陳 昊，吳 攀，劉 沛，顧尚義，曹振興

（貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽550003）

石漠化指在亞熱帶脆弱的喀斯特環(huán)境背景下，受人類不合理社會經(jīng)濟活動的干擾破壞，造成土壤嚴(yán)重侵蝕，自然植被生態(tài)系統(tǒng)退化，基巖大面積出露，土地生產(chǎn)力嚴(yán)重下降的一種土地退化過程[1]。貴州省是中國西南喀斯特地貌的中心，石漠化面積已經(jīng)達到50 000km2[2]，也是西南山石地區(qū)石漠化面積最大的省份。作為繼西北地區(qū)沙漠化和黃土地區(qū)水土流失之后我國的第三大生態(tài)問題，石漠化問題已經(jīng)成為脆弱的西南喀斯特環(huán)境的研究熱點。雖然許多學(xué)者在建立石漠化評價指標(biāo)體系的問題上的切入角度不同，選擇的評價因素不一，指標(biāo)的量化也存在差異，但石漠化以強烈的人類活動為主導(dǎo)的驅(qū)動機制及其對生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，卻得到了普遍的接受和認(rèn)同。與此同時，也存在對石漠化的時空分布規(guī)律和發(fā)展趨勢認(rèn)識不明確，使得治理過程不能因地制宜，從而影響治理成效和速度的問題[3]。另外，由于石漠化過程中的土壤侵蝕伴隨著有機質(zhì)、養(yǎng)分的流失，導(dǎo)致土地生產(chǎn)力的下降，從而引發(fā)的人地矛盾嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展[4]。因此，石漠化程度越高的地區(qū)，由于自然和經(jīng)濟因素的限制，所具備的歷史資料越匱乏。遙感技術(shù)的應(yīng)用卻能避開地形地貌的限制，通過遙感影像所攜帶的豐富的地球資源和地貌特征信息有效地彌補這一缺憾。本文通過對多個時期的遙感影像進行分析，輔助野外實地調(diào)查，揭示研究區(qū)域33a來石漠化的發(fā)展特點，并進一步評價人為因素對水土流失的影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黔西北的威寧縣麻窩山一相對封閉的小型巖溶盆地（103°51′—103°55′E，27°05′—27°10′N），流域面積16.29km2，盆地面積0.74km2（圖1）。野外踏勘發(fā)現(xiàn)，盆地四周山體基巖裸露，植被和土被分布不連續(xù)，植被類型較單一，以刺葉高山櫟（Quercusspinosa）為主，摻雜少量灌木林，盆地中有大量紅土堆積，石漠化較嚴(yán)重。主要土地利用類型包括裸地、耕地、居民點、采礦用地、灌木林地、草地、疏林地和有林地等。相關(guān)資料顯示，研究區(qū)年均日照數(shù)1 800h，年降水量850mm，70%的降雨量集中在6—9月，年均氣溫11.2℃，1月均溫3.9℃，7月均溫17.0℃，屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候，區(qū)內(nèi)出露地層巖石為泥盆紀(jì)（D3）白云質(zhì)灰?guī)r。近50a來盆地的生態(tài)環(huán)境變化及其演變過程詳見文獻[5]。

圖1 研究區(qū)匯水面積示意圖[6]

2 研究方法

本文的技術(shù)路線分為資料采集、影像校正和解譯三個部分。筆者通過野外踏勘和歷史資料收集，整理了研究區(qū)1990—1991年的1∶1萬地形圖和水文地質(zhì)圖，以及植被和土被的現(xiàn)狀圖片和通過對當(dāng)?shù)啬觊L者的走訪所得的視頻和音頻資料等。遙感數(shù)據(jù)源采用不同年份非耕作期的 Landset－2MSS，Landset－7 TM 和ALOS AVNIR－2影像（表1）。運用遙感圖像處理和GIS處理分別在ENVI 4.2和 MAPGIS 6.7中以1∶1萬地形圖和地質(zhì)圖為基礎(chǔ)對遙感影像進行精校正。為了最大限度地降低數(shù)據(jù)源和分辨率不統(tǒng)一所導(dǎo)致的誤差，采用遞進式的校正方法，即均勻選擇不少于30個特征點和控制點，用1∶1萬的地形圖和地質(zhì)圖先對空間分辨率較高的AVNIR－2影像進行幾何精校正；將 MSS及TM影像與AVNIR－2影像統(tǒng)一為相同的投影標(biāo)準(zhǔn)，以精校正后的AVNIR－2影像為基礎(chǔ)對MSS及TM影像進行精校正。校正的像元精度控制在0.3個像素之內(nèi)，同時采用一次多項式校正及最近鄰域法對影像進行重采樣。在建立感興趣區(qū)（AOI）的基礎(chǔ)上，以監(jiān)督分類中的最大似然對影像進行分類處理[7]。最后，結(jié)合植被指數(shù)NDVI分類結(jié)果和地形地質(zhì)圖，對監(jiān)督分類結(jié)果進行調(diào)整，降低原始影像資料中陰影和條帶的影響，得到最終的分類結(jié)果。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)信息

3 結(jié)果與分析

判定石漠化擴張程度的三個關(guān)鍵指示因子分別是：輕度的綠色植被覆蓋、非綠色植物覆蓋和基巖的裸露[8]。通過綜合自動信息處理、NDVI分析結(jié)果和實地調(diào)研資料修正，將研究區(qū)內(nèi)的地類根據(jù)基巖裸露率、土壤裸露率和植被覆蓋率分為五類（表2），其中人類活動區(qū)包括耕地和居民點。鑒于影像分辨率的限制，1977年疏林地與有林地界限不明顯，為避免嚴(yán)重誤差，將其歸為一類，統(tǒng)一為林地（圖2）。同時，基巖裸露作為判斷石漠化的最為直接的標(biāo)志之一，本文選擇裸地面積指標(biāo)，輔以土壤裸露和植被覆蓋率來分析研究區(qū)石漠化的發(fā)展進程。

表2 土地分類標(biāo)準(zhǔn)[9]

3.1 石漠化景觀格局分布

1977—2002年，研究區(qū)具有石化特征的裸地面積呈明顯上升趨勢。2000年，裸地面積增加了0.42 km2，是1977年石化面積的4倍多，疏林地和有林地的面積之和為2.88km2，較1977年減少了2.51 km2，而灌木林地和人類活動區(qū)面積分別增加了0.22 km2和1.87km2（圖2）。斑塊呈現(xiàn)由成片分布向零星分布、少成片分布的分異格局，分離度上升[10]，整體分布凌亂程度增加。研究區(qū)的石化特征主要發(fā)生在盆地周邊（圖中A，B，C，D處）和研究區(qū)南部（圖3b的E處）。演變的進程在靠近有林地與人類活動區(qū)域的分界線處，1977年時仍為植被覆蓋良好的林地大量發(fā)展為裸地，其中A處石化擴張最為明顯。林地面積的減少，人類活動區(qū)域和裸地的增加，表明在無明顯氣候變化的前提下，人類活動對植被覆蓋的影響較大。2002—2010年間，裸地面積以平均0.015 km2／a的速度增長，若以此速度逆退至1977年，該年的裸地面積應(yīng)為0.13km2，與實際值（0.09km2）相差甚遠。故推測1977—2002年間，流域所承載的人類活動強度遠大于2002—2010年。據(jù)資料顯示[5]，70年代后期至80年代初，土地家庭聯(lián)產(chǎn)承包制的實行導(dǎo)致當(dāng)?shù)鼐用駥ε璧刂車襟w植被的大幅破壞，直接導(dǎo)致了土壤裸露面積的增加，由于盆地周邊坡度較大，導(dǎo)致無植被覆蓋區(qū)域的表土隨降雨大量流失。因此，1977—2002年間，由土地家庭聯(lián)產(chǎn)承包制的實行而引發(fā)的植被破壞，在脆弱的地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，最終導(dǎo)致研究區(qū)石漠化大范圍擴張的可能性較大。

圖2 研究區(qū)地類面積變化圖

從總體上來說，2002—2010年期間，研究區(qū)石漠化面積以較為平緩的速度增加，增量為0.12km2，表明石漠化在經(jīng)歷明顯的擴張期后，進入較為緩和的發(fā)展期，并在2009年達到峰值（0.66km2）。在其空間分布上，主要表現(xiàn)為向人類活動區(qū)域的擴張（圖3c C，D處）和灌木林地和草地向裸地的發(fā)展（圖3cA，B，F(xiàn)處）。有林地面積呈下降趨勢，疏林地和灌木林地以及草地面積的少量增加，說明景觀格局向植被覆蓋度更低的趨勢發(fā)展。人為因素控制的耕地和居民點區(qū)域以及石化區(qū)域在2009年出現(xiàn)明顯的波動，可能由兩個方面引起（圖2）。一是根據(jù)2002—2009年間，人類活動區(qū)面積略微下降和石化面積的穩(wěn)步增長，說明原來耕作區(qū)的土地石化，導(dǎo)致當(dāng)?shù)鼐用駷楸ＷC一定的耕種面積，而轉(zhuǎn)為對灌木林地、草地或者疏林地的開墾（圖3cG處）。同時，原來石化區(qū)域在退耕還林還草政策的保護下，逐漸從裸巖發(fā)展為草地或灌木林地。二是由于AVNIR－2影像與其他影像在空間分辨率上的差異較大，分類精度的差距所致。

圖3 研究區(qū)不同時期景觀格局分布

3.2 人為因素引發(fā)的土壤沉積量

在喀斯特地區(qū)，強烈的人類活動是導(dǎo)致土地石漠化最重要的因素之一[11]，研究區(qū)在1977—2010年間，具有人類活動特征的居民點和耕作區(qū)的規(guī)模呈現(xiàn)出較為明顯的擴張趨勢，其總量增加了0.54km2。同時，人為因素的影響，使得植被和土被的覆蓋度下降，土壤和基巖裸露面積上升，大量的表土匯入盆地內(nèi)，成為研究區(qū)石漠化進程的最佳記錄者。從不同景觀格局的定義來看[9]，人類活動區(qū)包括耕地和居民點，是人為建筑和種植區(qū)域面積的總和，在該景觀格局范圍內(nèi)，人類活動是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的主要控制因素。由于空間分辨率的原因，像元對灌木林地和草地的區(qū)分能力較低，故灌木林地或草地定義的覆蓋度（10%～40%）較廣。根據(jù)實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)鼐用竦母N和砍伐行為對灌木林地的破壞程度較高，逐漸將植被密度較高的灌木林格局改造為密度較低的草地格局，從而導(dǎo)致土壤裸露率上升。在灌木叢向草地發(fā)展的過程中，人類活動是其內(nèi)部格局分異的最重要的驅(qū)動因素。因此，筆者將主要受人為活動影響的人類活動區(qū)和灌木林地或草地區(qū)作為人為干擾范圍，定義為人為干擾區(qū)。同時，人為干擾區(qū)范圍內(nèi)，用人為因素引起的土壤侵蝕模數(shù)來評價人類活動對土壤流失和石漠化發(fā)展的貢獻。

已有研究表明，將1980年（土地家庭聯(lián)產(chǎn)承包制）作為盆地水土流失加劇的起點較為合理[5]，結(jié)合對遙感影像的分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)石漠化大規(guī)模發(fā)生于1977—2002年期間，故選擇1980年作為人為控制的土壤侵蝕的起點。

因此1977—1980年間，盆地內(nèi)景觀格局沒有發(fā)生明顯的變化，那么1980年與1977年時由人為活動引發(fā)的土壤侵蝕區(qū)域面積近似相當(dāng)，其值的計算為[12]：

式中：A0——1980年研究區(qū)人為干擾區(qū)面積；Ae——自然侵蝕總面積，等于侵蝕流域總面積（16.29km2）與盆地面積（0.74km2）值差，即15.55km2；Av——植被覆蓋面積，即有林地、疏林地面積之和為5.39 km2；Ar——石化區(qū)域面積0.09km2。由此，可以計算出研究區(qū)1980年人為干擾區(qū)面積為15.46km2。同時，1980—2009年間，根據(jù)此公式，用Ai代替A0，并相應(yīng)替換各年植被和石化面積參數(shù)值，即得到各年人為因素控制的土壤侵蝕區(qū)域面積Ai。其中，各年的植被和面積參數(shù)值用內(nèi)插法計算得到。

根據(jù)修改后的土壤侵蝕模數(shù)的定義[5]，人為干擾區(qū)的侵蝕模數(shù)計算公式為：

式中：Mh——人為干擾區(qū)的侵蝕模數(shù)；m——1980—2009年間，研究區(qū)的侵蝕總量1 308 002t；ρ——土壤平均密度1.33g／cm3；Vs——自然侵蝕速率，取距今4.69萬年（BP）至20世紀(jì)70年代末間的平均侵蝕速率，即為0.000 777cm／a[13]；Ai由公式（1）計算得出。由此公式可以計算出研究區(qū)1980—2009年，人為干擾區(qū)內(nèi)人為因素引發(fā)的土壤侵蝕模數(shù)約為3 983.15 t／（km2·a）。

4 討論

20世紀(jì)70年代末期，研究區(qū)內(nèi)的植被覆蓋程度較高，具有明顯石化特征的區(qū)域極少。至2002年，區(qū)內(nèi)出現(xiàn)明顯的石漠化分布區(qū)，耕地面積增加，植被覆蓋度下降，驗證了當(dāng)?shù)啬觊L者對20世紀(jì)70年代后期至80年代初流域內(nèi)地貌特征的描述[5]。與此同時，選擇研究區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)時，影像需要具備獲取時間為非耕種期和影像中研究區(qū)位置未被云層覆蓋兩個條件，故所得到的有效影像數(shù)量有限。受數(shù)據(jù)量的限制，對1977—2002年間，具有明顯石漠化特征的裸地面積的擴張趨勢有可能是逐年增加，也可能是某一年（如1980年）劇烈變化，其具體的變化趨勢還需進一步的研究。由此認(rèn)為2002年遙感影像所呈現(xiàn)的石漠化范圍主要是由于該時間段內(nèi)無節(jié)制的砍伐和前期少量耕種活動累積所導(dǎo)致的結(jié)果。

對盆地侵蝕速率的研究表明[13]，區(qū)內(nèi)沉積盆地承載的侵蝕量是人為干擾沉積和自然沉積兩者的總和。20世紀(jì)70年代至2009年，土壤平均沉積速率為0.22cm／a，而距今46.9ka BP至20世紀(jì)70年代末間的平均沉積速率為0.000 777cm／a，兩者相差3個數(shù)量級。經(jīng)過計算，人為因素導(dǎo)致的土壤侵蝕總量達到1 303 985t，占總侵蝕量的99.69%，侵蝕模數(shù)達3 983.15t／（km2·a）。綜合區(qū)內(nèi)以石漠化面積增加和植被覆蓋等級下降為主的景觀格局變化特征，表明由人類活動（砍伐和耕種）所積累的地表擾動直接引發(fā)了石漠化的產(chǎn)生與發(fā)展。

據(jù)此，本研究認(rèn)為，流域內(nèi)石漠化的形成和發(fā)展以及土壤流失的進程主要受由人為因素的控制。1977—2002年期間，由于以砍伐為主的人為活動對盆地內(nèi)及周邊植被的破壞，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)植被等級以及覆蓋度迅速下降，直接導(dǎo)致具有石化特征的裸地面積的劇烈增加以及土壤流失量的大幅上漲。在此期間，研究區(qū)石化面積的增量達到0.42km2，是1977年石化面積（0.09km2）的4倍有余。2002—2010年間，區(qū)內(nèi)石漠化進程表現(xiàn)為較為平緩的發(fā)展趨勢。在此期間，區(qū)內(nèi)石化面積的增量（0.12km2）較石漠化發(fā)展前期有所下降。但是，植被破壞模式由前期對成材樹木的砍伐，轉(zhuǎn)向?qū)Φ偷燃壍墓嗄玖值?、草地或者疏林地的開墾。同時，基于前人的研究成果，計算出1980—2009年間，由人為因素引發(fā)的土壤侵蝕量達1 303 985t，其侵蝕模數(shù)為3 983.15t／（km2·a）。

另外，可見光波段在信息表達方式上主要集中于色彩和亮度[14]，所以，基于亮度值的DNVI植被歸一化指數(shù)分類并不能完全解決植被覆蓋度的問題。據(jù)此，本文采取通過綜合自動信息提取、植被指數(shù)NDVI分類處理和人機交互解譯方法，進行地類的識別和分析，從而達到減少分類誤差的目的。為了深入研究區(qū)石漠化發(fā)展過程，下一步的研究工作應(yīng)以基巖裸露率、植被和土被覆蓋率、平均土厚和植被類型作為判別標(biāo)準(zhǔn)[15]，對流域內(nèi)石漠化發(fā)展過程分等級進行綜合評價。

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