西南巖溶山地石漠化近50年演變
——基于5個地點的案例研究

李陽兵,李珊珊,徐 倩,羅光杰

1 貴州師范大學地理與環境科學學院,貴陽 550001 2 貴州師范學院貴州省流域地理國情監測重點實驗室,貴陽 550018

巖溶石漠化是涉及嚴重土壤侵蝕、基巖高度裸露、土壤生產力大幅度下降和呈現類荒漠景觀的土地退化過程[1-2]。已有研究認為,石漠化極敏感區集中分布在貴州西部與南部、廣西西部、云南東北部、四川西南部等[3],自然環境因素和人為因素綜合作用[4,5],連續性碳酸鹽巖的低成土速率[6]、人口急劇增長、生態觀念單薄、發展政策偏差等是加劇石漠化過程的重要因素[7]；人類活動疊加在巖溶地區特殊的巖性、土壤和植被組合上,顯著影響石漠化分布[8],因此,石漠化與居民點分布、人口密度、坡耕地和人口貧困關系密切[9],在清朝中期后人為因素對石漠化的作用比重逐漸超過了自然因素的作用比重[10]。

對西南巖溶區來說,從1999 年到2008 年間,石漠化已經呈現轉輕趨勢[11],由21世紀以前的加劇變化為21世紀的逐漸減緩,石漠化趨勢得到有效遏制,重度石漠化面積比例由38.08%降至15.31%[12]。貴州石漠化在20世紀90年代末達到最大值[13]；或者認為因生態治理石漠化的擴張整體上得到控制,石漠化土地面積已實現由持續增加向“凈減少”的重大轉變[14]。但是因研究時段和地域空間的差異,關于石漠化演變的認識并不完全統一。如有研究者認為從2000年到2005年,廣西的石漠化仍在增加,尤其是強度石漠化比例上升明顯[15]；貴州石漠化在2000—2005 年期間面積也仍在增長,只是增長幅度變小[16]；銅仁地區的石漠化在2000—2006年面積明顯增加,2008年開始保持低位穩定[17]。還有研究者認為貴州中部石漠化從1974年至2001年,年均增加116.2 km2/a[18],或者認為石漠化正向演變與逆向演變并存,又出現了新的石漠化[19]。

圖1 研究區空間分布Fig.1 The spatial distribution of the study area

綜上所述,對石漠化的形成原因已有充分的、深入的認識,但對其演變過程和階段仍缺乏基于長時間序列和高精度影像的實證比較研究,因此,對石漠化的演變趨勢未能做出有說服力的判斷,對石漠化未來演變趨勢亦缺乏有說服力的預測,這樣的情況會可能進一步影響到石漠化治理模式的選擇。近50年來,中國社會經濟發生了巨大的變化,為準確回答近50年來在中國社會經濟背景變化下的西南巖溶山地石漠化演變趨勢和演變階段,本文選擇了貴州省5個典型巖溶山地區域,基于高分辨航片、衛星影像和實地調查訪問,探討了這5個地點在近50年期間巖溶石漠化的變化趨勢,以回答西南巖溶山地石漠化的長期演變趨勢是否存在轉型演變？演變的多樣性？以及石漠化演變的主要類型和空間格局特征,尤其是在近年來社會經濟背景多重變化下的演變趨向等科學問題,以為巖溶山地鄉村振興、人地關系調控和土地利用優化提供參考。

1 研究區概況

在貴州典型巖溶區域選擇了四周平壩環繞型峰叢洼地群區-普定縣后寨河地區、開口型峰叢洼地-清鎮市王家寨地區、連續性峰叢洼地、谷地-荔波茂蘭自然保護區及其外圍、巖溶峰叢洼地-峽谷型貞豐花江峽谷區和巖溶槽谷等不同的地貌、土地資源組合格局區域作為研究對象(圖1)。5個研究區的面積分布為62.72、20.86、148.62、114.39 km2。其中,朗溪槽谷位于黔東北印江內,為一典型的向斜槽谷,地勢起伏大,垂直高差900余米[20]。其余4個研究區的詳細情況見文獻[21-22]。后寨河地區自然社會經濟狀況在巖溶山區具有普遍性,代表一般水平；王家寨地處貴陽市清鎮市境內西部簸籮村等,其社會經濟發展受城市輻射作用大；茂蘭地區位于貴州省荔波縣境內,其西南部是世界自然遺產地——巖溶原始森林核心區；花江地區位于黔西南關嶺和貞豐交界的北盤江峽谷南坡,區內石漠化程度嚴重。5個研究區基本涵蓋了我國西南巖溶地區主要自然和社會經濟背景類型,是我國西南巖溶山地的典型區域。

2 研究方法

2.1 數據來源

本文收集了 5個研究點較長時期的高清遙感影像和地形圖(表1),并以此作為提取研究區不同時期聚落的基本數據源(圖2)。

表1 研究區不同時期聚落數據源Table 1 The data sources of rural settlement in the study area

圖2 研究區石漠化數據源Fig.2 Data sources of KRD

2.2 石漠化識別

對土地石漠化的判斷基本是一致的[23-25],本文在參考文獻的基礎上,采用如下石漠化分類標準(表2),根據各地點不同時期的高分辨率遙感影像,結合野外調查,進行石漠化識別和判讀(圖3)。

2.3 指標計算

2.3.1石漠化變化重要性指數和石漠化變化面積比重

參照土地利用重要性指數[26],定義了石漠化變化重要性指數,用于篩選石漠化變化的主要類型,其計算公式為：

Ci=Ai/A×100%

(1)

表2 研究區不同等級石漠化劃分標準Table 2 The classification criterion and characteristic of different KRD types

圖3 研究區石漠化的遙感影像識別Fig.3 Identification of KRD in study area

(2)

式中,Ci是第i種石漠化類型的變化重要性指數,取值介于(0,1)之間,Ci值越大,說明該類石漠化變化占據主導；Ai是第i類石漠化變化面積(km2),A是該區域各類土地變化面積之和(km2)。考慮到石漠化變化種類較多,將Ci值進行降序排列,取累計之和>80%作為主要的石漠化變化類型。

石漠化變化面積比重是指各類石漠化變化面積之和占區域總面積的比重,計算公式為：

D=A/S× 100%

(3)

式中,D是石漠化變化面積的比重,取值0—1之間,可揭示石漠化變化的劇烈程度；A是區域各類石漠化土地變化面積之和(km2),計算公式見式(2)；S是區域面積(km2)。D值越大,說明該區域石漠化變化越劇烈。

2.3.2石漠化變化幅度

石漠化變化幅度(KD)反映兩個時期(t1、t2)石漠化數量形態的相對變化值,其數值的正負表示石漠化變化方向：

KD=(x1-x2)/S＊100

(4)

式中,x1為基期研究區石漠化面積,x2為末期研究區石漠化面積,S為區域總面積。

2.3.3石漠化變化動態度

該模型可直觀地反映某一石漠化類型變化劇烈程度與速度,也可反映不同類型間變化的差異。其計算公式為：

(5)

式(5)中,Ua、Ub分別為研究區初期和末期某一石漠化類型面積,t1、t2分別表示研究時段的初、末時間,若t設定為年時,K值就是該研究區石漠化年綜合變化率。

2.3.4石漠化綜合指數

定義石漠化綜合指數,建立基于石漠化面積比例和等級權重的石漠化綜合指數A[27],A值越大反映石漠化程度越嚴重,其最大值為8。

3 結果分析

3.1 研究區石漠化面積演變趨勢

5個研究區作為一個整體,其不同石漠化類型面積隨時間的演變見圖4 。總體上,各時段石漠化面積比例為輕度>中度>強度和極強度石漠化順序,但隨時間的變化趨勢存在差異,除中度石漠化外,總體上呈遞減趨勢。從1963年到2015年,石漠化總面積和輕、中度石漠化類型面積以1980年前后最高,到2004年和2010年逐漸降低,到2016年又有小幅度增加。但強度和極強度石漠化分別以1990年和2004年最高,到2015年明顯降低。

圖4 研究區石漠化面積的整體變化Fig.4 Overall change of KRD area in the study area

在分析5個研究區作為一個整體其石漠化變化趨勢的基礎上,進一步討論各研究區石漠化的差異化演變。茂蘭研究區石漠化總面積自1963年至2015年逐年降低,其中中度石漠化以1963年最高,因為在1980年代設置保護區的緣故,1990年其比例明顯下降,而輕度石漠化比例以1990年最高,而后逐年降低(圖5)。

花江研究區石漠化情況嚴重[28],石漠化總面積占研究區土地面積一半以上,以1978年最高,存在波動變化。輕度石漠化比例與石漠化總面積比例變化趨勢一致,中度石漠化從1963年到2010年明顯下降,到2015年又增至9.50%,強度石漠化在歷年沒有明顯變化。花江研究區極強度石漠化比例較高,其比例從1963年的10.92%增至2004年的17.48%,到2010年無明顯變化,到2010年下降到9.85%。

后寨河和王家寨研究區位于貴州中部高原,自然條件和社會經濟條件相對較好,石漠化總面積比例從1963年到2015年一直呈較明顯的下降趨勢(除2010年后寨河石漠化總面積比例略有上升)。后寨河區石漠化自2004年其明顯下降,中度石漠化從1963年來總體上明顯下降；輕度石漠化的變化以2004年為拐點,之前明顯下降,之后又有所回升。王家寨地區的中度、強度和極強度石漠化比例從1963年到2015年呈降低趨勢,中度石漠化在2010年到2015年略有增加；輕度石漠化比例從1982年的0.73%增加2015年的1.23%。

在朗溪槽谷區,石漠化總面積、中度和強度石漠化都呈增-減-增的趨勢,石漠化總面積和中度石漠化面積以1973年最高,至2014年明顯下降,至2017年二者面積比例又分別增加了6.51%和8.21%。強度石漠化呈波動變化以2004年為最高,輕度石漠化自1963年來明顯下降以2014年最低,2017年略有增加。

圖5 各研究區不同類型石漠化面積演變Fig.5 The area change of the different types of KRD in the study area

3.2 石漠化變化的主要類型

以各石漠化類型變化重要性指數來反映不同時間段石漠化的主要變化類型。在茂蘭研究區,1973年前以中度石漠化變化相對較大,1973—2010年期間以輕度石漠化變化較大,2010—2015年期間中度石漠化的變化增加。

在花江研究區,2010年前輕度石漠化是主要變化類型,2010年后,極強度和中度石漠化則成為主要的變化類型,輕度石漠化的變化下降；且從1963年到2015年,強度石漠化變化很小,極強度和中度石漠化的變化波動較大。

在后寨河研究區,2010年以前,輕度和中度石漠化是變化的主要類型,2010年以后,強度石漠化與前二者一起,也成為變化的主要類型。

在王家寨研究區,不同時間段石漠化變化主要類型存在較大的變化。1963—1982年期間強度和輕度石漠化為主要變化類型,1982—2004年間中度、輕度和強度石漠化為主要變化類型,2004—2010年間強度和中度石漠化為主要變化類型,2010—2015年間中度和極強度石漠化為主要變化類型,說明在本研究區,各石漠化類型的面積相對不穩定。

在朗溪研究區,中度石漠化的重要性值較高,輕度石漠化的重要性較低。以2004年為拐點,中度和強度石漠化的重要性值呈此消彼長的相反變化,2004年前,本區的石漠化演變以中度石漠化變化為主,2004年后,本區的石漠化演變以中度和強度石漠化變化為主(圖6)。

圖6 研究區石漠化重要性指數Fig.6 Significance index of KRD change in study area

3.3 石漠化綜合指數與石漠化面積比重變化

5個研究點作為一個整體來看,其石漠化綜合指數A值從1963年到1980年代有所增加,然后逐年下降,但5個研究點的石漠化綜合指數變化差異較大(圖7)。茂蘭地區A值最低,花江地區A值最高,朗溪槽谷A值總體高于王家寨和后寨河。茂蘭地區K值從1963年來,除1990年略有增加外,持續降低；花江地區A值一直較高,以2010年最高,2015年有明顯下降；后寨河地區A值自1963年來持續下降；王家寨地區A值1963年到1982年變化不大,到1990年大幅度下降,隨后持續下降；朗溪地區A值呈先增后減再增的波動式變化,以1973年最高,2010年最低,到2015年略有增加。5個研究點K值的差異變化是與其自然和社會背景緊密相關的。

圖7 研究區石漠化綜合指數變化Fig.7 Changes of KRD comprehensive index in the study area

從研究區石漠化變化面積比重D值來看(圖8),從1963年到2015年,石漠化變化面積比重總體上減少,反映研究區石漠化面積區域穩定。但各研究點的D值變化差異較大,其中,王家寨研究區D值以1982—1990年段最高,茂蘭和花江研究區D值逐年降低；后寨河研究區D值以1990—2004年最低,說明該時間段本區石漠化面積變化小；朗溪研究區D值在總體下降的趨勢下,在1990—2004、2010—2015年時間段出現波動。

圖8 研究區石漠化變化面積比重Fig.8 Values of the proportion of changed KRD area in study area

3.4 石漠化變化的幅度和動態度

圖9反映了各研究區石漠化總面積數量形態變化的幅度和速度。從變化幅度看,各研究區存在1980年代和2004年兩個明顯的轉折點,從1963年到1980年代,各區石漠化面積有增有減,又可分3種類型：朗溪、花江石漠化面積明顯增加,后寨河石漠化面積明顯下降,茂蘭和王家寨的石漠化面積不明顯下降。在1980年代到2004年時間段,5個研究區的石漠化面積都表現為下降,又以朗溪的石漠化面積下降最明顯,其次是王家寨和花江。2004年后的石漠化面積演變總體以繼續下降為主,但個別地點石漠化面積增加,呈現出多樣化演變；如2004—2010年間,花江、后寨河石漠化面積表現出增加,其余3個研究區石漠化面積下降,又以朗溪石漠化面積下降最明顯；2010—2015年(2017年),朗溪和花江石漠化面積表現出增加,其余3個研究區石漠化面積下降。

進一步分析不同類型石漠化的變化幅度,輕度石漠化變化幅度在茂蘭從1990后逐年下降,在花江2004年后增加,在后寨河2010年后增加,在朗溪以1990—2004期間下降最明顯,在王家寨以1980—1990年期間最高。總體上看,輕度石漠化變化幅度有1980s和2004年2個轉折點；中度石漠化變化幅度以2004年為轉折點；強度石漠化變化幅度存在1980s和2004年2個轉折點；而2004年后是極強度石漠化下降的轉折點。

圖9 研究區石漠化變化幅度Fig.9 The variation amplitude of KRD

石漠化變化動態度所反映出的石漠化面積演變規律與石漠化變化幅度揭示的規律一致。不同研究區各石漠化類型動態度最大值出現的時間段不一致,總體上看,2004年是石漠化動態度變化的較明顯轉折點。另外圖10 也反映了2010年到2017年間朗溪槽谷區石漠化總面積動態度明顯高于其余各區和其余時間段,即此時段石漠化增加速度快,主要與該區今年大力發展經果林,導致一些已退耕撂荒地被重新墾殖有關。

圖10 研究區石漠化動態度Fig.10 The dynamic degree of KRD

3.4 石漠化空間分布演變

為了反映5個點各時期石漠化空間分布格局的變化,采用移動窗口法(200 m×200 m),計算了各研究點石漠化變化主要類型的面積比例分布圖(圖11)。從空間分布上看,茂蘭地區的輕度石漠化退縮于西北的緩沖區,保護區核心區的輕度石漠化減少；花江地區的強度石漠化有集中連片逐漸轉化成離散分布；后寨河中度石漠化和王家寨強度石漠化在空間分布上同樣表現為收縮,且>25°范圍的無石漠化比例在增加[29]；朗溪中度石漠化空間上表現為先擴張再收縮、近年再擴張。

圖11 研究區主要石漠化變化類型的空間分布演變Fig.11 The spatial evolution of main KRD change type in the study area

4 討論

4.1 石漠化演變的轉型性

從鄉村尺度來看,大量和快速增長的人口、不可持續土地利用形成強烈的土地壓力,誘發了石漠化[30]。但從1978年經濟改革開放以來,農村人口大量流失,中國從依附土地的農業社會轉變成城市和工業社會,從而引起中國土地利用轉型[31]；而山區農村土地利用轉型是自然恢復和生態優化的良性過程[32],對于巖溶山地來說,這種土地利用轉型則意味著石漠化程度減輕[33]。本文盡管只選擇了貴州省的5各地點作為研究區,但筆者認為,巖溶山地的其他地域也是處于中國當前的經濟社會發展的大背景下,其石漠化演變的總體趨勢應是一致的,其他研究者的研究結果也反映了這一趨勢[34]。當然也不排除西南巖溶山地局部地方因種種原因,仍存在石漠化擴張演變。

5個研究區作為一個整體從1963年以來其石漠化演變又進一步可分為增加階段、穩定階段、轉型階段和多樣化演變階段(圖12),可在一定程度上反映出中國西南巖溶山地石漠化演變的共性和一般特征,即石漠化演變的趨勢發生了由增到減的轉型。研究發現1980年代是西南巖溶山地石漠化由增到減的拐點,從1963年到2015年,石漠化演變經歷了由增到減的轉型,宏觀上,這與中國1978年改革開放以來社會經濟的發展是分不開的；同時,2004年也是巖溶山地石漠化,特別是強度石漠化和極強度石漠化明顯下降的拐點,這與2000年后實行和退耕還林政策和近年的石漠化治理工程存在密切關系,體現了石漠化土地的可逆轉性和可恢復治理性,如以貴州省為例,其森林覆蓋率在2000年逐步上升,就是對此的直接反映(圖13)。同時,巖溶山地的這種土地利用變化與生態恢復,在國外巖溶山地同樣存在,如原本植被稀疏的經典巖溶地區的景觀特性在過去250年期間(1763/1787—2012)發生了變化,森林面積比例從17%增長到73%[35]。同時,本文也發現,不同類型的石漠化都可以成為石漠化演變的主要類型,不論是輕度、中度,還是強度、極強度石漠化,其增減都可以成為石漠化變化的主要形式,說明石漠化演變是可逆轉的,石漠化土地是可恢復治理的。

4.2 石漠化演變模式的多樣性

從各研究區1963年來石漠化的面積比例變化、變化重要性、變化幅度和速度等可以總結出,茂蘭研究區形成低石漠化-持續下降-輕度石漠化為主-小幅度緩慢演變模式；花江研究區形成高石漠化-波動下降-中強度石漠化為主-較大幅度明顯演變模式,2010—2015年間極強度石漠化變化幅度為-7.43%,動態度為-8.60%,說明石漠化治理成果比較顯著[36]；后寨河研究區形成較高石漠化-持續下降-中輕度石漠化為主-小幅度轉型緩慢演變模式；王家寨研究區形成低石漠化-持續下降-中強度石漠化為主-小幅度轉型緩慢演變模式；朗溪研究區形成高石漠化-波動下降-中強度石漠化為主-大幅度快速演變模式,其近年石漠化增加的原因在于很多已撂荒多年且演變成灌叢的承包地,現以土地流轉的方式被重新墾殖為果園等(圖14),導致近期巖石裸露增加,2010—2015年中度石漠化變化幅度為8.21%,動態度為34.15%。綜上所述,5個研究區因自然條件和社會經濟背景不同,分別形成不同的石漠化演變模式。

圖12 石漠化演變階段模型Fig.12 The evolving model of KRD in different stages

圖13 貴州省森林覆蓋率變化Fig.13 The forest coverage variation of Guizhou Province

圖14 朗溪研究區三村村土地利用變化Fig.14 The land use change of Sancun village in Langxi study area

石漠化演變模式的多樣性體現在演變時段的多樣性、不同地域的多樣性,但因各地的自然背景和社會經濟因素存在差異,其石漠化變化的時間節點、變化規模、變化類型必然存在差異,也不一定就會出現多樣化演變階段,從而體現出石漠化演變在不同時段和不同地域的多樣性。進而從5個研究區50年來石漠化的演變過程來看,我們同樣可以認為,巖溶山地石漠化的存在是有時間階段性的,這取決于宏觀的社會經濟背景和鄉村地域特性,但隨著石漠化治理工程的深入實施,近年中石漠化演變存在的多樣性將減少,石漠化將不斷萎縮。

5 結論

本文基于貴州省5個典型巖溶地貌區近50年的高分辨率遙感影像和實地調查,探討了在社會經濟背景多重變化下的巖溶石漠化演變趨向等科學問題,得到以下幾點結論：

(1)5個研究區其石漠化綜合指數從1963年到1980年代有所增加,然后逐年下降；強度和極強度石漠化分別以1990年和2004年最高,到2015年明顯降低。從變化幅度看,各研究區石漠化變化存在1980年代和2004年兩個明顯的轉折點。

(2)5個研究區主要石漠化變化類型在空間分布上主要表現為收縮,僅局部區域有所擴張。

(3)5個研究區因自然條件和社會經濟背景不同,形成石漠化演變模式的多樣性和演變時段的多樣性。

(4)5個研究區作為一個整體來看,其石漠化演變階段可分為為增加階段、穩定階段、轉型階段和多樣化演變階段,呈現了由增到減的轉型演變趨勢,可在一定程度上反映出中國西南巖溶山地石漠化演變的共性和一般特征,說明石漠化演變是可逆轉的。