3S技術在石漠化研究中的應用

毛燕等

摘要

石漠化是我國西南部生態建設中面臨的突出的環境問題，嚴重阻礙了喀斯特地區的可持續發展。從3S技術在石漠化研究中的應用著手，從土壤侵蝕、景觀格局空間分析、成因分析、綜合治理等方面探討了該領域的主要研究進展，最后從石漠化驅動機制分析、構建石漠化數據庫等方面闡述了今后的發展趨勢，為今后的工作提供理論研究依據和決策參考。

關鍵詞3S技術；石漠化；土壤侵蝕；景觀格局；成因分析；綜合防治

中圖分類號S127文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）06-01873-02

AbstractDesertification is a significant environmental problem in the southwest of China and hinders sustainable development in Karst areas. Starting from the application of 3S technology in desertification， the research progress of the field was discussed from aspects of soil erosion， landscape pattern spatial analysis， cause analysis， comprehensive prevention. The development trend was elaborated from analysis of desertification driving forces and constructing database， in order to provide theory basis and decision-making reference for the future work.

Key words 3S technology； Desertification； Soil erosion； Landscape pattern； Cause analysis； Comprehensive prevention

石漠化已經成為我國現階段突出的生態環境問題之一，盡管自20世紀80年代開始許多學者就已經有所關注，但其形成機理尚不清楚，同時也缺乏系統的研究方法[1]。關于石漠化的定義有很多不同的見解，綜合一些學者的觀點可以將其描述為：在亞熱帶喀斯特地區，由于人類干擾活動導致的植被退化、水土流失、基巖裸露、土壤生產力下降的類似荒漠景觀的土地退化過程[2-4]。我國是全球三大巖溶集中分布區之一，面積達到54萬km2，居住人口約1億，其中滇黔桂湘碳酸鹽巖出露面積37萬km2， 占該區總面積的36%。截至2003年底，我國已有7萬km2土地出現嚴重石漠化，泥石流等災害頻繁發生，石漠化治理已成為這些地區生態環境建設和經濟發展的亟待解決的重要難題[5]。

石漠化發生地區一般條件比較惡劣，常規地面監測難度大，并且存在一定的局限性，而3S技術[遙感技術（RS）、地理信息系統（GIS）、全球定位系統（GPS）]正好彌補了這些不足，使大范圍的對地觀測成為可能，同時也為監測環境災害提供了重要依據。有學者指出，3S 監測技術在工作量、費用、精度等方面都優于傳統技術，能很好地保證監測成果的質量；同時，利用遙感技術可提供最新的監測數據，利用 GIS 技術可以進行快速的石漠化調查數據分析與評價，可以提高石漠化調查與評價結果資料的可用性等[6]。隨著3S技術的不斷發展，其已成為生態環境監測與分析方面的主要技術手段。為此，筆者從土壤侵蝕、景觀格局空間分析、成因分析、綜合治理等方面進行概括，分析前人對于3S技術在石漠化研究中的應用進展，旨在進一步推動石漠化的深入研究。

1 土壤侵蝕

隨著人口的不斷增加，人地之間的矛盾日益突出，在地貌形態復雜、坡度陡峭的巖溶地區水土流失現象更為嚴重，這種以水為侵蝕動力的土壤侵蝕已經影響到了這些地區的生存與發展。近年來，許多學者利用GIS和RS技術對巖溶地區的土壤特征、土壤流失量、土壤侵蝕強度、土壤侵蝕機理和治理等方面開展了研究，為評價巖溶區不同地段的土壤侵蝕情況提供了重要的科學依據。如倪九派等研究發現，在GIS技術的支持下進行巖溶區小流域土壤侵蝕量預測，更能準確地反映巖溶區小流域土壤侵蝕狀況及其空間分布特征[7]；周斌等以貴州省安順市為例，探討了基于GIS的水土流失定量評價模型的組成、各參數因子的算式算法，結果表明，該方法在貴州省巖溶地區的水土流失檢測中具有較高的可靠性[8]；覃曉群等針對巖溶石山區土壤侵蝕危險性評價問題，以廣西平果縣果化示范區為例，引入GIS和AHP技術， 建立了示范區的土壤侵蝕危險性評價模型[9]；王珊以珠治工程廣西項目區為例，基于GIS及RS技術構建了土壤侵蝕模型，對巖溶區進行了土壤侵蝕評價，明確了研究區土壤侵蝕發生的可能程度及空間分布規律[10]。

2 景觀空間格局分析

針對常規監測在石漠化景觀及其動態變化研究方面的不足，3S技術已經逐漸成為石漠化景觀格局分析中的主要手段，在景觀數據的獲取、景觀格局的定量分析、景觀生態監測等方面起到至關重要的作用。目前，對景觀結構和空間格局的研究主要是應用 RS技術和 GPS 技術采集景觀原始數據，再利用 GIS 的柵格化數據或矢量化數據表達景觀數據，在此基礎上，用 GIS 與景觀研究方法進行分析，最后對分析結果進行解釋與分析。目前，關于3S技術在石漠化景觀格局動態方面的研究中應用還較少，且研究還不夠深入。如譚秋對不同地貌區域的小流域進行了研究，分析了石漠化景觀格局，結果表明，從高原區到峽谷區，石漠化的強度漸重，景觀形狀指數和破碎度指數漸增，蔓延度指數漸減；利用GIS軟件對桂西北土地石漠化類型數據進行了編碼和重組分析，得出其在不同時間內的空間分布特征，結果表明，桂西北石漠化有加速發展的態勢，石漠化治理不明顯，空間格局分散[11]。徐徑原等選取香農多樣性指數、蔓延度指數等景觀格局指標，運用景觀空間分析方法對廣西喀斯特石漠化近10年空間格局演化特征進行了探討，發現區域石漠化景觀水平整體異質性低，內部混合度大，石漠化治理效果顯著[12]。

3 成因分析

石漠化的成因分析是石漠化研究中的一個非常重要的方向，只有當明確其形成原因的前提下，才能達到更好的防治效果。從前人的研究來看，石漠化的產生與發展主要是自然因素和人為因素共同影響所致。巖溶地區的碳酸鹽巖易淋溶、成土慢、出露廣泛、抗侵蝕能力低是石漠化產生的主要自然因素；人類對生態的破壞和土地的不合理利用，如過度樵采、不合理耕作、過度開墾、亂砍濫伐、過度放牧等，成為石漠化形成過程中的主要人為因素。許多學者也利用3S技術對此進行了探討，利用RS和GIS技術研究了重慶市黔江區石漠化現狀及形成原因，發現石漠化的形成與發展是人類不合理的經濟活動疊加脆弱的生態地質環境背景綜合作用的結果[13]。利用Landsat TM/ETM 數字影像，監測了20世紀末后20年的廣西喀斯特山區土地石漠化的時空格局特征與規律，發現其石漠化形成原因包括自然因素（地表組成物質、生物群體類型及氣候狀況）、人為因素（過度墾殖、過度放牧以及礦山開發）和政策因素[14]。利用RS和GIS技術探討了貴州省石漠化發生演變的時空特征，發現陡峻而破碎的地貌格局、分布廣泛的碳酸鹽巖、常年溫暖濕潤以及暴雨頻發的氣候條件是石漠化發生的自然因素，不合理的人類活動是石漠化發生的誘因[15]。運用景觀生態學理論與RS和GIS 技術，對桂西北河池地區不同土壤類型石漠化的景觀格局和發生率進行了研究，結果表明，石漠化的發生與分布在不同土壤中存在明顯差異，土壤的發生特點是導致石漠化形成的重要自然因素之一[16]。

4 綜合防治

石漠化已經嚴重阻礙了喀斯特地區的社會經濟發展，關于其綜合防治問題越來越受到社會和政府的高度關注，石漠化的治理工作也在各地廣泛開展。特別是3S技術應用到石漠化治理中后，較好地彌補了以前的綜合防治規劃當中的資料紙張化、工具陳舊化、決策經驗化等不足，提高了信息的準確性和規劃的可靠度，起到了較好的指導作用。在石漠化綜合防治過程中，一些學者利用3S技術對此進行了論述。如周宏益等將GIS技術運用到石漠化綜合防治規劃中，通過GIS的分析功能擇優選擇出最佳規劃方案，極大地提高了規劃的效率和質量[17]；閆研等運用3S-CAD 技術對廣西天等縣巖溶小流域石漠化綜合治理工程進行了初步設計，把宏觀的工程總體布置和地理信息的點線面結合起來，提高了綜合治理初步設計的速度、科學性和完整性[18]；周忠發以GIS與遙感技術為手段，對貴州織金縣洗馬河流域進行了石漠化調查和防治工程的布置[19]。這些研究成果為今后石漠化的恢復與治理提供了重要的理論參考依據。

5 展望

近幾年來，3S技術在石漠化研究中已經得到了深入研究和應用，并取得了一些階段性的成果，在資源、環境調查和區域管理中發揮了重要的作用，但目前石漠化呈現局部好轉，總體惡化的趨勢，因此仍有許多領域有待于進一步探討。筆者認為主要有以下兩個方面。

5.1石漠化驅動機制分析

導致石漠化的影響因子很多，如何了解和分析各影響因子之間的相關性，確定主導因子，建立一套合理的石漠化評價指標體系可為石漠化的綜合防治提供重要的借鑒。目前，關于利用3S技術系統分析土地石漠化的驅動因子特征及其與石漠化強度分布的空間相關性的研究還較少，今后的工作中有待于進一步研究。

5.2 建立石漠化數據庫

隨著科技的發展，地理信息系統技術越來越多地用于調查巖溶區域狀況，如何有效的利用3S技術整合這些調查資源，建立起石漠化數據庫，是目前必須考慮的重要問題。數據庫和模型的建立可為環境整體評價和預測提供重要的參考依據，也可為政府提供更多的決策支持。

參考文獻

[1]

王曉紅，劉耀林，彭恢銘.應用RS和GIS技術監測石漠化的研究[J].中國水土保持，2006（5）：47-50.

[2] 袁道先.我國西南巖溶石山的環境地質問題[J]. 世界科技研究與發展， 1997（5）： 93-97.

[3] 屠玉麟.貴州喀斯特地區生態環境問題及其對策[J].貴州環?？萍?，2000，6（1）：1-6.

[4] 王世杰.喀斯特石漠化概念的演繹及其科學內涵的探討[J].中國巖溶，2002，21（2）： 101.

[5] 劉仙，蔣勇軍，況明生，等.西南巖溶石漠化區水土保持研究新進展[J]. 亞熱帶水土保持， 2009，21（2）： 20-23.

[6] 袁世聰. 基于RS與GIS的喀斯特石漠化演變特征研究[D].貴陽：貴州師范大學，2008.

[7] 倪九派， 袁道先， 謝德體，等. 基于GIS的巖溶槽谷區小流域土壤侵蝕量估算[J]. 應用基礎與工程科學學報， 2012， 18（2）： 218-225.

[8] 周斌， 楊柏林， 洪業湯，等. 基于GIS 的巖溶地區水土流失遙感定量監測研究[J]. 礦物學報， 2000， 20（1）：13-21.

[9] 覃曉群， 鄧艷， 藍芙寧，等. 基于GIS 技術的典型巖溶石山區土壤侵蝕危險性評價[J]. 安全與環境工程， 2005， 12（4）： 69-72.

[10] 王珊. 基于GIS的巖溶區水力侵蝕模型研究與應用[D].北京：北京林業大學， 2013.

[11] 譚秋. 貴州連續性石灰巖小流域石漠化景觀格局研究[J]. 礦物巖石地球化學通報，2009， 28（3）： 217-222.

[12] 吳良林， 盧遠， 周興，等. 桂西北土地石漠化時空格局演化GIS 分析[J]. 地球與環境， 2009，37（3）： 280-286.

[13] 蔣勇軍 ， 章程， 李林立，等. 基于RS、GIS 的重慶黔江區石漠化現狀與成因分析[J]. 水文地質工程地質， 2007（1）： 81-89.

[14] 胡業翠， 劉彥隨， 吳佩林，等. 廣西喀斯特山區土地石漠化：態勢、成因與治理[J]. 農業工程學報， 2008， 24（6）： 96-101.

[15] 錢銘杰， 吳芳芳， 童立強. 基于RS- GIS的貴州省石漠化成因及治理研究[J]. 中國水土保持， 2008（11）： 16-18.

[16] 楊青青， 王克林. 基于RS 與GIS 的桂西北石漠化景觀與土壤類型關系研究[J]. 土壤通報， 2010， 41（5）： 1030-1036.

[17] 周宏益， 王文俊， 向喜瓊. 基于GIS的喀斯特石漠化綜合防治規劃[J]. 地球與環境， 2005， 33（S1）： 627-630.

[18] 閆妍， 胡寶清， 蘇廣實，等. 基于3S-CAD 技術的廣西天等縣小流域石漠化綜合治理初步設計及應用[J]. 中國巖溶， 2010， 29（3）： 285-292.

[19] 周忠發.基于GIS的喀斯特流域石漠化綜合防治探討[J].水土保持研究，2007，14（5）：293-295.