云南省巖溶地區(qū)土地利用對石漠化景觀格局演變的影響分析

田湘云,張 超,2,陳 棋,史小蓉,王 妍,2

(1.西南林業(yè)大學,昆明 650224；2.云南省山地農(nóng)村生態(tài)環(huán)境演變與污染治理重點實驗室,昆明 650224)

巖溶石漠化是亞熱帶脆弱巖溶背景下的土地退化現(xiàn)象[1]。由于人類對土地的不合理利用方式[2-3]和自然環(huán)境因素[4-5],造成地表干旱缺水[6-7],植被破壞,巖石大面積裸露,導致土地生產(chǎn)力下降[8]。對石漠化形成發(fā)育與治理的研究是當前生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的熱點問題。近年來,社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,增加了對土地承載力的持續(xù)影響,從本質(zhì)上改變了全球土地利用的動態(tài)演變[9]。目前,針對巖溶地區(qū)石漠化的形成機理[10]、提取方法[11-12]、驅(qū)動機制[13]和時空演變特征[14-15]等的研究已取得了一定進展,諸多學者對土地利用類型及石漠化景觀進行了相關(guān)研究,如,陳昊等[16]對小流域石漠化景觀格局進行動態(tài)變化特征分析；王媛媛等[17]對小流域的土地利用及石漠化景觀格局時空演變關(guān)系進行了探討；許玉鳳[18]認為石漠化景觀格局是巖溶地區(qū)的特性,而土地利用類型是影響景觀格局普遍的一種影響因素,若不加以管理則將加劇石漠化特征的巖溶地區(qū)景觀格局的發(fā)展。需要注意的是,當前的研究多是基于小尺度區(qū)域,在省域范圍的宏觀尺度對土地利用及石漠化的時空演變、景觀格局變化及不同石漠化等級下土地利用類型分布特征的研究則較少。

由于人口、經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,影響了土地利用和石漠化的演變速率、景觀格局演化及破碎化程度,本研究基于面積轉(zhuǎn)移矩陣和景觀指數(shù)方法對云南省巖溶地區(qū)土地利用和石漠化的時空演變特征及空間異質(zhì)性進行定量分析。面積轉(zhuǎn)移矩陣能夠?qū)r溶地區(qū)土地利用和石漠化的數(shù)量進行定量描述,獲得各時期的演變特征,準確掌握石漠化的變化趨勢和發(fā)展方向；以景觀指數(shù)分析其時空分異特征,解析區(qū)域石漠化及土地利用的演變規(guī)律,為區(qū)域生態(tài)環(huán)境修復和石漠化治理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

云南省位于中國西南邊陲,地理坐標為21°8′～29°15′N,97°31′～106°11′E,國土總面積39.41萬km2,其中巖溶地區(qū)面積11.8萬km2。地貌為高山峽谷,地形為山地高原,地勢西北高、東南低。受南亞季風大氣環(huán)流影響,年溫差小,干濕季分明。云南巖溶石漠化地區(qū)主要地帶性土壤為暗棕壤、磚紅壤、黃壤、赤紅壤和紅壤等,石漠化綜合治理區(qū)域劃分為北熱帶低山河谷盆地石漠化區(qū)、南亞熱帶中低河谷盆地石漠化區(qū)、中亞熱帶高原山地石漠化區(qū)、北亞熱帶高原山地石漠化區(qū)、暖溫帶高中山石漠化區(qū)、青藏高原東南緣高原溫帶石漠化區(qū)和金沙江燥熱河谷石漠化區(qū)共7個分區(qū)[19]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集與處理

1)土地利用分布數(shù)據(jù)獲取?；贕lobeLand 30(http://www.globallandcover.com)平臺的2000年、2010年和2020年3期影像數(shù)據(jù)集(30m分辨率),對原始數(shù)據(jù)進行預處理(包括投影轉(zhuǎn)換、無效值處理、圖幅拼接、字段賦值和掩模提取),獲得云南省3期巖溶地區(qū)土地利用分布數(shù)據(jù)。

2)石漠化分布數(shù)據(jù)提取。通過Google Earth Engine獲取云南省2000年、2010年和2020年Landsat TM/OLI衛(wèi)星遙感影像,依據(jù)《云南省巖溶地區(qū)第二次石漠化監(jiān)測實施細則》(1)云南省林業(yè)廳.云南省巖溶地區(qū)第二次石漠化監(jiān)測實施細則.2011.建立石漠化等級識別知識規(guī)則,利用決策樹分類法對石漠化等級分布數(shù)據(jù)進行計算和提取,得到云南省2000年、2010年和2020年3期石漠化等級分布數(shù)據(jù)。

2.2 土地利用及石漠化動態(tài)度計算

單一動態(tài)度是定量分析在一定范圍內(nèi),土地利用/石漠化變化的速度,對土地利用/石漠化變化區(qū)域出現(xiàn)的差異和預測土地利用/石漠化未來變化的趨勢發(fā)揮重要作用[20]。單一土地利用/石漠化動態(tài)度的計算方法如下[21]:

(1)

式中:K為單一土地利用/石漠化動態(tài)度；Ua為起始年面積；Ub為終止年面積；T為研究時段年數(shù)。K值絕對值的大小反映變化趨勢的快慢。

2.3 面積轉(zhuǎn)移矩陣構(gòu)建

面積轉(zhuǎn)移矩陣能夠清晰反映土地利用及石漠化的具體流向與轉(zhuǎn)入/轉(zhuǎn)出面積,從而分析土地利用及石漠化的變化數(shù)量,其數(shù)學表達式如下:

(2)

式中:Pij為面積轉(zhuǎn)移矩陣；n為類型數(shù)；i,j分別為起始年和終止年的等級序號。

2.4 景觀格局指數(shù)選取

景觀格局指數(shù)以斑塊作為基本單元[22],高度濃縮景觀格局信息[23],用以分析各景觀類別的結(jié)構(gòu)組成及空間特征[24]。廣泛借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究成果,結(jié)合云南省實際情況,選取面積周長分維數(shù)(PAFRAC)、凝聚度指數(shù)(COHESION)、聚合度指數(shù)(AI)、分離度指數(shù)(DIVISON)、香農(nóng)多樣性(SHDI)和香農(nóng)均勻度(SHEI)等6類景觀格局指數(shù)分析景觀格局特征(表1)。

表1 景觀格局指數(shù)選取

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用及石漠化等級時空分布特征

基于云南省巖溶地區(qū)2000年、2010年和2020年土地利用情況(圖1)和面積變化數(shù)據(jù)(表2)可知,耕地與林地是3個時段中重要的土地利用類型,耕地、建設(shè)用地面積一直呈現(xiàn)增長趨勢,林地、草地及永久冰雪等呈減少趨勢。其中,灌木和裸地面積以2010年為轉(zhuǎn)折點,呈先增后減的變化趨勢,整體分別減少了331.42 km2和50.00 km2；水域面積呈先減后增的變化趨勢,整體增長151.70 km2。20年間,除耕地、水域及建設(shè)用地的動態(tài)度為正值外,其余地類動態(tài)度均為負值,變化面積最大的是建設(shè)用地(1 456.86 km2),且變化速度最快(10.94%),說明人類活動對土地利用類型演變有著重要影響。

圖1 云南省巖溶地區(qū)2000—2020年土地利用情況

表2 云南省巖溶地區(qū)2000—2020年土地利用面積變化

從云南省2000年、2010年和2020年石漠化等級分布數(shù)據(jù)(圖2)和面積變化數(shù)據(jù)(表3)可知,3個時段中,重度石漠化為主要的石漠化類型。其中,無石漠化地區(qū)面積一直呈增長趨勢,重度石漠化一直呈減少趨勢；潛在石漠化與中度石漠化面積呈先減后增的變化趨勢,所占面積比例分別減少0.42%和0.56%,之后增加0.31%和0.14%；而輕度石漠化與極重度石漠化面積呈先增后減的變化趨勢,所占面積比例分別增加0.47%和0.45%,之后減少1.66%和2.46%。在20年間,石漠化動態(tài)度均呈負值,且石漠化面積減少12 129.42 km2,而重度石漠化的變化面積最大(-7 834.84 km2)且變化速度最快(-1.96%),說明石漠化防治措施遏制了石漠化惡性發(fā)展。

圖2 云南省巖溶地區(qū)土地利用2000—2020年石漠化等級占比

表3 云南省巖溶地區(qū)2000—2020年石漠化面積變化

3.2 土地利用及石漠化等級面積轉(zhuǎn)移矩陣

根據(jù)云南省巖溶地區(qū)2000年、2010年和2020年石漠化等級和土地利用分布數(shù)據(jù)進行面積轉(zhuǎn)移矩陣分析,得到面積轉(zhuǎn)移矩陣。結(jié)合云南省石漠化等級面積轉(zhuǎn)移矩陣(圖3)分析可知,2000—2010年的主要變化特征是重度和極重度石漠化面積的減少。各石漠化等級轉(zhuǎn)化為無石漠化等級的面積為12 609.54 km2,而各石漠化等級中加重趨勢相對顯著的是潛在石漠化(4 268.83 km2)。2010—2020年的主要變化趨勢是重度和極重度石漠化面積的減少,各石漠化等級轉(zhuǎn)化為無石漠化等級的面積為8 525.64 km2,各石漠化等級中呈顯著加重趨勢的是無石漠化,無石漠化轉(zhuǎn)化為石漠化的面積為12 609.54 km2。2000—2020年的主要變化趨勢為重度石漠化面積的減少,而各石漠化等級轉(zhuǎn)化為無石漠化的面積為21 782.04 km2,在石漠化等級中加重趨勢最顯著的為無石漠化(8 423.05 km2)。

圖3 云南省巖溶地區(qū)2000—2020年石漠化等級面積轉(zhuǎn)移矩陣

結(jié)合云南省土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(圖4)分析可知,2000—2010年土地利用的主要變化趨勢為耕地、灌木林地與建設(shè)用地面積的增加,其中,主要轉(zhuǎn)化類型是由林地、草地轉(zhuǎn)化為耕地和灌木林地,耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。2010—2020年的主要變化趨勢為耕地、水域和建設(shè)用地面積的增加,其中,主要轉(zhuǎn)化類型是由林地、草地和灌木林地轉(zhuǎn)化為耕地；耕地、林地和草地轉(zhuǎn)化為水域和建設(shè)用地。2000—2020年的主要變化趨勢為耕地和建設(shè)用地面積的增加,其中耕地主要由林地、草地轉(zhuǎn)化而來,建設(shè)用地主要由耕地轉(zhuǎn)化而來。

3.3 巖溶地區(qū)石漠化土地利用分布特征

由表4可知,云南省2000—2020年石漠化主要分布于林地和草地,其次分布于耕地和灌木林地。無石漠化主要分布于耕地與林地,潛在石漠化主要分布于林地,輕度、中度和重度石漠化主要分布于林地與草地,極重度石漠化主要分布于林地、草地和灌木林地。

無石漠化面積在耕地、濕地、水域和積雪區(qū)域中占比呈下降趨勢,而在林地、草地、灌木林地及建設(shè)用地中呈上升趨勢。潛在石漠化和重度石漠化面積在林地中占比呈下降趨勢；輕度石漠化和中度石漠化面積在林地與灌木林地中占比呈下降趨勢；對于潛在、輕度、中度和重度石漠化面積在耕地與草地中的占比均呈上升趨勢。

需要引起注意的是,發(fā)生于耕地的石漠化面積呈增加趨勢；除極重度石漠化等級外,草地石漠化面積呈增加趨勢；發(fā)生于林地和灌木的石漠化面積除極重度石漠化外,均呈減少趨勢；其余土地利用類型中的石漠化面積變化比例較小。

圖4 云南省巖溶地區(qū)2000—2020年土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣

表4 云南省2000—2020年不同土地利用中的石漠化分布變化

3.4 景觀格局特征及空間變化趨勢分析

依據(jù)景觀生態(tài)學理論并結(jié)合研究目標,利用Fragstats軟件對云南省2000年、2010年和2020年3期土地利用和石漠化分布矢量數(shù)據(jù)進行面積周長維數(shù)(PAFRAC)、凝聚度指數(shù)(COHESION)、聚合度指數(shù)(AI)、分離度指數(shù)(DIVISION)、香濃多樣性(SHDI)和香農(nóng)均勻度(SHEI)計算,結(jié)果如表5和表6所示。

由表5可知,2000—2020年：PAFRAC呈先增后減的變化,總體為減小趨勢,說明土地利用斑塊幾何形狀的復雜程度由復雜變化為簡單,但總體變化趨勢不大,景觀形狀趨于簡單；COHESION呈降低趨勢,說明土地利用斑塊間的連接程度降低；AI呈降低趨勢,說明景觀類型聚集程度降低,空間分布逐漸分散,破碎化程度增加；DIVISION呈上升趨勢,說明土地利用斑塊間混合程度增大,景觀分布越復雜,地域分布越分散；SHDI與SHEI的變化趨勢一致,均為上升趨勢,說明景觀類型呈均衡化趨勢分布,逐漸向平衡方向發(fā)展,景觀異質(zhì)性得到加強,破碎化程度隨景觀類型復雜程度的增加而增大。

如表6所示,2000—2020年：PAFRAC呈先增后減的變化,整體為減小趨勢,說明石漠化景觀的幾何形狀復雜程度由復雜逐漸變?yōu)楹唵危籆OHESION呈上升趨勢,且在2010—2020年增加趨勢顯著,說明各石漠化等級同類斑塊間的自然連通度提高；AI呈上升趨勢,且在2010—2020年增加趨勢顯著,說明石漠化景觀聚集程度增加,空間分布逐漸聚集,破碎化程度降低；DIVISION呈降低趨勢,說明石漠化斑塊間混合程度減小,景觀分布趨于簡單,地域分布逐漸聚集；SHDI與SHEI的變化趨勢一致,均為下降趨勢,說明石漠化景觀的破碎化程度隨景觀類型的復雜程度減小而變小。

表5 云南省2000—2020年土地利用景觀格局指數(shù)變化分析

表6 云南省2000—2020年石漠化景觀格局指數(shù)變化分析

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

1)土地利用對石漠化空間分布的影響。云南省土地利用以耕地、林地及草地為主。耕地對石漠化空間分布的影響是由于人類在耕作活動時破壞土地的土壤肥力、地表植被和抗侵蝕性等[25],加速了水土流失,從而間接驅(qū)動巖溶地區(qū)石漠化的發(fā)生與發(fā)育。林地對石漠化空間分布的影響主要為林地向耕地、草地和灌木林地轉(zhuǎn)化時,由于植被覆蓋度的降低,使景觀類型逐漸向單一化趨勢發(fā)展,巖溶生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。草地對石漠化空間分布的影響是草地向耕地和林地轉(zhuǎn)化,草地蓄水保土能力較強,當草地轉(zhuǎn)化為耕地時,地上植被遭到破壞,水土流失強度加劇且土地退化嚴重,增加石漠化發(fā)生風險[26]；當草地轉(zhuǎn)化為林地時,增加了植被覆蓋度和生物量,使景觀類型趨于多樣化,增強了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2)石漠化動態(tài)度變化分析。云南省近20年各石漠化等級中,除無石漠化地區(qū)的動態(tài)度為增加外,其余石漠化等級動態(tài)度均為減少,但在2000—2010年,輕度石漠化與極重度石漠化的動態(tài)度為增加。由圖5可知,石漠化的加劇是由于西南干旱及人口增長對土地需求增大,不合理的土地開墾造成植被覆蓋度減少,水土流失加劇,石漠化發(fā)生及發(fā)展程度加劇。在2010—2020年,潛在石漠化與中度石漠化的動態(tài)度呈增加趨勢,是由于云南春夏連旱加劇部分地區(qū)石漠化程度惡化,而重度和極重度石漠化動態(tài)度為減少。在2000—2020年,石漠化等級總體為改善趨勢,一方面,由于各項生態(tài)建設(shè)及生態(tài)修復政策的實施,對生態(tài)環(huán)境進行宏觀調(diào)控,促使石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境得以改善；另一方面,城鎮(zhèn)化及社會經(jīng)濟快速發(fā)展,吸引大量農(nóng)村勞動力,減輕了農(nóng)村土地壓力,減少了對林地的損耗,從而延緩了石漠化演變的速度[27]。

圖5 近20年影響石漠化的主要因素時間軸

3)石漠化景觀格局變化影響因素。云南省近20年石漠化面積變化較大,其中,潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化、重度石漠化和極重度石漠化的面積均呈減少趨勢,無石漠化地區(qū)面積比例增加,說明石漠化程度在逐漸減弱,高等級石漠化斑塊減少,優(yōu)勢度降低,而低等級石漠化斑塊增加,優(yōu)勢度升高。COHESION呈上升趨勢,石漠化同等級斑塊間自然連通度提高；AI與DIVISION呈反向發(fā)展,共同說明了石漠化斑塊間趨于聚集的分布情況；SHDI與SHEI呈下降趨勢,說明石漠化斑塊類型的復雜程度減小。

4.2 結(jié)論

1)云南省土地利用以耕地、林地和草地為主,在2000—2020年3個時段中,耕地面積均呈上升趨勢,林地與草地面積均呈下降趨勢,建設(shè)用地的動態(tài)度變化最為顯著。

2)在已發(fā)生石漠化的程度等級中,以重度石漠化分布為主,但20年間石漠化面積總體呈下降趨勢。輕度石漠化與極重度石漠化面積在2000—2010年呈上升趨勢,在2010—2020年呈下降趨勢；潛在與中度石漠化面積在2000—2010年呈下降趨勢,在2010—2020年呈上升趨勢。在研究時段內(nèi),無石漠化地區(qū)面積逐年增加,云南省石漠化面積總體向良性方向發(fā)展。

3)在各石漠化等級中,除無石漠化和極重度石漠化外,石漠化面積在耕地與草地中的占比均呈上升趨勢。發(fā)生于耕地的石漠化面積呈增加趨勢；發(fā)生于林地和灌木的石漠化面積除極重度石漠化等級外,均呈減少趨勢；其余土地利用類型中的石漠化面積變化比例較小。

4)COHESION與DIVISION反向發(fā)展,土地利用空間分布趨于分散,而石漠化空間分布趨于聚集。石漠化各等級的改善與景觀多樣性指數(shù)的減少和土地利用多樣性指數(shù)的增加有關(guān),說明石漠化斑塊隨土地利用的變化而復雜程度降低,石漠化斑塊的幾何形狀復雜程度由復雜逐漸變?yōu)楹唵?有利于石漠化的治理。