基于Geodetector的滇中巖溶區(qū)石漠化空間分布特征及影響因子分析*

王丹，丁文榮

(云南師范大學(xué) 地理學(xué)部，云南 昆明 650500)

巖溶石漠化是土地荒漠化的主要類型之一，以脆弱的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境為基礎(chǔ)，以強(qiáng)烈的人類活動(dòng)為驅(qū)動(dòng)力，自然和人為因素疊加是其發(fā)生的主要原因[1-2]。我國(guó)石漠化主要發(fā)生在西南巖溶地區(qū)，其巖溶總面積為53.56×104km2，至2015年,石漠化總面積為9.20×104km2，占巖溶面積的比例達(dá)17.18%[3]，石漠化問題嚴(yán)重。石漠化不僅造成貧困和危害生態(tài)環(huán)境，還成為我國(guó)西南巖溶山區(qū)可持續(xù)發(fā)展的主要障礙之一[4]。眾多學(xué)者從石漠化成因[5]、分布特征[6]、時(shí)空演變特征[7]及治理模式[8]對(duì)其進(jìn)行研究。在空間分布及驅(qū)動(dòng)因素研究中，蘇成杰等[9]利用相關(guān)分析法研究石漠化與人文驅(qū)動(dòng)因素的相關(guān)性，得出廣西地區(qū)石漠化與人口密度、土地墾殖率成正相關(guān)，與人均耕地和經(jīng)濟(jì)密度成負(fù)相關(guān)。王曉帆等[10]對(duì)貴州石漠化的分析中發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)石漠化的影響顯著。涂杰楠等[11]對(duì)南洞地下河流域的研究發(fā)現(xiàn)石漠化在低海拔、緩坡度和純碳酸鹽中發(fā)育顯著。劉鵬等[12]基于信息熵與層次分析法得出云南省石漠化的主要驅(qū)動(dòng)因素是人口自然增長(zhǎng)率、土地利用方式等。以上學(xué)者揭示了不同研究尺度中石漠化與自然和人為驅(qū)動(dòng)因子相關(guān)性，但都是以定性或半定量進(jìn)行分析，一般采用相關(guān)分析和主成分分析法，這些方法難以直觀的揭示空間上不同驅(qū)動(dòng)因子對(duì)石漠化分布的影響，且只能揭示單一因子的影響，對(duì)于多個(gè)因子交互影響的研究較少。

云南省巖溶面積占總國(guó)土面積的38.2%，是全國(guó)巖溶分布面積最廣泛的地區(qū)之一[13]。其中滇中地區(qū)地處云貴高原中部，巖溶分布廣，且降水季節(jié)性變率大，石漠化較嚴(yán)重，作為云南省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心，嚴(yán)重的石漠化問題阻礙當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展。對(duì)于滇中巖溶區(qū)石漠化的研究中，吳風(fēng)志等[14]基于遙感數(shù)據(jù)得出昆明市石漠化敏感性較高地區(qū)主要集中在金沙江流域及東南部地區(qū)；徐斌等和曹金仙等[15-16]在曲靖市石漠化研究中得出，至2016年其石漠化面積占全省總石漠化面積的18.1%，石漠化成為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)較為突出的問題。玉溪市2005年石漠化面積占國(guó)土面積的12.6%，石漠化問題較嚴(yán)峻[17]；李鄉(xiāng)旺等[18]基于對(duì)地理、環(huán)境、災(zāi)害、土壤及植被等因子的綜合分析，將云南省石漠化區(qū)域進(jìn)行劃分，有利于因地制宜地指導(dǎo)石漠化綜合治理。不同學(xué)者的研究揭示了滇中巖溶區(qū)石漠化的嚴(yán)峻形勢(shì)，也為石漠化治理提供了參考依據(jù)，但研究尺度多以單獨(dú)的縣、市等較小尺度為主，缺乏以滇中區(qū)為整體的石漠化研究。滇中區(qū)的石漠化空間分布狀況研究較少，石漠化數(shù)據(jù)的獲取主要從歷史資料獲取，且對(duì)驅(qū)動(dòng)因子研究主要定性為主。明確石漠化的空間分布特征以及評(píng)估其驅(qū)動(dòng)因子對(duì)石漠化影響的定量研究、對(duì)滇中地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)以及制定合理治措施具有重要意義。地理探測(cè)器作為探測(cè)地理要素空間分異性以及揭示其驅(qū)動(dòng)因子的空間分析模型，能夠?qū)Ω饕蜃蛹耙蜃咏换プ饔眠M(jìn)行定量歸因[19-20]。

有鑒于此，本文基于RS-GIS技術(shù)與地理探測(cè)器模型對(duì)滇中巖溶區(qū)石漠化進(jìn)行探究，運(yùn)用遙感影像獲取滇中區(qū)2018年石漠化數(shù)據(jù)，揭示其石漠化的空間分布特征，對(duì)石漠化的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行定量分析，明確各因子及交互因子對(duì)研究區(qū)石漠化分布的影響，以期為滇中巖溶地區(qū)石漠化的防治和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

滇中地區(qū)位于云南省中東部，是云南巖溶高原的主體，按地域和巖溶面積占國(guó)土面積的比例大于30%的地區(qū)劃分，研究區(qū)(101°54′～104°49′E,25°55′～27°04′N)涉及滇中地區(qū)3個(gè)地州市共29個(gè)縣市區(qū)[21]。2018年總?cè)丝跒? 657.8×104人，土地總面積為55 141.32 km2，巖溶面積為22 635.72 km2，占總土地面積的41.05%(圖1)。平均海拔為2 014.37 m，屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候。為中山、低中山山原盆地地貌,斷陷盆地發(fā)育,元古界至中生界碳酸鹽巖累計(jì)厚達(dá)3 000 m左右,出露面積占總土地面積的50%以上[22]。

圖1 滇中地區(qū)巖溶分布概況

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用遙感數(shù)據(jù)包括Landsat8 OLI-TIRS和DEM數(shù)據(jù)(空間分辨率均為30 m)，其他數(shù)據(jù)為土地利用數(shù)據(jù)(格式為柵格數(shù)據(jù))、人口密度(人/km2)和第一生產(chǎn)總值(×108元)，巖性數(shù)據(jù)通過對(duì)1︰20萬地質(zhì)圖進(jìn)行數(shù)字化獲取，見表1。

表1 主要數(shù)據(jù)來源

1.3 研究方法

1.3.1 石漠化等級(jí)劃分及影響因子選取

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況結(jié)合前人的分類標(biāo)準(zhǔn)[23-24]，以基巖裸露率和植被+土被覆蓋率為指標(biāo)，土地利用為參照將石漠化劃分無石漠化、潛在、輕度、中度、強(qiáng)度和極強(qiáng)度石漠化6個(gè)等級(jí)，其中輕度石漠化及以上為已石漠化(表2)。在軟件NEVI 5.3上對(duì)遙感影像進(jìn)行剪裁拼接、輻射校正和大氣校正等預(yù)處理后，運(yùn)用B4(紅波段)和B5(近紅外波段)進(jìn)行波段運(yùn)算得出歸一化植被指數(shù)，歸一化巖石指數(shù)由B5和B7(短波紅外2)計(jì)算；基于像元二分模型計(jì)算基巖裸露率[25]和植被+土被覆蓋率[26]，得出2018年滇中巖溶區(qū)石漠化分布圖；以分類結(jié)果計(jì)算石漠化的分類精度混淆矩陣，分類結(jié)果總精度為 98.67%,Kappa系數(shù)為0.873 2，分類結(jié)果較好，精度滿足要求。石漠化空間分布格局是多種因素共同作用的結(jié)果，不同研究區(qū)域的影響因素有差異。在結(jié)合前人[27-28]對(duì)石漠化影響因素選取的基礎(chǔ)上，根據(jù)滇中巖溶區(qū)的實(shí)際情況選取影響因子，并按照不同等級(jí)對(duì)其進(jìn)行劃分，見表3。

表2 石漠化分類標(biāo)準(zhǔn)

表3 石漠化影響因子劃分

1.3.2 地理探測(cè)器模型

地理探測(cè)器是用于探測(cè)空間分異性的一種新的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，可以定量地揭示空間分異背后的驅(qū)動(dòng)因子，其核心思想是如果某個(gè)自變量對(duì)因變量有重要影響，那么自變量和因變量的空間分布應(yīng)該具有相似性[19]。本文主要運(yùn)用其因子探測(cè)和交互探測(cè)。

(1)因子探測(cè)器 探測(cè)因變量Y的空間分異性和某自變量X多大程度上揭示了Y的空間分異，用q值度量，計(jì)算公式如下。

SST=Nσ2

(2)交互式探測(cè)器 評(píng)估不同因子共同作用是否會(huì)增加或減弱對(duì)因變量Y的解釋力。

將研究區(qū)石漠化圖層與各個(gè)影響因子圖層在ArcGIS 10.2進(jìn)行空間疊加分析，其中因變量Y值是石漠化分布數(shù)據(jù)，為數(shù)值量。自變量X分別是各影響因子，探測(cè)器中要求自變量為類型量，運(yùn)用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將自變量進(jìn)行離散化處理進(jìn)行重分類。將滇中巖溶區(qū)提取到網(wǎng)格點(diǎn)上(圖2)，提取在巖溶區(qū)等距分布的7 234個(gè)采樣點(diǎn)為運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算q值。

圖2 研究區(qū)采樣點(diǎn)

2 結(jié)果與分析

2.1 石漠化現(xiàn)狀

滇中巖溶區(qū)2018年石漠化總面積為3 025.04 km2，占全區(qū)總國(guó)土面積的5%，占巖溶區(qū)面積的13.36%。其中輕度、中度、強(qiáng)度和極強(qiáng)度石漠化面積分別為1 119.38 km2、971.97 km2、527.1 km2和406.59 km2，占巖溶面積比例分別為4.95%、4.29%、2.33%和1.8%。輕度和中度石漠化分布較廣，極強(qiáng)度石漠化比重較低。從圖3看出在空間分布上，石漠化在各縣市均有分布，呈現(xiàn)北多南少的分布特征，其中縣市區(qū)石漠化面積分布最多的是石林縣，石漠化面積為187.91 km2,占總土地面積的11.18%，其次是東川市，石漠化面積為205.55 km2，所占比例為11.02%。

圖3 滇中區(qū)石漠化分布

2.2 石漠化在各影響因子中的空間分布特征

2.2.1 在不同巖性上的分布

從圖4a可看出：石漠化主要分布在碳酸鹽巖夾碎屑巖，石漠化面積為1 864.59 km2,占總石漠化面積的62%，其次分布在白云巖與石灰?guī)r互層，面積為690.73 km2,占總石漠化面積比例為23%；4類巖性石漠化發(fā)生率分別為17.03%、12.11%、12.67%和13.65%，連續(xù)性白云巖石漠化發(fā)生率最高；在不同等級(jí)石漠化中，輕度石漠化發(fā)生率最高的是連續(xù)性白云巖為6.74%，中度石漠化發(fā)生率最高是連續(xù)性白云巖為6.01%，強(qiáng)度石漠化發(fā)生率最高是連續(xù)性白云巖為2.29%，極強(qiáng)度石漠化發(fā)生率最高在白云巖石與石灰?guī)r互層為1.88%。

2.2.2 在不同土地利用類型上的分布

從圖4b中可得出，石漠化主要分布在草地，面積為1 460.24 km2，其所占總石漠化面積的48.62%，其次是耕地，石漠化面積為634.43 km2,占總石漠化面積的21.12%。發(fā)生率最高的是草地，為17.94%，其次是耕地為11.56%，未利用地石漠化面積最小，發(fā)生率也最低。在不同等級(jí)石漠化中，輕度和中度石漠化發(fā)生率最高均在草地，分別為6.46%和6.08%，其次在灌木林，分別為4.52%和3.445%；強(qiáng)度和極強(qiáng)度石漠化發(fā)生率最高在草地，分別為3.14%和2.25%，其次在耕地，分別為2.19%和1.94%。耕地受人為活動(dòng)影響最為密切，尤其石質(zhì)坡耕地上不合理的耕種易導(dǎo)致較高等級(jí)石漠化的發(fā)生，研究區(qū)耕地主要是山地旱地居多且以坡耕地為主，農(nóng)業(yè)活動(dòng)以粗放式為主，為追求經(jīng)濟(jì)效益會(huì)過度使用土地資源造成石漠化加劇。滇中巖區(qū)草地多分布于一定坡度的山地上，土層較薄且較貧瘠，石漠化發(fā)生率較高。

圖4 石漠化在不同巖性和土地利用方式上的分布

2.2.3 在不同坡度中的分布

從圖5a中可得出：總體上石漠化分布面積和發(fā)生率并不呈正相關(guān)，石漠化主要分布在8°～15°坡度范圍內(nèi)，面積為965.17 km2,占總石漠化面積的32.01%，其次是15°～25°，面積為685.82 km2，占總石漠化面積的22.75%。發(fā)生率最高的是坡度>25°的范圍，發(fā)生率為18.52%，其次是坡度在5°～8°范圍內(nèi)，發(fā)生率為19.28%。坡度在0°～5°范圍內(nèi)石漠化面積最少為240.82 km2，發(fā)生率為4.64%，是所有坡度類型中最小的。在不同坡度中，石漠化面積隨著坡度的增加呈先增加后減少趨勢(shì)。輕度和中度石漠化發(fā)生率最高均在坡度大于25°，分別為7.21%和6.58%。強(qiáng)度和極強(qiáng)度石漠化發(fā)生率最高均在坡度為5°～8°范圍內(nèi)，分別為3.1%和2.81%。

2.2.4 在不同人口密度和第一生產(chǎn)總值中的分布

從圖5b中可得出：滇中巖溶區(qū)石漠化在不同人口密度下分布不均，且不成正相關(guān)關(guān)系，石漠化主要分布在100～200人/km2范圍內(nèi)，其次是200～300人/km2范圍內(nèi)，面積分別為1 656.88 km2和712.65 km2，占總石漠化面積的比例分別為54.77%和23.56%。石漠化發(fā)生率最高的是0～100人/km2范圍內(nèi)，為17.38%，其次是300～400人/km2范圍內(nèi)，發(fā)生率為12.99%，石漠化發(fā)生率最小的是100～200人/km2范圍內(nèi)，但該范圍內(nèi)石漠化面積最大，原因?yàn)樵撊丝诿芏仍诖朔秶鷥?nèi)的面積較廣。

從圖5c中可得出：在不同生產(chǎn)總值中，石漠化主要分布在大于40×108元范圍內(nèi)，其次是20～30×108元，面積分別為1 341.15 km2和805.59 km2，占總石漠化面積的比例分別為44.33%和26.63%；0～10×108元范圍內(nèi)石漠化發(fā)生率最高，為17.25%，其次是>40×108元,發(fā)生率為14.17%；第一生產(chǎn)總值較高的區(qū)域石漠化分布范圍較廣。

圖5 石漠化在不同坡度、人口密度和第一生產(chǎn)總值中的分布

2.3 基于地理探測(cè)器的影響因子定量分析

2.3.1 因子探測(cè)器分析

從表4中得出影響研究區(qū)石漠化分布的各驅(qū)動(dòng)因子大小依次為：土地利用(0.42)、坡度(0.29)、巖性(0.17)、第一生產(chǎn)總值(0.14)、人口密度(0.14)。

表4 因子探測(cè)器結(jié)果

其中土地利用類型(q=0.42)是驅(qū)動(dòng)研究區(qū)石漠化的最主要因子。滇中巖溶區(qū)土地利用類型主要包括耕地(5 489.73 km2)、林地(4 073.73 km2)、草地(8 140.18 km2)、灌木林(4 1801.81 km2)和未利用地(701.49 km2)，草地面積所占比例最高，為36.4%，其次是耕地，所占比例為24.3%，與石漠化的分布面積和發(fā)生率相似。土地利用方式在很大程度上體現(xiàn)了人類活動(dòng)對(duì)石漠化的影響，研究區(qū)石漠化主要分布在草地和坡耕地等人類干擾強(qiáng)烈的土地上。

坡度(q=0.29)對(duì)研究區(qū)石漠化分布的影響僅次于土地利用類型，研究區(qū)內(nèi)石漠化主要分布在坡度為8°～15°的土地上，主要原因是耕地多分布于該坡度范圍內(nèi)，人類活動(dòng)對(duì)土地的干擾較劇烈，基巖裸露程度增加；8°以下主要是居民用地或較為平坦的耕地，水土流失程度較低；>25°區(qū)域由于坡度較陡，加上巖溶地區(qū)脆弱的地質(zhì)環(huán)境和集中的降水沖刷，水土流失和基巖裸露較嚴(yán)重，使得石漠化發(fā)生率較高，治理難度大。

滇中區(qū)碳酸鹽巖分布較廣，是石漠化發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，巖性(q=0.17)的分布范圍很大程度上控制著石漠化的分布。人口密度和第一生產(chǎn)總值對(duì)石漠化分布的影響程度較為相似，其q值均為0.14。人類活動(dòng)對(duì)石漠化的影響較為活躍，隨著人口的增長(zhǎng)，對(duì)土地的需求也加大，不斷開墾耕地，人地矛盾加劇，加上研究區(qū)降雨較為集中，水土流失加劇。但在滇中巖溶區(qū)石漠化分布與人口密度不是正相關(guān)關(guān)系，原因是人口密度較大的區(qū)域主要分布在小盆地中，地勢(shì)較平坦，城鎮(zhèn)發(fā)展較快，土地利用類型主要屬城鎮(zhèn)用地，石漠化面積也相對(duì)較少。

2.3.2 交互式探測(cè)器分析

在地理探測(cè)器的交互探測(cè)中，q值越大表明2個(gè)驅(qū)動(dòng)因子共同作用時(shí)對(duì)Y的解釋力越大，越小時(shí)則反之。從交互探測(cè)結(jié)果(表5)中得出，不同的驅(qū)動(dòng)因子交互作用時(shí)對(duì)石漠化分布的解釋力都大于單因子作用，無論是單因子還是交互作用，土地利用、坡度和巖性3個(gè)驅(qū)動(dòng)因子對(duì)石漠化的解釋力權(quán)重都較高。土地利用和坡度因子交互作用時(shí)對(duì)石漠化分布的解釋力最大，q=0.58。其次是土地利用和巖性相互作用q=0.50，脆弱的地質(zhì)環(huán)境和人類活動(dòng)也是導(dǎo)致滇中石漠化產(chǎn)生的一個(gè)重要原因。

表5 交互探測(cè)分析結(jié)果

根據(jù)不同坡度和土地利用類型中石漠化的分布(表6)，可以得出，在不同坡度和土地中石漠化的發(fā)生率大小依次為:大于25°(89.80%)、15°～25°(68.51%)、5°～8°(67.95%)、8°～15°(53.84%)、0°～5°(19.85%)。坡度大于25°范圍內(nèi)，耕地、林地、灌木林和未利用地石漠化發(fā)生率最高，說明在該范圍內(nèi)由于坡度較陡，不合理的人類活動(dòng)極導(dǎo)致石漠化的發(fā)生，在治理過程中應(yīng)該對(duì)坡度較陡的耕地及其它利用價(jià)值不高的土地進(jìn)行退耕還林和植樹造林，減緩石漠化的發(fā)生。在坡度為15°～25°范圍內(nèi)，耕地、林地、草地、灌木林和未利用地中的石漠化占總石漠化面積的比例均最高，分別為51.47%、57.00%、55.63%、55.93%、46.82%。石漠化也主要分布在該坡度范圍內(nèi)，占總石漠化面積的61.43%。對(duì)石漠化有利的坡度條件加上不同土地利用方式的人類活動(dòng)加速了石漠化的發(fā)展，使得石漠化治理很難達(dá)到理想效果，在后期的治理中，應(yīng)該把重心放在該坡度范圍，有針對(duì)性地對(duì)不同利用類型的石漠化土地進(jìn)行治理。

表6 巖溶區(qū)不同坡度和土地利用類型中石漠化的分布

3 討論與結(jié)論

本文基于RS-GIS技術(shù)探討了滇中巖溶區(qū)石漠化不同影響因子的空間分布特征，并利用地理探測(cè)器模型計(jì)算不同影響因子的貢獻(xiàn)率。得出的結(jié)論如下：(1)滇中巖溶區(qū)石漠化總面積為3 025.04 km2，占巖溶區(qū)面積的13.36%，其中輕度、中度、強(qiáng)度和極強(qiáng)度石漠化面積分別為1 119.38、971.97、527.1和406.59 km2，呈現(xiàn)北多南少分布特征。(2)在不同巖性中石漠化發(fā)生率最高的是連續(xù)性白云巖，為6.74%；不同土地利用方式上發(fā)生率最高在草地，為17.94%，其次是耕地；坡度大于25°范圍內(nèi)石漠化發(fā)生率最高，為18.52%；在人口密度和第一生產(chǎn)總值中，石漠化發(fā)生率最高分別在0～100人/km2和0～10×108元范圍內(nèi)，發(fā)生率分別為17.38%和17.25%。(3)地理探測(cè)器中土地利用(q=0.42)、坡度(q=0.29)和巖性(q=0.17)是滇中巖溶區(qū)石漠化的主要驅(qū)動(dòng)因子。在交互探測(cè)中坡度和土地利用類型(q=0.58)、巖性和土地利用類型(q=0.50)相互作用共同促進(jìn)了石漠化的形成。(4)研究區(qū)石漠化在不同影響因子上的分布具有顯著差異，坡度和土地利用對(duì)石漠化的影響最大，石漠化的治理重點(diǎn)應(yīng)放在石質(zhì)坡耕地上。

本文在巖溶分布較集中區(qū)域劃分出研究區(qū)，與傳統(tǒng)行政區(qū)域劃分的方法不同；不僅探討了滇中巖溶地區(qū)石漠化在不同影響因子上的空間分布特征，還對(duì)石漠化影響的單一因子和交互因子進(jìn)行量化分析，計(jì)算出不同單一因子和交互因子的貢獻(xiàn)率，可為滇中巖溶區(qū)石漠化治理提供科學(xué)、直觀的參照依據(jù)。但地理探測(cè)器主要利用點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)石漠化信息的提取，且所計(jì)算的數(shù)據(jù)量有限，對(duì)于較大尺度地域的石漠化影響因子貢獻(xiàn)率計(jì)算會(huì)存在誤差，在更大尺度的研究應(yīng)結(jié)合其他量化方法使計(jì)算結(jié)果更精確。