西南典型喀斯特地区石漠化时空演变特征--以贵州省普定县为例

为揭示我国西南典型喀斯特地区石漠化时空演变特征,选取贵州省普定县为研究对象,基于Landsat、DEM等影像数据,提取了坡度和4期植被覆盖度、岩石裸露率分布图,并利用地理探测器获得各自的贡献率,反演了1990—2015年4期石漠化空间分布信息,进而讨论了石漠化时空演变特征。结果表明:(1)在1990—2015年间,普定县石漠化演变复杂,经历了由好转到恶化再到好转的阶段,总体趋势在好转,局部恶化,石漠化治理仍需加大力度;(2)中度以上石漠化集中分布在三岔河沿岸附近,轻度以下石漠化则分布较散乱;(3)潜在和轻度石漠化演变方向复杂,潜在石漠化平均变化速率最大(2.75 km2/a),在1997—2006年间更是达到了16.5 km2/a;(4)植被覆盖度与岩石裸露率的变化主要呈负相关,前者的增加主导了石漠化的好转,而后者的增加则控制了石漠化的恶化;(5)石漠化演变存在突变,在三岔河沿岸附近,存在无/潜在石漠化突变为重度以上石漠化的现象;在靠近城乡居民地附近,存在重度以上石漠化突变为无/潜在石漠化的现象;(6)植被覆盖度、岩石裸露率、坡度能较准确反演石漠化,贡献率分别为44%、42%、14%。本文提供的石漠化反演方法快速高效,制作的图件、数据为同行提供了参考,得出的结论为石漠化治理提供了科学支撑。

西南喀斯特地区石漠化时空演变过程分析

喀斯特地区石漠化对当地社会经济的可持续发展有严重的阻碍作用,因此,研究喀斯特石漠化时空特征及演变规律,对石漠化治理有着重要的意义。以西南八省为研究区,利用归一化差分植被指数(Normalized Difference Vegetation,NDVI)、净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)、地表反照率(Surface Albedo)和坡度(Slope)数据,借助ArcGIS等软件平台,分析石漠化在不同的坡度、土地利用和生态保护区内的变化。结果显示:(1)轻度和中度石漠化是西南主要的石漠化类型。从空间分布来看,石漠化发生分布面积最广的是贵州,其次为云南和广西。(2)从不同土地利用来看,2000—2015年间无石漠化面积最多,潜在石漠化次之。石漠化主要发生在耕地和林地两种土地类型上,其他用地上石漠化发生面积最少,但是极重度石漠化在其他用地上的发生比例很大,平均在11%左右。(3)从不同坡度来看,石漠化严重程度不随坡度的增加而加剧,在坡度6°—25°之间石漠化发生面积最大。(4)从生态保护区来看,2000和2015年西南喀斯特生态保护区是石漠化面积分布最多的区域,分别为27481.86 km^(2)和21738.65 km^(2)。最少的是大别山山地生态功能保护区,从变化量来看,增加最多的是三峡库区,增加1641.22 km^(2),减少最多的是西南喀斯特生态功能保护区,减少5743.22 km^(2)。(5)利用NPP、NDVI、地表反照率和坡度能较精准的反演石漠化,其反演权重依次为0.33、0.42、0.15和0.1。研究时段内,西南生态环境逐渐得到改善。

气候变化及生态恢复对喀斯特槽谷碳酸盐岩风化碳汇的影响评估

评估气候变化及生态恢复对碳酸盐岩风化碳汇(CS)的复合影响机制是当前喀斯特生态系统碳循环及气候变化研究领域的一个重要任务。基于碳酸盐岩热力学溶蚀模型估算了1992-2017年中国西南喀斯特槽谷碳酸盐岩风化碳汇通量(CSF),利用Lindeman-Merenda-Gold模型定量评估了气候及生态恢复因子对槽谷CSF的相对贡献率。研究结果表明:(1)槽谷整体年均温及年降雨量均处于持续升高的趋势,增速分别为0.06℃/a及12 mm/a,进入21世纪之后,增速均有一定程度的放缓,年蒸散发在21世纪以前为增加的状态,2000年以后整体表现为减少的趋势;(2)槽谷植被覆盖度增加速率为0.004/a,其增加区域的面积占比达到了95.07%,槽谷生态系统恢复效果显著;(3)槽谷的年均CSF约为9.42 t C km-2 a-1,研究期间处于增加的状态,其年均增长速率约为0.2 t C km-2 a-1,CSF增加区域的面积占比约为89.28%;(4)槽谷CSF受到气候因素(降雨、蒸散发、温度)及生态恢复2方面的影响,其中降雨、温度及生态恢复反馈因子FVC与CSF呈正相关关系,ET与CSF呈负相关关系,降雨对于研究区CSF的贡献率最大,达到了70.36%;(5)本研究揭示了气候变化及生态恢复对岩石风化过程的复合影响机制。

喀斯特槽谷区土壤侵蚀时空演变及未来情景模拟

以中国南方喀斯特槽谷区为研究对象,基于改进的喀斯特地区土壤侵蚀算法,定量分析了槽谷区土壤侵蚀时空演变特征,并利用CA-Markov模型对土壤侵蚀状况的未来情景进行预测。结果表明:(1)喀斯特槽谷区2000-2015年土壤侵蚀总量由61.86×107 t/a减少至2.97×107 t/a,区域年平均侵蚀模数由21.61 t hm-2 a-1降低至1.04 t hm-2 a-1,轻度及轻度以下侵蚀等级的面积增加了76.13×105 hm2,重度及重度以上侵蚀面积减少了46.90×105 hm2,侵蚀状况明显减轻;(2)不同地貌类型之间的土壤侵蚀状况存在一定差异,平原地区侵蚀模数最小,盆地地区侵蚀模数最大,达到平原地区侵蚀模数的近4倍;(3) 2000-2015年间,槽谷区轻度及轻度以上侵蚀等级都逐渐向微度侵蚀等级转移,土壤侵蚀等级由高等级向低等级转移率达到了98%以上,总体呈现出好转的趋势;(4)基于CA-Markov模型模拟槽谷区2020年土壤侵蚀等级的未来演变趋势,其总体Kappa系数达到了0.9788,一致性最佳;(5)到2020年,槽谷区土壤侵蚀等级基本为微度和轻度侵蚀,土壤侵蚀状况将进一步改善。本研究的结果可为喀斯特槽谷区当前土壤侵蚀治理成效的评价以及未来的防治提供理论和数据方面的参考。

典型喀斯特地区石漠化景观格局对土地利用变化的响应

土地利用是人类活动最基本的表现形式,探讨石漠化与土地利用变化之间的响应关系,对于石漠化治理和区域的可持续发展是非常重要的。基于贵州道真县2005年、2015年LANDSAT和石漠化数据,再利用ENVI 5.3进行监督分类,将道真县土地利用分为8种类型。通过景观格局空间分析技术和3S技术,对道真县土地利用时空演变和石漠化景观格局进行综合分析,结果表明:(1) 2005—2015年间,道真县建设用地和灌木林地面积增加,大部分灌木林地由水田和旱地转化而来,其面积增加了7.51%,建设用地增加了1.30%。(2)近10年间,研究区石漠化等级间的转移表现为轻、中、重度转化为潜在石漠化,其斑块转移面积分别为11.26、38.79、2.71 km2,表明研究区石漠化景观得到了恢复,低等级石漠化斑块面积增加,降低了原有高等级石漠化斑块的优势度。(3) 2005—2015年间道真县土地利用和石漠化景观格局,多样性指数分别下降了0.6434和2.4309,均匀度指数各减少了0.0552和0.5436,分维度指数各提高了0.0061和0.0801,蔓延度指数各增加0.1751、25.5396和聚合度指数分别增加1.8688和2.9112,景观形状指数分别减少0.9812和4.536,石漠化景观格局的变化对应土地利用景观格局指数的变化,随着人们土地利用方式的改变,石漠化也发生相应的改变。通过该研究的进行,有助于提高人们对石漠化和土地利用景观格局的认识,基于景观生态学背景对石漠化治理成效进行评估,为之后的石漠化治理工作的进行及研究提供了参考。

铜仁市万山喀斯特地区石漠化演变及其对土地利用变化的响应

为了解万山典型喀斯特地区石漠化演变与土地利用变化的相关性,采用监督分类方法解译2000、2010年和2015年万山区土地利用现状图,与构建的岩性及同期石漠化叠加分析,探明每种岩性土地利用分布特征和每种土地利用类型石漠化发生百分比,以此揭示各土地利用类型对石漠化影响的程度。结果表明:从岩性空间上看,林地(有林地、灌木林地)在非碳酸盐岩组合上分布面积最广,其中林地面积最多为142.89 km2,在灰岩与白云岩混分布最少,面积最少为13.37 km2;2005-2010年的石漠化在灰岩与白云岩混上变化最大,变化速率为-1.87 km2·a-1,其中,在灰岩与白云岩混上发育的轻度、中度石漠化比例最高,白云岩夹碎屑岩上发育的重度石漠化比例最高,整体上来说石漠化更容易在碳酸盐岩(灰岩与白云岩混、白云岩夹碎屑岩)上产生。根据典型石漠化的分级情况和各地类石漠化分布的占比得出,研究区发生石漠化的土地类型主要为旱地和林地(有林地、灌木林地),这两类土地类型对石漠化的贡献和响应最大,两地类石漠化发生比例最高分别为20.87%和4.32%,而旱地主要以发生轻度石漠化为主,且发生机率高达93.61%。研究结果为研究区内石漠化发生区域的定位和治理提供了科学参考。

不同岩性背景下土壤侵蚀与石漠化关联性分析

喀斯特地区土壤侵蚀与石漠化问题备受关注,为了定量分析不同岩性下土壤侵蚀与石漠化的关联性,为研究区优化生态环境提供决策依据,以贵州省沿河县为例,以Landsat遥感影像、1∶5000地形图、岩性和石漠化为基础数据,采用监督分类方法、表面分析和栅格计算,提取出土壤侵蚀的各项指标因子。对不同岩性背景下土壤侵蚀与石漠化关联性分析,结果显示:(1)沿河县石漠化面积为284.44 km2,占全县国土面积的11.52%。已发生石漠化等级以轻度、中度、强度较显著;土壤侵蚀面积为1838.97 km2,占全县总面积的74.48%,已经发生土壤侵蚀等级以轻度、中度、强度侵蚀为主。(2)灰岩与碎屑岩互层和连续性白云中,石漠化与土壤侵蚀发生面积较显著,分别占石漠化与土壤侵蚀面积的57.99%和50.45%。(3)非碳酸盐岩、灰岩夹碎屑岩、灰岩与白云岩混合、灰岩与碎屑岩互层、连续性白云岩和石灰岩上,石漠化等级与土壤侵蚀程度在潜在和轻度呈负相关、轻度和中度石漠化内呈正相关、中度和极重度石漠化内呈负相关,土壤侵蚀等级与石漠化在微度和轻度侵蚀内呈正相关,在轻度和剧烈侵蚀内呈负相关,其中灰岩与白云岩混合和连续性白云岩上,石漠化等级与土壤侵蚀存在单一的负相关。

典型小流域喀斯特石漠化演变特征及其关键表征因子与驱动因素

中国西南喀斯特区域土地石漠化生态灾难已经严重制约了经济和社会的发展,而对石漠化进行治理,其空间分布信息的准确提取是必不可少的。针对现有石漠化信息提取技术存在不可能发生喀斯特石漠化(Impossible to develop karst rocky desertification,IKRD)范围提取不准确,关于石漠化的时空演变分析较少及其驱动因子、表征因子繁杂等问题,本文以典型喀斯特流域后寨河流域为研究对象,基于高精度影像识别提取IKRD范围,利用植被覆盖度、岩石裸露率对研究区域准确提取石漠化信息,揭示该区域不同石漠化等级的时空演变规律,同时探明石漠化分布与地表反照率、坡度的相关性。研究结果表明:(1)2005年至2010年后寨河流域石漠化程度整体在恶化,在后寨河流域西南部分和中部极少区域石漠化程度有所减轻,其余区域基本未发生变化,而在2010年至2015年后寨河流域石漠化程度大部分区域都呈减轻状态,而且石漠化程度减轻强度较大,在南侧大部分区域石漠化程度都呈减轻状态,且强度较大。(2)2005年至2010年后寨河流域石漠化程度减轻、未发生变化以及加重的面积分别为4.23 km^2、25.736 km^2、20.81 km^2,各部分面积占比分别为8.3%、 50.7%、41%。(3)2010年至2015年后寨河流域石漠化程度减轻、未发生变化以及加重的面积分别为31.87 km^2、16.57 km^2、6.85 km^2,各部分面积占比分别为57.6%、30%、 12.4%。(4)石漠化区域的坡度、地表反照率主要集中在2°-22°、0.12-0.21之间,而且随着坡度值的增加,潜在石漠化、重度石漠化面积占比增高,轻度石漠化和中度石漠化面积占比降低,随着地表反照率增加潜在石漠化、轻度石漠化面积占比增高,重度石漠化面积占比降低。综上所述,在2005年至2015年间,后寨河流域石漠化演变因贵州省2008年至2010年开始实施退耕还林还草等石漠化综合治理工程而呈现先恶化,后减轻的状态,同时通过对该区域石漠化分布与地表反照率、坡度的相关分析发现,地表反照率和坡度可以作为石漠化研究的辅助表征因子和驱动因子。