基于GIS的廣西西江流域石漠化動態(tài)分析

朱梓弘,朱同彬,黃 靜,谷佳慧,楊 霖

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京),100083,北京;2.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)所/國土資源部廣西壯族自治區(qū)巖溶動力學(xué)重點實驗室,541004,廣西桂林;3.廣西師范學(xué)院,530001,南寧;4.海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院,570228,海口)

石漠化是指在巖溶地質(zhì)條件下,受極端氣候及不合理人類活動的綜合作用,造成地表植被退化、水土流失、基巖裸露,形成類似石質(zhì)荒漠景觀的土地退化過程[1]。我國石漠化土地主要分布于以貴州高原為中心的西南巖溶區(qū),具有面積大和危害重等特點[2]。研究表明,石漠化與貧困化具有較強的地理耦合關(guān)系[3]：一方面石漠化導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化,土地生產(chǎn)力下降,旱澇災(zāi)害頻繁出現(xiàn),嚴重制約當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展;另一方面,伴隨著人口壓力的增大,人類對土地資源的過度開發(fā),又進一步破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)平衡,加快了石漠化的發(fā)生與演化速度[4],從而形成“貧窮—開荒—貧窮”的惡性循環(huán)。因此,實時監(jiān)測石漠化狀況,對恢復(fù)巖溶區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)態(tài)、促進其社會經(jīng)濟政策發(fā)展具有重要的意義。

西江是華南地區(qū)最長的河流,其流域內(nèi)巖溶區(qū)分布廣泛。近年來,眾多學(xué)者針對廣西境內(nèi)西江流域石漠化的治理開展大量的研究與示范工作,主要包括小尺度地區(qū)石漠化監(jiān)測[5]、石漠化成因與治理方案研究[6],為廣西西江流域石漠化治理提供有利的理論支持和實踐經(jīng)驗;但對于流域石漠化整體分布情況、動態(tài)特征及各等級石漠化轉(zhuǎn)移機制仍缺乏有效監(jiān)測。為掌握當(dāng)前各項治理措施實施后廣西西江流域石漠化空間分布及其演變特征,筆者基于4期MODIS NDVI影像數(shù)據(jù),綜合運用GIS與RS技術(shù),分析近15年來廣西西江流域石漠化動態(tài)特征,為進一步加強西江流域石漠化治理及治理措施優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西江流域位于廣西壯族自治區(qū)境內(nèi)珠江水系中上游地區(qū),地處 E 104°28′～112°05′,N 21°35′～26°20′(圖1)。流域總面積約20萬3 760 km2,巖溶區(qū)面積約9萬1 239 km2,占流域總面積的44.78%。流域地貌類型多樣,以峰林、峰叢洼地、峰叢谷地等巖溶地貌為主,地勢表現(xiàn)為西北高東南低。西江流域位于中國西南部亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),常年高溫多雨,年降水量達1 080～2 760 mm,巖溶作用強烈,水土流失嚴重,形成較大規(guī)模的石漠化土地。

2 數(shù)據(jù)源與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

筆者選取2001、2006、2011和2016年4期 MODISNDVI遙感影像,該數(shù)據(jù)為16 dNDVI合成產(chǎn)品,空間分辨率250 m,數(shù)據(jù)來源于美國NASA的MODIS Land products MODBQ1(https： ∥ ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov),時相選擇植被生長較為旺盛的5—9 月,即每年的第129、145、161、177、193、209、225、241、257和273天,4期數(shù)據(jù)共80幅。 此外,還使用了《廣西省區(qū)域地質(zhì)圖》《2010年廣西土地利用圖》《廣西省地貌圖》和30 m分辨率數(shù)字高程模型(SRTM DEM)等相關(guān)輔助數(shù)據(jù)。其中30 m分辨率SRTM DEM來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http：∥www.gscloud.cn/)。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Schematic map of the studied area

2.2 數(shù)據(jù)處理

借助ArcGIS 10.1對MODIS NDVI影像進行拼接、裁剪及投影轉(zhuǎn)換。采用最大值合成法(MVC)取4期數(shù)據(jù)各時段影像的NDVI最大值,以進一步消除云、大氣、太陽輻射的部分影響。在以上數(shù)據(jù)預(yù)處理基礎(chǔ)上,以ENVI 5.1為操作平臺,基于相元二分模型[7],定量估算西江流域植被覆蓋度(fractional vegetation coverage,FVC),構(gòu)建模型的過程中,計算影像NDVI的積累頻率,選取積累比例0.5%為置信度,其中積累比例＞99.5%的為全植被覆蓋,積累＜0.5%為全土壤覆蓋。

2.3 石漠化等級劃分與解譯

基于人機交互的石漠化解譯方法[89],以植被覆蓋度為底圖,輔以地質(zhì)圖、地貌圖、土地利用圖及坡度圖等相關(guān)數(shù)據(jù),借助ArcGIS 10.1進行綜合疊加分析,提取廣西西江流域2001、2006、2011和2016年石漠化信息,其中坡度圖由30 m分辨率SRTM DEM換算得到。解譯過程中,參考前人以植被覆蓋度劃分石漠化等級的方法[1011],將其分為重度石漠化(FVC＜30%)、中度石漠化(30% ＜FVC＜50%)、輕度石漠化(50% ＜FVC＜70%)及無石漠化(FVC ＞70%)。

3 結(jié)果與分析

3.1 石漠化變化特征

遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)(表1)表明：2001、2006、2011和2016年廣西西江流域石漠化面積分別占流域總面積的18.06%、15.58%、12.05%和7.34%。2001—2006年間輕度石漠化面積減少12.53%,中度石漠化面積減少23.04%,重度石漠化面積減少9.07%;2006—2011年間輕度石漠化面積減少22.17%,中度石漠化面積減少28.21%,重度石漠化面積減少12.16%;2011—2016年間輕度石漠化面積減少39.68%,中度石漠化面積減少38.08%,重度石漠化面積減少13.97%。表明近15年來石漠化土地面積持續(xù)縮減,其縮減速率呈現(xiàn)出逐年增長的趨勢。

表1 西江流域2001—2016年各等級石漠化面積Tab.1 Area of rocky desertification in the Xijiang River Basin during 2001-2006

不同等級的石漠化面積由大到小排序為輕度石漠化(6.41% ～15.61%)＞中度石漠化(0.75% ～2.19%)＞重度石漠化(0.18% ～0.27%),表明石漠化面積隨等級的升高而逐步減少,石漠化等級結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的金字塔狀。

3.2 石漠化的區(qū)域差異

基于子流域尺度統(tǒng)計廣西西江流域4期石漠化面積平均值(表2),統(tǒng)計結(jié)果表明：石漠化集中分布于西江流域中部及西部地區(qū)的紅水河、柳江、右江及左江流域,4個子流域的石漠化面積總和約占全區(qū)石漠化總面積的87.72%,是石漠化問題較為嚴重的區(qū)域,其中輕度石漠化面積占全區(qū)石漠化總面積的比例分別為 29.36%、18.29%、15.15%和15.00%,中度石漠化面積占比分別為2.44%、2.00%、1.76%和2.41%,重度石漠化面積占比分別為0.27%、0.44%、0.20%和0.38%。

表2 各子流域石漠化平均面積Tab.2 Average area of rocky desertification in each sub-basin

計算不同時段流域石漠化面積動態(tài)度(圖2),結(jié)果表明：紅水河、柳江、黔潯江及右江流域石漠化縮減速率的變化趨勢與全流域一致,2001—2006年間4個子流域石漠化年均縮減速率僅為3.03%、3.12%、-0.19%和3.05%,而在2011—2016年間分別增長到12.01%、8.81%、10.62%和7.71%。南盤江流域石漠化縮減速率在最初10年內(nèi)由4.94%下降至4.47%,而在2011—2016年間石漠化縮減速率又上升至6.61%。桂賀江與左江流域石漠化縮減速率在2006—2011年間達到最大值,而后又呈下降趨勢變化。

3.3 石漠化轉(zhuǎn)移機制

在GIS技術(shù)的支持下,將2001、2006、2011和2016年廣西西江流域石漠化圖進行綜合疊加分析,統(tǒng)計石漠化變差狀況,分析石漠化演變規(guī)律。

分析結(jié)果(圖3)表明石漠化演變是不同等級石漠化相互轉(zhuǎn)移的動態(tài)過程。石漠化轉(zhuǎn)移主要集中在較低等級石漠化之間,其中無石漠化與輕度石漠化之間的面積相互轉(zhuǎn)移量最大,在 2001—2006、2006—2011和2011—2016年3個時段內(nèi)其面積轉(zhuǎn)移量占總轉(zhuǎn)移量的比例分別達到78.82%、81.68%和84.55%;相鄰等級石漠化的面積相互轉(zhuǎn)移量較大,不同等級石漠化之間面積跳躍轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移量較小,從整體上看,2001—2016年間相鄰等級的石漠化面積轉(zhuǎn)移量占總轉(zhuǎn)移量的比例達94.68%,石漠化跨等級的轉(zhuǎn)移量僅占總轉(zhuǎn)移量的5.32%。另外,重度石漠化轉(zhuǎn)移面積最小,其面積轉(zhuǎn)移量僅占總轉(zhuǎn)移量的2.01%,說明重度石漠化治理難度大,治理措施在短期內(nèi)難見顯著成效。

圖2 子流域石漠化面積的縮減速率Fig.2 Reduction rate of the rocky desertification area in each sub-basin

圖3 廣西西江流域2001—2016年石漠化動態(tài)變化Fig.3 Dynamic characteristic of rocky desertification of Xijiang River Basin during 2001-2016

4 討論

近15年間,伴隨著石漠化綜合治理措施的開展與石漠化區(qū)土地壓力的緩解,西江流域石漠化面積呈加速趨勢縮減。當(dāng)前,廣西省針對境內(nèi)石漠化防治問題已開展了大量的實驗與研究[1213]。 截止至2014年,廣西省已有75個石漠化嚴重縣被納入以小流域為單元的石漠化綜合治理工程建設(shè)范圍,配合當(dāng)前國家新農(nóng)村建設(shè)政策,著力打造以石漠化區(qū)生態(tài)恢復(fù)為目標,有機結(jié)合耕作、農(nóng)業(yè)、工程和管理的石漠化綜合治理方案[12],多項治理措施的綜合作用使得石漠化區(qū)植被得到有效恢復(fù)。另外,人口外遷與生態(tài)移民等活動在一定程度上緩解了巖溶區(qū)的土地壓力,第5次人口普查數(shù)據(jù)表明[14],廣西省遷移人口占全區(qū)總?cè)丝跀?shù)的7.99%,人口遷移方向主要由鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)指向經(jīng)濟發(fā)達的城市地區(qū),大規(guī)模的人口遷移為遷出地的生物棲息與繁衍提供更為廣闊的空間,也避免了毀林開荒、陡坡開荒等不合理人類活動的影響,減輕了水土流失與土地退化的風(fēng)險,使得遷出地的生態(tài)環(huán)境得到有效的恢復(fù)與保護[15]。一般認為石漠化的形成受其巖性特征、地貌形態(tài)、氣候類型、植被狀況等因素的控制,并在不合理的人類活動的影響下進一步惡化[16]。廣西西江流域石漠化主要分布于流域中部及西部地區(qū),從自然環(huán)境因素上看,一方面西江流域中部及西部巖溶區(qū)面積廣闊,空間分布連續(xù),加之該地區(qū)海拔相對較高,坡度較大,且處于西南季風(fēng)的迎風(fēng)坡,雨季降水量大,導(dǎo)致該地區(qū)土壤侵蝕現(xiàn)象明顯,另一方面,流域巖溶區(qū)植被類型多為灌木,許多地區(qū)植被群落未達到頂級[17];因此在極端氣候與人為因素的干擾下發(fā)生石漠化。從社會經(jīng)濟因素上看,紅水河、柳江、左江及右江流域巖溶區(qū)是廣西省貧困人口的主要集中地,人口密度較大,如大化、馬山、平果等縣級市,人口密度高達150人/km2,嚴重超過了巖溶區(qū)的環(huán)境負荷[3],不合理及過度的開荒活動加劇了當(dāng)?shù)氐乃亮魇?進而提高了石漠化形成與演化的速度。

石漠化的演化過程同時存在好轉(zhuǎn)與惡化2個方向。石漠化轉(zhuǎn)移主要集中于較低等級的石漠化之間,且相鄰等級石漠化轉(zhuǎn)移量遠大于跨等級石漠化轉(zhuǎn)移量,表明石漠化演化是一個漸變的過程,低等級石漠化相比于高等級石漠化更容易發(fā)生改變,這與陳起偉等[9]針對貴州省石漠化的監(jiān)測結(jié)果一致。等級較高的石漠化地區(qū),由于其巖石裸露率過高,土被覆蓋少,土壤淺薄,使得該區(qū)已經(jīng)惡化的生態(tài)系統(tǒng)難以得到恢復(fù)[18]。也有研究表明裸巖率與坡地的微地貌部位關(guān)系密切,坡丘上部相較于坡低具有較高的裸巖率[19],尤其是坡丘頂部,一般無路可通,因此對該地區(qū)進行綜合治理是難上加難,只能等待其進行漫長的自我恢復(fù)。而石漠化程度較輕的地區(qū),其土壤覆蓋狀況相對較好,并且該區(qū)域具有一定的通達性,具有相對較好的治理條件,所以這些地區(qū)的石漠化狀況更容易在人類的合理干涉下得到改善。

5 結(jié)論

基于2001、2006、2011和 2016年 4期 MODIS NDVI影像數(shù)據(jù),以廣西西江流域為研究單元,提取廣西西江流域石漠化空間信息,分析廣西西江流域石漠化動態(tài)變化特征。主要結(jié)論如下：

1)2001、2006、2011和2016年廣西西江流域石漠化面積分別占流域總面積的18.06%、15.58%、12.05%和7.34%,流域石漠化面積呈現(xiàn)出隨等級增加而降低的金字塔結(jié)構(gòu);近15年間,在多項石漠化綜合治理工程廣泛實施的背景下,廣西西江流域石漠化土地面積持續(xù)下降,且降幅逐年增加。

2)石漠化集中分布于西江流域中部及西部地區(qū),其中紅水河、柳江、左江及右江4個子流域石漠化面積占全流域石漠化面積的87.72%。紅水河、柳江、黔潯江及右江流域石漠化縮減速率的變化趨勢同全流域基本一致,桂賀江與左江流域石漠化縮減速率呈先增后減的趨勢變化,在2006—2011年間達到最大值,分別為4.18%和6.68%。

3)石漠化面積變化同時存在好轉(zhuǎn)與惡化2個方向,低等級石漠化相比于高等級石漠化更容易向相鄰等級石漠化轉(zhuǎn)移。在本研究時段內(nèi),石漠化轉(zhuǎn)移呈現(xiàn)高等級石漠化逐步向低等級石漠化轉(zhuǎn)變的特征,表明針對廣西西江流域石漠化的治理已取得一定成效,但部分地區(qū)石漠化問題依然存在,還需要進一步加強流域石漠化監(jiān)測力度,及時調(diào)整與優(yōu)化石漠化綜合治理措施。