畢節(jié)市撒拉溪示范區(qū)石漠化治理景觀格局的時空演變特征

劉盼盼，肖 華，陳 滸

(貴州師范大學 喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴州 貴陽 550001)

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

撒拉溪示范區(qū)(下稱“示范區(qū)”)地處貴州省畢節(jié)市七星關區(qū)，地理位置為東經(jīng)105°09′30″～105°1′00″，北緯27°18′00″～27°39′11″(圖1)，總面積為86.27 km2，海拔1500～2180 m，年均降雨量984.40 mm，年均氣溫約12 ℃，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，地勢北高南低。示范區(qū)地形破碎，峰叢洼地遍布，石漠化強度以潛在和輕度為主，部分為中強度石漠化，水土流失嚴重，土壤耕層淺薄且肥力較低。該區(qū)原生植被主要有馬尾松林、杜鵑林、青岡林、櫟林和草地等，多呈片段化分布，次生植被主要有響葉楊林、栓皮櫟林和光皮樺林等。此外，示范區(qū)北部邊緣一帶為人工云南松和華山松林，人工種植經(jīng)濟林包括核桃、刺梨和板栗等。

圖1 撒拉溪示范區(qū)的位置示意圖Fig.1 Location sketch of the Salaxi demonstration area

1.2 數(shù)據(jù)來源

選取2005、2010年ETM和2015年OLI影像，來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心地理數(shù)據(jù)空間云平臺(http://www.gscloud.cn/)。

1.3 方法

1.3.1 數(shù)據(jù)預處理 利用ENVI軟件對影像進行輻射定標、大氣校正和幾何校正等預處理。進行波段融合后的圖像空間分辨率為15 m，影像波段組合采用標準假彩色(RBG)的4、3和2波段，分類之前先通過野外調查建立解譯標志，通過監(jiān)督分類，并結合影像進行人機交互解譯出研究區(qū)的土地利用類型；綜合研究目的與野外實地調查情況，采用《全國土地分類》(過渡期間適用)的分類標準，將研究區(qū)分耕地、有林地、灌木林地、草地、水域、建設用地和未利用地共7種土地景觀類型。其中，耕地包括旱地與水田，有林地指郁閉度大于30 %且以喬木為主的成片天然林或人工林，灌木林地指以灌木為主且高度在2 m以下的矮林地，草地包括天然草地與人工草地，水域主要為湖泊與水庫，建設用地包括居民用地、交通用地與工礦用地，未利用地包括裸土和裸巖。對處理得到的景觀類型矢量圖結合野外調查與歷年土地利用資料進行驗證，總體分類精度均達87 %以上，可滿足景觀格局分析的需要。

1.3.2 景觀面積變化與轉換動態(tài) 運用土地利用轉移矩陣可定量分析兩個時期研究區(qū)各地類之間相互轉化的面積動態(tài)信息，并結合土地利用動態(tài)度表述土地景觀變化速率的差異，真實地反映土地景觀轉換與變化的情況[17-19]。

(1) 單一土地利用動態(tài)度 指某一時期范圍內(nèi)研究區(qū)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況。

(1)

式中，K為某一研究時段內(nèi)景觀類型變化率，Ua和Ub分別為研究初期和末期某一景觀類型的面積，T為研究時段。

(2) 綜合土地利用動態(tài)度 指某一時期范圍內(nèi)研究區(qū)某種土地利用類型的年變化率。

在家政服務由傳統(tǒng)服務業(yè)向現(xiàn)代服務業(yè)的轉變過程中，紅楓家政公司積極推進自身品牌建設，先后推出“紅楓月嫂”“紅楓育兒嫂”“紅楓家務”“紅楓保潔”“紅楓培訓”等一系列家政服務和家政培訓項目，并積極參與“四川省婦聯(lián)巾幗家政天府妹子”等品牌建活動，于2012年12月創(chuàng)建成為國家商務部認定的綿陽市家政服務行業(yè)龍頭企業(yè)，于2013年2月成功注冊“紅楓”商標，于2015年12月被發(fā)展家庭服務業(yè)促進就業(yè)部際聯(lián)席會議辦公室評定為“全國千戶百強家政服務企業(yè)”。

(2)

式中，Si為研究初期第i類景觀總面積，△Si-j為從研究初期到末期內(nèi)第i類景觀轉換為其他景觀類型的面積總和，t為研究時段，S為與t時段對應的研究區(qū)景觀變化速率[13]。

1.3.3 景觀格局空間變化特征分析 景觀指標一般分為斑塊水平、類型水平和景觀水平，斑塊水平反映景觀中單個斑塊的結構特征，是計算其他景觀級別指標的基礎，斑塊類型水平反映景觀中不同斑塊類型各自的結構特征；景觀水平反映景觀的整體結構特征[20]。根據(jù)景觀指標表達的生態(tài)學含義及研究尺度綜合考慮，從斑塊類型水平上選擇斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、平均斑塊面積(MPS)、邊緣密度(ED)、最大斑塊指數(shù)(LPI)和形狀指數(shù)(LSI) 6個指標，景觀水平上選取斑塊數(shù)量(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、形狀指數(shù)(LSI)、散布與并列指數(shù)(IJI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、聚合度(AI)、香濃多樣性指數(shù)(SHDI)和香濃均勻度指數(shù)(SHEI)8個指標進行定量化描述(表1)[21]，通過選取指標分析研究區(qū)景觀格局的空間變化特征。

表1 撒拉溪示范區(qū)景觀指標的選擇

續(xù)表1 Continued table 1

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用ArcGIS 10.2和Fragstat 4.2對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析。

2 結果與分析

2.1 不同景觀類型的面積變化

從圖2和表2看出，示范區(qū)主要景觀類型為林地(有林地、灌木林地)和耕地，有林地、灌木林地和耕地在2005、2010和2015年的總面積占比分別為14.40 %/35.29 %/46.48 %、14.51 %/35.15 %/45.37 %和20.15 %/33.68 %/35.09 %；其余類型占比均較低，以水域最低，2005、2010和2015年的總面積占比均為0.01 %。其中，南部以耕地為主，中部及北部以林地為主。

表2 2005-2015年撒拉溪示范區(qū)不同景觀類型的結構變化

圖2 2005-2015年撒拉溪示范區(qū)不同景觀類型的空間分布Fig.2 Spatial distribution of landscape in 2005-2015 in Salaxi demonstration area

2005-2010年不同景觀總面積的增加或減少總體變化均較小。其中，耕地占比從2005年的46.48 %降至2010年的45.37 %，有林地占比從2005年的14.40 %升至2010年的14.51 %，灌木林地占比從2005年的35.92 %降至2010年的35.15 %，草地占比從2005年的1.59 %降至2010年的2.32 %。2010-2015年不同景觀面積的變化與前一時段相對較大，但變化趨勢基本一致。其中，耕地占比從2010年的45.37 %降至2015年的35.09 %，有林地占比從2010年的14.51 %升至2015年的20.15 %，灌木林地占比從2010年的35.15 %降至2015年的33.68 %，草地占比從2010年的2.32 %升至2015年的6.76 %，建設用地占比從2010年的1.87 %升至2015年的3.76 %。未利用地占比呈持續(xù)下降趨勢，水域占比呈上升趨勢，但二者的總面積變化很小。

2.2 地利用景觀的動態(tài)度

從表3可知，不同時期單一土地利用和綜合土地利用景觀動態(tài)度的變化。單一土地利用：2005-2010和2010-2015年耕地、灌木林地和未利用地在的動態(tài)度均為負，其變化率分別為-0.48 %/-4.53 %、-0.07 %/-0.84 %和-0.48 %/-6.19 %；整個時期(2005-2015年)的動態(tài)度為負，變化率分別為-2.45 %、-0.45 %和-3.26 %。2005-2010和2010-2015年的有林地、草地、水域和建設用地的動態(tài)度均為正，以草地的動態(tài)度最大，其變化率分別為9.04 %和38.35 %；建設用地其次，分別為5.872 %和20.25 %；整個時期(2005-2015年)草地和建設用地的動態(tài)度為正，變化率分別為32.36 %和16.03 %。其余類型變化均較小。綜合土地利用：2005-2010年的景觀動態(tài)度最小，其其變化率為4.27 %，表明該時期土地利用景觀變化速度較慢；2010-2015年的景觀動態(tài)度較大，其變化率為25.48 %，表明該時期土地利用景觀的變化速度較快；2005-2015年整個時期的變化率為46.79 %。

表3 撒拉溪示范區(qū)不同時期單一與綜合土地利用景觀的動態(tài)度

2.3 景觀類型轉移動態(tài)變化

從表4看出，2005-2010和2010-2015年土地利用景觀的變化，近10年來示范區(qū)的景觀主要林草地和耕地之間轉化。2005-2010年，耕地主要向林地、草地和建設用地轉移，分別轉出29.94、45.84和25.58 hm2，與轉出量相比，僅4.3 hm2灌木林地轉入耕地，轉入量很少。其余類型之間轉移量較小。2010-2015年，耕地向草地、林地和建設用地的轉移量很大，轉出面積達884.52 hm2，三者占耕地轉出總面積的99.79 %；耕地的轉入量很少。有林地主要從耕地轉入，部分從灌木林地轉入；有林地轉出量很少，主要轉化成灌木林地和草地。灌木林地、草地與建設用地主要由耕地轉入，其中，灌木林地主要轉化成有林地，草地主要轉化成灌木林地，建設用地主要轉化成草地。2005-2010年未利用地主要與建設用地相互轉化，2010-2015年未利用地主要轉化成草地。10年間水域景觀的轉出與轉入無明顯變化。

表4 撒拉溪示范區(qū)不同時期景觀類型的轉移矩陣

2.4 不同斑塊類型的變化

2.4.1 破碎度 一般來說，斑塊數(shù)量越多，斑塊密度越大，平均斑塊面積越小，景觀破碎化程度越高。從圖3-a～c看出，2005、2010和2015年示范區(qū)斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)和平均斑塊面積(MPS)的變化。耕地、有林地和灌木林地斑塊數(shù)量與密度呈逐年增多(大)趨勢，平均斑塊面積呈逐年減小趨勢,說明3種景觀破碎度呈加劇趨勢，空間分布不集中。草地及建設用地的斑塊數(shù)量及斑塊密度呈逐年增增多(大)趨勢，但平均斑塊面積均呈先減后增趨勢,說明，后期段草地與建設用地面積增幅大于斑塊數(shù)量增幅，導致各時期雖然斑塊數(shù)量增多，但其面積也大幅增加，破碎度呈先增大后減小趨勢。未利用地的斑塊數(shù)量與斑塊密度呈逐年減少(小)趨勢，平均斑塊面積呈逐年增大趨勢，說明未利用地景觀的破碎度減小。水域景觀3個指標基本無變化。耕地斑塊被有林地和草地分割得越來越多，面積卻越來越小。

2.4.2 邊緣密度 從圖3-d看出，2005、2010和2015年示范區(qū)邊緣密度(ED)的變化狀況。耕地與灌木林地邊緣密度明顯高于其余類型，且斑塊密度與平均斑塊面積較大，說明耕地與灌木林地對其他周圍景觀類型影響最大。有林地與草地邊緣密度與斑塊面積的大幅增加，說明2種景觀類型的優(yōu)勢度呈上升趨勢，對周圍景觀的干擾程度加大。

2.4.3 最大斑塊指數(shù) 最大斑塊面積指數(shù)(LPI)越大，說明該景觀類型的大面積斑塊越多，優(yōu)勢度越大。從圖3-e看出，2005、2010和2015年示范區(qū)的耕地、灌木林地、未利用地LPI值呈逐年降低趨勢；有林地、草地、水域和建設用地的LPI呈逐年增大趨勢；耕地LPI值雖有所降低，但耕地卻是優(yōu)勢景觀類型，其次是灌木林地和有林地，其余景觀類型的優(yōu)勢度很小。

2.4.4 形狀指數(shù) 形狀指數(shù)(LSI)越大，說明景觀斑塊形狀越復雜，當LSI為1時，景觀斑塊為正方形，形狀最簡單。從圖3-f看出，2005、2010和2015年，除未利用地外，其余景觀類型的LSI值均呈增大趨勢，說明未利用地景觀形狀趨于簡單化，其余景觀類型形狀均趨于復雜化及離散化。2005年灌木林地的LSI值最大，形狀最復雜，至2015年草地景觀的形狀最復雜。

圖3 撒拉溪示范區(qū)不同年份各斑塊類型的變化Fig.3 Changes of patch types in different years in the Salaxi demonstration area

2.5 景觀尺度的空間變化

從表5看出，2005、2010和2015年撒拉溪示范區(qū)景觀的斑塊數(shù)(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、形狀指數(shù)(LSI)、散布與并列指數(shù)(IJI)、蔓延度(CONTAG)、聚合度(AI)、香濃多樣性指數(shù)(SHDI)和香濃均勻度指數(shù)(SHEI)的變化。斑塊數(shù)：2005、2010和2015年呈逐年增多趨勢，從2005年的1410個增至2010年的1571個，再增至2015年2589個；說明近10年來示范區(qū)景觀的破碎化程度加劇。景觀斑塊數(shù)：2005、2010和2015年分別為33.13、33.58和19.77，2015年較2005年下降40.33 %，表明景觀中的大面積斑塊減少，以耕地和灌木林地占主要地位的景觀類型優(yōu)勢度減小，整個景觀的優(yōu)勢度降低。形狀指數(shù)：2005、2010和2015年呈逐年增多趨勢，從2005年的25.6增至2010年的28.73，再增至2015年40.59，表明整個景觀的形狀趨于復雜化。散布與并列指數(shù)：2005、2010和2015年呈逐年降低趨勢，從2005年的68.02降至2010年的49.19，再增至2015年38.20，表明景觀斑塊的分布趨于不均衡狀態(tài)。蔓延度和聚合度：2005、2010和2015年呈逐年降低趨勢，從2005年的65.67和72.65 %降至2010年的49.39和72.56 %，再降至2015年33.54和60.50 %，表明，景觀中的大斑塊被逐漸分割為小斑塊，斑塊之間連通性較差，景觀斑塊的空間分布趨于間斷及離散化。香濃多樣性指數(shù)和香濃均勻度指數(shù)：二者均為景觀的多樣性指標，其值越大，表明各景觀所占比例差異變小，與最大斑塊指數(shù)呈負相關。2005、2010和2015年呈逐年小幅升高趨勢，景觀類型豐富度有所提高。2010-2015年，有林地、草地與建設用地在景觀中占比增加較大，縮小了景觀類型之間占比的差異，并對其余景觀類型的影響增大，景觀類型的組成更為均勻，示范區(qū)內(nèi)景觀格局正向均勻化及高異質性發(fā)展。

表5 撒拉溪示范區(qū)不同年份景觀尺度的變化

2.6 景觀格局變化的驅動因素

2.6.1 自然因素 撒拉溪示范區(qū)的地形主要為喀斯特高原山地類型，流域切割較深，海拔相對高差較懸殊，地勢北高南低，巖石出露主要有石灰?guī)r、灰?guī)r和砂頁巖。地表水漏蝕嚴重，造成地表水源稀缺及地下水豐富的現(xiàn)象，這也是示范區(qū)耕地類型主要為旱地的原因。示范區(qū)大部分區(qū)域分布峰叢洼地，分割了地形，致使景觀破碎，喀斯特地貌極其發(fā)育。由于自然條件尤其是地形條件的限制，景觀格局整體呈現(xiàn)比較破碎、斑塊數(shù)量多、大面積斑塊較少和聚集程度不高等特點。

2.6.2 人文因素 (1) 政策因素。2005-2010年，為響應國家退耕還林政策，示范區(qū)禁止毀林開荒，退耕還林還草，林地與草地面積有所增加，耕地面積減少，其余類型的景觀面積變化較小。期間示范區(qū)景觀格局主要受退耕還林政策影響。

(2) 石漠化綜合治理。2010-2015年，示范區(qū)耕地面積大幅減少，除退耕還林政策外，通過實施石漠化綜合治理工程及小型水利水保工程，封山育林、人工造林和人工種草面積增加?！笆濉逼陂g，示范區(qū)石漠化治理中新增封山育林育草、人工造林和人工種草面積分別為740.38、839.07和27.14 hm2，完成石漠化治理面積44.72 hm2。示范區(qū)的有林地大部分為人工林，如示范區(qū)的北部邊緣一帶分布的大片人工云南松和華山松林，人工種植的核桃、刺梨和板栗等經(jīng)濟林，還有小部分由灌木林地自然封育發(fā)展起來。導致有林地和草地景觀類型面積增加以及耕地面積的減少，進而致使耕地優(yōu)勢度減小、破碎化加劇，各景觀比例更趨均勻。

(3) 城鎮(zhèn)化發(fā)展。由于西部大開發(fā)的深入開展，人口與經(jīng)濟增長導致城鎮(zhèn)化加速，示范區(qū)GDP從2011年的18 144萬元增至2015年的22 739萬元。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，示范區(qū)農(nóng)村基礎設施建設進一步完善，畢威高速公路的修建及農(nóng)村道路硬化使示范區(qū)交通狀況得到改善，道路總長從2011年的55.65 km增至2015年的137.25 km，是示范區(qū)建設用地面積增加并呈集中連片發(fā)展的主要原因。

(4) 土地撂荒。在示范區(qū)離人聚集區(qū)較遠的土地存在大量撂荒現(xiàn)象，主要成因：一是退耕還林還草形成的荒草地；二是因許多年輕人外出務工，缺乏主要勞動力，致使路途偏遠、離人居住聚集地較遠的耕地難以耕種，耕地被撂荒形成荒草地。以后者占主要因素，草地面積的增加最主要原因是土地撂荒形成的荒草地。

3 討 論

斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)與平均斑塊面積(MPS)指數(shù)能夠較好地反映出研究區(qū)景觀空間結構的復雜程度與異質性特征，指示景觀的破碎化程度[22-23]。景觀格局驅動因素分析可以揭示景觀變化的原因及其與人類活動的關系[24-25]，一般分為自然因素與人文因素，在較小的時空尺度下，比較穩(wěn)定的自然因子對景觀格局變化起到約束作用，而經(jīng)常變化的人文驅動因素則是景觀格局變化的直接驅動[26]。

研究結果表明，2005、2010和2015年示范區(qū)耕地、有林地和灌木林地斑塊數(shù)量與密度呈逐年增多(大)趨勢，平均斑塊面積呈逐年減小趨勢；草地及建設用地的斑塊數(shù)量及斑塊密度呈逐年增增多(大)趨勢，但平均斑塊面積均呈先減后增趨勢；未利用地的斑塊數(shù)量與斑塊密度呈逐年減少(小)趨勢，平均斑塊面積呈逐年增大趨勢；耕地斑塊被有林地和草地分割得越來越多，面積卻越來越小。耕地與灌木林地邊緣密度明顯高于其余類型，且斑塊密度與平均斑塊面積較大；有林地與草地邊緣密度與斑塊面積的大幅增加，對周圍景觀的干擾程度加大。2005、2010和2015年示范區(qū)的耕地、灌木林地和未利用地最大斑塊面積指數(shù)(LPI)呈逐年降低趨勢，有林地、草地、水域和建設用地的LPI呈逐年增大趨勢，耕地LPI值雖有所降低，但耕地卻是優(yōu)勢景觀類型，其次是灌木林地和有林地，其余景觀類型的優(yōu)勢度很小。除未利用地外，其余景觀類型形狀指數(shù)(LSI)均呈增大趨勢，且景觀類型形狀均趨于復雜化及離散化。2005、2010和2015年示范區(qū)景觀的破碎化程度加劇，景觀中的大面積斑塊減少，以耕地和灌木林地占主要地位的景觀類型優(yōu)勢度減小，整個景觀的優(yōu)勢度降低。2010-2015年，有林地、草地與建設用地在景觀中占比增加較大，縮小了景觀類型之間占比的差異，并對其余景觀類型的影響增大，景觀類型的組成更為均勻，示范區(qū)內(nèi)景觀格局正向均勻化及高異質性發(fā)展。

總體看，2005-2010年各景觀面積轉換量比較小，該時期景觀面積變化主要受退耕還林政策影響；2010-2015年石漠化治理后各景觀轉換量增多，林地景觀面積的增加，除受退耕還林的政策導向影響，主要與石漠化治理相關工程的實施有關。建設用地面積大幅增加，建設用地的大幅增加表明示范區(qū)經(jīng)濟得到了一定提升，分散的村落正呈聚集趨勢。草地面積增加原因是土地撂荒與人工種草形成。這幾種景觀類型的面積比例增加，使示范區(qū)的各景觀差異變小，景觀多樣性與均勻度升高。耕地作為示范區(qū)面積比重較大的景觀類型，說明農(nóng)業(yè)對示范區(qū)社會經(jīng)濟具有重要的支撐作用；但耕地景觀的面積逐年減少，耕地大量被轉化為林地、草地和建設用地，導致優(yōu)勢度減小、斑塊數(shù)增多，破碎化加劇。示范區(qū)景觀格局變化主要受人為因素影響，不合理的人類活動會破壞自然生態(tài)環(huán)境，但自從2010年撒拉溪石漠化綜合治理示范區(qū)建立以來，各項生態(tài)治理工程與保護措施的實施，對優(yōu)化區(qū)域景觀格局布局、石漠化治理與改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境具有深遠的影響。

4 結 論

2005-2015年，耕地景觀一直是示范區(qū)的主體景觀，但其優(yōu)勢度逐漸降低，林草地、建設用地、水域面積所占比例不斷增加，草地面積增加最多；耕地、未利用地面積持續(xù)減少，其中耕地面積減少最多，從2005年3908.27 hm2降至2015年的3027.58 hm2，主要轉化成林草地與建設用地。10年來示范區(qū)各景觀之間轉化頻繁，尤其以耕地與林草地和建設用地之間轉化較為突出。

10年間耕地斑塊水平的比例持續(xù)下降，使得耕地的優(yōu)勢度減少，草地、有林地、建設用地面積增加，優(yōu)勢度增加，這種變化與最大斑塊指數(shù)變化趨勢一致。原本連片的耕地斑塊被草地、有林地和建設用地等分割成間斷、碎小的斑塊，耕地、有林地與灌木林地斑塊數(shù)量、密度均呈增加趨勢，破碎度增大，草地和建設用地斑塊數(shù)量減少，呈現(xiàn)集中連片發(fā)展，破碎化減小。耕地與灌木林地對周圍其他景觀類型影響最大，除未利用地景觀形狀趨于簡單化外，其他景觀類型形狀均趨于復雜化。景觀水平上，整個景觀趨于破碎化、形狀不規(guī)則、分布離散、比例均勻化發(fā)展。

示范區(qū)景觀格局變化是自然因素與人文因素共同作用的結果，自然因素是景觀格局變化的限制因素，人文因素則是直接驅動因素。在人文因素中石漠化治理工程是主要因素，政策導向是強制性因素，城鎮(zhèn)化建設與土地撂荒是其他推動因素。