滇东北岩溶地区石漠化时空演变过程分析

杨 慧，张 超，王 妍

(1.西南林业大学，云南 昆明 650224；2.会泽县林业和草原局，云南 曲靖 654200)

1 引言

石漠化又称喀斯特荒漠化或喀斯特石漠化，主要发生在喀斯特及其发展的热带、亚热带湿润地区的环境背景下，是喀斯特地区脆弱的生态系统与不合理的人类经济活动相互作用导致的土地退化过程[1～3]。石漠化主要表现为土壤侵蚀甚至流失严重，基岩裸露面积大，植被退化，土地生产力下降，地表出现类似荒漠化的景观[4～6]。石漠化地区的耕地遭到破坏，农业产量减少，经济衰败，威胁着区域经济社会的可持续发展。

当前，石漠化问题存在于世界各地岩溶地区[7,8]。世界各国对石漠化的形成过程[9,10]、诱导因素[11]和治理措施[12]的研究一直是生态环境领域的研究热点。国内许多学者对喀斯特石漠化的时空演变、综合效益评价、治理模式、分类标准、提取方法、成因、危害等进行了大量研究，在石漠化时空演化上主要是短时期内的定性分析和描述，研究区域主要集中于西南岩溶山区、南方岩溶山区、省级尺度等大空间尺度，县域尺度的研究较少[13～20]。

会泽县是全国重点扶持县、云南省65 个石漠化监测县和全国100 个石漠化综合治理试点县之一。以国家级乡村振兴重点帮扶县会泽县作为研究区，以三期石漠化监测数据为基础，利用3S技术和数理统计等方法对石漠化状况进行定量分析，研究结果有助于会泽县加快生态文明建设和推进农业农村现代化步伐，对于系统认识县域尺度石漠化的发生发展机制、动态变化特征具有关键的意义。

2 研究区概况

会泽县位于云南省东北部，金沙江东岸，曲靖市西北，在25°48～27°04N、103°03～103°55E之间。全县总土地面积5886 km2，辖5 个街道、7 个镇、13 个乡、361 个村委会。境内山高坡陡，山谷深，西高东低，南北起伏，地势起伏复杂。有冰川、山地、盆地3 种地貌，山地占总面积的95.7%。属于南温带季风气候，垂直地带性明显，气温水平分布复杂，形成典型的立体气候。年平均气温为12.7 ℃，极端最低气温为-17.2 ℃，极端最高气温为31.4 ℃，具有滇北高原春速升温、秋速降温的气候特征;年平均降水量为817.7 mm，降水强度较小，容易被土壤吸收。会泽县岩溶分布广泛，石漠化已成为当地经济社会可持续发展的一大阻力。2017 年第三次石漠化监测数据显示，会泽县岩溶面积达1372.33 km2，石漠化区域面积988.03 km2，占全县国土面积的16.79%。

3 研究方法

3.1 数据来源与处理

会泽县石漠化监测矢量图层(2005年、2011年、2017年)来源于云南省林业调查规划院，经投影变换处理，结合监测相关综合治理进展与完成情况、最新统计年鉴数据进行深入分析。石漠化等级划分依据云南省岩溶地区石漠化监测实施细则。

3.2 单一等级石漠化动态度

单一等级石漠化动态度K，其正负值代表某一级石漠化演变的加剧或逆转,它可以定量描述石漠化变化的数量特征。公式为：

(1)

式(1)中：Ua为开始年份的统计面积；Ub为结束年份的统计面积；T为监测的年数。

3.3 综合石漠化动态度

综合石漠化动态度即为研究区内石漠化类型总体变化幅度及速度。公式为：

(2)

式(2)中：Uai、Ubi即研究区第i类石漠化类型在研究开始和结束年份的统计面积；S为研究区的总面积；T为研究的年数；n为石漠化类型数量。

3.4 面积转移矩阵

面积转移矩阵可用于描述同一地区不同时间段石漠化类型之间的转换关系。 将2005、2011、2017年会泽县石漠化监测矢量数据通过ArcGIS叠加，创建了2005～2017年3个时期的会泽县石漠化面积转移矩阵。

3.5 石漠化演变速率

石漠化演变速率u，是研究期内石漠化的增减速率。公式为：

u=ΔSi/T

(3)

式(3)中：ΔSi代表某一石漠化类型在监测时间内的变化面积；T为研究的总年数。

3.6 石漠化演变频率

石漠化演变频率E，即某种石漠化强度类型向另一种石漠化强度类型转变的频率。 它能定量描述某种石漠化类型的变化难度，从而更直观地分析出哪种石漠化类型更容易发生变化，哪种石漠化强度类型趋于稳定。公式为：

E=(ΔSi/Si)/T×100%=V/Si×100%

(4)

式(4)中：si为监测开始期某种石漠化类型的面积；ΔSi为监测时期内某一种石漠化类型的变动面积；T为研究的总年数。

4 结果与分析

4.1 总体变化特征

从石漠化总面积和不同等级石漠化面积的变化情况看，2005、2011、2017 年会泽县石漠化面积分别为952.41 km2、1034.60 km2、988.03 km2，占全县总土地面积比分别为16.18%、17.58%、16.79%，占全县岩溶面积比分别为69.40%、75.39%、72.00%。2005～2011 年石漠化增长面积达82.19 km2。2011～2017 年，石漠化总面积减少了46.57 km2(表1、2，图1)。

表1 会泽县2005～2017年石漠化面积统计

表2 会泽县2005～2017年不同等级石漠化面积及比例

图1 2005～2017年会泽县各等级石漠化分布统计

从表1、2和图1中可以看出：会泽县潜在石漠化、轻度石漠化分布广泛，各面积之和在相应年份占比都在10%以上，是会泽县主要石漠化类型；中度、重度和极重度石漠化占比则低于7%。近13 年间，会泽县石漠化总面积减少了35.62 km2。

4.2 单一等级石漠化动态度

从表3中可以看出，2005～2011年，潜在石漠化、轻度石漠化、中度石漠化、重度石漠化、极重度石漠化面积分别增加了9.19 km2、26.45 km2、20.55 km2、7.29 km2和18.71 km2，动态度分别为0.51%、1.60%、2.07%、1.26%和3.27%，其中，轻度、重度面积增长速度较快；除中度和极重度石漠化变化较为显著外，其余石漠化类型的动态变化较为均匀。无石漠化的面积则减少了82.19 km2，动态度为-3.33%。

表3 会泽县2005～2017年不同类型石漠化动态度

2011～2017 年，轻度石漠化、中度石漠化、极重度石漠化面积分别减少了35.09 km2、2.26 km2和50.09 km2，动态度分别为-1.94%、-0.20%和-7.35%。潜在石漠化和重度石漠化面积均呈增加趋势，分别增加了34.12 km2和6.75 km2，动态度为1.84%和1.09%；经过多年治理和保护，无石漠化面积增加了46.57 km2，动态度为2.34%，石漠化治理取得了阶段性成果。

4.3 综合石漠化动态度

由表4可以看出，3 个时期的综合石漠化动态度呈现先增大后减小的趋势分别为0.48%、0.51%和0.44%。2011～2017年间动态变化最强。不同等级石漠化的比重随着石漠化等级的增大而逐渐减弱。总体上看，石漠化土地总面积持续减少。

表4 会泽县2005～2017年综合石漠化动态度

4.4 面积转移矩阵

叠加2005、2011和2017年3期石漠化矢量数据，制成石漠化空间转化图(图2)，利用变量数据分析各石漠化等级的演变特点和变化形式(表5)。由图2和表5可知：2005～2011年会泽县的石漠化分布未发生较大变化，重度转为轻度(68.37 km2)、中度转为轻度(79.49 km2)变化最明显，其次为潜在转为轻度和中度、轻度转变为中度、重度转变为中度和极重度。其余类型之间的转变面积相对较小。

表5 2005～2011年会泽县石漠化等级面积转移矩阵 km2

由图2和表6可以看出：2011～2017 年变化最为显著的是轻度转为潜在，面积为57.45 km2，极重度转为重度，面积为33.60 km2；其次为中度转为潜在，中度转为轻度，轻度转为中度，重度转为潜在和中度，极重度转为中度，其余类型转换较小。由图2和表7可知：2005～2017 年主要变化是轻度转为潜在，面积达54.84 km2，极重度转为重度，面积为24.46 km2，中度转为轻度，面积为23.84 km2；其余类型间的转换：潜在转为轻度和中度，中度转变为重度，极重度转变为中度。其余类型之间的转换面积相对较小。

表6 2011～2017年会泽县石漠化等级面积转移矩阵 km2

表7 2005～2017年会泽县石漠化等级面积转移矩阵 km2

图2 2005～2011年、2011～2017年、2005～2017年石漠化空间转化

4.5 石漠化演变速率

由图3可以看出，会泽县石漠化演变速率由高到低依次为：潜在石漠化(7.22 km2/a)，中度石漠化(3.05 km2/a)，重度石漠化(2.34 km2/a)，轻度石漠化(-1.44 km2/a)，极重度石漠化(-5.23 km2/a)，非石漠化(-5.94 km2/a)。

4.6 石漠化演变频率

由图3可以看出，石漠化演变频率最快的为重度石漠化(2.43%/a)和潜在石漠化(2.4%/a)。此结果说明，重度石漠化和潜在石漠化的变化最为剧烈，动态性最强。石漠化演变频率最慢的为极重度石漠化和非石漠化。轻度石漠化的演变频率(-0.52%/a)仅低于潜在石漠化和中度石漠化。

图3 2005～2017年石漠化土地演变速率及演变频率

4.7 石漠化的空间分布

由会泽县石漠化空间分布图(图4)可以看出：会泽县石漠化分布范围广，等级齐全，整体呈现条带状分布，空间分布格局特征明显。岩溶区主要分布在会泽县东南部、西部小江一带以及东部牛栏江一带。石漠化较严重的区域主要发生在田坝乡的金槽、尹武、李子箐；娜姑镇的炭山。娜姑镇的炭山受气候变化和植被破坏等因素的影响导致水土流失剧烈，石漠化最为严重，属典型的岩溶地貌，是会泽县石漠化治理重点村之一。石漠化严重地区：矿山镇的河湾子、格核米；待补镇的嘎里、糯租、箐门等；雨碌乡的陡红、小铺；火红乡的耳子山；娜姑镇的发基卡、红泥、绿坪。

图4 2005年、2011年、2017年会泽县石漠化空间分布

5 结论与讨论

(1)2005～2017 年，会泽县喀斯特地区石漠化面积不断减少，生态条件稳步改善，轻度石漠化、中度石漠化、极重度石漠化面积不断减少，无石漠化地区越来越多。2005～2011 年，会泽县实施了封山育林育草、人工造林、小型水利水保等工程，但这一时期由于生产力水平仍较低，长期不合理的人类活动导致石漠化的演变更为严峻。2008 年以来，会泽县对岩溶地区石漠化进行了综合治理，在治理过程中，由于缺乏专业技术理论支撑，导致治理不系统，规模较小，属尝试性的探索；同时存在大量的人为破坏和自然灾害，随着人口的增长，喀斯特地区的陡坡被开垦耕种，加之自然灾害的影响，导致岩石裸露，加重了水土流失，故石漠化呈加剧趋势。2011～2017 年，会泽县加大了对石漠化治理的投入，加强生态保护和修复，严厉打击破坏生态环境的行为，综合治理了县域内多个流域范围的石漠化土地。大力推广退耕还林还草、植树造林、封山育林等政策，增加了老百姓的收入，提升了区域植被覆盖度，减轻了岩溶地区石漠化程度，有效控制了水土流失，改善了生态环境。不同类型石漠化面积和石漠化总面积变化表明：随着林业各工程项目的推进，会泽县的石漠化面积持续减少，无石漠化面积呈增加趋势。

(2)从单一等级石漠化动态度变化可以看出，人工造林和草地植被保护使石漠化地区的植被得到恢复，岩溶地区石漠化面积连续减少，生态环境不断改善。农业技术措施的改变助力了石漠化地区生态系统服务功能的逐步恢复。由于石漠化自然演替成其他等级的石漠化，加上一系列治理措施，所以极重度变化最为显著。等级之间的相互转换导致了潜在以及重度石漠化动态度处于正值变化。极重度石漠化动态度处于直线负值变化，说明会泽县石漠化治理工程成效是显著的。轻度、中度、极重度发生明显逆转，说明石漠化防治的各项措施发挥了一定作用。由会泽县综合石漠化动态度可知，2005～2011 年喀斯特地区石漠化变化缓慢，2011～2017 年变化加速。由于石漠化转移主要在其他类型中转移所致所以非石漠化演变速率最慢。此结果说明石漠化发展到极重度石漠化环境下的生态系统基本无法改变其恶劣状态，在一定时间内基本处于无变化状态。所以，在对喀斯特石漠化进行治理的过程中，应尽量避免对极重度石漠化地区进行人为治理措施和人类活动，比如异地搬迁等，使这些区域有一个长期的自然恢复过程，将治理资源投入到演变速率较快的潜在、中度石漠化类型区域。从各类型石漠化的演变频率看，重度石漠化和潜在石漠化是对外部影响最为敏感的类型。在治理过程中应优先治理潜在石漠化和重度石漠化，这样才能在生态环境得到有效治理的同时，节省人力物力财力，更加科学有效地治理石漠化。

(3)从自然地理地貌、社会经济发展和人类不当行为概况分析会泽县喀斯特地区石漠化的分布，得出分布规律：①会泽县石漠化主要分布在人口密度大的偏远山区，这些地区人均耕地不足，人民群众的生产经营方式落后，当地群众大量砍伐树木用于生产生活，导致森林资源减少，土壤遭到破坏，进一步引起石漠化；②会泽县石漠化多分布于岩溶山脉和峡谷地区，自然环境十分恶劣，水土流失严重。

(4)会泽县石漠化主要分布在干热少雨，植树种草难度大，生态环境恶劣，石漠化程度高，水土流失严重的干热河谷及人口密集区。其动态变化的特点是整体得到了控制，部分仍在扩展。扩展的原因主要是会泽县是云南省第三人口大县。人口过多，土地超载，大量坡地被开垦，其结果是生态环境越来越恶劣，最终形成石漠化；过度砍伐树木严重破坏了会泽县的自然环境与生物多样性，加剧了石漠化发展；过度放牧导致大面积的森林和草地植被遭到破坏，降雨时土壤被大量冲刷，进一步导致基岩裸露，形成石漠化；任意采石采砂等不合理开发建设加之生态修复治理工程没有及时跟进，破坏了林草植被生长，造成新的水土流失，石漠化的恶性发展加大了自然灾害影响。2005 年以来，会泽县出现了春旱、初夏干旱、秋旱等恶劣气候，夏季、冬季节降水量不足，导致植被生长困难。夏季气象灾害和泥石流、冰雹、大风、洪水等次生灾害时有发生，导致基岩裸露，更加剧了石漠化恶性增长趋势。会泽县政府部门实施的荒山造林、封山育林育草等一系列石漠化防治措施有效遏制了石漠化的发展势头，喀斯特地区石漠化面积不断减少，区域生态环境和人民生产生活条件逐步改善，群众得到了切实的治理效益。