喀斯特石漠化景观空间分布特征分析——以贵州六枝特区为例

马士彬,张勇荣,安裕伦,张跃红

（1.六盘水师范学院a.环境与资源科学系；b.乌蒙山发展研究院,贵州六盘水 553001；2.贵州师范大学地理与环境科学学院,贵阳 550001；3.贵阳市环境信息中心,贵阳 550001）

喀斯特石漠化景观空间分布特征分析
——以贵州六枝特区为例

马士彬1a,1b,2,张勇荣1a,1b,安裕伦2,张跃红3

（1.六盘水师范学院a.环境与资源科学系；b.乌蒙山发展研究院,贵州六盘水 553001；2.贵州师范大学地理与环境科学学院,贵阳 550001；3.贵阳市环境信息中心,贵阳 550001）

为揭示石漠化空间分布及演化特征,通过遥感解译获取石漠化数据,运用地形位指数和分布指数定量分析贵州六枝特区1990—2010年间石漠化变化空间特征。结果表明：①研究区1990—2010年间石漠化景观空间分布呈现高区段为无、潜在、轻度、极强度石漠化优势分布区,中区段为中度、强度石漠化优势分布区,低区段为无石漠化景观优势分布区；②不同主导因素驱动形成的石漠化景观分布地形位区段也不同,人为因素为主驱使形成的潜在、轻度、中度石漠化主要分布于低、中地形位区,自然因素为主驱使形成的强度、极强度石漠化分布于高地形位区段；③中地形位区是石漠化分布的普遍适应地形区。由于不同地形位区段内石漠化等级分布具有较大的差异性,因此治理的重点应放在低、中地形位区段内的潜在、轻度、中度石漠化,以及中地形位区段内的中度、强度石漠化,而对自然因素驱使形成的高地形位区的强度、极强度石漠化应以自然生态恢复为主。

喀斯特石漠化；空间特征；地形位指数；分布指数；遥感数据

2015,32（12）：30－35

1 研究背景

中国南方喀斯特地区是世界上喀斯特连片分布面积最大的区域[1］,其成因及形态都具有很强的独特性。但全球变化及区域内部尖锐的人地矛盾,导致大面积的水土流失,引起了较为严重的基岩裸露的石漠化问题[2］。目前国内学术界对石漠化的研究成果主要体现在石漠化成因、演化、治理等方面,如D.X.Yuan[3］和S.J.Wang等[4］认为石漠化是岩溶山区脆弱生态系统与人类不合理经济活动相互作用而造成的土地退化过程；李阳兵等[5］认为土地石漠化以强烈的人类活动为驱动力,并系统地分析了以土地利用为具体表现的人类活动与石漠化的关系；熊康宁等[6］运用遥感及GIS方法完成石漠化分布的调查与典型研究,并建立了毕节鸭池、花江、红枫湖等石漠化治理示范区；张勇荣等[7］应用Markov方法分析石漠化演化特征,分析石漠化治理模式,认为重点应加强潜在石漠化区域的生态保护,避免石漠化生态修复进入死循环模式。

笔者认为还应进行系统的、定量的石漠化景观空间分布特征研究。本文引入地形位指数和分布指数2种分析方法,定量研究喀斯特石漠化的空间分布特征,解决分析单一空间因子对石漠化发生、发展影响的局限性,以期为揭开石漠化成因的实质规律及生态恢复提供依据与支持。

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

六枝特区位于贵州省西南部（图1）,105°08′E—105°43′E,25°59′N—26°22′N,面积1 792 km2,海拔596～2 074 m。区内属典型喀斯特分布区,喀斯特面积占区域总面积的77.02%。研究区属亚热带季风湿润气候,年平均气温13.5～15.2℃,年降水量1 536 mm,降水时空分布不均匀,主要集中于5—8月份。区内石漠化等级发育完全,具有较强的代表性。

图1 贵州省六枝特区地理位置Fig.1 Geographic location of Liuzhi special zone in Guizhou province

2.2 数据来源与处理

石漠化数据通过遥感数据提取,主要参照1990年TM、2000年ETM＋及2010年环境减灾遥感影像数据,解译标准及石漠化等级划分主要参照熊康宁等[6］和李阳兵等[5］的划分方法。结合1∶5万地形图,30m分辨率DEM（坡度）以及土壤、植被、土地利用等专题数据及野外实地考察235个样点数据进行数据精度验证,吻合度达到89.74%。研究区1990—2010年石漠化等级景观分布如图2所示。

3 研究方法

3.1 地形位指数法

地形是地表空间分异的重要影响因子之一,因此地表景观结构及其变化往往在地形梯度上表现出一定的分布规律。为了定量分析石漠化景观变化与地形梯度之间的相互关系,本研究借用地形位指数来度量地形梯度[8］。地形位指数可以用下式来计算,即

图2 研究区1990—2010年各等级石漠化景观分布Fig.2 Landscape pattern of Karst rocky desertification of different levels in the research area from 1990 to 2010

3.2 分布指数

为了消除地形位梯度分段和石漠化景观斑块面积差异的影响,可以使用地形位分布指数来描述不同石漠化等级景观斑块在地形位梯度上的分布特征。分布指数为

式中：Pie为第i种石漠化等级类型在地形位e上的分布指数；Sie为第i种石漠化等级类型在地形位e上的面积；Si为研究区内第i种石漠化等级类型的面积；Se为研究区内地形位e的总面积；S为整个研究区的总面积。分布指数是一个标准化、无量纲的指数,其取值范围为[0,S］。若Pie＞1,表示地形位e是该石漠化等级类型分布的优势地形位,Pie越大,优势越明显。反之,若Pie＜1,表示地形位e是该石漠化等级类型分布的非优势地形位[8］。

地形位与分布指数结合在描述喀斯特石漠化景观空间分布特征上具有如下意义：

（1）横向比较不同等级石漠化景观斑块的地形位分布曲线时,石漠化景观在地形位梯度上的分布变化情况可以体现出其对地形变化的适应程度；根据喻红等[8］的研究,若曲线比较平缓,起伏不大,则表明该种组分的分布与标准分布偏离不大,对地形差异的适宜性较广；若曲线起伏较大,有明显的峰或谷,表明该组分对地形具有较强选择性（偏好性）,在其优势地形位上这种组分发育较多。

（2）纵向比较同一地形位上不同等级石漠化景观分布值,能够反映出地形对石漠化发生的适宜性。若不同等级景观斑块的P值都集中在1附近,表明此地形是一种石漠化发生的普适地形。若P值差别很大,说明此种地形位是一种狭适性的地形位[8］。

4 结果分析

4.1 石漠化总体演化趋势

由表1可知,研究区近20a石漠化景观类型面积变化较大,石漠化强度有减弱趋势,具体表现为：①无石漠化景观类型面积增大趋势明显,从1990年至2010年增加了73.16 km2,增加的部分主要是由潜在及轻度、中度石漠化转化为无石漠化,其中由潜在石漠化转化来的最多；②潜在、轻度、中度、强度及极强度石漠化面积之和,由1990年的1 211.07 km2减少至2010年的1 137.91 km2,其中强度和极强度石漠化景观类型面积减少不明显；③从各石漠化景观类型面积的转移变化中可以看出,石漠化景观类型向良性发展的同时,也有相当部分向恶性发展,这也体现了石漠化治理过程中防御的重要性,防、治结合才是治理石漠化的关键。

4.2 石漠化变化空间特征整体趋势

将工作区内的地形位指数从低到高分为20段区,并按1—20的顺序依次进行编号,分别计算各石漠化类型在这20个地形位下不同年份的分布指数,见图3。

图3 研究区各等级石漠化与地形位指数梯度的分布关系Fig.3 Relationship between rocky desertification level and topographic index gradient of research area

表1 1990—2010年研究区石漠化强度等级转移矩阵Table 1 Conversion matrix of rocky desertification level in the study area from 1990 to 2010km2

从图3中可以看出,1990—2010年各石漠化类型在地形位指数梯度上的分布格局未发生显著变化,都呈现出高（17—20）、中（5—16）、低（1—4）3段模式分布结构[9－10］。在高段区各等级石漠化景观分布曲线波动较大,其中分布优势明显的是无（图3（a））、潜在（图3（b））、轻度（图3（c））、极强度（图3（f））石漠化；中段区为中度（图3（d））、强度（图3（e））石漠化的优势地形位分布区,同时潜在（图3（b））、轻度（图3（c））、极强度（图3（f））石漠化的分布指数值均在1左右,所以中地位区段为石漠化发生的普适性地形；低段区为无石漠化（图3（a））的优势分布区。

形成上述石漠化空间分布特征的原因是：①在高海拔、大坡度地形区,人类对土地的利用难度较大,石漠化形成、发展、演化主要受自然因素驱使,所以出现高等级石漠化景观同无石漠化景观并存的矛盾现象,而人类驱使下逐步丧失土地生产力并形成大面积岩石出露的中度（图3（d））和强度（图3（e））石漠化景观则分布较少；②中地形区段为石漠化发生的普适地形且20 a间这种分布特征没有发生明显改变,形成这种分布特征的原因是由于喀斯特山区尖锐的人地矛盾所造成。

4.3 各等级石漠化景观分布特征分析

图3显示了研究区1990,2000,2010年各等级石漠化的地形位梯度分布特征。其变化规律如下所示。

（1）无石漠化（图3（a））：无石漠化的地形位分布指数曲线特征明显,随地形位上升分布指数值先下降再上升,1—7,14—20区段为优势分布区。3个时间段无石漠化分布指数曲线基本重合,优势分布范围无明显变化。

（2）潜在石漠化（图3（b））：1990—2010年间潜在石漠化的分布随地形位在1—13区段范围内的变化不大,频率趋势线总体在1附近波动,只有高段区出现一定的波动,2010年后趋势线发生明显改变,在13—18区段形成明显优势区。表明潜在石漠化对地形的选择性较弱,区域内分布较为广泛。这主要由于潜在石漠化是石漠化发生的萌发阶段,这种景观的形成可能是地表原有结构被破坏形成,也可能是更高等级石漠化恢复形成人工林,所以它在区域内各地形区段均有分布,无特别明显优势分布区。2010年后形成典型优势分布区是石漠化治理工程形成的人工次生植被。

（3）轻度石漠化（图3（c））：轻度石漠化分布在1—12区段范围内变化趋势不明显,优势分布区较广且分布指数均在1附近,表明地形对轻度石漠化分布限制较小。在9—20区段范围内,研究区1990—2000年优势分布区间逐渐缩小,优势分布指数明显降低,2000年以后在9—15区段内失去优势分布。

（4）中度石漠化（图3（d））：中度石漠化分布随地形位升高先上升后降低,优势分布区集中于8—15的中区段范围内,2010年后中度石漠化的优势分布范围缩小1个地形位。中度石漠化优势分布区集中于中区段,因为中度石漠化的产生主要是由于过分的樵采和不合理的农业耕作[6］,而该地区旱耕地中32%都分布在15°以上的坡地中,不合理的耕种促使中度石漠化的形成。随着石漠化的治理中度石漠化数量减少,分布区间发生萎缩,但缩小的范围比较窄。

（5）强度石漠化（图3（e））：强度石漠化空间分布特征趋势线与中度石漠化的相似。优势分布趋势集中于9—17区段。1990—2010年间,强度石漠化在其优势分布区段范围内的分布指数大幅度降低,但分布区段范围有扩大并向低区段蔓延的趋势。这主要是由于强度石漠化一般无土地生产力,但生态可以得到自然恢复,加上人为的治理,其石漠化面积可以快速减少,但由于恢复难度较大,所以只是分布指数降低但分布优势没有完全失去。另外由于治理恢复的同时又有新的石漠化形成,造成分布范围扩大。

（6）极强度石漠化（图3（f））：极强度石漠化分布随着地形位的升高而升高,在高区段范围内变化明显。因为极强度石漠化斑块内岩石几乎完全裸露,植被覆盖率低于5%。这种景观一般是自然因素造成,所以在低、中地形位区段范围分布很少,主要分布于高地形位区。

5 结 论

（1）石漠化的分布严格受地形因素控制,研究区1990—2010年间石漠化景观在各地形位区段上呈现为3段的分布模式,即高地形位指数区（17—20）为无、潜在、轻度、极强度石漠化优势分布区,中地形位指数区（5—16）为中度、强度石漠化优势分布区,低地形位指数区（1—4）为无石漠化景观优势分布区。

（2）不同主导因素驱动形成的石漠化景观分布地形位区段不同。人为因素为主导驱使形成的潜在、轻度、中度石漠化主要分布于低、中地形位区,自然因素为主导驱使形成强度、极强度石漠化分布于高地形位区段。

（3）中地形位区是石漠化分布的普遍适应区,尤其适合中、强度石漠化分布,这2种石漠化景观的形成主要是由于人类对一定坡度土地的使用造成的,所以海拔不高但坡度较大或者海拔较高但坡度较缓的中地形位区段是石漠化治理的重点区域。

针对上述研究结果得出,不同地形位区段内石漠化等级分布具有较大的差异性,不同成因的石漠化景观的空间分布特征也存在一定的差异性。所以在分析石漠化的发生、演化及成因时,应结合各等级石漠化景观的空间分布特征分析才具有实际意义。具体在石漠化治理过程中,重点应放在对人为驱使为主导因素的低、中地形位区段内的潜在、轻度、中度石漠化以及中地形位区段内中度、强度石漠化,而对自然因素驱使形成的高地形位区的强度、极强度石漠化应以自然生态恢复为主。

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（编辑：刘运飞）

Analysis on Spatial Distribution Feature of Landscape of Karst Rocky Desertification in Liuzhi Special Zone of GuiZhou

MA Shi-bin1,2,3,ZHANG Yong-rong1,2AN Yu-lun3,ZHANG Yue-hong4
（1.Environmental and Chemical Engineering Department,Liupanshui Normal Univercity,Liupanshui 553001,China；2.Institute of Wumeng Mountain Area Development and Research,Liupanshui Normal University,Liupanshui 553001,China；3.School of Geographic and Environmental Sciences,Guizhou Normal University,Guiyang 550001,China；4.Guiyang Environmental Information Center,Guiyang 550001,China）

In order to obtain spatial distribution and evolution characteristics of rocky desertification,we used topo-graphic position index and distribution index,as well as remote sensing and GIS technologies.Liuzhi special zone of Guizhou province from 1990 to 2010 was taken as an example.Topographic position can be divided into 3 intervals according to elevation and slope：low interval,middle interval,and high interval,and there are 6 levels for rocky desertification：none,potential,slight,moderate,severe,and extra severe.The results indicate that：Firstly,none,potential,slight,and extra severe rocky desertification regions are mainly located in the high interval,whereas moderate and severe rocky desertification regions are mainly located in the middle interval,with none rocky desertification regions in the low interval.Subsequently,the distribution of topographic position interval varied with different causes such as human activities and nature which lead to rocky desertification.Potential,slight,and moderate rocky desertification regions caused by human activities are mainly located in low and middle intervals of topographic position, whereas severe and extra severe rocky desertification regions caused by nature are distributed in high interval.Furthermore,the distribution of rocky desertification is easy to be seen in middle interval of topographic position.Finally,more attention should be paid to low and middle intervals,where the levels are potential,slight,moderate,or severe,whereas natural ecological restoration should be highlighted in the severe and extra severe rocky desertification areas in the high interval driven by natural factors.

Karst rocky desertification；spatial feature；topographic position index；distribution index；remote sensing data

X144

A

1001－5485（2015）12－0030－06

10.11988/ckyyb.20140529

2014－06－30；

2014－08－14

贵州省科学技术基金项目（黔科合J字[2012］2309号）；国家自然科学基金项目（41161002）；六盘水市科技局科技创新能力建设计划项目（52020 2012－04－01－01）

马士彬（1982－）,男,黑龙江齐齐哈尔人,副教授,博士研究生,主要从事环境遥感与信息系统应用研究,（电话）15086450053（电子信箱）msb88.com＠163.com。

安裕伦（1957－）,男,贵州贵阳人,教授,博士生导师,主要从事遥感与地理信息系统应用研究,（电话）0851－83227356（电子信箱）anyulun＠126.com。