曾超毅

(貴州晟泰工程咨詢有限公司,貴州 貴陽 550001)

1 引言

石漠化是指氣候因素和人為活動造成的干旱、半干旱地區(qū)及半濕潤地區(qū)土地退化、向荒漠景觀變化的過程[1]。石漠化形成原因除了自然條件先天不足外,人類不合理的開發(fā)利用土地也是造成石漠化的主要原因。貴州省是石漠化分布面積最廣、狀況最復(fù)雜、類型最齊全的省份。石漠化研究對于喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)有著較為深遠(yuǎn)的意義[2,14]。

中國西南地區(qū)，由于資源與環(huán)境的不合理利用引起脆弱的喀斯特生態(tài)環(huán)境失衡，這些地區(qū)通過退耕還林、封山育林、種植適宜經(jīng)果林、坡改梯等措施進(jìn)行石漠化治理，取得了一些成效。如林中衍，麻新在實(shí)驗(yàn)研究區(qū)進(jìn)行石山區(qū)生態(tài)綜合治理試驗(yàn)，研究區(qū)小實(shí)驗(yàn)環(huán)境得到初步改善，水土流失初步得到遏制；龍健等用土地利用方式對土壤質(zhì)量恢復(fù)能力方面進(jìn)行研究；學(xué)術(shù)界對于喀斯特石漠化的研究成果主要包括[2～4]:喀斯特石漠化的危害、影響因子、防治措施以及相關(guān)治理模式研究,為石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境治理提供了科學(xué)的理論支撐。但在大范圍高精度的喀斯特石漠化演變趨勢和動態(tài)變化方面還缺乏深入研究。

近年來“3S”技術(shù)主要應(yīng)用于石漠化調(diào)查監(jiān)測、空間分布、石漠化強(qiáng)度等級劃分等方面。與傳統(tǒng)野外調(diào)查、人工統(tǒng)計(jì)相比,“3S”技術(shù)在大范圍、大規(guī)模、人類難以進(jìn)入的復(fù)雜地形區(qū)域調(diào)查監(jiān)測工作中精度高、效率高[15,16]。

2 研究區(qū)概況

安順市西秀區(qū)位于貴州省中西部腹地,距貴州省省會貴陽90km，地處長江水系和珠江水系的分水嶺上，地理位置為105°44′32″～106°21′58″,北緯25°56′30″～26°26′42″。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,山多坡陡，巖溶極為發(fā)育,地表水處于深切夾谷之中，山坡多發(fā)育成石灰土和巖泥土。出露地層有石灰系、二迭系及三迭系的石灰?guī)r、沙頁巖等。地勢特點(diǎn)為西北部偏高東南部偏低,海拔1102～1695m,平均相對高差593m,年平均氣溫13.2～15℃,年日照時(shí)數(shù)968.6～1309.6h,年平均降水量1146.3mm, 全區(qū)總面積1724km2,總?cè)丝?1.3萬。安順市西秀區(qū)甘堡小流域巖溶喀斯特發(fā)育，地形起伏，水土流失嚴(yán)重，流域呈不規(guī)則形狀。流域地貌以山地為主，屬低中山地貌。在脆弱的喀斯特自然背景下,植被遭受破壞,水土流失嚴(yán)重,石漠化明顯。對于大范圍地形較為復(fù)雜的喀斯特地區(qū)，應(yīng)用遙感與地理信息技術(shù)能夠宏觀、快速獲取地表信息，且精度較高，為石漠化面積、分布規(guī)律、石漠化程度以及演變趨勢的研究提供一定的決策支持。

3 數(shù)據(jù)來源與處理

3.1 數(shù)據(jù)來源

本次研究主要收集資料包括：2012年quikbird 遙感影像，森林資源二類調(diào)查底圖， GPS野外調(diào)查數(shù)據(jù)。并從收集的資料中提取相關(guān)的地理信息,主要包括行政邊界、主要道路、河流、土地利用類型等。在ArcGIS平臺下建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫及圖層屬性,以便進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和結(jié)果分析[4],從而提取地物更多的潛在信息[17～19]。

3.2 野外調(diào)查

按照“先內(nèi)后外”的原則，先在室內(nèi)結(jié)合兩期遙感影像判讀區(qū)劃地類發(fā)生變化的圖斑，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，導(dǎo)入外業(yè)調(diào)查軟件，對變化小班及上期特征點(diǎn)地類、基巖裸露度、植被覆蓋度等因子進(jìn)行外業(yè)核實(shí)調(diào)查，并錄入外業(yè)調(diào)查軟件，對于特征點(diǎn)和變化小班進(jìn)行外業(yè)小班拍照。

4 研究方法與原理

以二類調(diào)查圖斑數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在遙感影像上提取地類變化圖斑，結(jié)合外業(yè)實(shí)地調(diào)查，完善其屬性因子。根據(jù)閉合小流域原則，流域邊界需經(jīng)過分水嶺，流域邊界盡量少跨越行政鄉(xiāng)鎮(zhèn)，在預(yù)處理后的地形圖上勾畫出安順市西秀區(qū)甘堡小流域邊界。并用研究區(qū)流域邊界對分類后的圖進(jìn)行掩膜提取、生成研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀分布圖。

以遙感影像為基礎(chǔ)，通過波段計(jì)算等處理，得出歸一化植被指數(shù) NDVI 和裸土指數(shù)BI，分別計(jì)算植被覆蓋度和土壤裸露率；由土壤裸露率、植被覆蓋度同基巖裸露率之間的關(guān)系，通過圖層運(yùn)算生成基巖裸露率圖；對表層野外土壤厚度調(diào)查樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值得出整個(gè)研究區(qū)的表層土壤厚度圖；將上述植被覆蓋率圖、基巖裸露率圖和表層土壤厚度圖進(jìn)行疊加處理，根據(jù)石漠化等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，通過人機(jī)交互式解譯，結(jié)合野外調(diào)查樣點(diǎn)數(shù)據(jù)加以修正，最終生成西秀區(qū)甘堡小流域石漠化分布圖。

在ArcGIS平臺下對土地利用矢量數(shù)據(jù)和石漠化矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊合分析，建立兩種數(shù)據(jù)的空間對應(yīng)關(guān)系，得出土地利用分布規(guī)律和研究區(qū)石漠化發(fā)生率之間的關(guān)系。研究中用到的是矢量數(shù)據(jù)疊合分析中的identity疊合分析，以其中一個(gè)多邊形為控制邊界，輸出在這個(gè)控制邊界以內(nèi)的其它多邊形部分。如輸入數(shù)據(jù)灌木林和輕度石漠化圖斑，設(shè)置有林地為控制邊界，則輸出數(shù)據(jù)為有林地中的輕度石漠化圖斑。

4.1 標(biāo)準(zhǔn)歸一化植被指數(shù)

Deering在1978年提出了將簡單的比值植被指數(shù)RVI，經(jīng)非線性歸一化處理得到歸一化植被指數(shù)(NDVI-Normalized Difference Vegetation Index)，其表達(dá)式為：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(2)

式中：NIR：近紅外波段；

R：紅光波段。

NDVI在植被指數(shù)中有著非常重要的地位，它是植物生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子，是用于監(jiān)測植被變化最常用的植被指數(shù)。試驗(yàn)表明，NDVI對土壤背景的變化較為敏感。由于NDVI是單位像元內(nèi)的植被類型、覆蓋形態(tài)、生長狀況等的綜合反映，其大小取決于植被覆蓋度fc(水平密度)和葉面積指數(shù)等要素，所以可以用NDVI估算植被覆蓋度和葉面積指數(shù)。當(dāng)植被覆蓋度小于15%時(shí)，能將土壤背景與植被區(qū)分開；當(dāng)植被覆蓋度為25%～80%時(shí)，隨著植被蓋度的增大呈線性增加；植被覆蓋度大于80%時(shí)，檢測能力逐步下降[15～19]。

4.2 BI指數(shù)

BI裸土指數(shù)(Bare soil Index)，一個(gè)像素對應(yīng)的植被覆蓋率不僅與植被指數(shù)密切相關(guān)，還與土壤光譜信息有關(guān)。為了對植被狀態(tài)的評價(jià)更為全面可靠,因此又定義了裸土指數(shù)。計(jì)算公式為

BI=((SWIR+R)-(B+NIR))/((SWIR+R)+(B+NIR))

(3)

式中：SWIR：中紅外波段;

B：藍(lán)光波段;

R,NIR同上。

根據(jù)植被指數(shù)和裸土指數(shù)定義一個(gè)二維空間,假設(shè)這個(gè)空間中植被覆蓋率、植被指數(shù)和裸土指數(shù)密切相關(guān),則植被覆蓋率越大,植被指數(shù)也越大,裸土指數(shù)反而越小;如果裸土指數(shù)越大,植被數(shù)越小,植被覆蓋率也越小。在植被指數(shù)和裸土指數(shù)所構(gòu)成的二維空間中,像素的空間分布散點(diǎn)圖越接近線性橢圓形,該植被指數(shù)與裸土指數(shù)之間的負(fù)相關(guān)性越大,則選用該植被指數(shù)[21～24]。

5 結(jié)果分析

5.1 土地利用分析

根據(jù)遙感影像，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查，將研究區(qū)劃分21種土地利用類型(圖1)：

圖1 貴州省安順市西秀區(qū)甘堡小流域土地利用現(xiàn)狀圖Fig.1 Status Quo of Land Use in Ganbao Small Watershed, Xixiu District, Anshun City, Guizhou Province

土地利用現(xiàn)狀圖中地物代碼對應(yīng)關(guān)系為：水田(011)、水澆地(012)、旱地(013)、果園(021)、茶園(022)、有林地(031)，灌木林地(032)、其他林地(033)、人工牧草地(042)、中覆蓋度草地(043)、河流水面(111)、水庫水面(113)、坑塘水面(114)、內(nèi)陸灘涂(116)、水工建筑用地(118)、設(shè)施農(nóng)用地(122)、裸地(127)、村莊(203)、采礦用地(204)、風(fēng)景名勝及特殊用地(205)。巖石類型組合的劃分參見文獻(xiàn)[7]。

5.2 石漠化劃分等級與指標(biāo)

根據(jù)熊康寧等及黃秋昊和蔡運(yùn)龍等的研究成果[3,4]，結(jié)合甘堡小流域的實(shí)際調(diào)查情況，以坡度、表層土壤厚度、植被覆蓋率和基巖裸露率等作為石漠化等級強(qiáng)度的劃分指標(biāo)，將研究區(qū)的石漠化強(qiáng)度分成無石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化和強(qiáng)度石漠化 4個(gè)等級(表1)。

表1 石漠化分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Rocky Desertification Classification Standard

圖2 石漠化現(xiàn)狀圖Fig.2 Current Status Map of Rocky Desertification

1)潛在石漠化土地基巖裸露度(或石礫含量)≥30%，土壤侵蝕不明顯，且符合下列條件之一者為潛在石漠化。

(1) 植被綜合蓋度≥50%的有林地、灌木林地。

(2) 植被綜合蓋度≥70%的草地。

(3)梯土化旱地。

2)輕度石漠化土地一般表現(xiàn)為坡度在15°以上，植被結(jié)構(gòu)較低、以稀疏的灌木林為主、土被覆蓋率低。非開墾型的輕度石漠化土地主要由于人為活動反復(fù)破壞引起水土流失形成，土被分布零星、平均厚度小，這類土地空間異質(zhì)性較為顯著，不適宜耕山育林，植被恢復(fù)周期長，難度大。

3)中度石漠化類型，基巖裸露率高，區(qū)域平均土層厚度低，以中低覆蓋度草地為主，植被覆蓋度約在20%～35%之間。該類型植被生長環(huán)境較為惡劣，難于耕種，大部分為低覆蓋度、低生物量、低結(jié)構(gòu)植的生物群落。

4)強(qiáng)度石漠化和極強(qiáng)度石漠化基巖裸露面積大，植被覆蓋度基本在20%以下，基巖裸露度高，荒漠化表現(xiàn)最為明顯，是石漠化程度最高的等級。

5.3 石漠化強(qiáng)度分析

輸出石漠化面積統(tǒng)計(jì)表，統(tǒng)計(jì)石漠化面積、各類石漠化在流域面積中的百分比(表2)。

表2 石漠化面積統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of Rocky Desertification Area

由表2可以看出，甘堡小流域面積為37059351.42m2，其中石漠化面積為17862985.66m2，石漠化百分比為48.2%，石漠化等級主要集中在輕度石漠化、潛在石漠化，強(qiáng)度和極強(qiáng)度石漠化所占面積較小。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際考察當(dāng)?shù)鼐C合情況，擬對甘堡小流域輕度石漠化、潛在石漠化地區(qū)實(shí)施相應(yīng)石漠化治理措施：在輕度石漠化地區(qū)實(shí)施人工種草、種植經(jīng)果林；在潛在石漠化地區(qū)覆蓋度較高區(qū)域?qū)嵤┓馍接帧⑺Ａ值却胧5]。

5.4 土地利用現(xiàn)狀與石漠化強(qiáng)度疊合分析

應(yīng)用ArcGIS對土地利用矢量數(shù)據(jù)和石漠化矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊合分析，建立兩種數(shù)據(jù)的空間對應(yīng)關(guān)系，得出土地利用分布規(guī)律和研究區(qū)石漠化發(fā)生率之間的關(guān)系[6]。研究用到的是identity疊合分析，其輸出數(shù)據(jù)為保留以其中一個(gè)輸入多邊形為控制邊界之內(nèi)的所有多邊形，如輸入數(shù)據(jù)灌木林和輕度石漠化圖斑，設(shè)置有林地為控制邊界，則輸出數(shù)據(jù)為有林地中的輕度石漠化圖斑[7]。

由表3分析，可以得出：石漠化主要分布在灌木林、草地、裸地區(qū)域。灌木林地石漠化程度主要表現(xiàn)為潛在石漠化，百分比高達(dá)90.27% ；草地石漠化程度主要表現(xiàn)為中度石漠化，百分比為80.56%；裸地中既有輕度石漠化，又有中度石漠化，百分率分別為49.94%、44.31%。

表3 不同土地利用石漠化情況Tab.3 Rocky Desertification of Different Land Uses %

研究區(qū)土地利用分布規(guī)律與石漠化發(fā)生率之間呈現(xiàn)以上關(guān)系，主要是由于該研究區(qū)地處我國西南地區(qū)，草地主要是中低覆蓋度天然或人工草地，基巖裸露率高達(dá)70%以上，土被覆蓋度達(dá)25%以下，植被覆蓋度在20%～35%之間[13]。這類土地基巖裸露率高，區(qū)域平均土層厚度低，以中低覆蓋度草地為主，植被生長環(huán)境較為惡劣，難于耕種，大部分為低覆蓋度、低生物量、低結(jié)構(gòu)植被的生物群落，與中度石漠化特征基本相符[14]。結(jié)合實(shí)地調(diào)查，該區(qū)域的灌木林中樹木大多生長稀疏，而且以幼苗為主，植被結(jié)構(gòu)低、土被覆蓋率低，是輕度石漠化主要發(fā)生區(qū)域[10]。

5.5 結(jié)語

研究表明：研究區(qū)石漠化百分比為48.2%，其中石漠化強(qiáng)度主要集中表現(xiàn)為潛在石漠化、輕度石漠化，強(qiáng)度和極強(qiáng)度石漠化所占面積較小?？梢姼时ば×饔蚴潭容^輕。潛在、輕度石漠化主要集中發(fā)生在灌木林、裸地區(qū)域，中度石漠化主要集中在中低覆蓋度草地區(qū)域，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際考察當(dāng)?shù)鼐C合情況，擬對輕度石漠化、潛在石漠化地區(qū)實(shí)施相應(yīng)石漠化治理、水土保持等措施。本研究對今后小流域石漠化研究治理提供一定的決策支持。

對石漠化的現(xiàn)狀和空間分布的研究是石漠化研究最為基礎(chǔ)的一項(xiàng)工作,傳統(tǒng)調(diào)查手段多采用抽樣調(diào)查方法，該方法統(tǒng)計(jì)結(jié)果大部分未連續(xù)、沒有全覆蓋研究區(qū)域，或者是通過紙質(zhì)圖紙進(jìn)行外業(yè)調(diào)查核實(shí)，精度不高、效率低。利用“3S”技術(shù)進(jìn)行石漠化監(jiān)測、調(diào)查等方面研究，可實(shí)現(xiàn)大范圍、大尺度及人類難以進(jìn)入的復(fù)雜地形區(qū)域石漠化空間分布調(diào)查及動態(tài)分析研究，極大提高了調(diào)查精度和效率[11～13]。通過對不同時(shí)期的石漠化數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析，為分析監(jiān)測間隔期內(nèi)石漠化土地動態(tài)變化信息，當(dāng)小班石漠化狀況或程度發(fā)生變化時(shí)，確定石漠化土地動態(tài)變化與轉(zhuǎn)移情況，記載其變化原因，進(jìn)行變化原因分析，為石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)及石漠化治理提供相關(guān)科學(xué)依據(jù)[19]。