基于RS的都安石漠化时空演变研究

苏成杰　施宇军　范亚军　蒋霖　王文贯

关键词：都安；石漠化；遥感

中图分类号：X87 文献标志码：A

前言

喀斯特石漠化是指在独特的喀斯特地质条件和气候环境背景下，因为遭受不合理的人类活动的影响，导致岩石大量出露，促使土地可利用的价值下降。中国西南地区地处热带或亚热带气候区，是世界上喀斯特地貌面积分布最广泛、特色最鲜明和发育最密集的地区。西南喀斯特石漠化分布面积最广的前三个省（区、市）为贵州省、广西壮族自治区和云南省。石漠化加剧演变的本质就是粗放式和不科学的土地利用引起喀斯特地区可有效利用的土地骤减。石漠化的时空演变的实质是人类活动对生态系统的干预，直接对生态环境的演变的方向。从20世纪50年代末以来，西南喀斯特地区石漠化呈现出自先增加后减少的变化趋势，石漠化程度明显减轻，表明了中国政府治理石漠化的措施是有效的。

对石漠化信息提取和演变研究有以下方法：基于不同年份的Landsat遥感影像数据，可利用转移矩阵分析石漠化动态；采用高分五号高光谱数据的混合像元分解法和Landsat-8多光谱数据的光谱指数法可以提取石漠化信息；基于”3S”技术提取石漠化信息，利用转变矩阵和动态度分析石漠化转变情况和转变速率。

文章根据Landsat-5 TM和Landsat-8 011遥感影像，运用ENVI软件提取都安2000年、2010年和2020年的石漠化信息，分析近20年都安石漠化的时空演变。

1研究区概述

都安瑶族自治县位于广西壮族自治区中部偏西，东经107°51′～108°30′，北纬23°47′～24°35′，隶属于广西壮族自治区河池市，地处于云贵高原向广西盆地过渡的斜坡地带上，都阳山脉东段，总体地势为北西高、南东低，是全国喀斯特地貌发育最为典型的地区之一。地层以石炭系与二叠系的碳酸盐岩为主，占总面积的94%左右。土壤以石灰岩土为主，占全县总土地面积的89%左右。都安属于南亚热带季风气候区，年均气温18.2℃～21.7℃，年均降雨量为1200mm～1900mm。亚热带常绿阔叶林是该县的主要植被，因为长期受到过度的破坏，生态环境严重失衡，石漠化严重。

根据2021年《广西统计年鉴》数据，都安县总人口72.65万人（2020年末），2020年全县农村居民人均可支配收入9825元，低于河池市全市农村居民人均可支配收入13832元。脆弱的生态环境、突出的人地矛盾和薄弱的经济基础制约着都安经济社会的可持续发展，对石漠化的时空演变产生重大影响。

2不同三年都安石漠化信息的提取

2.1数据源

陆地卫星的主要目的是搜集地球资源和环境信息。由于陆地卫星能提供较为廉价周期性的遥感数据，因此在土地利用和水系资源勘察、农业作物生长状况监测、矿产勘察、地质与测绘、自然灾害动态变化监测和环境变化的动态监测等均得到广泛应用。以美国从1972年以来不间断成功发射的8颗“陆地卫星”（LANDSAT）为主。因此，文章选取陆地卫星拍摄的Landsat -5的TM和Landsat-8的OLI遥感影像提取石漠化信息。在中国科学院网站（http：//www.gscloud.cn）分别下载覆盖整个都安的2000年和2010年的Landsat-5的TM；2020年的Landsat-8的OLI遥感影像。运用专业软件ENVI对遥感影像进行镶嵌，根据都安境界的矢量文件对镶嵌的影像进行裁剪得到不同年份整个都安的遥感影像。如图1所示为假彩色合成的2000年的都安遥感影像图。

2.2喀斯特石漠化分级特征

以前人分类标准为参考，根据都安喀斯特地区野外实地调查和验证为依据，喀斯特石漠化可以划分成极强度石漠化、强度石漠化、中度石漠化、轻度石漠化和潜在石漠化5个等级。

极强度石漠化地类特征：是石漠化发育最严重的阶段，石漠化现象显著，地表植被覆蓋度低于10%，基岩裸露率大于80%，大量基岩露出地表。土壤分散分布在石沟、石槽和石缝中，岩石间隙中零星长有少量植被，基本处于裸露石山的景观。

强度石漠化地类特征：是石漠化发育较为严重的阶段，石漠化现象较为明显，地表植被覆盖度介于10%～20%之间，基岩裸露率大于70%。土壤破碎的分布于溶蚀沟、溶蚀缝和溶蚀坑中，土层厚度一般不超过10 cm。在破碎分布的土壤中长有少数旱生的草本植物和小灌木，在冬季旱生的草本类植物基本上枯萎，与夏季植被覆盖度相差大，具有明显的季节性。强度石漠化较高的发生于石灰岩含量高的峰丛、峰林喀斯特山地或丘陵中，在这类地区大多数为利用率低的荒草地和少数陡坡开垦地。

中度石漠化地类特征：地表植被覆盖度介于20%～30%之间，基岩裸露率大于50%。土壤被石芽分割，土壤侵蚀显著，土壤厚度一般小于30 cm。以草本植物和灌木混合群落为主要地表植被。生草本植物或小灌木生长于出露基岩的裂缝和溶沟的土壤中，冬季部分地表植被枯萎，引起地表植被覆盖度的显著下降。中度石漠化多数发生在纯碳酸盐岩峰丛洼地或峰林地貌喀斯特山地丘陵上，该地区属于人类活动频繁的区域。

轻度石漠化地类特征：石漠化现象不明显，地表植被覆盖度大于40%，岩石裸露率介于30%～40%之间。石芽少量出现在土壤中，土壤层片状连续分布。一般情况下土层厚度大于50 cm，最厚可高达1.5m。地表植被长势好且种类较为丰富，主要是多年草本植物、灌丛、灌木以及藤本群混合体。

潜在石漠化地类特征：该地区基本上不存在石漠化现象，地表植被覆盖大于50%，基岩裸露率小于20%。具有连续分布的土壤，土壤厚度一般为介于1.0m～2.5m之间。灌木、乔木和草均有，植被种类丰富、结构完整。潜在石漠化生态系统基本上保持平衡，属于经过石漠化治理后恢复或者人类活动较为合理的地区。

2.3石漠化信息的提取

根据5个级别的石漠化特征，可通过像元二分模型提取石漠化信息，相关研究表明提取石漠化信息有较高的精度。文章基于二分像元模型，运用遥感图像处理专业软件ENVI的决策树分类方法提取研究区2000年、2010年和2020年的石漠化信息，获得都安不同三年石漠化空间分布图（见图2）。

文章研究区为都安，总土地面积为4088 km²，不同三年各个等级石漠化统计结果如表1所示。2000年都安石漠化总面积为87.336 km²，占都安县总土地面积的21.46%；2010年都安石漠化总面积为1618.561km²，占都安县总土地面积的39.59%；2020年都安石漠化总面积为1237.142 km²，占都安县总土地面积的30.26%。从以上统计结果可知2000年一2010年，都安石漠化总面积大幅度增加；2010年一2020年，都安石漠化总面积出现减少。

3近20年都安石漠化演变分析

喀斯特石漠化是一个随着时间推移而动态的演变过程，可以表征生态环境恶化的程度，其自身景观特性可以表现石漠化的动态变化。石漠化土地动态变化程度是指某个研究区在一定时间段内某个等级石漠化土地类型在数量上改变的情况，可以真实的反映石漠化土地变化的剧烈程度，可用以下公式计算：

式（1）中U_a为起始年统计面积，U_b为终止年统计面积，T为监测年数。动态度为正值表示某个等级石漠化演变加剧，负值则表示石漠化有逆转的趋势。动态度K值的绝对值的大小，反映石漠化变化趋势的快慢。

根据遥感图像处理软件ENVI对遥感影像的解译，并统计3个时期都安各个不同等级石漠化土地的面积，详细分析都安石漠化土地动态变化的趋势（见表2和表3）。

近20年来，都安石漠化总面积先快速增长，后逐渐逆转，各个不同等级的石漠化土地均有不同程度的加剧或逆转。2000年-2010年，各个等级石漠化土地均出现快速的加剧。2010年-2020年，极强度石漠化、强度石漠化和轻度石漠化出现逆转，中度石漠化和潜在石漠化出现加剧，但石漠化土地总体出现逆转。

2000年-2010年，石漠化土地年均增加74.122km²，在各个等级石漠化中，轻度石漠化年均增加速度最快，高达33.583 km²。轻度石漠化演变加剧最严重，动态度高达62.481%，其次为强度石漠化，动态度均为15.670%。由于本世纪初期喀斯特地区生产力水平低下和沿袭着传统的生活方式，长期不合理的人为活动导致石漠化演变严重加剧。石漠化未引起政府部门重视，没有制定相应的措施治理石漠化。随着人口的逐年增长，在自然资源匮乏的喀斯特石山地区为了生存需要进行陡坡开垦耕种，使得原本植被稀疏和单一的地区植被遭到严重破坏。水土流失严重，大量基岩裸露，生态环境系统严重失衡，加剧石漠化演变。

2010年-2020年，石漠化土地出现逆转，年均逆转速度为38.142 km²，其中极强石漠化、强度石漠化和轻度石漠化均发生不同程度的逆转，年均逆转速度都高于17 km²，中度石漠化和潜在石漠化出现演变加剧，年均演变加剧程度较上一时期略高。石漠化出现逆转且具有逆转速度快的趋势，主要是由于石漠化引起全社会的高度重视。喀斯特石山地区生产水平提高和生活方式的转变，减少对环境施加的压力，生态环境系统得以恢复。政府部门实行封山育林措施，植被覆盖度逐年增加。

4结束语

2000年都安石漠化总面积为877.336km²2010年都安石漠化总面积为1618.561km²，2020年都安石漠化总面积为1237.142km²。2000年-2010年不同等级的石漠化土地总体呈上升变化，2010年-2020年不同等级石漠化土地呈下降趋势。2000年-2010年，石漠化土地年均增加74.122 km²，其中轻度石漠化年均增加速度高达33.583 km²，轻度石漠化演变加剧最严重，动态度高达62.481%。在自然资源匮乏的喀斯特石山地区人地矛盾突出，生态环境系统严重失衡，加剧石漠化演变。2010年-2020年，石漠化土地出现逆转，年均逆转速度为38.142 km²，其中极强石漠化、强度石漠化和轻度石漠化均发生不同程度的逆转，年均逆转速度都高于17km²。都安石漠化演变的逆转表明植被覆盖的逐年增加，生态系统得以恢复，说明政府部门采取治理石漠化的措施有效。