长江科学院院报

长江科学院院报 >

2024 , Vol. 41 >Issue 11: 75 - 81

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20230707

水土保持与生态修复

基于GEE的曲靖市喀斯特石漠化时空演变过程

  • 高伟杰 ,
  • 周斯怡 ,
  • 赵彩云 ,
  • 王妍 ,
  • 殷晓洁
展开
  • 西南林业大学 林学院,昆明 650224
殷晓洁(1984-),女,河北石家庄人,副教授,博士,主要从事石漠化生态系统变化、全球生态研究。E-mail:

高伟杰(1998-),男,山西运城人,硕士研究生,主要从事石漠化生态变化研究。 E-mail:

Copy editor: 罗玉兰

收稿日期: 2023-06-07

  修回日期: 2023-10-02

  网络出版日期: 2024-01-10

基金资助

国家自然科学基金项目(31700467)

西南林业大学博士科研启动基金项目(112003)

收起

Spatio-temporal Evolution of Karst Rocky Desertification in Qujing City Based on Google Earth Engine

  • GAO Wei-jie ,
  • ZHOU Si-yi ,
  • ZHAO Cai-yun ,
  • WANG Yan ,
  • YIN Xiao-jie
Expand
  • College of Forestry, Southwest Forestry University, Kunming 650224,China

Received date: 2023-06-07

  Revised date: 2023-10-02

  Online published: 2024-01-10

Fold

摘要

曲靖市位于长江上游和珠江源头,具有重要的生态区位,探究该地区长时间序列的石漠化变化动态与演变过程具有重要意义。基于Landsat5、Landsat8、DEM等数据,通过GEE云平台和决策树分类法获得1990—2020年的曲靖市石漠化分布,分析其石漠化时空变化特征和演变过程。结果表明:①曲靖市整体石漠化以潜在石漠化、无石漠化为主;31 a间曲靖市已石漠化面积减少1 728.38 km2,无石漠化面积增加1 936.61 km2,石漠化整体得到明显改善。②1990—2020年,曲靖市石漠化的总体变化速率是-57.61 km2/a,随石漠化加剧变化速率呈下降趋势;变化频率排序依次为极强度石漠化>强度石漠化>中度石漠化>轻度石漠化>无石漠化>潜在石漠化。③31 a间,曲靖市石漠化演变方向以不变型居多,面积达7 967.67 km2,占比61.39%;反映石漠化程度好转的持续好转型和波动好转型总面积达3 197.03 km2,占比24.63%;而表示石漠化程度加剧的恶化型面积最少,为558.52 km2,占比4.3%,表明研究区石漠化状况总体呈现好转趋势。

关键词： 岩溶石漠化; GEE; 演变轨迹; 曲靖市

本文引用格式

高伟杰 , 周斯怡 , 赵彩云 , 王妍 , 殷晓洁 . 基于GEE的曲靖市喀斯特石漠化时空演变过程[J]. 长江科学院院报, 2024 , 41(11) : 75 -81 . DOI: 10.11988/ckyyb.20230707

Abstract

Qujing City is located in the upper reaches of the Yangtze River and the source of the Pearl River holding an important ecological position. Exploring the dynamics and evolutionary process of rocky desertification over a long time series in this area is of great significance. In this study, using Landsat5, Landsat8, DEM, etc., we obtained the rocky desertification distribution from 1990 to 2020 through the Google Earth Engine(GEE) cloud platform and decision tree classification, and analyzed the spatial and temporal change characteristics and evolution process of the rocky desertification. The results show that: 1) the overall rocky desertification in Qujing City was primarily characterized potentially rocky and no rocky desertification; in 31 years, the rocky desertification area in Qujing City decreased by 1 728.38 km2, while the no rocky desertification area increased by 1 936.61 km2, and the overall rocky desertification was significantly improved.(2) From 1990 to 2020, the overall change rate of rocky desertification in Qujing City was -57.61 km2/a, and the change rate decreasd as the intensity of rocky desertification aggravated: extreme intensity > intensity > moderate > mild > no > potential desertification. (3)Over 31 years, the pattern of rocky desertification evolution in Qujing City remained mostly unchanged, covering an area of 7 967.67 km2, accounting for 61.39%. Continuous and fluctuating transformations, reflecting improvements in rocky desertification, covered an area of 3 197.03 km2, or 24.63%. The area of deterioration was 558.52 km2, accounting for 4.3%. The results indicate a general improvement in rocky desertification in the study area.

Key words： karst rocky desertification; GEE; evolution track; Qujing City

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

中国西南地区的石漠化是中国荒漠化的主要类型,也是中国三大生态问题之一。我国共有344万km2的喀斯特面积(包括裸露、埋藏、覆盖),西南地区裸露型喀斯特面积高达54万km2,是全球三大连续裸露分布区之一[1]。喀斯特区是石漠化发生发展的基础,我国西南地区也成为了全球石漠化严重地之一[2]。对此,我国在2001年把西南地区石漠化综合治理列为国家目标。十九届三中全会指出,我国到了有条件有能力解决环境突出问题的窗口期,必须科学推进荒漠化、石漠化、水土流失综合整治,抓紧补齐生态系统的短板[3]。
石漠化问题是当今一大紧急议题,很多学者也因地制宜地对石漠化治理提出了很多建设性的措施[4]。在石漠化的动态监测中,多采用双时序遥感监测的方法,该方法能简单了解整体石漠化变化情况,但无法定位具体变化地点,存在很大的弊端[5-6]。因此本文采用时序轨迹分析的方法,定量、定位地追踪每一空间位置上的石漠化变化情况,研究石漠化内部具体的演变过程[7-8]。通过Google Earth Engine(GEE)云平台进行研究区石漠化等级划分,并利用遥感监测技术对云南曲靖区域性石漠化状况进行时间序列的演变过程分析,以期为研究区的政府决策提供依据,为石漠化治理提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

曲靖市位于云南省东部偏北,地处云南、贵州、广西三省区交界处,东临贵州省、广西省,南接文山壮族苗族自治州、红河哈尼族彝族自治州,西连昆明市,北临昭通市、贵州省。地理位置为103°03'44″E—104°50'36″E,24°21'00″N—27°03'24″N,国土总面积约为2.89万km2。曲靖市地处乌蒙山脉,西连滇中高原湖盆地,东接贵州高原,中部为长江、珠江水系,地势西北高、东南低,为典型发育的喀斯特地貌。截至全国第三次石漠化监测,曲靖市仍有42.67万hm2的石漠化土地[9],石漠化状况仍不容乐观。

1.2 数据与方法

1.2.1 数据收集与处理

石漠化解译所需的遥感影像数据包括Landsat卫星数据、SRTM的数字高程模型数据,来源于美国地质调查局(United States Geological Survey,USGS)。GEE云平台通过在线编写代码直接调用遥感数据,并进行Landsat数据的去云处理、影像镶嵌、研究区裁剪等预处理。本研究进行1990—2020年曲靖市石漠化变化监测,以5 a为间隔均匀选择,在实际操作过程中,去云处理后某些年份的研究区影像存在部分缺失,因此最终确定的研究时期为1990年、1995年、2000年、2006年、2011年、2016年、2020年。
其他数据包括曲靖市矢量边界、云南省地质图数据。曲靖市矢量边界来自全国地理信息资源目录服务系统(https://www.webmap.cn/main.do?method=index)。云南省地质图来自中国科学院地球化学研究所(http://www.gyig.cas.cn/)的喀斯特数据中心。

1.2.2 石漠化信息提取

参考姚永慧等[10]、习慧鹏等[11]和李阳兵等[12]的研究及生态环境标准,结合研究区实际情况,选择了植被覆盖度、岩石裸露率、坡度作为石漠化等级划分的指标。在GEE中计算得到归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)、归一化岩石指数(Normalized Difference Rock Index,NDRI),进一步通过像元二分模型分别计算植被覆盖度、岩石裸露率。坡度用slope从数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)数据中提取,并采用决策树分类法进行石漠化等级划分,决策树分类法属于非参数分类法,对于空间特征敏感、计算效率高,在遥感影像分类中有着广泛应用[13],划分依据见表1。通过云南省地质图剔除非喀斯特地区,得到研究区石漠化分布图。
表1 石漠化等级划分标准

Table 1 Standards for classifying rocky desertification

石漠化等级 植被覆盖度 岩石裸露率 坡度/(°)
无石漠化 [0.8,1.0] [0,0.2) [0,5)
潜在石漠化 [0.7,0.8) [0.2,0.3) [5,8)
轻度石漠化 [0.5,0.7) [0.3,0.5) [8,15)
中度石漠化 [0.3,0.5) [0.5,0.7) [15,25)
强度石漠化 [0.1,0.3) [0.7,0.9) [25,35)
极强度石漠化 [0,0.1) [0.9,1.0] [35,90]

1.2.3 植被覆盖度估算

归一化植被指数(NDVI)作为应用最为广泛的植被指数,能够很好地反映土地上的植被覆盖状况,广泛应用于石漠化的分级研究。计算公式为
N D V I = ( N I R - R E D ) / ( N I R + R E D ) 　 。
式中:NIR和RED分别为TM、OLI数据的近红外和红外波段的反射率。
根据像元二分模型,植被覆盖度(Fractional Vegetation Cover,FVC)的计算公式为
F V C = N V D I - N D V I v e g / N D V I v e g - N D V I s o i l 。
式中:NDVIveg为完全被植被覆盖区域的NDVI值;NDVIsoil为裸土或完全没有植被覆盖区域的NDVI值。

1.2.4 岩石裸露率估算

岩石出露是石漠化最直接的外在表现,而归一化岩石指数(NDRI)对裸露的岩石较为敏感,能较好地反映区域内的岩石裸露情况。计算公式为
N D R I = ( S W I R 2 - N I R ) / ( S W I R 2 + N I R ) 　 。
式中SWIR2为TM、OLI数据的短波红外2波段的反射率。
根据像元二分模型,岩石裸露率Fr的计算公式为
F r = ( N D R I - N D R I r o c k ) / ( N D R I r o c k - N D R I n o ) 　 。
式中:NDRIrock为岩石完全裸露区域的NDRI值;NDRIno为完全没有岩石裸露区域的NDRI值。
考虑到影像噪声的影响,本研究分别选取累计频率95%和5%的NDVI和NDRI值为最大值和最小值。

1.2.5 石漠化的变化速率和变化频率

研究区石漠化变化特征即石漠化变化速率和变化频率分别采用式(5)和式(6)进行分析计算。
V = Δ S i / T 　 。
式中:V为与T时段对应的研究区石漠化变化速率(km2/a);ΔSi为监测时段内某种石漠化类型的变化面积(km2);T为时间段(a)。
f = ( Δ S i / S i ) T - 1 × 100 % = V / S i × 100 % 　 。
式中:f为研究区石漠化变化频率(%/a);Si为监测初期某个石漠化等级的面积(km2)。

1.2.6 时序轨迹分析

通过栅格叠加计算将时间序列中不同节点的栅格状态记录在变化轨迹图谱中,结合各种统计方法,对变化轨迹图谱进行空间统计分析,探讨时间序列中研究对象的时空动态变化特征[7-8]。参照闫利会等[14]、李阳兵等[15]的演变方向分类法,结合本研究石漠化随时间的演化趋势,将石漠化演变轨迹分为5种演变方向:不变型、持续好转型、波动好转型、反复型、恶化型。
为了更好地分析6个石漠化等级各自的演变轨迹,分别以6个石漠化等级为起点,统计整理其演变轨迹的面积,计算各演变轨迹面积占1990年该类石漠化总演变轨迹面积的比重,统计累计面积占比达90%的演变轨迹,整理得到曲靖市各等级石漠化的演变轨迹。

2 结果与分析

2.1 曲靖市1990—2020年石漠化总体变化分析

根据曲靖1990—2020年石漠化等级划分结果,统计1990年、1995年、2000年、2006年、2011年、2016年、2020年各等级石漠化面积并计算其面积占比,得到表2。1990—2020年曲靖市整体以潜在石漠化、无石漠化为主,已石漠化(轻度、中度、强度、极强度)面积相对较小。已石漠化面积整体减小了1 728.38 km2,无石漠化面积增加了1 936.61 km2,增加面积占比为13.53%,表明曲靖市石漠化整体得到明显改善。
表2 曲靖市1990—2020年份石漠化面积及面积占比

Table 2 Areas and proportions of rocky desertification in Qujing City from 1990 to 2020

年份 无石漠化 潜在石漠化 轻度石漠化 中度石漠化 强度石漠化 极强度石漠化
面积/km2 占比/% 面积/km2 占比/% 面积/km2 占比/% 面积/km2 占比/% 面积/km2 占比/% 面积/km2 占比/%
1990 6 565.45 45.88 2 465.12 17.23 4 052.36 28.32 1 118.83 7.82 105.74 0.74 2.26 0.02
1995 6 595.45 46.09 2 551.18 17.83 3 999.18 27.95 1 028.35 7.19 131.50 0.92 4.10 0.03
2000 6 591.89 46.07 2 395.67 16.74 3 916.08 27.37 1 218.55 8.52 179.48 1.25 8.09 0.06
2006 6 955.89 48.61 2 441.54 17.06 3 706.78 25.90 1 020.51 7.13 168.85 1.18 16.19 0.11
2011 7 162.65 50.05 2 489.04 17.39 3 601.97 25.17 918.06 6.42 128.60 0.90 9.44 0.07
2016 7 856.09 54.90 2 320.47 16.22 3 244.57 22.67 795.10 5.56 89.89 0.63 3.64 0.03
2020 8 502.06 59.41 2 256.89 15.77 2 786.29 19.47 648.71 4.53 108.39 0.76 7.42 0.05
由表2可以看出,1990—2020年,曲靖市已石漠化地区中各等级石漠化变化情况丰富,而轻度石漠化的面积占比始终>19.47%,中度石漠化面积占比在4.53%~8.52%,强度和极强度石漠化面积占比始终<1.25%,表明曲靖市石漠化主要以轻度、中度石漠化为主。
1990—2020年间,轻度石漠化面积一直呈减少趋势,减少了1 266.07 km2,面积占比降低了8.85%。中度石漠化面积呈先减少(1990—1995年)后增加(1995—2000年)再减少(2000—2020年)的波动下降趋势。强度石漠化面积为先增加后减少再增加,在2000年达到峰值。

2.2 曲靖市喀斯特石漠化的变化速率与变化频率

2.2.1 曲靖市喀斯特石漠化的变化速率

表3和图1均为曲靖市不同时间石漠化变化速率。由图1可知,1990—2020年,曲靖市石漠化的总体变化速率是-57.61 km2/a,即曲靖市石漠化总面积每年减少达57.61 km2。石漠化变化速率的大小依次为:无石漠化>轻度石漠化>中度石漠化>潜在石漠化>极强度石漠化>强度石漠化。由此可知,石漠化变化速率快慢与石漠化等级高低和面积大小相关,即石漠化等级越高、面积越小,变化速率越慢。在各等级石漠化中,变化速率最快的是无石漠化,为64.55 km2/a,即每年增加64.55 km2。在已石漠化地区,变化速率最快的是轻度石漠化,为-42.20 km2/a,即每年减少42.20 km2。而强度、极强度石漠化的变化速率分别为0.09 km2/a和0.17 km2/a,反映出强度、极强度石漠化的面积缓慢增加。
表3 曲靖市不同时间石漠化变化速率

Table 3 Change rate of rocky desertification in different periods in Qujing City

石漠化
等级		 变化速率/(km2·a-1)
1990—
1995年		 1995—
2000年		 2000—
2006年		 2006—
2011年		 2011—
2016年		 2016—
2020年
无石漠化 6.00 -0.71 60.67 41.35 138.69 161.49
潜在石漠化 17.21 -31.10 7.64 9.50 -33.71 -15.90
轻度石漠化 -10.64 -16.62 -34.88 -20.96 -71.48 -114.57
中度石漠化 -18.10 38.04 -33.01 -20.49 -24.59 -36.60
强度石漠化 5.15 9.60 -1.77 -8.05 -7.74 4.63
极强度
石漠化		 0.37 0.80 1.35 -1.35 -1.16 0.95
已石漠化 -23.21 31.81 -68.31 -50.85 -104.97 -145.60
图1 1990—2020年曲靖市石漠化变化速率

Fig.1 Change rate of rocky desertification in Qujing City from 1990 to 2020

其中,1995—2000年无石漠化地区面积的变化速率为-0.71 km2/a,说明这5 a间曲靖市石漠化缓慢加剧。其他时段无石漠化地区面积变化速率均为正值,2011—2016年、2016—2020年已石漠化变化速率分别达-104.97 km2/a和-145.60 km2/a,反映出2011—2020年曲靖市石漠化快速恢复,治理效果显著。

2.2.2 曲靖市喀斯特石漠化的变化频率

1990—2020年,曲靖市石漠化的总体变化频率为-1.09%/a,说明31 a来已石漠化地区的面积以平均每年1.09%的比例减少(图2)。变化频率绝对值的大小依次为:极强度石漠化>中度石漠化>轻度石漠化>无石漠化>潜在石漠化>强度石漠化。其中,极强度石漠化变化频率最大,为7.61%/a,表明极强度石漠化的变化较为频繁;变化频率最小的是强度石漠化,为0.08%/a。
图2 1990—2020年曲靖市石漠化变化频率

Fig.2 Change frequency of rocky desertification in Qujing City from 1990 to 2020

为了进一步探究各等级石漠化变化频率的规律,分别计算不同时期各等级石漠化的变化频率(表4)。在6个石漠化等级中,变化频率绝对值的均值由大到小依次为:极强度石漠化>强度石漠化>中度石漠化>轻度石漠化>无石漠化>潜在石漠化。
表4 曲靖市不同时间石漠化变化频率

Table 4 Change frequency of rocky desertification in different periods in Qujing City

石漠化
等级		 变化频率/(%·a-1)
1990—
1995年		 1995—
2000年		 2000—
2006年		 2006—
2011年		 2011—
2016年		 2016—
2020年
无石漠化 0.09 -0.01 0.92 0.59 1.94 2.06
潜在石漠化 0.70 -1.22 0.32 0.39 -1.35 -0.68
轻度石漠化 -0.26 -0.42 -0.89 -0.57 -1.98 -3.53
中度石漠化 -1.62 3.70 -2.71 -2.01 -2.68 -4.60
强度石漠化 4.87 7.30 -0.99 -4.77 -6.02 5.15
极强度
石漠化		 16.28 19.46 16.69 -8.34 -12.29 25.96
已石漠化 -0.44 0.62 -1.28 -1.04 -2.25 -3.52
在1990—2020年的各时期,无石漠化、潜在石漠化、轻度石漠化和中度石漠化的变化频率绝对值均<5%/a,说明曲靖市石漠化总体较为稳定。强度石漠化有3个时期的变化频率绝对值>5%/a,说明强度石漠化地区变化频率较高,年均变化次数较多。极强度石漠化有5个时期的变化频率绝对值>10%,说明极强度石漠化变化频率很高,年均变化次数极多,十分不稳定。

2.3 曲靖市石漠化演变过程分析

由1990—2020年石漠化变化结果(表2)可知,曲靖市石漠化状况在1990年、1995年、2000年、2020年呈现先好转后恶化趋势,因此选取这4个时间节点进行石漠化演变轨迹、演变方向的分析。

2.3.1 曲靖市石漠化演变轨迹

石漠化演变轨迹涉及6个石漠化等级,1990年、1995年、2000年、2020年4个年份,理论上会出现64条演变轨迹。实际研究中共出现了1 122条演变轨迹。分别统计各演变轨迹的面积,并计算各自占曲靖市喀斯特面积的比重,整理得到1990—2020年石漠化演变轨迹(表5)。
表5 1990—2020年石漠化演变轨迹

Table 5 Evolution track of rocky desertification from 1990 to 2020

序号 演变轨迹 面积/km2 占比/%
1 无-无-无-无 5 002.88 34.96
2 轻-轻-轻-轻 1 545.27 10.80
3 潜在-潜在-潜在-潜在 1 186.81 8.29
4 轻-轻-轻-无 551.77 3.86
5 潜在-潜在-潜在-无 284.41 1.99
6 轻-轻-轻-潜在 247.36 1.73
7 中-中-中-中 213.18 1.49
8 无-轻-无-无 199.28 1.39
9 轻-无-无-无 187.47 1.31
10 无-潜在-无-无 179.92 1.26
11 潜在-无-无-无 149.57 1.05
12 轻-轻-无-无 138.43 0.97
13 轻-无-轻-无 135.04 0.94
14 中-中-中-轻 120.64 0.84
15 无-无-轻-无 120.06 0.84
16 无-无-潜在-无 112.36 0.79
17 无-无-无-潜在 101.68 0.71
18 无-轻-轻-无 96.38 0.67
19 潜在-潜在-无-无 88.12 0.62
20 轻-无-轻-轻 87.33 0.61
21 无-轻-轻-轻 86.45 0.60
22 轻-轻-潜在-无 80.36 0.56
23 轻-潜在-轻-无 79.09 0.55
24 轻-中-中-中 71.51 0.50
25 无-无-无-轻 71.49 0.50
26 轻-潜在-轻-轻 68.25 0.48
27 中-中-中-无 68.23 0.48
28 潜在-轻-轻-轻- 68.15 0.48
29 无-潜在-潜在-无 67.92 0.47
30 潜在-无-潜在-无 61.99 0.43
由表5可知,曲靖市喀斯特面积累计占比超过80%的演变轨迹共30条,主要是“无-无-无-无”“轻-轻-轻-轻”、“潜在-潜在-潜在-潜在”,说明曲靖市石漠化变化较少,整体石漠化状况较为稳定。其他演变轨迹共1 092条,面积累计为2 838.36 km2,累计占比19.83%。30条演变轨迹中涉及无石漠化、潜在石漠化、轻度石漠化、中度石漠化,却没有出现强度石漠化、极强度石漠化,这是由于曲靖市的强度、极强度石漠化地区面积少,无法在整体演变轨迹中明显识别出来。
无石漠化共189条演变轨迹,累计面积占比>90%的有9条,主要是“无-无-无-无”,表明无石漠化地区较为稳定,未出现明显的石漠化加重。潜在石漠化共180条,累计面积占比超过90%的有18条,主要是“潜在-潜在-潜在-潜在”“潜在-潜在-潜在-无”“潜在-无-无-无”,潜在石漠化主要转换为无石漠化,少量演变为轻度石漠化,表明潜在石漠化地区整体较稳定,存在部分好转、偶有加重的状况。
轻度石漠化共205条演变轨迹,累计面积占比超过90%的有24条,主要是“轻-轻-轻-轻”“轻-轻-轻-无”“轻-轻-轻-潜在”“轻-无-无-无”。中度石漠化共204条演变轨迹,累计面积占比超过90%的有39条,“中-中-中-中”“中-中-中-轻”“中-中-中-无”是重要演变轨迹,表明轻度石漠化地区整体好转,偶有石漠化加重。强度石漠化共199条演变轨迹,累计面积占比超过90%的有53条,“强-强-强-强”“强-强-强-中”是重要演变轨迹,说明了曲靖市强度石漠化的易变性。极强度石漠化共145条演变轨迹,累计面积占比超过90%的有48条,“极强-极强-极强-极强”“极强-强-极强-极强”“极强-强-极强-强”“极强-强-强-强”“极强-强-强-极强”“极强-极强-极强-强”是重要演变轨迹。除了“极强-极强-极强-极强”外,极强度石漠化还演变为强度、中度、轻度、潜在、无石漠化,说明了曲靖市极强度石漠化的易变性。

2.3.2 石漠化演变方向

整理1990—2020年石漠化演变轨迹,按面积排序,选取各石漠化等级下累计面积占比达90%的演变轨迹,共191条。剩余931条面积占比小的演变轨迹不作分析。由曲靖市石漠化演变方向(图3、表6)可知,曲靖市石漠化的演变方向的面积排序为:不变型>持续好转型>反复型>波动好转型>恶化型。其中,不变型最多,面积达7 967.67 km2,占比61.39%,主要位于曲靖市中部。反映石漠化程度好转的持续好转型和波动好转型总面积达3 197.03 km2,占比24.63%,主要位于曲靖市东部。而反复型和恶化型面积分别为1 255.25 km2和558.52 km2,分别占比为9.67%和4.3%,主要位于曲靖市西北部和东南部。结果表明31 a来,研究区石漠化状况总体呈现好转趋势。
图3 1990—2020年曲靖市石漠化演变方向

Fig.3 Change patterns of rocky desertification in Qujing City from 1990 to 2020

表6 曲靖市1990—2020年石漠化演变方向

Table 6 Change patterns of rocky desertification in Qujing City from 1990 to 2020

石漠化
等级		 不变型 持续好转型 波动好转型 反复型 恶化型
演变轨
迹数量/
条		 占1990年的
面积占
比/ %		 演变轨
迹数量/
条		 占1990年的
面积占
比/ %		 演变轨
迹数量/
条		 占1990年的
面积占
比/ %		 演变轨
迹数量/
条		 占1990年的
面积占
比/ %		 演变轨
迹数量/
条		 占1990年的
面积占
比/ %
无石漠化 1 76.20 5 10.79 3 3.96
潜在石漠化 1 48.14 4 22.93 4 8.74 4 5.06 4 5.34
轻度石漠化 1 38.13 7 31.81 7 9.56 6 7.89 3 3.29
中度石漠化 1 19.05 14 41.18 13 18.98 8 8.35 3 2.77
强度石漠化 1 18.04 25 39.86 16 21.38 7 8.56 4 2.36
极强度石漠化 1 19.91 27 32.24 15 16.33 5 21.68
总面积/ km2 7 967.67 2 358.06 838.97 1 255.25 558.52
从演变轨迹的数量上来看,持续好转型>波动好转型>反复型>恶化型>不变型。其中,潜在石漠化各演变方向的轨迹数量总体较为平均,但不变型和持续好转型的面积占比较大,反复型和恶化型面积较少,说明潜在石漠化整体呈好转趋势。轻度、中度、强度石漠化的持续好转型、波动好转型演变轨迹较多,所占面积也较多,说明轻度、中度、强度石漠化地区整体得到改善。不同演变方向下,极强度石漠化的演变轨迹数量相差较大,但面积占比相差不大,持续好转型和波动好转型的面积占比共48.57%,不变型和反复型的面积占比共41.59%,反映出极强度石漠化地区恢复具有一定难度。

3 讨论

本文借助GEE云平台对1990—2020年曲靖市的喀斯特石漠化进行分级,把每年的全年度影像进行整合,避免了数据选取1 a的部分时期,导致植被覆盖度偏小的问题,进而从整体到内部对石漠化的时空变化进行分析研究。
从生态稳定性来看,石漠化的最高、最低等级的生态最稳定,中间等级的石漠化较不稳定,白晓永等[16]和张蕊娇等[17]的研究结果也多与此规律相符。但在本文的研究中,极强度、强度石漠化均变化十分频繁,远远大于无石漠化的变化频率,与以往研究结果的规律不同。为探究本结果的真实可靠程度,利用本文的变化频率计算公式,通过对曲靖市第一次、第二次、第三次石漠化监测数据[18]的计算,得到不同年份各等级石漠化的变化频率,结果与本研究石漠化变化频率的规律基本相同,极强度、强度石漠化的变化频率最高。这可能是因为曲靖市各县(市)根据不同的立地条件,采取了不同的生态环境治理方法,尤其重视石漠化严重地区的生态恢复治理。
在石漠化的变化监测中,过去的研究多比较2个时间间隔内的石漠化整体变化,但此法属于静态的变化描述,割裂了时间段内的动态变化过程,无法探测具体的中间过程。本文引进了多用于土地利用方面的轨迹分析方法,更客观地呈现了石漠化的连续性动态变化过程,不仅可以了解石漠化的最终变化结果,而且能明确某个地点上的变化规律,真正做到了把变化情况与变化位置相结合,最终得到曲靖市石漠化的演变轨迹共1 122条。
本文的研究结果表明,GEE云平台对大尺度、长时间序列的变化监测研究有着巨大的优势。利用GEE云平台遥感监测技术对云南曲靖区域性石漠化状况进行监测调查研究具有一定的可行性与必要性。应该借助GEE云平台更好助力以后的研究。在未来石漠化的变化监测中,应加强石漠化演变轨迹、方向的研究,明确石漠化在每个时期的动态变化。

4 结论

本研究以云南省曲靖市为研究区,基于Landsat5、Landsat8、DEM数据,利用GEE云平台分别提取1990年、1995年、2000年、2006年、2011年、2016年、2020年的植被覆盖度、岩石裸露率和坡度,通过决策树分类法进行石漠化等级划分,得到1990—2020年曲靖市石漠化等级分布图,进一步分析石漠化演变特征。主要结论如下:
(1)曲靖市整体石漠化程度较轻,主要以无石漠化、潜在石漠化为主。已石漠化地区多为轻度、中度石漠化,其中,轻度石漠化面积占比>19.47%,强度、极强度石漠化面积占比<1.25%。1990—2020年,已石漠化面积整体减少了1 728.38 km2,无石漠化面积增加了1 936.61 km2,曲靖市石漠化整体得到明显改善。
(2)1990—2020年,曲靖市石漠化的总体变化速率是-57.61 km2/a,总体变化频率为-1.09%/a。石漠化变化速率大小排序依次为:无石漠化>轻度石漠化>中度石漠化>潜在石漠化>极强度石漠化>强度石漠化,表明石漠化变化速率的快慢与石漠化等级高低基本成反比,而与石漠化面积呈正比。变化频率排序依次为:极强度石漠化>强度石漠化>中度石漠化>轻度石漠化>无石漠化>潜在石漠化,极强度和强度石漠化地区变化频率高。
(3)根据研究区石漠化总体变化特征,以1990年、1995年、2000年、2020作为典型年份进行石漠化演变轨迹分析,得到曲靖市石漠化的演变轨迹共1 122条,主要演变轨迹共30条。曲靖市石漠化演变方向以不变型居多,面积达7 967.67 km2,占比61.39%,反映石漠化程度好转的持续好转型和波动好转型总面积达3 197.03 km2,而表示石漠化加剧的恶化型面积最少,为558.52 km2。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
李阳兵, 侯建筠, 谢德体. 中国西南岩溶生态研究进展[J]. 地理科学, 2002, 22(3):365-370.

(LI Yang-bing, HOU Jian-jun, XIE De-ti. The Recent Development of Research on Karst Ecology in Southwest China[J]. Scientia Geographica Sinica, 2002, 22(3):365-370. (in Chinese))

DOI

[2]
GUO F, JIANG G, YUAN D, et al. Evolution of Major Environmental Geological Problems in Karst Areas of Southwestern China[J]. Environmental Earth Sciences, 2013, 69(7): 2427-2435.

[3]
习近平. 决胜全面建成小康社会夺取新时代中国特色社会主义伟大胜利: 在中国共产党第十九次全国代表大会上的报告(节选)[J]. 黑河学刊, 2017(6): 2, 193.

(XI Jin-ping. Winning a Decisive Battle, Building a Well-off Society in an All-round Way and Winning the Great Victory of Socialism with Chinese Characteristics in the New Era-Report on the 19th National Congress of the Communist Party of China (Excerpt)[J]. Heihe Journal, 2017(6): 2, 193. (in Chinese))

[4]
种国双, 海月, 郑华, 等. 中国西南喀斯特石漠化治理现状及对策[J]. 长江科学院院报, 2021, 38(11):38-43.

DOI

(CHONG Guo-shuang, HAI Yue, ZHENG Hua, et al. Current Situation and Measures of Karst Rocky Desertification Control in Southwest China[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2021, 38(11):38-43. (in Chinese))

DOI

[5]
彭晚霞, 王克林, 宋同清, 等. 喀斯特脆弱生态系统复合退化控制与重建模式[J]. 生态学报, 2008, 28(2):811-820.

(PENG Wan-xia, WANG Ke-lin, SONG Tong-qing, et al. Controlling and Restoration Models of Complex Degradation of Vulnerable Karst Ecosystem[J]. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(2):811-820. (in Chinese))

[6]
马士彬, 张勇荣, 安裕伦, 等. 喀斯特石漠化景观空间分布特征分析: 以贵州六枝特区为例[J]. 长江科学院院报, 2015, 32(12): 30-35.

(MA Shi-bin, ZHANG Yong-rong, AN Yu-lun, et al. Analysis on Spatial Distribution Feature of Landscape of Karst Rocky Desertification in Liuzhi Special Zone of Gui Zhou[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2015, 32(12): 30-35. (in Chinese))

[7]
MERTENS B, LAMBIN E F. Land-cover-change Trajectories in Southern Cameroon[J]. Annals of the Association of American Geographers, 2000, 90(3): 467-494.

[8]
COPPIN P, JONCKHEERE I, NACKAERTS K, et al. Digital Change Detection Methods in Ecosystem Monitoring: a Review[J]. International Journal of Remote Sensing, 2004, 25(9): 1565-1596.

[9]
耿国彪. 我国石漠化土地扩展趋势实现逆转:国家林业和草原局公布第三次石漠化监测结果[J]. 绿色中国, 2018(23):8-11.

(GENG Guo-biao. The Expansion Trend of Rocky Desertification Land in China Has Been Reversed[J]. Green China, 2018(23):8-11. (in Chinese))

[10]
姚永慧, 索南东主, 张俊瑶, 等. 2010—2015年贵州省关岭县石漠化时空演变及人类活动影响因素[J]. 地理科学进展, 2019, 38(11):1759-1769.

DOI

(YAO Yong-hui, SUO Nandongzhu, ZHANG Jun-yao, et al. Spatiotemporal Characteristics of Karst Rocky Desertification and the Impact of Human Activities from 2010 to 2015 in Guanling County, Guizhou Province[J]. Progress in Geography,2019, 38(11):1759-1769. (in Chinese))

[11]
习慧鹏, 王世杰, 白晓永, 等. 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[J]. 生态学报, 2018, 38(24): 8919-8933.

(XI Hui-peng, WANG Shi-jie, BAI Xiao-yong, et al. Spatio-temporal Characteristics of Rocky Desertification in Typical Karst Areas of Southwest China: a Case Study of Puding County, Guizhou Province[J]. Acta Ecologica Sinica, 2018, 38(24): 8919-8933. )(下转第87页)(上接第81页 (in Chinese))

[12]
李阳兵, 白晓永, 周国富, 等. 中国典型石漠化地区土地利用与石漠化的关系[J]. 地理学报, 2006, 61(6):624-632.

(LI Yang-bing, BAI Xiao-yong, ZHOU Guo-fu, et al. The Relationship of Land Use with Karst Rocky Desertification in a Typical Karst Area, China[J]. Acta Geographica Sinica, 2006, 61(6):624-632. (in Chinese))

DOI

[13]
杨帆, 王博. 基于决策树的遥感图像分类方法研究[J]. 测绘与空间地理信息, 2019, 42(7): 1-4.

(YANG Fan, WANG Bo. Research of Remote Sensing Image Classification Based on Decision Tree Method[J]. Geomatics & Spatial Information Technology, 2019, 42(7): 1-4. (in Chinese))

[14]
闫利会, 周忠发, 陈全, 等. 高原峡谷区喀斯特石漠化演变过程研究[J]. 水文地质工程地质, 2016, 43(2):112-117,125.

(YAN Li-hui, ZHOU Zhong-fa, CHEN Quan, et al. A Study of the Evolution Process of Karst Rocky Desertification in a Karst Canyon Area[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2016, 43(2):112-117, 125. (in Chinese))

[15]
李阳兵, 罗光杰, 程安云, 等. 黔中高原面石漠化演变典型案例研究: 以普定后寨河地区为例[J]. 地理研究, 2013, 32(5): 828-838.

(LI Yang-bing, LUO Guang-jie, CHENG An-yun, et al. A Typical Case Study on Evolution of Karst Rocky Desertification in Houzhaihe, Puding County, Central Guizhou Province, China[J]. Geographical Research, 2013, 32(5): 828-838. (in Chinese))

[16]
白晓永, 王世杰, 陈起伟, 等. 贵州土地石漠化类型时空演变过程及其评价[J]. 地理学报, 2009, 64(5): 609-618.

(BAI Xiao-yong, WANG Shi-jie, CHEN Qi-wei, et al. Spatio-temporal Evolution Process and Its Evaluation Method of Karst Rocky Desertification in Guizhou Province[J]. Acta Geographica Sinica, 2009, 64(5): 609-618. (in Chinese))

DOI

[17]
张蕊娇, 张超, 陆双飞, 等. 滇东典型岩溶地区石漠化时空演变特征研究[J]. 林业资源管理, 2019(2):99-108.

(ZHANG Rui-jiao, ZHANG Chao, LU Shuang-fei, et al. Study on the Space-temporal Evolution Feature of the Rocky Desertification in Typical Karst Area of Eastern Yunnan[J]. Forest Resources Management, 2019(2):99-108. (in Chinese))

[18]
赵玲华, 太佩荣. 曲靖市岩溶地区第二、第三次石漠化监测结果对比分析[J]. 绿色科技, 2018, 20(16):146-147, 149.

(ZHAO Ling-hua, TAI Pei-rong. Study on the Spatio-temporal Evolution Process of Karst Rocky Desertification in Qujing City based on GEE[J]. Journal of Green Science and Technology, 2018, 20(16): 146-147, 149. (in Chinese))

Options
文章导航

/

〈 〉

*严禁使用本系统存储、处理、传输涉密信息*
版权所有 © 《长江科学院院报》编辑部
技术支持：北京玛格泰克科技发展有限公司