朱梓弘,朱同彬,黃 靜,谷佳慧,楊 霖
(1.中國地質(zhì)大學(北京),100083,北京;2.中國地質(zhì)科學院巖溶地質(zhì)所/國土資源部廣西壯族自治區(qū)巖溶動力學重點實驗室,541004,廣西桂林;3.廣西師范學院,530001,南寧;4.海南大學熱帶農(nóng)林學院,570228,海口)
石漠化是指在巖溶地質(zhì)條件下,受極端氣候及不合理人類活動的綜合作用,造成地表植被退化、水土流失、基巖裸露,形成類似石質(zhì)荒漠景觀的土地退化過程[1]。我國石漠化土地主要分布于以貴州高原為中心的西南巖溶區(qū),具有面積大和危害重等特點[2]。研究表明,石漠化與貧困化具有較強的地理耦合關系[3]:一方面石漠化導致生態(tài)環(huán)境惡化,土地生產(chǎn)力下降,旱澇災害頻繁出現(xiàn),嚴重制約當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展;另一方面,伴隨著人口壓力的增大,人類對土地資源的過度開發(fā),又進一步破壞了當?shù)氐纳鷳B(tài)平衡,加快了石漠化的發(fā)生與演化速度[4],從而形成“貧窮—開荒—貧窮”的惡性循環(huán)。因此,實時監(jiān)測石漠化狀況,對恢復巖溶區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)態(tài)、促進其社會經(jīng)濟政策發(fā)展具有重要的意義。
西江是華南地區(qū)最長的河流,其流域內(nèi)巖溶區(qū)分布廣泛。近年來,眾多學者針對廣西境內(nèi)西江流域石漠化的治理開展大量的研究與示范工作,主要包括小尺度地區(qū)石漠化監(jiān)測[5]、石漠化成因與治理方案研究[6],為廣西西江流域石漠化治理提供有利的理論支持和實踐經(jīng)驗;但對于流域石漠化整體分布情況、動態(tài)特征及各等級石漠化轉(zhuǎn)移機制仍缺乏有效監(jiān)測。為掌握當前各項治理措施實施后廣西西江流域石漠化空間分布及其演變特征,筆者基于4期MODIS NDVI影像數(shù)據(jù),綜合運用GIS與RS技術(shù),分析近15年來廣西西江流域石漠化動態(tài)特征,為進一步加強西江流域石漠化治理及治理措施優(yōu)化提供參考依據(jù)。
西江流域位于廣西壯族自治區(qū)境內(nèi)珠江水系中上游地區(qū),地處 E 104°28′~112°05′,N 21°35′~26°20′(圖1)。流域總面積約20萬3 760 km2,巖溶區(qū)面積約9萬1 239 km2,占流域總面積的44.78%。流域地貌類型多樣,以峰林、峰叢洼地、峰叢谷地等巖溶地貌為主,地勢表現(xiàn)為西北高東南低。西江流域位于中國西南部亞熱帶季風氣候區(qū),常年高溫多雨,年降水量達1 080~2 760 mm,巖溶作用強烈,水土流失嚴重,形成較大規(guī)模的石漠化土地。
筆者選取2001、2006、2011和2016年4期 MODISNDVI遙感影像,該數(shù)據(jù)為16 dNDVI合成產(chǎn)品,空間分辨率250 m,數(shù)據(jù)來源于美國NASA的MODIS Land products MODBQ1(https: ∥ ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov),時相選擇植被生長較為旺盛的5—9 月,即每年的第129、145、161、177、193、209、225、241、257和273天,4期數(shù)據(jù)共80幅。 此外,還使用了《廣西省區(qū)域地質(zhì)圖》《2010年廣西土地利用圖》《廣西省地貌圖》和30 m分辨率數(shù)字高程模型(SRTM DEM)等相關輔助數(shù)據(jù)。其中30 m分辨率SRTM DEM來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。
圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Schematic map of the studied area
借助ArcGIS 10.1對MODIS NDVI影像進行拼接、裁剪及投影轉(zhuǎn)換。采用最大值合成法(MVC)取4期數(shù)據(jù)各時段影像的NDVI最大值,以進一步消除云、大氣、太陽輻射的部分影響。在以上數(shù)據(jù)預處理基礎上,以ENVI 5.1為操作平臺,基于相元二分模型[7],定量估算西江流域植被覆蓋度(fractional vegetation coverage,FVC),構(gòu)建模型的過程中,計算影像NDVI的積累頻率,選取積累比例0.5%為置信度,其中積累比例>99.5%的為全植被覆蓋,積累<0.5%為全土壤覆蓋。
基于人機交互的石漠化解譯方法[89],以植被覆蓋度為底圖,輔以地質(zhì)圖、地貌圖、土地利用圖及坡度圖等相關數(shù)據(jù),借助ArcGIS 10.1進行綜合疊加分析,提取廣西西江流域2001、2006、2011和2016年石漠化信息,其中坡度圖由30 m分辨率SRTM DEM換算得到。解譯過程中,參考前人以植被覆蓋度劃分石漠化等級的方法[1011],將其分為重度石漠化(FVC<30%)、中度石漠化(30% <FVC<50%)、輕度石漠化(50% <FVC<70%)及無石漠化(FVC >70%)。
遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)(表1)表明:2001、2006、2011和2016年廣西西江流域石漠化面積分別占流域總面積的18.06%、15.58%、12.05%和7.34%。2001—2006年間輕度石漠化面積減少12.53%,中度石漠化面積減少23.04%,重度石漠化面積減少9.07%;2006—2011年間輕度石漠化面積減少22.17%,中度石漠化面積減少28.21%,重度石漠化面積減少12.16%;2011—2016年間輕度石漠化面積減少39.68%,中度石漠化面積減少38.08%,重度石漠化面積減少13.97%。表明近15年來石漠化土地面積持續(xù)縮減,其縮減速率呈現(xiàn)出逐年增長的趨勢。
表1 西江流域2001—2016年各等級石漠化面積Tab.1 Area of rocky desertification in the Xijiang River Basin during 2001-2006
不同等級的石漠化面積由大到小排序為輕度石漠化(6.41% ~15.61%)>中度石漠化(0.75% ~2.19%)>重度石漠化(0.18% ~0.27%),表明石漠化面積隨等級的升高而逐步減少,石漠化等級結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的金字塔狀。
基于子流域尺度統(tǒng)計廣西西江流域4期石漠化面積平均值(表2),統(tǒng)計結(jié)果表明:石漠化集中分布于西江流域中部及西部地區(qū)的紅水河、柳江、右江及左江流域,4個子流域的石漠化面積總和約占全區(qū)石漠化總面積的87.72%,是石漠化問題較為嚴重的區(qū)域,其中輕度石漠化面積占全區(qū)石漠化總面積的比例分別為 29.36%、18.29%、15.15%和15.00%,中度石漠化面積占比分別為2.44%、2.00%、1.76%和2.41%,重度石漠化面積占比分別為0.27%、0.44%、0.20%和0.38%。
表2 各子流域石漠化平均面積Tab.2 Average area of rocky desertification in each sub-basin
計算不同時段流域石漠化面積動態(tài)度(圖2),結(jié)果表明:紅水河、柳江、黔潯江及右江流域石漠化縮減速率的變化趨勢與全流域一致,2001—2006年間4個子流域石漠化年均縮減速率僅為3.03%、3.12%、-0.19%和3.05%,而在2011—2016年間分別增長到12.01%、8.81%、10.62%和7.71%。南盤江流域石漠化縮減速率在最初10年內(nèi)由4.94%下降至4.47%,而在2011—2016年間石漠化縮減速率又上升至6.61%。桂賀江與左江流域石漠化縮減速率在2006—2011年間達到最大值,而后又呈下降趨勢變化。
在GIS技術(shù)的支持下,將2001、2006、2011和2016年廣西西江流域石漠化圖進行綜合疊加分析,統(tǒng)計石漠化變差狀況,分析石漠化演變規(guī)律。
分析結(jié)果(圖3)表明石漠化演變是不同等級石漠化相互轉(zhuǎn)移的動態(tài)過程。石漠化轉(zhuǎn)移主要集中在較低等級石漠化之間,其中無石漠化與輕度石漠化之間的面積相互轉(zhuǎn)移量最大,在 2001—2006、2006—2011和2011—2016年3個時段內(nèi)其面積轉(zhuǎn)移量占總轉(zhuǎn)移量的比例分別達到78.82%、81.68%和84.55%;相鄰等級石漠化的面積相互轉(zhuǎn)移量較大,不同等級石漠化之間面積跳躍轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移量較小,從整體上看,2001—2016年間相鄰等級的石漠化面積轉(zhuǎn)移量占總轉(zhuǎn)移量的比例達94.68%,石漠化跨等級的轉(zhuǎn)移量僅占總轉(zhuǎn)移量的5.32%。另外,重度石漠化轉(zhuǎn)移面積最小,其面積轉(zhuǎn)移量僅占總轉(zhuǎn)移量的2.01%,說明重度石漠化治理難度大,治理措施在短期內(nèi)難見顯著成效。
圖2 子流域石漠化面積的縮減速率Fig.2 Reduction rate of the rocky desertification area in each sub-basin
圖3 廣西西江流域2001—2016年石漠化動態(tài)變化Fig.3 Dynamic characteristic of rocky desertification of Xijiang River Basin during 2001-2016
近15年間,伴隨著石漠化綜合治理措施的開展與石漠化區(qū)土地壓力的緩解,西江流域石漠化面積呈加速趨勢縮減。當前,廣西省針對境內(nèi)石漠化防治問題已開展了大量的實驗與研究[1213]。 截止至2014年,廣西省已有75個石漠化嚴重縣被納入以小流域為單元的石漠化綜合治理工程建設范圍,配合當前國家新農(nóng)村建設政策,著力打造以石漠化區(qū)生態(tài)恢復為目標,有機結(jié)合耕作、農(nóng)業(yè)、工程和管理的石漠化綜合治理方案[12],多項治理措施的綜合作用使得石漠化區(qū)植被得到有效恢復。另外,人口外遷與生態(tài)移民等活動在一定程度上緩解了巖溶區(qū)的土地壓力,第5次人口普查數(shù)據(jù)表明[14],廣西省遷移人口占全區(qū)總?cè)丝跀?shù)的7.99%,人口遷移方向主要由鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)指向經(jīng)濟發(fā)達的城市地區(qū),大規(guī)模的人口遷移為遷出地的生物棲息與繁衍提供更為廣闊的空間,也避免了毀林開荒、陡坡開荒等不合理人類活動的影響,減輕了水土流失與土地退化的風險,使得遷出地的生態(tài)環(huán)境得到有效的恢復與保護[15]。一般認為石漠化的形成受其巖性特征、地貌形態(tài)、氣候類型、植被狀況等因素的控制,并在不合理的人類活動的影響下進一步惡化[16]。廣西西江流域石漠化主要分布于流域中部及西部地區(qū),從自然環(huán)境因素上看,一方面西江流域中部及西部巖溶區(qū)面積廣闊,空間分布連續(xù),加之該地區(qū)海拔相對較高,坡度較大,且處于西南季風的迎風坡,雨季降水量大,導致該地區(qū)土壤侵蝕現(xiàn)象明顯,另一方面,流域巖溶區(qū)植被類型多為灌木,許多地區(qū)植被群落未達到頂級[17];因此在極端氣候與人為因素的干擾下發(fā)生石漠化。從社會經(jīng)濟因素上看,紅水河、柳江、左江及右江流域巖溶區(qū)是廣西省貧困人口的主要集中地,人口密度較大,如大化、馬山、平果等縣級市,人口密度高達150人/km2,嚴重超過了巖溶區(qū)的環(huán)境負荷[3],不合理及過度的開荒活動加劇了當?shù)氐乃亮魇?進而提高了石漠化形成與演化的速度。
石漠化的演化過程同時存在好轉(zhuǎn)與惡化2個方向。石漠化轉(zhuǎn)移主要集中于較低等級的石漠化之間,且相鄰等級石漠化轉(zhuǎn)移量遠大于跨等級石漠化轉(zhuǎn)移量,表明石漠化演化是一個漸變的過程,低等級石漠化相比于高等級石漠化更容易發(fā)生改變,這與陳起偉等[9]針對貴州省石漠化的監(jiān)測結(jié)果一致。等級較高的石漠化地區(qū),由于其巖石裸露率過高,土被覆蓋少,土壤淺薄,使得該區(qū)已經(jīng)惡化的生態(tài)系統(tǒng)難以得到恢復[18]。也有研究表明裸巖率與坡地的微地貌部位關系密切,坡丘上部相較于坡低具有較高的裸巖率[19],尤其是坡丘頂部,一般無路可通,因此對該地區(qū)進行綜合治理是難上加難,只能等待其進行漫長的自我恢復。而石漠化程度較輕的地區(qū),其土壤覆蓋狀況相對較好,并且該區(qū)域具有一定的通達性,具有相對較好的治理條件,所以這些地區(qū)的石漠化狀況更容易在人類的合理干涉下得到改善。
基于2001、2006、2011和 2016年 4期 MODIS NDVI影像數(shù)據(jù),以廣西西江流域為研究單元,提取廣西西江流域石漠化空間信息,分析廣西西江流域石漠化動態(tài)變化特征。主要結(jié)論如下:
1)2001、2006、2011和2016年廣西西江流域石漠化面積分別占流域總面積的18.06%、15.58%、12.05%和7.34%,流域石漠化面積呈現(xiàn)出隨等級增加而降低的金字塔結(jié)構(gòu);近15年間,在多項石漠化綜合治理工程廣泛實施的背景下,廣西西江流域石漠化土地面積持續(xù)下降,且降幅逐年增加。
2)石漠化集中分布于西江流域中部及西部地區(qū),其中紅水河、柳江、左江及右江4個子流域石漠化面積占全流域石漠化面積的87.72%。紅水河、柳江、黔潯江及右江流域石漠化縮減速率的變化趨勢同全流域基本一致,桂賀江與左江流域石漠化縮減速率呈先增后減的趨勢變化,在2006—2011年間達到最大值,分別為4.18%和6.68%。
3)石漠化面積變化同時存在好轉(zhuǎn)與惡化2個方向,低等級石漠化相比于高等級石漠化更容易向相鄰等級石漠化轉(zhuǎn)移。在本研究時段內(nèi),石漠化轉(zhuǎn)移呈現(xiàn)高等級石漠化逐步向低等級石漠化轉(zhuǎn)變的特征,表明針對廣西西江流域石漠化的治理已取得一定成效,但部分地區(qū)石漠化問題依然存在,還需要進一步加強流域石漠化監(jiān)測力度,及時調(diào)整與優(yōu)化石漠化綜合治理措施。