喀斯特山区土地利用演变与石漠化分布格局

孙耀鹏, 周忠发, 赵宇鸾, 方 敏, 吴 跃

(1.贵州师范大学 地理与环境科学学院/喀斯特研究院, 贵阳 550025;2.国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心, 贵阳 550001; 3.贵州省第三测绘院, 贵阳 550004;4.贵州水利水电职业技术学院, 贵州 清镇 551416; 5.贵州省自然资源技术信息中心, 贵阳 550004)

土地是地表各类生态系统的载体[1]，其结构改变和开发强度变化能够影响生境斑块的物质和能量交换，进而影响生态系统服务功能以此引起石漠化景观及生态环境的改变[2-6]。近年来，随着区域工业化和城市化快速推进，土地利用越来越多地受到人类活动的干扰，人类不合理的土地利用方式是喀斯特山区石漠化发生的主导原因[7-8]。当前，石漠化问题严重影响国家生态安全和区域可持续化发展，本文从土地利用的角度出发，探讨用地类型变化与石漠化等级改变的响应关系，可为自然资源的合理开发利用及区域生态保护与可持续化发展提供科学参考。

国内外基于RS和GIS对喀斯特山区石漠化景观的空间分布特征与影响因素研究颇多[9-14]。王正雄利用GIS空间分析功能结合地理探测器模型分析槽谷区石漠化与坡度、岩性、降雨量、海拔、人口密度、土地利用和第一产业生产总值等数据关系，揭示岩溶槽谷区石漠化空间分布特征及其形成的控制因素[15]；Jiang等研究人口与石漠化时空分布的关系发现距离人类4 km范围内的区域石漠化发生率较大[16]；在探讨土地利用和石漠化的方面，Li等利用土地利用数据作为影响因素发现不同土地覆被对石漠化程度有明显影响[17]；Wang等则分析石漠化的构造、地貌和环境背景后，发现人口压力和土地集约利用是导致石漠化的主要因素[18]；Zhang等利用高分辨率影像，通过定量分析石漠化演变与人类驱动因子分析，发现土地利用和人类住区是决定石漠化的重要因素[19]；冉晨等基于2005—2015年石漠化等级和土地利用分布图，利用景观格局空间分析技术和3S技术综合分析石漠化景观格局演变，并指出石漠化景观格局指数是与土地利用景观格局指数相对应的[20]。前人对石漠化空间分布规律及驱动因子的研究取得较好的成果，使人们对石漠化的发生机制有更进一步理解，但多数是以叠加、相关性分析小区域短时间石漠化演变特征，对大范围长时间序列土地利用与石漠化间的综合及其深度研究较少涉及。本文基于黔西南布依族苗族自治州(下文称黔西南州)2000年、2010年、2020年三期遥感数据获取土地利用和石漠化数据，对黔西南州二十年间不同土地利用下石漠化演变进行定量分析，以求为西南地区石漠化治理工作提供有效的参考意见。

1 研究区概况

黔西南布依族苗族自治州属贵州省地级行政区划，地处云、桂、黔三省结合部，位于东经104°35′—106°32′，北纬24°38′—26°11′，国土面积16 804 km2，下辖2市6县1新区。地势西高东低，北高南低，最高点位于兴义市，海拔为2 207.2 m；最低点位于望谟县，海拔为275 m。属亚热带季风湿润气候区，平均气温在13.8～19.4℃；境内森林资源少、石漠化面积分布广、生态环境脆弱，是典型的喀斯特地区，2011年石漠化统计数据显示[21]，全州石漠化面积高达359 189.8 hm2，占其地域面积的21.37%。境内地形起伏较大，大致可划分为低山侵蚀山地峡谷区、岩溶高原槽坝区、岩溶侵蚀高原区、岩溶侵蚀山地区、侵蚀山地河谷区5类地貌区。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源及处理

土地利用数据的获取：通过Google Earth Engine[22]结合最小运量合成法重构目标年份的三期遥感影像。其中2000年和2010年影像为Landsat-5/TM，2020年影像为Landsat-8/TM，数据已经过辐射校正、大气校正、几何纠正及裁剪等预处理，空间分别率30 m。根据3个时相遥感影像特征结合随机森林算模型进行土地利用分类，将研究区划分为有林地、耕地、草地、灌木林地、裸地、建设用地、水体等7种土地利用类型，土地利用分类结果整体较优，3个时相总体分类精度高于89.82%，Kappa系数依次为0.858 2，0.832 5，0.892 4。将其分类结果下载后利用ArcGIS 10.5进行数据专题图制作，最终得到黔西南州土地利用现状。

基岩裸露数据和植被覆盖数据均为Landsat系列遥感卫星数据波段计算获取。DEM数据来自于地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)，空间分辨率30 m，研究区坡度数据由DEM计算获取。

2.2 研究方法

2.2.1 像元二分模型 植被覆盖度FVC(Fractional Vegetation Cover)的计算是通过像元二分模型实现[23]，其基本原理是依据遥感影像光谱信息估算归一化植被指数(NDVI)。一个像元的NDVI光谱信息可以表达为由植被部分所贡献的信息与无植被部分所贡献的信息两部分组成。因此，结合像元二分模型建立基于NDVI的植被覆盖度估算模型，即：

(1)

式中:FVC为植被覆盖度；NDVI为混合像元归一化植被指数；NIR为近红外波段的反射值；R为红光波段的反射值；NDVIveg为纯植被像元的NDVI值,理论值近似于1；NDVIsoil为裸土(无植被)像元的NDVI值,理论值近似于0;但多数研究根据NDVI频率统计表,采取给定置信度区间的最大值和最小值来代替NDVIveg和NDVIsoil的值[24-25]。论文中NDVIveg和NDVIsoil的取值参照杨旭超等[26]植被覆盖度计算过程各变量的取值:在NDVI影像频率统计表中选取累计频率为95%对应的NDVI值作为NDVIveg,累计频率为5%对应的NDVI像元值作为NDVIsoil。然后带入式(1)中,计算研究区3个时相的植被覆盖度,在统计过程中,当像元值小于等于零时,认为是水体,不参与统计计算。

基岩裸露率是在归一化岩石指数NDRI(Normalized Difference Rock Index)的基础上，结合像元二分模型计算获取，其计算公式如下：

(2)

式中:Fr为基岩裸露率；BAND5和BAND3分别对应Landsat的短波红外波段及近红外波段；NDRIo为完全非岩石覆盖时像元的NDRI值；NDRIr为完全岩石覆盖区域NDRI值。本文依据经验参考牛潜等[27]的取值将累计百分比为1%的像元值作为NDRIo,累计百分比为99%对应的NDRI像元值作为NDRIr。

2.2.2 石漠化等级划分 前人对于喀斯特山区石漠化等级划分研究颇多，但对石漠化等级划分体系的标准，不同学者考虑的角度不一[28-29]。根据遥感影像的纹理、光谱、形状、色调等特征比较容易识别大面积的裸岩，根据基岩裸露率，将石漠化划分为无石漠化、轻度石漠化、中度石漠化和强度石漠化4个等级[30]；王茜等[31]根据植被加土被覆盖和基岩裸露度的不同，将石漠化分为5个等级，依次为无石漠化、潜在石漠化、轻度石漠化、中度石漠化及重度石漠化；熊康宁等以基岩裸露率、坡度、土被和土层厚度为依据划分石漠化等级[32]。本研究参考前人的研究成果[33]，结合数据的可得性、工作量及研究区实际情况，论文主要选取植被加土被覆盖率、基岩裸露率、地形坡度作为研究区石漠化分级指标(表1)，将黔东南石漠化划分为：无石漠化、潜在石漠化、轻度石漠化、中度石漠化与重度石漠化等5类。在石漠化分级前将水体和建设用地剔除，不参与分级计算。

表1 喀斯特区域石漠化等级划分体系

2.2.3 土地利用转移矩阵 土地利用转移矩阵是分析地类状态与状态转移的定量描述[34]，可直观展示用地类型间面积转移的数量和动向，全面且具体的分析各土地利用类型的定量转变以及结构变化，是研究用地类型演变的重要手段，其数学表达式[35]为：

(3)

式中:S为土地利用面积;i,j分别为初期和末期的土地利用类型;m为土地利用的类型数。参考其原理和方法,建立石漠化等级转移矩阵,有利于直观表示区域石漠化的演变特点。从矩阵表示的内容上,土地利用转移矩阵包括转出矩阵和转入矩阵。例耕地的转入矩阵表示非耕地向耕地的转入,用于表述研究期内耕地的增加情况及具体来源;转出矩阵则表示耕地向非耕地的转出,用于研究耕地减少情况及其流失去向。

3 结果与分析

3.1 土地利用类型及石漠化等级时空演变

黔西南州2000—2020年土地利用时空演变见图1，从图中可以看出有林地、耕地和草地均为研究区3个年份主要的土地利用类型，有林地主要分布在东部地区的望谟县和册亨县，草地和耕地交错分布于全州；结合表2，2000年、2010年、2020年黔西南州有林地、耕地、草地面积总和依次13 185.775 km2，12 933.921 km2，12 901.386 6 km2，均占全州面积的 76.84%以上。

表2 黔西南州2000—2020年各地类面积变化 km2

图1 2000年、2010年、2020年土地利用

研究期间，草地和灌木林地呈现减少的趋势，草地是流失最显著的用地类型，从2000年4 006.647 6 km2减至2020年2 667.754 0 km2，年变化率为-66.944 7 km2/a；而用地类型增加最显著的是林地，年变化率为50.603 3 km2/a。黔西南州耕地面积在2000—2010年小幅减少，在2010—2020年小幅增加，整体年变化率为2.122 0 km2/a；建设用地从159.621 9 km2增至450.515 1 km2，年变化率为14.544 7 km2/a；裸地和水体均呈现增加的趋势，年变化率分别为36.943 9 km2/a，8.565 8 km2/a。裸地面积在2000—2010年几乎没变，直至2020年增加到839.454 4 km2，年变化率为36.943 9 km2/a，究其原因，黔西南州整体社会经济水平相对落后，贫苦和石漠化的双重压力导致当地农民乱砍滥伐，盲目开垦土地，加剧石漠化的演变速度，一边植树造林，一边乱砍滥伐；一边退耕还林，一边毁林开垦；在进行石漠化防治的同时生态破坏的现象继续存在。

由研究期间黔西南州石漠化分布(图2)可看出，石漠化现象主要集中在研究区西部地区，东南角多属非喀斯特地貌，长期以来以无石漠化为主。结合表3可看出，2000年研究区石漠化现象显著，整体以重度石漠化分布为主，重度石漠化面积约占研究区的31%，其他石漠化面积占比表现为无石漠化>中度石漠化>轻度石漠化>潜在石漠化；2010年研究区重度石漠化面积占比减少，以无石漠化为主，面积占比为35%，其余石漠化面积占比为中度石漠化>轻度石漠化>潜在石漠化>重度石漠化；2020年研究区以无石漠化与轻度石漠化分布为主，重度、中度石漠化分布明显减少。20 a间，黔西南州石漠化整体呈现持续改善状态，重度石漠化、中度石漠化和潜在石漠化呈现减少的趋势，其重度石漠化减少幅度明显，从5 244.777 9 km2减至648.845 1 km2，年变化率为-229.796 6 km2/a，中度石漠化和潜在石漠化的年变化率分别为-12.391 9 km2/a，-31.040 6 km2/a；无石漠化、轻度石漠化则呈现增加趋势，其年变化率均超过132 km2/a。综上所述，黔西南州是典型的喀斯特山区，其石漠化程度较严重，涉及面广[36]。由于人口压力大、生产水平较低、资源短缺等因素，群众乱砍滥伐、破坏植被、广种薄收、过度开发资源，致使石漠化加剧，从而生态环境退化，当地群众更加贫困，形成一个石漠化—生态退化—人口贫困的恶性循环。

图2 2000年、2010年、2020年石漠化等级

表3 黔西南州2000-2020年石漠化面积变化 km2

3.2 土地利用与石漠化等级面积转移矩阵特征

研究区土地利用类型转移矩阵表(表4)分析可得：2000—2020年草地转化最为显著，主要转化林地、耕地和灌木林地，转化面积依次为1 476.293 4 km2，977.610 6 km2，532.814 8 km2。林地的增加主要由耕地、灌木林地和草地转化而来，其中耕地转为林地的面积为824.637 9 km2，灌木林地转为林地的面积为612.201 km2。而耕地面积转移波动趋于稳定，20 a间面积转化表现为增加了1.073 7 km2。裸土的变化主要以转入为主，灌木林地、耕地、草地转为裸土的面积总和为755.321 6 km2。研究期间建设用地转出124.645 7 km2，转入393.963 5 km2，整体呈现逐年增加的趋势。究其原因，黔西南州在土地利用总体规划、植树造林、封山育林及石漠化治理等过程中采取的措施使得土地利用方式发生改变[37]。

表4 2000-2020年黔西南州土地利用变化转移矩阵 km2

黔西南州石漠化的转变整体呈现持续改善的状态(表5)，石漠化等级的面积转变表现为从重度石漠化向非石漠化方向演替。非石漠化面积的增加主要来源于轻度石漠化、中度石漠化和潜在石漠化；421.501 6 km2重度石漠化转为中度石漠化，256.981 4 km2重度石漠化转为轻度石漠化，研究区重度石漠化面积转出幅度较大，以块状图斑分布在兴义市、安龙县、兴仁县、贞丰县、晴隆县和普安县；中度石漠化的面积转变最为显著，其中有1 520.748 4 km2转为轻度石漠化，640.753 3 km2转为无石漠化，621.947 8 km2转为潜在石漠化，中度石漠化有小部分转为重度石漠化，转化面积为205.908 0 km2，主要分布于耕地及裸地。望谟县和册亨县出现石漠化等级趋于坏的方向发展，由于该部分与广西接壤，主要土地利用类型为林地，2000—2010年期间由于乱砍滥伐导致植被破坏，同时存在基岩裸露，造成该地区石漠化等级呈现略微恶化现象；而研究区中部的兴仁县、贞丰县、安龙县等部分地区也出现石漠化程度轻微恶化，此部分地区主要原因是随经济的发展城镇扩张、裸地增加，植被覆盖度降低[38]。

表5 2000-2020年黔西南州石漠化等级变化转移矩阵 km2

3.3 各类土地利用石漠化发生情况

黔西南州2000—2020年轻度石漠化面积与石漠化总面积的比值从32.83%增至48.29%，中度石漠化面积与石漠化总面积的比值从27.76%减至25.63%，重度石漠化面积与石漠化总面积的比值从48.81%降至5.99%。其中，草地、耕地、灌木林地石漠化面积与石漠化总面积比值均在降低，依次降低3.89%，0.08%，5.67%；而有林地，和裸地石漠化面积与石漠化总面积比值均在增加，分别增加1.31%，6.17%。表6反映研究区2000—2020年不同土地利用类型的石漠化发生情况。2000年，各种土地利用类型发生石漠化的概率较大，耕地有63%发生了重度石漠化，有林地石漠化发生率最低，值为8.78%；2010年，重度石漠化的发生率大幅降低，耕地石漠化发生率虽降低，但发生概率仍是各地类首位，发生率为17.82%；直至2020年重度石漠化的发生率持续下降，最高为7.54%的灌木林地。

表6 2000年、2010年、2020年黔西南州各类土地利用石漠化发生情况 %

2020年，草地有37.86%发生轻度石漠化，20.83%发生中度石漠化，2.03发生重度石漠化，综合2000年、2010年草地石漠化发生率可以发现，草地重度石漠化发生率在降低，中度石漠化发生率变化幅度趋于稳定，但轻度石漠化的发生率持续增加，存在进一步石漠化的可能；研究期间耕地轻度石漠化和中度石漠化发生率整体呈现增加趋势，其中度石漠化发生率在2010年达到最高值50.68%，说明群众对耕地的不合理开发利用越来越频繁，在2010—2020年有所制止；灌木林重度、中度石漠化发生率持续下降，轻度石漠化发生率有所增加，增加区域多数由重度和中度石漠化转化而来；有林地直至2020年轻度石漠化的发生率为12.39%，大部分地区处于无石漠化状态；研究区裸地石漠化发生率总体区域下降的趋势，但60%以上的区域仍处于石漠化状态，说明难利用的裸岩地生境严酷，自然恢复困难。

4 讨 论

研究区20 a间石漠化各等级面积变化较大，整体呈现为石漠化景观逐渐改善状态。为深层次探究不同土地利用类型石漠化等级的演变过程，将石漠化演变程度分为7个等级(表7)。表明2000—2010年草地、灌木林地、耕地及有林地石漠化改善明显，改善面积均高于790 km2，使得研究区低等级石漠化图斑增多，减少原有高等级石漠化图斑大面积集聚分布的状况，这与研究区在此期间采取的相关措施有一定联系。2002年，西部大开发的实施过程中黔西南州适时提出了“环境立州”战略，全面启动退耕还林工程(http:∥www.gywb.cn/system/2019/08/06/030 124534.shtml)，退耕地中大多数是原来石漠化、沙化严重、水土流失，粮食产量低且不稳定的坡耕地。使得不合理的土地利用开发方式逐渐降低，森林资源总量增加，生活环境和生态环境得到了明显的改善[39]。同时，黔西南以“两江一湖”(南、北盘江，万峰湖)生态建设为重点，加快建设珠江上游生态屏障，严格实施森林资源管理和保护、水土流失综合治理、石漠化治理工程等[40]，使土地利用更加科学合理，实现全州环境保护和生态建设(http:∥www.9ask.cn/fagui/201112/128442_1.html)。

表7 2000-2010年各类土地利用石漠化演变面积 km2

2010—2020年期间、全州各类土地利用石漠化等级时空演变总体以保持不变为主，改善为辅，其中有林地石漠化等级稳定不变的区域面积高达3 166.471 5 km2；由表8可知，2010—2020年全州各土地利用类型石漠化等级改善面积均大于恶化面积，石漠化占比较高的耕地改善面积为819.346 km2，表明全州石漠化持续趋好的方向演替。石漠化的成因主要与人类活动相关，在产业结构不合理、生产力水平低、群众环保意识差情况下，易发生不合理的土地利用方式，从而导致石漠化[41]。国家一系列耕地保护政策的发布及“十二五”、“十三五”的相继实施将黔西南州生态建设和石漠化治理推向新的高度。黔西南州针对土地资源特点结合国家相关政策坚守耕地保护红线，有效控制石漠化景观蔓延，加快了生态文明建设：严格实施土地利用总体规划、用途管制，强化耕地占补平衡管理，充分利用遥感技术，实时监测耕地变更状况；把石漠化治理与生态移民工程、农业结构调整、增加农民收入相结合，把恢复天然植被与因地制宜发展特色种植相结合搞好石漠化山区治理；实行最严格的保护制度，落实坡耕地退耕还林还草、湿地保护、建设用地总量和强度双控行动，推动全州绿色发展。研究期间黔西南州生态建设和石漠化治理取得了一定的成效，但部分区域仍存在石漠化恶化现象，主要分布于旱地弃耕后的地段、自然恢复困难的裸地和灌木林地、较容易发生石漠化的草地。因而黔西南州生态建设任务仍然艰巨，应本着“宜乔则乔，宜灌则灌”的原则逐渐恢复灌木林、疏林地及裸地的生态建设是后期石漠化土地治理工作中的重点。

表8 2010-2020年各类土地利用石漠化演变面积 km2

5 结 论

(1)2000—2020年、黔西南州主要土地利用类型是有林地、耕地和草地，面积总和占全州面积的 76.84%以上。而主要变化的用地类型是有林地、草地和灌木林，有林地年变化率为50.603 3 km2/a，草地年变化率为-66.944 7 km2/a，灌木林地年变化率为-45.834 9 km2/a，面积转移矩阵显示各用地类型中草地转化最为显著，主要转化林地、耕地和灌木林地。

(2)研究区石漠化治理效果显著，重度石漠化和中度石漠化呈现逐年递减的趋势，重度石漠化年变化率为-229.796 6 km2/a，中度石漠化年变化率为-12.391 9 km2/a，轻度石漠化和无石漠化逐渐增加，主要来源于重度和中度石漠化的转变。不同土地利用类型的石漠化发生情况并非单纯的大小关系，其存在空间异质性，且石漠化发生情况随土地利用类型转变及时间推移发生不同程度改变。

(3)黔西南州石漠化现状表明部分灌木林地、耕地、草地和裸地发生石漠化恶化现象，这很大程度上与研究区农民对土地的粗放式经营相关，使全州土地类型处于边退耕边开垦状态，进而让石漠化处于防治与破坏并存的状态。因而黔西南州后期生态建设与石漠化治理的重点应是逐渐恢复灌木林、疏林地及裸地的植被覆盖和生物多样性。