喀斯特区域土地利用变化及其生态效应研究——以环江毛南族自治县为例

摘要

地球表层系统最突出的景观标志就是土地利用与土地覆盖，土地利用/覆盖变化（LUCC）是全球变化的主要驱动力之一。人类通过对与土地相关的自然资源的开发和利用，改变地球陆地表面的覆被状况，其对生态环境的影响不仅局限于当地，而且对区域水循环、环境质量、生物多样性及生态系统产生更为深刻和持久的影响。喀斯特地区是同沙漠边缘一样的脆弱环境，云贵高原及其边缘地带的西南喀斯特地区是世界上最大面积喀斯特景观，集中了全国近1/2 的贫困人口，是西部大开发战略实施的重点和难点地区，也是我国长江、珠江的重要源区，维系着大江大河下游地区以及大型水利水电设施的生态安全，与黄土高原同为中国贫困与环境退化问题最为突出的地区。环江毛南族自治县属于典型的喀斯特区域，近年来，由于社会和经济的发展，环境移民的迁入，人类活动强度加大，LUCC 及其生态效应最为引人注目。以环江县作为研究区域，利用RS、GIS 一体化技术，结合微观实验方法，以地学和生态学知识为支撑，应用多时相遥感影像数据、DEM、社会经济统计数据、实验数据等多源信息，在对土地利用变化格局分析的基础上，从景观效应、石漠化、生态资产三个方面对土地变化的生态效应进行深入研究；同时，结合微观实验方法，研究典型峰丛洼地土地利用变化的土壤养分效应。研究取得了以下主要结论： （1）基于由遥感数据处理得到的环江县三期土地利用分类结果，分析了土地利用变化的基本特征。环江县占据优势的地类始终是林地、灌木。变化最大的是旱地和草地，这表明这两类土地类型的分布区生态具有易变性和不稳定性。 年均变化速度有增加趋势，说明人类的土地利用强度在增大。但是各种土地利用类型之间存在差异，13 年间正向变化最大的是果园；负向最大的是灌木和草地。环江县土地利用变化表现出很强的区域差异，草地变化最大的是大安和明伦，果园变化最大的是川山和洛阳，这四个乡镇都是主要的移民安置区。总之，环江县土地利用类型分布比较破碎，这与峰丛洼地、峰林谷地、山地、丘陵、沟谷等地貌类型有关，土地利用格局主要在旱地、草地、果园、灌木和裸露地等类型间相互转换，土地利用类型向着多样化和均匀化方向发展；最剧烈的变化主要发生农作区，移民开发是土地利用变化最直接的驱动力之一。 （2）通过对环江县土地利用景观格局定量分析得出：13 年间喀斯特地区的景观格局在斑块水平、景观水平和区域水平上均发生了较大变化。在景观尺度上，景观破碎化程度趋于增加，斑块形状趋于复杂，空间连接性减弱，斑块和景观类型分布趋于分散，说明了景观多样性水平相对提高，异质化程度增高，土地利用最后向着旱地、果园和裸露地增加和各景观要素类型所占比例差异减少方向发展。在景观要素类型尺度上，水田、林地破碎化程度增加、形状趋于复杂、空间连接性减弱；旱地、裸露地破碎化程度减少、空间连接性减弱、斑块分布趋于集中；灌木、果园、水域形状趋于复杂、空间连接性减弱、斑块趋于分散；草地的斑块形状趋于规则、空间连接性减弱。控制种植业规模，适度减少人类干扰，优化景观结构，从而提高景观多样性和异质性，增强景观稳定性和抗干扰性能，提高区域生态系统承载力。 （3）利用典型喀斯特峰丛洼地主要土地利用方式的土壤养分测定数据，研究土地利用变化的土壤养分效应。结果表明：土壤有机碳、全氮、有效氮含量随土地利用强度的增加而降低；全磷和全钾含量主要受养分来源的影响，受利用方式影响较小；速效磷主要受施肥的影响，有效钾含量则主要受植被覆盖和水土流失状况的影响。土地利用方式是影响土壤养分含量变化的重要因素。粗放的农业耕作将降低土壤养分并引起土壤退化，而植被恢复等措施可以培肥土壤。因此，改变粗放的农业耕作方式，加强施用有机肥和平衡施肥，对坡度大于25°的坡耕地采取“退耕还林还草”，有利于喀斯特地区的生态恢复和重建。 （4）研究期间，环江县喀斯特区域石漠化总体变化不大，但是潜在石漠化和石漠化增强的面积不断增加，这表明存在一定的石漠化危险；而石漠化减弱的量相对很少，表明石漠化的治理效果还不很明显。研究区非石漠化和轻度石漠化面积有所减少，而潜在石漠化、中度石漠化、重度石漠化和极重度石漠化的面积相应地有所增加。从整体上看，环江县喀斯特区域石漠化面积有所增加，但增加量不大，基本处于平稳变化状态。研究期间，变化主要集中在研究区的东部和西部，最显著的变化是非石漠化转变成潜在石漠化区域。 （5）基于两期石漠化和土地利用数据，定量研究环江县各区不同等级石漠化土地中土地利用类型的分布规律和不同土地利用类型的石漠化发生率。从不同等级石漠化中土地利用类型的分布上看，非石漠化土地中林地和灌木占的比重最大；潜在石漠化土地中，占主要的地类是灌木地，其次是林地、旱地、草地；轻度石漠化土地中则是灌木和旱地量最大；中度石漠化土地中灌木地也占有优势，林地、旱地、草地也不少；重度石漠化土地中灌木所占优势也相当大，也有部分草地，林地和旱地；极重度石漠化土地本身面积不大，分布在各土地类型面积相差不大，其中灌木稍多。灌木是最容易发生石漠化的地类之一。 而就不同土地利用类型的石漠化发生率来看，水田、果园、水域、居民用地主要是发生非石漠化；旱地总体发生非石漠化的面积比较大，但也有相当部分发生了石漠化；林地发生非石漠化的面积很大，但其发生中度石漠化的几率也非常大；而相当部分灌木地已经发生了石漠化；草地也是一类容易发生石漠化的地类，但其与灌木地不同的是，它有相当部分属于非石漠化。不同等级石漠化与不同土地利用类型存在着相关性，且这种关联性地域差异明显，受土地利用状况、人类活动强度等因素的制约。不同土地利用方式对不同土地生态系统的干扰效应和干扰过程是不一样的，导致喀斯特石漠化土地退化过程、退化程度、退化群落特征有异，最终表现在恢复方式和恢复难度的差异上。 （6）利用生态资产测量的指标体系和遥感测量模型，将遥感数据和统计数据、3S 技术与野外抽样调查技术有机地结合，测算了环江县的生态资产。因受气候变化和人类活动的影响。20 世纪90 年代环江陆地生态系统的生态资产呈明显上升趋势，其总体变化率在20％左右；但生态资产与GDP 的比值则明显下降，生态资产的增幅小于GDP 的增幅，从长远看，存在着潜在生态危机。从生态资产的空间变化来看，其最大值的空间分布明显集聚，生态资产的这种变化，显示出自然环境所起的整体作用；但在城镇化发展快速的乡镇，生态资产则相对下降，在一定程度上影响了区域的生态环境。 从不同土地利用类型来看，灌木、林地、草地等土地利用类型对生态资产的贡献率最大，而且大部分土地类型生态资产是逐年递增的，增幅最大的是灌木，只有旱地逐年减少，可能是旱地的粗放式经营导致了严重的水土流失；从生态资产总量看，非石漠化和潜在石漠化土地的生态资产值最高。从单位面积生态资产来看，这两个年份都是潜在石漠化土地最高，其次是非石漠化土地，这表明潜在石漠化土地和非石漠化土地对生态资产的贡献率最大。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章研究方法与研究内容

第三章环江县土地利用时空变化分析

第四章环江县土地利用景观格局定量分析

第五章喀斯特区域土地利用变化的土壤养分效应

第六章环江县喀斯特区域石漠化时空变化分析

第七章环江县土地利用与石漠化相关性研究

第八章环江县生态资产时空变化分析

第九章环江县土地可持续利用模式与生态恢复对策

第十章主要结论与研究展望

附录

致谢