典型石漠化地區土地覆被變化對生態環境的影響

彭文君　舒英格

摘要：石漠化地區的生態系統極其脆弱，其環境特殊、巖石裸露、土層薄、蓄水能力差，這是由于土地覆被變化導致生態服務功能遭到破壞、生態環境惡化的結果，研究典型石漠化地區土地覆被對生態環境的作用關系到我國該類型地區土地資源的可持續發展。本研究以典型高山石漠化地區貴州省晴隆縣為例，利用ENVI、ArcGis軟件對1988年、2000年、2016年3期Landsat影像進行解譯，分析近30年的土地覆被變化特征，通過計算土地覆被變化幅度、生態服務價值、生態環境質量指數、生態貢獻率，得出對生態環境的影響結果。結果表明：受人口增長、經濟發展、土地政策等因素的影響，1988—2016年間呈現出“兩增三減一浮動”態勢，即耕地、水域、未利用地轉向草地、城鄉工礦及居民用地，林地面積呈先上升后下降的浮動模式；晴隆縣生態服務價值呈先增后減趨勢，由于林地、草地、耕地、水域支撐，在2000年達到最大值，而耕地、林地面積減少直接導致2016年生態服務價值下降；1988年、2000年、2016年區域生態環境質量指數分別為0.443 5、0.469 7、0.475 1，總體上維持著動態穩定并呈現上升的趨勢，但由于林地草地退化、建設占用、水域枯竭等原因，造成了區域生態環境質量受損。

關鍵詞：土地覆被變化；生態服務價值；生態環境質量；石漠化地區

中圖分類號： F301.2文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）14-0200-06

土地覆被變化涉及到區域人口、資源、環境與發展方面的核心問題，并與生態安全水平密切聯系，它的逐漸積累最終還會導致全球變化，因此從1990年起，土地覆被變化便成為全世界資源與環境領域的研究熱點[1-2]。到目前為止，國內外已有眾多學者利用高光譜遙感、微波遙感、高分辨率影像和多源信息復合、遙感圖像自動識別與分類、3S的集成等技術，針對不同時空的土地覆被變化形式、特征、趨勢以及驅動力等方面開展了大量的研究，在研究區域上，將土地覆被變化與生態結合的研究范圍由風沙區[3]、黃土高原區[4]、平原地區[5]、丘陵溝壑區[6-7]、喀斯特山區[8]、干旱區[9]，到流域[10]、城市[11-12]，但對于典型石漠化地區，對土地覆被變化特征的研究極少，并且尚未有人將其生態服務價值與生態環境效應聯系起來做研究；在研究時間上，大多數學者的研究期都選擇了2013年之前的10年或20年間，不能很好地反映近期的變化趨勢，其對“十二五”的響應程度及對“十三五”的指導作用甚小。由于貴州省擁有獨特的喀斯特地貌，其石漠化程度深，再加上生態環境退化，已波及到長江、珠江中下游地區和三峽庫區的生態平衡[13]，大力開展貴州石漠化區的環境保護及生態建設工作已迫在眉睫。

為此本研究以貴州省具有典型高山石漠化特點的晴隆縣為例，利用1988年、2000年、2016年3期土地覆被數據，在縣域尺度范圍內，探討典型石漠化地區的土地覆被變化特征，定量分析生態服務價值與生態環境效應的變化，可獲得土地覆被變化對生態環境的影響結果，這一結果可指導編制土地利用規劃，同時為當地環境部門提供量化依據，促進生態保護與經濟建設之間關系的協調，以期為貴州省乃至全國范圍內石漠化地區土地資源的可持續發展決策提供參考。

1研究區與研究數據

1.1研究區概況

晴隆縣地處貴州省西南側，黔西南布依族苗族自治州的東北角（105°01′～105°25′E，25°33′～26°11′N），占地 132 730 hm2，屬高原亞熱帶季風氣候，一年中平均溫度約 14 ℃，總降水量為1 500～1 650 mm。境內地形起伏大，海拔高度相差達1 482 m，土壤淺薄、巖石裸露度高、立地條件差、成土速度非常緩慢、生產力低，碳酸鹽巖連片分布，具有“山高坡陡谷深”的特點，屬于貴州省典型的高山石漠化貧困地區，石漠化范圍達88 527 hm2，占全縣土地面積的 66.70%。該縣生態環境十分脆弱，有75%的耕地呈小塊條形狀，屬于坡耕地，其保土、保水、保肥能力特別差，自然災害頻發。嚴重的土地石漠化是導致其成為國家級貧困縣的重要原因，人均耕地僅0.051 3 hm2，晴隆縣從20世紀80年代末至今，石漠化程度不斷加劇，現已達到全省石漠化面積的40.56%。

1.2研究數據

1.2.1數據獲取

本研究采用晴隆縣1988年Landsat4-5 TM衛星數據（時相9月15日，分辨率30 m）、2000年Landsat4-5 TM衛星數據（時相11月3日，分辨率30 m）、2016年Landsat 8 OLI_TRIS衛星數據（時相3月20日，分辨率30 m）共3期遙感影像作為基本數據源，結合晴隆縣行政邊界圖，利用目視解譯加實地勘察的方式來取得土地覆被相關數據。

1.2.2土地覆被分類與解譯標志的確定

根據中國科學院提出的土地覆被分類方法[14]，將土地覆被類型劃分成6個一類地和25個二類地，在圖像解譯過程中，發現二級地類間無法區分，為了提升解譯效率，控制各樣本分離度與分類精度，剔除掉一些二類地，再歸并一部分進入一類地，最終確定土地覆被類型為：林地、耕地、草地、城鄉工礦居民用地、水域、未利用地。對不同波段的組合進行比對后，最終決定1988年和2000年2期遙感影像都選擇543波段進行RGB合成，2016年遙感影像選擇453波段進行RGB合成。由此，便建立了遙感影像解譯標志。

1.2.3數據處理

利用ENVI 5.1對3期衛星數據執行圖像的預處理；再進行監督分類操作，監督分類時會用到Google Earth 7.1.5進行輔助；隨后進行分類后處理操作，以減少分類誤差，提高精度；最后生成晴隆縣1988—2000年與2000—2016年的土地覆被變化轉移矩陣，統計各地類面積，并利用ArcGIS 10.2生成3個不同時相的土地覆被現狀圖（圖1）。

2研究方法

2.1土地覆被變化的分析方法

土地覆被變化的幅度分析，土地覆被變化幅度是從面積上考察土地覆被種類的變化程度，重點描述不同土地覆被種類在不同時間內總量上的差異，不但可以從整體上把握土地覆被變化的大趨勢，而且可以掌握其內部結構的變化[15]。

2.2生態服務價值的研究方法

謝高地等在2003年提出了9項生態服務價值功能的概念。土地覆被種類與生態類型的對照標準如下：耕地與農田對照；林地與森林對照；未利用地與荒漠對照；城鄉工礦及居民用地與建設用地對照，因不考慮建設用地的生態服務價值，所以等于0。在計算過程中，引用謝高地等提出的價值當量表[16]，按照不同地區的物價水平，對生態服務價值表做了一些修正，并運用Costanza等提出的計算公式[17]計算晴隆縣的生態服務價值（ESV），其表達式為：

2.3生態環境效應的計算方法

2.3.1區域生態環境質量指數

是指某一地區內各覆被種類的環境質量與該種類面積的比，以定量的方式來描述該縣域內生態環境質量的整體情況，其表達式為：

2.3.2區域土地覆被類型轉換生態貢獻率

是指某覆被種類的轉換所帶來的區域生態質量的變化水平，其表達式為：

生態質量指數；LA表示該轉換類型的面積；TA表示該區域總面積。

參考國內外相關研究，可以采用生態服務功能來測算各覆被種類的生態價值，構建覆被種類與生態環境質量之間的關系，向各覆被種類的質量指數賦值。賦值標準主要參考Costanza等提出的世界范圍內各種生態服務功能價值間的不同比值，再聯系晴隆縣的縣情，對質量指數在0到1之間賦不同值，考慮到Costanza等的計算結果有一定偏差，需要對其結果實施進一步修正，因此本研究還參考了彭建等[18-20]對不同區域生態價值的評估結果，從而得到不同土地覆被種類的環境指數。

3結果與分析

3.1分類結果精度評估

本研究利用ENVI 5.1中的Confusion Matrix工具逐一對各期影像的處理成果執行精度評估，得到總體分類精度（OA）和Kappa指數（Kappa）2個指標。其中，OA>90%為優，kappa則有5個不同等級：[0，0.2]為幾乎不一致、（0.2，0.4]為較低一致、（0.4，0.6]為中度一致、（0.6，0.8]為高度一致、（0.8，1]為幾乎完全一致。通過對3期遙感數據的處理結果分別執行精度評估，可見解譯精度符合要求（表1）。

3.2土地覆被類型間的轉換幅度與方向

3.2.1轉換幅度分析

晴隆縣土地覆被變化的總體特征是：城鎮工礦及居民用地和草地面積直線上升，耕地面積持續下降，林地面積先上升后下降，水域和未利用地呈小范圍減少趨勢。具體來說：1988年，晴隆縣土地覆被類型以耕地和林地為主，耕地面積為44 154.69 hm2，占總面積的33.74%，林地面積為49 881.49 hm2，占38.11%，土地覆被面積最小的是城鄉工礦及居民用地、水域和未利用地，共占總面積的 10.81%。到2000年，晴隆縣土地覆被類型以林地為主，面積達到54 692.11 hm2，凈增加4 810.62 hm2，增幅為9.64%，覆被類型面積最小的依然是城鄉工礦及居民用地、水域和未利用地，共占8.94%。到2016年，晴隆縣土地覆被類型的總體轉變趨勢與2000年相似，仍以林地為主，但較2000年有所下降，面積為53 107.65 hm2，凈下降1 584.46 hm2，減幅為290%，土地覆被類型面積最小的依舊是城鄉工礦及居民用地、水域和未利用地，共占總面積的8.16%（表2、表3）。

3.2.2轉換方向分析

對3期數據進行動態監測操作，可以獲得2個動態轉移矩陣（表4、表5）。通過對1988—2016年研究區土地覆被變化轉移矩陣的分析可知，這一時期的耕地面積在持續減少，耕地的流出方向主要為林地、草地、城鄉工礦及居民用地。而這一時期林地和草地面積有所增加，除了耕地所做的貢獻外，另一個主要流入方向為未利用地。城鄉工礦及居民用地在這一時期有一定的擴張，大多來自耕地和未利用地。水域范圍在縮小，流出方向為草地和未利用地。由于轉化為林地、草地、城鄉工礦及居民用地，未利用地的面積在持續減少。

3.2.3驅動因素分析

從表4可以看出，1988—2000年這12年來，面積下降最多的是耕地，耕地主要流向了林地和草地，其中有4 283.10 hm2的耕地流向林地。其次減少最多的是未利用地，其中有623.38 hm2流向林地，2 155.13 hm2流向草地。除了林地和草地，增長最多的是城鄉工礦及居民用地，增長的部分大多由耕地和未利用地轉換而來。在“八五”期間，貴州省加快了基礎工業建設的腳步，而這些基礎設施和基礎產業的建設需要占用大量土地，此類土地通常是在地勢比較平坦的地方，往往是耕地分布的主要地區，這就造成了耕地和未利用地不斷地向城鄉工礦及居民地轉換。

從表5可以看出，2000—2016年這16年來，減少最多的是耕地，耕地的流出方向主要是草地，耕地轉為草地的面積達2 375.91 hm2。由于退耕還草必須嚴格控制坡度在25°以上非基本農田的坡耕地實施，晴隆縣具有的山高坡陡地勢恰讓退耕還草取得了較好的成效，成為了貴州省典型的退耕還草地區，其力度之大使得耕地大量向草地轉換。增長面積居第2位的是城鄉工礦及居民用地，源于耕地的有479.09 hm2，源于未利用地的有1 489.01 hm2，這是由于在“十五”和“十二五”期間，晴隆縣各級各部門積極搶抓西部大開發和新一輪扶貧開發的機遇，施行了大量基礎保障建設，占據了耕地和未利用地。除耕地以外減少最快的是未利用地，未利用地主要轉為了草地，轉換范圍達2 630.36 hm2，這與2003年國家出臺的《基本農田保護條例》和《退耕還林條例》息息相關，希望在保護好基本農田的同時，還要實施退耕還林還草，晴隆縣為使該項政策落地，抓住退耕還林還草工程實施的大好機遇，在此期間大范圍地開展了退耕還林還草政策宣傳工作，并落實到實處，保護基本農田并不影響利用未利用地來實施退耕還林還草，這是未利用地向林地、草地轉換的主要原因；但由于這一時期屬于生態環境退化的時期，生態環境受到人類活動的影響較大，石漠化程度正在加強，導致林地在這一時期遭到的破壞較為嚴重，因此總體來看，林地面積在減少。

3.3生態服務價值變化

為了探討晴隆縣土地覆被變化對生態服務價值的影響，本研究引用了生態服務價值當量表（表6），并結合晴隆縣的特點做了修正：以晴隆縣2010—2015年平均糧食產量 579 kg/hm2 為基準單產，糧食單價取2015年貴州省糧食平均價格3.86元/kg，計算出晴隆縣1個當量因子的經濟價值為319元/hm2，即得到晴隆縣各土地覆被類型所對應的生態服務價值系數（表7）。

憑借晴隆縣各覆被種類的生態服務價值系數和土地覆被面積，可算出1988年、2000年、2016年的生態服務價值。從表8來看，晴隆縣生態服務價值總體上在1988—2000年呈增長趨勢，其中，林地價值增長顯著，增加了0.335億元，其次草地生態服務價值增加了0.115億元，而耕地、水域、未利用地的價值出現不穩定的減少，分別減少了0.161億、0.025億、0.004億元。2000年晴隆縣的生態服務價值達到最大，為5692億元，林地、草地、耕地、水域的貢獻最大，占到總價值的 99.88%。2016年減少到5.555億元，耕地和林地面積的減少是2000—2016年間價值下降的主要原因；但比1988年上漲了0.123億元，其中林地和草地面積增加也是該時段生態服務價值增大的主要原因。

通過分析得出，晴隆縣林地的生態服務價值占總價值的比例最大，已遠遠大于其他類土地價值的比例；而未利用地的價值所占比例最少，不超過0.2%，原因是耕地、林地、草地、水域的價值系數遠大于未利用地的價值系數。

3.4生態環境效應分析

根據式（3），可計算得到晴隆縣1988年、2000年、2016年區域生態環境質量指數，其結果分別為0.443 5、0.469 7、0475 1，說明從1988—2000年，晴隆縣生態環境質量指數上升0.026 2，年均增長0.45%；從2000—2016年，上升了0005 4，年均增長0.07%。說明晴隆縣總體上維持著區域生態環境的動態穩定，并呈現上升趨勢，前12年比后16年上升幅度更大，因此可知，引起生態環境質量波動的關鍵因素是人們經濟活動作用下的土地覆被類型的快速轉換。

盡管晴隆縣生態環境在總體上呈現出好轉趨勢，但區域內生態質量惡化的問題依然存在，該區域內的生態質量經歷著不同程度的好轉和損害，引起此類好轉和損害發生的土地覆被轉換類型種類和貢獻率見表9。引起生態環境質量好轉的主要覆被變化種類是耕地轉向林地、草地和水域；林地轉向水域；草地轉向林地和水域；水域轉向林地和草地；城鄉工礦及居民用地轉向耕地、林地、草地、水域和未利用地；未利用地轉向林地、草地、耕地、水域、城鄉工礦及居民點用地。這主要是退耕還林還草政策和建設用地復墾導致的結果，受退耕還林還草政策影響，耕地向林地和草地的轉變對生態環境質量改善的貢獻率居前2位，貢獻率分別為為0.084 55%、0050 87%。

引起生態環境質量受損的土地覆被變化種類是林草地退化、建設占用、水域枯竭。其中，耕地轉變成城鄉工礦及居民用地的轉變方式對生態環境質量惡化的貢獻最大，貢獻率達0.008 19%；其次由于缺乏對林地的有效維護，林地退化為其他覆被類型對生態環境惡化的貢獻率居第二位，貢獻率達到0.002 49%；除此以外，由于水域轉變成未利用地對生態環境惡化的貢獻率位居第三位，達到了0.001 99%（表9）。由此可見，耕地、林地、草地、水域面積的增減是影響晴隆縣生態環境改變的關鍵因素。

3.5土地覆被變化的影響因子分析

影響因素系統是一個動態循環系統，此循環內的不同影響因子與循環外的土地覆被方式、土地管理者等，包括自然、經濟、社會系統時時刻刻發生著作用和聯系[21]。其基本的作用過程是：起初影響因子對土地管理者產生作用；各個方面的土地管理帶來了土地覆被差異；這種覆被差異隨之又反向作用于影響因子。這一循環過程即影響因子—土地管理者—土地覆被差異-影響因子。

3.5.1人口增長因子

根據晴隆縣國民經濟和社會發展統計公報可知，1988年晴隆縣總人口有23.57萬人，2000年上漲到27.07萬人，增長率為14.85%，隨著城鎮化的不斷發展，2016年達到33.50萬人，增長率為23.75%。由于人口的增長速度加快，縣域內的基礎配套設施、住宅用地、商貿服務用地等不斷擴展，會占用大量的未利用地和部分的耕地與林地，即導致農業用地和生態用地被占用，荒地被大量開拓，而城鄉工礦及居民用地急速增多。人口增加和結構變化使土地覆被結構發生變化，隨著生活水平的提高，耕作程度越來越低，據統計，晴隆縣人均占有糧食從2000年的335 kg降低至2015年的258 kg，這種日漸突出的人地矛盾又影響了土地覆被種類變動的方向。

3.5.2經濟發展因子

不同的產業結構對土地覆被的要求不同，三大產業由低到高排序為：第二產業用地、第三產業用地、第一產業用地[22]。不同的經濟發展階段都有相應的優勢產業支撐，所對應的土地覆被變化的影響因子也不同。分以下2個時期闡述，1988—2000年，第一時期為第一產業成長為主的經濟發展時期：第一產業增長了11 064萬元，排三大產業之首，這一時期土地覆被變化的影響因子主要是農用地比重增加，建設用地相對穩定；2000—2015年，第二時期為第一產業占比下降，第二、三產業占比上升時期：第三產業增加222 168萬元，第二產業增加171 325萬元，都比第一產業增加更多，這一階段土地覆被變化的影響因子主要表現為建設用地面積增加，而農用地面積快速下降（表10）。

3.5.3土地政策因子

除了經濟社會的發展和人口結構的變化，從中央到地方出臺的種種政策都會影響土地覆被變化的方向和數量。土地政策的出臺主要是解決怎樣高效使用剩余資源的問題[23]。對于典型高山石漠化地區的晴隆縣來說，為了響應貴州省委《中共貴州省委、貴州省人民政府關于加大力度實施西部大開發戰略的若干意見》（黔黨發[2004]13號）、國家發改委《貴州省水利建設生態建設石漠化治理綜合規劃》（發改農經[2011]1383號）、貴州省政府辦公廳《國家“十三五”規劃綱要涉及貴州省的重大事項推進落實責任分工方案》（黔府辦函[2016]76號）等相關政策和規劃的要求，使該縣的土地覆被種類逐漸由耕地、水域、未利用地向草地、林地、城鄉工礦及居民用地轉換。

4結論與討論

4.1晴隆縣近30年土地覆被的宏觀變化

1988—2016年期間，土地覆被類型呈現“兩增三減一浮動”趨勢，由于人口增長因素、經濟發展因素、土地政策因素的影響，使晴隆縣土地覆被類型由耕地、水域、未利用地向草地、林地、城鄉工礦及居民用地發展。由于晴隆縣屬于高山地區，再加上坡陡、水土流失嚴重，使它成為典型的退耕還草地區，其執行力度高、效果好，使得耕地面積急劇減少，從2000年起，由于城鎮化進程不斷加快，占用了大量未利用地來滿足建設需要，使城鄉工礦及居民用地面積直線上升。

4.2區域生態服務價值的波動情況

1988—2016年晴隆縣生態服務價值主要由林地、草地、耕地、水域支撐，平均占每年總價值99%以上。由于防護林體系建設、公益林保護、退耕還草還林等生態工程使得晴隆縣的林草地面積顯著增加，在2000年該縣的生態服務價值達到最大。隨后由于人類活動對生態系統的影響和破壞，城鄉工礦及居民用地的增長使耕地和水域等的生態服務價值下降，而人口壓力促使人們過度開墾，占用高質量農用地和生態用地，也對環境產生了一定的損害。因此，在對石漠化地區土地開發使用中，為了保護生態服務價值的可持續性，有必要對耕地、林地進行保護，而推進城鎮化發展需要的土地可通過對未利用地的合理開發來滿足，同時應采用生態補償機制，加強生態保護機制，使生態-經濟-人口和諧發展。

4.3土地覆被變化對整體和局部生態環境的作用

雖然在1988—2016年間晴隆縣生態環境維持著總體的平衡，但不能忽視局部生態環境的惡化。隨著工業化和城鎮化的快速發展，為了滿足持續壯大的城市和工業規模，大量土地被卷入非農建設中，引起了土地覆被類型的根本變化，不僅令土地的生態功能盡失，還形成了導致生態環境惡化的大量污染源，在土地覆被類型的轉換中，耕地、林地、水域的轉換最為頻繁，分布最廣，造成生態環境質量惡化的程度最深，這也是該地區石漠化程度加強的原因。對全國而言，尤其是石漠化最嚴重的貴州省，要想改善和提升石漠化區生態環境質量，關鍵是要盡量發揮生態系統的自我調節能力，重視如何有效地杜絕損害生態環境行為的發生。

4.4石漠化地區對“十三五”規劃的響應

“十三五”期間，在中央提出的五大發展理念中，“綠色”理念引人注目，國內大環境已發生改變，為了使生態服務價值達到最大化，更好地改善和提升石漠化地區生態環境質量，我國石漠化主要分布的省份須推動產業結構調整實現新突破，對于多山地區的滇、桂、黔而言，特別要大力推進現代山地特色高效農業和綠色生態農業，使石漠化逐漸轉變成綠色化，探索出了一條專門針對石漠化地區特色生態農業發展的新道路。更重要的是必須牢固把握住生態安全底線，著重應對重點區域生態治理，推動生態文明建設實現新突破。向身處石漠化地區的人民提倡綠色的生產、生活方式，珍惜家園的每一塊綠地，不斷提高生態環境質量，最終實現大地常綠、土壤常凈的新局面。

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