典型喀斯特地區(qū)石漠化景觀格局對土地利用變化的響應(yīng)

冉 晨,白曉永,*,譚 秋,羅旭玲,陳 歡,習(xí)慧鵬

1 貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽 550025 2 中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所 環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室, 貴陽 550001

人類不合理的土地利用方式是西南喀斯特地區(qū)石漠化發(fā)生的主導(dǎo)原因[1-2]。當(dāng)前,石漠化問題的日趨惡化已嚴(yán)重阻礙了該地區(qū)的經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展,成為西南地區(qū)最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[3]。

前人對于喀斯特山區(qū)石漠化及土地利用景觀生態(tài)格局的研究頗多,例如盧遠(yuǎn)等[4]對喀斯特山區(qū)景觀生態(tài)格局的研究；白曉永等[5]對喀斯特山區(qū)石漠化景觀及其土地生態(tài)效應(yīng)的探討研究；王世杰等[6]對巖溶山區(qū)不同巖性和地貌下景觀斑塊分布及其多樣性的分析研究；李陽兵等[7]對石漠化景觀格局的分布特征及其影響因素的分析研究；王媛媛等[8]對石漠化景觀格局對土地利用時空演變的響應(yīng)的研究；在探討土地利用與石漠化之間關(guān)系的方面,有劉吉平等[9]對三江平原土地利用景觀格局時空演變及驅(qū)動力的研究；胡寶清等[10]利用景觀空間方法對廣西喀斯特石漠化空間格局進行分析研究；李陽兵等[11]對中國典型喀斯特地區(qū)土地利用與石漠化之間關(guān)系的研究；以上研究均取得較好的成果,使得人們進一步認(rèn)識土地利用與石漠化之間的關(guān)系以及它們的發(fā)生機制,但以往研究多以疊加分析、相關(guān)分析等定性研究居多,缺乏對土地利用與石漠化之間的綜合及其深度研究,難以對人們的石漠化治理工作提供有效的參考意見,也難以對近年來實施的石漠化治理工程的成效進行評估。

鑒于以上問題,本文主要從三個方面進行研究并對石漠化治理提出更加有效的治理模式：(1)對石漠化及土地利用進行時空演變分析,從宏觀上了解土地利用及其石漠化的時空演變速率及方向[11]。(2)定量分析研究不同土地利用情況下石漠化的分布特征。(3)借助景觀生態(tài)學(xué)[12]從景觀格局方面來研究分析土地利用與石漠化景觀格局之間的響應(yīng)關(guān)系以及石漠化治理的效果。

1 研究區(qū)概況

道真縣(圖1)位于貴州省北部,107°21′—107°51′E、28°36′—29°13′N,毗鄰南川區(qū)、務(wù)川仡佬族苗族自治縣、正安縣、武隆縣和彭水苗族土家族自治縣[13]。幅員面積2156 km2。地形以低山峰叢和槽谷的溶蝕和侵蝕為主,碳酸鹽巖廣泛分布,是典型的喀斯特地貌。2005年石漠化面積為847.79 km2,占土地總面積的39.55%。潛在石漠化和中度石漠化是研究區(qū)石漠化的主要類型,分別占石漠化總面積的53.99%和29.83%。道真縣氣候宜人,屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑[14]。年平均氣溫8—16.4℃,降雨量800—1400 mm,日照時數(shù)1076 h,無霜期270 d以上。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與處理

土地利用圖的獲?。和ㄟ^地理空間數(shù)據(jù)云下載道真縣2005、2015年兩期的遙感影像圖,根據(jù)兩期遙感影像特征以及結(jié)合道真縣衛(wèi)星影像圖通過ENVI 5.3進行監(jiān)督分類,將研究區(qū)劃分成8種土地利用類型：建設(shè)用地、有林地、水域、旱地、灌木林地、草地、水田、其他用地,再利用ArcMap 9.3進行數(shù)據(jù)處理,最終得到道真縣土地利用現(xiàn)狀圖。

石漠化數(shù)據(jù)來源于喀斯特科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.karstdata.cn/)。

DEM數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)。

2.2 景觀格局指數(shù)及含義

景觀格局指數(shù)是指景觀格局與景觀指數(shù)。景觀指數(shù)指高度濃縮的景觀格局信息,是反映其結(jié)構(gòu)構(gòu)成和空間特征的簡單量化指標(biāo)[12]。根據(jù)研究目的與實際情況,本研究選取6種景觀指數(shù)(表1),對研究區(qū)石漠化及土地利用的景觀格局進行分析,景觀指數(shù)由Fragstats 4.2軟件根據(jù)柵格數(shù)據(jù)計算得出,最后選取研究所需指標(biāo)進行分析。

H—Shannon多樣性指數(shù)(Pi為每一種斑塊類型所占景觀總面積的比例；m為斑塊的類型總數(shù))

E—均勻度指數(shù)(Hmax為多樣性指數(shù)最大值)

D—分維度指數(shù)(Pi為斑塊i的周長,A為斑塊i的面積)

AI—聚合度指數(shù)(表現(xiàn)景觀內(nèi)斑塊的聚合程度,gik表示相應(yīng)景觀類型的相似鄰接斑塊數(shù)量,m為景觀中斑塊類型的總數(shù)目)

LSI—景觀形狀指數(shù)(L為景觀中所有斑塊邊界的總長度,A為景觀總面積)

CONTAG—蔓延度指數(shù)(Pi為每一種斑塊類型所占景觀總面積的比例,gik表示相應(yīng)景觀類型的相似鄰接斑塊數(shù)量)

表1 景觀格局指數(shù)及景觀含義

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用類型及石漠化等級變化

圖2 2005/2015年道真縣土地利用圖Fig.2 Land-use map of Daozhen country in 2005 and 2015

根據(jù)研究區(qū)2005年和2015年的土地利用分布圖(圖2)來看,有林地和灌木林地均為兩個年份重要土地類型,其次為旱地和水田,有林地和灌木林地主要以較大斑塊的形式分布于道真縣,2005年和2015年所占面積比例分別為29.94%、27.82%和28.04%、35.55%。作為另外兩種重要土地類型,旱地和水田主要分布于有林地和灌木林地周圍,2005年和2015年所占面積比例為12.78%、11.83%和11.88%、11.61%。該研究區(qū)草地類型較少,2005年和2015年所占面積比例分別為0.61%和0.74%。近10年來,道真縣建設(shè)用地和灌木林地的面積增加,旱地和其他用地的面積減少,其他地類面積變動起伏不大。

從道真縣2005年和2015年石漠化分布圖(圖3)明顯可以看出研究區(qū)2005年和2015年以潛在石漠化和中度石漠化為主要類型,其面積一共占比33.15%和31.17%。研究區(qū)2005年重度石漠化分布較為明顯,從圖3可看出2015年重度石漠化有明顯改善。2005年到2015年極重度石漠化占比雖小,分別為0.12%和0.06%,也可從圖中看出明顯改善。隨著人們對土地的利用方式改變,道真縣的石漠化程度也發(fā)生了變化。從土地利用類型上看,研究區(qū)灌木林地面積增多、其他用地面積減少,一定程度上對石漠化等級的改變產(chǎn)生了影響,道真縣中度及以上石漠化等級面積占比由18.19%減少到16.59%。

圖3 2005/2015年道真縣石漠化分布圖Fig.3 The rocky desertification map of Daozhen country in 2005 and 2015

依據(jù)表2、3可得出：研究區(qū)2005—2015年間,灌木林地面積的平均變化速率最高,表明研究區(qū)近10年間采取的退耕還林、石漠化綜合治理等生態(tài)建設(shè)工程(圖4),改善了生態(tài)環(huán)境,使集中發(fā)生于灌木林地的中度、重度石漠化有逐漸變好的趨勢；同時發(fā)生于旱地的極重度石漠化等級也有所下降,另外,非石漠化(非石漠化=非喀斯特+無石漠化)面積減少了24.24 km2。

表2 2005—2015年道真縣土地利用面積變化表

表3 2005—2015年道真縣石漠化面積變化表

圖4 研究區(qū)10年來生態(tài)建設(shè)事件時間軸Fig.4 Timeline of ecological construction events in the research area for ten years

3.2 土地利用與石漠化等級轉(zhuǎn)移矩陣

基于道真縣2005、2015年的石漠化等級和土地利用分布圖進行分析,得到石漠化等級轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣圖(圖5)和表(表4、表5)。

圖5 2005—2015年道真縣石漠化及土地利用轉(zhuǎn)移矩陣圖Fig.5 The matrix diagram of rocky desertification and land-use transfer in daozhen country from 2005 to 2015N：No karst rocky desertification；P：Potential karst rocky desertification；L：Little karst rocky desertification；M：Mild karst rocky desertification；S：Serious karst rocky desertification；ES：Heavily karst rocky desertification；C：Construction land；F：Forest land；W：Water area；D：Dry land；P：Paddy field；S：Shrub land；G：Grass land；O：Other land

等級Level非石漠化NKRD潛在石漠化PKRD輕度石漠化LKRD中度石漠化MKRD重度石漠化SKRD極重度石漠化ESKRD非石漠化NKRD1233.1542.602.5716.345.520.11潛在石漠化PKRD0348.5711.2638.702.710.08輕度石漠化LKRD00.120.050.0100中度石漠化MKRD094.2712.79107.682.830.03重度石漠化SKRD02.980.3817.6556.500.40極重度石漠化ESKRD00000.100.18

NKRD：No karst rocky desertification；PKRD：Potential karst rocky desertification；LKRD：Little karst rocky desertification；MKRD：Mild karst rocky desertification；SKRD：Serious karst rocky desertification；ESKRD：Extremely serious karst rocky desertification

結(jié)合研究區(qū)石漠化轉(zhuǎn)移矩陣表與圖分析可得出,研究區(qū)2005—2015年間石漠化面積變化趨勢主要表現(xiàn)為中度和重度石漠化面積減少。石漠化等級從輕度、中度、重度、轉(zhuǎn)化為潛在石漠化,其中輕度石漠化轉(zhuǎn)化為潛在石漠化的面積為11.26 km2,中度石漠化轉(zhuǎn)為潛在石漠化的面積為38.79 km2,重度石漠化轉(zhuǎn)化為潛在石漠化的面積為2.71 km2,重度和極重度石漠化面積變化相對較小,近10年間道真縣石漠化情況正在好轉(zhuǎn)。

研究區(qū)2005—2015年間土地利用變化趨勢主要為建設(shè)用地和灌木林地的增加。土地利用類型主要從旱地和水田轉(zhuǎn)化為灌木林地,其中旱地轉(zhuǎn)為灌木林地的面積為88.08 km2,水田轉(zhuǎn)為灌木林地的面積為71.13 km2。研究區(qū)旱地和水田面積比例分別從12.78%和11.83%下降到11.88%和11.61%,灌木林地面積占比從27.82%增加到35.55%。道真縣石漠化治理過程中采取的封山育林,植樹造林(圖4)等措施使土地利用的面積發(fā)生相應(yīng)的改變。

表5 2005—2015年道真縣土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣/km2

3.3 不同等級石漠化土地利用分布

從表6可看出,研究區(qū)石漠化景觀主要分布在旱地和灌木林地中,草地和其他用地較少,其中分布于灌木林地和有林地中的石漠化景觀類型為潛在、輕度、中度、重度石漠化,極重度石漠化則主要分布于旱地中。

表6 2005—2015年道真縣不同土地利用石漠化情況/%

經(jīng)研究分析得出,2005—2015年間,發(fā)生于有林地的石漠化面積呈減少的趨勢；發(fā)生于旱地中的中度、重度、極重度石漠化面積呈上升趨勢；發(fā)生于灌木林地的極重度石漠化面積有所減少,潛在、輕度、中度石漠化面積在增加；發(fā)生于其他用地的石漠化面積均呈減少趨勢。21世紀(jì)以來,石漠化面積減少的原因多是因為國家聯(lián)合多方面力量,利用各種資源,大力實施石漠化綜合治理工程[15-17]。

3.4 景觀格局指數(shù)計算及其空間變化特征

基于景觀格局理論和方法,利用景觀格局分析軟件FRAGSTAT 4.2,以道真縣2005、2015年土地利用和石漠化分布圖為基礎(chǔ),選取多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、分維度指數(shù)、蔓延度指數(shù)、聚合度指數(shù)和景觀形狀指數(shù)指標(biāo),對道真縣的土地利用和石漠化景觀格局進行綜合分析(表7、8)。

表7 2005—2015年道真縣土地利用景觀格局指數(shù)

景觀層面上的景觀指數(shù)主要用以反映研究區(qū)總體景觀格局及其變化模式[18]。由表7可以看出,2005—2015年間,研究區(qū)內(nèi)土地利用多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)各下降了0.6434和0.0552,說明道真縣土地利用景觀類型的破碎化程度隨著景觀類型的復(fù)雜程度的下降隨之變小。分維度指數(shù)由1.5211上升到1.5272,說明研究區(qū)內(nèi)景觀類型的形狀變得更為復(fù)雜。蔓延度指數(shù)和聚合度指數(shù)均增加,表明研究區(qū)土地利用景觀類型向外蔓延,逐漸由小斑塊轉(zhuǎn)化成大斑塊,景觀破碎化程度得到有效改善,例如研究區(qū)灌木林地景觀類型面積的擴大。景觀形狀指數(shù)由41.8737下降為40.8925,下降幅度雖不大,但表明研究區(qū)內(nèi)土地利用景觀受干擾程度正在逐漸下降。

由表8可以看出,2005—2015年間,研究區(qū)內(nèi)石漠化多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均有所下降,其中多樣性指數(shù)下降了2.4309,充分表明研究區(qū)石漠化景觀類型的多樣性減少,即石漠化強度的減弱,使得潛在石漠化的面積占比大大增加。石漠化分維度指數(shù)由1.3976上升到1.4777,表明研究區(qū)內(nèi)景觀類型的形狀變得更為復(fù)雜。蔓延度指數(shù)和聚合度指數(shù)分別增加了25.5396和2.9112,說明石漠化景觀類型的破碎程度大大減少,結(jié)合研究區(qū)石漠化現(xiàn)狀圖可以清晰看出石漠化景觀中某種優(yōu)勢斑塊逐步向高連接性轉(zhuǎn)變,形成較大斑塊。景觀形狀指數(shù)的下降,表明石漠化景觀的受干擾程度有所下降,這與研究區(qū)自然背景以及近年來的生態(tài)建設(shè)有著密切的關(guān)系。

表8 2005—2015年道真縣石漠化景觀格局指數(shù)表

4 討論

石漠化的發(fā)生發(fā)展,已引起黨和政府的高度關(guān)注,研究區(qū)近10年石漠化景觀類型面積變化較大.其中極重度石漠化景觀類型面積減少了1.35 km2,石漠化強度有所減弱,輕度石漠化景觀比例增加,通過景觀分析可以看出,近10年來研究區(qū)石漠化景觀逐漸恢復(fù),低等級石漠化斑塊增多,降低了原有高等級石漠化斑塊的優(yōu)勢度；石漠化等級間的轉(zhuǎn)移表現(xiàn)為輕度、中度、重度、轉(zhuǎn)化為潛在石漠化,石漠化形勢有所改善,這與研究區(qū)采取的有關(guān)措施有一定的聯(lián)系,例如貴州安順以“扶貧開發(fā)”為主題,結(jié)合封山育林和異地扶貧,既保護了生態(tài)環(huán)境又增加了農(nóng)民收入, 實現(xiàn)了生態(tài)與脫貧雙贏[19],貴州花江[20]充分利用喀斯特環(huán)境及適生植物資源, 建立了“豬-沼-椒(經(jīng)果林)”模式,在調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的同時恢復(fù)了生態(tài)環(huán)境, 實現(xiàn)了石漠化治理與經(jīng)濟的同步發(fā)展。根據(jù)研究區(qū)近十年來有可能對石漠化產(chǎn)生影響的生態(tài)事件可說明研究區(qū)在植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境綜合治理方面取得了突出成果,但是,貴州是一個典型喀斯特地區(qū),貴州道真縣的社會經(jīng)濟狀況一直處于落后水平,這就造成人們在治理石漠化的過程中處于貧困與石漠化的雙重壓力下,貧困導(dǎo)致當(dāng)?shù)剞r(nóng)民盲目開墾土地,亂砍濫伐,由于人們對土地的不斷索取而加劇了石漠化的演變速度,使得非石漠化也就是非喀斯特和無石漠化面積呈現(xiàn)出增加的趨勢,這與人們的不合理的土地利用方式有一定的相關(guān)性[11]。一邊植樹造林,一邊亂砍濫伐；一邊退耕還林,一邊毀林開墾；在進行石漠化控制時,同時繼續(xù)破壞的現(xiàn)象大量存在。

5 結(jié)論

圖6 土地利用與石漠化景觀格局分析邏輯關(guān)系圖Fig.6 Logical relation diagram of land-use and the rocky desertification landscape pattern analysis

本文以道真縣2005—2015年土地利用和石漠化等級分布圖為基礎(chǔ),將景觀格局空間分析技術(shù)與之相結(jié)合,研究道真縣石漠化景觀格局與土地利用類型時空演變之間的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)合土地利用與石漠化景觀格局分析邏輯關(guān)系圖(圖6),得出以下結(jié)論：從石漠化總體演化趨勢與景觀類型空間組合特征來看,石漠化強度的減弱及石漠化與土地利用景觀多樣性指數(shù)的降低,說明隨著土地利用的改變,研究區(qū)石漠化景觀類型復(fù)雜程度下降,各等級石漠化的面積差異變小,這有利于石漠化的治理;從景觀格局看,土地利用與石漠化景觀的聚合度和蔓延度有增加趨勢,說明破碎的斑塊形成規(guī)模,向高連接性轉(zhuǎn)變,表現(xiàn)為林地景觀類型面積增加,石漠化等級由高向低轉(zhuǎn)化；形狀景觀指數(shù)的下降表明研究區(qū)景觀類型受干擾程度下降,石漠化景觀格局指數(shù)是與土地利用景觀格局指數(shù)相對應(yīng)的,鑒于此,我們可猜測隨著人們土地利用方式的改變,石漠化景觀格局也發(fā)生相應(yīng)改變。