毕节试验区石漠化时空演变过程和演变特征

2014-09-19左太安刁承泰苏维词孙秀锋官冬杰

生态学报 2014年23期

左太安，刁承泰，苏维词，孙秀锋，官冬杰

(1. 西南大学地理科学学院，重庆 400715；2. 贵州工程应用技术学院生态工程学院，毕节 551700；3. 贵州省山地资源研究所，贵阳 550001；4. 重庆交通大学河海学院，重庆 400074)

西南石漠化与西北沙漠化、黄土高原水土流失并列为我国三大生态灾害，是西部大开发实施生态建设所面临的十分突出的地域环境问题[1- 2]。石漠化问题的研究始于20世纪80年代，研究成果涵盖石漠化概念[3- 5]、立地条件[6- 7]、成因[8]、危害防治[9]、空间分布及演变[10]等多个方面，为石漠化防治提供了强有力的理论支持和实践经验[11]。石漠化演变过程作为石漠化问题研究的主要内容之一，不仅反映了区域的生态环境变迁，同时其变化结果还会影响该区域的社会经济发展[12- 13]。相关学者已从石漠化变化面积、变化速率、变化趋势等方面探讨了不同石漠化类型[14]、不同空间格局[15- 16]、不同土地利用类型[17- 18]上的演变特征，政府部门也完成了两次大规模的石漠化动态监测工作[19]。但是，石漠化时空演变的实质是人类活动打破生态平衡后，导致非石漠化与石漠化之间及不同石漠化强度等级之间相互转化的过程，单纯采用变化面积、变化速率等指标也仅反映了演变过程的外部整体特征，不同石漠化强度相互转化的内部演变过程的定量研究至今还处于初级阶段。本研究以毕节试验区为例，对2000、2005及2010年等3期影像进行解译和空间分析，在探讨石漠化时空演变外部总体特征的基础上，选取演变方式、演变方向和演变速率等指标，着重分析不同石漠化强度之间的内部转移特征，演绎10年间毕节试验区石漠化演变过程，并对其演变机理初步探讨。

1 研究区概况及数据来源

毕节试验区是“毕节扶贫开发、生态建设试验区”的简称，地处贵州省西北部，东经103°36′—106°44′，北纬26°21′—27°47′之间，辖七星关、大方、黔西、金沙、织金、纳雍、威宁、赫章等1区7县，幅员面积2.69万km2。毕节试验区是全国唯一以“扶贫开发、生态建设、人口控制”为主题的试验区，同时是国家石漠化动态监测的重点区域，试验区8个区县全部是石漠化综合治理试点县，在西南石漠化山区具有一定的典型性和代表性。

本研究所采用的遥感影像及解译辅助数据主要包括：2000年、2005年、2010年Landsat TM影像数据，来源于中国科学院对地观测与数字地球科学中心“对地观测数据共享计划网(http://ids.ceode.ac.cn/index.aspx)”，1∶5万毕节地区地形图(1977年)，1∶20万水文地质图(1978年)，1∶5万土地利用类型现状图(2008年)；社会经济数据主要包括：2000—2010年《毕节地区统计年鉴》、《毕节试验区数字20年》、《毕节试验区辉煌“十一五”》等资料，来源于毕节市统计局。

2 数据处理

2.1 石漠化强度等级划分标准

石漠化强度等级的划分标准，不同学者考虑的角度不一[20]，可归纳为以下4个方案：(1)大面积的裸岩是石漠化最醒目的景观标志，在遥感调查中也较容易识别，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等4个等级[21- 22]；(2)植被覆盖降低是石漠化的另一个基本景观特征，根据岩石裸露率、植被+土被覆盖度，将石漠化划分为无石漠化、潜在石漠化、轻度石漠化、中度石漠化和强度石漠化等5个等级[23]；(3)指出仅根据基岩裸露率与植被覆盖度进行石漠化强度分级过于简单，采用基岩裸露率、植被+土被覆盖度、土被面积比、坡度、平均土厚等多项指标，将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、强度石漠化和极强度石漠化等6个等级[24]；(4)指出仅根据石漠化景观特征进行分级，相当程度上忽略了人类活动对石漠化发生、发展的影响程度，不利于石漠化治理工程的实施[25]，采用石漠化景观+成因的两级分类模型，根据景观现状进行第一级分类，根据石漠化的成因类型或土地利用类型进行第二级分类[26]。

针对分类标准的分歧，国家林业局制定了《岩溶地区石漠化监测技术规定》(2011年修订)。首先，根据基岩裸露度、植被综合覆盖度和土地利用类型将土地分为石漠化、潜在石漠化、非石漠化等三大类型；然后，对石漠化土地的基岩裸露度、植被类型、植被综合盖度和土层厚度等指标分级打分，再计算各指标评分之和，将石漠化划分为轻度石漠化、中度石漠化、强度石漠化和极强度石漠化等4个等级。该分类标准是采用“3S”技术与地面调查相结合，以地面调查为主的技术方法，分类规范，结果准确。但该分类方法较为复杂，且工作量较大。基于数据可得性、工作量及主要研究目的等方面的考虑，本研究参照前人研究成果，并结合毕节试验区的地域特点，首先将岩石裸露率、植被+土被覆盖度作为主要的划分指标，然后，将土地利用类型作为修正指标，建立石漠化强度等级划分标准(表1)。

表1 石漠化强度等级划分标准

2.2 石漠化信息的提取

决策树作为一种基于知识的分类法逐渐运用于遥感领域，其提取信息的关键是特征变量及节点阈值的选择[27]。本研究运用基于专家知识算法的决策树分类方法(ENVI5.0自带决策树分类模块)，实现石漠化信息的提取。首先，将原始数据经过几何纠正、图像配准、影像镶嵌、辐射校正和信息增强后，作为石漠化信息提取的数据源；其次，以预处理后的数据源为基础，通过波段运算，计算3期影像的归一化植被指数NDVI和裸土指数BI，进一步生成植被覆盖度和土壤裸露率[28- 29]；然后，根据水文地质图和土地利用现状图，提取非喀斯特区和部分无石漠化区(建设用地、水体和水田)，并建立掩膜；最后，根据表1所确定的石漠化强度等级划分标准，应用envi5.0的决策树分类模块进行分类，并根据野外调查验证和解译图斑修正，得到3期毕节试验区不同石漠化强度等级分布图(图1)及2000—2010年毕节试验区不同石漠化强度分布面积及比例(表2)。为了石漠化动态演变过程运算方便，先将3期石漠化分布图统一转为30m×30m的grid文件；然后，利用ArcGIS的空间分析功能和Excel的数理统计功能，分析毕节试验区石漠化时空演变过程。

2.3 分类精度评价

结合地形图和2008年土地利用现状图，采用手持式GPS实地考察的方法，对研究区进行野外线路调查和样区调查，着重对样区不同石漠化强度的土地景观特点进行采样记录，确定样区各石漠化强度的空间分布范围。通过ENVI中的Using Ground Truth ROIs模块，以2010年石漠化分类结果为例，计算石漠化分类精度混淆矩阵(表3)。分类精度评价结果显示，石漠化强度类型的中间过渡类判对率较低，轻度石漠化的用户精度仅为71.88%，边缘类判对率较高，无石漠化及极强度石漠化的用户精度均大于95%。分类结果总精度为86.1616%，Kappa统计值为0.8316，满足精度要求。

图1 毕节试验区石漠化强度等级分布图(2000—2010年)

表2 毕节试验区不同石漠化强度等级分布面积和比例(2000—2010年)

表3 毕节试验区石漠化分类精度混淆矩阵表

3 毕节试验区石漠化时空演变过程

3.1 石漠化演变的总体特征

石漠化时空演变过程既是时间序列上的演绎，同时还是空间概念上的表达[30- 31]。从时间序列的演绎来看，2000—2010年，石漠化总面积呈现先增加后趋稳的演变态势：2000—2005年，石漠化总面积净增加324.94km2，面积百分比增加1.2%，年均增加速率为64.99km2/a；2005—2010年，石漠化面积净减少69.72km2，面积百分比降低0.26%，年均减少速率为13.94km2/a。10年间，轻度石漠化面积先减少后增加，由2000年的5416.24km2减少为2005年的4982.57km2，然而又增加为2010年的5145.97km2；而中强度以上石漠化面积则先增加后减少的基本特征，由2000年的2020.95km2增加为2005年的2779.56km2，然后又减少为2010年的2546.44km2，石漠化扩张趋势初步遏制。从空间概念上的表达来看，毕节试验区石漠化演变过程主要是有3种类型：(1)先增加后减少，主要有七星关区、威宁县、大方县、纳雍县和赫章县，其中七星关区和威宁县石漠化面积分别净减少11.99km2和185.95km2，而大方县、纳雍县和赫章县后期石漠化面积虽然有所减少，但10年间石漠化面积仍分别增加22.16、9.79km2和53.19km2；(2)石漠化面积持续增加，仅有金沙县，石漠化面积增加166.63km2；(3)石漠化面积先减少后增加，主要有黔西县和织金县，石漠化面积分别净增加178.10km2和37.61km2。可见，毕节试验区石漠化扩张趋势虽然初步遏制，但局部地区仍在恶化，防治形势仍很严峻。

3.2 石漠化时空演变内部特征

石漠化内部演化过程是在一定的空间范围和时间段内，非石漠化与石漠化之间及不同石漠化强度类型之间相互转化的过程。石漠化内部演化过程的定量评价应明确以下3个基本问题：(1)不同石漠化强度的演变方式；(2)不同石漠化强度的演变方向，掌握研究时段初期不同石漠化强度的转移去向及研究时段末期不同石漠化强度的来源与构成；(3)不同石漠化强度的演变速率，掌握不同石漠化强度相互转化的快慢。

3.2.1 石漠化演变方式

参照前人的研究成果[32- 33]，结合毕节试验区石漠化演变特征，将石漠化演变方式定义为以下3种类型：(1)渐变式：在两个时间段，某种石漠化强度前期转变成另一种石漠化强度，后期该石漠化强度则不再发生变化，或者，某种石漠化强度前期未发生变化，而到后期该石漠化强度转变成另一种石漠化强度，即a→b→b型或a→a→b型；(2)跳跃式：在两个时间段，某种石漠化强度前期转变为另一种石漠化强度，在后期又转变为第3种石漠化强度，该演变方式较为活跃，即a→b→c型；(3)返变式：在两个时间段，某种石漠化强度前期转变为另一种石漠化强度，在后期又转变为原石漠化强度，即a→b→a型。该演变方式存在两种可能，一种是前期该区域不断被破坏，后期人们开始加强石漠化治理和生态保护，土地状况逐渐改善为原石漠化等级；另一种则是该区域前期由于退耕还林或石漠化治理等修复工程，石漠化等级降低，但由于未能培育出新的经济增长点，当修复项目结束后，当地农民仍然沿用原有的用地方式，土地状况再度恶化。

图2 石漠化演变方式的面积和比例(2000—2010年)

在ArcGIS平台对3期石漠化分布图进行空间运算，可以分别求出各石漠化演变方式的面积和比例(图2)。2000—2010年，石漠化强度不曾发生变化的土地面积为16041.90km2，占总面积的59.74%(含25.42%的非喀斯特地区)，石漠化强度发生改变的面积为10811.22km2，占总面积的41.26%。石漠化演变方式中渐变式所占面积最大，为10003.84km2，占总面积的37.25%，说明石漠化的发生、发展过程本质上是植被覆盖降低和土壤侵蚀增强的一个渐变过程，从一种方式直接地、很快地过渡、跳跃到另一种方式的比例不是很大；其次是跳跃式，为763.39km2，占总面积的2.84%，说明部分区域的土地类型并不稳定，时刻处于变化之中；最少的是返变式，为43.69km2，仅占总面积的0.16%，但也说明石漠化演变过程中既存在“破坏了又治理好”，也存在“治理好又破坏”的现象。

3.2.2 石漠化演变的方向

探讨石漠化演变的方向，可以从两个方面进行分析：(a)用石漠化改善程度和石漠化恶化程度来描述石漠化状况整体演变方向；(b)构建不同石漠化强度演变转移矩阵，分析不同石漠化等级内部相互转化情况。在GIS平台上对3期石漠化分布图进行空间运算，分别获得石漠化状况演变方向分布表(表4)和石漠化时空转移矩阵表(表5)。

(1)石漠化状况整体演变方向

将石漠化状况分为5个演变方向，分别为较好改善、轻度改善、基本不变、轻度恶化和严重恶化。其中，轻度改善是指某石漠化强度向相邻的较低石漠化等级转变，如轻度石漠化转变为潜在石漠化；较好改善是指某石漠化强度跳跃到较低的石漠化等级，如中度石漠化转变为潜在石漠化或无石漠化；轻度恶化是指某石漠化强度向相邻的较高石漠化等级转变，如轻度石漠化转变为中度石漠化；严重恶化是指某石漠化类型跳跃到较高的石漠化等级，如轻度石漠化转变为强度石漠化或极强度石漠化。由表4可以看出，2000—2010年，毕节试验区石漠化类型基本不变的面积最大，为14867.16km2，轻度改善及轻度恶化的面积次之，分别为4659.33km2和4007.83km2，较高改善与严重恶化的面积最少，分别为1338.17km2和1980.32km2，佐证了石漠化渐进式为主的演变方式；2000—2005年，土地恶化面积(5479.63km2)大于土地改善面积(4712.55km2)，石漠化扩张趋势明显；2005—2010年，土地改善面积(6399.53km2)大于土地恶化面积(5540.04km2)，石漠化状况开始改善，但严重恶化面积仍高达1911.87km2；轻度改善大于较好改善，说明石漠化治理工程要循序渐进的开展，是一个长期而艰巨的任务。

表4 石漠化演变方向的面积和比例

(2)石漠化强度演变转移矩阵

石漠化强度演变转移矩阵能够揭示石漠化内部结构及各等级间相互转移变化情况。由表5可知，2000—2010年，非石漠化主要向轻度石漠化、中度石漠化及强度石漠化转化，分别为2578.56km2、1040.11km2和119.84km2，其中，潜在石漠化分别向无石漠化和轻度石漠化转化1754.00km2和1883.33km2，可见潜在石漠化虽被定义为非石漠化，但并不稳定，容易转变为石漠化；石漠化转变为非石漠化为3483.9km2，其中轻度石漠化转化面积为2536.27km2，是石漠化状况改善的主体，说明现阶段治理的主要成果主要体现在轻度石漠化治理方面；中强度以上石漠化面积转入与转出面积分别为2194.74km2和1682.89km2，两者比值为130.41%，说明石漠化较严重的地区石漠化状况并没有根本性的改观，仍是石漠化治理的难点所在。2000—2005年及2005—2010年演变转移矩阵表现为相似的特点。

3.2.3 石漠化演变速率

常规的石漠化演变速率是指单位时间内某石漠化类型面积发生的变化量，能够反映出某石漠化类型增加或者减少的速度，但难以细致的表达不同石漠化强度之间转移的情况。本研究引入转入速率和转出速率的概念，转入速率反映了单位时间内该石漠化强度类型来源的活跃程度，转出速度反映了单位时间内该石漠化强度类型的不稳定程度。为了便于区分，将常规转变速率称为综合速率。

表5 毕节试验区不同石漠化强度演变转移矩阵(2000—2010年)

图3 毕节试验区石漠化演变速率(2000—2010年)

10年间，毕节试验区石漠化面积由7437.19km2增加为7692.41km2，石漠化面积净增加255.22km2，综合速率为25.52km2/a，其中转入速率和转出速率分别为373.91km2/a和348.39km2/a；各石漠化强度等级中，转入与转出速率由大到小排序为潜在石漠化、轻度石漠化、无石漠化、中度石漠化、强度石漠化和极强度石漠化，可见石漠化强度较低的强度类型更为活跃，石漠化治理的成果还很脆弱，而中度以上石漠化治理任务还很艰巨；此外，尽管潜在石漠化与轻度石漠化的转入和转出速率均较高，但综合速率最高的是中度石漠化，为45.51km2/a，转入速率大于转出速率，结合演变转移矩阵(表5)可以看出，中度石漠化增加的主要贡献是潜在石漠化与轻度石漠化，分别贡献771.06km2和913.12km2。可见，石漠化治理工程除了对中度以上石漠化的治理外，更应加强潜在石漠化及轻度石漠化的防护。

3.3 石漠化演变的驱动机制分析

石漠化的演变特征不仅与该自然环境背景具有很大的关系，同时与生态环境建设及社会经济发展关系密切。

3.3.1 石漠化演变与生态环境建设

生态建设是毕节试验区的三大主题之一，有关该区的生态建设工程一直没有间断，如长江上中游水土保持重点防治工程、长江中上游防护林体系建设工程、退耕还林工程、小流域综合治理工程、天然林资源保护工程和石漠化综合治理试点工程等。自2000年退耕还林工程开展以来，完成造林1954km2(其中退耕地造林723km2、荒山造林1231km2)，涉及试验区的31.19万农户；2008年，国务院批复了《全国岩溶地区石漠化综合治理规划大纲》，并在石漠化严重的8省(区、市)的100个县启动实施了石漠化综合治理试点工程，毕节试验区8个县(区)全部划为治理试点县，极大地推动了试验区石漠化治理步伐；2000—2005年森林覆盖率由29.54%增加到33.92%；2005年以后，森林覆盖率以超过1.2%的年均速度快速增长，2010年达到40.03%(图4)。此外，以沼气为重点的生态能源建设大幅度减少了薪材在农村能源结构中的比重，有效地促进了植被保护。2000年以前，毕节试验区沼气池仅为3000余口，2005年全区已建成沼气池5.9万口，到2010年沼气池数量已达到23.8万口，农村适宜建池普及率达22.9%，投入使用率达69.3%，每年至少能为农民增收节支2.88亿元，保护薪炭林480km2(图5)。

图4 石漠化面积与森林覆盖率变化趋势

图5 石漠化面积与沼气池数量变化趋势

3.3.2 石漠化演变与社会经济发展

毕节试验区属典型的喀斯特贫困山区，粮食生产是农民最稳定的收入来源，产业结构表现为典型的“一头沉”，即第一产业比重过大，却忽略了喀斯特环境的低生态承载力。2000年以来，毕节试验区第一产值占地区生产总值的比例由44.32%下降到20.70%，产业结构正朝着更合理的方向发展；此外，随着试验区产业结构的调整及国家政策的引导，外出务工人口及农转非人口不断增加，农村人口(农村常住人口)较2000年减少了70.55万人(图6)。石漠化面积变化和农村人口变化具有较好的相似性，说明随着产业结构的调整，农村人口减少，降低了土地负荷，缓解了土地资源压力。

毕节试验区8个县(区)中有5个国家级贫困县，经济落后直接或间接地导致人们陡坡开垦、毁林开荒，破坏了大量的森林资源，为石漠化发展埋下伏笔。2000—2005年，农民人均纯收入由1316元增加为1795元，增加速度比较缓慢，年均增加不足100元；2005—2010年农民人均纯收入由1795元增加为3354元，年均增加311.8元，生活水平的提高极大地改善了农民的生产生活方式，减少了乱砍乱伐、毁山造田和毁林开荒等现象，为生态环境恢复提供了有利条件(图7)。

图6 石漠化面积与农村人口数变化趋势

图7 石漠化面积与农民纯收入变化趋势

4 结论与讨论

石漠化时空演变的实质是人类活动打破生态平衡后，导致非石漠化与石漠化之间及不同石漠化强度等级之间相互转化的过程。所以，本研究对石漠化时空演变的总体特征和内部转移特征进行了定量评价，并初步探讨了石漠化演变的驱动机制。

研究结果显示：(1)10年间，试验区石漠化总面积呈现先增加后趋稳的演变态势，石漠化扩张趋势虽然初步遏制，但局部地区仍在恶化，防治形势仍很严峻。应该继续实施退耕还林工程，全面启动石漠化综合治理工程，加强生态公益林补偿力度，实施天然林保护，强化封山育林，充分发挥石漠化地区的自然修复能力。(2)石漠化演变方式以渐进式为主，说明石漠化治理也应循序渐进，不能一蹴而就；石漠化演变方向既存在改善也存在恶化，且轻度改善和轻度恶化的面积均比较大，说明一边治理、一边破坏的现象还没有根本遏制；结合石漠化演变速率中，转入和转出速率最大的是潜在和轻度石漠化，且中度石漠化新增来源也主要是潜在和轻度石漠化，所以，除了对中度以上石漠化的治理外，更应加强潜在石漠化及轻度石漠化的防护。(3)石漠化的时空演变特征不仅与该区域的自然环境背景具有很大的关系，同时与生态环境建设及社会经济发展关系密切。石漠化治理工程应该与扶贫开发紧密结合，进一步调整农村产业结构，改善山区农民的生活水平和农村能源结构，才能从根本上缓解土地压力，实现石漠化地区生态系统的良性循环和生态环境的全面改善。

石漠化时空演变过程是认识西南地区石漠化发展/逆转规律与成因的基础。无论从政府层面还是科学研究层面，正确把握石漠化时空演变过程及其特征，对协调生态环境和经济建设之间的关系，制定切合实际的石漠化治理策略都具有重要的理论价值和现实意义。本研究尽管对石漠化时空演变的总体特征和内部转移特征进行了定量评价，且选择了具有典型性和代表性的毕节试验区为例，但是，石漠化是人为加速背景下的土地(生态)退化过程，仅用10年的时空演变过程揭示石漠化演变规律还存在些许不足；此外，在石漠化演变的驱动机制研究中，尽管石漠化与自然环境背景、生态环境建设和社会经济发展存在必然的联系，但是，当将研究区的各指标转化为生态环境建设和社会经济发展指标时，小范围的石漠化与它们之间的紧密性就会淹没在其中而表现不出，而第二、三产业的发达及农民收入的多元化也会掩盖石漠化与社会经济的相关性，使宏观视角下两者关系的数据模拟难以实现，只能通过理论判读和图表表达两种方式尽可能的予以阐述。

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