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Probing into the patterns of land use and protection in Karst region based on RS & GIS—A case study from Huanjiang County in Northwest Guangxi

基于RS与GIS的喀斯特地区土地利用与保护格局探讨——以广西壮族自治区环江县为例



全 文 :     国家 “十五”科技攻关项目 (2004BA606A08) 、中国科学院重点项目 ( NK十五H1)和中国科学院知识创新工程领域前沿项目
(01200220055413)资助
     该文系作者在中国科学院研究生院学习期间完成 ,作者现工作单位为重庆市环境科学研究院(重庆   400020)
     通讯作者
    收稿日期 :20050930   改回日期 :20051227
基于 RS 与 GIS 的喀斯特地区土地利用与保护格局探讨 
———以广西壮族自治区环江县为例
杨春华  王克林  陈洪松  许联芳  张明阳
(中国科学院亚热带农业生态研究所  长沙   410125)
摘  要  地处西南喀斯特地区的广西环江县是典型的环境移民大县 ,再加上自身人口增长等原因 ,土地利用发生
巨大变化 。其中 ,在不宜耕作的坡度和海拔高度下盲目开荒 ,极易导致植被覆被降低 、水土流失 、石漠化等生态环
境问题 ,埋下环境隐患 。本文利用 1988 、1999年两期遥感数据 ,辅以 1∶250000DEM ,结合野外调查 ,探讨了环江县
如何因地制宜地利用土地资源 ,划出 3种土地利用类型区 :“集约利用区” 、“适度利用区” 、“保护区” 。
关键词   RS与 GIS  环境移民  喀斯特  环江县  土地利用
Probing into the patterns of land use and protection in Karst region based on RS & GIS — A case study from Huanjiang
County in Northwest Guangxi .YANG ChunHua ,WANG KeLin ,CHEN HongSong ,XU LianFang ,ZHANG Ming
Yang(Institute of Subtropical Agriculture ,Chinese Academy of Sciences ,Changsha 410125 ,China) ,CJEA ,2006 ,14(4) :
226 ~ 230
Abstract   The land use changes in Karst region of Southwest China lead to serious ecology problems .Huanjiang County
located in Karst region in Northwestern Guangxi Zhuang Autonomous Region of China is a typical environmentforced im
migration county .In addition to it ,the rapid growth of population makes notable changes in land use and ,at the same
time ,causes serious environment troubles ,such as the reclamation of arable land or grass land at unsuitable slope and alti
tude zone causes the vegetation degeneration ,soil erosion ,and land rocky desertification .According to the datum derived
from Landsat TM/ETM images in 1988 and 1999 ,associating with 1∶250000 DEM and the field investigation ,a discus
sion on how to suitably utilize land resource is put forward in this paper ,accordingly dividing Huanjiang County into three
zones ,namely collective utilization zone ,moderate utilization zone and protection zone .
Keys words   RS and GIS ,Environmentforced emigration ,Karst ,Huanjiang County ,Land utilization
(Received Sept .30 ,2005 ;revised Dec .27 ,2005)
GIS技术由于在空间数据的存储 、转换 、分析等方面的突出功能 ,在自然资源管理 、城市规划 、经济分析
乃至军事等诸多领域已得到广泛应用[1] ,但目前其研究领域多侧重于热带雨林退化或经济发展热点区域的
城市扩展[2 ~ 6] 。位于我国西南的世界最大 、最集中连片[7]的喀斯特区域独特的自然环境条件决定了其生态
环境破坏后的难以恢复性 ,且处于生存型经济发展阶段使其更易遭致生态环境毁灭性破坏 。 广西壮族自治
区环江毛南族自治县是我国西南喀斯特地区最大的特困农民异地安置县 ,已接纳 7 万多人异地开发 。 再加
上近来当地人口增长 、经济发展等原因 ,该县土地利用格局发生了重大变化 ,环境脆弱 ,主要表现为在不宜
耕作的坡度和海拔高度内进行农牧生产 ,不仅农业产量低 ,而且因此引发植被退化 、水土流失 、石漠化等严
重的生态环境问题 。为此 ,综合考虑其自然条件和优越的交通条件 ,因地制宜地划分环江县未来 3大用地类
型 ,即“集约利用区” 、“适度利用区”及“保护区” ,以供规划决策参考 。
1  研究区域概况与研究方法
环江毛南族自治县位于广西西北部 ,地处云贵高原东南缘 ,九万大山南麓 ,界于 107°51′ ~ 108°43E′ ,
24°44′ ~ 25°33′N ,东西最大横距 89km ,南北最大纵距 90km 。 该县位于云贵高原南部大斜坡向广西丘陵过
第 14卷第 4期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol .14   No .4
2 0 0 6年 1 0月 Chinese Journal of EcoAgriculture Oct .,  2006
渡的地带 ,总地势北高南低 ,四周山岭绵延 。中部偏南为丘陵 ,最高海拔 1693m ,最低海拔 149m ;北部山地以
打格斋为主峰(海拔 1460m) ,向南伸延成为大小环江河的分水岭 ;西北部山地主要山峰是金坳山 (海拔
10614m) ,自西北向南延伸 ;西部和南部以喀斯特山地为主 ,间有土山 、半石山 。 环江毛南族自治县属中亚
热带季风气候区 ,气候温和 ,雨水充沛 ,日照充足 ,冬无严寒 ,夏无酷暑 ,雨热同季 ,无霜期长 。 年均气温南部
丘陵一带为 199 ℃ ,北部山区为 157 ℃ ,无霜期 290d ;全年太阳辐射量为 41403kJ/cm2 。 年均降雨量北部
1750mm ,南部 13891mm ,集中于 4 ~ 9月份 ,占全年降雨量的 70 % ,空气平均相对湿度 79 % 。 境内主要河
流有 4条 :大环江 、小环江 、中洲河和打狗河 ,均发源于贵州省 ,从北向南流过 ,汇入龙江 。该县自然土壤有红
壤 、黄红壤 、黄壤 、棕色石灰土 、黑色石灰土 5个土壤亚类 ,成士母岩以砂页岩 、石灰岩为主 。因其属中亚热带
常绿阔叶林区 ,森林植被 、动物资源非常丰富 。
本研究主要采用对比分析不同时期的遥感数据 ,辅以野外调查的研究方法 。 利用 1988 和 1999 年的
TM/ETM 卫星影像数据 ,在遥感图像处理软件 Image Erdas 85平台下用 1∶50000地形图进行图图几何精
纠正处理 。目标解译图像采用标准的 RGB432组合 ,并进行相应图像增强处理 。通过野外考察建立遥感解
译标志库 ,采用人工解译与机助解译相结合的方法 ,根据环江县实际情况提取出 8 种二级地类 :水田 、旱地 、
有林地 、灌木林地 、疏林地 、灌草地 、河流水域及未利用地(荒草地) ,并将 8 种二级地类向上归并为 5 种一级
地类[8] :耕地 、林地 、灌草地 、水域及未利用地 。因现阶段环江县城市化水平低 ,研究时段内城建及居民点土
地利用类型所占比例不及全县 1 % ,且分布零散 ,故遥感图像解译过程中未涉及此种地类 。 产生的解译数据
在 Arc info 803/Arc view 32下进行空间分析处理 。本文分析了耕地 、灌草地以及未利用地 3种类型 。
2  结果与分析
21  人口增长对土地利用变化的影响
环江县是环境移民大县 ,已接纳 7 万多移民 ,且自身人口增长较快 ,1979 年以前自然增长率均大于
20 ‰ ,1979 ~ 1987年均大于 12 ‰ ,之后才逐年下降 。因而为求生存发展 ,人们不得不寻求更多的土地 ,耕地
不断向坡度更陡和海拔更高的地带扩展 ,主要表现为 11年间各用地类型在坡度和海拔高度两方面的增减变
化 ,即未利用地减少 ,耕地和灌草地增加 。在 Arc info 83 Workstation 中 ,用环江县 1988 年和 1999 年两期
的遥感解译数据分析与该县 1∶250000 DEM 数据进行叠加分析和统计分析 ,得到环江县 11 年间耕地 、灌草
地 、未利用地 3种用地类型不同坡度条件下的利用变化数据(表 1) 。从表 1可以看出 ,11年中耕地增加总面
积 17820hm2 ,其中 0 ~ 2°内增加 11073hm2 ,是环江县耕地利用最主要的坡度 ;2 ~ 6° 、6 ~ 15°及 15 ~ 25° 3 级
坡度内 ,耕地共增加 6884hm2 ,表明 2 ~ 25°内可利用耕地的数量非常有限 ,变化幅度很小 。 人口是推动耕地
增加最重要的因素 ,若不能解决好“粮食”补偿问题 ,势必会造成不适耕作土地的开发 ,加速喀斯特地区生态
环境恶化 。从这个角度讲 ,环江县人口数量已达极限 。 1999 年 25°以上的耕地面积小于 1988 年 ,说明退耕
还林(草)政策在当地起到积极作用 ,不宜耕作坡地的开垦强度明显减弱 。 11 年间 0 ~ 15°坡耕地面积增加
17092hm2 ,占全部增长量的 9590 % ;从绝对量看 ,0 ~ 15°的耕地面积 1988 年有 36599 hm2 ,占当年全部耕地
面积的 8596 % ,1999年有 53691hm2 ,占该年全部耕地面积的 8890 % ,由此表明 0 ~ 15°坡地是耕地发生变
化的主要区域 ,可看作耕地拓展过程中的“瓶颈” 。 据表 1 知 ,各级坡度 1999 年灌草地面积均大于 1988 年 ,
一是由于退耕还林(草)工程中将不适宜耕作的土地退耕地为草地 ;另外是由于农业产业结构的调整 。 11 年
间灌草地面积共增加 36542hm2 ,0 ~ 25°内增加了 34011hm2 ,占全部增长面积的 9307 % ;从绝对数量看 ,25°
以下的灌草地 ,1988年有 63249hm2 ,占当年灌草地总面积的 8967 % ,1999年有 97260hm2 ,占该年灌草地总
面积的 9083 % 。可见 0 ~ 25°的坡度范围是灌草地最主要的生长区域 。未利用地是支撑全县经济发展最重
要的后备土地资源 ,分析结果表明未利用土地面积明显减少 ,11 年间共减少 53444hm2 。 0 ~ 2°内减少的面积
为 23058hm2 ,几乎占其全部减少面积的一半 ,充分说明由于经济发展相对落后 ,经济技术水平低 ,环江县在
土地开发利用过程中 ,还只是偏向于那些自然条件相对较好 、开发利用成本相对较低的地带 。 15°以下未利
用地共减少 43868hm2 ,占其全部减少面积的 8208 % 。 0 ~ 15°是未利用地发生变化的最主要地带 ,是人们经
济发展最主要的活动区 ,可看作其拓展“瓶颈” 。
根据环江县土地利用实情 ,以海拔 400m 为基准 ,每升高 200m 统计一次各类土地数量的分布状况(表
2) 。当地积极响应退耕还林(草)的政策 ,将 25°以上不宜耕作的土地退耕为其他用地类型 ,但为了解决人口
增长而导致耕地数量相对减少的问题 ,不得不进行“立体开发”式的耕地开拓 ,因而每级海拔高度内的耕地
   
第 4期 杨春华等 :基于 RS与 GIS的喀斯特地区土地利用与保护格局探讨 227 
表 1  环江县 3种地类 11年间不同坡度下利用状况
Tab .1   Changes of land use on slope from 1988 to 1999 in Huanjiang
地   类Land types 年   份Years 项   目I tems
坡度/(°) Slope gradient
0 ~ 2° 2 ~ 6° 6 ~ 15° 15 ~ 25° 25 ~ 35° > 35°
耕     地 1988 面积/hm 2 20697 6393 9509 4746 1082 148
比例/ % 4861 1502 2233 1115 254 035
1999 面积/hm 2 31770 8601 13320 5611 1003 92
比例/ % 5260 1424 2205   929 166 015
期间面积增减/hm 2 11073 2208 3811 865 - 79 - 56
灌 草 地 1988 面积/hm 2 19825 8401 18341 17042 6273 1012
比例/ % 2811 1140 2600 2416 889 143
1999 面积/hm 2 30619 12413 29290 24938 8340 1476
比例/ % 2860 1159 2735 2329 779 138
    期间面积增减/hm 2 10794 4372 10949 7896 2067 464
未利用地 1988 面积/hm 2 33270 11282 26936 17413 3823 322
比例/ % 3576 1213 2895 1871 411 031
1999 面积/hm 2 10212 4157 13251 9645 2097 240
比例/ % 2579 1050 3346 2435 530 061
期间面积增减/hm 2 - 23058 - 7125 - 13685 - 7768 - 1726 - 82
表 2  环江县不同地类 11年间不同海拔高度下利用状况
Tab .2   The land use changes along altitude from 1988 ~ 1999 in Huanjiang
地   类Land types 年   份Year 项   目I tems
海拔高度/m Altitude
0 ~ 400 400 ~ 600 600 ~ 800 800 ~ 1000 > 1000
耕     地 1988 面积/hm 2 29908 8237 3647 588 195
比例 % 7025 1935 857 138 046
1999 面积/hm 2 39533 12423 7259 829 353
比例/ % 6546 2057 1202 137 058
期间面积增减/hm 2 965 4186 3612 241 158
灌   草   地 1988 面积/hm 2 30637 21273 1222 4156 12167
比例/ % 4344 3016 1832 589 504
1999 面积/hm 2 44895 3388 20898 5192 12707
比例/ % 493 3164 1952 485 534
期间面积增减/hm 2 14258 12607 7976 1036 665
未利用地 1988 面积/hm 2 35508 25699 22104 6264 1546
比例/ % 3816 2762 2376 673 219
1999 面积/hm 2 8515 12471 13080 3428 2211
比例/ % 2180 3193 3349 878 207
期间面积增减/hm 2 - 26993 - 13228 - 9024 - 2836 - 1363
数量都呈增加趋势 。全县大部分耕
地集中在 0 ~ 600m 的海拔内 ,1988
年占 896 % ,1999 年占 8603 % 。
600m以下的耕地增加量占全部增
加量的 5164 % 。 由此看出 ,0 ~
600m内不论是耕地面积绝对量还
是耕地增加量 ,都占据优势 ,是耕地
最集中分布的地带 。 与 1988 年相
比 ,1999 年各海拔灌草地面积共增
加 36542hm2 ,各等级海拔高度内均
呈增加趋势 。在 0 ~ 800m范围内增
加 34841hm2 ,占灌草地全部增加量
的 9535 % 。 1988 年 0 ~ 800m内灌
草地有 5192222hm2 ,占当年灌草地
   总量的 7608 % ,1999年为 69181hm2 ,占 7945 % 。 表明 0 ~ 800m的海拔高度是灌草地分布的核心区域 ,是
该县畜牧业发展最重要的地段 ,800m 以上的地段则不适宜牧草的种植 ,因此 0 ~ 800m 可看作牧草种植的
“瓶颈”地段 。作为最大的土地转出类型 ,未利用地是全县土地增量的最主要承载体 ,其随海拔分布变化同
样表现得非常深刻 。 与 1988 年相比 ,1999 年各级海拔未利用地数量均呈明显减少趋势 。 1988 年 800m 以
下的未利用地占其总量的 8954 % ,1999 年为 8721 % ;800m以下的减少量占全部减少量的 9214 % 。由此
表明 0 ~ 800m内的土地是环江县经济发展的最主要承载体 ,是人们各项活动最主要的场所 ,也是人们获取
更多土地的“瓶颈”地带 。
22  环江县三大用地类型的划分及未来土地利用与保护格局
随着人口增长和经济发展 ,土地需求量势必增加 ,然而 ,落后的发展意识和片面追求经济效益而忽略了
合理利用土地和善待土地 。这主要表现为在不适宜的坡度和海拔内进行农牧业生产 。 这种生产一方面农
牧产量低 ;另一方面会导致生态环境恶化 ,得不偿失 。该县石山 、土山分布较广 ,生态环境脆弱 ,抗外界干扰能
力非常弱 ,生态环境一旦遭到破坏 ,整个生态系统将受到严重威胁 。因此 ,经济发展过程中必须注意保护生态
环境 ,因地制宜合理利用土地 ,避免为增加土地数量而盲目开发土地资源 ,忽略土地的生态适宜性以至严重破
坏生态环境的行为 。因此通过土地的区划工作 ,对经济社会发展的空间结构 、资源利用和环境保护进行宏观调
控 ,协调各部门和各地区利益 ,整合经济 、社会 、人口 、资源 、环境的关系 ,充分发挥区域优势 ,促进区域可持续发
展就显得尤为重要 。根据相对一致性原则和区域共轭性原则[9] ,结合环江县自然条件 ,按土地利用的适宜性 ,构
228  中 国 生 态 农 业 学 报 第 14卷
图 1  环江县未来土地利用新格局
Fig .1   The new pattern of land use in
the future in Huanjiang
建该区域发展的 3大土地利用类型 ,即“集约利用区” 、“适度利用区”
和“保护区”(图 1) 。
一是“集约利用区” 。 该区域的坡度 < 15° ,海拔 < 600m 。 根
据对环江县不同坡度 、海拔高度条件下各地类空间分布变化的分
析可知 ,坡度 0 ~ 15°和海拔 0 ~ 600m 内的土地是最重要的利用
类型 。这部分土地开发利用难度小 ,成本低 ,是全县最大的物质
投入产出地带 。 同时 ,也是人们各种经济活动最频繁的地带 。
若能充分合理利用 ,使其经济生态社会协调发展 ,便可实现可
持续利用 ;反之 ,不合理的开发利用方式也最容易导致生态环境
退化 ,严重威胁全县的生态及社会安全 。 利用该县 DEM 数据提
取出坡度和海拔两种专题数据 ,进而提取出 0 ~ 15°及 0 ~ 600m
的土地(图 2) 。 这部分土地占全县总面积的 4444 % ,达 20 万
hm2 。根据环江县生存型经济发展特性以及自给自足的生产方
式 ,结合土地自然特征 ,从中划出集中连片分布的区域 ,作为环江县农牧区的主要生产基地 。一方面可集中
图 2  环江县 < 15°且 < 600m的土地分布
Fig .2   The distribution of land resources
below 15° & 600m in Huanjiang
图 3  环江县土地利用“集约区”
Fig .3   The “collective utilization zone”of
land use in Huanjiang
有限的人力 、物力 、财
力提高这部分土地的
生产力 ,提高投入产
出效益 ,打造环江县
“商品粮(畜)”基地 ;另
一方面可形成该县经
济发展的“增长域” ,对
周边地带进行经济上
的辐射 、反哺 ,带动周
边地区共同发展 。 故
这一区域划为环江县
土地利用的“集约利用
区”(图 3) 。 从图 3 可
知该区域跨越的行政
区域包括了思恩 、大
才 、水源 、大安 、洛阳 、川山等 6
个经济水平相对较高的乡镇的
大部分 ,面积总共 166800hm2 。
二是“适度利用区” 。坡度
在 15 ~ 25°之间 ,海拔 600 ~
800m 。用上述同样方法提取坡
度 15 ~ 25°、海拔 600 ~ 800m 的
土地总面积为 158869hm2(图 4) 。
这部分土地坡度相对较大 ,海拔
较高 ,但若辅以相应的工程措
施 ,可改良其利用适宜性 ,提高
抗干扰能力 。因此可作为粮食
生产的次级储备地 ,同时也可成
为发展畜牧业的重要扩展地带 。
但因其最适宜的利用方式为除
图 4  环江县 15 ~ 25°、600 ~ 800m的土地分布
Fig .4   The distribution of land resources
15 ~ 25° and 600 ~ 800m in Huanjiang
图 5  环江县土地“适度利用区”
Fig .5   The “moderate utilization zone”
of land use in Huanjiang
粮食生产及牧草培育以外的其他经济生产方式 ,因而是“集约利用区”的重要后备资源 。 按其自然分布特
征 ,勾划出集中连片分布的土地(图 5) 。由于这部分地区包含了一些“集约利用区”和“保护区”的土地面积 ,
第 4期 杨春华等 :基于 RS与 GIS的喀斯特地区土地利用与保护格局探讨 229 
图 6  环江县 > 25°及 > 800m的土地分布
Fig .6   The distribution of land resources
             above 25° & 800m in Huanjiang
图 7  环江县土地利用“保护区”
Fig .7   The “protective zone”of land use
in Huanjiang
故其划分面积比实际大 ,达
233400hm2 。据图 5 可知 ,这
部分土地紧邻“集约利用区” ,
行政范围包括环江县大部分
乡镇 ,形成对“集约利用区”的
有益补充 ,因而构成环江县土
地利用的“适度利用区” 。
三是 “保护区” 。 该区坡
度 > 25° 、海拔 > 800m 。 采用
同样方法获取坡度 > 25°且海
拔 > 800m的土地分布(图 6) ,
总面积为 92141hm2 。 按照自
然分布特征 ,结合行政界线 ,
划出“保护区”地带范围 ,总面
积 55780hm2(图 7) 。这部分土地自然条件恶劣 ,因其坡度大 、海拔高 ,不宜耕作 ,也不适合牧草的种植 ,最好
的利用方式为封山育林 ,让其处于“零干扰”状态 。 否则 ,一旦对其进行不合理利用而导致植被覆盖度降低 、
水土严重流失等生态环境问题时 ,生态环境便会急剧恶化 ,难以恢复 ,这部分土地应成为全县生态环境的
“保护伞” 。
3  小  结
全县大部分耕地分布于坡度为 0 ~ 15°的坡地 ,1988 年这种类型的土地占全部耕地面积的 8596 % ,
1999年占 8890 % ,0 ~ 15°耕地的增加量占全部增量的 9590 % ;1988 年 0 ~ 25°的灌草地占其总面积的
8967 % ,1999年占 9083 % ,该坡度内灌草地的增加量占其全部增量的 9307 % ,0 ~ 25°是牧草种植的最适
坡度 ,是其最主要的生长区 ;未利用地 0 ~ 15°的减少量占其全部减少量的 8208 % ,0 ~ 15°是未利用地减少
的最主要地带 ,是人们经济发展的最主要活动区 。 0 ~ 15°是耕地利用及发生变化的最重要区域 ,形成了耕地
拓展过程中的“瓶颈” 。全县大部分耕地集于海拔 600m以下 。 1988年 896 %的耕地分布于此区域内 ,1999
年有 8603 % ,600m以下耕地增加量占全部增加量的 5164 % ;1988 年 0 ~ 800m 的灌草地占其当年总量的
7608 % ,1999年占 7954 % ,800m 内的灌草地增加量占其全部增量的 9535 % 。 600m内耕地和 800m内的
灌草地分布最广泛 ,是全县土地利用最核心的地带 。 800m 以下未利用地的减少量占其全部减少量的
9214 % ,是环江县经济发展最主要的后备资源 ,也是人们获取更多土地的“瓶颈”地带 。 依据区域划分的相
对一致性原则以及区域共轭性原则 ,按照环江县土地利用的适宜程度 ,划分出 3 大土地利用地带 ,即最适宜
农牧生产的“集约利用区” ,比较适宜农牧生产的“适度利用区” ,以及不宜农牧生产的“保护区” 。
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230  中 国 生 态 农 业 学 报 第 14卷