楊光能, 張 喜, 薛建輝, 吳永波, 侯貽菊, 崔迎春, 舒德遠(yuǎn)

(1.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院, 貴陽 550005; 2.南京林業(yè)大學(xué), 南京 210037)

喀斯特石漠化是在巖溶地質(zhì)環(huán)境背景下，受自然因素及人類活動(dòng)的綜合影響，植被結(jié)構(gòu)發(fā)生變化導(dǎo)致地表土壤流失、下覆碳酸鹽巖石裸露，地貌呈現(xiàn)類似荒漠化景觀的土地退化過程[1]，是我國西南地區(qū)重大生態(tài)環(huán)境問題之一。2006年國家啟動(dòng)巖溶地區(qū)石漠化綜合治理工程[2-3]，重點(diǎn)解決喀斯特石漠區(qū)水土[4-6]耦合機(jī)理、治理途徑及模式[7]，西南喀斯特部分地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)及植被覆蓋率發(fā)生了較大改變[8]，其中退耕還林工程的貢獻(xiàn)率較高[9]。石漠化類型及程度和母巖性質(zhì)有明顯的相關(guān)性[10]，由石灰?guī)r組發(fā)育的顯性石漠化基巖裸露面積大，小生境類型多樣，重視程度高，治理途徑及模式較為成熟[7]；由白云巖組發(fā)育的隱性石漠化基巖裸露面積小，母巖物理崩解高于化學(xué)溶解，地表堆積物相對連續(xù)，土壤石礫量高，是較易被忽視、植被恢復(fù)較為困難的類型，成為石漠化綜合治理的難點(diǎn)。石漠化綜合治理主要以小流域[2-3,11-12]為單位，在氣象干旱和水文干旱關(guān)聯(lián)性[13]、土地利用演變和石漠化分布格局[14]、植被恢復(fù)中的樹種選擇[15]、生物炭施用對土壤微生物[16]及種子萌發(fā)[17]的影響、石漠化綜合治理生態(tài)效益評價(jià)等[12]方面已有部分研究。利用不同時(shí)期遙感圖像信息[11,18-19]和實(shí)地斑塊調(diào)查結(jié)合的方法分析白云巖石漠化小流域及不同植被恢復(fù)模式的植被類型及動(dòng)態(tài)變化，提取相關(guān)指標(biāo)分析主要生態(tài)效益[12]變化的研究還未見報(bào)道。

本文在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題[15,20]資助下，結(jié)合貴州省2015年啟動(dòng)的石漠化綜合治理工程，在2個(gè)相似生物氣候背景的不同白云巖組石漠化綜合治理小流域內(nèi)選擇一級(jí)支流建立研究區(qū)，分析土地利用結(jié)構(gòu)及植被類型變化、不同研究區(qū)及植被恢復(fù)模式的主要生態(tài)效益指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化過程，總結(jié)相似生物氣候不同白云巖組石漠化小流域綜合治理工程中植被恢復(fù)模式的效應(yīng)差異性，為石漠化綜合治理提供新的理論依據(jù)及示范案例。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

普定縣城關(guān)鎮(zhèn)沙灣小流域(26°17′30″—26°22′35″N，105°43′25″—105°48′41″E，面積為35.47 km2，海拔范圍1 100～1 450 m)和凱里市凱棠鎮(zhèn)小河小流域(26°40′1″—26°46′15″N，108°3′41″—108°9′24″E，面積為44.47 km2，海拔范圍560～1 100 m)同屬巖溶高原石漠化綜合治理區(qū)[2]，為貴州省2015年啟動(dòng)的巖溶地區(qū)石漠化綜合治理小流域。沙灣小流域?qū)贋踅饔?，年平均氣溫?5.1℃，年平均降雨量為1 396.9 mm，山地多，壩地少，為山原峰叢洼地地貌，灰質(zhì)白云巖分布廣泛，其次為白云巖和泥質(zhì)砂巖等，其中耕地面積占37.1%、林地面積占46.6%、草地面積占6.0%。小河小流域?qū)偾逅饔颍昶骄鶜鉁貫?5.7℃，年平均降雨量為1 234.5 mm，河流切割顯著，相對高差較大，為低山地貌，礫質(zhì)白云巖分布廣泛，其次為石灰?guī)r和碎屑沉積巖等，其中耕地占41.41%、林地占49.71%、草地占2.05%。2個(gè)小流域同屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)及潛度—輕度石漠區(qū)，沙灣小流域重度石漠化面積占相當(dāng)比例(表1)，自然地理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)主要指標(biāo)存在一定差異，在2縣(市)有較高的代表性。

表1 不同研究區(qū)所在小流域生態(tài)環(huán)境及社會(huì)經(jīng)濟(jì)主要指標(biāo)對比

1.2 治理原則與主要治理模式

2個(gè)小流域土地利用類型相對完備，具備一般石漠化小流域中“山—水—林—草—田—路”一體化的基本特征。石漠化綜合治理實(shí)施方案遵循以小流域?yàn)樵O(shè)計(jì)及治理單元，因地制宜、綜合治理，預(yù)防為主、全面規(guī)劃、綜合防治，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益相統(tǒng)一，把石漠化綜合防治和農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、替代產(chǎn)業(yè)培植、脫貧解困、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展及新農(nóng)村建設(shè)相結(jié)合，堅(jiān)持全民參與和先進(jìn)科技成果支撐，依法依規(guī)防治和治理成效保護(hù)。

石漠化綜合治理工程措施中(表2)，沙灣小流域和小河小流域封山育林模式面積占治理總面積的71.00%，65.58%，生態(tài)修復(fù)模式中防護(hù)林營造工程面積的相應(yīng)值為1.09%，13.43%，蓄水池和機(jī)耕道建設(shè)比例不同，其中小河小流域草地畜牧業(yè)模式面積比例為33.33%，沙灣小流域生態(tài)修復(fù)模式中經(jīng)濟(jì)林營造面積比例為15.57%。2個(gè)小流域石漠化綜合治理重在林草地植被恢復(fù)，輔以部分工程措施。

表2 不同研究區(qū)所在小流域石漠化綜合治理主要模式及參數(shù)

課題實(shí)施中結(jié)合石漠化綜合治理工程建設(shè)、參與技術(shù)支撐與服務(wù)，研發(fā)、中試和引進(jìn)了系列先進(jìn)技術(shù)。(1) 封山育林模式中，引入石漠化山地生態(tài)恢復(fù)限制因子辨識(shí)技術(shù)、林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置及可持續(xù)收獲技術(shù)、森林植被與生態(tài)功能恢復(fù)技術(shù)等；(2) 生態(tài)修復(fù)模式(包括防護(hù)林和經(jīng)濟(jì)林營造、草地畜牧業(yè)建設(shè))中，引入石漠化山地生態(tài)恢復(fù)限制因子辨識(shí)技術(shù)、適宜造林(種草)植物篩選技術(shù)、輕型基質(zhì)育苗技術(shù)、生物材料覆蓋技術(shù)、生物炭基肥施用技術(shù)、林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置及可持續(xù)收獲技術(shù)、人工植被群落穩(wěn)定性和生態(tài)效益評價(jià)技術(shù)等。

在2個(gè)小流域的一級(jí)支流內(nèi)，選擇面積相近的研究區(qū)(二級(jí)小流域)進(jìn)行主要模式實(shí)施效應(yīng)及主要生態(tài)效益指標(biāo)動(dòng)態(tài)分析，即普定研究區(qū)(108°4′32″—108°6′28″E，26°43′27″—26°45′3″N，面積為3.48 km2)和凱里研究區(qū)(105°43′33″—105°45′34″E，26°19′55″—26°21′13″N，面積為4.77 km2)，2個(gè)研究區(qū)涵蓋了相應(yīng)小流域石漠化綜合治理的主要治理措施，具有一定代表性及示范效應(yīng)。

1.3 資料收集

凱里市和普定縣所在研究區(qū)的10 000地形圖和當(dāng)?shù)厝嗣裾u審?fù)ㄟ^的《巖溶石漠化綜合治理實(shí)施方案(2015—2017)》由2縣(市)林業(yè)部門提供，2個(gè)研究區(qū)2016年和2020年底Landsat8_OLI影像和Google Earth影像(Landsat8_OLI影像從地理空間數(shù)據(jù)云獲取，利用91衛(wèi)圖軟件下載Google Earth影像)。

1.4 研究方法

1.4.1 實(shí)地斑塊調(diào)查 參照《貴州省森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查工作細(xì)則(2014—2016)》，2016年底利用1∶10 000地形圖實(shí)地完成2個(gè)研究區(qū)的斑塊邊界勾繪及因子調(diào)查，斑塊因子包括地貌、坡度、成土母巖、巖石裸露率、土壤類型及土層厚度等生境因子，地類、工程類別、林型、林種、起源、齡組、優(yōu)勢樹種和植被覆蓋度等植被相關(guān)指標(biāo)。

1.4.2 遙感圖像分類信息提取 結(jié)合2016年底實(shí)地研究區(qū)斑塊邊界勾繪數(shù)據(jù)、Google Earth影像及因子數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.5軟件下目視解譯，對每個(gè)斑塊進(jìn)行判讀和邊界修改，結(jié)合優(yōu)勢樹種，獲得2016年土地利用類型和植被類型數(shù)據(jù)。根據(jù)2020年Google Earth影像，在2016年數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行修邊處理，獲得2020年土地利用類型和植被類型[21]數(shù)據(jù)，分類精度大于90%。以研究區(qū)邊界，裁剪Landsat8_OLI影像，在Envi5.1軟件下完成植被覆蓋度提取，具體操作如下：

(1) 植被指數(shù)[22]。對Landsat8_OLI影像進(jìn)行輻射標(biāo)定、大氣矯正，計(jì)算植被指數(shù)(NDVI)：

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

(1)

式中：NIR為近紅外波段(band5)；R為紅外波段(band4)。

(2) 植被覆蓋度[23]。采用像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度(VFC)：

VFC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

式中：NDVI，NDVIsoil和NDVIveg為任意像元、裸土像元和純植被像元的NDVI。公式可變?yōu)?/p>

VFC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(3)

式中：NDVImax和NDVImin為區(qū)域內(nèi)NDVI的最大值和最小值。其值參考李苗苗[22]提出的估算方法，以NDVI值的累積概率為5%和95%的NDVI值作為NDVImin和NDVImax。

(3) 植被覆蓋度等級(jí)。參考相關(guān)文獻(xiàn)[11,14]，植被覆蓋度劃分為6個(gè)等級(jí)：Ⅰ級(jí)(<10%)、Ⅱ級(jí)(10%～20%)、Ⅲ級(jí)(20%～35%)、Ⅳ級(jí)(35%～50%)、Ⅴ級(jí)(50%～70%)和Ⅵ級(jí)(≥70%)。

1.4.3 主要生態(tài)效益指標(biāo)選擇 參照《石漠化治理監(jiān)測與評價(jià)規(guī)范(LY/T2994—2018)》和文獻(xiàn)[12]，選取生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)中植被覆蓋率、水土保持效益指標(biāo)中土壤侵蝕模數(shù)和石漠化等級(jí)面積降低率作為生態(tài)效益評價(jià)的指標(biāo)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

(1) 轉(zhuǎn)移矩陣[24]。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣代表的是土地利用類型變化的方向。當(dāng)以研究區(qū)土地利用類型的面積作為轉(zhuǎn)移矩陣中的元素時(shí)，表示式(Sij)：

(4)

式中：Sij為t1時(shí)間i類土地利用類型在t2時(shí)間轉(zhuǎn)化為j類土地利用類型的面積，i=j時(shí)為土地利用類型未變化面積；t1和t2為2016年底和2020年底；i和j為t1和t2時(shí)間的土地利用類型(i=1，2，3，…，n；j=1，2，3，…，m)。

(2) 植被覆蓋率。用Envi軟件處理2016年、2020年底的植被覆蓋度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)林草地(包括喬木林、灌木林、草地及變化)植被覆蓋率(P，%)：

(5)

式中：n為林草地類型斑塊數(shù)量；pi和si為第i斑塊的植被覆蓋度(%)及面積(hm2)。

(3) 土壤侵蝕模數(shù)。參照文獻(xiàn)[25]計(jì)算與統(tǒng)計(jì)林草地的土壤侵蝕模數(shù)(E)：

ei=66×li1.5×(1.01-pi)

(6)

(7)

式中：ei和li為第i斑塊的土壤侵蝕模數(shù)〔t/(km2·a)〕和坡度(°)。

(4) 石漠化等級(jí)。參照文獻(xiàn)[11,14]，制定石漠化評價(jià)主要因子等級(jí)及賦值(表3)，分別計(jì)算各研究區(qū)內(nèi)林草地斑塊的石漠化等級(jí)評價(jià)因子值(R)及各地類石漠化等級(jí)面積變化率(Djk)。

表3 石漠化程度評定標(biāo)準(zhǔn)

(8)

式中：ri為第i石漠化等級(jí)評價(jià)因子的賦值,n=5。

斑塊石漠化程度變化(djk)：R2016=R2020時(shí)，石漠化程度無變化；R2016R2020時(shí)，斑塊石漠化程度增加。其中，k=1,2,3。

(9)

式中：j為斑塊序號(hào)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用類型及面積變化

2.1.1 土地利用類型結(jié)構(gòu)變化 2016年土地利用類型結(jié)構(gòu)中(圖1—2)，喬木林地、灌木林地、竹林地、草地、園地、耕地、水體和建設(shè)用地面積比例在普定研究區(qū)為27.09%，29.10%，0.02%，0，9.81%，26.82%，0.10%，7.06%，凱里研究區(qū)為39.79%，31.42%，0，4.19%，5.58%，15.06%，0.73%，3.23%，相應(yīng)林地(包括喬木林、灌木林和竹林地)面積比例為56.21%，71.21%，農(nóng)林地(包括林地、園地和耕地)面積比例為92.84%，91.85%。適宜于植被恢復(fù)為主體的石漠化綜合治理效應(yīng)分析。普定研究區(qū)農(nóng)地和建設(shè)用地面積比大、開發(fā)程度高，與其鄰近縣城關(guān)鎮(zhèn)有關(guān)；凱里研究區(qū)牧草地面積占相當(dāng)比例，與其遠(yuǎn)離中心城市，是苗族聚集區(qū)有關(guān)。

圖1 普定研究區(qū)和凱里研究區(qū)土地利用類型面積數(shù)量變化

圖2 普定研究區(qū)和凱里研究區(qū)土地利用類型面積空間變化

2016—2020年2個(gè)研究區(qū)林地面積增加5.04%，0.56%，主要是因觀光農(nóng)業(yè)園建設(shè)和石漠化綜合治理目標(biāo)導(dǎo)致林地面積增大；園地面積在普定研究區(qū)呈增加趨勢、凱里研究區(qū)呈降低趨勢，形成原因?yàn)榍罢呤怯^光農(nóng)業(yè)園中葡萄(Vitisvinifera)園建設(shè)，后者是觀光農(nóng)業(yè)園中路網(wǎng)建設(shè)。2個(gè)研究區(qū)耕地面積降幅最大，普定研究區(qū)的相應(yīng)值較高，主要原因是退耕造林以及以葡萄園為主體的觀光農(nóng)業(yè)園建設(shè)。普定研究區(qū)竹林和水體面積沒有變化，凱里研究區(qū)水體面積略有增加，原因是沿河兩岸農(nóng)家樂中魚塘數(shù)量及面積增加。建設(shè)用地面積中，普定研究區(qū)呈降低趨勢，凱里研究區(qū)呈增加趨勢，2個(gè)研究區(qū)除因觀光農(nóng)業(yè)園建設(shè)中的路網(wǎng)調(diào)整外，普定研究區(qū)還因部分采石廠停產(chǎn)復(fù)綠。2個(gè)研究區(qū)在觀光農(nóng)業(yè)園建設(shè)為主要目標(biāo)的石漠化綜合治理中，耕地面積下降、林地面積上升，土地利用類型面積結(jié)構(gòu)趨于優(yōu)化。

2.1.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移變化 分析發(fā)現(xiàn)(表4—5)，2016—2020年，普定研究區(qū)轉(zhuǎn)移面積為22.40 hm2，占研究區(qū)總面積的6.43%，凱里研究區(qū)的相應(yīng)值為8.66 hm2，1.81%，普定研究區(qū)土地利用類型面積調(diào)整強(qiáng)度高于凱里研究區(qū)。轉(zhuǎn)出面積比例排序中，普定研究區(qū)為耕地(85.04%)>建設(shè)用地(6.79%)>灌木林地(3.04%)>喬木林地(2.81%)>園地(1.61%)，凱里研究區(qū)為耕地(42.73%)>灌木林地(38.91%)>草地(14.67%)>喬木林地(3.35%)>園地(0.35%)，2個(gè)研究區(qū)耕地轉(zhuǎn)出面積較大，園地轉(zhuǎn)出面積較??；轉(zhuǎn)入面積比例中，普定研究區(qū)為灌木林地(70.58%)>喬木林地(13.53%)>建設(shè)用地(5.36%)>耕地(5.13%)>園地(4.69%)，凱里研究區(qū)為喬木林地(40.65%)>灌木林地(32.79%)>建設(shè)用地(26.10%)>水體(0.46%)，2個(gè)研究區(qū)喬木林地和灌木林地轉(zhuǎn)入面積較大，建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積占相當(dāng)比例。2個(gè)研究區(qū)地類轉(zhuǎn)移面積中，林地轉(zhuǎn)入量>轉(zhuǎn)出量、耕地轉(zhuǎn)入量<轉(zhuǎn)出量，植被得到進(jìn)一步恢復(fù)，觀光農(nóng)業(yè)園要素配置更趨合理。

表4 普定研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

表5 凱里研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

2.2 植被類型及面積變化

2.2.1 植被類型變化 參照貴州植被分類系統(tǒng)[21](圖3—4)，2016年普定研究區(qū)和凱里研究區(qū)(草地歸入灌草叢類型)林地面積比例為56.20%，75.40%，其中在普定研究區(qū)闊葉林(包括常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、山地常綠落葉闊葉混交林和竹林)、針葉林(包括暖性針葉林和石灰?guī)r山地針葉林)和灌叢林(包括石灰?guī)r山地落葉灌叢、石灰?guī)r山地藤刺灌叢和石灰?guī)r山地灌草叢)面積比例為23.23%，3.87%，29.10%，凱里研究區(qū)相應(yīng)值為4.95%，34.83%，35.62%，普定研究區(qū)林地面積比較低，闊葉林面積比較高，凱里研究區(qū)林地面積比較高，針葉林面積比較高。普定研究區(qū)當(dāng)?shù)鼐用裼性诜壳拔莺蠛痛逭車鸂I建“風(fēng)水林”的傳統(tǒng)習(xí)慣，原生性和次生性闊葉林保護(hù)較好，人工造林也以經(jīng)濟(jì)性和觀賞性闊葉樹種為主；凱里研究區(qū)苗族聚居，習(xí)慣性喜愛的柏木(Cupressusfunebris)等人工針葉用材林和用于畜牧業(yè)發(fā)展的灌草叢林地面積較大。

圖3 普定研究區(qū)和凱里研究區(qū)植被類型面積數(shù)量變化

圖4 普定研究區(qū)和凱里研究區(qū)植被類型面積空間變化

2020年，普定研究區(qū)和凱里研究區(qū)林地面積比例為61.24%，75.69%，林地面積呈增長態(tài)勢。闊葉林、針葉林和灌叢林面積比例在普定研究區(qū)為23.92%，3.87%，33.45%，凱里研究區(qū)為5.14%，35.32%，35.23%，普定研究區(qū)針葉林面積沒有變化、闊葉林和灌叢林面積增加，凱里研究區(qū)灌叢面積下降、闊葉林和針葉林面積增加，主要受石漠化綜合治理目標(biāo)、人為經(jīng)營活動(dòng)方向及先進(jìn)技術(shù)的綜合影響。普定研究區(qū)在防護(hù)林和經(jīng)濟(jì)林營造中回避了針葉樹種、重點(diǎn)栽種闊葉類樹種，坡地灌叢林面積增加；凱里研究區(qū)防護(hù)林營造中保留了柏木等適生性針葉樹種，灌叢草地建設(shè)重在提質(zhì)增效、引進(jìn)皇竹草(Pennisetumsinese)等優(yōu)良牧草品種集約栽培，灌叢林面積因植被自然恢復(fù)提質(zhì)和防護(hù)林營造而有所下降。2個(gè)研究區(qū)植被類型面積有由灌叢林向針葉林及闊葉林增加的趨勢，林分質(zhì)量進(jìn)一步改善。

2.2.2 植被覆蓋度等級(jí)變化 分析發(fā)現(xiàn)(圖5)，2016年林草地植被覆蓋度Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ等級(jí)的面積比組成中，普定研究區(qū)為0，0.19%，0.10%，7.32%，92.39%，凱里研究區(qū)為0.19%，0.94%，23.05%，25.47%，50.34%；2020年普定研究區(qū)林草地植被覆蓋度5個(gè)等級(jí)的面積比的相應(yīng)值為0，0，0，4.69%，95.31%，凱里研究區(qū)為0，1.86%，23.01%，27.40%，47.73%。2016—2020年2個(gè)研究區(qū)不同等級(jí)面積比隨植被覆蓋度等級(jí)升高呈增加趨勢。植被覆蓋度≥Ⅴ等級(jí)的面積比例中，普定研究區(qū)由99.71%上升至100.00%，凱里研究區(qū)由75.81%下降至75.13%，林草地植被覆蓋率在普定研究區(qū)持續(xù)增長，治理效應(yīng)顯著；凱里研究區(qū)有降低趨勢，主要因?yàn)檫^度放牧導(dǎo)致的灌叢草地質(zhì)量下降和部分灌叢草地改種葡萄。

圖5 普定研究區(qū)和凱里研究區(qū)植被覆蓋度等級(jí)面積變化

進(jìn)一步分析林草地不同植被類型的覆蓋度等級(jí)發(fā)現(xiàn)(圖6)，2016年喬木林地覆蓋度Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ和Ⅵ等級(jí)面積比例在普定研究區(qū)為0，0.21%，5.71%，94.08%，凱里研究區(qū)為0.48%，8.96%，15.17%，75.39%；2020年相應(yīng)值在普定研究區(qū)為0，0，5.28%，94.72%，凱里研究區(qū)為0.35%，8.36%，16.38%，74.90%。2016年灌木林地覆蓋度Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ和Ⅵ等級(jí)面積比例在普定研究區(qū)為0，0.37%，0，8.75%，90.87%，凱里研究區(qū)為0.46%，1.43%，38.15%，34.62%，25.34%；2020年相應(yīng)值在普定研究區(qū)為0，0，0，4.20%，95.80%，凱里研究區(qū)為0，0.54%，38.54%，43.40%，17.52%。2016—2020年植被覆蓋度≥Ⅴ等級(jí)面積比例中，喬木林地在普定研究區(qū)由91.29%上升至100.00%，凱里研究區(qū)由90.56%上升至91.29%；灌木林地相應(yīng)值在普定研究區(qū)由60.92%上升至100.00%，凱里研究區(qū)由59.96%上升至60.92%。喬木林和灌木林地面積率在普定研究區(qū)較高、增長快，凱里研究區(qū)的相應(yīng)值較低、增長慢。普定研究區(qū)竹林地覆蓋度整體性增長1個(gè)等級(jí)。凱里研究區(qū)草地覆蓋度Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ和Ⅵ等級(jí)面積比例在2016年為1.67%，43.66%，54.66%，0，2020年相應(yīng)值為27.96%，50.22%，13.24%，8.58%，2016年和2020年草地覆蓋度≥Ⅴ等級(jí)面積比例分別為54.66%，21.82%，草地覆蓋度值整體性下降，Ⅵ等級(jí)草地覆蓋度值升高。

圖6 普定研究區(qū)和凱里研究區(qū)不同林地類型植被覆蓋度等級(jí)面積變化

2.3 生態(tài)效益主要指標(biāo)變化

2.3.1 植被覆蓋率變化 分析發(fā)現(xiàn)(表6)，2016年和2020年植被覆蓋率呈凱里研究區(qū)>普定研究區(qū)、增加量呈凱里研究區(qū)<普定研究區(qū)的變化趨勢，2個(gè)研究區(qū)植被覆蓋率呈增加態(tài)勢。封山育林模式中，2016年底普定研究區(qū)和凱里研究區(qū)植被覆蓋率為68.49%，57.07%，2020年的相應(yīng)值為87.97%，74.51%，植被覆蓋率及增長量呈增加趨勢，呈普定研究區(qū)>凱里研究區(qū)的趨勢，受2個(gè)研究區(qū)2016年林分齡級(jí)與質(zhì)量綜合影響。生態(tài)修復(fù)模式中，2020年植被覆蓋率較高，達(dá)到80%以上，呈普定研究區(qū)>凱里研究區(qū)的趨勢，受2個(gè)研究區(qū)石漠化基質(zhì)異質(zhì)性和先進(jìn)營造林技術(shù)引進(jìn)的綜合影響。凱里研究區(qū)草地植被覆蓋率呈增加態(tài)勢，增長量為14.69%，受新品種引進(jìn)和草地集約經(jīng)營技術(shù)的綜合影響。植被覆蓋率增加量呈生態(tài)修復(fù)模式>封山育林模式>草地畜牧業(yè)模式。

表6 不同研究區(qū)植被覆蓋率變化 %

2.3.2 土壤侵蝕模數(shù)變化 分析發(fā)現(xiàn)(表7)，土壤侵蝕模數(shù)值在2016年呈普定研究區(qū)>凱里研究區(qū)，2020年呈普定研究區(qū)<凱里研究區(qū)，侵蝕模數(shù)減少量呈普定研究區(qū)>凱里研究區(qū)的變化趨勢，2個(gè)研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)值呈減少態(tài)勢。2016—2020年2個(gè)研究區(qū)封山育林模式和生態(tài)修復(fù)模式的土壤侵蝕模數(shù)值降低，呈普定研究區(qū)>凱里研究區(qū)的變化趨勢，普定研究區(qū)的降幅較大，受石漠化基質(zhì)和先進(jìn)營造林技術(shù)的綜合影響；凱里研究區(qū)草地畜牧業(yè)模式土壤侵蝕模數(shù)值降低，降幅不及封山育林模式和生態(tài)修復(fù)模式。土壤侵蝕模數(shù)降低量呈生態(tài)修復(fù)模式>封山育林模式>草地畜牧業(yè)模式。

表7 不同研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)變化 t/(km2·a)

2.3.3 石漠化等級(jí)面積率變化 分析發(fā)現(xiàn)(表8)，2016—2020年，普定研究區(qū)和凱里研究區(qū)石漠化等級(jí)降低面積率為57.17%，31.98%，無變化面積率為5.57%，42.98%，石漠化趨勢得到有效遏制。封山育林模式中，普定研究區(qū)和凱里研究區(qū)石漠化等級(jí)降低面積率為93.36%，43.04%，無變化面積率為6.07%，44.55%，面積增加率為0.58%，12.41%，治理效應(yīng)呈凱里研究區(qū)<普定研究區(qū)的趨勢，這與石漠化基質(zhì)的差異性和凱里研究區(qū)因發(fā)展草地畜牧業(yè)而高頻率用火、時(shí)常越界波及林地有關(guān)。草地畜牧業(yè)模式中，凱里研究區(qū)石漠化等級(jí)面積降低率、無變化率和增加率為16.99%，22.82%，60.19%，治理效應(yīng)不及封山育林模式。生態(tài)修復(fù)模式是石漠化治理效應(yīng)較佳模式。

表8 不同研究區(qū)石漠化等級(jí)變化的面積組成 hm2

3 討 論

(1) 研究區(qū)域代表性及小流域植被恢復(fù)模式效應(yīng)的差異性。普定沙灣小流域和凱里小河小流域同屬亞熱帶季風(fēng)氣候、巖溶高原石漠區(qū)，為潛度—輕度石漠等級(jí)[1,11,14]。農(nóng)林地面積比例在沙灣小流域和小河小流域?yàn)?9.70%，93.17%，景觀基質(zhì)相似度高[8-9,18-19]。普定研究區(qū)和凱里研究區(qū)屬二級(jí)小流域，占相應(yīng)一級(jí)小流域面積比例為9.81%，10.73%，相應(yīng)農(nóng)林地面積比例為87.22%，90.46%，2個(gè)研究區(qū)在相應(yīng)小流域中有較高的代表性。封山育林模式面積比例在沙灣小流域和小河小流域?yàn)?8.02%，20.35%，在普定研究區(qū)和凱里研究區(qū)的相應(yīng)值為55.90%，71.02%；生態(tài)修復(fù)模式相應(yīng)值為11.45%和0.34%，4.98%和0.74%；草地畜牧業(yè)模式在凱里研究區(qū)的相應(yīng)值為10.34%，3.96%，受石漠區(qū)基質(zhì)差異[10]和工程治理目標(biāo)的綜合影響[1-3]。2個(gè)研究區(qū)林草恢復(fù)措施類型相對齊備，與小流域相應(yīng)措施的面積比存在一定差異。研究區(qū)和小流域間綜合治理效應(yīng)有尺度性轉(zhuǎn)換差異[11-12,14]，隨研究區(qū)和小流域間面積比例增大、綜合治理效應(yīng)尺度性差異變小。這種面積比例的差異不會(huì)改變單項(xiàng)措施效應(yīng)評價(jià)的趨勢性。

(2) 石漠化基質(zhì)變化導(dǎo)致土地利用-植被類型-生態(tài)效益的差異性。普定研究區(qū)屬灰質(zhì)白云巖石漠區(qū)、凱里研究區(qū)屬礫質(zhì)白云巖石漠區(qū)[1,10]，土層平均厚度和巖石裸露率在普定研究區(qū)為81.84 cm，20.61%，凱里研究區(qū)的相應(yīng)值為48.98 cm，7.99%，2個(gè)研究區(qū)土層平均厚度和巖石裸露率值差異性明顯。2016年石漠化綜合治理工程實(shí)施初期，普定研究區(qū)植被覆蓋率值小于凱里研究區(qū)、土壤侵蝕模數(shù)值呈相反趨勢，是由土地利用結(jié)構(gòu)、植被類型以及面積結(jié)構(gòu)性差異引起的[1,14]。這種變化的本質(zhì)因素是石漠化基質(zhì)的差異性，也不可否認(rèn)生物氣候[2-4]、植被類型[5-6,12,25]和人為活動(dòng)[9,14,18-19]的影響。

(3) 石漠化綜合治理土地利用結(jié)構(gòu)變化及效應(yīng)的差異性。2016—2020年2個(gè)研究區(qū)耕地面積轉(zhuǎn)出部分主要為喬木林地和灌木林地等、林地面積轉(zhuǎn)入部分主要為耕地和建設(shè)用地等，林地轉(zhuǎn)入面積大于轉(zhuǎn)出面積、耕地轉(zhuǎn)入面積小于轉(zhuǎn)出面積，符合石漠化綜合治理的一般規(guī)律[1-3,7-8,11]，其中農(nóng)地是最活躍的變化地類[9,18-19]。受2個(gè)研究區(qū)屬不同級(jí)別觀光農(nóng)業(yè)園及過境公路建設(shè)的影響，建設(shè)用地由林地和農(nóng)地等轉(zhuǎn)入，成為石漠化綜合治理中特有影響因素。植被覆蓋率增加量、土壤侵蝕模數(shù)降低率和石漠化等級(jí)降低面積率呈普定研究區(qū)>凱里研究區(qū)，普定研究區(qū)石漠化綜合治理效應(yīng)較好[5-6,12]，受石漠化基質(zhì)類型[10]及水分等[4,13]立地要素、治理模式類型[7,20]和引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)[15-17]的綜合影響。

(4) 不同林草植被恢復(fù)模式效應(yīng)及在2個(gè)研究區(qū)間的差異性。植被覆蓋率增加量、土壤侵蝕模數(shù)降低率和石漠化等級(jí)降低面積率在2個(gè)研究區(qū)呈生態(tài)修復(fù)模式>封山育林模式>草地畜牧業(yè)模式，生態(tài)修復(fù)模式引進(jìn)了系列先進(jìn)技術(shù)促進(jìn)植被生長[15-17]，生態(tài)效益增加量較大；草地畜牧業(yè)模式在植被層結(jié)構(gòu)及生物量積累[5-6]上不及生態(tài)修復(fù)模式和封山育林模式，生態(tài)效益增加量較小。生態(tài)修復(fù)模式和封山育林模式生態(tài)效益呈普定研究區(qū)>凱里研究區(qū)的變化趨勢，主要受石漠化基質(zhì)類型[10]及水分等[4,13]立地要素的影響。

(5) 研究方法對石漠化綜合治理工程效應(yīng)評價(jià)的影響。有別于其他單項(xiàng)方法對小流域土地利用[11]、植被覆蓋度[8-9,22-23]和石漠化綜合治理效應(yīng)[11-12]的評估，本研究采用相同時(shí)間斷面遙感影像和現(xiàn)地地形圖斑塊勾繪及斑塊主要因子調(diào)查相結(jié)合的方法，彌補(bǔ)了遙感衛(wèi)星影像在斑塊主要因子量獲取上的不足[8-9,18-19,22-23]，豐富了生態(tài)效益分析內(nèi)容。遙感衛(wèi)星影像和現(xiàn)地調(diào)查相結(jié)合方法比單一的遙感衛(wèi)星影像法的評價(jià)效果好，值得推介。

4 結(jié) 論

(1) 普定研究區(qū)和凱里研究區(qū)同屬亞熱帶季風(fēng)氣候、巖溶高原石漠區(qū)，為潛度—輕度石漠化等級(jí)，前者屬灰質(zhì)白云巖石漠區(qū)，后者屬礫質(zhì)白云巖石漠區(qū)，基質(zhì)類型是影響石漠化綜合治理工程目標(biāo)及林草恢復(fù)模式效應(yīng)的本質(zhì)因素。2016年，普定研究區(qū)農(nóng)地及林地面積比例為36.63%，20.64%，凱里研究區(qū)的相應(yīng)值為56.21%，71.21%，農(nóng)林地景觀基質(zhì)相似度高；普定研究區(qū)和凱里研究區(qū)植被覆蓋率為38.46%，42.22%，土壤侵蝕模數(shù)為4 742.07，4 380.28 t/(km2·a)，普定研究區(qū)石漠化趨勢較強(qiáng)。

(2) 2016—2020年2個(gè)研究區(qū)林地面積轉(zhuǎn)入量>轉(zhuǎn)出量、耕地面積轉(zhuǎn)入量<轉(zhuǎn)出量，石漠化綜合治理主要影響因素為耕地、林地和建設(shè)用地。普定研究區(qū)和凱里研究區(qū)植被覆蓋率增加量為15.79%，13.38%，土壤侵蝕模數(shù)降低率為32.98%，25.51%，石漠化等級(jí)降低面積率為57.17%，31.98%，普定研究區(qū)綜合治理效應(yīng)顯著。

(3) 植被覆蓋率增加量、土壤侵蝕模數(shù)降低率和石漠化等級(jí)降低面積率中，生態(tài)修復(fù)模式相應(yīng)值在普定研究區(qū)為89.00%，88.12%，100.00%，凱里研究區(qū)為83.05%，77.26%，100.00%；封山育林模式相應(yīng)值在普定研究區(qū)為19.48%，59.87%，93.36%，凱里研究區(qū)為17.44%，36.00%，43.04%；凱里研究區(qū)草地畜牧業(yè)模式相應(yīng)值為14.69%，12.57%，16.99%。生態(tài)效益呈生態(tài)修復(fù)模式>封山育林模式>草地畜牧業(yè)模式的變化趨勢，生態(tài)修復(fù)模式和封山育林模式生態(tài)效益呈普定研究區(qū)>凱里研究區(qū)的變化趨勢。