滇東北巖溶地區(qū)石漠化時空演變過程分析

楊 慧，張 超，王 妍

(1.西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224；2.會澤縣林業(yè)和草原局，云南 曲靖 654200)

1 引言

石漠化又稱喀斯特荒漠化或喀斯特石漠化，主要發(fā)生在喀斯特及其發(fā)展的熱帶、亞熱帶濕潤地區(qū)的環(huán)境背景下，是喀斯特地區(qū)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)與不合理的人類經(jīng)濟活動相互作用導(dǎo)致的土地退化過程[1～3]。石漠化主要表現(xiàn)為土壤侵蝕甚至流失嚴重，基巖裸露面積大，植被退化，土地生產(chǎn)力下降，地表出現(xiàn)類似荒漠化的景觀[4～6]。石漠化地區(qū)的耕地遭到破壞，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量減少，經(jīng)濟衰敗，威脅著區(qū)域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

當(dāng)前，石漠化問題存在于世界各地巖溶地區(qū)[7,8]。世界各國對石漠化的形成過程[9,10]、誘導(dǎo)因素[11]和治理措施[12]的研究一直是生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點。國內(nèi)許多學(xué)者對喀斯特石漠化的時空演變、綜合效益評價、治理模式、分類標準、提取方法、成因、危害等進行了大量研究，在石漠化時空演化上主要是短時期內(nèi)的定性分析和描述，研究區(qū)域主要集中于西南巖溶山區(qū)、南方巖溶山區(qū)、省級尺度等大空間尺度，縣域尺度的研究較少[13～20]。

會澤縣是全國重點扶持縣、云南省65 個石漠化監(jiān)測縣和全國100 個石漠化綜合治理試點縣之一。以國家級鄉(xiāng)村振興重點幫扶縣會澤縣作為研究區(qū)，以三期石漠化監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用3S技術(shù)和數(shù)理統(tǒng)計等方法對石漠化狀況進行定量分析，研究結(jié)果有助于會澤縣加快生態(tài)文明建設(shè)和推進農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化步伐，對于系統(tǒng)認識縣域尺度石漠化的發(fā)生發(fā)展機制、動態(tài)變化特征具有關(guān)鍵的意義。

2 研究區(qū)概況

會澤縣位于云南省東北部，金沙江東岸，曲靖市西北，在25°48～27°04N、103°03～103°55E之間。全縣總土地面積5886 km2，轄5 個街道、7 個鎮(zhèn)、13 個鄉(xiāng)、361 個村委會。境內(nèi)山高坡陡，山谷深，西高東低，南北起伏，地勢起伏復(fù)雜。有冰川、山地、盆地3 種地貌，山地占總面積的95.7%。屬于南溫帶季風(fēng)氣候，垂直地帶性明顯，氣溫水平分布復(fù)雜，形成典型的立體氣候。年平均氣溫為12.7 ℃，極端最低氣溫為-17.2 ℃，極端最高氣溫為31.4 ℃，具有滇北高原春速升溫、秋速降溫的氣候特征;年平均降水量為817.7 mm，降水強度較小，容易被土壤吸收。會澤縣巖溶分布廣泛，石漠化已成為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的一大阻力。2017 年第三次石漠化監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，會澤縣巖溶面積達1372.33 km2，石漠化區(qū)域面積988.03 km2，占全縣國土面積的16.79%。

3 研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源與處理

會澤縣石漠化監(jiān)測矢量圖層(2005年、2011年、2017年)來源于云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，經(jīng)投影變換處理，結(jié)合監(jiān)測相關(guān)綜合治理進展與完成情況、最新統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)進行深入分析。石漠化等級劃分依據(jù)云南省巖溶地區(qū)石漠化監(jiān)測實施細則。

3.2 單一等級石漠化動態(tài)度

單一等級石漠化動態(tài)度K，其正負值代表某一級石漠化演變的加劇或逆轉(zhuǎn),它可以定量描述石漠化變化的數(shù)量特征。公式為：

(1)

式(1)中：Ua為開始年份的統(tǒng)計面積；Ub為結(jié)束年份的統(tǒng)計面積；T為監(jiān)測的年數(shù)。

3.3 綜合石漠化動態(tài)度

綜合石漠化動態(tài)度即為研究區(qū)內(nèi)石漠化類型總體變化幅度及速度。公式為：

(2)

式(2)中：Uai、Ubi即研究區(qū)第i類石漠化類型在研究開始和結(jié)束年份的統(tǒng)計面積；S為研究區(qū)的總面積；T為研究的年數(shù)；n為石漠化類型數(shù)量。

3.4 面積轉(zhuǎn)移矩陣

面積轉(zhuǎn)移矩陣可用于描述同一地區(qū)不同時間段石漠化類型之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。 將2005、2011、2017年會澤縣石漠化監(jiān)測矢量數(shù)據(jù)通過ArcGIS疊加，創(chuàng)建了2005～2017年3個時期的會澤縣石漠化面積轉(zhuǎn)移矩陣。

3.5 石漠化演變速率

石漠化演變速率u，是研究期內(nèi)石漠化的增減速率。公式為：

u=ΔSi/T

(3)

式(3)中：ΔSi代表某一石漠化類型在監(jiān)測時間內(nèi)的變化面積；T為研究的總年數(shù)。

3.6 石漠化演變頻率

石漠化演變頻率E，即某種石漠化強度類型向另一種石漠化強度類型轉(zhuǎn)變的頻率。 它能定量描述某種石漠化類型的變化難度，從而更直觀地分析出哪種石漠化類型更容易發(fā)生變化，哪種石漠化強度類型趨于穩(wěn)定。公式為：

E=(ΔSi/Si)/T×100%=V/Si×100%

(4)

式(4)中：si為監(jiān)測開始期某種石漠化類型的面積；ΔSi為監(jiān)測時期內(nèi)某一種石漠化類型的變動面積；T為研究的總年數(shù)。

4 結(jié)果與分析

4.1 總體變化特征

從石漠化總面積和不同等級石漠化面積的變化情況看，2005、2011、2017 年會澤縣石漠化面積分別為952.41 km2、1034.60 km2、988.03 km2，占全縣總土地面積比分別為16.18%、17.58%、16.79%，占全縣巖溶面積比分別為69.40%、75.39%、72.00%。2005～2011 年石漠化增長面積達82.19 km2。2011～2017 年，石漠化總面積減少了46.57 km2(表1、2，圖1)。

表1 會澤縣2005～2017年石漠化面積統(tǒng)計

表2 會澤縣2005～2017年不同等級石漠化面積及比例

圖1 2005～2017年會澤縣各等級石漠化分布統(tǒng)計

從表1、2和圖1中可以看出：會澤縣潛在石漠化、輕度石漠化分布廣泛，各面積之和在相應(yīng)年份占比都在10%以上，是會澤縣主要石漠化類型；中度、重度和極重度石漠化占比則低于7%。近13 年間，會澤縣石漠化總面積減少了35.62 km2。

4.2 單一等級石漠化動態(tài)度

從表3中可以看出，2005～2011年，潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化、重度石漠化、極重度石漠化面積分別增加了9.19 km2、26.45 km2、20.55 km2、7.29 km2和18.71 km2，動態(tài)度分別為0.51%、1.60%、2.07%、1.26%和3.27%，其中，輕度、重度面積增長速度較快；除中度和極重度石漠化變化較為顯著外，其余石漠化類型的動態(tài)變化較為均勻。無石漠化的面積則減少了82.19 km2，動態(tài)度為-3.33%。

表3 會澤縣2005～2017年不同類型石漠化動態(tài)度

2011～2017 年，輕度石漠化、中度石漠化、極重度石漠化面積分別減少了35.09 km2、2.26 km2和50.09 km2，動態(tài)度分別為-1.94%、-0.20%和-7.35%。潛在石漠化和重度石漠化面積均呈增加趨勢，分別增加了34.12 km2和6.75 km2，動態(tài)度為1.84%和1.09%；經(jīng)過多年治理和保護，無石漠化面積增加了46.57 km2，動態(tài)度為2.34%，石漠化治理取得了階段性成果。

4.3 綜合石漠化動態(tài)度

由表4可以看出，3 個時期的綜合石漠化動態(tài)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢分別為0.48%、0.51%和0.44%。2011～2017年間動態(tài)變化最強。不同等級石漠化的比重隨著石漠化等級的增大而逐漸減弱?？傮w上看，石漠化土地總面積持續(xù)減少。

表4 會澤縣2005～2017年綜合石漠化動態(tài)度

4.4 面積轉(zhuǎn)移矩陣

疊加2005、2011和2017年3期石漠化矢量數(shù)據(jù)，制成石漠化空間轉(zhuǎn)化圖(圖2)，利用變量數(shù)據(jù)分析各石漠化等級的演變特點和變化形式(表5)。由圖2和表5可知：2005～2011年會澤縣的石漠化分布未發(fā)生較大變化，重度轉(zhuǎn)為輕度(68.37 km2)、中度轉(zhuǎn)為輕度(79.49 km2)變化最明顯，其次為潛在轉(zhuǎn)為輕度和中度、輕度轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸取⒅囟绒D(zhuǎn)變?yōu)橹卸群蜆O重度。其余類型之間的轉(zhuǎn)變面積相對較小。

表5 2005～2011年會澤縣石漠化等級面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

由圖2和表6可以看出：2011～2017 年變化最為顯著的是輕度轉(zhuǎn)為潛在，面積為57.45 km2，極重度轉(zhuǎn)為重度，面積為33.60 km2；其次為中度轉(zhuǎn)為潛在，中度轉(zhuǎn)為輕度，輕度轉(zhuǎn)為中度，重度轉(zhuǎn)為潛在和中度，極重度轉(zhuǎn)為中度，其余類型轉(zhuǎn)換較小。由圖2和表7可知：2005～2017 年主要變化是輕度轉(zhuǎn)為潛在，面積達54.84 km2，極重度轉(zhuǎn)為重度，面積為24.46 km2，中度轉(zhuǎn)為輕度，面積為23.84 km2；其余類型間的轉(zhuǎn)換：潛在轉(zhuǎn)為輕度和中度，中度轉(zhuǎn)變?yōu)橹囟?，極重度轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸?。其余類型之間的轉(zhuǎn)換面積相對較小。

表6 2011～2017年會澤縣石漠化等級面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表7 2005～2017年會澤縣石漠化等級面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

圖2 2005～2011年、2011～2017年、2005～2017年石漠化空間轉(zhuǎn)化

4.5 石漠化演變速率

由圖3可以看出，會澤縣石漠化演變速率由高到低依次為：潛在石漠化(7.22 km2/a)，中度石漠化(3.05 km2/a)，重度石漠化(2.34 km2/a)，輕度石漠化(-1.44 km2/a)，極重度石漠化(-5.23 km2/a)，非石漠化(-5.94 km2/a)。

4.6 石漠化演變頻率

由圖3可以看出，石漠化演變頻率最快的為重度石漠化(2.43%/a)和潛在石漠化(2.4%/a)。此結(jié)果說明，重度石漠化和潛在石漠化的變化最為劇烈，動態(tài)性最強。石漠化演變頻率最慢的為極重度石漠化和非石漠化。輕度石漠化的演變頻率(-0.52%/a)僅低于潛在石漠化和中度石漠化。

圖3 2005～2017年石漠化土地演變速率及演變頻率

4.7 石漠化的空間分布

由會澤縣石漠化空間分布圖(圖4)可以看出：會澤縣石漠化分布范圍廣，等級齊全，整體呈現(xiàn)條帶狀分布，空間分布格局特征明顯。巖溶區(qū)主要分布在會澤縣東南部、西部小江一帶以及東部牛欄江一帶。石漠化較嚴重的區(qū)域主要發(fā)生在田壩鄉(xiāng)的金槽、尹武、李子箐；娜姑鎮(zhèn)的炭山。娜姑鎮(zhèn)的炭山受氣候變化和植被破壞等因素的影響導(dǎo)致水土流失劇烈，石漠化最為嚴重，屬典型的巖溶地貌，是會澤縣石漠化治理重點村之一。石漠化嚴重地區(qū)：礦山鎮(zhèn)的河灣子、格核米；待補鎮(zhèn)的嘎里、糯租、箐門等；雨碌鄉(xiāng)的陡紅、小鋪；火紅鄉(xiāng)的耳子山；娜姑鎮(zhèn)的發(fā)基卡、紅泥、綠坪。

圖4 2005年、2011年、2017年會澤縣石漠化空間分布

5 結(jié)論與討論

(1)2005～2017 年，會澤縣喀斯特地區(qū)石漠化面積不斷減少，生態(tài)條件穩(wěn)步改善，輕度石漠化、中度石漠化、極重度石漠化面積不斷減少，無石漠化地區(qū)越來越多。2005～2011 年，會澤縣實施了封山育林育草、人工造林、小型水利水保等工程，但這一時期由于生產(chǎn)力水平仍較低，長期不合理的人類活動導(dǎo)致石漠化的演變更為嚴峻。2008 年以來，會澤縣對巖溶地區(qū)石漠化進行了綜合治理，在治理過程中，由于缺乏專業(yè)技術(shù)理論支撐，導(dǎo)致治理不系統(tǒng)，規(guī)模較小，屬嘗試性的探索；同時存在大量的人為破壞和自然災(zāi)害，隨著人口的增長，喀斯特地區(qū)的陡坡被開墾耕種，加之自然災(zāi)害的影響，導(dǎo)致巖石裸露，加重了水土流失，故石漠化呈加劇趨勢。2011～2017 年，會澤縣加大了對石漠化治理的投入，加強生態(tài)保護和修復(fù)，嚴厲打擊破壞生態(tài)環(huán)境的行為，綜合治理了縣域內(nèi)多個流域范圍的石漠化土地。大力推廣退耕還林還草、植樹造林、封山育林等政策，增加了老百姓的收入，提升了區(qū)域植被覆蓋度，減輕了巖溶地區(qū)石漠化程度，有效控制了水土流失，改善了生態(tài)環(huán)境。不同類型石漠化面積和石漠化總面積變化表明：隨著林業(yè)各工程項目的推進，會澤縣的石漠化面積持續(xù)減少，無石漠化面積呈增加趨勢。

(2)從單一等級石漠化動態(tài)度變化可以看出，人工造林和草地植被保護使石漠化地區(qū)的植被得到恢復(fù)，巖溶地區(qū)石漠化面積連續(xù)減少，生態(tài)環(huán)境不斷改善。農(nóng)業(yè)技術(shù)措施的改變助力了石漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的逐步恢復(fù)。由于石漠化自然演替成其他等級的石漠化，加上一系列治理措施，所以極重度變化最為顯著。等級之間的相互轉(zhuǎn)換導(dǎo)致了潛在以及重度石漠化動態(tài)度處于正值變化。極重度石漠化動態(tài)度處于直線負值變化，說明會澤縣石漠化治理工程成效是顯著的。輕度、中度、極重度發(fā)生明顯逆轉(zhuǎn)，說明石漠化防治的各項措施發(fā)揮了一定作用。由會澤縣綜合石漠化動態(tài)度可知，2005～2011 年喀斯特地區(qū)石漠化變化緩慢，2011～2017 年變化加速。由于石漠化轉(zhuǎn)移主要在其他類型中轉(zhuǎn)移所致所以非石漠化演變速率最慢。此結(jié)果說明石漠化發(fā)展到極重度石漠化環(huán)境下的生態(tài)系統(tǒng)基本無法改變其惡劣狀態(tài)，在一定時間內(nèi)基本處于無變化狀態(tài)。所以，在對喀斯特石漠化進行治理的過程中，應(yīng)盡量避免對極重度石漠化地區(qū)進行人為治理措施和人類活動，比如異地搬遷等，使這些區(qū)域有一個長期的自然恢復(fù)過程，將治理資源投入到演變速率較快的潛在、中度石漠化類型區(qū)域。從各類型石漠化的演變頻率看，重度石漠化和潛在石漠化是對外部影響最為敏感的類型。在治理過程中應(yīng)優(yōu)先治理潛在石漠化和重度石漠化，這樣才能在生態(tài)環(huán)境得到有效治理的同時，節(jié)省人力物力財力，更加科學(xué)有效地治理石漠化。

(3)從自然地理地貌、社會經(jīng)濟發(fā)展和人類不當(dāng)行為概況分析會澤縣喀斯特地區(qū)石漠化的分布，得出分布規(guī)律：①會澤縣石漠化主要分布在人口密度大的偏遠山區(qū)，這些地區(qū)人均耕地不足，人民群眾的生產(chǎn)經(jīng)營方式落后，當(dāng)?shù)厝罕姶罅靠撤淠居糜谏a(chǎn)生活，導(dǎo)致森林資源減少，土壤遭到破壞，進一步引起石漠化；②會澤縣石漠化多分布于巖溶山脈和峽谷地區(qū)，自然環(huán)境十分惡劣，水土流失嚴重。

(4)會澤縣石漠化主要分布在干熱少雨，植樹種草難度大，生態(tài)環(huán)境惡劣，石漠化程度高，水土流失嚴重的干熱河谷及人口密集區(qū)。其動態(tài)變化的特點是整體得到了控制，部分仍在擴展。擴展的原因主要是會澤縣是云南省第三人口大縣。人口過多，土地超載，大量坡地被開墾，其結(jié)果是生態(tài)環(huán)境越來越惡劣，最終形成石漠化；過度砍伐樹木嚴重破壞了會澤縣的自然環(huán)境與生物多樣性，加劇了石漠化發(fā)展；過度放牧導(dǎo)致大面積的森林和草地植被遭到破壞，降雨時土壤被大量沖刷，進一步導(dǎo)致基巖裸露，形成石漠化；任意采石采砂等不合理開發(fā)建設(shè)加之生態(tài)修復(fù)治理工程沒有及時跟進，破壞了林草植被生長，造成新的水土流失，石漠化的惡性發(fā)展加大了自然災(zāi)害影響。2005 年以來，會澤縣出現(xiàn)了春旱、初夏干旱、秋旱等惡劣氣候，夏季、冬季節(jié)降水量不足，導(dǎo)致植被生長困難。夏季氣象災(zāi)害和泥石流、冰雹、大風(fēng)、洪水等次生災(zāi)害時有發(fā)生，導(dǎo)致基巖裸露，更加劇了石漠化惡性增長趨勢。會澤縣政府部門實施的荒山造林、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發(fā)展勢頭，喀斯特地區(qū)石漠化面積不斷減少，區(qū)域生態(tài)環(huán)境和人民生產(chǎn)生活條件逐步改善，群眾得到了切實的治理效益。