盧 濤，張 軍，胡文英①

(1.云南師范大學地理學部，云南 昆明 650500；2.云南省高校資源與環(huán)境遙感重點實驗室，云南 昆明 650500；3.云南大學地球科學學院，云南 昆明 650504)

石漠化作為中國西南喀斯特地區(qū)社會經濟與生態(tài)環(huán)境因素交織所致的難題，常造成地表干旱、水土流失以及基巖大面積裸露，最終導致耕地資源銳減和土地利用價值喪失[1-2]。曲靖市地處云貴高原、珠江源頭，生態(tài)區(qū)位特殊，喀斯特石漠化的廣泛發(fā)育，不但削弱了珠江上游的水源涵養(yǎng)能力，嚴重阻礙曲靖市生態(tài)文明建設和經濟發(fā)展進程，而且對珠江流域下游生態(tài)安全構成了潛在威脅。因此，重視并準確掌握石漠化的時空演化規(guī)律，揭示其驅動因素，已成為石漠化綜合治理以及喀斯特生態(tài)環(huán)境恢復的重要前提。為了實現(xiàn)石漠化監(jiān)測及演化機理的探索，前人取得了重要研究成果：白曉永[3]利用貴州省1986—2000年3期石漠化數(shù)據(jù)，利用空間變換和數(shù)學模型評價石漠化的時空演變過程；習慧鵬等[4]利用多源數(shù)據(jù)反演了1990—2015年4期石漠化空間分布信息并討論了其時空演變特征；姚永慧等[5]探討了關嶺縣2010和2015年的石漠化時空演變狀況，并分析了人類活動影響因素?？梢钥闯觯擃愌芯恐饕捎谩半p時序”分析方法進行2～4個時相之間的簡單對比，未能長時段追蹤石漠化在時空上的演化過程[5]，所取得的研究成果和經驗方法對已開展了20余年的石漠化治理指導意義不足[6]。為了有效實現(xiàn)石漠化防治結合，從其驅動機制上探索治理措施，很多學者開展了石漠化驅動因素研究。宋同清等[7]以定性分析的方法描述了影響石漠化發(fā)育演化的因素；YANG等[8]以景觀變化分析結合富余分析的方法對河池市石漠化驅動因素進行了研究；LI等[9]利用空間分析和疊加分析方法分析了后寨河流域石漠化的影響因素；LIU等[10]、張殿發(fā)等[11]通過定性描述分析了影響石漠化發(fā)生發(fā)展的人為因素和自然因素。上述對石漠化的影響因素研究取得了一定的成果，但前人所使用的相關分析和疊加分析等方法未能定量刻畫影響石漠化發(fā)育演化的因子作用程度，也不能揭示各驅動因子相互作用的空間異質性以及因子間可能具有的協(xié)同或拮抗作用，從而很難厘清石漠化發(fā)生發(fā)展的驅動機制。此外，不同時期的人類活動與自然環(huán)境狀況等對石漠化的影響程度存在顯著差異[12]，而以往許多研究都是基于綜合治理工程實施后的有限時間跨度，無法量化綜合治理工程實施前后的石漠化變化，因此可能無法揭示變化的實際驅動因素[13]。迫切需要開展喀斯特石漠化驅動因素在長時間線上演變情況的定量研究，從而實現(xiàn)石漠化發(fā)育演化的綜合防范和針對性治理。

因此，以Landsat TM/OLI遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，綜合選取自然因素與人文因素中可能影響石漠化發(fā)育演化的因子，定量揭示1987—2020年曲靖市石漠化時空演變規(guī)律及其驅動機制，對于喀斯特生態(tài)系統(tǒng)恢復以及指導石漠化綜合防治具有重要意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

曲靖市位于云南省東部、長江與珠江兩大水系上游分水嶺地帶(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置

曲靖市屬亞熱帶高原季風氣候區(qū)，受低緯度和中等海拔的影響，具有南亞熱帶到北溫帶6種氣候類型，同時地處云貴高原，山高谷深，地貌以高原山地為主，喀斯特地貌廣泛發(fā)育，為石漠化的發(fā)育提供了豐富的物質基礎。研究所選遙感影像分別為1987—2011年的TM數(shù)據(jù)以及2014—2020年的OLI數(shù)據(jù)，共60景，主要集中于植被覆蓋較少的1—4月和11—12月。DEM、氣象數(shù)據(jù)以及社會經濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)來源與處理方式見表1。

表1 數(shù)據(jù)源與預處理

2 研究方法

2.1 石漠化信息提取

基巖裸露為石漠化最直接的表現(xiàn), 進行基巖裸露信息的提取是石漠化信息提取的首要前提。利用歸一化祼巖指數(shù)(NDRI，INDR)，根據(jù)像元二分模型進行基巖裸露率計算[14]，其計算公式為

(1)

(2)

式(1)～(2)中，RSWI和RNI分別為短波紅外波段和近紅外波段的像元值；INDR,0和INDRI,r分別為非裸巖和裸巖的像元值。在參考前人研究基礎上，選取累計頻率為5%和95%的像元值，分別作為INDR,0與INDR,r，最終得到1987—2002年曲靖市裸巖時空分布數(shù)據(jù)。

植被覆蓋度是巖溶石漠化程度評價的重要指標之一。采用增強植被指數(shù)(EVI，IEV)及像元二分模型估算植被覆蓋度(Fc)，其計算公式為

(3)

(4)

式(3)～(4)中，ρBlue為藍波段的反射率；ρNIR和ρRed分別為近紅外波段和紅外波段的反射率；IEV,veg和IEV,soil分別為純植被和裸土的像元值。選取累計頻率為5%和95%的像元值，分別作為IEV,soil和IEV,veg估算值，得到1987—2020年曲靖市植被覆蓋度時空分布數(shù)據(jù)。

坡度起伏直接影響著土層厚度和徑流沖刷的速度和強度。坡度越大，地表物質越不穩(wěn)定,越易使基巖裸露而形成石漠化。因此,坡度常被作為石漠化程度的評價指標?；谇叭搜芯縖15-16]，結合研究區(qū)實際情況，并參考《云南省巖溶地區(qū)第二次石漠化監(jiān)測實施細則》的分類標準，建立曲靖市石漠化等級表(表2)，基于CART算法決策樹得到曲靖市石漠化時空分布圖。采取人機交互解譯結合Google Earth高清影像,共采集各等級石漠化樣本646個，進行精度評價，總體精度為82.50%，Kappa系數(shù)為0.771。

2.2 石漠化時空演化特征分析

為定量刻畫曲靖市各等級石漠化的變化幅度與速度，根據(jù)土地利用動態(tài)度原理及公式[17]，引入單一石漠化類型動態(tài)度以及綜合石漠化動態(tài)度2種指標，定量揭示不同等級石漠化和綜合石漠化的演變速率。

表2 石漠化等級劃分及判讀標志

2.3 地理探測器

地理探測器通過判別因變量與自變量的空間分層異質性以揭示因變量X對自變量Y的影響力，大小用q值表征[18]，既可以探測數(shù)值型數(shù)據(jù)，也可以探測定性數(shù)據(jù)，其模型表達式為

(5)

式(5)中，L為石漠化分布(Y)或驅動因子(X)的分層數(shù)；Nh和N分別為層h和全區(qū)的單元數(shù)；σh2和σ2分別為層h和全區(qū)Y值的方差。q∈[0，1]，其值越接近于1, 表示X對Y的解釋力越強，反之則越弱。 喀斯特石漠化的發(fā)育演化過程受地形、植被、氣候等自然環(huán)境與人口、耕地、GDP等社會經濟因素的綜合影響，因此，在前人研究[19]基礎上，根據(jù)喀斯特石漠化的發(fā)育演化特征，分別從社會經濟、自然環(huán)境等方面，選擇可能影響石漠化發(fā)育演化的相關因子作為自變量X(表3)，石漠化斑塊面積作為因變量Y。其中自變量為數(shù)值量，而地理探測器要求自變量為類型量，因此需要進行離散化處理。在ArcGIS軟件中采用Jenks自然間斷分層法，對12個因子分別重分類得到類型量。為保證數(shù)據(jù)精度，創(chuàng)建2 km×2 km格網，將石漠化斑塊提取至格網，最終得到13 422個采樣點數(shù)據(jù)并導入地理探測器模型，對各因子進行逐年探測分析。

表3 各驅動因子及分層方案

交互式探測器用于識別評估因子間共同作用時是否會增加或減弱對因變量Y的解釋力，其交互作用方向和方式如下：q(X1∩X2) max[q(Xl),q(X2)]，雙因子增強；q(X1∩X2)=q(X1)+q(X2)，獨立；q(X1∩X2)>q(Xl)+q(X2)，非線性增強。

風險探測器可用于判斷2個子區(qū)域間的屬性均值是否有顯著差別，用t統(tǒng)計量檢驗。生態(tài)探測可用于比較不同因子對因變量空間分布的影響是否有顯著差異，用F統(tǒng)計量衡量。

3 結果與分析

3.1 曲靖市喀斯特石漠化時空演化特征分析

曲靖市石漠化在空間分布上呈現(xiàn)出以下特征：石漠化面積大，分布范圍廣，主要以集中連片狀態(tài)分布于峰叢洼地、峰叢鞍部、丘陵以及干熱河谷地帶。極度和重度石漠化主要分布在富源縣、羅平縣、師宗縣及陸良縣，尤其是縣與縣的交界處石漠化較為嚴重。雖然總體演變趨勢好轉，但局部在惡化，潛在和輕度石漠化區(qū)域面積仍占很大比例(圖2)。這是由于潛在和輕度石漠化極不穩(wěn)定，尤其是潛在石漠化，極易發(fā)生轉化。

為進一步刻畫曲靖市石漠化時空演化速率，統(tǒng)計得到1987—2020年曲靖市各等級石漠化演變速率(表4)。由表4可知，不同程度石漠化類型具有不同的變化幅度，其中尤以潛在及輕度石漠化變化幅度最大，極不穩(wěn)定。1987—2005年間，潛在石漠化總體變化率增大，而2005—2020年間，潛在石漠化變化率減小，面積增加幅度大于減少幅度，說明潛在石漠化從之前的恢復狀態(tài)轉變?yōu)閻夯癄顟B(tài)。而輕度、中度、重度和極度石漠化總體增幅小于總體減少趨勢，總體變化率也較小，說明石漠化現(xiàn)象在逐漸改善。

由表4還可知，1987—2008年間，總石漠化面積減幅較小，重度石漠化和極度石漠化面積減幅最小，其占比分別從0.98%和0.35%減少到0.96%和0.34%，而潛在石漠化和輕度石漠化面積變化較為反復，增幅和減幅動態(tài)變化較大，其占比分別從8.56%和9.71%減少到8.54%和9.58%。2008—2020年間，由于石漠化綜合治理工程的大力實施，不同程度石漠化均出現(xiàn)了一定幅度的好轉。1987—2020年，曲靖市石漠化演變過程極為復雜和劇烈，整體上經歷了由惡化到好轉的階段，這與曲靖市實施退耕還林(草)、小流域綜合治理等生態(tài)環(huán)境治理工程有必然關系。

圖2 1978—2020年曲靖市石漠化時空分布

表4 1987—2020 年曲靖市各等級石漠化區(qū)域面積變化率

石漠化綜合動態(tài)變化率可衡量石漠化的總體變化幅度和趨勢，對石漠化時空分布數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，結果見表5。1987—2005年，綜合石漠化變化率呈先增大后減小的趨勢，石漠化面積逐漸減少。2005—2020年，綜合石漠化變化率呈先減小后增大再減小的趨勢。曲靖市實施封山育林、退耕還林(草)以及坡改梯等工程措施，改變了傳統(tǒng)的土地利用方式，對石漠化的恢復治理起了關鍵作用。綜上所述，從綜合石漠化動態(tài)度變化來看，總石漠化面積雖偶有增長，但整體上隨著生態(tài)治理工程的不斷實施及治理力度的加大，石漠化面積不斷減少。

表5 1987—2020年曲靖市石漠化綜合動態(tài)變化率

3.2 曲靖市喀斯特石漠化時空轉移變化分析

為定量揭示不同程度石漠化轉換方向和規(guī)模，通過統(tǒng)計分析得到曲靖市1987—2020年石漠化轉移矩陣(圖3)。1987—2005 年，石漠化等級轉移方向主要是由低級向更高一級方向轉移，石漠化呈加劇趨勢。1993—1996年，潛在石漠化向中度石漠化轉移408.66 hm2，大于其向無石漠化或輕度石漠化轉移面積之和，另外有93.55和5.68 hm2向重度和極度石漠化轉移，石漠化程度加?。欢囟群蜆O度石漠化變化幅度較小，潛在石漠化極不穩(wěn)定，極易發(fā)生轉化。2017—2020年間，經過多年的綜合治理，對嚴重程度的石漠化治理雖然取得了一定的成就，仍然還有石漠化加重的跡象。如圖3(k)所示，分別有408.69、866.77、387.69 hm2無石漠化區(qū)域轉為潛在石漠化、輕度石漠化和中度石漠化。

3.3 曲靖市石漠化驅動因素分析

3.3.1石漠化發(fā)育演化的單一驅動因子分析

從各驅動力因子逐年探測結果(表6)來看，1987—2005年，影響曲靖市石漠化演化的主要驅動因子為農業(yè)總產值、總人口和耕地面積，其解釋力q值均在0.20～0.28范圍內波動。曲靖市作為農業(yè)型城市，農業(yè)人口多，對土地資源依賴性強，頻繁、不合理的農耕方式加劇了該時段石漠化的惡化，因此農業(yè)總產值、總人口和耕地面積成為該時段的主導驅動因子。距居民點距離(q值為0.149～0.182)、人口密度(0.096～0.149)、坡度(0.138～0.159)、距公路距離(0.049～0.069)、年均氣溫(0.024～0.045)、高程(0.08～0.113)在該時段對石漠化的影響程度較弱，成為該時期的次要驅動因子。

2005—2020年，年均降水量、距公路距離、年均氣溫對石漠化演化的解釋力年際變化差異較大。其中，降水量的q值在2011年(0.215)和2014年(0.217)較高，距公路距離的q值在2017年(0.203)和2014年(0.151)較高。人口密度、造林面積和人均GDP的q值在逐年減小，說明其對石漠化的貢獻率逐漸減小，而其他驅動力因子q值的年際變化趨勢均較小，表明該因子不是影響石漠化發(fā)育演化的主要驅動力。農業(yè)總產值、人均GDP、耕地面積與人口密度等因子對石漠化演化的解釋力較大，說明這些因子對石漠化的發(fā)育演化有較大影響，是石漠化發(fā)生發(fā)展的主要驅動力。究其原因，一方面是由于曲靖市人口基數(shù)大、自然增長率高，已經遠超區(qū)域土地資源環(huán)境的承載力，總人口和人口密度的解釋力仍然較強；另一方面，龐大的農業(yè)人口對土地資源的迫切需求，增加了人為干擾活動的頻繁、密集和劇烈程度，從而加劇了生態(tài)環(huán)境的破壞，造成石漠化加劇。

3.3.2石漠化發(fā)育演化的驅動因子組合分析

借助地理探測器的交互式探測模塊，評價自變量因子之間的交互作用是否會增強或減弱其對因變量Y的解釋力。q值越大，表明自變量因子的交互作用比單一驅動因子對因變量Y具有更強的解釋力。由表7可知，影響石漠化發(fā)生發(fā)展的交互式驅動因子解釋力由大到小依次為：耕地面積∩坡度(0.465)、總人口∩耕地面積(0.374)、耕地面積∩人口密度(0.302)、年均降水量∩坡度(0.283)、耕地面積∩距居民點距離(0.278)。各驅動力因子的交互探測結果中，距公路距離∩海拔、距公路距離∩距居民點距離、距公路距離∩年均降水量、人口密度∩坡度、海拔∩坡度和距道路距離∩坡度呈非線性增強,其余各驅動力因子的交互作用都呈雙因子增強，大多數(shù)驅動力因子之間的交互作用比單因子具有更強的解釋力，表明石漠化是多因子交互作用的產物。

圖3 1987—2020年曲靖市各石漠化等級轉移矩陣

4 討論與結論

4.1 討論

對近30 a來曲靖市石漠化的時空演變規(guī)律分析表明，曲靖市石漠化總面積的時空動態(tài)演化十分劇烈，總體上呈現(xiàn)由惡化到逐漸好轉的趨勢。究其原因，喀斯特石漠化發(fā)育演化不僅與脆弱的喀斯特生態(tài)地質環(huán)境背景有關,更與不同時期內社會經濟發(fā)展狀況、主導政策和自然環(huán)境有關(圖4)。近30 a來，曲靖市的石漠化時空演化特征主要分為2個階段：1987—2005 年主要為石漠化惡化、喀斯特生態(tài)環(huán)境破壞階段，由于土地耕作方式效率低，缺乏生態(tài)保護意識，經濟可持續(xù)發(fā)展觀念淡薄，為喀斯特石漠化的發(fā)育演化提供了外在動力條件。此外，該時期內的旱災、水災等自然災害頻發(fā)，在自然災害頻發(fā)與人類活動密集等影響因素的雙重驅動下，石漠化惡化進程加劇。2005—2020 年主要為石漠化向良性方向發(fā)展、喀斯特生態(tài)環(huán)境恢復階段。隨著城市化以及社會經濟的快速發(fā)展，大量農村勞動力從傳統(tǒng)農業(yè)轉移到其他行業(yè)中，減緩了土地壓力。此外，石漠化綜合治理工程的大力實施，促使石漠化生態(tài)環(huán)境狀況逐漸向良性方向發(fā)展。

表6 1987—2020年曲靖市各驅動因子的解釋力q值

表7 各驅動因子交互式探測的解釋力q值

地理探測器模型能定量揭示各因子對石漠化的影響程度，這與許爾琪[20]應用 GWR模型揭示石漠化影響因子在不同空間位置的組合研究結果不同。GWR 模型將數(shù)據(jù)地理位置鑲嵌到回歸模型之中，側重不同空間內因子的影響程度，而地理探測器模型是基于以下假設：如果某個自變量對某個因變量有重要影響，那么自變量和因變量的空間分布應該具有相似性。與張信寶等[21]采用定性描述人口密度等因子及石漠化耦合關系的研究進行對比，地理探測器模型將各因子定量化，有助于厘清各驅動因子的程度大小，而定性描述無法直觀刻畫各驅動因子的影響程度。通常情況下，在縣域小尺度上，氣候因子對石漠化的影響較小；而整體上看，石漠化的空間分布存在尺度差異，這主要是由于地質地貌類型和氣溫的變異范圍較大，小尺度上變化范圍較小。而當研究區(qū)域尺度擴大時，對石漠化空間異質性解釋力較小的因子就變成大范圍內變異較小的因子[22]。如會澤縣位于金沙江流域干旱河谷地區(qū)，受氣候和地形影響較大，而師宗縣和羅平縣等地區(qū)受耕地面積和經濟狀況等因子的影響較大。同時，地理探測器模型主要基于類型量的點數(shù)據(jù)運算，對于較大尺度區(qū)域的石漠化驅動因子貢獻率計算會存在一定誤差，不同尺度的驅動因子對于石漠化發(fā)育演化的影響機理研究應考慮結合其他量化方式，以提高計算結果精度[23]。此外，由于石漠化的發(fā)育是多種因子的綜合影響過程，石漠化等級與土壤性質有明顯相關性，也與基巖性質等因素有關[24]。受限于數(shù)據(jù)的可獲得性以及筆者專業(yè)認知水平，未對巖性和土壤等因子開展研究。因此，在今后石漠化的驅動機制研究方面，考慮更加全面的驅動因子，更有利于揭示影響喀斯特石漠化的發(fā)育演化機理，有助于喀斯特石漠化綜合治理的精準施策。

圖4 近30 a來影響石漠化的主要因素時間軸

4.2 結論

(1)曲靖市有不同程度的石漠化分布，主要集中連片分布于峰叢洼地、丘陵以及河谷地帶。極度石漠化和重度石漠化主要分布在富源縣、羅平縣、師宗縣和陸良縣及其交界處，整體上呈東南部重、中部和西北部輕的宏觀格局。

(2)1987—2020年，曲靖市石漠化面積總體上不斷減少，潛在、輕度、中度、重度和極度石漠化面積占比分別從8.56%、9.71%、4.85%、0.98%、0.35%減少到8.35%、9.29%、4.32%、0.79%和0.29%，年均綜合石漠化動態(tài)變化率為0.37%，石漠化惡化趨勢得到遏制，石漠化綜合治理效果顯著。潛在、輕度和中度石漠化區(qū)域面積減幅較小，年均變化率分別為0.16%、-0.22%和-0.19%。重度和極度石漠化區(qū)域面積減幅較大，年均變化率分別為-0.56%和-0.32%。此外，潛在和輕度石漠化極不穩(wěn)定，易向高等級石漠化轉化，在今后的石漠化綜合治理過程中應重視其動態(tài)演變趨勢。

(3)近30 a來，影響曲靖市石漠化發(fā)育演化的主要單一驅動力因子為農業(yè)總產值、總人口和耕地面積。從交互作用來看，坡度∩耕地面積>耕地面積∩總人口>耕地面積∩人口密度>年均降水量∩坡度>耕地面積∩距居民點距離。表明坡度、年均降水量與距居民點距離因子通過與耕地面積、人口密度等因子的交互作用，對石漠化發(fā)育演化的解釋力增強。石漠化的發(fā)生發(fā)展過程受單一驅動因子的影響較小，受多種驅動因子交互作用的影響較大。