喀斯特石漠化时空变化特征及驱动因子分析
——以贵州晴隆县为例

史迎春，舒英格

(1.贵州大学资源与环境工程学院，贵阳550025;2.贵州大学农学院，贵阳550025)

喀斯特石漠化时空变化特征及驱动因子分析
——以贵州晴隆县为例

史迎春1，舒英格2

(1.贵州大学资源与环境工程学院，贵阳550025;2.贵州大学农学院，贵阳550025)

以晴隆县2000，2005，2010和2015年4期遥感影像资料为研究数据，利用综合指数法提取晴隆县无明显石漠化、潜在石漠化、轻度石漠化、中度石漠化、强度石漠化和极强度石漠化6个等级的石漠化分布图，利用石漠化时空动态模型，分析了研究区15年来石漠化在时间和空间上的变化特征;采用主成分分析法，确定了石漠化各驱动因子的权重。结果表明:在时间上，从2000—2015年，极强度石漠化、强度石漠化和中度石漠化面积大幅度减少;无明显石漠化、潜在石漠化和轻度石漠化均呈增加趋势。无明显石漠化、中度石漠化及强度石漠化，石漠化动态度变化较为明显;综合石漠化动态度变化幅度均较小，呈减小趋势。在空间上，石漠化等级增强的区域主要发生在花贡镇和大田乡，而石漠化等级降低的区域相对较多，主要分布在长流乡、中营镇、马场乡。2000—2015年，石漠化不断发生变化是自然环境和人类活动共同作用的结果，其中地类面积变化和人口对石漠化变化的影响最为显著，石漠化面积变化的驱动因子主要包括:人口、森林覆盖率、林地面积、耕地面积、农民人均纯收入、草地面积、GDP。研究结果以期能为晴隆县石漠化区生态治理工作与土地可持续利用提供参考。

石漠化;综合指数法;时空变化;驱动因子;主成分分析法;晴隆县

0 引言

喀斯特石漠化是指在脆弱的喀斯特生态环境背景下，受人类不合理的社会经济活动影响导致土壤严重侵蚀，基岩大面积裸露，土地生产力严重降低，地表呈现类似荒漠景观的土地退化现象［1］。我国西南喀斯特地区的石漠化已成为影响西南地区社会经济发展和人民生活的一大自然灾害［2］。贵州省晴隆县喀斯特地貌发育强烈，属于典型的生态环境脆弱区，石漠化严重影响了人类的生存和社会的发展。

喀斯特地区的生态系统退化，已成为研究热点。目前，诸多专家学者在喀斯特石漠化的提取方法、分级标准、危害、成因、治理模式、综合效益评价等方面开展了大量的研究［3－9］，并取得了一系列研究成果，研究区域主要集中在南方喀斯特山区、西南喀斯特山区、省级尺度等范围较大的区域，而针对县域尺度等范围较小的区域研究文献较少。基于此，本文以国家级贫困县晴隆县作为研究区域，研究结果有助于晴隆县加快脱贫的步伐和建设社会主义新农村的步伐，对于促进全面建成小康社会，非常具有代表性和研究价值。因为晴隆县地处偏远山区，石漠化程度严重，等级齐全，代表性较强，加强对晴隆县石漠化的时空变化特征及驱动因子分析，对于全面研究石漠化的防治措施、改善石漠化地区恶劣的生态环境情况以及实现喀斯特地区生态环境保护和社会经济可持续发展有着重要的意义。

1 晴隆县概况

晴隆县位于贵州省西南部、黔西南布依族苗族自治州东北角，地处云贵高原中段。地理坐标介于25°33'～26°11'N，105°1'～105°25'E之间。县境南北长69km，东西宽33km，全县总面积1 327.3km2，下辖14个乡镇［10］。晴隆县属温凉湿润的高原亚热带季风气候，冬无严寒，夏无酷暑，年平均气温在14.7℃左右，夏季降雨丰富，年降水量在1 500～1 650mm之间。晴隆县属高原峡谷区，全县地形起伏大，具有“山高坡陡谷深”的特点，全县山地及丘陵占国土总面积的95.30%［11］。

2 研究方法及数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 遥感影像处理

由于下载的遥感影像等级较高，且存在坐标信息，因此无需对影像进行几何校正。需要对遥感影像进行大气校正、条带修复、波段融合、影像增强、影像剪切等处理，以便满足使用需求。

2.1.2 综合指数法

本文使用的2000，2005和2010年的遥感影像均属于Landsat TM或ETM影像，通过查阅文献可知可以使用相同的方法提取石漠化信息，具体如下: 1)通过水文地质图把晴隆县的喀斯特区和非喀斯特区划分出来，利用DEM数据提取晴隆县的坡度图。2)提取喀斯特区的城乡、工矿、居民用地和水域作为无明显石漠化区，方便后文裸岩率的计算。3)利用ENVI5.1软件，通过波段运算提取晴隆县的归一化植被指数NDVI和裸土指数BI，分别用来计算植被覆盖度和土壤裸露率，再利用ArcGIS 10.2软件通过图层算术运算得到裸岩率［12］。4)以晴隆县喀斯特区作为底图对植被覆盖度图、裸岩率图、坡度图进行掩膜，得到喀斯特区的植被覆盖度图、裸岩率图、坡度图。5)根据石漠化分级标准［13］，利用喀斯特区重分类植被覆盖度图、重分类裸岩率图、重分类坡度图，将这3个分级因子图层叠加进行重分类，得到晴隆县2000，2005，2010年的石漠化分级分布图。2015年的遥感影像为 Landsat8 OLITRIS影像，与Landsat TM，ETM影像提取石漠化信息的方法不完全一样，不需要再计算土壤裸露率，则直接通过波段运算提取归一化植被指数NDVI和裸岩率NDRI，其他提取石漠化信息的方法与Landsat TM，ETM影像一样［14］，最终得到2015年石漠化分级分布图。

2.1.3 石漠化时空动态模型

1)为了定量分析晴隆县石漠化的变化数量和速度，本文引用土地利用动态度模型包括单一土地利用类型动态度和综合土地利用动态度［15］，来研究单一等级石漠化动态度和综合石漠化动态度。石漠化动态度可定量描述不同等级石漠化、综合石漠化数量变化和演变速度。单一等级石漠化动态度和综合石漠化动态度计算公式如下:

公式(1)中:K为单一等级石漠化动态度，Ua，Ub分别为研究期初和期末某一种等级石漠化的面积，T为研究时间，当T的时间设定为年时，K为研究时间内某一种等级石漠化的年变化率。

公式(2)中:K为综合石漠化动态度，Uai，Ubi分别为研究区域内第i类石漠化类型在研究期初和期末的面积，S为研究区总面积，T为研究时间，n为石漠化类型的个数。

2)石漠化空间动态变化分析可以直观地反映各区域石漠化的演变，将两个不同时期的石漠化分级分布图进行空间分析，可以找出石漠化等级发生改变和未发生改变的区域，从而确定石漠化等级降低、增强、未变化的区域和数量。

2.2 数据来源

本项研究所用数据包括遥感影像数据和非遥感数据。根据使影像上尽可能丰富地反映地表信息的原则，遥感影像尽量选择的秋冬季影像;如果遇到不可抗拒的原因，可适当选择提前或滞后1～2个覆盖周期的影像［16］。本研究所用遥感影像分别是2000年11月的Landsat4－5 TM影像、2005年5月和2010年10月的Landsat7 ETM SLC-off影像、2015年4月的Landsat8 OLI-TRIS遥感影像和1个DEM数据［17］(数据均在地理空间数据云官方网站http://www.gscloud.cn/下载)。非遥感数据包括研究区1∶20万水文地质图、行政区划边界图、晴隆县统计年鉴、晴隆县国民经济和社会发展统计公报、晴隆县土地利用现状变更数据、文献资料等。

3 晴隆县石漠化时空变化特征分析

3.1 石漠化时间变化特征

石漠化时间变化特征主要表现在石漠化总面积(轻度及以上石漠化)和不同等级石漠化面积变化(表1)。2000年石漠化总面积为431.95km2，到2015年下降到406.08km2，15年间整个晴隆县石漠化总面积减少了25.87km2。归纳其变化，2000—2015年石漠化总面积变化可分为2个阶段。

第一阶段(2000—2005年):石漠化总面积急剧增加，5年间增加了26.29km2。这一时期晴隆县还处于治理石漠化的探索阶段，经验不足，技术不成熟，所以治理石漠化取得的成效微乎其微，而石漠化又在不断地发生自然演变，所以石漠化增加面积较大。

第二阶段(2005—2015年):石漠化总面积大幅度减少，10年间从2005年的458.24km2减少到2015年的406.08km2，主要原因是晴隆县在政府的支持和帮助下，“晴隆模式”已发展比较成熟，走出了一条喀斯特山区扶贫开发与生态建设相结合的路子，治理石漠化积累了丰富的经验，技术也越来越成熟，取得了显著的成效。

从表1可以看出2000—2015年，极强度石漠化、强度石漠化和中度石漠化面积均呈下降趋势，分别减少了3.89，21.38，12.19km2;无明显石漠化、潜在石漠化、轻度石漠化均呈增加趋势，分别增加了19.25，6.62，11.59km2。无明显石漠化、潜在石漠化和轻度石漠化是石漠化的主要类型，3种类型石漠化面积之和分别占相应年份土地总面积的38.96%，36.60%，40.44%和41.78%，总体呈增加趋势。其他3种类型石漠化面积比例之和占16%～22%，其中中度石漠化面积比例先增加后减少，总体变化不大，保持在7%～10%左右;强度石漠化面积比例先增加后减少，总体在7%～9%左右;极强度石漠化面积比例总体呈减少趋势，保持在2%左右。石漠化总面积和不同类型石漠化面积变化从侧面表明了:自2000年以来晴隆县为治理喀斯特地区石漠化逐步探索出的陡坡退耕还林还草，发展畜牧业以利于保持水土防治石漠化，实现生态效益、经济效益和社会效益同步发展的“晴隆模式”，取得的成效显著，石漠化总面积减少明显，等级强度较大的极强度、强度和中度石漠化面积均在减少，无石漠化面积增加较多。虽然全县治理石漠化取得的成效显著，但等级程度较轻的潜在石漠化和轻度石漠化面积仍呈上升趋势，仍需加大石漠化治理力度。

表1 晴隆县2000—2015年各类型石漠化面积及比例Tab.1 Each type of rocky desertification area and percentage in Qinglong County during 2000—2015

3.2 石漠化动态度分析

利用单一等级石漠化动态度公式和综合石漠化动态度公式计算，得到4个时段6种等级石漠化的年变化率(表2)和综合石漠化年变化率(表3)。

从表2可见，2000—2005年，2005—2010年，这两个时段各类型石漠化动态度变化差距大，出现了两极分化状态。2010—2015年，各类型石漠化动态度变化较为均匀，其中动态度最大的石漠化类型为强度石漠化，其他类型的石漠化动态度变化不大。2000—2015年各类型石漠化除强度石漠化变化较为强烈外，其余类型石漠化动态变化较为均匀。可见，随着“晴隆模式”的推广，石漠化程度在逐渐减轻，石漠化面积在不断减少。

无明显石漠化在2005年以前的动态度呈负变化，其面积大量减少主要是石漠化自然演变导致的，转变成了更高等级的石漠化，2005年以后动态度一直保持正变化，因为晴隆县治理石漠化渐显成效。潜在石漠化动态度在第1个时段呈正变化，第2个时段变成了负变化，第3个时段又呈正变化，动态度变化无明显规律可循。轻度石漠化动态度在2005年之前呈负变化，2005年以后呈正变化，轻度石漠化危害较轻，不是石漠化治理的重点对象，导致轻度石漠化年变化率呈正增长状态。中度石漠化、强度石漠化和极强度石漠化动态度在2005年以前处于正变化，2005年以后动态度处于负变化，晴隆县人民为治理石漠化充分发挥主观能动性，实施了封山育林、植树造林种草、修建农田水窖、坡改梯等工程措施，并且种草养羊发展畜牧业，改变传统的土地利用方式，都对石漠化治理起到了很好的效果，石漠化程度较严重的中度石漠化、强度石漠化和极强度石漠化面积不断减少。总体来说，从单一等级石漠化动态度变化来看，无明显石漠化、中度石漠化和强度石漠化动态度变化比其他类型石漠化明显。

表2 晴隆县2000—2015年不同类型石漠化动态度Tab.2 Dynamic degree of different rocky desertification types in Qinglong County during 2000—2015

表3 晴隆县2000—2015年综合石漠化动态度Tab.3 Comprehensive rocky desertification dynamic degree in Qinglong County during 2000—2015

另外通过计算(表3)，2000—2005年，2005—2010年，2010—2015年，2000—2015年4个时段的综合石漠化动态度分别为1.27%，1.75%，0.54%，0.38%，总体呈减小趋势。其中2005—2010年这一时期各类型石漠化间的交换量最大，动态变化最强烈。也可以看出，研究区2010年以前综合石漠化动态度明显高于后期。

3.3 石漠化空间变化特征分析

3.3.1 石漠化空间分布格局

不同类型石漠化的空间分布见图1，从2000—2015年的石漠化分布图可以看出，喀斯特区石漠化发生变化的区域很大，呈集中连片分布。晴隆县喀斯特地貌发育强烈，石漠化分布面积大，等级齐全，从无石漠化到极强度石漠化均有分布，类型多样，既有岩溶峡谷与高原石漠化典型区，也有石灰岩与白云岩石漠化典型区［18］。

石漠化分布范围广，但空间分布很不均匀，整体的格局是北部强度、极强度石漠化呈条块状分布等级较强，中、南部石漠化集中连片分布等级较弱。在北部地区，喀斯特区与非喀斯特区相间分布，石漠化程度比中、南部地区稍重，而在中、南部石漠化等级以轻、中度为主，部分地区也有强度、极强度石漠化出现。在喀斯特地貌基础上，在自然和人类活动因素的影响下，全县强度、极强度石漠化主要分布在长流乡、中营镇、花贡镇、大田乡、马场乡、莲城镇、光照镇7个乡镇。

图1 2000—2015年石漠化分级分布图Fig.1 Rocky desertification classified map during 2000—2015

3.3.2 石漠化空间动态变化分析

图2 2000—2015年石漠化空间动态变化图Fig.2 Rocky desertification spatial dynamic change map during 2000—2015

从石漠化空间动态变化图可以明显看出石漠化等级增强、降低以及未发生改变的区域(图2)。从表4可见石漠化空间动态变化面积，2000—2005年石漠化空间动态变化最明显的特征是石漠化等级增强的区域多达239.23km2，远远大于石漠化等级降低的区域，说明石漠化恶化趋势明显。2005—2010年、2010—2015年以及2000—2015年石漠化等级降低的面积均大于石漠化等级增强的面积，石漠化等级未变化面积呈逐渐减少趋势。石漠化的空间演变也存在一定的规律，石漠化等级增强的区域主要发生在花贡镇和大田乡，而石漠化等级程度降低的区域相对较多，主要分布在长流乡、中营镇、马场乡。石漠化等级增强的地区主要都是农业人口分布集中，坡耕地面积大，植被覆盖度低的区域，土壤受到外力侵蚀作用加强，导致石漠化程度加剧。石漠化等级降低的区域主要分布在北部和中部，与南部相比经济较发达，石漠化治理力度大，生态修复工程优先安排。

表4 2000—2015年石漠化空间动态变化面积Tab.4 Rocky desertification spatial dynamic change area during 2000—2015 km2

4 驱动因子分析

4.1 变量选取

15年来，石漠化不断发生着变化，石漠化与自然环境和人类活动因素有着密不可分的联系，但在较长的时间序列上，难以将自然环境因素加以量化，加之本区域研究时期内人类活动因素对石漠化面积变化起主导作用。将石漠化面积作为因变量，驱动因子作为自变量进行驱动力分析。本文综合考虑人口、森林覆盖率、社会经济发展水平、土地利用类型等因素的影响，选取的驱动因子有:人口X1(万人);森林覆盖率X2(%);GDP X3(亿元);农民人均纯收入X4(元);耕地面积X5(km2);林地面积X6(km2);草地面积X7(km2)。主成分分析结果见表5。

表5 总方差解释Tab.5 Total variance explanation

由表5可知，7个主成分中F1和F2的特征根均大于1且累计贡献率为90.622%，故选取主成分F1，F2。运用SPSS 17.0软件运算得到主成分F1，F2的得分系数矩阵，见表6。

因子的载荷绝对值越高，则说明在该主成分中重要性越大［19］。根据表6，第一主成分包括人口、森林覆盖率、农民人均纯收入、耕地面积、林地面积，其中森林覆盖率、林地面积与石漠化面积变化呈负相关关系;第二主成分包括GDP、草地面积。

表6 主成分得分系数矩阵Tab.6 Principal component score coefficient matrix

求出各因子的权重并进行归一化处理，得到表7。

从表7可知，对石漠化面积变化的影响程度为:人口＞森林覆盖率=林地面积＞耕地面积＞农民人均纯收入＞草地面积＞GDP。影响石漠化面积变化的驱动力因子主要为:人口、森林覆盖率、林地面积、耕地面积、农民人均纯收入。从上述结果可以看出，虽然草地对涵养水源、保持水土，防治石漠化起到积极的作用，但对石漠化面积变化的驱动力较小;选取的诸因子中GDP对石漠化面积变化的驱动力最小。

表7 石漠化面积变化权重Tab.7 Rocky desertification area change weight

5 结论与讨论

本文利用遥感影像提取了晴隆县2000—2015年4期的石漠化分级分布图，分析了晴隆县的石漠化时空变化特征及驱动因子，主要结论如下:

1)在2000—2015年石漠化总面积、中度石漠化、强度石漠化和极强度石漠化面积均呈减少趋势，无明显石漠化、潜在石漠化和轻度石漠化均呈增加趋势。无明显石漠化、潜在石漠化和轻度石漠化是石漠化的主要类型，其他3种类型石漠化面积比例之和占16%～22%。

2)从综合石漠化动态度来看，总体石漠化变化程度在时间上呈现前期快后期慢的趋势，整个研究期内单一等级石漠化动态度变化，无明显石漠化、中度石漠化和强度石漠化变化最大。

3)研究区石漠化空间分布格局特征明显，石漠化分布范围广，等级齐全，北部强度、极强度石漠化呈条块状分布等级较强，中、南部石漠化集中连片分布等级较弱。石漠化等级增强的区域主要发生在花贡镇和大田乡，而石漠化等级程度降低的区域相对较多，主要分布在长流乡、中营镇、马场乡。全县强度、极强度石漠化主要分布在长流乡、中营镇、花贡镇、大田乡、马场乡、莲城镇、光照镇7个乡镇。

4)采用主成分分析法，对石漠化面积变化进行驱动因子分析可知，人口、森林覆盖率、林地面积、耕地面积、农民人均纯收入对石漠化面积变化具有非常显著的影响;草地面积、GDP对石漠化面积变化影响较小。人口、森林覆盖率、社会经济发展水平、土地利用类型是研究期内石漠化面积变化的重要驱动因素。

5)晴隆县人民在通过种草养畜大力发展畜牧业来促进经济增长，实现扶贫开发和石漠化治理的同时，应该推进“晴隆模式”转型升级，坚持在继承中发展，在发展中创新，按照“工业强县、生态重县、旅游名县”发展战略，打造“宜业、宜居、宜商、宜游新晴隆”，带动晴隆县经济持续发展［20］。

本研究基本明确了晴隆县2000—2015年喀斯特石漠化的时空变化特征，为及时掌握现势性石漠化动态分布信息提供了有效依据。同时，从人口、森林覆盖率、社会经济发展水平、土地利用类型4个方面探讨了石漠化面积变化的驱动因子，为该区生态环境保护和土地资源可持续利用提供了一定的参考依据。

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Analysis on Karst Rocky Desertification Temporal and Spatial Variation Characteristics and Driving Factors—A Case Study of Qinglong county of Guizhou Province

SHI Yingchun1，SHU Yingge2
(1.College of Resources and Environmental Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China;2.College of Agriculture，Guizhou University，Guiyang，Guizhou 550025，China)

Based on remote sensing image of Qinglong County in 2000，2005，2010 and 2015 as the research data，comprehensive index method was used to obtain six grades of rocky desertification，such as no obvious rocky desertification，potential rocky desertification，slight rocky desertification，moderate rocky desertification，intense rocky desertification and extreme intense rocky desertification and the map of rocky desertification classification was extracted.Spatial-temporal dynamic model of rocky desertification wasused variation characteristics of rocky desertification in time and space in the past 15 years in the study area analyzed，the principal component analysis method employed and the weight of each driving factor of rocky desertification determined.The result shows that from 2000 to 2015，in time，the extreme intense rocky desertification，intense rocky desertification and moderate rocky desertification area are sharply decreased;no obvious rocky desertification，potential rocky desertification and slight rocky desertification appeared as an increasing trend.No obvious rocky desertification，moderate rocky desertification and intense rocky desertification，rocky desertification dynamic degree change are more evident;comprehensive rocky desertification dynamic degree change is smaller，which showed a decreasing trend.In space，rocky desertification grade increasing region mainly occurred in the Huagong Town and Datian Village，and rocky desertification grade decreasing area is relatively bigger，mainly distributed in Changliu Village，Zhongying Township，Machang Village.From 2000 to 2015，continuous rocky desertification changing is the result of joint action of the natural environment and human activity，of which land type area change and population are most significant to the impact of rocky desertification change．Driving factors of rocky desertification area change mainly include population，forest coverage rate，forestland area，cultivated land area，per capita net income of farmers，grassland area and GDP.It is expected that the research results could provide some reference for rocky desertification region’s ecological management work and land sustainable use.

rocky desertification，comprehensive index method，temporal and spatial variation，driving factors，principal component analysis methed，Qinglong county

S718.5;S771.8

A

1002－6622(2017)01－0135－09

10．13466/j．cnki．lyzygl．2017．01．022

2016－12－28;

2017－01－13

国家自然科学基金项目“喀斯特山区林草间作生态恢复过程中土壤质量演变规律及其评价——以贵州‘晴隆模式’为例”(31460133)

史迎春(1990－)，女，河南商丘人，在读硕士，研究方向:土地资源利用与保护。Email:1508319804@qq.com

舒英格(1973－)，男，贵州镇宁人，副教授，硕导，主要从事农业资源与环境和土地资源利用管理研究。Email:maogen958@163.com