肇慶七星巖景區喀斯特景觀類石漠化演化及其意義

朱汐 許自力 陳澤騰

（華南理工大學建筑學院，廣東 廣州 510641）

喀斯特石漠化是在喀斯特脆弱的生態環境下，受不合理人為活動的破壞干擾所導致的土地出現類似荒漠化的土地退化過程[1]。肇慶七星巖風景區出現某些類似石漠化的景觀，其生態效益是負面的[2～6]，但有利于增加其獨特性與觀賞性，而維持景觀特征的可持續性又是風景區的重要關注點之一。本文在七星巖風景區喀斯特石漠化生態評價基礎上，提出“喀斯特類石漠化”概念。目前從景觀生態學的角度，關注喀斯特風景區中類似石漠化現象的景觀及生態意義的研究甚少，本文認為這類視角對喀斯特景區的保護與利用有指導意義。

1 研究背景

肇慶七星巖風景區位于廣東省肇慶市，屬亞熱帶季風濕潤氣候，雨熱同期，多年平均降雨量1 650 mm，多年平均氣溫22.1℃。景區主要的7座巖峰分別為仙掌巖、蟾蜍巖、阿坡巖、天柱巖、石室巖、玉屏巖和閬風巖（圖1），是周邊地區唯一突出地表的喀斯特地貌，地質成分主要為石灰巖，因此其石漠化類型主要為顯性石漠化[7]。歷史上，人為活動對巖峰生態的影響為：破壞—恢復—再破壞。原生植被經砍伐后，1955年人工恢復植被，1978年后又遭受到一定程度的破壞[8～9]。現狀巖峰上既有高大茂密的樹林，也有大面積裸露的巖石，多種生境相互交錯。研究石漠化問題對維護肇慶七星巖景觀有重要意義。

2 “喀斯特類石漠化”

本文將出現在肇慶七星巖風景區中這種類似于喀斯特石漠化的現象，稱為“喀斯特類石漠化”。“喀斯特類石漠化”可定義為：在水熱條件良好的區域，喀斯特脆弱的生態環境，受不合理人為活動的破壞干擾，并一定程度導致土地局部出現類似荒漠化的土地退化過程。

圖1 類石漠化研究范圍

表1 喀斯特類石漠化與喀斯特石漠化的區別

“喀斯特類石漠化”與“喀斯特石漠化”的區別主要體現在尺度、植被條件上（表1）。貴州作為典型喀斯特石漠化地區，其地形主要為喀斯特發育強烈的高原山地，喀斯特出露面積大且連續，表現為大面積的荒漠[10]，對社會、生態存在較大危害。而粵西、粵北地區，喀斯特出露面積小且分布零散，加上良好的水熱條件，植被生長優于貴州地區，表現為少量巖峰點綴于大片森林茂密的丘陵中，對社會、生態的危害較小。

3 研究方法

在七星巖風景區中“喀斯特類石漠化”與“喀斯特石漠化”景觀特征與生態狀態相同，本文的類石漠化狀態評價采用“喀斯特石漠化”的生態評價標準。喀斯特類石漠化是土地退化過程，可以生態基準面作為評價標準，以完全沒有發生喀斯特類石漠化的未退化階段為初始面，以極端退化階段為終極面，構成完整的喀斯特類石漠化過程[11]。因目前沒有針對珠三角地區的評價標準，本研究采用條件較為相近的西南地區《喀斯特石漠化的形成過程及防治研究》[7]的標準。

因肇慶七星巖的地質成分以石灰巖為主，故選擇采用顯性石漠化程度評價的6個因子：枯落物厚度、土壤厚度、裸露石面面積、群落高度、喬灌層蓋度、群落生物量[7]（為方便后續數據統計和計算，下文裸露石面面積用土壤覆蓋率轉換計算）。

在七星巖巖峰上隨機選取80個5 m×5 m的樣方，現場測量6個因子的數值。將主成分分析（PCA）法和系統聚類法結合，將80個樣方進行分類，得到初步分類的結果。利用PCA法得出各個因子的權重，以石漠化程度最強與最弱的兩個樣方為終極面與初始面[7，11]，對80個樣方的類石漠化程度進行評分。將評分結果與初步分類結果跟《喀斯特石漠化的形成過程及防治研究》[7]中的石漠化等級進行比對及適當調整，得到最終的分類標準，并將各樣方得分代入最終評價標準，得出結果。此外，利用景觀生態學的傳統方法—層次分析（AHP）法得到權重，重新計算分類結果，并對比兩種評價方法，得到檢驗結果。最后根據現場的景觀特征，將類石漠化評價結果與現場的景觀形態進行對照，分析其景觀價值。

4 研究結果與分析

4.1 類石漠化程度分類

4.1.1類石漠化程度初步分類劃分

根據選定的80個樣方，就6個因子數據進行PCA，運算結果取樣足夠度KMO度量為0.826，6個因子拮取值都在0.5以上，且因子相關矩陣大部分數據的絕對值都在0.3以上，說明采樣數據適合因子主成分分析。因子降維后選定兩個主成分，第一主成分PC1主要概括解釋包括枯落物厚度、群落高度、喬灌層蓋度、群落生物量在內的植被因子，第二主成分PC2則主要概括解釋包括土壤厚度、土壤覆蓋率在內的土壤因子[7]。

運用系統聚類分析得到80個樣方的聚類樹狀圖，劃定分類界限，相鄰近的樣方合并歸為一類，最后將80個樣方劃分為7類（圖2）。

結合系統聚類結果和PCA結果，根據系統聚類樣方歸類在P1P2平面上的位置關系，就近歸類，得到80個樣方的PCA排序結果（圖3）。

根據樣方的系統聚類與PCA排序結果，類石漠化程度初步大致劃分為5類，類石漠化程度從I到V逐漸弱化，分別包含樣地數量為9、12、22、24和13個。

圖2 80個樣地的系統聚類結果

圖3 80個樣地的PCA排序結果

4.1.2 PCA法權重與類石漠化程度最終分類劃分

借助樣方的具體評分，通過樣方評分結果排序對初始分類結果進行修正和補充。

樣方的評分是多因子共同影響的結果，各指標對類石漠化的影響也各不相同，指征的復合構成了指征的多維空間，因此確定各指標的權重對于整體評價十分必要。利用PCA結果計算各評價因子的權重。因子降維后選定兩個主成分，對應的特征值分別為3.454和1.001，貢獻率分別為57.565%和16.680%。PCA所得的因子載荷數據表示原始變量在主成分上的負荷（表2），反映原始變量在主成分上的相對重要性。

首先，計算出各指標在兩個主成分線性組合中的系數，具體公式如下：

式中，Fij為主成分系數，Xij為因子載荷，ai主成分特征值。

其次，利用各指標在兩個主成分線性組合中的系數計算各指標綜合系數，具體公式如下：

式中，Fj為綜合系數，Fij為主成分系數，bi主成分貢獻率。

對各原始變量綜合系數歸一化，得到群落生物量、群落高度、枯落物厚度、土壤厚度、土壤覆蓋率、喬灌層蓋度的權重分別為0.143、0.148、0.162、0.203、0.202 和 0.142。

類石漠化反映到各指標上表征不同，通過評價指標量綱統一化處理，對各指標的原始數據進行極差標準化，使標準化后的數值在0～1之間。以每一個指標中的最大值（標準化后為 1）構成新的理論原點，記為 A0，作為其余樣地比較的標準點，得到樣地點與標準點之間的單項指標距離，再借助指標權重加權得到樣地點與標準點之間的綜合距離。樣地點與標準點之間的距離即表示所研究類石漠化土地與標準樣地的相異程度。各樣地與標準點的歐氏距離值DI( Distance index )可用下式表示：

式中，DI為類石漠化樣地與標準點的歐氏距離值；Wj為指標的權重；Aj為類石漠化樣指標數值，A0為理論原點。

以石漠化最強與最弱（類石漠化指數RDI值對應1和0）的兩個樣方為生態基準面中的終極面與初始面[7，11]，參照理論標準面計算出對應的DI值，根據兩個基準面所對應的RDI值對所有樣方的RDI值做極差標準化處理，RDI數值越大，類石漠化程度越高，反之越低（表3）。

根據RDI數值排序，結合《喀斯特石漠化的形成過程及防治研究》[7]中對石漠化程度的分類進行修正和補充，在原先基礎之上調整樣方所在類型，對類型數量進行合理拆分和合并，得到80個樣地類石漠化類型劃分結果（圖4）。

根據類石漠化類型劃分，確定每個類型對應樣方RDI數值范圍，制定類石漠化程度等級劃分標準（表4）。

對比《喀斯特石漠化的形成過程及防治研究》[7]中對石漠化程度的分類，肇慶七星巖有較多樣方的生態狀況比西南地區喀斯特森林更為良好，因此出現較多RDI為負數的樣方。筆者猜測其原因主要為兩地水熱條件不同。

4.2 PCA法權重評價

對PCA計算得出80個樣方的DI值作極差標準化處理，根據RDI排序分組劃分（表5）。

分別對七星巖所有樣方和單座巖峰樣方評價因子取平均值，利用

表2 PCA因子荷載及系數

表3 PCA權重下的生態基準面DI值

表4 類石漠化程度等級劃分標準

表5 PCA權重評價的RDI值分組劃分結果

圖4 80個樣地類石漠化類型劃分結果

PCA權重計算RDI，由結果可知七星巖整體類石漠化狀態為“次級喬林”；單座巖峰來看，仙掌巖、蟾蜍巖、阿坡巖、石室巖和天柱巖類石漠化狀態為“未退化”，玉屏巖和閬風巖類石漠化狀態為“頂級喬林”。可見肇慶七星巖整體的類石漠化情況并不嚴重，但各樣方點類石漠化程度差異較大。這種石漠與森林交錯的景觀，也成為肇慶七星巖獨特的風景。

4.3 AHP法權重驗證結果

AHP法作為景觀生態學評價的傳統方法，具有一定的可靠性。本研究將同樣的原始數據，運用AHP法得出的權重，用相同的方法重新進行評分，并將得分代入前文表3的類石漠化程度劃分標準中，得出結果，以此驗證依照PCA法權重所得出結果的科學性。

采用AHP法，依據T.L.Saaty提出的一致矩陣法構造矩陣[12]，在咨詢專家、導師意見的基礎之上，用不同層級標度法進行指標的重要程度判定，其中1、3、5、7分別表示“重要程度相同”“稍微重要”“重要”“很重要”；2、4、6則為處于 1、3、5、7之間的重要程度，指標之間反過來的重要程度則用對應數字的倒數表示（表6）。計算判斷矩陣，在隨機一致性比率CR（0.0197＜0.1）檢驗合理的基礎上確定群落生物量、群落高度、枯落物厚度、土壤厚度、土壤覆蓋率、喬灌層蓋度的權重分別為0.381、0.252、0.064、0.160、0.042 和0.101。代入歐氏距離值DI計算公式，對80個樣方DI值作極差標準化處理，根據RDI排序分組劃分（表7）。

分別對七星巖所有樣方和單座巖峰樣方評價因子取平均值，利用AHP法權重計算RDI，由結果可知七星巖整體類石漠化狀態為“頂級喬林”；單座巖峰來看，仙掌巖、蟾蜍巖、阿坡巖、石室巖和天柱巖類石漠化狀態為“次級喬林”，玉屏巖和閬風巖類石漠化狀態為“頂級喬林”。

比較采用PCA法與AHP法所得權重的評價結果。對七星巖與各巖峰的整體評價，兩種方法的結果較為接近。兩種結果都將80個樣方點分為6類，且RDI都在-1.20～0.85之間。其中，36個樣方點被分到同一類中（占45%），39個樣方點被分到相鄰一類中（占48.75%），只有5個樣方點被分到相隔的一類中（占6.25%）。兩種評價方法的結果有一定相似性，可見該評價結果具有一定的可靠性。

5 景觀價值與意義

喀斯特類石漠化是喀斯特地區特有的生態現象，形成獨特的景觀，為喀斯特風景區增加了觀賞性與獨特性。喀斯特類石漠化程度不同，其景觀呈現、景觀特征與景觀構成都會有所不同。在肇慶七星巖中，雖然只存在顯性類石漠化，但類石漠化程度跨度大且每種程度都占有一定比例，豐富了景觀的變化。

當類石漠化程度為“頂級喬林”時，景觀類似于原始叢林，有大量多層次的植物，由高大密布的喬林與遍地的地被構成。當類石漠化程度為“次級喬林”時，景觀類似荒野間的小喬林，為較密的小喬林與土石相間的地表構成。當類石漠化程度為“未退化”時，形成巖石間點綴著許多樹叢的景觀，小喬木形成的樹叢與裸巖為主要地表構成。當類石漠化程度為“輕度”時，形成小喬木孤植于裸巖頂部的景觀，類似大型疊石假山與植物的搭配，由孤植的小喬木與大面積裸巖構成。當類石漠化程度為“中度”時，形成小喬木、灌木從大面積裸巖的巖縫中掙扎而出的景觀。當類石漠化程度為“強度”時，其景觀與石荒漠類似，遍地嶙峋的巖石，偶有植被與土壤。

表6 AHP法6個因子層級標度

表7 AHP法權重評價的RDI值分組劃分結果

總體而言，不同類石漠化程度的部分交錯分布，形成石漠與森林交錯的景觀，在巖峰上形成豐富的變化，具有很高的景觀價值。

6 結論

肇慶七星巖整體喀斯特類石漠化程度并不嚴重，七星巖與各巖峰整體上都未出現類石漠化現象，只有局部區域出現不同程度的類石漠化。因類石漠化程度跨度較大，在景觀上有明顯差別，且不同類石漠化程度區域交錯分布，產生石漠與森林交錯的獨特景觀，豐富了巖峰的形態，為本已極具景觀價值的肇慶七星巖喀斯特地貌，增加了獨特性與觀賞性。

在七星巖類石漠化現象的案例里，類石漠化在生態上有著負面的意義；但同時，在特定的發育階段，類石漠化現象與當地特有的植被、水體等其他地貌要素組合在一起，形成富有特色且具有一定美學價值的景觀，因而在景觀資源形成上又有一定的積極意義。

致謝：感謝鄭佳佳、鄭安珩、周培鑫同學在研究過程中的鼎力相助。