基于RS的都安石漠化時空演變研究

蘇成杰　施宇軍　范亞軍　蔣霖　王文貫

關(guān)鍵詞：都安；石漠化；遙感

中圖分類號：X87 文獻標(biāo)志碼：A

前言

喀斯特石漠化是指在獨特的喀斯特地質(zhì)條件和氣候環(huán)境背景下，因為遭受不合理的人類活動的影響，導(dǎo)致巖石大量出露，促使土地可利用的價值下降。中國西南地區(qū)地處熱帶或亞熱帶氣候區(qū)，是世界上喀斯特地貌面積分布最廣泛、特色最鮮明和發(fā)育最密集的地區(qū)。西南喀斯特石漠化分布面積最廣的前三個?。▍^(qū)、市）為貴州省、廣西壯族自治區(qū)和云南省。石漠化加劇演變的本質(zhì)就是粗放式和不科學(xué)的土地利用引起喀斯特地區(qū)可有效利用的土地驟減。石漠化的時空演變的實質(zhì)是人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的干預(yù)，直接對生態(tài)環(huán)境的演變的方向。從20世紀(jì)50年代末以來，西南喀斯特地區(qū)石漠化呈現(xiàn)出自先增加后減少的變化趨勢，石漠化程度明顯減輕，表明了中國政府治理石漠化的措施是有效的。

對石漠化信息提取和演變研究有以下方法：基于不同年份的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，可利用轉(zhuǎn)移矩陣分析石漠化動態(tài)；采用高分五號高光譜數(shù)據(jù)的混合像元分解法和Landsat-8多光譜數(shù)據(jù)的光譜指數(shù)法可以提取石漠化信息；基于”3S”技術(shù)提取石漠化信息，利用轉(zhuǎn)變矩陣和動態(tài)度分析石漠化轉(zhuǎn)變情況和轉(zhuǎn)變速率。

文章根據(jù)Landsat-5 TM和Landsat-8 011遙感影像，運用ENVI軟件提取都安2000年、2010年和2020年的石漠化信息，分析近20年都安石漠化的時空演變。

1研究區(qū)概述

都安瑤族自治縣位于廣西壯族自治區(qū)中部偏西，東經(jīng)107°51′～108°30′，北緯23°47′～24°35′，隸屬于廣西壯族自治區(qū)河池市，地處于云貴高原向廣西盆地過渡的斜坡地帶上，都陽山脈東段，總體地勢為北西高、南東低，是全國喀斯特地貌發(fā)育最為典型的地區(qū)之一。地層以石炭系與二疊系的碳酸鹽巖為主，占總面積的94%左右。土壤以石灰?guī)r土為主，占全縣總土地面積的89%左右。都安屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫18.2℃～21.7℃，年均降雨量為1200mm～1900mm。亞熱帶常綠闊葉林是該縣的主要植被，因為長期受到過度的破壞，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重失衡，石漠化嚴(yán)重。

根據(jù)2021年《廣西統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)，都安縣總?cè)丝?2.65萬人（2020年末），2020年全縣農(nóng)村居民人均可支配收入9825元，低于河池市全市農(nóng)村居民人均可支配收入13832元。脆弱的生態(tài)環(huán)境、突出的人地矛盾和薄弱的經(jīng)濟基礎(chǔ)制約著都安經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，對石漠化的時空演變產(chǎn)生重大影響。

2不同三年都安石漠化信息的提取

2.1數(shù)據(jù)源

陸地衛(wèi)星的主要目的是搜集地球資源和環(huán)境信息。由于陸地衛(wèi)星能提供較為廉價周期性的遙感數(shù)據(jù)，因此在土地利用和水系資源勘察、農(nóng)業(yè)作物生長狀況監(jiān)測、礦產(chǎn)勘察、地質(zhì)與測繪、自然災(zāi)害動態(tài)變化監(jiān)測和環(huán)境變化的動態(tài)監(jiān)測等均得到廣泛應(yīng)用。以美國從1972年以來不間斷成功發(fā)射的8顆“陸地衛(wèi)星”（LANDSAT）為主。因此，文章選取陸地衛(wèi)星拍攝的Landsat -5的TM和Landsat-8的OLI遙感影像提取石漠化信息。在中國科學(xué)院網(wǎng)站（http：//www.gscloud.cn）分別下載覆蓋整個都安的2000年和2010年的Landsat-5的TM；2020年的Landsat-8的OLI遙感影像。運用專業(yè)軟件ENVI對遙感影像進行鑲嵌，根據(jù)都安境界的矢量文件對鑲嵌的影像進行裁剪得到不同年份整個都安的遙感影像。如圖1所示為假彩色合成的2000年的都安遙感影像圖。

2.2喀斯特石漠化分級特征

以前人分類標(biāo)準(zhǔn)為參考，根據(jù)都安喀斯特地區(qū)野外實地調(diào)查和驗證為依據(jù)，喀斯特石漠化可以劃分成極強度石漠化、強度石漠化、中度石漠化、輕度石漠化和潛在石漠化5個等級。

極強度石漠化地類特征：是石漠化發(fā)育最嚴(yán)重的階段，石漠化現(xiàn)象顯著，地表植被覆蓋度低于10%，基巖裸露率大于80%，大量基巖露出地表。土壤分散分布在石溝、石槽和石縫中，巖石間隙中零星長有少量植被，基本處于裸露石山的景觀。

強度石漠化地類特征：是石漠化發(fā)育較為嚴(yán)重的階段，石漠化現(xiàn)象較為明顯，地表植被覆蓋度介于10%～20%之間，基巖裸露率大于70%。土壤破碎的分布于溶蝕溝、溶蝕縫和溶蝕坑中，土層厚度一般不超過10 cm。在破碎分布的土壤中長有少數(shù)旱生的草本植物和小灌木，在冬季旱生的草本類植物基本上枯萎，與夏季植被覆蓋度相差大，具有明顯的季節(jié)性。強度石漠化較高的發(fā)生于石灰?guī)r含量高的峰叢、峰林喀斯特山地或丘陵中，在這類地區(qū)大多數(shù)為利用率低的荒草地和少數(shù)陡坡開墾地。

中度石漠化地類特征：地表植被覆蓋度介于20%～30%之間，基巖裸露率大于50%。土壤被石芽分割，土壤侵蝕顯著，土壤厚度一般小于30 cm。以草本植物和灌木混合群落為主要地表植被。生草本植物或小灌木生長于出露基巖的裂縫和溶溝的土壤中，冬季部分地表植被枯萎，引起地表植被覆蓋度的顯著下降。中度石漠化多數(shù)發(fā)生在純碳酸鹽巖峰叢洼地或峰林地貌喀斯特山地丘陵上，該地區(qū)屬于人類活動頻繁的區(qū)域。

輕度石漠化地類特征：石漠化現(xiàn)象不明顯，地表植被覆蓋度大于40%，巖石裸露率介于30%～40%之間。石芽少量出現(xiàn)在土壤中，土壤層片狀連續(xù)分布。一般情況下土層厚度大于50 cm，最厚可高達1.5m。地表植被長勢好且種類較為豐富，主要是多年草本植物、灌叢、灌木以及藤本群混合體。

潛在石漠化地類特征：該地區(qū)基本上不存在石漠化現(xiàn)象，地表植被覆蓋大于50%，基巖裸露率小于20%。具有連續(xù)分布的土壤，土壤厚度一般為介于1.0m～2.5m之間。灌木、喬木和草均有，植被種類豐富、結(jié)構(gòu)完整。潛在石漠化生態(tài)系統(tǒng)基本上保持平衡，屬于經(jīng)過石漠化治理后恢復(fù)或者人類活動較為合理的地區(qū)。

2.3石漠化信息的提取

根據(jù)5個級別的石漠化特征，可通過像元二分模型提取石漠化信息，相關(guān)研究表明提取石漠化信息有較高的精度。文章基于二分像元模型，運用遙感圖像處理專業(yè)軟件ENVI的決策樹分類方法提取研究區(qū)2000年、2010年和2020年的石漠化信息，獲得都安不同三年石漠化空間分布圖（見圖2）。

文章研究區(qū)為都安，總土地面積為4088 km²，不同三年各個等級石漠化統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。2000年都安石漠化總面積為87.336 km²，占都安縣總土地面積的21.46%；2010年都安石漠化總面積為1618.561km²，占都安縣總土地面積的39.59%；2020年都安石漠化總面積為1237.142 km²，占都安縣總土地面積的30.26%。從以上統(tǒng)計結(jié)果可知2000年一2010年，都安石漠化總面積大幅度增加；2010年一2020年，都安石漠化總面積出現(xiàn)減少。

3近20年都安石漠化演變分析

喀斯特石漠化是一個隨著時間推移而動態(tài)的演變過程，可以表征生態(tài)環(huán)境惡化的程度，其自身景觀特性可以表現(xiàn)石漠化的動態(tài)變化。石漠化土地動態(tài)變化程度是指某個研究區(qū)在一定時間段內(nèi)某個等級石漠化土地類型在數(shù)量上改變的情況，可以真實的反映石漠化土地變化的劇烈程度，可用以下公式計算：

式（1）中U_a為起始年統(tǒng)計面積，U_b為終止年統(tǒng)計面積，T為監(jiān)測年數(shù)。動態(tài)度為正值表示某個等級石漠化演變加劇，負值則表示石漠化有逆轉(zhuǎn)的趨勢。動態(tài)度K值的絕對值的大小，反映石漠化變化趨勢的快慢。

根據(jù)遙感圖像處理軟件ENVI對遙感影像的解譯，并統(tǒng)計3個時期都安各個不同等級石漠化土地的面積，詳細分析都安石漠化土地動態(tài)變化的趨勢（見表2和表3）。

近20年來，都安石漠化總面積先快速增長，后逐漸逆轉(zhuǎn)，各個不同等級的石漠化土地均有不同程度的加劇或逆轉(zhuǎn)。2000年-2010年，各個等級石漠化土地均出現(xiàn)快速的加劇。2010年-2020年，極強度石漠化、強度石漠化和輕度石漠化出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，中度石漠化和潛在石漠化出現(xiàn)加劇，但石漠化土地總體出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。

2000年-2010年，石漠化土地年均增加74.122km²，在各個等級石漠化中，輕度石漠化年均增加速度最快，高達33.583 km²。輕度石漠化演變加劇最嚴(yán)重，動態(tài)度高達62.481%，其次為強度石漠化，動態(tài)度均為15.670%。由于本世紀(jì)初期喀斯特地區(qū)生產(chǎn)力水平低下和沿襲著傳統(tǒng)的生活方式，長期不合理的人為活動導(dǎo)致石漠化演變嚴(yán)重加劇。石漠化未引起政府部門重視，沒有制定相應(yīng)的措施治理石漠化。隨著人口的逐年增長，在自然資源匱乏的喀斯特石山地區(qū)為了生存需要進行陡坡開墾耕種，使得原本植被稀疏和單一的地區(qū)植被遭到嚴(yán)重破壞。水土流失嚴(yán)重，大量基巖裸露，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)嚴(yán)重失衡，加劇石漠化演變。

2010年-2020年，石漠化土地出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，年均逆轉(zhuǎn)速度為38.142 km²，其中極強石漠化、強度石漠化和輕度石漠化均發(fā)生不同程度的逆轉(zhuǎn)，年均逆轉(zhuǎn)速度都高于17 km²，中度石漠化和潛在石漠化出現(xiàn)演變加劇，年均演變加劇程度較上一時期略高。石漠化出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)且具有逆轉(zhuǎn)速度快的趨勢，主要是由于石漠化引起全社會的高度重視?？λ固厥降貐^(qū)生產(chǎn)水平提高和生活方式的轉(zhuǎn)變，減少對環(huán)境施加的壓力，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)得以恢復(fù)。政府部門實行封山育林措施，植被覆蓋度逐年增加。

4結(jié)束語

2000年都安石漠化總面積為877.336km²2010年都安石漠化總面積為1618.561km²，2020年都安石漠化總面積為1237.142km²。2000年-2010年不同等級的石漠化土地總體呈上升變化，2010年-2020年不同等級石漠化土地呈下降趨勢。2000年-2010年，石漠化土地年均增加74.122 km²，其中輕度石漠化年均增加速度高達33.583 km²，輕度石漠化演變加劇最嚴(yán)重，動態(tài)度高達62.481%。在自然資源匱乏的喀斯特石山地區(qū)人地矛盾突出，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)嚴(yán)重失衡，加劇石漠化演變。2010年-2020年，石漠化土地出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，年均逆轉(zhuǎn)速度為38.142 km²，其中極強石漠化、強度石漠化和輕度石漠化均發(fā)生不同程度的逆轉(zhuǎn)，年均逆轉(zhuǎn)速度都高于17km²。都安石漠化演變的逆轉(zhuǎn)表明植被覆蓋的逐年增加，生態(tài)系統(tǒng)得以恢復(fù)，說明政府部門采取治理石漠化的措施有效。