)據(jù)來自西疇縣Landsat-8的TM遙感影像(2014年12月，分辨率30 m，全色波段band8分辨率為15 m)。數(shù)據(jù)預(yù)處理內(nèi)容包括輻射定標、大氣校正、裁剪。預(yù)處理后研究區(qū)遙感影像如圖3所示。

圖3 研究區(qū)原始影像(2014年12月)

2.2.2 植被覆蓋度與基巖出露率信息獲取

基于ENVI平臺，利用Compute Statistics工具統(tǒng)計確定最大值和最小值，再利用波段計算器計算植被覆蓋度和基巖出露率。

2.3 評價指標量化賦值

結(jié)合確定的計分規(guī)則及權(quán)重，運用ArcGIS的空間分析等功能進行所有評價指標的分值量化，計算后，將要素數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)，結(jié)合表2中確定的各評價因素評分標準得到各評價因素得分。

利用GIS將以上所有單因子評價結(jié)果圖進行批量疊加，對其屬性進行處理與分析，結(jié)合表2獲得評價綜合分值。由于項目區(qū)的資料獲取困難，本次評價中排除有效土層厚度和土壤有機質(zhì)含量2個因子。

通過項目所有評價單元的綜合分值制作研究區(qū)可建設(shè)區(qū)域綜合得分頻數(shù)分布圖(圖4)，根據(jù)綜合分值將石漠化發(fā)育區(qū)劃分為高度適宜土地整治、中度適宜土地整治和低度適宜土地整治3個級別(圖5)，制作研究區(qū)可建設(shè)區(qū)域石漠化土地整治適宜性評價結(jié)果(表3)。

經(jīng)統(tǒng)計，研究區(qū)可建設(shè)面積共計387.18 hm2，其中：高度適宜土地整治面積266.25 hm2，占研究區(qū)可建設(shè)規(guī)模的68.8%；中度適宜土地整治面積120.02 hm2，占研究區(qū)可建設(shè)規(guī)模的31.0%；低度適宜土地整治面積0.91 hm2，僅占研究區(qū)可建設(shè)規(guī)模的0.2%。

圖4 研究區(qū)可建設(shè)區(qū)域適宜性綜合分值頻數(shù)分布

表3 研究區(qū)可建設(shè)區(qū)域石漠化土地整治適宜性評價結(jié)果

2.4 評價結(jié)果校核

后期實施西疇縣興街鎮(zhèn)三光等3個村土地整治(石漠化治理)項目，通過規(guī)劃設(shè)計野外踏勘，本次評價結(jié)果與設(shè)計分區(qū)面積吻合，重合率達86.7%，說明本評價方法具有較好的選址指導(dǎo)與實際應(yīng)用價值。

圖5 研究區(qū)可建設(shè)區(qū)域石漠化土地整治適宜性評價結(jié)果

3 小結(jié)與討論

本研究從喀斯特石漠化發(fā)育特點出發(fā)，構(gòu)建石漠化發(fā)育區(qū)土地整治適宜性評價標準，針對性選取評價因子，確定權(quán)重，對指標分值進行量化，借助高分辨率衛(wèi)星影像獲取植被覆蓋度和基巖出露率2個關(guān)鍵因子信息，基于ArcGIS的空間分析功能實現(xiàn)評價，探討并建立了石漠化發(fā)育區(qū)土地整治適宜性評價方法體系。以云南省西疇縣研究區(qū)為例進行實證評價，經(jīng)野外校核，評價準確率達86.7%，證明本評價方法在石漠化發(fā)育區(qū)土地整治項目選址上具有較好的指導(dǎo)意義，對項目規(guī)劃設(shè)計及實施有較強的借鑒意義。

受限于Landsat-8的TM遙感影像分辨率，本研究的解譯準確度及面積精確度有待提高，假以更高分辨率的高分衛(wèi)星影像，評價結(jié)果將更有大幅度提高。此外，評價因子選取及指標量化也還存在不合理的地方，有待后期研究深入完善。