夏詩禹 彭 海 吳平英

(1.湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)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(guó)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(dǎo)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(zhì)荒漠化的景觀過程與結(jié)果[1,2]。中國(guó)西南喀斯特地區(qū)巖溶石漠化面積達(dá)1 007萬 hm2，涉及貴州、云南、廣西、湖南等8個(gè)省份，面積占所涉及省份國(guó)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(yán)重制約中國(guó)西南喀斯特地區(qū)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大生態(tài)環(huán)境問題[4]。

學(xué)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(dāng)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(fù)[10]、生物群落結(jié)構(gòu)[11]、流域綜合治理[12]、治理模式[13]等學(xué)科基礎(chǔ)和治理研究。隨著“3S”技術(shù)的成熟，利用“空中”力量對(duì)石漠化土地進(jìn)行時(shí)空精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)成為信息林業(yè)在監(jiān)測(cè)方面的實(shí)用性技術(shù)發(fā)展方向。為討論5年間鳳凰縣石漠化綜合治理及重點(diǎn)地區(qū)封山育林對(duì)石漠化土地的影響，利用2016年和2021年兩期亞米級(jí)高分辨率衛(wèi)星影像，對(duì)湖南鳳凰縣兩期石漠化土地進(jìn)行空間動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)研究，探討縣域尺度下的石漠化演變過程，結(jié)合地區(qū)石漠化生態(tài)修復(fù)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(guó)“最美的小城之譽(yù)”。東西寬50 km，南北長(zhǎng)66 km。全縣國(guó)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(yù)處理

選取2016年及2021年SPOT-5遙感衛(wèi)星影像為基礎(chǔ)資料，成像時(shí)間為當(dāng)年的5～6月。SPOT-5有5個(gè)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(dá)到2.5 m，通過輻射定標(biāo)、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(jì)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(píng)價(jià)。計(jì)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(píng)價(jià)

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(jié)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(zhì)分布矢量數(shù)據(jù)對(duì)巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)進(jìn)行區(qū)分，獲得縣域范圍內(nèi)的巖溶區(qū)范圍；通過SPOT-5波段運(yùn)算提取NDRI、NDVI，用于計(jì)算巖溶區(qū)基巖裸露度和植被綜合覆蓋度；采用國(guó)家林業(yè)和草原局制定的《巖溶地區(qū)石漠化調(diào)查監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定》[14]進(jìn)行研究區(qū)石漠化土地石漠化程度分級(jí)，對(duì)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(jìn)行分級(jí)評(píng)分，并依據(jù)四項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)得分求和(I)進(jìn)行石漠化程度評(píng)價(jià)(表1、表2)。根據(jù)四項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)巖溶區(qū)石漠化土地進(jìn)行程度劃分，各類指標(biāo)及評(píng)價(jià)結(jié)果分別導(dǎo)入對(duì)應(yīng)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(xiàng)因子的矢量圖層。

表1 石漠化程度因子評(píng)定表

表2 石漠化程度分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2021年9月，在生成的石漠化矢量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，分別隨機(jī)選取鳳凰縣石漠化重點(diǎn)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(jìn)行實(shí)地調(diào)查，確認(rèn)石漠化程度評(píng)定因子是否正確。實(shí)地調(diào)查結(jié)果顯示，石漠化土地小班856個(gè)，隨機(jī)調(diào)查小班數(shù)量為86個(gè)，石漠化程度判定因子與2021年提取數(shù)據(jù)相符的有71個(gè)，提取數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度為82.56%。

2.2.2 動(dòng)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(zhuǎn)移矩陣全面描述研究區(qū)內(nèi)石漠化土地的轉(zhuǎn)變情況，刻畫其時(shí)空演變過程。進(jìn)行石漠化等級(jí)動(dòng)態(tài)分析[15]，描述研究區(qū)域內(nèi)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(dòng)態(tài)度，Ua為研究區(qū)內(nèi)該程度石漠化土地2016年的面積，Ub為研究區(qū)內(nèi)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(jié)果分析

3.1 石漠化總體動(dòng)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(cè)的巖溶區(qū)調(diào)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(dá)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(nèi)石漠化綜合治理效果良好，石漠化土地大面積轉(zhuǎn)變?yōu)闈撛诨蚍鞘恋兀潭纫苍谥卫硐掠奢^嚴(yán)重石漠化向輕度、中度石漠化轉(zhuǎn)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(dá)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(yán)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(shì)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(shì)，主要位于千工坪鎮(zhèn)，重度轉(zhuǎn)變?yōu)闃O重度石漠化面積2.78 hm2，潛在石漠化轉(zhuǎn)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(jì)表

3.2 石漠化轉(zhuǎn)變分析

3.2.1 石漠化狀況轉(zhuǎn)變

2016～2021年，潛在石漠化土地轉(zhuǎn)變?yōu)榉鞘恋? 615.18 hm2，占潛在石漠化土地轉(zhuǎn)變面積的38.10%；潛在石漠化土地轉(zhuǎn)變?yōu)槭恋馗骷?jí)程度均有轉(zhuǎn)變，其中主要是轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度石漠化，占比為42.91%，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)闈撛谑恋?，面積為3 069.02 hm2，占輕度石漠化土地轉(zhuǎn)變面積的77.60%；中度石漠化土地主要轉(zhuǎn)變?yōu)闈撛谑恋兀娣e為3 263.16 hm2，占中度石漠化土地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fù)措施，植被綜合蓋度增加，很大比例轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變矩陣 單位：hm2

3.2.2 石漠化轉(zhuǎn)變速率

2016～2021年期間非石漠化土地不存在轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋氐那闆r，因此針對(duì)石漠化轉(zhuǎn)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(jì)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(dá)到960.81 hm2·a-1。石漠化轉(zhuǎn)變動(dòng)態(tài)度反應(yīng)不同石漠化狀態(tài)和等級(jí)的動(dòng)態(tài)速率，極重度、重度石漠化土地動(dòng)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(dòng)態(tài)度變化不顯著，因?yàn)橹卸?、輕度石漠化分布范圍廣、面積大，生態(tài)危害不嚴(yán)重，主要采取封山育林等封育措施，同時(shí)存量基數(shù)較大，導(dǎo)致動(dòng)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(jié)論與討論

運(yùn)用“3S”技術(shù)，基于遙感影像數(shù)據(jù)，并結(jié)合實(shí)地抽樣調(diào)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(dòng)態(tài)變化特征，得出以下結(jié)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(yán)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(jié)構(gòu)或征占用林地導(dǎo)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(zhuǎn)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(fù)措施，植被綜合覆蓋度增加，很大比例轉(zhuǎn)變?yōu)闈撛谑恋睾洼^低程度的石漠化土地。

(4)石漠化面積動(dòng)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?？h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(fù)效果突出。

石漠化狀況轉(zhuǎn)變主要方向?yàn)槭恋叵驖撛谑恋亍⒎鞘恋剞D(zhuǎn)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(zhuǎn)變，與陳利[16]在冷水江市、盧濤[17]在云南開展的研究趨勢(shì)一致。石漠化土地轉(zhuǎn)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(dòng)人口流失，對(duì)山林的破壞程度較以前大幅度降低，林分自然恢復(fù)使得中度石漠化土地面積大面積減少；轉(zhuǎn)變動(dòng)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(shí)間內(nèi)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(dǎo)致的生態(tài)破壞人工修復(fù)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(fù)更符合自然規(guī)律；針對(duì)極重度、重度石漠化地區(qū)，集中專項(xiàng)資金重點(diǎn)攻克，在采用人工促進(jìn)天然更新的基礎(chǔ)上盡量減少深層土壤擾動(dòng)和對(duì)原生植被的破壞。

基于“3S”技術(shù)進(jìn)行的石漠化空間動(dòng)態(tài)分析，能夠較為精準(zhǔn)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(duì)石漠化土地的變化缺乏社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素方面的分析討論，例如施金谷[18]在研究中結(jié)合土地利用情況分析出最易發(fā)生石漠化的地類。同時(shí)在石漠化成因等方面未進(jìn)行探討，應(yīng)當(dāng)收集更充分的資料結(jié)合遙感監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析討論[19]。下一步工作將結(jié)合石漠化植被類型分布、綜合治理工程實(shí)施現(xiàn)狀及林業(yè)信息技術(shù)，針對(duì)巖溶區(qū)生態(tài)修復(fù)進(jìn)行探討，以期為武陵山區(qū)石漠化綜合治理提供參考。