湘西巖溶區(qū)石漠化空間動態(tài)研究
——以鳳凰縣為例

夏詩禹 彭 海 吳平英

(1.湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設計研究總院 長沙 410007；2. 花垣縣花垣鎮(zhèn)自然資源所 湘西 416499)

巖溶石漠化是在中國西南部喀斯特脆弱生態(tài)環(huán)境條件下，由于自然或人為因素而導致的植被破壞、水土流失、基巖裸露、土地生產(chǎn)力衰退甚至喪失，使下墊面表現(xiàn)為類似于石質荒漠化的景觀過程與結果[1,2]。中國西南喀斯特地區(qū)巖溶石漠化面積達1 007萬 hm2，涉及貴州、云南、廣西、湖南等8個省份，面積占所涉及省份國土面積的9.4%，其中湖南省石漠化面積125.10萬hm2[3]，石漠化是嚴重制約中國西南喀斯特地區(qū)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重大生態(tài)環(huán)境問題[4]。

學者和林業(yè)主管部門將巖溶區(qū)土地劃分為非石漠化土地、潛在石漠化土地和石漠化土地3種土地狀況[5]，石漠化土地劃分為輕度石漠化、中度石漠化、重度石漠化和極重度石漠化4種石漠化程度[6,7]。當前石漠化方面的研究主要集中于石漠化成因[8]、土壤侵蝕與地下產(chǎn)流[9]、植被修復[10]、生物群落結構[11]、流域綜合治理[12]、治理模式[13]等學科基礎和治理研究。隨著“3S”技術的成熟，利用“空中”力量對石漠化土地進行時空精準監(jiān)測成為信息林業(yè)在監(jiān)測方面的實用性技術發(fā)展方向。為討論5年間鳳凰縣石漠化綜合治理及重點地區(qū)封山育林對石漠化土地的影響，利用2016年和2021年兩期亞米級高分辨率衛(wèi)星影像，對湖南鳳凰縣兩期石漠化土地進行空間動態(tài)變化監(jiān)測研究，探討縣域尺度下的石漠化演變過程，結合地區(qū)石漠化生態(tài)修復措施分析石漠化演變規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

鳳凰縣(E109°16′6″～109°47′46″，N27°42′48″～28°20′13″)位于湖南省的西部，北接湘西州花垣縣、吉首市，東與瀘溪縣接壤，南靠麻陽縣，西鄰貴州省松桃縣、銅仁市，地處武陵山區(qū)，倚靠沱江，有中國“最美的小城之譽”。東西寬50 km，南北長66 km。全縣國土面積174 462.00 hm2，占全省總面積的0.82%，全縣巖溶地區(qū)面積151 077.58 hm2，占全縣土地總面積31.35%。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)及預處理

選取2016年及2021年SPOT-5遙感衛(wèi)星影像為基礎資料，成像時間為當年的5～6月。SPOT-5有5個工作波段，多光譜波段的空間分辨率為10 m，其中短波紅外的空間分辨率為20.0 m，全色波段空間分辨率達到2.5 m，通過輻射定標、幾何校正、大氣校正及圖像融合后，形成空間分辨率為2.5 m的遙感影像。

以2016年和2021年兩期縣域范圍森林資源管理“一張圖”為本底數(shù)據(jù)，提取并計算小班歸一化巖石指數(shù)(NDRI)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)，用于基巖裸露度、綜合植被蓋度評價。計算公式如下：

NDRI=(B4-B3)/(B4+B3)；

NDVI=(B3-B2)/(B3+B2)。

式中，B4為SPOT-5衛(wèi)星短波紅外波段(1.58～1.78 μm)，B3為SPOT-5衛(wèi)星近紅外波段(0.78～0.89 μm)，B2為SPOT-5衛(wèi)星紅色波段(0.61～0.68 μm)。

2.2 研究方法

2.2.1 石漠化程度評價

利用森林資源管理“一張圖”數(shù)據(jù)庫和遙感影像提取數(shù)據(jù)來生成鳳凰縣兩期石漠化小班信息。首先，結合2016年和2021年全縣森林資源管理“一張圖”提取林地范圍和基本林地小班屬性因子，并基于地質分布矢量數(shù)據(jù)對巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)進行區(qū)分，獲得縣域范圍內的巖溶區(qū)范圍；通過SPOT-5波段運算提取NDRI、NDVI，用于計算巖溶區(qū)基巖裸露度和植被綜合覆蓋度；采用國家林業(yè)和草原局制定的《巖溶地區(qū)石漠化調查監(jiān)測技術規(guī)定》[14]進行研究區(qū)石漠化土地石漠化程度分級，對巖溶區(qū)土地的基巖裸露度、植被類型、植被綜合蓋度、土層厚度進行分級評分，并依據(jù)四項評價指標得分求和(I)進行石漠化程度評價(表1、表2)。根據(jù)四項評價指標對巖溶區(qū)石漠化土地進行程度劃分，各類指標及評價結果分別導入對應小班矢量數(shù)據(jù)，生成包含基巖裸露度、植被類型、植被綜合蓋度、土壤厚度、石漠化程度等多項因子的矢量圖層。

表1 石漠化程度因子評定表

表2 石漠化程度分級評價標準

2021年9月，在生成的石漠化矢量數(shù)據(jù)基礎上，分別隨機選取鳳凰縣石漠化重點發(fā)生的筸子坪鎮(zhèn)、禾庫鎮(zhèn)、沱江鎮(zhèn)、山江鎮(zhèn)、千工坪鎮(zhèn)不同程度石漠化土地小班數(shù)的10%進行實地調查，確認石漠化程度評定因子是否正確。實地調查結果顯示，石漠化土地小班856個，隨機調查小班數(shù)量為86個，石漠化程度判定因子與2021年提取數(shù)據(jù)相符的有71個，提取數(shù)據(jù)準確度為82.56%。

2.2.2 動態(tài)分析

基于2016年和2021年兩期石漠化矢量圖層，利用空間轉移矩陣全面描述研究區(qū)內石漠化土地的轉變情況，刻畫其時空演變過程。進行石漠化等級動態(tài)分析[15]，描述研究區(qū)域內石漠化類型和程度的變化情況，公式如下：

式中，K為不同石漠化程度變化動態(tài)度，Ua為研究區(qū)內該程度石漠化土地2016年的面積，Ub為研究區(qū)內該程度石漠化土地2021年的面積，T為兩期研究間隔年限(即5 a)。

3 結果分析

3.1 石漠化總體動態(tài)特征

2016～2021年，鳳凰縣巖溶區(qū)范圍面積由151 295.73 hm2減少為151 077.58 hm2，減少218.15 hm2，說明五年間需要監(jiān)測的巖溶區(qū)調查范圍縮小。非石漠化土地面積增加6 600.09 hm2，增幅為10.69%；潛在石漠化土地面積減少1 450.32 hm2，減少比例為2.19%；石漠化土地面積減少5 367.92 hm2，減少比例達23.00%。石漠化土地變化中，中度、重度、極重度石漠化土地分別減少4 804.07、798.8、250.33 hm2，減少幅度分別為44.23%、52.20%、92.02%，輕度石漠化土地增加485.28 hm2，增幅為4.55%(表3)。5年間鳳凰縣石漠化情況有較大程度改善，非石漠化土地增加，石漠化土地面積減少，中度以上石漠化程度土地面積大幅度減少，輕度石漠化土地增加，說明縣域范圍內石漠化綜合治理效果良好，石漠化土地大面積轉變?yōu)闈撛诨蚍鞘恋兀潭纫苍谥卫硐掠奢^嚴重石漠化向輕度、中度石漠化轉變。

表3 2016年、2021年不同石漠化類型面積及比例

2016～2021年期間，鳳凰縣石漠化面積顯著減少，石漠化程度大幅度減輕。圖1-a中有較大面積的重度、極重度石漠化面積，分別占巖溶區(qū)總面積1.01%、0.18%，圖1-b中則大幅度減少，占巖溶區(qū)總面積分別下降為0.48%、0.01%。石漠化土地面積也大幅度減少，石漠化土地所占比重由15.42%下降至11.89%。2021年，鳳凰縣石漠化土地面積主要在筸子坪鎮(zhèn)、禾庫鎮(zhèn)、沱江鎮(zhèn)、山江鎮(zhèn)、廖家橋鎮(zhèn)、千工坪鎮(zhèn)、兩林鄉(xiāng)，在全縣占比分別為14.92%、12.98%、10.06%、9.32%、7.96%、7.85%、6.76%(圖1)。

圖1 2016年(a)、2021年(b)石漠化土地程度及分布

全縣151 077.58 hm2巖溶區(qū)土地在5年間的演變類型主要表現(xiàn)為穩(wěn)定型，占比達87.99%；改善型土地為13 611.80 hm2，占比為9.01%，其中11 476.29 hm2為明顯改善型，所占比例為7.60%；退化型土地為4 531.31 hm2，占比3.00%，其中退化嚴重加劇型4 248.81 hm2，所占比例為2.81%。

說明全縣石漠化土地演變趨勢整體向好，面積和程度均為順向演變，但是有局部區(qū)域呈現(xiàn)退化類型，石漠化程度有加重趨勢，主要位于千工坪鎮(zhèn)，重度轉變?yōu)闃O重度石漠化面積2.78 hm2，潛在石漠化轉變?yōu)闃O重度石漠化面積0.70 hm2(表4)。

表4 石漠化演變類型統(tǒng)計表

3.2 石漠化轉變分析

3.2.1 石漠化狀況轉變

2016～2021年，潛在石漠化土地轉變?yōu)榉鞘恋? 615.18 hm2，占潛在石漠化土地轉變面積的38.10%；潛在石漠化土地轉變?yōu)槭恋馗骷壋潭染修D變，其中主要是轉變?yōu)檩p度石漠化，占比為42.91%，轉變?yōu)橹囟?、極重度石漠化面積分別為68.45、2.77 hm2，所占比例分別為1.00%、0.04%；輕度石漠化土地主要轉變?yōu)闈撛谑恋兀娣e為3 069.02 hm2，占輕度石漠化土地轉變面積的77.60%；中度石漠化土地主要轉變?yōu)闈撛谑恋?，面積為3 263.16 hm2，占中度石漠化土地轉變的53.25%，其次為輕度石漠化土地，占比為29.25%；重度石漠化土地主要轉變?yōu)闈撛谑恋睾椭卸仁?，占比分別為58.46%、29.14%；極重度石漠化土地主要轉變?yōu)闈撛谑恋睾椭囟仁恋?，占比分別為50.71%、27.10%。從矩陣可以看出，全縣石漠化情況逐漸向好，重度、極重度石漠化土地經(jīng)過綜合治理和生態(tài)修復措施，植被綜合蓋度增加，很大比例轉變?yōu)闈撛谑恋睾洼^低程度的石漠化土地(表5)。

表5 2016年、2021年石漠化狀況及程度轉變矩陣 單位：hm2

3.2.2 石漠化轉變速率

2016～2021年期間非石漠化土地不存在轉變?yōu)槠渌恋氐那闆r，因此針對石漠化轉變速率不考慮非石漠化土地。5年間，石漠化土地總面積持續(xù)減少，其中中度、重度、極重度石漠化面積減少，輕度石漠化土地面積增加。石漠化土地面積共計減少5 367.92 hm2，平均年減少量為1 073.58 hm2，其中重度石漠化土地面積年均減少量最高，達到960.81 hm2·a-1。石漠化轉變動態(tài)度反應不同石漠化狀態(tài)和等級的動態(tài)速率，極重度、重度石漠化土地動態(tài)度分別為-18.40%、-10.44%，表明在2016～2021年間極重度和重度石漠化治理效果最為突出；中度、輕度石漠化土地動態(tài)度變化不顯著，因為中度、輕度石漠化分布范圍廣、面積大，生態(tài)危害不嚴重，主要采取封山育林等封育措施，同時存量基數(shù)較大，導致動態(tài)變化不顯著(表6)。

表6 2016～2021年石漠化土地程度與變化

4 結論與討論

運用“3S”技術，基于遙感影像數(shù)據(jù)，并結合實地抽樣調查，提取了2016年和2021年鳳凰縣石漠化土地分布特征，分析了5年間鳳凰縣石漠化土地空間動態(tài)變化特征，得出以下結論：

(1)鳳凰縣石漠化治理成果顯著，石漠化土地面積減少，石漠化程度降低。石漠化面積減少5 367.92 hm2，占巖溶區(qū)土地面積比重由15.42%下降至11.89%；中度、重度、極重度石漠化土地分別減少4 804.07 、798.80、250.33 hm2。

(2)石漠化土地演變類型以穩(wěn)定型為主，其次是明顯改善型，嚴重退化加劇型也占據(jù)一定比例，表明鳳凰縣巖溶區(qū)石漠化情況總體是順向發(fā)展，但局部地區(qū)由于改變林草結構或征占用林地導致石漠化土地逆向發(fā)展，主要位于千工坪鎮(zhèn)，極重度石漠化增量較多。

(3)從石漠化轉變情況分析得知，重度、極重度石漠化土地經(jīng)過綜合治理和生態(tài)修復措施，植被綜合覆蓋度增加，很大比例轉變?yōu)闈撛谑恋睾洼^低程度的石漠化土地。

(4)石漠化面積動態(tài)區(qū)域主要集中在北部筸子坪鎮(zhèn)、禾庫鎮(zhèn)、千工坪鎮(zhèn)等山區(qū)，極重度、重度石漠化范圍大幅度減少。縣域范圍石漠化土地順向演變面積、占比明顯大于逆向演變，生態(tài)修復效果突出。

石漠化狀況轉變主要方向為石漠化土地向潛在石漠化土地、非石漠化土地轉變，極重度、重度石漠化土地向潛在石漠化土地及輕度、中度石漠化土地轉變，與陳利[16]在冷水江市、盧濤[17]在云南開展的研究趨勢一致。石漠化土地轉變面積最大為中度石漠化土地，或是由于封禁管理及農(nóng)村勞動人口流失，對山林的破壞程度較以前大幅度降低，林分自然恢復使得中度石漠化土地面積大面積減少；轉變動態(tài)度最突出為極重度石漠化土地，則是由于極重度石漠化面積較少，且較為明顯，多作為石漠化綜合治理的示范區(qū)，通過工程措施和林草措施，能夠在短時間內提升土地植被綜合覆蓋度。鳳凰縣地處武陵山區(qū)，部分地區(qū)山高坡陡，由于早期人為因素導致的生態(tài)破壞人工修復較為困難，以封山育林(草)措施為主，減少人為干擾，采取自然修復更符合自然規(guī)律；針對極重度、重度石漠化地區(qū)，集中專項資金重點攻克，在采用人工促進天然更新的基礎上盡量減少深層土壤擾動和對原生植被的破壞。

基于“3S”技術進行的石漠化空間動態(tài)分析，能夠較為精準地提取石漠化分布情況，可以就石漠化空間變化作初步分析，但是針對石漠化土地的變化缺乏社會、經(jīng)濟發(fā)展因素方面的分析討論，例如施金谷[18]在研究中結合土地利用情況分析出最易發(fā)生石漠化的地類。同時在石漠化成因等方面未進行探討，應當收集更充分的資料結合遙感監(jiān)測進行分析討論[19]。下一步工作將結合石漠化植被類型分布、綜合治理工程實施現(xiàn)狀及林業(yè)信息技術，針對巖溶區(qū)生態(tài)修復進行探討，以期為武陵山區(qū)石漠化綜合治理提供參考。