西南山地流域林地和草地保護評價研究
——以貴州赤水河流域為例

程東亞, 李旭東

(貴州師范大學 地理與環境科學學院， 貴陽 550001)

森林和草地是重要的自然資源，具有涵養水源、調節氣候、改善生態環境的作用。同時，森林和草地資源是極其重要的社會資源。森林可為人類提供木料產品，草地可供人類發展畜牧業。今天，人類社會更加重視綠色可持續發展，重視森林和草地資源的保護和利用。林地和草地保護是全球生態保護的重要內容，也是中國可持續發展的重要組成部分。中國對林地和草地資源開發和保護重視程度日益提高，實施了一系列“退耕還林”、“退耕還草”工程，林地和草地保護取得較好成果。據中國林業網(http:∥www.forestry.gov.cn/)和中國林業發展報告[1]顯示，2014年全國林地面積31 259萬hm2，當年完成荒山荒地造林面積達到554.96萬hm2。

林地草地保護和發展在社會廣泛重視的大背景下，國內對林地和草地保護研究取得了較多成果。在林地保護研究中，沈勇強等[2]分析了我國林地保護過程中所面臨的問題，面對這些問題，作者提出管理、政策、法律等相應對策。劉桐安等[3]對德惠市林地保護研究中認為，面對該市在林地保護和管理的嚴峻形勢，提出林地管理要從控制林地總量等多個方面進行著手。熊昌盛等[4]以海南屯昌為案例，對該縣林地質量進行評價，根據評價結果，研究探究不同保護區應該采取的措施。草地保護研究中，董世魁等[5]以PSR模型為基礎，對阿爾金山自然保護區草地進行評價，評價結果表明該區域草地生態安全總體較安全。孫前路等[6]利用入戶調查資料，對拉薩等地區牧民草地保護認知和行為進行調查，其研究結果認為牧民已經具有草地保護認知，并且對草地資源退化形成了共識。孫仁杰[7]以內蒙古為研究區，利用氣象和遙感數據對區域草地狀況和抗壓能力進行評估，結合評估結果，作者探究草地利用和保護區劃定情況。從以上列舉的部分文獻可以看出，國內對林地和草地保護相關研究已取得較多成果。當前林地和草地保護研究成果中，從林地和草地保護現狀及其存在問題角度探究的研究文獻相對較多。并且當前研究區域多為行政單元，涉及流域層面林地和草地保護研究仍需進一步加強和延伸。

對于貴州境內赤水河流域(以下簡稱流域)來說，多區域屬喀斯特地形區，流域內喀斯特地貌廣泛分布。由于喀斯特地貌廣泛分布，易造成石漠化和水土流失等生態環境問題。同時，流域上下游地理環境差異較大。流域從上段畢節到下段習水，海拔差值超過1 000 m。復雜的地理環境，產生了獨特的地理差異。地理環境差異對林草地保護和發展產生較大影響，深刻影響著區域生態安全和社會經濟發展。因此，研究流域林地和草地保護，有利于探究復雜地理環境對林地和草地保護的影響，也能探究其分布與流域經濟社會發展關系。流域流經部分烏蒙山貧困區，探究林地和草地保護情況，也能為部分縣區尋求生態保護和經濟社會可持續發展提供思路。參考以往研究，以貴州赤水河流域為對象，利用植被、土壤、地形等評價因子對流域林地和草地保護進行評價，并采用相等間隔分類，探究流域林地和草地保護特征，以期為流域林地和草地保護、山地生態保護、社會經濟發展提供參考。

1 研究區概況

赤水河是長江上游南岸重要支流，流經云南、四川和貴州等省區；流域以高原山地為主，海拔多在200～1 900 m(以上資料參考中國長江網、習水、赤水等政府官網整理得出)。貴州境內赤水河流域位于貴州北部，地理坐標約為27.23°—28.84°N，105.22°—107.03°E，流經畢節、仁懷、赤水等地區。流域從畢節向赤水海拔逐漸降低，地理環境較為復雜。貴州境內赤水河流域面積為11 392.44 km2，其面積占全流域55.75%[8]。流域主要屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫約在16.60℃，年降水1 121.20 mm(以2017年遵義統計年鑒[9]仁懷計)，氣溫適宜，降水豐沛。流域上段畢節以高原林地和草地為主，下段赤水林地和竹林地較多。流域經濟欠發達，畢節(又稱市轄區七星關)、赤水、習水等均屬于烏蒙山集中連片特殊困難地區，生態保護面臨較大壓力。考慮到流域北部有部分綦江水系位于省區交界附近，文章研究對象為林地和草地保護，將此部分水系納入到研究范圍內。

2 數據來源與處理

2.1 數據來源

DEM和NDVI數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http:∥www.gscloud.cn)。DEM數據分辨率90 m，NDVI數據分辨率為500 m。為了更精確反映近期情況，NDVI采用2015年7月月合成產品。土壤數據來源于“黑河計劃數據管理中心”(http:∥westdc.westgis.ac.cn)，其數據集名稱為基于世界土壤數據庫(HWSD)的中國土壤數據集(v1.1)，即寒區旱區科學數據中心。人口數據來源于國家科技基礎條件平臺——國家地球系統科學數據共享服務平臺(http:∥www.geodata.cn/)，數據集名稱為中國公里網格人口分布數據集[10]，數據分辨率為1 km，時間為2010年。數據重分類結果見表1。

表1 數據處理

2.2 地形數據處理

坡度(Slope，SL)。坡度對生態環境影響明顯，坡度較高容易造成水土流失及石漠化等問題，需積極林地和草地保護。很多學者[11-12]采用15°，25°等作為劃分坡度斷點。參考以往研究并結合區域坡度在0°～71.84°的情況，將坡度小于25°細致等間距劃分，大于25°粗略劃分。

坡向(Aspect，AS)。坡向對流域林草地具有重要影響，陰坡植被生長往往受到限制。陰坡光照少，不適合耕作農業，應積極生態保護。DEM坡向劃分中，正北方向為起點，平坦地區不具備坡向[13]，將坡向值為-1(即平坦地區)單獨賦值。

2.3 植被數據處理

NDVI(Normalized difference vegetation index，NDVI)。NDVI是反映植被生長重要指標，NDVI越大則說明植被生長較好，也可說明林地和草地生長較好。NDVI越大賦值越低，為使賦值簡單明確，五等間隔分類。

植被覆蓋度(Vegetation coverage，VC)。植被覆蓋度用NDVI估算，具體采用文獻[14]中計算方式。95%上限值為0.955 679，5%下限值為0.712 909。植被覆蓋度越大則表明植被覆蓋良好，林地和草地保護壓力越小。賦值方式與NDVI一致，保持五等間隔。

對于河網數據的中軸提取，上述方法大都以河流多邊形這一幾何形態為研究對象，并未將河流的物理意義納入考量范圍。因此提取出的中軸更偏重于多邊形的形態而非河網水系的形態。如圖1所示，當不考慮河流物理意義僅以多邊形形態提取中軸時，面狀河流中軸線與線狀支流呈斷裂狀態，無法完備的反映河流間的連接狀態。正確的中軸形態應如圖1（b）所示。評價河流網絡建立的算法時，往往需要考慮該算法保持運算結果拓撲特征的能力，因此河流物理意義的考量將是進行算法設計時的基礎支撐。

2.4 土壤數據處理

土層深度(Depth，DE)。土層深度是影響植被生長重要因素。土壤較薄，植被發育受到限制，生態環境脆弱，容易出現石漠化問題。遇到強降水天氣，容易造成水土流失。土層深度越大賦值越小。

沙含量(Sand content，SC)。貴州降水豐沛，多山地，石漠化嚴重。考慮到該情況，沙含量越多對生態環境越不利。沙含量越多，遇到強降水越容易產生水土流失和地質災害。同時，沙含量高對多數區域林地和草地生長也較為不利。

有機碳含量(Organic carbon content，OC)。土壤有機碳含量是反映土壤有機質含量重要指標，土壤有機碳含量占有機質含量60%以上[15]，該因子可以反映土壤肥力。有機碳含量越高，則土壤有機質越高，有機碳含量越大賦值越小。

2.5 人口數據處理

人口密度(Population density，PD)。人口活動對林地和草地保護具有重要影響，人類活動強度越高，對林地和草地開發強度越大，故人口密度越高越應該進行林地和草地資源保護。

3 評價體系構建

3.1 權重構建

在生態、環境、林草地評價等方面，指標因子尚無統一權重[16-18]。相關評價涉及人口因子不多，但人口活動對林地和草地影響較大。結合實際情況，將人類活動賦予權重更大。自然指標結合以往相關研究[19-20]和實際情況采用層次分析法得出初始權重，后進行加權處理。權重系數得出后，看是否符合實際情況。若不符合實際情況，則重新構建體系，直至模擬權重相對合理為止，構建權重矩陣見表2。

初始權重(表3)顯示，植被覆蓋度和土層深度權重較大，符合實際情況。一般情況下，植被覆蓋和土層深度是影響林地和草地保護最重要的因素。坡度、NDVI、土壤沙含量等權重相同，這些因子對林地和草地保護具有一定影響。坡向雖對林地和草地保護具有影響，但陰坡和陽坡對林地和草地影響有限，坡向權重基本合理。有機碳含量是供給植被生長重要因素，但有機碳含量不會明顯影響植被覆蓋，權重合理。人類活動對林地和草地保護十分重要，甚至是決定性作用，人口活動賦予權重0.300。綜上可得，權重賦值合理，可滿足研究需要。

表2 層次分析法構建權重矩陣

3.2 評價體系構建

FGA=0.075SL+0.025AS+0.075NDVI+0.225VC+0.178DE+0.075SC+0.047OC+0.300PD

(1)

FGA求得其范圍為1.20～4.69。對于FGA，采用相等間隔，得分越多越應該積極進行林地和草地保護，劃分Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ類林地和草地保護區(表4)。

4 結果與分析

4.1 林地和草地保護區空間分布特征

Ⅰ類保護區空間分布特征來看，Ⅰ類保護區大致呈流域上段較少，下段較多，中部分散(圖1)。流域上段Ⅰ類保護區空間分布面積較少，說明上段林地和草地保護具有難度。流域中段Ⅰ類保護區分散，下段集中且分布面積較大。Ⅱ類保護區空間分布較均勻，大致呈流域上段較少、下段多、中段東部較多的特點。Ⅲ類保護區空間分布特征較為均勻，為林地和草地保護一般區域。Ⅲ類空間均勻分散特征對林地和草地保護既是機遇又是挑戰。機遇在于加大投入力度會極大提高流域生態環境質量，但空間分散需要精準識別，投入更多精力。Ⅳ類保護區大致呈中上段分布多，下段分布較少特征。Ⅳ類保護區中上段分布較多增加了林地和草地治理難度，該區域人口較多也是林地和草地治理的難點。Ⅴ類保護區空間分布不均勻，主要在中段及上段。Ⅴ類區域在中段相對較大，上段區域分布略少。從各類保護區空間基本分布特征看，Ⅰ類保護區表現為空間上段較少，Ⅱ類保護區空間分布從上段至下段逐漸增加，Ⅲ類保護區空間分布大致呈中上段分散，Ⅳ類保護區大致呈現上段至下段逐漸減少趨勢，Ⅴ類空間分布大致呈中上段零散分布。

4.2 林地和草地保護區集中程度分析

研究根據保護區空間分布特征劃分不同空間集中區，其劃分采用標準差橢圓。具體計算方式利用ArcGIS將柵格轉點，求標準差橢圓，結果見圖2。Ⅰ類保護區空間集中特性看，主要集中在流域下段赤水境內，表明區域生態環境良好，林地和草地資源保護自然和社會基礎條件較好。Ⅰ類保護區雖集中在下段，但集中特性并不連續，呈現小區域斑塊狀。Ⅱ類保護區屬流域林地和草地資源保護良好區域，該類型集中流域中下段，特別是下段呈現集中連片特性。在流域中段偏東部，Ⅱ類保護區集中分布，屬林地和草地保護條件較好地區。Ⅱ類保護區在流域偏上段仍分布較少，集中程度較低，僅少部分集中。對中上段地區，Ⅰ和Ⅱ類保護區少且不集中，林草地保護壓力較大。Ⅲ類林地和草地保護區總體較分散，主要分散于中上段。中上段Ⅲ類保護區較多，對流域林地和草地保護利弊兼具。Ⅲ類保護區優化，流域中上游林地和草地保護更上臺階，生態環境將大為改善。Ⅲ類保護區林地和草地保護不善，流域生態環境將急劇惡化。Ⅲ保護區較分散，該類保護區林地和草地資源惡化，嚴重影響中上段生態安全，也會直接導致下段生態破壞和植被保護困難。Ⅳ類保護區在空間上更集中于中上段，中上段最集中位于七星關。Ⅳ保護區林地和草地保護壓力較大，人口較多進一步加大林地和草地保護難度。Ⅳ類保護區集中特性看，該集中特征從上到下段呈逐漸分散特征。Ⅴ類保護區屬流域林地和草地保護難度最高區域，但分布面積較少，相對集中于中段。流域中段工業活動較強，對林地和草地保護形成挑戰。但中段經濟條件較好，需加大對林地和草地資源保護投入。空間總體集中特征來看，Ⅰ和Ⅱ類保護區集中流域下段，Ⅲ類保護區分散于中上段，Ⅳ類保護區集中特征總體表現為上段到下段逐漸分散。Ⅴ類保護區主要集中流域中上段，但集中程度不高，需進一步加大治理，促進流域生態環境好轉。

圖1 林地和草地保護區空間分布

圖2 林地和草地保護區空間集中

從標準差橢圓看(表5)，Ⅴ類保護區橢圓周長最小325.49 km，Ⅳ類保護區周長最大373.92 km，表明Ⅳ類保護區空間相對分散，Ⅴ類保護區相對集中。標準差橢圓面積看，Ⅴ類保護區面積最小。從半短軸長度特征看，Ⅰ類保護區45.50 km，Ⅱ類保護區51.90 km，Ⅲ類保護區44.69 km，Ⅳ類保護區41.16 km，Ⅴ類保護區為39.25 km，Ⅱ類保護區最大，Ⅴ類保護區最小。半長軸特征來看，Ⅰ類保護區62.11 km，Ⅱ類保護區58.18 km，Ⅲ類保護區67.07 km，Ⅳ類保護區75.34 km，Ⅴ類保護區62.98 km，Ⅳ類保護區長軸最長，Ⅱ類保護區長軸最短。長軸和短軸差看，Ⅳ類保護區長短軸差最大34.18 km，Ⅱ類保護區長短軸差最小6.28 km，表明Ⅳ類保護區空間趨勢明顯，Ⅱ類保護區空間趨勢不明顯。標準差橢圓方向角看，Ⅰ—Ⅱ類保護區方向角最小，Ⅲ—Ⅴ類保護區方向角較大，均超過40°。標準差橢圓空間方向看，Ⅰ類保護區基本呈南北方向，Ⅱ類保護區基本無空間方向，Ⅲ—Ⅳ類保護區總體表現東北—西南方向。

4.3 不同保護區比例分析

不同保護區空間分布特征對生態保護尤為重要，其占比反映進行林地和草地保護投入力度。流域屬Ⅰ類保護區柵格數量1 182個，面積1 230.59 km2，占比10.34%(表6)。Ⅰ類林地和草地保護區占比偏小，對流域林地和草地保護十分不利。Ⅱ類保護區柵格數量3 639個，面積3 788.18 km2，占比例31.83%，Ⅱ類保護區占比最大，屬流域林地和草地保護較好區域。Ⅲ類保護區柵格數量2 772個，占比24.25%，面積2 886.06 km2。Ⅲ類保護區占比高，對流域林地和草地保護產生較大壓力，需較多人力、物力、財力，是流域林地和草地保護重點區域。Ⅳ類保護區柵格數量3 089個，面積3 215.73 km2，占比27.02%。Ⅳ保護區是林地和草地保護難點區域，該區域面積大且保護難度高，需積極進行資金投入，促進占比降低。Ⅴ類保護區是林地和草地防護重點和關鍵。Ⅴ類保護區生態環境退化，會升高流域生態保護難度。Ⅴ類保護區柵格數量751，占比6.57%，國土面積781.91 km2，Ⅴ保護區占比低。各類型保護區占比，Ⅲ類保護區面積大，需引起重視。Ⅲ類保護區生態環境大幅度改善，會使流域林地和草地生態出現質的轉變。整個流域看，林地和草地保護重點和關鍵應在Ⅲ類保護區，也是流域面積最高區。流域林地和草地保護難點應在Ⅳ類和Ⅴ類，需加大此類資金、技術、人力投入。

表6 各類保護區占比和面積

4.4 分區域林地和草地保護區特征

研究剔除部分流經面積較少縣區，探究主要縣區Ⅰ類和Ⅴ類保護區流域占比(圖3)。遵義縣境內Ⅰ類和Ⅴ類保護區占比均低于面積占比，表明林地和草地保護壓力中等。赤水境內Ⅰ類保護區占比高于面積占比，Ⅴ類保護區占比低于面積占比，表明赤水林地和草地保護基礎較好，面臨壓力相對較小。仁懷境內Ⅰ類保護區占比低于面積占比，Ⅴ類保護區占比卻高于面積占比，表明仁懷境內林地和草地保護壓力相對較大。金沙境內Ⅰ類和Ⅴ類保護區占比與國土面積占比相差較小，生態保護壓力中等。大方境內林草地保護基礎相對較好，Ⅴ類保護區占比明顯較低。七星關境內林地和草地保護壓力較大，境內Ⅰ類保護區占比偏小，Ⅴ類保護區占比偏大，需重視該地林地和草地資源保護。習水境內Ⅰ類和Ⅴ類保護區占比基本一致，林草地保護壓力處于中等水平，但其占比絕對數值高，需要引起重視。桐梓境內Ⅰ類和Ⅴ類保護區占比差異大，桐梓境內Ⅰ類保護區占比總體偏低。總體看，七星關、仁懷、桐梓境內林地和草地保護壓力較大，赤水境內林地和草地保護壓力相對較小。

4.5 評價結果驗證分析

林地和草地保護是基于遙感數據和相關指標得出，需通過一定手段驗證空間評價合理性和參考價值。驗證方式基于以往文獻數據，為防止對比偏差，選擇兩篇不同文獻。林地和草地保護和生態環境密切相關，所選文獻驗證也是基于實際林草地狀況和生態評價狀況驗證。貴州赤水河流域生態研究1篇文獻[21]，該文獻包括2013年流域林地和草地分布現狀信息。貴州省生態脆弱性研究1篇文獻[22]，該文獻包括貴州赤水河分流域生態脆弱性分級特征。趙衛權等[21]對貴州赤水河流域生態風險評價中，2013年流域有林地和草地在流域中部和偏上游地區較為稀少，與上文Ⅴ類保護區趨勢基本一致，評價結果與該年現狀基本相似，結果具有合理性。許幼霞[22]對貴州生態脆弱性評價中，2015年貴州赤水河流域中段附近生態脆弱性等級較高，流域下段附近生態脆弱性等級低，與Ⅰ類和Ⅴ類保護區空間趨勢基本吻合，也說明評價結果具有合理性。結合以上文獻，研究認為評價權重和評價指標合理，評價結果基本可反映流域林地和草地保護等級，對實際應用具有指導意義。

圖3 主要區域面積和保護區類型占比

5 討論與結論

5.1 討 論

Ⅴ和Ⅳ類保護區是生態保護關鍵區域，是流域生態脆弱區。流域Ⅴ類和Ⅳ類保護區分布面積較大，主要在上段大方、畢節、金沙，以及中段仁懷、桐梓等地。Ⅴ類和Ⅳ類保護區在畢節、大方等分布集中，主要受高原地形和人口影響。該地多屬1 500 m以上高原，海拔高且降水少，具有高寒特性。這種特性使植被覆蓋和生長相對較差，不利于林地和草地保護。Ⅴ類和Ⅳ類保護區人口較多，經濟欠發達。自然和社會因素雙重壓力下，林地和草地保護面臨很大挑戰。上段Ⅴ類和Ⅳ類保護區開展林地和草地保護，需要從以下著手：(1) 發展綠色經濟和生態經濟，走資源環境可持續的經濟發展模式。經濟發展是區域重要任務，發展經濟有利于人口脫貧扶貧，改善人民生活。但區域資源和生態承載力有限，發展經濟要盡可能節約資源，積極進行植樹造林，提高區域生態質量。(2) 優化人口空間布局，降低人口活動帶來的林地和草地破壞。該區域人口較多，保護林地和草地需要優化人口分布，減小人口活動對林地和草地保護帶來的壓力。(3) 發展生態農業，綠色農業。上段Ⅴ類和Ⅳ類保護區屬高原農業區，地形相對平坦，農業人口較多。農業生產帶來的林地和草地破壞及生態壓力不容忽視。減少農業污染，發展綠色農業是提升林地和草地生態效益的重要途徑。同時，該區域有較多草地分布，發展畜牧養殖，也要防止超載破壞。仁懷和桐梓等Ⅴ類和Ⅳ類保護區分布較大，仁懷和桐梓等Ⅴ類和Ⅳ類保護區分布受地形、坡度和土壤沙含量等因素影響，但人類活動更是重要因素。與上段Ⅴ類和Ⅳ類保護區相比，開展林地和草地保護和生態保護既有相同又有差異。相同之處：部分地區海拔高，生態壓力大，經濟總體欠發達。對于這些地區來說，經濟均是相對欠發達，林地和草地保護資金投入具有一定難度。不同之處：仁懷和桐梓等處于流域中段，溫度高于高原，人口數量少于畢節等區域。對于該區域來說，林地和草地保護壓力小于高原。研究認為該區域林地和草地保護重點應該是增加林地和草地保護資金投入，降低工業和農業開發強度。中段工業開發對林地和草地保護有較大影響，應該引起足夠重視，避免開發帶來林地和草地破壞以及生態破壞。仁懷市工業經濟較發達，尤其是酒類工業經濟。社會經濟環境會給林地草地保護和生態保護帶來壓力。對于中段仁懷等區域，發展經濟要嚴格控制工業污染及工業活動所帶來生態壓力，促進林地和草地保護持續健康發展。

Ⅰ類和Ⅱ類林地和草地保護區是自然條件良好區域，不需要更多經濟和物資投入，以優化提升為主。流域Ⅰ類和Ⅱ類保護區主要在赤水境內，赤水境內Ⅰ類和Ⅱ類保護區集中主要有以下原因：赤水屬于下段，海拔較低。同時社會因素產生的生態壓力較小，人口較少。經濟相對較發達，林地和草地保護與社會經濟和自然條件具有較好協調性、互補性。2017年赤水市國民經濟和社會發展統計公報[23]顯示，赤水市人均生產總值超過45 000元，遠高于流域多數縣區，良好經濟條件會給林地和草地保護資金支撐。較少的人口能減少人類活動所產生的生態壓力，推動林地和草地保護優質發展。流域下段Ⅰ類和Ⅱ類保護區集中的赤水以及習水，林地和草地保護應該從優化著手：(1) 繼續優化產業結構，降低農業產業比重，特別是林業采伐和畜牧養殖強度。雖該區域人口相對較少，但農業人口也有一定數量，需進一步降低農業種植開墾等相關產業人口比重，降低采伐和畜牧養殖帶來的生態壓力和林地草地破壞。(2) 進一步保護森林(竹林)，積極建立林地和草地生態保護區。Ⅰ類和Ⅱ類保護區森林覆蓋較多，應進一步擴大森林覆蓋面積，建立林地和草地自然保護區。合理森林開發，保護林地和草地生態環境。(3) 重視制度建設和資金安排。生態制度建設是高水平生態保護的重要措施，應重視生態資金投入和制度建設，促進林地和草地保護更高水平發展。

5.2 結 論

(1) 貴州赤水河流域林地和草地保護區綜合評價得分在1.20～4.69。

(2) 貴州赤水河流域中上段林地和草地Ⅴ類保護區面積相對較大，下段Ⅰ類保護區面積相對較大。

(3) 貴州赤水河流域Ⅰ類保護區標準差橢圓空間分布大致呈現南北方向，Ⅱ類保護區基本無空間方向，Ⅲ—Ⅴ類保護區基本呈現東北—西南方向。

(4) 相等間隔分類后，貴州赤水河流域林地和草地保護區Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類保護區占比分別為10.34%，31.83%，24.25%，27.02%，6.57%。

(5) 貴州赤水河流域七星關和仁懷林地和草地保護壓力較大，赤水林地和草地保護壓力相對較小。