典型石漠化地区土地覆被变化对生态环境的影响

彭文君　舒英格

摘要：石漠化地区的生态系统极其脆弱，其环境特殊、岩石裸露、土层薄、蓄水能力差，这是由于土地覆被变化导致生态服务功能遭到破坏、生态环境恶化的结果，研究典型石漠化地区土地覆被对生态环境的作用关系到我国该类型地区土地资源的可持续发展。本研究以典型高山石漠化地区贵州省晴隆县为例，利用ENVI、ArcGis软件对1988年、2000年、2016年3期Landsat影像进行解译，分析近30年的土地覆被变化特征，通过计算土地覆被变化幅度、生态服务价值、生态环境质量指数、生态贡献率，得出对生态环境的影响结果。结果表明：受人口增长、经济发展、土地政策等因素的影响，1988—2016年间呈现出“两增三减一浮动”态势，即耕地、水域、未利用地转向草地、城乡工矿及居民用地，林地面积呈先上升后下降的浮动模式；晴隆县生态服务价值呈先增后减趋势，由于林地、草地、耕地、水域支撑，在2000年达到最大值，而耕地、林地面积减少直接导致2016年生态服务价值下降；1988年、2000年、2016年区域生态环境质量指数分别为0.443 5、0.469 7、0.475 1，總体上维持着动态稳定并呈现上升的趋势，但由于林地草地退化、建设占用、水域枯竭等原因，造成了区域生态环境质量受损。

关键词：土地覆被变化；生态服务价值；生态环境质量；石漠化地区

中图分类号： F301.2文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）14-0200-06

土地覆被变化涉及到区域人口、资源、环境与发展方面的核心问题，并与生态安全水平密切联系，它的逐渐积累最终还会导致全球变化，因此从1990年起，土地覆被变化便成为全世界资源与环境领域的研究热点[1-2]。到目前为止，国内外已有众多学者利用高光谱遥感、微波遥感、高分辨率影像和多源信息复合、遥感图像自动识别与分类、3S的集成等技术，针对不同时空的土地覆被变化形式、特征、趋势以及驱动力等方面开展了大量的研究，在研究区域上，将土地覆被变化与生态结合的研究范围由风沙区[3]、黄土高原区[4]、平原地区[5]、丘陵沟壑区[6-7]、喀斯特山区[8]、干旱区[9]，到流域[10]、城市[11-12]，但对于典型石漠化地区，对土地覆被变化特征的研究极少，并且尚未有人将其生态服务价值与生态环境效应联系起来做研究；在研究时间上，大多数学者的研究期都选择了2013年之前的10年或20年间，不能很好地反映近期的变化趋势，其对“十二五”的响应程度及对“十三五”的指导作用甚小。由于贵州省拥有独特的喀斯特地貌，其石漠化程度深，再加上生态环境退化，已波及到长江、珠江中下游地区和三峡库区的生态平衡[13]，大力开展贵州石漠化区的环境保护及生态建设工作已迫在眉睫。

为此本研究以贵州省具有典型高山石漠化特点的晴隆县为例，利用1988年、2000年、2016年3期土地覆被数据，在县域尺度范围内，探讨典型石漠化地区的土地覆被变化特征，定量分析生态服务价值与生态环境效应的变化，可获得土地覆被变化对生态环境的影响结果，这一结果可指导编制土地利用规划，同时为当地环境部门提供量化依据，促进生态保护与经济建设之间关系的协调，以期为贵州省乃至全国范围内石漠化地区土地资源的可持续发展决策提供参考。

1研究区与研究数据

1.1研究区概况

晴隆县地处贵州省西南侧，黔西南布依族苗族自治州的东北角（105°01′～105°25′E，25°33′～26°11′N），占地 132 730 hm2，属高原亚热带季风气候，一年中平均温度约 14 ℃，总降水量为1 500～1 650 mm。境内地形起伏大，海拔高度相差达1 482 m，土壤浅薄、岩石裸露度高、立地条件差、成土速度非常缓慢、生产力低，碳酸盐岩连片分布，具有“山高坡陡谷深”的特点，属于贵州省典型的高山石漠化贫困地区，石漠化范围达88 527 hm2，占全县土地面积的 66.70%。该县生态环境十分脆弱，有75%的耕地呈小块条形状，属于坡耕地，其保土、保水、保肥能力特别差，自然灾害频发。严重的土地石漠化是导致其成为国家级贫困县的重要原因，人均耕地仅0.051 3 hm2，晴隆县从20世纪80年代末至今，石漠化程度不断加剧，现已达到全省石漠化面积的40.56%。

1.2研究数据

1.2.1数据获取

本研究采用晴隆县1988年Landsat4-5 TM卫星数据（时相9月15日，分辨率30 m）、2000年Landsat4-5 TM卫星数据（时相11月3日，分辨率30 m）、2016年Landsat 8 OLI_TRIS卫星数据（时相3月20日，分辨率30 m）共3期遥感影像作为基本数据源，结合晴隆县行政边界图，利用目视解译加实地勘察的方式来取得土地覆被相关数据。

1.2.2土地覆被分类与解译标志的确定

根据中国科学院提出的土地覆被分类方法[14]，将土地覆被类型划分成6个一类地和25个二类地，在图像解译过程中，发现二级地类间无法区分，为了提升解译效率，控制各样本分离度与分类精度，剔除掉一些二类地，再归并一部分进入一类地，最终确定土地覆被类型为：林地、耕地、草地、城乡工矿居民用地、水域、未利用地。对不同波段的组合进行比对后，最终决定1988年和2000年2期遥感影像都选择543波段进行RGB合成，2016年遥感影像选择453波段进行RGB合成。由此，便建立了遥感影像解译标志。

1.2.3数据处理

利用ENVI 5.1对3期卫星数据执行图像的预处理；再进行监督分类操作，监督分类时会用到Google Earth 7.1.5进行辅助；随后进行分类后处理操作，以减少分类误差，提高精度；最后生成晴隆县1988—2000年与2000—2016年的土地覆被变化转移矩阵，统计各地类面积，并利用ArcGIS 10.2生成3个不同时相的土地覆被现状图（图1）。

2研究方法

2.1土地覆被变化的分析方法

土地覆被变化的幅度分析，土地覆被变化幅度是从面积上考察土地覆被种类的变化程度，重点描述不同土地覆被种类在不同时间内总量上的差异，不但可以从整体上把握土地覆被变化的大趋势，而且可以掌握其内部结构的变化[15]。

2.2生态服务价值的研究方法

谢高地等在2003年提出了9项生态服务价值功能的概念。土地覆被种类与生态类型的对照标准如下：耕地与农田对照；林地与森林对照；未利用地与荒漠对照；城乡工矿及居民用地与建设用地对照，因不考虑建设用地的生态服务价值，所以等于0。在计算过程中，引用谢高地等提出的价值当量表[16]，按照不同地区的物价水平，对生态服务价值表做了一些修正，并运用Costanza等提出的计算公式[17]计算晴隆县的生态服务价值（ESV），其表达式为：

2.3生态环境效应的计算方法

2.3.1区域生态环境质量指数

是指某一地区内各覆被种类的环境质量与该种类面积的比，以定量的方式来描述该县域内生态环境质量的整体情况，其表达式为：

2.3.2区域土地覆被类型转换生态贡献率

是指某覆被种类的转换所带来的区域生态质量的变化水平，其表达式为：

生态质量指数；LA表示该转换类型的面积；TA表示该区域总面积。

参考国内外相关研究，可以采用生态服务功能来测算各覆被种类的生态价值，构建覆被种类与生态环境质量之间的关系，向各覆被种类的质量指数赋值。赋值标准主要参考Costanza等提出的世界范围内各种生态服务功能价值间的不同比值，再联系晴隆县的县情，对质量指数在0到1之间赋不同值，考虑到Costanza等的计算结果有一定偏差，需要对其结果实施进一步修正，因此本研究还参考了彭建等[18-20]对不同区域生态价值的评估结果，从而得到不同土地覆被种类的环境指数。

3结果与分析

3.1分类结果精度评估

本研究利用ENVI 5.1中的Confusion Matrix工具逐一对各期影像的处理成果执行精度评估，得到总体分类精度（OA）和Kappa指数（Kappa）2个指标。其中，OA>90%为优，kappa则有5个不同等级：[0，0.2]为几乎不一致、（0.2，0.4]为较低一致、（0.4，0.6]为中度一致、（0.6，0.8]为高度一致、（0.8，1]为几乎完全一致。通过对3期遥感数据的处理结果分别执行精度评估，可见解译精度符合要求（表1）。

3.2土地覆被类型间的转换幅度与方向

3.2.1转换幅度分析

晴隆县土地覆被变化的总体特征是：城镇工矿及居民用地和草地面积直线上升，耕地面积持续下降，林地面积先上升后下降，水域和未利用地呈小范围减少趋势。具体来说：1988年，晴隆县土地覆被类型以耕地和林地为主，耕地面积为44 154.69 hm2，占总面积的33.74%，林地面积为49 881.49 hm2，占38.11%，土地覆被面积最小的是城乡工矿及居民用地、水域和未利用地，共占总面积的 10.81%。到2000年，晴隆县土地覆被类型以林地为主，面积达到54 692.11 hm2，净增加4 810.62 hm2，增幅为9.64%，覆被类型面积最小的依然是城乡工矿及居民用地、水域和未利用地，共占8.94%。到2016年，晴隆县土地覆被类型的总体转变趋势与2000年相似，仍以林地为主，但较2000年有所下降，面积为53 107.65 hm2，净下降1 584.46 hm2，减幅为290%，土地覆被类型面积最小的依旧是城乡工矿及居民用地、水域和未利用地，共占总面积的8.16%（表2、表3）。

3.2.2转换方向分析

对3期数据进行动态监测操作，可以获得2个动态转移矩阵（表4、表5）。通过对1988—2016年研究区土地覆被变化转移矩阵的分析可知，这一时期的耕地面积在持续减少，耕地的流出方向主要为林地、草地、城乡工矿及居民用地。而这一时期林地和草地面积有所增加，除了耕地所做的贡献外，另一个主要流入方向为未利用地。城乡工矿及居民用地在这一时期有一定的扩张，大多来自耕地和未利用地。水域范围在缩小，流出方向为草地和未利用地。由于转化为林地、草地、城乡工矿及居民用地，未利用地的面积在持续减少。

3.2.3驱动因素分析

从表4可以看出，1988—2000年这12年来，面积下降最多的是耕地，耕地主要流向了林地和草地，其中有4 283.10 hm2的耕地流向林地。其次减少最多的是未利用地，其中有623.38 hm2流向林地，2 155.13 hm2流向草地。除了林地和草地，增长最多的是城乡工矿及居民用地，增长的部分大多由耕地和未利用地转换而来。在“八五”期间，贵州省加快了基础工业建设的脚步，而这些基础设施和基础产业的建设需要占用大量土地，此类土地通常是在地势比较平坦的地方，往往是耕地分布的主要地区，这就造成了耕地和未利用地不断地向城乡工矿及居民地转换。

从表5可以看出，2000—2016年这16年来，减少最多的是耕地，耕地的流出方向主要是草地，耕地转为草地的面积达2 375.91 hm2。由于退耕还草必须严格控制坡度在25°以上非基本农田的坡耕地实施，晴隆县具有的山高坡陡地勢恰让退耕还草取得了较好的成效，成为了贵州省典型的退耕还草地区，其力度之大使得耕地大量向草地转换。增长面积居第2位的是城乡工矿及居民用地，源于耕地的有479.09 hm2，源于未利用地的有1 489.01 hm2，这是由于在“十五”和“十二五”期间，晴隆县各级各部门积极抢抓西部大开发和新一轮扶贫开发的机遇，施行了大量基础保障建设，占据了耕地和未利用地。除耕地以外减少最快的是未利用地，未利用地主要转为了草地，转换范围达2 630.36 hm2，这与2003年国家出台的《基本农田保护条例》和《退耕还林条例》息息相关，希望在保护好基本农田的同时，还要实施退耕还林还草，晴隆县为使该项政策落地，抓住退耕还林还草工程实施的大好机遇，在此期间大范围地开展了退耕还林还草政策宣传工作，并落实到实处，保护基本农田并不影响利用未利用地来实施退耕还林还草，这是未利用地向林地、草地转换的主要原因；但由于这一时期属于生态环境退化的时期，生态环境受到人类活动的影响较大，石漠化程度正在加强，导致林地在这一时期遭到的破坏较为严重，因此总体来看，林地面积在减少。

3.3生态服务价值变化

为了探讨晴隆县土地覆被变化对生态服务价值的影响，本研究引用了生态服务价值当量表（表6），并结合晴隆县的特点做了修正：以晴隆县2010—2015年平均粮食产量 579 kg/hm2 为基准单产，粮食单价取2015年贵州省粮食平均价格3.86元/kg，计算出晴隆县1个当量因子的经济价值为319元/hm2，即得到晴隆县各土地覆被类型所对应的生态服务价值系数（表7）。

凭借晴隆县各覆被种类的生态服务价值系数和土地覆被面积，可算出1988年、2000年、2016年的生态服务价值。从表8来看，晴隆县生态服务价值总体上在1988—2000年呈增长趋势，其中，林地价值增长显著，增加了0.335亿元，其次草地生态服务价值增加了0.115亿元，而耕地、水域、未利用地的价值出现不稳定的减少，分别减少了0.161亿、0.025亿、0.004亿元。2000年晴隆县的生态服务价值达到最大，为5692亿元，林地、草地、耕地、水域的贡献最大，占到总价值的 99.88%。2016年减少到5.555亿元，耕地和林地面积的减少是2000—2016年间价值下降的主要原因；但比1988年上涨了0.123亿元，其中林地和草地面积增加也是该时段生态服务价值增大的主要原因。

通过分析得出，晴隆县林地的生态服务价值占总价值的比例最大，已远远大于其他类土地价值的比例；而未利用地的价值所占比例最少，不超过0.2%，原因是耕地、林地、草地、水域的价值系数远大于未利用地的价值系数。

3.4生态环境效应分析

根据式（3），可计算得到晴隆县1988年、2000年、2016年区域生态环境质量指数，其结果分别为0.443 5、0.469 7、0475 1，说明从1988—2000年，晴隆县生态环境质量指数上升0.026 2，年均增长0.45%；从2000—2016年，上升了0005 4，年均增长0.07%。说明晴隆县总体上维持着区域生态环境的动态稳定，并呈现上升趋势，前12年比后16年上升幅度更大，因此可知，引起生态环境质量波动的关键因素是人们经济活动作用下的土地覆被类型的快速转换。

尽管晴隆县生态环境在总体上呈现出好转趋势，但区域内生态质量恶化的问题依然存在，该区域内的生态质量经历着不同程度的好转和损害，引起此类好转和损害发生的土地覆被转换类型种类和贡献率见表9。引起生态环境质量好转的主要覆被变化种类是耕地转向林地、草地和水域；林地转向水域；草地转向林地和水域；水域转向林地和草地；城乡工矿及居民用地转向耕地、林地、草地、水域和未利用地；未利用地转向林地、草地、耕地、水域、城乡工矿及居民点用地。这主要是退耕还林还草政策和建设用地复垦导致的结果，受退耕还林还草政策影响，耕地向林地和草地的转变对生态环境质量改善的贡献率居前2位，贡献率分别为为0.084 55%、0050 87%。

引起生态环境质量受损的土地覆被变化种类是林草地退化、建设占用、水域枯竭。其中，耕地转变成城乡工矿及居民用地的转变方式对生态环境质量恶化的贡献最大，贡献率达0.008 19%；其次由于缺乏对林地的有效维护，林地退化为其他覆被类型对生态环境恶化的贡献率居第二位，贡献率达到0.002 49%；除此以外，由于水域转变成未利用地对生态环境恶化的贡献率位居第三位，达到了0.001 99%（表9）。由此可见，耕地、林地、草地、水域面积的增减是影响晴隆县生态环境改变的关键因素。

3.5土地覆被变化的影响因子分析

影响因素系统是一个动态循环系统，此循环内的不同影响因子与循环外的土地覆被方式、土地管理者等，包括自然、经济、社会系统时时刻刻发生着作用和联系[21]。其基本的作用过程是：起初影响因子对土地管理者产生作用；各个方面的土地管理带来了土地覆被差异；这种覆被差异随之又反向作用于影响因子。这一循环过程即影响因子—土地管理者—土地覆被差异-影响因子。

3.5.1人口增长因子

根据晴隆县国民经济和社会发展统计公报可知，1988年晴隆县总人口有23.57万人，2000年上涨到27.07万人，增长率为14.85%，随着城镇化的不断发展，2016年达到33.50万人，增长率为23.75%。由于人口的增长速度加快，县域内的基础配套设施、住宅用地、商贸服务用地等不断扩展，会占用大量的未利用地和部分的耕地与林地，即导致农业用地和生态用地被占用，荒地被大量开拓，而城乡工矿及居民用地急速增多。人口增加和结构变化使土地覆被结构发生变化，随着生活水平的提高，耕作程度越来越低，据统计，晴隆县人均占有粮食从2000年的335 kg降低至2015年的258 kg，这种日渐突出的人地矛盾又影响了土地覆被种类变动的方向。

3.5.2经济发展因子

不同的产业结构对土地覆被的要求不同，三大产业由低到高排序为：第二产业用地、第三产业用地、第一产业用地[22]。不同的经济发展阶段都有相应的优势产业支撑，所对应的土地覆被变化的影响因子也不同。分以下2个时期阐述，1988—2000年，第一时期为第一产业成长为主的经济发展时期：第一产业增长了11 064万元，排三大产业之首，这一时期土地覆被变化的影响因子主要是农用地比重增加，建设用地相對稳定；2000—2015年，第二时期为第一产业占比下降，第二、三产业占比上升时期：第三产业增加222 168万元，第二产业增加171 325万元，都比第一产业增加更多，这一阶段土地覆被变化的影响因子主要表现为建设用地面积增加，而农用地面积快速下降（表10）。

3.5.3土地政策因子

除了经济社会的发展和人口结构的变化，从中央到地方出台的种种政策都会影响土地覆被变化的方向和数量。土地政策的出台主要是解决怎样高效使用剩余资源的问题[23]。对于典型高山石漠化地区的晴隆县来说，为了响应贵州省委《中共贵州省委、贵州省人民政府关于加大力度实施西部大开发战略的若干意见》（黔党发[2004]13号）、国家发改委《贵州省水利建设生态建设石漠化治理综合规划》（发改农经[2011]1383号）、贵州省政府办公厅《国家“十三五”规划纲要涉及贵州省的重大事项推进落实责任分工方案》（黔府办函[2016]76号）等相关政策和规划的要求，使该县的土地覆被种类逐渐由耕地、水域、未利用地向草地、林地、城乡工矿及居民用地转换。

4结论与讨论

4.1晴隆县近30年土地覆被的宏观变化

1988—2016年期间，土地覆被类型呈现“两增三减一浮动”趋势，由于人口增长因素、经济发展因素、土地政策因素的影响，使晴隆县土地覆被类型由耕地、水域、未利用地向草地、林地、城乡工矿及居民用地发展。由于晴隆县属于高山地区，再加上坡陡、水土流失严重，使它成为典型的退耕还草地区，其执行力度高、效果好，使得耕地面积急剧减少，从2000年起，由于城镇化进程不断加快，占用了大量未利用地来满足建设需要，使城乡工矿及居民用地面积直线上升。

4.2区域生态服务价值的波动情况

1988—2016年晴隆县生态服务价值主要由林地、草地、耕地、水域支撑，平均占每年总价值99%以上。由于防护林体系建设、公益林保护、退耕还草还林等生态工程使得晴隆县的林草地面积显著增加，在2000年该县的生态服务价值达到最大。随后由于人类活动对生态系统的影响和破坏，城乡工矿及居民用地的增长使耕地和水域等的生态服务价值下降，而人口压力促使人们过度开垦，占用高质量农用地和生态用地，也对环境产生了一定的损害。因此，在对石漠化地区土地开发使用中，为了保护生态服务价值的可持续性，有必要对耕地、林地进行保护，而推进城镇化发展需要的土地可通过对未利用地的合理开发来满足，同时应采用生态补偿机制，加强生态保护机制，使生态-经济-人口和谐发展。

4.3土地覆被变化对整体和局部生态环境的作用

虽然在1988—2016年间晴隆县生态环境维持着总体的平衡，但不能忽视局部生态环境的恶化。随着工业化和城镇化的快速发展，为了满足持续壮大的城市和工业规模，大量土地被卷入非农建设中，引起了土地覆被类型的根本变化，不仅令土地的生态功能尽失，还形成了导致生态环境恶化的大量污染源，在土地覆被类型的转换中，耕地、林地、水域的转换最为频繁，分布最广，造成生态环境质量恶化的程度最深，这也是该地区石漠化程度加强的原因。对全国而言，尤其是石漠化最严重的贵州省，要想改善和提升石漠化区生态环境质量，关键是要尽量发挥生态系统的自我调节能力，重视如何有效地杜绝损害生态环境行为的发生。

4.4石漠化地区对“十三五”规划的响应

“十三五”期间，在中央提出的五大发展理念中，“绿色”理念引人注目，国内大环境已发生改变，为了使生态服务价值达到最大化，更好地改善和提升石漠化地区生态环境质量，我国石漠化主要分布的省份须推动产业结构调整实现新突破，对于多山地区的滇、桂、黔而言，特别要大力推进现代山地特色高效农业和绿色生态农业，使石漠化逐渐转变成绿色化，探索出了一条专门针对石漠化地区特色生态农业发展的新道路。更重要的是必须牢固把握住生态安全底线，着重应对重点区域生态治理，推动生态文明建设实现新突破。向身处石漠化地区的人民提倡绿色的生产、生活方式，珍惜家园的每一块绿地，不断提高生态环境质量，最终实现大地常绿、土壤常净的新局面。

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