长江上游石漠化地区水土资源与人类活动的耦合关系研究——以会泽县为例*

陈智，殷晓洁，滕皎，李干，李慧，王妍

(1.西南林业大学 林学院，云南 昆明 650224；2.云南省山地农村生态环境演变与污染治理重点实验室，云南 昆明 650224)

石漠化是岩溶地区严峻的生态环境和强烈的人类活动共同导致的极端土地退化现象[1]。石漠化的发育演化造成土地丧失利用价值，导致耕地资源锐减和生态恶化，已成为阻碍区域经济发展的重要制约因素[2-4]。西南喀斯特地区位于长江上游，其生态状况关系到整个长江流域的水安全和生物多样性安全，具有重要的生态屏障意义。然而，石漠化导致生态系统功能退化，当地的生态安全受到了严重的威胁，这不仅对西南地区的生态安全构成了风险，还对整个长江流域的生态安全构成了潜在的威胁。因此，保护和修复西南喀斯特地区的生态环境对于维护整个长江流域的生态安全具有重要的意义。为了有效实现石漠化防治结合，许多学者开展了石漠化演化和驱动因子的研究，王宇等[5]探讨了滇东地区石漠化的分布特征并分析了水土资源影响因素，杨妍妨等[6]通过实地调查和主控因素描述分析了自然条件和人类活动对石漠化发展的影响，杨庆清等[7]运用景观变化分析结合富余分析的方法研究了池河市石漠化驱动因素，李阳兵等[8]基于人机交互解译，利用空间分析和叠加分析法研究了后寨河流域石漠化的影响因素。综上所述，国内学者对石漠化演化驱动因子研究取得了一定的成果，定量描述了各驱动因子对石漠化演化的影响程度，但未能揭示各驱动因子相互协调作用以及各因子间可能具有的协同或耦合作用，这使得研究石漠化演化各驱动因子之间的相互作用变得更加困难。不同时期的人类活动和自然环境状况等因素对石漠化的影响程度存在显著差异，这也需要更加深入研究。此外，由于不同时期的人类活动和水土资源状况等因素对石漠化的影响程度存在显著差异，也需要进一步更深入地探究这些影响。人类活动的过度开发和水土资源的不合理利用加剧石漠化发生[9]，因此，石漠化地区水土资源与人类活动的协调性是急需研究的重要课题，首先进行二者之间的耦合协调度评价，进而根据具体情况分析并找到解决方法。有关水土资源与人类活动的耦合关系研究，主要包含水土资源与城市化、水土资源优化配置、土地生态安全与社会经济、生态环境与经济及水土资源与社会经济可持续发展等方面[10-14]，以上耦合关系研究大多局限于大尺度研究区域。本研究在小区域石漠化演变的基础上，分析石漠化驱动因子并构建水土资源与人类活动的耦合模型，揭示影响石漠化演变的原因，并探究水土资源与人类活动两类驱动因子间的耦合协调关系，为水土资源合理利用与保护、石漠化治理和区域可持续发展提供科学依据。

本文以长江上游典型石漠化地区云南省会泽县为研究区，基于Landsal TM/OLI遥感影像数据，分析石漠化演变的驱动因子，量化水土资源和人类活动因素对石漠化的影响程度，运用熵值赋权法和系统耦合模型，对2010—2020年会泽县石漠化地区水土资源与人类活动的耦合协调关系进行分析。以期促进长江上游典型石漠化地区水土资源和人类活动协调发展，为长江上游生态系统恢复以及指导石漠化综合防治提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

会泽县位于云南省曲靖市西北(25°48′～27°04′N、103°03′～103°55′E)，金沙江东岸，乌蒙山主峰地段，处于三省八县交界。境内山高坡陡，山谷深，西高东低，地势起伏复杂，山区面积占95.7%。属温带季风气候，垂直地带性明显，气温水平分布复杂，形成典型的立体气候，近年来，降水强度较小。该县生态环境十分脆弱，是典型的岩溶地区，受小江、金沙江、牛栏江和硝厂河等江河的深切割作用，境内山高、坡陡、谷深，加之植被破坏严重，导致水土流失严重，石漠化成片分布。由于会泽县农业人口多、生产力较低，许多草地和林地被开垦为耕地，进一步加重了水土流失和石漠化的发生，石漠化已成为当地经济社会可持续发展的最大阻力。2017年第三次石漠化监测数据显示，会泽县岩溶面积达1 372.33 km2，石漠化面积988.03 km2，占全县国土面积的16.79%。

图1 研究区地理位置

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源

遥感数据为2010年2月7日Landsat-5 TM、2015年2月21日和2020年1月18日Landsat-8 OLI_TIRS卫星影像数据，均来源美国地质调查局(https://earthexplorer.usgs.gov/)，共6景，空间分辨率为30 m。数字高程模型数据(DEM)来自于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)。通过ENVI 5.3软件对影像进行辐射定标、大气校正等处理，采用无缝镶嵌工具对研究区遥感影像数据进行镶嵌，并利用会泽县矢量数据裁剪研究区范围。云南省水文地质图来自于中国科学院地球化学研究所的喀斯特数据中心(http://www.gyig.cas.cn/)，水资源数据来源于《会泽县水资源公报》，气候数据来源于国家气象科学数据中心(http://cdc.cma.gov.cn/)，土地利用数据、夜间灯光数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)，人口、经济数据来源于《会泽县统计年鉴》和会泽县人民政府网(https://www.huize.gov.cn/)，统计各年份数据，利用ArcGIS 10.2软件进行数据矢量化、空间插值，空间数据都统一为WGS84投影坐标系，分辨率为30 m×30 m。

1.2.2 石漠化分级

植被覆盖度、基岩裸露率和坡度为石漠化调查评估、等级划分的常用评价指标[15-17]。利用ENVI 5.3软件，通过波段运算提取会泽县的归一化植被指数和归一化岩石指数，采用像元二分模型分别计算出植被覆盖度和土壤裸露率[18]。参考相关石漠化分级研究[19-21]，根据研究区实际情况，建立石漠化等级划分标准表(表1)，基于CART决策树算法建立石漠化的分类模型进行石漠化等级划分，辅以云南省地质图剔除非岩溶地区，得到会泽县石漠化等级分布图。

表1 石漠化的等级划分标准[19-21]

FVC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

①

Fr=(NDRI-NDRImin)/(NDRImax-NDRImin)

②

式中：FVC为植被覆盖度，Fr为土壤裸露率，在NDVI和NDRI频率累积表上取频率5%对应的NDVI和NDRI值作为NDVImin和NDRImin，累积频率为95%对应的NDVI和NDRI值作为NDVImax和NDRImax。

通过人机交互解译的方法进行2020年石漠化等级精度验证，基于随机选取的162个石漠化样点，结合2020年的谷歌高清影像，最终总体精度为76.80%，可进行后续相关研究。

1.2.3 石漠化驱动因子分析

根据石漠化的发育过程与演化特征，以及会泽县地形地貌类型特点和石漠化的分布范围，从水土资源中选取年均降水量(mm)、人均水资源量(m3/人)、农业用水量(亿m3)、耕地比例(%)、林地比例(%)作为驱动因子指标，从人类活动中选取人口密度(人/km2)、农业人口比例(%)、人均GDP(元)、农村人均收入(元)、地均农业产值(元/hm2)作为驱动因子指标。利用SPSS 22软件[22]进行相关性分析和主成分分析，计算相关性系数、主成分因子载荷、贡献率和累计贡献率，进行2010—2020年的石漠化驱动因子分析。

1.2.4 耦合协调度模型

(1)评价指标体系及权重确定

依据会泽县石漠化地区水土资源利用特点和人类活动实地调研结果，遵循代表性、典型性、可获取性和科学性等原则[23]，构建“水土资源—人类活动”评价指标体系(表2)。

表2 耦合协调评价指标体系

采用无差标准化法对原始数据进行标准化处理，具体计算公式如下。

μij具有正功效

μij=[χij-min(χij)]/[max(χij)-min(χij)]

μij具有负功效

μij=[max(χij)-χij]/[max(χij)-min(χij)]

③

式中:μij为因子χij对系统的功效贡献值,反映了各影响因子达到目标的满意程度,取值范围为[0,1],0表示最不满意,1表示最满意[24]。χij(1,2,…,n)为第i个序参量的第j个指标。

采用熵值法确定指标权重值[25]。具体计算公式如下。

④

式中:Ui为各子系统对总系统有序度的贡献值;wj为各个序参量的权重,可利用层次分析法确定[26]。

运用熵值法得到水土资源和人类活动两类指标的权重值(表2),除农业用水量、耕地比例、农业人口比例为负功效之外,其余指标均表现为正功效。

(2)耦合协调指数

采用耦合度评价水土资源与人类活动两个系统的耦合关联程度[27]。具体计算公式如下。

⑤

协调度指水土资源和人类活动两个系统的耦合程度大小。具体计算公式如下。

⑥

式中：D为水土资源系统和人类活动耦合协调度；C为耦合度；T为水土资源系统和人类活动的综合协调指数，用以反映区域两个系统的整体协调效应。

T=αθ1+βθ2，α和β分别为水土资源系统和人类活动系统贡献度待定系数，由于水土资源系统和人类活动系统相互影响相互作用，取α=β=0.5。

D的取值范围为[0，1]，D值越大，表示水土资源系统和人类活动系统两者间的耦合协调发展程度越高，参考相关研究成果[28-29]，按照协调度的大小，对耦合协调程度类型划分(表3)。

表3 耦合协调分类体系

2 结果与分析

2.1 石漠化状况分析

2010—2020年，会泽县已石漠化地区面积减少423.22 km2，占全域面积的26.72%，无石漠化面积增加436.55 km2。10年间，极强度石漠化、强度石漠化、中度石漠化和潜在石漠化面积均呈下降趋势，分别减少16.98 km2、183.80 km2、228.18 km2和13.33 km2，轻度石漠化面积增加5.73 km2。2010—2015年，石漠化面积变化幅度较小，主要表现为无石漠化面积增加62.78 km2，年均增长2.97%，对应于潜在石漠化地区面积的减少。2015—2020年，极强度石漠化、强度石漠化和中度石漠化地区面积均明显减少，分别减少17.27%，23.76%和14.23%，潜在石漠化、无石漠化地区面积分别增加10.82%和15.93%(图2)。

图2 会泽县岩溶地区2010—2020年石漠化分级分布图

2010—2015年间，极强度石漠化主要分布在宝云街道、古城街道和大海乡，强度石漠化主要分布在大海乡，中度石漠化主要分布在东北地区的火红乡和矿山镇、西南地区的驾车乡。2020年，极强度、强度和中度石漠化明显减少，强度石漠化零散分布，中度石漠化主要分布在者海镇和古城街道，大海乡、待补镇、雨碌乡、上村乡和驾车乡无石漠化面积显著提升。

2.2 石漠化驱动因子分析

由表4可知，石漠化与年均降水量、人均水资源量、林地比例和人均GDP呈显著负相关，与农业用水量、耕地比例、人口密度、农业人口比例和农村人均收入呈正相关，其中，年降水量、耕地比例、林地比例、人口密度和农业人口比例的相关性指数均达到0.80以上，林地比例相关性最高，与地均农业产值相关性不显著。

表4 石漠化相关性分析、主成分因子负荷和贡献率

第一、二主成分的贡献率分别为72.84%、21.24%，累计贡献率达94.66%，已基本包括了指标的具体信息。其中，第一主成分，主要由年均降水量、农业用水量、耕地比例、林地比例、人口密度和农村人均收入决定，说明水土资源和人类活动均对石漠化的影响显著，这与相关性分析结果一致，水土资源类因子的载荷较高。第二主成分包括人均水资源量、农业人口比例、人均GDP和地均农业产值，人类活动类因子的载荷较高。根据综合累计贡献率，水土资源类因子荷载最高，因此，林地比例、年降水量和耕地比例是2010—2020年会泽县石漠化演化的主要驱动因子。

2.3 石漠化地区水土资源和人类活动的耦合分析

2.3.1 水土资源系统与人类活动耦合协调度分析

会泽县2010—2020年间水土资源与人类活动耦合协调度整体水平较高，2010、2015和2020年的总耦合协调度均值分别为0.663 5、0.653 1和0.734 7，先略有下降后明显上升。其中2010年的耦合协调度范围在0.377 0～0.811 2，协调类面积达1 445.49 km2，占研究区石漠化面积的91.25%，且以高度协调为主，占比56.52%，勉强协调、轻度失调地区面积分别占6.07%和8.75%。2015年的耦合协调度在0.336 2～0.868 2之间，协调类面积达1 385.89 km2，占比87.48%，其中高度协调面积占比为46.86%，勉强协调和轻度失调面积分别占7.91%和12.52%。2020年的耦合协调度总体得到提升，范围在0.389 3～0.835 1，协调类面积达1 486.66 km2，占比93.84%，高度协调和中度协调地区面积占比分别达65.41%和16.57%，轻度失调面积仅占6.16%(图3)。

图3 会泽县2010—2020年水土资源与人类活动耦合协调度空间分布

从分布区域来看，2010年和2015年，会泽县石漠化地区水土资源与人类活动轻度失调地区主要分布在者海镇、待补镇、金钟街道、古城街道和驾车乡，在极强度与强度石漠化地区分布较多。勉强协调区域呈连片聚集分布，主要集中在者海镇、待补镇、驾车乡、古城街道和金钟街道的中度石漠化与轻度石漠化地区。中度协调和高度协调则均匀分布在无石漠化与潜在石漠化地区。2020年，会泽县石漠化地区轻度失调小面积分布在者海镇和宝云街道石漠化严重地区，勉强协调主要聚集在者海镇的中度石漠化地区，中度协调和高度协调分布广阔，与无石漠化和潜在石漠化分布一致。总体上，轻度失调主要分布于相对发达的乡镇及周边，人类活动较少的山区协调度较高，因此石漠化等级空间分布和水土资源与人类活动的耦合协调度存在一致性。

2.3.2 水土资源系统与人类活动耦合协调类型转换分析

由图4可知，2010—2015年水土资源与人类活动耦合协调程度主要表现为由高转低，其中高度协调转向中度协调面积为135.84 km2，以待补镇、雨碌乡和者海镇由高度协调转向中度协调面积最大；高度协调转向勉强协调的面积为87.26 km2，矿山镇和驾车乡尤为明显；由协调类转向失调类的面积达112.49 km2，主要表现为者海镇、待补镇、驾车乡和宝云街道协调性转换为轻度失调面积较大；由失调类转向协调类的面积为50.69 km2。2015—2020年，耦合协调程度主要由低向高转换，中度协调和勉强协调转向高度协调面积分别达到243.72 km2和239.62 km2，主要集中在金钟街道、宝云街道和矿山镇；由失调类转向协调类的面积达212.48 km2，者海镇、待补镇、驾车乡、大海乡和金钟街道耦合协调度均有明显上升；由协调类转向失调类的面积为56.12 km2，出现在乐业镇、雨碌乡和矿山镇小部分地区。

图4 会泽县2010—2020年水土资源与人类活动耦合协调度等级转移矩阵

3 讨论与结论

3.1 讨论

会泽县石漠化演化规律呈现逐渐好转的趋势，在空间分布上呈现出以下特征：石漠化面积大，分布范围广，主要以连片状态分布于峰丛洼地、峰丛鞍部、高寒山区以及干热河谷地带。虽然总体演变趋势好转，但局部恶化，潜在石漠化地区容易出现反弹，这是由于潜在石漠化处于石漠化发生的临界点，受人类活动干扰较大。此外，中度石漠化虽大幅减少，但仍占很大比例，且极易向强度和轻度石漠化转化，主要由水土资源条件决定，同时受到生态保护政策影响。

相关性分析和主成分分析法能按权重占比，定量筛选对石漠化演化影响大的驱动因子，侧重各因子的量化权重，林地比例、年降水量和耕地比例载荷较高，说明水土资源对石漠化演化的影响较大，做好生态建设工作，保护林地资源，减少开发，缓解石漠化发展；其次是降水，其决定了植被生长的条件，尤其是会泽县位于典型的干热河谷地区，极度缺水，降水对植被的生长尤为重要。主成分分析法主要基于因子类型的数量运算，对于较大尺度区域的石漠化驱动因子贡献率计算会存在一定误差，不同尺度的驱动因子对于石漠化发育演化的影响机理研究应考虑结合其他量化方式，以提高计算结果精度[30]。此外，石漠化发生与基岩组成和土壤性质密切相关[19]，受限于数据的可获得性，本文没有开展岩性和土壤等因子的研究。在今后探究石漠化的驱动因子时，应考虑各个方面的因素影响。

10年间，水土资源与人类活动的耦合度逐步上升，水土资源开发得到有效缓解，石漠化演化与之密切相关，水土资源为石漠化的发展或逆转提供了基础条件，在多雨高温期，区域降雨以阵雨或者暴雨为主，土壤水力侵蚀加剧，水土流失量增加，为石漠化的发展提供了水热条件；在干旱期，土壤干燥易干裂，植被覆盖度降低，易加速石漠化的发育程度[31]。人类活动强度减少有利于抑制石漠化的发展，会泽县是人口大县，农业人口比例大，近年来，农村人口流失严重以及退耕还林、退耕还草等措施，极大程度减少人类活动对自然资源的开发，有效缓解了石漠化进程。构建石漠化地区水土资源与人类活动耦合协调度分类体系，挣脱了以往以行政单元为评价尺度的束缚，实现跨区域空间栅格单元的人地耦合协调度评价结果[29]，但本文对水土资源与人类活动的协同响应机制和驱动因素等还未进一步探讨，以及耦合协调度与石漠化演化的拮抗作用探究，在未来的水士资源耦合研究中，应通过建立开放式的综合系统，将耦合系统及相关影响因素构成的系统有机地结合起来，对水土资源与人类活动的协同影响机制和驱动因子等进行综合分析，将是实现人地耦合综合研究的重要方向。

3.2 结论

(1)2010—2020年间，会泽县石漠化演化整体呈下降趋势，已发生石漠化面积共减少423.22 km2，石漠化集中区域得到明显改善，会泽县南部地区石漠化面积明显减少，主要集中在北边呈小型条状分布。

(2)水土资源类因子是影响石漠化的主要驱动因子，累计贡献率为94.66%。林地比例、年降水量和耕地比例是石漠化演化的主要驱动因子。提升林地比例，因地制宜，适地适树，同时保护草地资源，能有效减缓石漠化发育。

(3)会泽县2010—2020年水土资源与人类活动耦合协调整体水平较高，总体呈现上升趋势，且以高度协调地区为主。轻度失调类型10年间的分布一致，多集中于东北部以及西南部的城镇乡村聚落地区，呈小斑块聚集。会泽县石漠化等级空间分布和水土资源与人类活动的耦合协调度存在一致性，提高人地耦合协调度，高效加快石漠化治理进度。实行科学耕作和轮作制度，推广节水技术、开展生态农业和生态旅游减少水土资源开发，控制过度采伐、放牧、开荒垦地缓解人类活动强度。