石漠化是一种受人类不合理社会经济活动干扰和破坏而造成的土壤严重侵蚀、基岩大面积裸露、土地生产力严重下降、地表出现类似荒漠景观的土地退化过程^[1]。我国石漠化主要分布于贵州、云南、广西、湖南、四川、重庆、湖北和广东等8个省份^[2-3], 其中尤以西南区域的贵州、云南为重, 已经成为困扰我国西南区域生态建设的重大环境问题^[4-6]。

地处我国西南区域的贵州省, 位于长江中上游与珠江上游重要水源补给区, 具有十分重要的地理位置和生态区位^[7]。贵州省是世界上岩溶地貌发育最典型的地区之一, 是全国石漠化分布面积最大、类型最全、形成最强烈的高原山区^[8]。贵州省严重的石漠化问题, 导致区域水土流失加剧、生态系统功能退化, 江河湖库泥沙淤积, 严重威胁着长江、珠江等江河中下游地区的生态安全与可持续发展^[9], 一直以来都是区域内研究的热点和生态环境治理的重点^[10-12]。

诸多学者针对贵州省石漠化问题开展了一系列研究, 包括石漠化时空演变^{[10, 13-14]}、动态变化及成因^[15-16]、驱动机制^[17]、生态恢复与治理^[18-19]以及监测技术及评价方法^[20-21]等。对石漠化的研究中, 分析石漠化格局变化过程是认识石漠化发生、发展的前提和基础^[22]。但由于研究目的、数据来源及研究区自然环境状况等条件的差异与制约, 当前针对贵州省石漠化的各类研究, 总体上呈现：1)研究区多为石漠化治理试点区域、县域及地州区域等中小区域, 未能体现贵州省域尺度上石漠化空间格局状况；2)研究时间序列较短, 未能体现近二十多年来贵州全省石漠化治理、演变的过程及发展态势。因此, 长时间序列下、贵州省域尺度的石漠化演变状态及未来趋势变化的相关研究, 在当前生态文明建设背景下显得尤为迫切而重要。

本文基于TM遥感影像数据, 以贵州全省为研究区, 对贵州省2004—2016年间4个不同时段的石漠化演变状况, 开展动态化的定量分析, 揭示贵州省近些年来, 在国家生态环境建设大背景下, 其石漠化状态的发展演变规律及空间分布格局, 与此同时, 进而模拟预测其未来演变趋势。研究对未来贵州省乃至整个西南区域生态文明建设需求下的石漠化治理提供现实的科学指导依据。

1 研究区概况及数据来源 1.1 研究区概况

贵州省地处中国西南地区腹地(103°36′—109°35′E、24°37′—29°13′N), 地貌类型属于中国西南喀斯特高原山地, 境内地势西高东低, 自中部向北、东、南三面倾斜, 平均海拔在1100 m左右。西部高海拔区域属暖温带季风气候, 中部、东部为亚热带季风气候, 区内气温和降水分布差异显著, 年平均降水量682—1134 mm, 年均气温14—16 ℃, 常年相对湿度在70%以上。

全省土壤类型复杂多样, 其中黄壤面积最多, 主要分布于中部区域, 是全省土壤类型的主体部分。境内还广泛发育石灰土和紫色土等岩性土^[23]。

全省植被类型主要包括栽培植被、灌丛、草丛、草甸、针叶林、阔叶林和针阔叶混交林^[24], 其东南部、南部、西北部植被类型以阔叶林、针阔混交林、竹林为主, 而西部、西南部、东北部以灌丛、灌草丛为主^[25]。

1.2 数据来源

本文采用的遥感影像数据及DEM数字高程数据源于地理空间数据云共享平台(http://www.gscloud.cn/)。其中2004年和2008年数据为Landsat TM影像数据, 2012年和2016年数据为Landsat 8的OLI_TIRS影像数据, 数据空间分辨率均为30 m×30 m, 时间频率为16 d。

2 研究方法 2.1 数据处理

首先对原始影像数据进行投影转换为UTM(通用横轴墨卡托投影坐标系), 采用WGS_84坐标系；采用信息较丰富的TM5、4、3和OLI_TIRS6、5、4三个波段进行彩色合成图像。利用ENVI5.3对数据进行辐射定标(Radiometric)和FLAASH大气校正, 校正后采用三次卷积法将研究区遥感影像数据进行镶嵌, 以贵州省地图为底图, 进行裁剪以待信息提取。

2.2 石漠化程度等级划分 2.2.1 评价指标的选取

石漠化信息提取、空间分布研究以GIS技术结合遥感数据为基础^[26-30], 评价指标一般根据景观特征和主要成因加以选择^[31]。植被覆盖度下降, 大面积岩石裸露是石漠化最直接的景观标志^[32-35], 成为石漠化研究选用最多的分级指标^[36]。也是石漠化调查、评估和等级划分的重要依据^[37]。诸多研究以及全国石漠化公报、贵州省石漠化公报等都将这两个指标列为评价指标体系^{[12-13, 38-39]}。此外, 坡度是影响石漠化变化的自然条件^[40], 坡度越大, 地表结构不稳定性就越强, 越容易发生石漠化, 是石漠化演变过程中一个非常重要的影响因素^[41], 故而也常被作为石漠化的分级指标^{[12, 42]}。综上情况, 本文结合当前石漠化空间遥感监测指标体系研究现状^{[12-13, 29-30, 39]}, 结合石漠化遥感监测指标选取的目的性、可操作性和代表性等原则^[43-44], 同时, 考虑影响贵州省石漠化演变的主导因素、空间尺度大小、地理环境状况等特征, 最终选取植被覆盖度、岩石裸露率、坡度等3个指标作为本研究中石漠化空间格局演变的评价指标(表 1)。

2.2.2 石漠化等级的划分

对于较大区域的石漠化监测研究, 常采用3—4级的划分方法^[37]。国家林业局制定《岩溶地区石漠化监测技术规定》(2011年修订), 将石漠化划分为轻、中、强和极强度4个等级, 也有学者将石漠化划分为分为重、中、轻度和无石漠化4个等级^{[12, 45]}。也有研究依据岩石裸露率和植被覆盖度指标, 划分出无石漠化或潜在石漠化, 及强度或极强度石漠化等^{[38-39, 42]}。指标的阈值主要根据空间尺度、分级目标以及遥感影像的解译方法等因素确定^[46]。本文基于数据可得性、主要研究目等, 综合前人研究成果等^[47-49], 将石漠化等级划分为为无石漠化、轻度、中度和重度石漠化4个等级(表 1)。

2.3 各指标信息提取 2.3.1 坡度提取

选取DEM数据(http://www.gscloud.cn), 利用ENVI 5.3软件经融合裁剪、投影转换并转成Tif格式, 得到研究区DEM, 然后利用ArcGIS 10.4软件Spatial Analyst Tools工具箱中Surface工具集, 进行Slope坡度计算^[50]。

2.3.2 植被覆盖度提取

运用Gutman像元二分模型^[51], 以归一化差值植被指数(NDVI)估算植被覆盖度的模型为基础, 参照李苗苗等^[52]所改进的归一化植被指数(NDVI)定量估算植被覆盖度的模型, 进行植被覆盖度(FVc)估算。其表达式为：

(1)

式中NIR和RED分别为近红外波段与红光波段。

(2)

其中, NDVI_soil为完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI值, NDVI_veg则代表完全被植被所覆盖的像元的NDVI值, 即纯植被像元的NDVI值。研究中NDVI_veg与NDVI_soil取值分别为图像中置信度为95%置信区间内的最大值与最小值。

2.3.3 岩石裸露率提取

在NDVI估算植被覆盖度的基础上, 参照张晓伦^[44]归一化岩石指数(NDRI)估算岩石裸露率(Fr)。其表达式为：

(3)

式中, SWIR和NIR分别为短波红外与近红外波段。

(4)

式中, NDRI_rock为完全岩石覆盖区域NDRI值, NDRI_n为完全非岩石覆盖时像元的NDRI值。研究中NDRI_rock与NDRI_n取值分别为图像中置信度为95%的置信区间内的最大值与最小值。

2.3.4 实测数据的获取

选择贵州省石漠化等级分布较全的黔西南州为野外抽样调查区域, 于2018年8月中旬, 在该区域内进行空间抽样调查共计36个样地, 记录样地经纬度、石漠化程度、植被类型、植被覆盖度、岩石裸露率等指标。

2.3.5 石漠化动态度与未来预测分析

为定量分析贵州省石漠化动态变化区域差异和预测未来变化趋势, 本文引用单一土地利用类型动态度来研究单一等级石漠化动态度, 利用综合石漠化动态度表示各石漠化类型总的变化幅度与速度^[10], 同时利用ArcGIS对4期石漠化数据进行融合和叠加, 得到石漠化转移矩阵, 定量解释各石漠化类型间转移特征, 运用马尔科夫模型^[53-54], 通过马尔科夫过程转移概率, 预测2020年和2024年贵州省石漠化演变趋势。

(1) 单一等级石漠化动态度计算公式：

(5)

式中, K为研究时段内某一石漠化类型动态度；U_a和U_b分别为研究期初及研究期末该类石漠化类型的数量；T为研究时段长。

(2) 综合石漠化动态度计算公式：

(6)

式中, K为综合石漠化动态度；U_ai为研究区域内第i类石漠化类型在研究起始年的统计面积；U_bi为研究区内第i类石漠化类型在研究终止年的统计面积；S为研究区总的国土面积；T为研究年数；n为石漠化类型数。

3 结果 3.1 贵州省植被覆盖度时空格局分析 3.1.1 植被覆盖度精度检验

图 1显示, 实测的植被覆盖度与遥感解译的植被覆盖度, 两者相关性系数R²达到0.87, 精度良好。

3.1.2 贵州省植被覆盖度时空变化特征

贵州省植被覆盖度各时期总体上均呈现从东南向西北递减的趋势, 西北部毕节市平均植被盖度仅为23.2%—49.1%, 而东南部黔东南州达到64.8%—75.6%(图 2)。

2004—2016年间, 贵州省植被覆盖度总体呈持续上升趋势(图 2), 全省平均植被覆盖度从44.3%增加到63.4%；尤其是2004年到2008年间, 贵州西部毕节市、安顺市、六盘水市和黔西南州等地出现显著增高趋势, 分别从23.2%—36.9%增加到了46.4%—59.3%。2008—2012年间, 西南部的黔西南州和西部的六盘水市植被盖度平均下降了9.6%和11.5%。2012—2016年间, 贵州全省平均植被覆盖度从57.3%增加到63.4%, 但毕节市地区仍呈3.1%的局部下降趋势(图 2)。

3.2 贵州省岩石裸露率时空变化特征

贵州省岩石裸露率各个时期同样呈现西高东低的特征, 西部毕节市平均岩石裸露率高达65.1%—65.6%, 而东部黔东南州仅为30.1%—40.5%(图 3)。

2004—2016年间, 贵州省岩石裸露总体呈下降趋势, 全省平均岩石裸露从53.4%下降到了49.7%。2008年到2012年, 西北毕节市呈上升趋势。2012—2016年间, 全省平均岩石裸露率下降了2.4%。

3.3 贵州省石漠化时空演变特征 3.3.1 贵州省石漠化空间分布格局

贵州省石漠化状况在空间分布上呈现出西部重、东部轻的特征(图 4)。4个时期中, 西北部毕节市中度以上石漠化面积占该区域的62.0%—86.4%, 东南部黔东南州仅为18.4%—33.0%(图 4)。

贵州石漠化的主要分布区域是毕节市、黔南州、黔西南州、六盘水市和安顺市等5个地州市, 4个时期中, 其石漠化面积分别占区域国土面积的46.2%、40.8%、41.2%和35.7%, 而无石漠化分布较多的为铜仁市和黔东南州, 石漠化面积分别占区域国土面积的16.3%、18.3%、13.6%和11.6%(图 4)。

3.3.2 贵州省石漠化时间演变特征

2004—2016年间, 贵州省石漠化面积占比从81.7%下降到61.4%, 其中, 中、重度石漠化面积从61.4%下降到了38.1%(表 2)。从绝对面积看, 12年间, 无石漠化面积从32176.4 km²增加至67893.9 km²；重度石漠化区域从34011.9 km²下降至20407.0 km², 截止到2016年, 贵州省石漠化面积仍有108161.9 km²。从单一等级动态度看, 无石漠化动态度一直呈正值变化, 面积持续增加, 而中度和重度石漠化则呈相反的变化特征(表 2)。

2004—2008年和2012—2016年2个时段, 是贵州省石漠化显著好转时期, 无石漠化面积分别增加了40.1%和30.1%, 动态度分别为10.0%和7.5%；重度石漠化面积分别减少了20.4%和10.7%, 动态度分别为-5.1%和-2.7%。值得注意的是, 2012—2016年间的中度石漠化减少较为显著, 年均减少3873.6 km², 动态度为-6.4%。2008—2012年间, 总体上也呈改善状态, 无石漠化面积增加了1780.8 km², 动态度为4.0%, 轻度、中度和重度石漠化年均分别减少176.8 km²、544.8 km²和1055.6 km²(表 2)。

2004—2008年, 2008—2012年, 2012—2016年3个时段的综合石漠化动态度分别为5.2%, 2.2%, 5.1%, 呈先减小后增大的趋势, 石漠化总面积持续减少。2008—2012年时段变化面积最小, 动态度最低, 其他两个时段面积变化相当, 变化速度较快(表 3)。

3.4 贵州省2004—2016年石漠化转移过程

2004—2008年时段, 轻、中度石漠化向无石漠化分别转化了16048.1 km²和15455.0 km²；重度石漠化在贵州省安顺市、黔西南州及遵义市增加较多, 主要贡献是中度石漠化, 贡献了8557.7 km²(图 5)。

2008—2012年时段, 石漠化改善主体仍然是轻、中度, 分别转化13714.3 km²和27938.2 km²；重度石漠化增加的部分有56.3%来源于中度石漠化, 集中在毕节市和六盘水区域(图 5)。

2012—2016年时段, 轻、中度石漠化分别向无石漠化转化16374.3 km²和15735.7 km², 主要分布于贵阳市、安顺市和黔南州(图 5)。

2004—2016年的12年间, 无石漠化主要向轻、中度分别转化4833.6 km²和3346.2 km², 而石漠化状况改善的主体也是轻、中度, 分别转化16855.3 km²和22996.0 km²；中、重度石漠化的转入和转出面积分别为31613.9 km²和74486.9 km², 比值为42.4%, 其中, 中度石漠化增加的主要贡献是轻度和重度石漠化, 分别贡献6193.1 km²和12012.2 km², 由轻度向中度石漠化转移恶化的区域主要出现在毕节市、黔西南州及遵义市的西北部(图 5d)。

近12年间, 贵州省无石漠化面积净增加35717.4 km², 增速为2976.5 km²/a, 无石漠化转入和转出速率分别为3743.6 km²/a和767.1 km²/a；中度以上石漠化的转入和转出速率分别为2634.5 km²/a和56207.2 km²/a。从各石漠化等级的转入和转出速率看, 轻度和中度石漠化转化较为活跃, 而重度石漠化和无石漠化较为稳定(图 5)。

3.5 贵州省石漠化状况预测

表 4显示, 到2020年, 贵州省无石漠化面积将从2016年的67893.9 km²上升到73915.8 km², 石漠化面积将减少6023.4 km², 达8.9%, 其中中度石漠化面积减少最多, 达7.6%。到2024年, 无石漠化面积将增加到76155.4 km², 将增加12.2%, 石漠化面积将减少8263.0 km², 中度和重度石漠化减少较多, 分别下降10.0%和15.3%。

4 讨论 4.1 贵州省石漠化空间分布格局

植被覆盖度是评价石漠化的关键指标, 与石漠化等级呈现负向关系^[55]。本研究中, 贵州省植被覆盖度与石漠化空间分布格局基本一致(图 2、图 4), 相关学者基于MODIS-NDVI数据的研究也呈现出基本一致的结果^[56-58]。贵州省黔东南区域, 少数民族聚集, 人类活动相对较少, 自然植被相对优越^[59], 西北部毕节市和六盘水市区域, 地处贵州典型岩溶山区, 岩石裸露碎裂、岩溶发育强烈^[16], 植被覆盖度相对较低。贵州中部的安顺、贵阳及北部的遵义等区域, 由于城市快速发展、人口密集, 人类活动影响相对强烈, 致使其植被覆盖也相对较低^[56]。

岩石裸露是石漠化最直观的表现, 岩石裸露率的高低与石漠化程度呈正相关关系, 本研究显示贵州省岩石裸露率总体呈现西高东低的特征(图 3)。贵州省地势西高东低, 西部多中山区, 多岩溶峡谷发育, 地表物质不稳定, 土被破碎, 长期冲刷再加上人为因素破坏极易造成基岩裸露, 中、东部海拔相对较低, 为中、低山区, 坡度相对较缓, 地表物质相对稳定^[60]。本研究也相应显示, 植被覆盖度相对较高的东部和北部地区岩石裸露率低、西部地区岩石裸露率较高(图 2, 图 3)。由此可见, 生态建设中, 提高区域植被盖度、降低岩石裸露率, 是石漠化防治首要任务。

石漠化的分布与发展不仅与植被盖度、岩石裸露率直接相关, 还受坡度、岩性、人口和社会经济发展水平等关键驱动因子的影响^[61-62]。、人口密集程度和经济发展状况密切相关, 本研究及相关研究^[42]所呈现的贵州省石漠化空间分布呈西部重、东部轻、南部重、北部轻的空间格局, 显著受到驱动因素的影响。贵州省碳酸盐岩空间分布为南部富石灰岩、北部富白云岩, 受岩性制约的地貌形态也具南部多峰丛洼地、北部多丘丛的分布特征^[63], 同时也形成与地形坡度特征相应的石漠化分布特征^[55]。此外, 贵州省人口分布同样呈现西部地区较东部密集的特征, 经济密度相对较高^[64], 人口密集、频繁的农业活动对生态环境及土地利用负担加重, 加之西北部密集分布的矿产资源, 导致西北部经济密度明显高于东南部^[65], 所有这些均加剧了相应区域的石漠化发展。

4.2 2004—2016年间贵州省石漠化演变特征

本研究显示, 2004—2016年间, 贵州省植被覆盖度持续增加, 达到了63.4%, 岩石裸露率持续下降(图 2, 图 3)。相关研究也显示2004—2008年间, 甚至到2016年间, 贵州全省植被覆盖度呈现持续增加趋势^[58]。相应地, 贵州省2004—2016年间石漠化程度持续下降, 尤其是2004—2008年间, 其下降程度最为显著(图 5)。根据石漠化公报^[2-3]显示, 2005—2011年和2011—2016年贵州省石漠化面积分别减少8.8%和18.3%。本研究中, 贵州省石漠化面积在2004—2012年和2012—2016年分别下降13.9%和14.5%, 与全国石漠化公报基本一致。

近年来, 相关研究均显示了贵州石漠化好转的趋势, 诸如贵州晴隆县^[10]、贵州省普定县^[11], 贵州省花江、朗溪、后寨河、王家寨、花江等5个典型岩溶山地^[49], 乃至贵州全省^[42]等区域。究其原因, 一方面, 近年来, 贵州省结合国务院批复的《岩溶地区石漠化综合治理规划大纲(2006—2015)》以及《贵州省水利建设生态建设石漠化治理综合规划石漠化综合治理专项规划(2011—2020)》等, 把水利建设与生态建设、石漠化综合治理, 三位一体结合起来科学规划, 加快实施石漠化综合治理、退耕还林、长江和珠江防护林等工程, 促进了石漠化综合治理, 使石漠化扩展趋势得以遏制。另一方面, 自2008年以来, 国家启动石漠化综合治理试点工作, 贵州省55个县列为第一批试点县, 2011年, 贵州78个石漠化县全部纳入国家石漠化综合治理实施范围, 石漠化治理步伐进一步加快^[3]。本研究结果直接显示出2004—2016年石漠化程度显著好转的演变特征(图 4、表 2)。相关政策措施对石漠化的治理起到了显著效应, 但贵州省局部区域内石漠化仍继续恶化(图 5)、生态环境依然十分脆弱, 石漠化防治形势依然严峻。

4.3 贵州省石漠化等级转换及未来演变态势

石漠化的演变并不是一蹴而就的, 而是一个复杂而循序渐进的过程。本研究显示, 在石漠化转换过程中, 全省石漠化转入类型集中在无石漠化和轻度石漠化这两大类中(图 5)。相关研究也显示出, 石漠化的转化以高等级向低等级转化为主, 而低等级向高等级的转化面积越来越少的特征^[42]。无石漠化和重度石漠化相对稳定, 一方面体现贵州石漠化治理与防护取得一定成效, 另一方面也反应出重度石漠化在治理过程中的难度。

基于马尔科夫转移矩阵模型预测显示(表5), 到2020年及2024年, 贵州省石漠化状况将持续好转。由于预测值是以现有的石漠化综合治理为基础, 随着治理年限的延续, 石漠化综合治理成效会越来越显著, 石漠化改善状况应比预测结果更为显著。但是, 随着各治理措施的推进, 余留区域的石漠化立地条件越来越差, 治理成本越来越高, 治理难度将越来越大^[3]。为加快石漠化改善进程, 实现2035年和2050年生态文明建设目标, 在初步遏制石漠化发展后, 仍需大力实施以植被恢复为重点的生态工程, 结合国务院批复的《贵州省水利建设生态建设石漠化治理综合规划(2011—2020)》明确的目标, 提高工程投资标准, 加大投资力度, 优化结构, 全面加快石漠化治理步伐, 持续跟踪监测石漠化的动态变化。

快速准确地监测石漠化状况是石漠化治理的关键, 传统的石漠化调查方法周期很长, 难以达到监测目标, 而遥感技术具备大范围、综合性、动态性观测能力和宏观、快捷、经济以及信息综合等优势^[66], 是石漠化遥感信息提取不可或缺的手段。本研究结果证明该方法适用于贵州全省大尺度时空范围内石漠化状况的提取和分析, 是该研究领域内, 采用多种影像特征及多源数据进行石漠化遥感信息提取的科学而必要的补充, 有助于对贵州省石漠化状况进行实时监测和管理。但在研究中分级指标及指标阈值不具有统一性, 定量化困难, 对影像处理、提取技术等仍需进一步提高。

5 结论

(1) 贵州省石漠化空间格局呈西重、东轻的分布特征, 其中尤以毕节市、黔南州、黔西南州、六盘水市和安顺市等区域为重, 一方面与其区域地质地貌相关, 另一方面也表现出相关区域密集的人类活动及相对活跃的社会经济活动对石漠化演变的驱动作用。

(2) 截止2016年, 贵州省植被覆盖度呈现持续增加, 石漠化面积呈现持续减少的演变趋势, 近十多年来, 贵州省石漠化状况已经得到遏制, 石漠化治理工程取得显著成效, 但局部区域诸如毕节市、黔西南州等石漠化分布较多的区域仍存在高度的不稳定性, 或趋于恶化的态势, 尤其是重度石漠化区域, 其治理尤为复杂而艰难。

(3) 预测显示的到2020年及2024年贵州省石漠化将继续保持改善的态势, 表明贵州省石漠化治理的相关政策措施将继续发挥重要作用, 但所显示出改善速度较慢的特征, 也表明石漠化防治形势的严峻性, 当地政府应结合当前发展背景, 统筹山水林田湖草一体化系统, 在继续推进各项重点工程的同时, 应切实提高石漠化区域的生态环境自然修复能力。

致谢: 西南林业大学黎铭钰、王兴永、叶纬平参与野外样地调查、遥感影像数据前期处理工作，特此致谢。