引用本文
郭丽琴, 赵志芳, 代启学, 梁明月, 付义勋, 陈百炼. 基于RS和GIS文山州石漠化时空演变特征及成因研究[J]. 国土资源遥感, 2017,29(s1): 106-113.
GUO Liqin, ZHAO Zhifang, DAI Qixue, LIANG Mingyue, FU Yixun, CHEN Bailian. Temporal and spatial evolution and genesis of rocky desertification based on RS and GIS in Wenshan Prefecture[J]. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES,2017,29(s1): 106-113.  
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基于RS和GIS文山州石漠化时空演变特征及成因研究
郭丽琴1,2,3, 赵志芳1,2,3, 代启学1,2,3, 梁明月1,2,3, 付义勋1,2,3, 陈百炼1,2,3
1.云南大学资源环境与地球科学学院,昆明 650500
2.云南省遥感中心,昆明 650500
3.“一带一路”战略研究院一带一路大数据研究室,昆明 650500;
通讯作者: 赵志芳(1971-),女,教授,主要从事遥感地质应用研究。Email:zzf_1002@163.com。

第一作者: 郭丽琴(1992-),女,硕士研究生,主要从事自然地理学研究。Email:1171789422@qq.com。

收稿日期: 2016-06-01
基金项目: 中国地质调查局地质调查项目“全国自然资源遥感综合调查与信息系统建设”(编号: DD20160077)和云南省云岭学者云南大学项目(编号: C6153001)共同资助
摘要

以文山州作为研究对象,选取2008年TM和2014年高分一号、资源三号和遥感二号2期卫星遥感数据为数据源,采用RS和GIS技术,获取石漠化面积变化情况,探索文山州石漠化时空演变特征及成因分析。结果表明,2008—2014年间文山州石漠化总面积减少1 796.41 km2,石漠化类型多由重度转为中度,除西畴、麻栗坡和丘北外石漠化面积均有所减少;距构造断裂带0.5 km范围内、碳酸盐岩、较陡坡(15°~25°)、人口密度较大及距矿山开采活动50 m范围内文山州石漠化发育率最高。在距离构造断裂带0.5 km范围内、碳酸盐岩、较陡坡(15°~25°]、人口密度较大及距矿山开采活动50 m范围内等石漠化易发地段应优先采取石漠化防治措施,并处理好人地关系,可较好地防止人为因素诱发和加剧石漠化发展。

关键词: 石漠化; 演变特征; 空间分析方法; 成因分析
文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2017)s1-0106-08 doi: 10.6046/gtzyyg.2017.s1.18
Temporal and spatial evolution and genesis of rocky desertification based on RS and GIS in Wenshan Prefecture
GUO Liqin1,2,3, ZHAO Zhifang1,2,3, DAI Qixue1,2,3, LIANG Mingyue1,2,3, FU Yixun1,2,3, CHEN Bailian1,2,3
1. College of Resources Environment and Earth Sciences, Yunnan University, Kunming 650500, China
2. Yunnan Remote Sensing Center, Kunming 650500, China
3. “The Belt and Road”Strategic Research InstituteDepartment of Large Data, Kunming 650500, China;
Abstract

Wenshan Prefecture is one of the most developed areas of rocky desertification in eastern Yunnan. The process of rocky desertification has always been widely concerned by experts both in China and abroad. In this paper, using Wenshan Prefecture as the research object, selecting the remote sensing data of TM in 2008 and GF-1, ZY-3,YG-2 in 2014 as data source, employing RS and GIS technology, rocky desertification status data are extracted. The temporal and spatial evolution characteristics of rocky desertification and cause analysis in Wenshan State were explored. The results show that the rocky desertification area of Wenshan Prefecture was reduced by 1 796.41 km2 from 2008 to 2014, the type of rocky desertification dominated by Wenshan Prefecture was changed from heavy to moderate, and rock desertification area decreased except for Xichou, Malipo and Qiubei, and that the highest rate of rocky desertification in Wenshan Prefecture was within 0.5 km from the tectonic fault zone, in carbonate rock and clastic rock areas, on steep slopes (15 °,25 °], in areas with large population density and within 50 m from mining activities. In the rocky desertification prone areas, we should give priority to doing rocky desertification control measures, dealing with the relationship between man and land, and preventing human factors from inducing and aggravating rocky desertification development.

Keyword: rocky desertification; evolutionary characteristics; spatial analysis method; genetic analysis
0 引言

土地荒漠化是全球的环境问题之一, 严重影响到国家的生态环境保护和人类的生存发展。1977年联合国荒漠化大会的召开, 使全世界认识到荒漠化的严重性和防治的紧迫性。

国际上印度、苏丹[1]等国已开展了荒漠化遥感调查研究; Mann等[2]提出沙丘移动性、盐渍化和裸岩面积扩张为荒漠化的3个指标; Olsson[3]证明了气候对荒漠化的重大影响。自20世纪80年代以来, 我国学者对荒漠化问题进行大量的探索研究, 并采用诸如喀斯特荒漠化、石漠化和喀斯特石漠化等概念来对该现象进行诠释[4]。王世杰[5]认为, 石漠化是在脆弱的生态环境背景下, 由于自然和人为因素的双重影响, 造成地表植被遭受破坏, 严重土壤侵蚀导致基岩大面积裸露, 砾石堆积, 土壤生产力严重下降, 地表呈现类似荒漠化景观的土地退化甚至消失的现象; 王兮之等[6]、吴良林等[7]利用2000年的Landsat TM影像在贵州、广东和广西等地提取石漠化现状数据信息进行了相关空间格局的研究, 并在此基础上利用统计分析方法研究石漠化的驱动机制; 白晓永等[8]利用1986年、1995年和2000年3期历史石漠化数据, 通过空间分析和转移矩阵, 探讨及评价了贵州省石漠化的时空演变过程; Xu等[9]提出基于对象方法耦合与支持向量机, 结合ETM+图像和辅助数据(包括海拔、坡度和规范化植被指数图像), 利用规模序列参数估计、图像分割、训练数据采样、支持向量机参数调优和对象分类进行实现的映射; 李瑞玲等[10]从岩性与石漠化分布相关性指出石漠化与岩性存在明显的相关性; 胡宝清等[11]、李阳兵等[12]及熊康宁等[13]主要开展广西、贵州等地喀斯特石漠化与地质生态环境背景的空间相关性分析。

在对中国西南岩溶石漠化遥感监测的基础上, 多名学者主要从总体上系统地论述了我国石漠化现状[14]、成因[15]、危害[14]、综合治理[16]、研究进展与展望[17]等问题。但是, 以区域为基础的石漠化研究主要集中在广西、贵州等地, 作为石漠化分布面积位居全国第二的云南研究相对较少[18]。其中, 作为云南省石漠化最为严重的文山州, 石漠化动态演变特征研究及定量分析石漠化成因研究更鲜见报道。

鉴于此, 本文选取文山州为研究对象, 利用2008年TM和2014年GF-1、ZY-3和YG-2的2期卫星遥感数据, 采用RS和GIS技术, 获取石漠化面积变化情况, 探索文山州石漠化时空演变特征及成因分析, 并提出该地石漠化具体防治建议, 以期推动文山州石漠化治理进程, 并为进一步加强基于行政单元的国家生态文明建设技术支撑。

1 研究区概况

文山壮族苗族自治州(以下简称“ 文山州” )地处云南省东南部, 东与广西接壤, 南与越南交界, 西与红河州毗邻, 北与曲靖市相连(图1)。

图1 研究区位置及影像图Fig.1 Location and image of study area

该区属滇东南中山高原地区, 为典型的石灰岩地貌, 境内多属中三叠系碳酸盐岩, 岩溶地貌十分明显, 多峰丛洼地、峰丛漏斗、峰丛谷地、峰林洼地、溶丘洼地和丘峰谷地。地势西北高东南低。成土母岩多为石灰岩, 富宁、广南东部为砂页岩; 马关、麻栗坡以花岗岩、片麻岩、板岩和页岩等为主。属低纬度高原季风气候, 全年温暖湿润, 光照充足, 雨量充沛, 且西南部多, 东北和中西部较少; 气温年较差小, 日较差大。文山州有砖红壤、红壤、黄壤、棕壤和石灰岩土等10种土类, 其中以红壤和石灰岩土为主, 占土壤总面积的78.68%[18]。

2 数据源与研究方法
2.1 数据源及其预处理

在收集整理研究区1∶ 25万比例尺2008年石漠化现状数据、2009年第二次土地变更数据资料基础上, 采用研究区2008年TM影像(时相为2008年9月15日, 空间分辨率为30 m)和2014年国产卫星遥感影像(ZY-3、GF-1和YG-2卫星(时相均为2014年9月24日, 空间分辨率分别为2.08 m, 2 m和2 m)), 经图像镶嵌、正射校正和B3(R)B2(G)B1(B)合成近真彩色图像处理后, 采用人机交互目视解译和修编等方法进行石漠化提取。

2.2 研究方法

2.2.1 石漠化分级及解译标志

参照DD2004— 02《区域环境地质调查总则》试行, 依据遥感图像喀斯特地区灰色影纹基岩面积及砾石堆积覆盖度、侵蚀面积进行分级识别(表1)。

表1 TM, ZY-3, YG-2和GF-1石漠化遥感解译标志 Tab.1 TM, ZY-3, YG-2 and GF-1 rocky desertification interpretation of remote sensing

2.2.2 石漠化信息提取

本文将石漠化按照发育程度划分为轻度、中度和重度3种类型。利用eCognition(参数设置: 尺度为50, 颜色为0.5)与ENVI(参数设置: 段设置边缘为70, 合并设置算法合并规则为90, 纹理内核大小为15), 依据遥感解译标志, 选取训练样本, 进行2014年石漠化信息提取; 结合目视解译及野外验证结果, 获取2014年石漠化现状数据。经野外验证, 研究区2014年图斑解译正确率达97.06%(其中野外验证点共34个, 正确33个, 错误1个)(图2)。

图2 研究区2014年石漠化及野外查证点分布Fig.2 Distribution of rocky desertification and field verification points in study area in 2014

2.2.3 石漠化时空演变特征

构建时空动态演变模型, 基于ArcGIS10.3平台, 采用空间分析方法, 选取面积变化和转移矩阵2个指标进行分析, 总结文山州石漠化动态演变规律。

1)面积变化。本文研究主要通过计算不同级别石漠化面积的变化, 对文山州2008年及2014年石漠化类型进行汇总对比分析, 从宏观上总结了石漠化变化的特点和趋势。

2)转移矩阵。为更好地说明石漠化的时空变化过程, 本文分研究时间段建立石漠化类型转移矩阵。转移矩阵能够定量研究不同石漠化类型之间的相互转移情况, 了解内部的变化结构, 以及石漠化真正的转移方向和趋势。转移矩阵模型表征为

S= S11S12…S1nS21S22…S2n︙︙︙Sn1Sn2…Snn, (1)

式中: Sij为面积, km2; n为石漠化的类型数; i和j分别为研究初期和研究末期的石漠化类型。

对文山州2008年和2014年的石漠化等级矢量进行叠加, 生成2008— 2014年间石漠化等级转移矩阵, 从变化数量和类型上反映研究区石漠化的总体变化特征。

2.2.4 石漠化成因分析方法

1)构造断裂带。根据前人研究成果, 并结合文山州石漠化分布情况, 选取研究区距离构造断裂带≤ 0.5 km, (0.5, 1] km, (1, 2] km和> 2 km开展缓冲区分析, 结合石漠化数据进行空间叠加, 统计其构造断裂带不同缓冲区内石漠化的发育率。

2)岩性。根据1∶ 50万比例尺云南省岩性数据, 提取文山州岩性分布数据, 利用文山州岩性数据与石漠化数据开展空间分析, 得到不同岩性石漠化发育状况。

3)坡度。利用DEM提取坡度数据, 根据《水土保持综合治理规划通则GB_T15772— 1995》坡度分级标准(≤ 5° , (5° , 8° ], (8° , 15° ], (15° , 25° ]和> 25° ), 获取坡度分级状况, 利用空间叠加分析方法, 探讨不同坡度各县(市)石漠化发育率及石漠化总体发育状况。

4)人口密度。采用SPSS软件, 利用各县(市)人口密度与石漠化数据开展相关分析, 探索人口密度与石漠化发育的相关程度。

5)矿山开采活动。基于以往研究, 针对矿山开采状况进行50 m缓冲区分析, 探讨矿山开采活动对石漠化的影响程度。

3 石漠化时空演变特征分析
3.1 石漠化现状

文山州西畴县北部、广南县南部、砚山县中西部和丘北县等石漠化分布较多, 北部、东部及西南部较少。2008年文山州石漠化面积为8 578.56 km2, 2014年为6 782.15 km2。2008年石漠化类型以重度为主, 而2014年以中度为主。

按县市分, 2008年及2014年广南县石漠化所占比例最高, 石漠化最为发育; 其次2008年及2014年砚山县、丘北县石漠化发育程度较高。

按石漠化类型分, 2008年砚山县和广南县石漠化最为发育; 麻栗坡县石漠化较少发育。2014年广南县和丘北县石漠化较发育; 马关县石漠化较少发育(图3)。

图3 2008年、2014年文山州各县(市)石漠化类型面积统计Fig.3 Rocky desertification type area of Wenshan Prefecture in 2008 and 2014

3.2 面积变化

文山州石漠化占比从2008年的31.8%降到2014年的25.1%。2008— 2014年间研究区轻度、中度和重度石漠化分别减少41.69 km2、169.12 km2和1 585.60 km2。

2008— 2014年间除了西畴县、麻栗坡县和丘北县外, 石漠化发育均有所下降; 麻栗坡县石漠化增长幅度最大, 马关县减少幅度最大。2014年丘北县西部、砚山北部、广南县中部及麻栗坡县东北部新增石漠化明显, 其他地区新增石漠化则相对较少。

3.3 转移矩阵

2008— 2014年间广南县石漠化转移量最多, 即约254.41 km2的重度石漠化转向轻度石漠化, 表明人类干预对广南县石漠化有很大影响; 马关县石漠化转移量最少、变化最小, 仅约0.1 km2的重度石漠化转向轻度石漠化, 表明马关县石漠化状况比较稳定。砚山县、丘北县和广南县等县市主要由重度石漠化向轻度和中度石漠化转移, 其中广南县转移最多, 约501.06 km2, 表明广南县石漠化状况有很大好转; 砚山县和丘北县主要由轻度石漠化转向重度和中度石漠化, 其中砚山县最多, 为234.22 km2。

从总体来说, 2008— 2014年间文山州石漠化总面积减少1 796.41 km2, 石漠化改善明显, 主要石漠化类型由重度转为中度。

4 石漠化成因分析

本文选取构造断裂带、岩性、DEM、人口数量、矿山开采活动及国家政策开展石漠化成因分析, 其中地质因素、地貌因素和人为因素等为石漠化的形成提供了条件, 人口压力、不合理的人类活动又在另一种程度上加剧了石漠化的发育(自然因素在短时期内变化极少, 但在石漠化形成中的作用不容小觑。本文主要选取2008年和2014年石漠化同时发育的地区进行探讨分析)。

4.1 地质因素

4.1.1 地质构造运动

文山州石漠化主要分布在文山州中部的复合断裂即蒙自— 南溪河断裂(NW向线性构造), 处于文山— 麻栗坡断裂附近; 横贯丘北县和砚山县中北部的地壳拼接断裂即NW向金沙江— 红河断裂、西南侧地壳拼接断裂即藤条河断裂和西北部的哀牢山断裂周边石漠化也较为发育(图4)。开展石漠化与构造断裂空间分析表明, 石漠化的发育与断裂存在一定的关系。

图4 文山州石漠化分布范围及构造断裂带Fig.4 Distribution range of rocky desertification and tectonic fault zone in Wenshan Prefecture

选取距离构造断裂带≤ 0.5 km, (0.5, 1] km, (1, 2] km, > 2 km进行缓冲区分析(表2), 得到石漠化面积及发育率, 石漠化发育率为每个岩性石漠化面积占对应岩性面积的比例。

表2 文山州构造断裂带缓冲区石漠化发育状况 Tab.2 Development status of rocky desertification in buffer zone of Wenshan Prefecture structural fault zone

从表2可以看出, 石漠化发育率最高的是距离构造断裂带≤ 0.5 km范围, 距离构造断裂带越近石漠化发育的可能性就越大。分析其原因为: 地质构造运动产生较大的地表切割和较高的地形坡度使得岩溶地区地形陡峭, 地表植被不易生长, 土地退化, 在一定程度上决定并影响着石漠化的发育和形成。

4.1.2 岩性

从石漠化形成的动力学机制进行分析(图5), 石漠化的实质是岩溶地区流水侵蚀下的土地退化[19]。文山州碳酸盐分布较为集中, 主要出露灰岩、碎屑岩夹碳酸盐岩、碳酸盐夹碎屑岩和灰岩夹白云岩等。其中灰岩分布最广, 占全州碳酸盐岩的48.02%, 其次为碎屑岩夹碳酸盐岩(25.08%), 碳酸盐夹碎屑岩(15.12%), 其他岩性则相对较少。根据石漠化类型与不同岩性叠加统计分析表明, 文山州石漠化主要发育于碳酸盐岩(63.53%)(灰岩占33.48%、灰岩夹白云岩占30.05%), 其次为碳酸盐岩夹碎屑岩(36.77%)(表3)。

图5 文山州岩性与石漠化分布Fig.5 Distribution of lithology and rocky desertification in Wenshan Prefecture

表3 文山州石漠化岩性及石漠化发育率 Tab.3 Desertification of Wenshan Prefecture lithology and rocky desertification development rate
4.2 地貌因素

本文主要探讨坡度对石漠化的影响(图6)。文山州石漠化主要分布于较陡坡(15° , 25° ], 占全州面积的35.14%; 其次为缓坡(8, 15° ](25.90%); 分布面积最少的为极陡坡(> 35° )(4.51%)。按县(市)来说, 富宁县、麻栗坡县、西畴县、广南县、马关县及丘北县都以较陡坡(15° , 25° ]为主, 且在富宁县所占比例最高(41.99%); 文山市和砚山县以缓坡(8, 15° ]为主。文山州不同坡度范围石漠化发育状况及其分布分别如表4和图6所示。

表4 文山州不同坡度范围石漠化发育状况 Tab.4 Development status of rocky desertification in different slope ranges in Wenshan Prefecture

图6 文山州坡度分级及石漠化范围Fig.6 Mountain slope grading and rocky desertification range map in Wenshan Prefecture

4.3 人为因素

文山州人口密度从2008年的106人/km2增加至2014年的111人/ km2, 高于云南省平均人口密度(109人/ km2)。

文山州矿产资源丰富, 截止2014年, 全州矿山数量525个, 矿山面积约311.48 km2, 分别占全州总面积和全省总矿山数量的0.97%和6.97%。人类不合理利用土地和矿产资源, 往往出现过度开发开采等现象。

另外, 人们取食取暖生产生活大量砍伐森林, 国家政策对生态环境的改变也对石漠化发育产生一定的影响。本文将在此讨论文山州人为因素中比较重要的3个方面: 人口数量、矿山开采状况和国家政策(政府治理工作进展)。

2008— 2014年间文山州各县(市)的人口均呈现增加趋势, 其中增长幅度最大的是砚山县, 其次是文山市, 增长幅度最小的是麻栗坡县(表5)。石漠化数据与人口变化数据进行了相关分析, 且存在中等相关性, 相关系数p< 0.05, 结果表明人口数量的增加一定程度上加速了石漠化的发育。

表5 2008年和2014年文山州各县(市)人口数量统计 Tab.5 Population statistics of Wenshan State in 2008 and 2014(万人)

图7 文山州各县(市)人口数量与石漠化关系Fig.7 Relationship between population and rocky desertification in various counties (cities) in Wenshan State

利用矿山开采数据, 结合文山州实际情况, 建立50 m缓冲区, 以此来探讨矿山开采活动对石漠化的影响程度(图8)。矿山开采活动50 m缓冲区内石漠化发育面积为25.28 km2。主要由于部分矿山开采活动没有针对各类型开采方式及开采强度进行合理的保护与治理, 引发地貌景观的破坏, 间接为石漠化的发育及形成提供了条件。

图8 文山州石漠化范围与矿权的分布Fig.8 Distribution of rocky desertification range and tenement in Wenshan Prefecture

收集资料表明, 当地政府2009— 2014年间全州累计完成石漠化综合治理工程任务约800 km2, 其中人工造林为206 km2、封山育林为593 km2、石漠化治理面积为1 375.5 km2, 生态环境得到明显改善。尤其是2014年在扎实推进“ 七彩云南文山保护行动” 和“ 森林文山” 建设, 森林覆盖率达到49.7%, 使文山州石漠化总面积减少了1 796.41 km2。这直接印证了石漠化的变化趋势与政府作为、重视环境保护的措施亦有明显的正相关关系。

5 石漠化防治对策

针对上述研究结果, 本文提出文山州石漠化防治建议, 并建议分层次规划部署石漠化防治工作。

1)文山州断裂带内石漠化主要分布在哀牢山断裂、金沙江— 红河断裂、藤条河断裂、文山— 麻栗坡断裂、西林弧形断裂、广南— 丘北弧形深断裂、富宁— 广南断裂(占72%), 蒙自— 南溪河断裂发育的石漠化面积较少(占30%)。且在构造断裂带的缓冲区范围内, 石漠化发育率呈明显递减趋势。因此, 在石漠化发育较严重的活动断裂构造附近1 km内应有重点有针对性地开展石漠化防治工作, 且尽量减少人类活动的不合理参与。

2)文山州碳酸盐岩分布广泛, 为石漠化的发育提供了物质基础。文山州石漠化主要集中发育于文山州中部和西北部, 以碳酸盐夹碎屑岩、灰岩和灰岩夹白云岩为主分布的沉积岩分布区。其中碳酸盐岩石漠化发育率高(灰岩为33.48%、灰岩夹白云岩为30.05%)。在碳酸盐岩夹碎屑岩、灰岩、灰岩夹白云岩地区, 建议开展速生高效林木、灌草种植和区域植被自然恢复模式。

3)文山州石漠化发育主要集中于坡度(8° , 25° ]区域内, 其中最主要发育于较陡坡(15° , 25° ]。较陡坡、顺坡耕种严重的地区往往出现毁林开荒、乱砍、滥伐严重的情况, 植被受到严重破坏, 生态环境迅速恶化, 这些都不利于水土保持, 石漠化现象日趋严重。对此, 政府及当地居民应尽量减少较陡坡内不合理的人类活动。

4)2008— 2014年间, 文山州广南县、丘北县和砚山县石漠化分布较广, 同时人口数量也位居文山州前三。鉴于此, 建议在广南县及丘北县中南部、砚山县中北部地区禁止滥挖滥采、滥垦滥伐, 减少不合理开发或开采等人类活动, 实施混农林业复合经营模式; 合理规划人口分布, 尤其在碳酸盐岩分布较为集中地区应尽量进行人口调整, 如广南县应合理实施向周边县移民; 矿区开采则应采取现代型生态开模式“ 边开发、边治理” ; 采用新技术改善石漠化现状, 如推广新建沼气池、节柴灶、秸秆半气化炉和太阳灶等的建设和使用。

6 结论与讨论

1)2008— 2014年文山州石漠化总面积减少了1 796.41 km2, 石漠化改善明显; 主要石漠化类型由重度转为中度; 重度石漠化面积减少最多; 除了西畴县、麻栗坡县和丘北县外, 5个县都有石漠化面积减少的现象出现。

2)距构造断裂带0.5 km范围内、碳酸盐岩、较陡坡[15° , 25° ]、人口密度较大及距矿山开采活动50 m范围内文山州石漠化发育率最高。

3)人为活动需尽量避开比较容易发生石漠化的特殊地段; 同时人口较多分布的县(市)应合理规划人口分布, 缓解人地矛盾, 推动文山州生态环境的可持续发展。

本文不仅为文山州石漠化防治、生态环境监测及环境恢复提供了技术支撑, 同时为十八大提出的生态文明建设、我国基于行政单元的管理提供了有益借鉴, 较好地实现了国产卫星技术在石漠化等地质环境领域的应用拓展。但石漠化成因定量化分析程度还有待进一步提高, 石漠化成因的综合评价指标体系还需深入探索。

The authors have declared that no competing interests exist.

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