基于遙感對甘堡小流域石漠化空間分布特征的研究

曾超毅

(貴州晟泰工程咨詢有限公司,貴州 貴陽 550001)

1 引言

石漠化是指氣候因素和人為活動造成的干旱、半干旱地區及半濕潤地區土地退化、向荒漠景觀變化的過程[1]。石漠化形成原因除了自然條件先天不足外,人類不合理的開發利用土地也是造成石漠化的主要原因。貴州省是石漠化分布面積最廣、狀況最復雜、類型最齊全的省份。石漠化研究對于喀斯特地區生態環境建設有著較為深遠的意義[2,14]。

中國西南地區，由于資源與環境的不合理利用引起脆弱的喀斯特生態環境失衡，這些地區通過退耕還林、封山育林、種植適宜經果林、坡改梯等措施進行石漠化治理，取得了一些成效。如林中衍，麻新在實驗研究區進行石山區生態綜合治理試驗，研究區小實驗環境得到初步改善，水土流失初步得到遏制；龍健等用土地利用方式對土壤質量恢復能力方面進行研究；學術界對于喀斯特石漠化的研究成果主要包括[2～4]:喀斯特石漠化的危害、影響因子、防治措施以及相關治理模式研究,為石漠化地區生態環境治理提供了科學的理論支撐。但在大范圍高精度的喀斯特石漠化演變趨勢和動態變化方面還缺乏深入研究。

近年來“3S”技術主要應用于石漠化調查監測、空間分布、石漠化強度等級劃分等方面。與傳統野外調查、人工統計相比,“3S”技術在大范圍、大規模、人類難以進入的復雜地形區域調查監測工作中精度高、效率高[15,16]。

2 研究區概況

安順市西秀區位于貴州省中西部腹地,距貴州省省會貴陽90km，地處長江水系和珠江水系的分水嶺上，地理位置為105°44′32″～106°21′58″,北緯25°56′30″～26°26′42″。地質構造復雜,山多坡陡，巖溶極為發育,地表水處于深切夾谷之中，山坡多發育成石灰土和巖泥土。出露地層有石灰系、二迭系及三迭系的石灰巖、沙頁巖等。地勢特點為西北部偏高東南部偏低,海拔1102～1695m,平均相對高差593m,年平均氣溫13.2～15℃,年日照時數968.6～1309.6h,年平均降水量1146.3mm, 全區總面積1724km2,總人口81.3萬。安順市西秀區甘堡小流域巖溶喀斯特發育，地形起伏，水土流失嚴重，流域呈不規則形狀。流域地貌以山地為主，屬低中山地貌。在脆弱的喀斯特自然背景下,植被遭受破壞,水土流失嚴重,石漠化明顯。對于大范圍地形較為復雜的喀斯特地區，應用遙感與地理信息技術能夠宏觀、快速獲取地表信息，且精度較高，為石漠化面積、分布規律、石漠化程度以及演變趨勢的研究提供一定的決策支持。

3 數據來源與處理

3.1 數據來源

本次研究主要收集資料包括：2012年quikbird 遙感影像，森林資源二類調查底圖， GPS野外調查數據。并從收集的資料中提取相關的地理信息,主要包括行政邊界、主要道路、河流、土地利用類型等。在ArcGIS平臺下建立相關數據庫及圖層屬性,以便進行數據統計和結果分析[4],從而提取地物更多的潛在信息[17～19]。

3.2 野外調查

按照“先內后外”的原則，先在室內結合兩期遙感影像判讀區劃地類發生變化的圖斑，對數據進行處理后，導入外業調查軟件，對變化小班及上期特征點地類、基巖裸露度、植被覆蓋度等因子進行外業核實調查，并錄入外業調查軟件，對于特征點和變化小班進行外業小班拍照。

4 研究方法與原理

以二類調查圖斑數據為基礎，在遙感影像上提取地類變化圖斑，結合外業實地調查，完善其屬性因子。根據閉合小流域原則，流域邊界需經過分水嶺，流域邊界盡量少跨越行政鄉鎮，在預處理后的地形圖上勾畫出安順市西秀區甘堡小流域邊界。并用研究區流域邊界對分類后的圖進行掩膜提取、生成研究區土地利用現狀分布圖。

以遙感影像為基礎，通過波段計算等處理，得出歸一化植被指數 NDVI 和裸土指數BI，分別計算植被覆蓋度和土壤裸露率；由土壤裸露率、植被覆蓋度同基巖裸露率之間的關系，通過圖層運算生成基巖裸露率圖；對表層野外土壤厚度調查樣點數據進行空間插值得出整個研究區的表層土壤厚度圖；將上述植被覆蓋率圖、基巖裸露率圖和表層土壤厚度圖進行疊加處理，根據石漠化等級劃分標準，通過人機交互式解譯，結合野外調查樣點數據加以修正，最終生成西秀區甘堡小流域石漠化分布圖。

在ArcGIS平臺下對土地利用矢量數據和石漠化矢量數據進行疊合分析，建立兩種數據的空間對應關系，得出土地利用分布規律和研究區石漠化發生率之間的關系。研究中用到的是矢量數據疊合分析中的identity疊合分析，以其中一個多邊形為控制邊界，輸出在這個控制邊界以內的其它多邊形部分。如輸入數據灌木林和輕度石漠化圖斑，設置有林地為控制邊界，則輸出數據為有林地中的輕度石漠化圖斑。

4.1 標準歸一化植被指數

Deering在1978年提出了將簡單的比值植被指數RVI，經非線性歸一化處理得到歸一化植被指數(NDVI-Normalized Difference Vegetation Index)，其表達式為：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(2)

式中：NIR：近紅外波段；

R：紅光波段。

NDVI在植被指數中有著非常重要的地位，它是植物生長狀態及植被覆蓋度的最佳指示因子，是用于監測植被變化最常用的植被指數。試驗表明，NDVI對土壤背景的變化較為敏感。由于NDVI是單位像元內的植被類型、覆蓋形態、生長狀況等的綜合反映，其大小取決于植被覆蓋度fc(水平密度)和葉面積指數等要素，所以可以用NDVI估算植被覆蓋度和葉面積指數。當植被覆蓋度小于15%時，能將土壤背景與植被區分開；當植被覆蓋度為25%～80%時，隨著植被蓋度的增大呈線性增加；植被覆蓋度大于80%時，檢測能力逐步下降[15～19]。

4.2 BI指數

BI裸土指數(Bare soil Index)，一個像素對應的植被覆蓋率不僅與植被指數密切相關，還與土壤光譜信息有關。為了對植被狀態的評價更為全面可靠,因此又定義了裸土指數。計算公式為

BI=((SWIR+R)-(B+NIR))/((SWIR+R)+(B+NIR))

(3)

式中：SWIR：中紅外波段;

B：藍光波段;

R,NIR同上。

根據植被指數和裸土指數定義一個二維空間,假設這個空間中植被覆蓋率、植被指數和裸土指數密切相關,則植被覆蓋率越大,植被指數也越大,裸土指數反而越小;如果裸土指數越大,植被數越小,植被覆蓋率也越小。在植被指數和裸土指數所構成的二維空間中,像素的空間分布散點圖越接近線性橢圓形,該植被指數與裸土指數之間的負相關性越大,則選用該植被指數[21～24]。

5 結果分析

5.1 土地利用分析

根據遙感影像，結合現場實際調查，將研究區劃分21種土地利用類型(圖1)：

圖1 貴州省安順市西秀區甘堡小流域土地利用現狀圖Fig.1 Status Quo of Land Use in Ganbao Small Watershed, Xixiu District, Anshun City, Guizhou Province

土地利用現狀圖中地物代碼對應關系為：水田(011)、水澆地(012)、旱地(013)、果園(021)、茶園(022)、有林地(031)，灌木林地(032)、其他林地(033)、人工牧草地(042)、中覆蓋度草地(043)、河流水面(111)、水庫水面(113)、坑塘水面(114)、內陸灘涂(116)、水工建筑用地(118)、設施農用地(122)、裸地(127)、村莊(203)、采礦用地(204)、風景名勝及特殊用地(205)。巖石類型組合的劃分參見文獻[7]。

5.2 石漠化劃分等級與指標

根據熊康寧等及黃秋昊和蔡運龍等的研究成果[3,4]，結合甘堡小流域的實際調查情況，以坡度、表層土壤厚度、植被覆蓋率和基巖裸露率等作為石漠化等級強度的劃分指標，將研究區的石漠化強度分成無石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化和強度石漠化 4個等級(表1)。

表1 石漠化分級標準Tab.1 Rocky Desertification Classification Standard

圖2 石漠化現狀圖Fig.2 Current Status Map of Rocky Desertification

1)潛在石漠化土地基巖裸露度(或石礫含量)≥30%，土壤侵蝕不明顯，且符合下列條件之一者為潛在石漠化。

(1) 植被綜合蓋度≥50%的有林地、灌木林地。

(2) 植被綜合蓋度≥70%的草地。

(3)梯土化旱地。

2)輕度石漠化土地一般表現為坡度在15°以上，植被結構較低、以稀疏的灌木林為主、土被覆蓋率低。非開墾型的輕度石漠化土地主要由于人為活動反復破壞引起水土流失形成，土被分布零星、平均厚度小，這類土地空間異質性較為顯著，不適宜耕山育林，植被恢復周期長，難度大。

3)中度石漠化類型，基巖裸露率高，區域平均土層厚度低，以中低覆蓋度草地為主，植被覆蓋度約在20%～35%之間。該類型植被生長環境較為惡劣，難于耕種，大部分為低覆蓋度、低生物量、低結構植的生物群落。

4)強度石漠化和極強度石漠化基巖裸露面積大，植被覆蓋度基本在20%以下，基巖裸露度高，荒漠化表現最為明顯，是石漠化程度最高的等級。

5.3 石漠化強度分析

輸出石漠化面積統計表，統計石漠化面積、各類石漠化在流域面積中的百分比(表2)。

表2 石漠化面積統計Tab.2 Statistics of Rocky Desertification Area

由表2可以看出，甘堡小流域面積為37059351.42m2，其中石漠化面積為17862985.66m2，石漠化百分比為48.2%，石漠化等級主要集中在輕度石漠化、潛在石漠化，強度和極強度石漠化所占面積較小。結合現場實際考察當地綜合情況，擬對甘堡小流域輕度石漠化、潛在石漠化地區實施相應石漠化治理措施：在輕度石漠化地區實施人工種草、種植經果林；在潛在石漠化地區覆蓋度較高區域實施封山育林、水保林等措施[5]。

5.4 土地利用現狀與石漠化強度疊合分析

應用ArcGIS對土地利用矢量數據和石漠化矢量數據進行疊合分析，建立兩種數據的空間對應關系，得出土地利用分布規律和研究區石漠化發生率之間的關系[6]。研究用到的是identity疊合分析，其輸出數據為保留以其中一個輸入多邊形為控制邊界之內的所有多邊形，如輸入數據灌木林和輕度石漠化圖斑，設置有林地為控制邊界，則輸出數據為有林地中的輕度石漠化圖斑[7]。

由表3分析，可以得出：石漠化主要分布在灌木林、草地、裸地區域。灌木林地石漠化程度主要表現為潛在石漠化，百分比高達90.27% ；草地石漠化程度主要表現為中度石漠化，百分比為80.56%；裸地中既有輕度石漠化，又有中度石漠化，百分率分別為49.94%、44.31%。

表3 不同土地利用石漠化情況Tab.3 Rocky Desertification of Different Land Uses %

研究區土地利用分布規律與石漠化發生率之間呈現以上關系，主要是由于該研究區地處我國西南地區，草地主要是中低覆蓋度天然或人工草地，基巖裸露率高達70%以上，土被覆蓋度達25%以下，植被覆蓋度在20%～35%之間[13]。這類土地基巖裸露率高，區域平均土層厚度低，以中低覆蓋度草地為主，植被生長環境較為惡劣，難于耕種，大部分為低覆蓋度、低生物量、低結構植被的生物群落，與中度石漠化特征基本相符[14]。結合實地調查，該區域的灌木林中樹木大多生長稀疏，而且以幼苗為主，植被結構低、土被覆蓋率低，是輕度石漠化主要發生區域[10]。

5.5 結語

研究表明：研究區石漠化百分比為48.2%，其中石漠化強度主要集中表現為潛在石漠化、輕度石漠化，強度和極強度石漠化所占面積較小。可見甘堡小流域石漠化程度較輕。潛在、輕度石漠化主要集中發生在灌木林、裸地區域，中度石漠化主要集中在中低覆蓋度草地區域，結合現場實際考察當地綜合情況，擬對輕度石漠化、潛在石漠化地區實施相應石漠化治理、水土保持等措施。本研究對今后小流域石漠化研究治理提供一定的決策支持。

對石漠化的現狀和空間分布的研究是石漠化研究最為基礎的一項工作,傳統調查手段多采用抽樣調查方法，該方法統計結果大部分未連續、沒有全覆蓋研究區域，或者是通過紙質圖紙進行外業調查核實，精度不高、效率低。利用“3S”技術進行石漠化監測、調查等方面研究，可實現大范圍、大尺度及人類難以進入的復雜地形區域石漠化空間分布調查及動態分析研究，極大提高了調查精度和效率[11～13]。通過對不同時期的石漠化數據進行空間疊加分析，為分析監測間隔期內石漠化土地動態變化信息，當小班石漠化狀況或程度發生變化時，確定石漠化土地動態變化與轉移情況，記載其變化原因，進行變化原因分析，為石漠化地區生態環境保護及石漠化治理提供相關科學依據[19]。