岩溶地区土地利用和土地覆被与石漠化的相关性——以后寨河地区为例

李阳兵,王世杰,程安云,罗光杰

(1.贵州师范大学地理与环境科学学院,550001,贵阳;2.重庆师范大学地理科学学院,400047,重庆;3.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,550002,贵阳)

岩溶地区土地利用和土地覆被与石漠化的相关性
——以后寨河地区为例

李阳兵1,2,王世杰3,程安云3,罗光杰1

(1.贵州师范大学地理与环境科学学院,550001,贵阳;2.重庆师范大学地理科学学院,400047,重庆;3.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,550002,贵阳)

根据西南喀斯特地区的土地利用和土地覆被特点,探讨喀斯特土地石漠化的本质特征。以贵州省普定县后寨河地区为案例,根据研究区不同季节的影像特征,在概念上阐明土地覆被与土地利用和石漠化之间的关系,并提出在判断喀斯特石漠化时要考虑地表的土地利用和土地覆被特征;指出研究区的石漠化土地为全年植被盖度低于10%的植被贫瘠区灰色覆被,从生态演替的角度把单峰型季节性绿色覆被即草坡划归为潜在石漠化土地。基于土地利用/土地覆被的石漠化分类评价方法,能够使所划分的石漠化土地具有明确的含义,无疑会更为准确并具有更强的实用性,对石漠化土地的治理更具有针对性。

土地利用;土地覆被;土地石漠化;后寨河地区

土地石漠化是指在我国南方湿润地区、碳酸盐岩发育的喀斯特脆弱生态环境下,由于人为干扰造成植被持续退化乃至丧失导致的水土资源流失,土地生产力下降,基岩大面积裸露于地表而呈现类似荒漠景观的土地退化过程[1]。目前,在喀斯特石漠化评价指标选择和石漠化强度与等级的划分等方面尚缺乏深入研究,如在目前的实际工作中,将岩石裸露所占面积超过 70%的地带划分为石漠化地区[2],裸露的碳酸盐岩面积小于 50%的地区划分为无明显石漠化区[3],或将岩石裸露面积大于土地总面积70%的土地划分为严重石漠化土地,岩石裸露面积占土地总面积的50%～70%的土地划分为中度石漠化土地,岩石裸露面积占土地总面积的 30%～50%的土地划分为轻度石漠化土地[4],或认为基岩裸露率 60%～70%为轻度石漠化[5],或认为轻度石漠化基岩裸露率为 31%～50%,轻度等级以上的石漠化称为石漠化土地,其占贵州全省土地面积的23.3%[6],或以岩性、小生境种数、小生境组合、裸露石面面积、石砾含量和土壤总量,将喀斯特石漠化分为显性石漠化和隐性石漠化[7]。以上石漠化评价指标体系存在的问题是:在概念上对石漠化和石漠化土地的本质认识不清,对二者进行任意转换;尽管已认识到石漠化以强烈的人类活动为驱动力,但石漠化分类评价中并没有考虑到土地利用这一主要影响因子[8],没有考虑石漠化土地的土地覆被类型。因此,现行的石漠化程度分级标准,难以满足石漠化成因分析、石漠化治理规划编制和治理措施选择的需要[9]。国外发达国家和地区正致力于生态环境的优化,而且已综合土地利用与土地覆被变化而进行土地持续利用模型研究[10]。笔者引入土地利用与土地覆被科学的新观念,进行西南岩溶山地土地石漠化的理论研究,在概念上理清土地覆被与石漠化之间的关系,并根据研究区不同季节的影像特征,探讨基于土地利用与土地覆被的石漠化分类评价方法,以期为喀斯特石漠化理论的进一步研究,如石漠化土地分类治理和植被恢复与生态重建工作等提供参考。

1 土地利用、土地覆被与喀斯特石漠化

1.1 土地利用与土地覆被的新诠释

土地覆被是一个与全球环境变化研究直接相关的新概念,国际地圈生物圈计划(IGBP)和国际全球环境变化人文因素计划(IHDP)将土地覆被定义为“地球陆地表层和近地面层的自然状态,是自然过程和人类活动共同作用的结果”。美国全球环境变化委员会(USS-GCR)将其定义为“覆盖着地球表面的植被及其他特质”。土地利用是人类应用这些属性的目的和打算,实质就是地表人工化工程,它对周围环境的影响是深远的[11],其方式一经确定必将产生各种干扰作用。当前,土地利用与土地覆被科学取得了很大的进展,认为“土地覆被”强调地表的物理特性,“土地利用”强调土地的社会经济属性,“植被”强调植物的种类和群落,区分三者的目的是增强土地调查的科学性和调查资料的可比性[12]。土地利用是土地覆被动态变化的外在驱动力,植被是其主要的、也是最重要的组成成分,土地覆被与土地利用和植被的一个根本区别在于它具有更强的时相性[13]。

1.2 喀斯特地区的土地利用特点

喀斯特山地环境脆弱,地形起伏变化大,地表破碎,中小尺度土地利用格局变化较大,形成以裸露的岩溶荒山为基质、耕地斑块和林地斑块分布其中的景观模式。主要表现为在不宜耕作的坡度和海拔地形进行农牧生产,不仅农业产量低,而且会因此引发植被退化、水土流失、石漠化等严重的生态环境问题。在不同土地利用类型的更替过程中,除成熟天然林外,其余的土地利用类型都可能存在不同程度的岩石裸露现象,贵州省石漠化野外调查中也证明了这一点[14-15]。不同的土地利用方式和不同土地利用类型对喀斯特生态系统的干扰效应和干扰过程是不一样的,导致的土地退化过程、退化程度、退化群落特征也各不相同,最终表现在恢复方式和恢复难度上也存在差异。

1.3 喀斯特地区的土地覆被

土地覆被类型反映土地覆被变化的年平均状况。喀斯特地区多耕地、灌丛草坡,受气候条件的影响较大,净第一性生产力整体波动性比非喀斯特地区的大[16]。喀斯特地区的土地覆被具有季节性变化大和不同土地利用的土地覆被特点趋同 2个特点,依据土地覆被状况的季节性变化特征曲线,可以将喀斯特地区土地覆被类型划分为:1)单峰型季节性绿色覆被(一年一作的农田);2)单峰型季节性绿色覆被(草坡);3)常绿覆被(常绿阔叶林最典型);4)单峰型季节性绿色覆被(落叶阔叶林、落叶针叶林、落叶灌木林);5)季节性绿色覆被(高度混合的地表覆被,如作物、草灌混合覆被等);6)灰色覆被(植被贫瘠区,如裸岩、建设用地);7)蓝色覆被(水体)。

1.4 土地利用和土地覆被与喀斯特石漠化

不同研究者都认为喀斯特石漠化以土地生产力退化为本质,以出现基岩大面积裸露的类似荒漠景观为标志[1,17],但具体评价指标尚有分歧。而不管怎样评价石漠化,都不能回避人类驱动力—土地利用—土地覆被—石漠化这一过程,喀斯特石漠化的成因与土地利用有关,喀斯特石漠化的现状又是一种土地覆被状态,即不恰当土地利用形成的一种类似荒漠的地表灰色土地覆被状态,也就是说,在夏季植被生长最好的时候还是基岩连片裸露的植被贫瘠区,其植被盖度没有表现出随时间的变化规律。而对于单峰型季节性绿色草坡覆被等,其夏季是绿山,冬季是荒山,应属于自然界正常的季节变换,不属于石漠化的范畴。

根据上述分析,在判断是否为喀斯特石漠化时,要考虑地表的土地利用和土地覆被特征。而目前的石漠化现状调查和石漠化分类评价研究中,往往只根据单一时相地表覆被现状进行石漠化程度分级,既没有考虑到这一状态是处于何种土地利用方式,也没有进一步分析该覆被类型的季节性变化,因此,得出的结论往往是不准确的,不利于石漠化土地的治理和生态恢复。

2 案例研究

2.1 研究区概况

研究区后寨河地区位于黔中高原安顺市普定县境内,处于长江流域和珠江流域的分水岭地区,总面积 74.15 km2,包括马官镇、余官乡以及 2个乡镇内的打油寨、陈旗堡、赵家田、下坝、白旗堡等居民点。区内地势东南高,西北低。海拔一般为 1 100～1 400m,最高 1 568m,最低 1 257m。相对高差平均在 250～300 m,最大达 311 m。后寨河地区三叠系碳酸盐岩广泛分布,岩溶地貌分布较广,其中西部为峰林 -盆地,中部为峰林 -洼地,东南部为峰林 -谷地,东北部为丘陵 -洼地。后寨河是区内唯一的地表河流,河流明暗交替,为季节性河流;后寨河地下河水系相当发育,径流常年不断,为本区重要的供水水源。

2.2 研究区土地利用

根据研究区的土地利用特点和 1∶1万地形图、2004年 10月 2.5m分辨率 SPOT影像(图 1),结合野外调查,把研究区的土地利用分为水田、平坝旱耕地(＜7°)、缓坡旱耕地(7°～ 15°)、陡坡旱耕地(15°～ 25°)、有林地、稀疏林地、灌木丛 、高被草地、低被草地、乡村居民点、工矿用地、乡村道路、水体和裸岩地 14种类型(图 2),所占比例分别为 26.71%、2.39%、20.64%、7.01%、8.42%、3.42%、13.22%、2.78%、4.25%、3.19%、0.50%、1.39%、1.62%、4.23%。为满足石漠化评价的需要,将稀疏林地和稀疏草地从郁闭灌丛和高覆盖度草地中区分出来。

2.3 研究区土地覆盖

根据研究区的土地利用特点,结合 2004年 12月 15m分辨率的 ASTER影像(图 3(a))、2005年 9月的 19.5m分辨率中巴影像(图 3(b))和 2007年 5月 10m分辨率的 SPOT影像(图 3(c))所表现的地表覆盖季节变化特征,研究区的土地覆被可划为农田覆被、季节性绿色覆被(草坡)、常绿林地覆被、季节性木本覆被、植被贫瘠区灰色覆被(全年植被盖度低于 10%)、建设用地灰色覆被和水体覆被,其面积百分比分别为 49.84%、14.12%、8.42%、16.64%、4.23%、5.12%、1.62%。农田覆被分布于平坝,常绿林地覆被分布于丘陵顶部,草坡一般分布于坡麓和陡峭的山脊,而植被贫瘠区一般分布于缓丘,被农田或草坡所包围(图 4)。

2.4 基于土地利用/土地覆被的研究区石漠化评价

根据前面的讨论,研究区的植被贫瘠区被划分为石漠化土地,石漠化面积占研究区总面积的4.23%,而草坡从生态系统演替的角度看,相对于本地的地带性植被发生了退化,如进一步干扰破坏,可退化成植被贫瘠区;因此,笔者把草坡划归为潜在石漠化,其他土地覆被类型划归为无石漠化(图 5)。

2.5 讨论

2.5.1 与当前石漠化分类的比较 在岩溶山地,从影像上能够直接判读的有水田、林地、灌木林地、疏林地、居民点、水域、旱地、荒山荒地、草坡等类型,但是,由于岩溶山地地貌、岩性复杂,土地利用结构复杂,使一些影像像元不完全是某一单一地类的反映,造成坡耕地与荒山、疏林、草地混淆而出现判读错误。例如:石旮旯土的土层浅薄、土被不连续、岩石出露率高,土壤深藏于石缝间,当未种植农作物时,从山坡下往上看呈现严重石漠化景观,但事实上仍是群众长年的耕种地。有作物生长时,作物的覆盖度可达 1/2左右,而较明显地属于耕地,同时,石旮旯土的复种率很低,一般一年只种一次旱生作物,作物生长的时间只是 4个月左右;有稀疏草坡的裸岩地在土地利用上可归为低覆盖草地;疏林地,特别是在冬季,当树叶全落光后,其在影像上与裸岩非常相似。

图 1 研究区 2004年 10月 2.5m分辨率 SPOT影像图Fig.1 SPOT image(resolution at 2.5m)of study area in October,2004

图 2 研究区土地利用图Fig.2 Land usemap of study area

图 3 研究区不同季节影像图Fig.3 Images of different seasons in study area

图 4 研究区的土地覆被Fig.4 Land covermap of study area

图 5 研究区石漠化分布图Fig.5 Rocky desertification map of study area

由于这些特点,单一时相的影像不能准确解译石漠化,因此,笔者根据石漠化的定义,提出根据岩溶山地土地利用和土地覆被类型的季节性变化特点,把全年植被盖度低于 10%的植被贫瘠区划分为石漠化,退化的草坡生态系统定义为潜在石漠化。进一步,可以根据植被贫瘠区土地利用方式的差别对石漠化土地进行类型划分而不再进行石漠化程度的分级。这种石漠化分类方法,能够与土地利用方式和地表覆盖类型对应起来,使所划分的石漠化土地具有明确的含义。实际上,在 2001年,王瑞江等[2]在研究贵州六盘水市石漠化时就提出将裸露岩石所占面积达 70%以上的地带划分为石漠化地区,而没有进行轻度、中度和强度石漠化的划分,与笔者的思路是一致的。

图6 研究区石漠化分布图Fig.6 Rocky desertificationmap of study area

贵州省发改委利用 2004年 12月的 ASTER影像解译得出的石漠化分布图[18](图 6),是根据单一时相影像解译的结果,其结果为研究区无石漠化、潜在石漠化、轻度石漠化、中度石漠化和强度石漠化面积分别占研究区总面积的 51.84%、12.71%、15.48%、16.37%、3.60%,但这种分类划分出的轻

度、中度和强度石漠化土地对应的可能是相应的坡耕地、灌丛地、疏林地和草坡等,轻、中和强度石漠化土地的含义不明确;因此,笔者提出的根据土地利用和土地覆被的季节性变化特点进行石漠化土地的判断和分类,无疑会更为准确和具有更强的实用性,对石漠化土地的治理更具有针对性。

2.5.2 建议 受条件所限,没有采用 8月份(植被生长的最高峰)的高分辨率影像,但笔者的方法无疑为石漠化研究提供了新思路。为了进行大面积的石漠化分析,可采用粗分辨率的土地覆盖图来监测大尺度的发生石漠化的热点区域,然后对这些热点区域再用高分辨率的卫星数据进行仔细分析。

3 结论

1)提出了基于土地利用与土地覆被的季节性变化特点进行石漠化土地评价的方法,认为喀斯特石漠化是不合理的土地利用方式形成的喀斯特地区特有的一种地表覆被类型。

2)证明了根据土地利用和土地覆被的季节性变化特点进行石漠化土地的判断和分类的方法是可行的。与当前普遍采用的根据单一时相影像解译,把石漠化土地划分为轻度、中度和强度等的做法相比,该方法使划分的石漠化土地更具有明确的含义,更有科学性和实用性。

[1]Yuan D X.Rock desertification in the subtropical karstof south China.ZGeomorph N F,1997,108:81-90

[2]王瑞江,姚长宏,蒋忠诚.贵州六盘水石漠化的特点、成因与防治.中国岩溶,2001,20(3):211-215

[3]吕涛.3S技术在贵州喀斯特山区土地石漠化现状调查中的应用.中国水土保持,2002(6):26-27

[4]王宇,张贵.滇东岩溶石山地区石漠化特征及成因.地球科学进展,2003,18(6):933-938

[5]Huang QH,Cai Y L.Spatial pattern of Karst rock desertification in the Middle of Guizhou Province,Southwestern China.Environ Geol,2007,52:1325-1330

[6]陈起伟,熊康宁,蓝安军.基于“3S”的贵州喀斯特石漠化现状及变化趋势分析.中国岩溶,2007,26(1):39-44

[7]王德炉,朱守谦,黄宝龙.贵州喀斯特石漠化类型及程度评价.生态学报,2005,25(5):1057-1063

[8]王世杰,李阳兵.生态建设中的喀斯特石漠化分级问题.中国岩溶,2005,24(3):192-195

[9]张信宝,王世杰,贺秀斌.西南岩溶山地坡地石漠化分类刍议.地球与环境,2007,35(2):188-192

[10]Veldkamp A,Freso L O.CLUE-CR:An integrated multi-scalemodel to simulate land use change scenario in Casta Rica.EcologicalModeling,1996,91:231-248

[11]Vitousek PM,Mooney H A,Lubchenco J,etal.Human domination of earth's ecosystems.Science,1997,277:494-499

[12]Wyat BK,Greatorex-Davies JN,HillM O,eta1.Comparison of Land Cover Definitions.Countryside Survey Series Volume 3.London:Department of the Environment,1994:131

[13]汪权方,李家永,陈百明.基于地表覆盖物光谱特征的土地覆被分类系统:以鄱阳湖流域为例.地理学报,2006,61(4):359-368

[14]李阳兵,白晓永,邱兴春,等.喀斯特石漠化与土地利用相关性研究.资源科学,2006,28(2):67-73

[15]李阳兵,邵景安,周国富,等.喀斯特山区石漠化成因的差异性定量研究.地理科学,2007,27(6):785-790

[16]王冰,杨胜天,王玉娟.贵州省喀斯特地区植被净第一性生产力的估算.中国岩溶,2007,26(2):98-104

[17]屠玉麟.贵州喀斯特地区生态环境问题及其对策.贵州环保科技,2000,6(1):1-6

[18]熊康宁.贵州喀斯特石漠化综合防治图集.贵阳:贵州人民出版社

Relationship between land use/land cover and rocky desertification in karst areas:Houzhai catchments in Puding County,Guizhou Province an example

Li Yangbing1,2,Wang Shijie3,Cheng Anyun3,Luo Guangjie1

(1.College of Geography and Environmental Science,Guizhou Normal University,550001,Guiyang;2.College of Geography Science,Chongqing Normal University,400047,Chongqing;3.State Key Laboratory of Environmental Geochemistry,Institute of Geochem istry,CAS,550002,Guiyang:China)

The paper aim atelucidating theessential characteristics of rocky desertification land based on the characteristics of land use/land cover and rocky desertification in southwestern karst areas in China.Houzhai catchments in Puding County,Guizhou Province was chosen as a case study to clarify the relationship between land use/land cover and rocky desertification according to the remote image of different seasons.So,this paper suggests that the characteristics of land use or land cover should be taken into consideration when discriminating rocky desertification,and reveals that rocky desertification land is thosewhose annual vegetation coverage lower than 10%,characterized by poorly grey coverage;while potential ones are those grass slope lands,characterized by seasonal single peak type green coverage from ecological succession viewpoint.Thismethod which relate land use/land cover to classify and evaluate rocky desertification land,can make each kind of rocky desertification land has a definite meaning,therefore are more accurate and practical,hence more pertinent in the rehabilitation of those desert lands.

land use;land cover;land rocky desertification;Houzhaicatachments

2009-03-18

2009-11-01

项目名称:国家重点基础研究发展计划项目“西南喀斯特石漠化的时空格局变化和驱动力”(2006CB403201);中国科学院知识创新工程“岩溶山地土壤与植被关联退化过程”(kzcx2-yw-306);贵州省自然科学基金“石漠化地区裸岩土壤斑块与景观格局关系模拟研究”(黔科合 J字(2005)2077号)

李阳兵(1968—),男,博士后,教授。主要研究方向:土地资源与生态环境治理。E-mail:li-yapin@sohu.com.

(责任编辑:宋如华)