王君華，莫偉華，陳燕麗，莫建飛，鐘仕全，蘇永秀

(1.廣西區(qū)氣象減災(zāi)研究所，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心遙感應(yīng)用試驗(yàn)基地，530022，南寧;2.鹿寨縣氣象局，545600，廣西柳州;3.柳江縣氣象局，545100，廣西柳州)

巖溶石漠化(rocky and desertified land，RDL)是指在特定的自然環(huán)境背景下，受人為活動(dòng)干擾，使地表植被破壞，造成土壤侵蝕程度嚴(yán)重及基巖大面積裸露的一種土地退化的表現(xiàn)形式［1］。中國(guó)西南是世界上最大、最集中的連片喀斯特地區(qū)［2］，不斷發(fā)展的石漠化不但影響該區(qū)農(nóng)、林、牧、漁、副業(yè)的發(fā)展，而且因其自然災(zāi)害承受能力低，旱、澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)鼐用竦纳妫?］，還因其分布地位于珠江和長(zhǎng)江上游，石漠化伴隨的水土流失對(duì)兩江流域的生態(tài)安全造成了極大隱患，同時(shí)也影響著中國(guó)“西電東送”的大型水利樞紐工程;因此，有關(guān)石漠化的研究已成為當(dāng)今學(xué)術(shù)界熱點(diǎn)之一。

嚴(yán)重的石漠化問(wèn)題已引起了社會(huì)各界的高度重視，近年來(lái)各級(jí)政府實(shí)施了一系列的生態(tài)恢復(fù)重建工程，如封山育林、人工造林和退耕還林等工程，究竟生態(tài)治理效果如何，石漠化面積增減情況及演變趨勢(shì)如何，這些問(wèn)題都是當(dāng)前政府部門、生態(tài)環(huán)境治理管理者非常關(guān)注的問(wèn)題。一些專家學(xué)者［4-9］也多以RS和GIS技術(shù)為手段，對(duì)石漠化區(qū)時(shí)空分布特征和演變趨勢(shì)進(jìn)行了分析和研究，研究區(qū)域大多以貴州省石漠化發(fā)生嚴(yán)重的地區(qū)為主，而對(duì)中國(guó)西南巖溶地區(qū)石漠化最嚴(yán)重區(qū)域之一的廣西石漠化的演變趨勢(shì)研究較少。為此筆者采用1988、1998及2008年3個(gè)時(shí)相的30 m空間分辨率的TM/ETM遙感影像資料，以廣西平果縣典型喀斯特石漠化區(qū)為研究區(qū)域，運(yùn)用3S技術(shù)，研究該區(qū)上述3個(gè)時(shí)相的石漠化空間分布特征及演變規(guī)律，以期為區(qū)域生態(tài)恢復(fù)重建提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

平果縣隸屬于廣西百色市，位于E 107°21'～107°51'、N 23°12'～ 23°51'之間，被譽(yù)為“南國(guó)鋁都”。全縣行政區(qū)域總面積2 485 km2，其中碳酸鹽面積占65.2%，以巖溶峰叢洼地石山為主，區(qū)域內(nèi)植被覆蓋率低，森林覆蓋率小，植被結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以次生灌草為主，巖石裸露明顯，土地利用類型主要為耕地和灌草坡。屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，光照充足，雨量充沛，累年平均氣溫為21.9℃，累年平均降雨量為1 297.1 mm，年日照時(shí)間1 465.7 h，降雨過(guò)度集中且分配不均及雨熱同季的氣候特點(diǎn)，為喀斯特地貌的強(qiáng)烈發(fā)育提供了必要的溶蝕條件，促進(jìn)了石漠化的發(fā)生和發(fā)展。

2 研究方法

2.1 資料來(lái)源及處理

1)研究所用的TM/ETM衛(wèi)星數(shù)據(jù)為1988、1998及2008年3個(gè)時(shí)相共3景，數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m，所有衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)投影、鑲嵌、幾何精校正等預(yù)處理，其幾何校正誤差控制在1個(gè)像元以內(nèi)。

2)廣西碳酸鹽分布區(qū)矢量圖、平果縣行政邊界以及數(shù)字高程(DEM)數(shù)據(jù)等地理信息數(shù)據(jù)均來(lái)自廣西壯族自治區(qū)氣象減災(zāi)研究所遙感基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3)為了建立石漠化遙感解譯標(biāo)志和驗(yàn)證石漠化信息遙感解譯精度，在研究區(qū)果化鎮(zhèn)典型石漠化區(qū)選取強(qiáng)度不同的3個(gè)訓(xùn)練區(qū)，分別于2007年4、6、9月，2008年1月和2011年7月赴訓(xùn)練區(qū)進(jìn)行實(shí)地考察和觀測(cè)，觀測(cè)要素有植被總蓋度、植被類型分蓋度、植株類型的平均高度等。

2.2 巖溶石漠化指數(shù)模型

根據(jù)相關(guān)研究，TM/ETM數(shù)據(jù)的第4、5波段所含各類地物信息比較豐富，是區(qū)分地物最合適的波段，有利于植被覆蓋和裸巖的區(qū)分與判識(shí)，故選用這2個(gè)波段數(shù)據(jù)構(gòu)建石漠化比值植被指數(shù)模型:

式中:Iki為第i個(gè)像元的石漠化指數(shù)值;L4i為第i個(gè)像元第4波段亮度值;L5i為第i個(gè)像元第5波段亮度值為整景圖像第4波段所有像元亮度值的幾何平均值為整景圖像第5波段所有像元亮度值的幾何平均值。

然后根據(jù)石漠化指數(shù)模型，計(jì)算生成石漠化指數(shù)圖。

2.3 巖溶石漠化分級(jí)解譯標(biāo)準(zhǔn)

不同的地貌、地形、氣候及人類活動(dòng)，區(qū)分植被和裸巖的石漠化指數(shù)閾值亦有所不同，結(jié)合前人的研究成果［10－12］及訓(xùn)練區(qū)實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，修正分類模版比例閾值(表1)，并對(duì)石漠化指數(shù)中所有像元計(jì)算其植被和裸巖屬性。為此定義植被屬性指數(shù)

式中:R為所確定的植被屬性閾值;Ivi=1時(shí)為植被，否則為裸巖。

然后設(shè)計(jì)植被比例統(tǒng)計(jì)分類程序，即設(shè)定一定大小的模版(如4×4、6×6、8×8等)，計(jì)算模板范圍內(nèi)植被屬性像元所占比例，從543RGB偽彩色圖像中按人機(jī)交互識(shí)別不同等級(jí)石漠化區(qū)域，計(jì)算其石漠化指數(shù)圖中植被屬性比例，從而確定各等級(jí)石漠化指數(shù)模版對(duì)應(yīng)比例閾值。各模版數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果符合該閾值條件的像元?dú)w為某一類，即該模板內(nèi)像元的石漠化等級(jí)?？紤]到制圖要求，決定采用6×6像元的區(qū)域(實(shí)地面積為180 m×180 m)作為分類模板。

表1 巖溶土地石漠化等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Grade standard of RDL

2.4 巖溶石漠化遙感解譯

1)根據(jù)廣西碳酸鹽分布矢量圖，結(jié)合DEM坡度數(shù)據(jù)，在預(yù)處理后的平果縣影像圖中，去除坡度小于15°的平原區(qū)和非碳酸鹽區(qū)，生成新的平果縣遙感基礎(chǔ)圖，并將區(qū)域外數(shù)據(jù)設(shè)為背景值“－2”。

2)采用選定典型地物感興趣區(qū)域?qū)ζ焦h石漠化遙感基礎(chǔ)圖進(jìn)行監(jiān)督分類，目的是區(qū)分出水體和陰影2類地物，并制作為掩膜圖層，其值設(shè)為“－1”。

3)由式(1)計(jì)算石漠化指數(shù)圖，利用石漠化分類統(tǒng)計(jì)程序，采用6×6模板，對(duì)石漠化指數(shù)圖中的像元按潛在、輕度、中度和重度4類石漠化等級(jí)進(jìn)行分類計(jì)算，并按石漠化等級(jí)分別賦值，其中水體、山體陰影和背景區(qū)像元不參與石漠化分級(jí)分類。

4)根據(jù)不同的分級(jí)形成分類矢量圖，在MapGIS系統(tǒng)中進(jìn)行圖斑識(shí)別、拓?fù)溥\(yùn)算以及石漠化面積統(tǒng)計(jì)和空間分析。

2.5 巖溶石漠化強(qiáng)度等級(jí)綜合評(píng)價(jià)

石漠化是一種土地退化極端現(xiàn)象，是一種自然災(zāi)害;因此，某一時(shí)相石漠化強(qiáng)度等級(jí)綜合評(píng)價(jià)可以參考有關(guān)文獻(xiàn)災(zāi)害綜合評(píng)價(jià)方法［13-14］。定義i時(shí)相評(píng)價(jià)單元石漠化強(qiáng)度等級(jí)指數(shù)

式中:Sij為i時(shí)相j等級(jí)程度石漠化面積，km2;Wij為i時(shí)相j等級(jí)程度石漠化權(quán)重，各等級(jí)權(quán)重分別賦值為 0.05、0.15、0.30、0.50;S 為研究區(qū)總面積，km2。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同時(shí)相石漠化空間分布特征

在專業(yè)遙感數(shù)據(jù)處理軟件ENVI4.5及地理信息系統(tǒng)軟件MapGIS支持下，根據(jù)石漠化指數(shù)模型及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，得到1988、1998及2008年3個(gè)時(shí)相廣西平果縣石漠化空間分布圖(圖1)。

由圖1(a)可以看出:1988年，重度石漠化主要分布在平果縣西南部的果化鎮(zhèn)，位于與天等縣、田東縣交界區(qū)域，呈大片連續(xù)分布，其余重度石漠化區(qū)呈蜂窩狀或條帶狀分布在中部的耶圩、海城、舊城、太平、坡造等鎮(zhèn)局部區(qū)域;中度石漠化成片狀主要分布于海城、耶圩、太平、果化等鎮(zhèn)局部區(qū)域;輕度石漠化主要分布在平果縣中部海城、耶圩、太平、坡造、舊城鎮(zhèn)之間的區(qū)域以及平果縣東北角榜圩、梧圩、堆圩鎮(zhèn)局部區(qū)域，大多呈斑塊狀分布;潛在石漠化以平果縣碳酸鹽分布區(qū)的外圍區(qū)域?yàn)橹鳌?/p>

由圖1(b)可以看出:1998年，重度石漠化主要分布在南部果化鎮(zhèn)與天等縣、田東縣交界區(qū)域及光圩鎮(zhèn)西部，呈大片連續(xù)分布，其余重度石漠化區(qū)呈條帶狀、片狀分布于平果縣中部海城、那圩、太平、坡造等鎮(zhèn)局部區(qū)域;中度石漠化主要分布于中部海城、耶圩、太平、坡造、舊城鎮(zhèn)之間以及光圩鎮(zhèn)西部的局部區(qū)域，成塊狀分布;輕度石漠化大多分布于中部海城、耶圩、太平、坡造、舊城鎮(zhèn)之間的區(qū)域以及東北部局部區(qū)域，多呈條帶狀分布;潛在石漠化為平果縣碳酸鹽分布區(qū)除重度、中度和輕度以外的區(qū)域。

圖1 1988、1998和2008年廣西平果縣石漠化空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of RDL in 1988，1998 and 2008

由圖1(c)可以看出:2008年，重度石漠化主要分布在果化鎮(zhèn)西南部，呈塊狀分布，其余重度石漠化區(qū)分布于中部局部區(qū)域，呈條帶狀分布;中度石漠化主要分布在果化鎮(zhèn)西南部、中部右江河谷東側(cè)，呈塊狀和條帶狀分布;輕度石漠化主要分布于中部、果化鎮(zhèn)西南部、光圩鎮(zhèn)西部以及東北部，呈條帶狀分布;潛在石漠化為平果縣碳酸鹽分布區(qū)除重度、中度和輕度以外的區(qū)域。

3.2 石漠化演變特征

對(duì)不同時(shí)相的各個(gè)等級(jí)類型石漠化面積和所占比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)石漠化強(qiáng)度綜合評(píng)價(jià)模型得出各時(shí)相石漠化強(qiáng)度綜合評(píng)價(jià)指數(shù)(表2)。可以看出:1998時(shí)相石漠化強(qiáng)度綜合評(píng)價(jià)指數(shù)最高，表明石漠化程度最嚴(yán)重，其次為1988時(shí)相和2008時(shí)相。1998時(shí)相與1988時(shí)相相比，除潛在石漠化面積減少之外，其余等級(jí)石漠化面積均增加，平果縣石漠化總體程度越來(lái)越嚴(yán)重，但局部區(qū)域如光圩鎮(zhèn)西部石漠化程度減輕(圖1(a)～(b));2008時(shí)相與1998時(shí)相相比，除潛在石漠化面積增加之外，其余等級(jí)石漠化面積均減少，石漠化總體程度明顯呈減輕趨勢(shì)，但局部區(qū)域石漠化程度依然很嚴(yán)重(圖1(b)～(c))。從1988時(shí)相到2008時(shí)相，石漠化總體程度經(jīng)歷稍加重然后逐漸減輕這一過(guò)程，但局部區(qū)域演變趨勢(shì)復(fù)雜多變。

4 結(jié)論與建議

1)采用3S技術(shù)、巖溶石漠化遙感監(jiān)測(cè)方法和分級(jí)評(píng)價(jià)模型，能夠反映石漠化發(fā)生嚴(yán)重的廣西百色市平果縣石漠化狀況，結(jié)果基本符合實(shí)地調(diào)查情況，可為當(dāng)?shù)厥卫砗蜕鷳B(tài)建設(shè)中的宏觀決策提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也可為廣西乃至整個(gè)西南地區(qū)大規(guī)模開展石漠化研究提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

表2 平果縣不同時(shí)相不同等級(jí)石漠化的面積、比例及綜合評(píng)價(jià)指數(shù)表Tab.2 Area，proportion and CEI of various RDL in different periods

2)廣西百色市平果縣巖溶石漠化主要分布在西南部和中部，即主要分布在右江流域南岸的果化鎮(zhèn)和光圩鎮(zhèn)的西南部、平果縣中部的海城鎮(zhèn)、耶圩鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)、坡造鎮(zhèn)及舊城鎮(zhèn)之間的區(qū)域以及平果縣東北部局部區(qū)域;1988—2008年，該縣總體石漠化程度經(jīng)歷了稍加重然后逐漸變輕的變化趨勢(shì)，石漠化呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)、緩慢、反復(fù)、可治理等特點(diǎn)。

3)廣西百色市平果縣潛在石漠化等級(jí)面積變化最大，演變頻率最快，在實(shí)施生態(tài)恢復(fù)重建等生態(tài)工程進(jìn)行石漠化治理時(shí)，建議采取先易后難、逐步改善的策略。首先優(yōu)先保護(hù)潛在石漠化區(qū)域，使其不向石漠化演變，然后，加大力度治理中度石漠化區(qū)域，使其不繼續(xù)惡化，最后，適當(dāng)改善重度石漠化區(qū)域環(huán)境，重度石漠化區(qū)裸巖面積大、土被少、土壤質(zhì)量低下且造壤速率緩慢，恢復(fù)難度大，在不被繼續(xù)破壞的前提下以自然恢復(fù)為主。

石漠化發(fā)展是人類活動(dòng)與自然因素綜合作用的結(jié)果，人類活動(dòng)在其演變過(guò)程中起主導(dǎo)作用，從平果縣石漠化演變各個(gè)時(shí)相的歷史背景考慮，平果縣石漠化程度趨勢(shì)緩慢變輕主要得益于政府近年來(lái)大刀闊斧地實(shí)施了一系列生態(tài)恢復(fù)重建工程。研究結(jié)果可在滇桂黔巖溶區(qū)域推廣應(yīng)用，為巖溶石漠化區(qū)域治理和生態(tài)建設(shè)中的宏觀決策提供科學(xué)依據(jù)。

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