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Acta Geographica Sinica >

2024 , Vol. 79 >Issue 1: 97 - 113

DOI: https://doi.org/10.11821/dlxb202401007

Scientific Issues of the Beautiful China Initiative

Positive contribution and negative impact of karst rocky desertification control on biodiversity in southwest China

  • LONG Mingkang , 1, 2 ,
  • BAI Xiaoyong , 1, 2, 3, 4 ,
  • LI Zilin 1, 5 ,
  • XUE Yingying 1, 5 ,
  • CHEN Fei 1, 6 ,
  • LI Chaojun 1, 2 ,
  • RAN Chen 1, 2 ,
  • ZHANG Sirui 1, 2 ,
  • DU Chaochao 1, 5 ,
  • SONG Fengjiao 1, 2 ,
  • XIAO Biqin 1, 5 ,
  • XIONG Lian 1, 5
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Environmental Geochemistry, Institute of Geochemistry, CAS, Guiyang 550081, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 3. College of Resources and Environmental Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China
  • 4. College Of Environment and Ecology, Chongqing University, Chongqing 400044, China
  • 5. School of Geography and Environmental Sciences, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China
  • 6. Guizhou Academy of Water Resources Sciences, Guiyang 550002, China

Received date: 2023-07-13

  Revised date: 2024-01-11

  Online published: 2024-01-29

Supported by

Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDA23060100)

Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDB40000000)

National Natural Science Foundation of China(U22A20619)

National Natural Science Foundation of China(42077455)

Western Light Cross-team Program of Chinese Academy of Sciences(xbzg-zdsys-202101)

Guizhou Provincial Science and Technology Projects(Qiankehe Support [2023] General 219)

High-level Innovative Talents in Guizhou Province(GCC[2022]015-1)

High-level Innovative Talents in Guizhou Province(2016-5648)

Guizhou Provincial Science and Technology Subsidies(GZ2019SIG)

Guizhou Provincial Science and Technology Subsidies(GZ2020SIG)

Fold

Abstract

Ecological restoration measures have a significant impact on biodiversity hotspots. Therefore, quantifying the contribution of desertification control to biodiversity is crucial in the karst region of southwest China. This study employed regression analysis and residual trend analysis to reveal the evolutionary patterns of desertification and biodiversity from 2000 to 2020 in this region. It quantified the contributions of desertification control and other factors to biodiversity. The results indicated that during the study period, desertification in the karst region was mainly classified as mild and moderate levels, with a total area reduction of 102500 km2 at an annual rate of 4900 km2/a. Overall, biodiversity showed an increasing trend, with a mean value of the biodiversity composite index at 0.40, maintaining a moderate level. There was a positive correlation between desertification control and biodiversity, with desertification control contributing 26.39% of the overall impact. Climate change and human activities contributed 52.78% and 47.22% to biodiversity, respectively. This suggests that desertification control has made a positive contribution to biodiversity and provides valuable guidance for future ecological restoration projects and biodiversity conservation.

Key words： southwest China; rocky desertification control; climate change; biodiversity

Cite this article

LONG Mingkang , BAI Xiaoyong , LI Zilin , XUE Yingying , CHEN Fei , LI Chaojun , RAN Chen , ZHANG Sirui , DU Chaochao , SONG Fengjiao , XIAO Biqin , XIONG Lian . Positive contribution and negative impact of karst rocky desertification control on biodiversity in southwest China[J]. Acta Geographica Sinica, 2024 , 79(1) : 97 -113 . DOI: 10.11821/dlxb202401007

1 引言

生物多样性是生态系统的重要组成部分，在维持生态系统稳定、促进能流物流以及支持人类福祉等方面发挥着关键作用[1-2]。自1992年联合国《生物多样性公约》（Convention on Biological Diversity, CBD）诞生以来，生物多样性保护与生态治理是否协调统一受到了世界各国政府以及科学界的广泛关注[3]。生物多样性是一个宏观的概念，难以进行观察和量化，其原因在于人类活动和气候变化正在改变现有的生物种群结构和组成[4⇓⇓-7]。许多研究认为，人类干扰正在威胁生物多样性[8-9]。研究发现生态修复项目的实施，使得农村人口向城市迁移，农村农业废弃，间接地增加生物多样性[10-11]。对于这些项目有效性的评估主要集中于植被恢复方面，中国西南喀斯特地区生态修复项目对生物多样性的有效性和效益仍不明确[12-13]。遥感可以实现重复观测，通过遥感构建生物多样性监测系统，从而实现对生物多样性的监测、评估、报告、建模以及生物多样性热点区域的识别[14]。在全球36个生物多样性热点中，中国西南山地热点绝大部分区域（> 98%）以及印缅热点15%的区域都位于中国西南地区[15]。
因此，西南地区是中国生物多样性最大的区域，但同时也是生物多样性受威胁最为严重的地区。其原因在于中国西南喀斯特地区是世界三大喀斯特地区之一，脆弱的地质背景及独特的地貌结构，加上人类活动压力，最终导致了严重的石漠化[16-17]。中外学者对石漠化形成机理、信息提取、驱动因素、时空变化及动态监测等进行了一系列研究。石漠化的形成和演化始终受到人类活动和自然因素的影响[18]。陈飞等基于CART决策树的石漠化解译方法，获取了贵州省铜仁市印江县郎溪镇喀斯特槽谷区的石漠化分布信息[19]。Guo等通过构建石漠化监测模型，阐明了1985—2020年贵州毕节石漠化时空变化格局，发现了土地利用是导致石漠化的主要因素[20]。Xu等通过标准系数（SOI），发现人类活动对贵州黔南长顺县石漠化的分布和演化既有积极影响，也有消极影响[21]。然而，以往的研究多局限于小区域，无法反映西南喀斯特地区石漠化空间格局及演变规律，难以为当前和未来的石漠化控制提供有效的数据支持。
因此，本文以中国西南喀斯特地区为研究对象，构建石漠化解译模型和生物多样性综合指数，分析2000—2020年间石漠化及生物多样性的时空演变规律。通过残差分析区分人类活动和气候变化对生物多样性的影响，从而有效量化石漠化治理项目的效益及其对生物多样性的有效性，为石漠化精准防治及生物多样性保护提供重要的决策支撑。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究区域概述

中国喀斯特主要区域位于中国西南部（20°09′N~34°19′N, 97°21′E~117°19′E），以云贵高原为中心，东起武夷山西侧，西抵高黎贡山，北起秦岭山脉南麓，南至南海，平均海拔800~1000 m，地势复杂多样，有山地、高原、盆地及台地等（图1a）[22]。包括贵州省、云南省、四川省、重庆市、广东省、广西壮族自治区、湖南省和湖北省8个省级行政单位，总面积约为54万km2，占中国西南8省陆地面积的27.64%[17]。地处北回归线附近，属于亚热带季风气候，雨热同期，年均温18 ℃，年降水量均在900 mm以上，大部分地区都位于亚热带常绿阔叶林带，植被类型丰富多样，生物多样性高。同时，其还是珠江和长江的水源补给区、南水北调水源区和三峡库区，区域地理生态位置十分重要（图1b）[23]。但是西南地区的生态环境问题也十分突出，由于喀斯特地区成土速率极慢，土层薄，并且坡高山陡，其独特的“二元三维”结构，使得水土难以保持，脆弱的喀斯特环境加上不合理的人类活动，导致生态环境遭到严重破坏，引发水土流失，土壤侵蚀及土地石漠化等一系列生态问题[24]。
图1 中国喀斯特区域及西南喀斯特地区高程

注：基于自然资源部标准地图服务网站GS(2016)1549号的标准地图制作，底图边界无修改。

Fig. 1 China karst area and southwest China karst area elevation

2.2 数据来源

2.2.1 石漠化

MODIS数据来源于美国国家航空航天局（NASA）数据中心（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/order/1/MODIS），数字高程模型（DEM）数据通过使用图新地球4（Loca Space Viewer）产品获得，其空间分辨率为500 m×500 m，根据DEM数据，使用ArcGIS10.5空间分析工具中的坡度提取坡度栅格数据。

2.2.2 生物多样性

土地利用数据源于数据共享服务系统（https://data.casearth.cn）刘良云团队制作的全球30 m地表覆盖精细分类产品，重采样至500 m×500 m[25]。西南地区平均气温、降水、人口密度、NPP及GDP等栅格数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（https://www.resdc.cn），空间分辨率均为500 m×500 m。

2.3 研究方法

2.3.1 石漠化解译

（1）岩石裸露率（Fr）
岩石裸露作为石漠化地区最明显的特征，在石漠化信息的提取中有着至关重要的作用，通过归一化岩石指数（Normalized Difference Rock Index, NDRI）来获取研究区岩石裸露率，由于喀斯特碳酸盐岩的光谱信息在短波红外波段具有较大差异，基于NDVI的二分模型计算方法，通过在ENVI5.3中进行波段运算得到研究区的NDRI，再计算岩石裸露率[26]。
N D R I = B a n d 5 - B a n d 3 B a n d 5 + B a n d 3
F r = N D R I - N D R I r N D R I r - N D R I 0
式中：NDRIr为全有岩石裸露得到的像元值；NDRI0为全无岩石裸露得到的像元值。在统计得到的所有像元值中，取频率1%的像元值为NDRI0，取累计频率为99%的像元值为NDRIr。
（2）植被覆盖度（FVC）
植被覆盖度指的是植被冠层在地面的垂直投影面积与所处区域的总面积之比，根据像元二分模型，通过GLASS的NDVI成品数据来计算研究区植被覆盖度。
F V C = N D V I - N D V I m i n N D V I m a x - N D V I m i n
式中：NDVImin、NDVImax分别表示研究区NDVI最小值和最大值。
（3）权重计算
权重采用层次分析法（AHP）计算（表1），本文构建的石漠化指数如下：
K R D = a × F r + b × ( 1 - F V C ) + c × ( S / 90 )
式中：a、b、c分别为石漠化各指标的权重；Fr为岩石裸露率；FVC为植被覆盖度；S为坡度，且最大坡度为90°。
表1 石漠化指数构建的指标及权重

Tab. 1 Index and weight of rocky desertification index construction

石漠化指标 权重
岩石裸露率 0.5534
植被覆盖度 0.2841
坡度 0.1625

2.3.2 生物多样性

生物多样性通常分为遗传多样性，物种多样性和生态系统多样性3个方面，但是由于在遗传多样性方面从遥感层面很难获取到有效的数据。因此通过选取生境质量指数、净初级生产力、植被覆盖度、生境面积和Shannon多样性指数构建生物多样性综合指数来评价生物多样性[27]：
B I = H Q I × β 1 + N P P × β 2 + E V I × β 3 + S p × β 4 + S H D I × β 5
式中：HQI为生境质量指数；NPP为净初级生产力；EVI为增强型植被指数；Sp为生境面积百分比；SHDI为Shannon多样性指数；βi为各子指标权重。BI取值范围为0~1，值越大，生物多样性越好。
（1）生境质量
Q x j = H j × 1 - D x j z D x j z + k z
式中：Hj为生境适宜度；Dxj为生境退化度；k为半饱和常数；Z为模型默认参数。
（2）净初级生产力
N P P = G P P - R a
式中： N P P为净初级生产力；Ra为自养呼吸的消耗量；GPP为总初级生产力。
（3）增强型植被指数
E V I = 2.5 × ρ N I R - ρ R e d ρ N I R + C 1 × ρ R e d - C 2 × ρ B l u e + L
式中：ρNIR、ρRed、ρBlue分别为经过大气校正的近红外波段、红光波段、蓝光波段反射值；参数 C 1和 C 2分别为6.0和7.5；L为土壤调节参数，L = 1。
（4）生境面积百分比
S P = A e A l
式中：SP为生境面积百分比；Ae为生境面积；Al为生态系统总面积。
（5）Shannon多样性指数
S H D I = - ∑ i = 1 m p i × I n p i
式中：m为景观类型数目；pi为景观类型i所占面积的比例。
（6）权重
参考《HJ623-2011区域生物多样性评价标准》，从物种多样性、生态系统多样性和景观多样性3个层次确定生物多样性各指标权重如表2。
表2 生物多样性指数体系及权重

Tab. 2 Biodiversity index system and its weight

生物多样性层次 选取指标 权重
物种多样性 生境质量指数(HQI) 0.35
净初级生产力(NPP) 0.25
增强型植被指数(EVI) 0.15
生态系统多样性 生境面积百分比(Sp) 0.10
景观多样性 香农多样性指数(SHDI) 0.15

2.3.3 贡献率计算

（1）趋势分析
基于最小二乘法线性回归模型表征2000—2020年西南喀斯特地区石漠化和生物多样性的长期变化趋势。
S l o p e = n × ∑ i = 1 n i × V a r i - ∑ i n i × ∑ i n V a r i n × ∑ i n i 2 - ∑ i n i 2
式中：Slope为相关变量的年际变化率；n为总年份；Vari为相关变量在第i年的值；Slope用于分析研究变量的时间变化趋势，当Slope > 0时，表示在研究时期内研究对象呈增加趋势；当Slope < 0时，表示在研究时期内研究对象呈减少趋势。
（2）偏相关分析
采用偏相关分析法探讨生物多样性动态变化与不同气候因子和石漠化治理之间的相对关系：
R x , y , z = R x y - R x z × R y z 1 - R x z 2 × ( 1 - R y z 2 )
式中： R x , y , z为在控制z的前提下x和y的偏相关系数；x、y、z分别为自变量、因变量和控制变量。Rxy、Rxz、Ryz分别为x与y、x与z、y与z的简单相关系数。
（3）残差分析
B I S l o p e ≈ C - c o n + H - c o n = T e m - c o n + P r e - c o n + K R D - c o n + O H - c o n = ∂ B I ∂ T e m × d T e m d t + ∂ B I ∂ P r e × d P r e d t + ∂ B I ∂ K R D × d K R D d t + O H - c o n
式中：BISlope为生物多样性的年际变化率；C-con、H-con、Tem-con、Pre-con、KRD-con和OH-con分别为气候变化、人类活动、气温、降水、石漠化治理以及其他人类活动对生物多样性变化的贡献；∂BI/∂Tem、∂BI/∂Pre和∂BI/∂KRD分别为气温与BI的偏相关系数（控制降水、KRD）、降水与BI的偏相关系数（控制气温、KRD）、KRD与BI的偏相关系数（控制降水、气温）；dTem/dt、dPre/dt、dKRD/dt分别为气温、降水和石漠化的年际变化率[28]。
基于最小二乘法的线性回归模型，若BISlope > 0则表示生物多样性恢复，若BISlope < 0则表示生物多样性退化。C-con > 0或H-con > 0表示气候变化或人类活动促进生物多样性增长，反之，C-con < 0或H-con < 0则表示气候变化或人类活动阻碍生物多样性。基于此设计了6种情景来量化气候变化、人类活动及石漠化治理对生物多样性的影响（表3）。
表3 量化气候变化和人类活动对生物多样性的贡献的6种情景

Tab. 3 Six scenarios used to quantify the contribution of climate change and rocky desertification control to biodiversity

情景 BISlope C-con H-con 气候变化贡献率 人类活动贡献率 说明
1 > 0 > 0 > 0 C - c o n C - c o n + H - c o n × 100 % H - c o n C - c o n + H - c o n × 100 % 共同促进
2 > 0 < 0 100% 0 气候变化促进
3 < 0 > 0 0 100% 人类促进
4 < 0 < 0 < 0 C - c o n C - c o n + H - c o n × 100 % H - c o n C - c o n + H - c o n × 100 % 共同抑制
5 < 0 > 0 100% 0 气候变化抑制
6 > 0 < 0 0 100% 人类抑制

3 结果分析

3.1 西南石漠化时空格局及其演变特征

基于《LY/T1840-2009喀斯特石漠化地区植被恢复技术规程》所规定的石漠化程度评定标准，结合石漠化综合指数计算模型，确定各石漠化区间如表4。
表4 石漠化分级标准

Tab. 4 Grading standard of rocky desertification

等级 石漠化指数区间
无石漠化 [0, 0.2291]
潜在石漠化 (0.2291, 0.3049]
轻度石漠化 (0.3049, 0.3356]
中度石漠化 (0.3356, 0.4230]
重度石漠化 (0.4230, 0.5692]
极重度石漠化 (0.5692, 1]
由表5可知，2000年、2005年、2010年、2015年、2020年西南喀斯特地区石漠化面积分别为17.71万km2、13.79万km2、13.48万km2、10.29万km2、7.46万km2。研究期间，石漠化呈降低趋势，总面积变化表现出快速减少—缓慢减少—快速减少的特点（图2），面积减少了10.25万km2，减少速率为0.49万km2/a，占喀斯特地区总面积的19.43%。各等级石漠化在研究期间总体呈降低趋势，但2005—2010年轻度石漠化面积轻微增加，产生该情况的原因可能是降水减少，植被退化，加剧轻度石漠化的发生[29]。轻度石漠化、中度石漠化、重度石漠化以及极重度石漠化分别减少2.34万km2、3.85万km2、2.97万km2、1.09万km2，减少速率分别为0.11万km2/a、0.18万km2/a、0.14万km2/a、0.05万km2/a（图2）。显著（p < 0.05）减少区域主要位于贵州毕节、云南文山以及广西合山，面积为6.02万km2，占西南喀斯特面积的11.15%。由于石漠化的时空演变存在“返变”方式[19]，所以存在部分区域石漠化显著增加（p < 0.05），主要位于贵州省贵阳市周边以及云南省昆明市周边地区，面积为0.95万km2，占西南喀斯特面积的1.76%（图3a）。结果表明，2000—2020年来石漠化治理取得巨大成效。
表5 本文结果与石漠化公报对比

Tab. 5 Comparison between this study and rocky desertification bulletin

石漠化面积(万km2) 2000年 2005年 2010—2011年 2015—2016年 2020—2021年
本文 公报 本文 公报 本文 公报 本文 公报 本文 公报
总面积 17.71 - 13.79 12.96 13.48 12.01 10.29 10.07 7.46 7.22
轻度石漠化面积 5.66 - 3.55 3.56 4.86 4.32 4.02 3.91 3.32 -
中度石漠化面积 6.79 - 6.22 5.92 5.64 5.19 4.34 4.33 2.94 -
重度石漠化面积 4.09 - 3.28 2.94 2.57 2.18 1.82 1.66 1.12 -
极重度石漠化面积
 1.17 - 0.74 0.54 0.41 0.32 0.11 0.17 0.08 -
消减速率(万km2/a) - - 0.78 - 0.06 0.16 0.64 0.39 0.57 0.67
图2 2000—2020年西南石漠化年际变化率和各等级石漠化面积变化及占比

Fig. 2 The annual change rate of rocky desertification in Southwest China and the change and proportion of rocky desertification areas in different grades in 2000-2020

图3 2020—2020年西南石漠化变化趋势及2020年西南石漠化空间分布

Fig. 3 Variation trend of rocky desertification in 2020-2020 and spatial distribution of rocky desertification in 2020 in southwest China

2020年西南地区石漠化总面积为7.46万km2，占西南喀斯特面积的13.81%。轻度石漠化主要分布在贵州、云南和广西等地，呈倾斜“U”型分布；中度石漠化主要集中于云南省昆明南部周边地区、贵州贵阳南部周边地区以及广西南宁周边地区；重度石漠化和极重度石漠化主要分布在云南昆明和贵州毕节。其中以轻度石漠化和中度石漠化区分布最广，面积分别为3.32万km2、2.94万km2，分别占西南喀斯特石漠化面积的44.5%、39.41%。上述地区由于坡度相对较大，植被稀疏，水土流失严重，以及人口密度大，不合理的人类活动破坏自然生态系统，从而导致石漠化的发生[30-31]。从省域尺度上看，贵州省石漠化面积高达1.848万km2，占石漠化面积的24.77%，其后依次为云南1.842万km2、广西1.058万km2、湖南0.895万km2、湖北0.679万km2、重庆0.556万km2、四川0.487万km2、广东0.095万km2，分别占石漠化总面积的24.69%、14.18%、12.00%、9.10%、7.45%、6.53%、1.27%（图3b）。

3.2 西南生物多样性时空格局及其演变特征

利用公式（5）计算中国西南喀斯特地区生物多样性综合指数，评价其生物多样性情况，综合指数的值越高表示该区域的物种越丰富，植被生产力越高，生境质量越高，生态系统丰富多样，人类活动干扰极少，适宜生物生存繁衍，生物多样性越高。为了更好地判断西南喀斯特地区生物多样性的时空变化规律及其演变特征，根据西南地区生物多样性综合指数及《HJ 623-2011区域生物多样性评价标准》，将计算出的生物多样性指数划分为高、中、一般和低4个等级（表6）。
表6 生物多样性综合指数分级

Tab. 6 Comprehensive index grading of biodiversity

生物多样性等级 BI 生物多样性状况
高 BI ≥ 0.6 物种高度丰富，植被生产力高，生境质量高，生态系统丰富多样，人类活动干扰极少，适宜生物生存繁衍。
中 0.4 ≤ BI < 0.6 物种较丰富，植被覆盖好，生境质量较高，生态系统类型较多，局部地区生物多样性丰富。
一般 0.2 ≤ BI < 0.4 物种较少，景观较为破碎，生境质量一般，人类干扰较大。
低 BI < 0.2 物种相对贫乏，生境质量差，生态系统类型单一脆弱，生物多样性极低。
西南喀斯特地区生物多样性总体呈南高北低分布，高值区主要集中于云南省昆明和玉溪交界地区、临沧和保山地区以及广西南宁等部分区域；低值区主要分布于四川西北高寒地区（图4a）。高值区大多数都位于热带雨林和亚热带季雨林区，且临近海洋，水热条件充足，全年高温多雨，环境条件适宜，生物多样性极其丰富。而西北部地区由于是高原高寒植被气候区，海拔高，气温低，不利于植物生长，大多数为草地覆盖，植物类型较为单一，导致其生物多样性较低[32]。在研究期间，西南喀斯特地区生物多样性以一般值区和中值区为主，且呈增长趋势，增长面积分别为4.21万km2、1.28万km2，分别占西南喀斯特面积的7.80%、2.37%。低值区和一般值区面积都呈下降趋势，下降面积分别为0.75万km2、4.74万km2，分别占西南喀斯特面积的1.39%、8.78%（图4b）。
图4 2000—2020年西南喀斯特生物多样性分级空间分布及面积变化

Fig. 4 Spatial distribution and area change of biodiversity classification in the karst region of southwest China in 2000-2020

2000—2020年西南喀斯特地区生物多样性总体呈增加趋势，生物多样性指数趋势率约为0.019（图5a）。显著（p < 0.05）增加区域主要位于云南省曲靖和昭通、贵州毕节、重庆、湖北宜昌和十堰及其周边地区以及四川东北部分地区，面积为8.66万km2，占西南喀斯特面积的16.04%。大规模的生态保护是西南喀斯特地区生物多样性增加的主要原因[12]。显著（p < 0.05）降低区域主要集中在云南昆明、景洪和香格里拉及其周边地区、贵州贵阳周边地区以及广西贵港周边地区，面积为1.64万km2，占西南喀斯特面积的3.03%（图5b），城市扩张以及不合理的森林利用导致该情况的发生[33-34]。由于降低区域小且呈零星分布，所以被增加区域抵消，因此西南喀斯特地区生物多样性在逐年增加，其综合指数均值为0.40，总体维持在较高水平。
图5 2000—2020年西南喀斯特生物多样性年际变化率及变化趋势的空间分布

Fig. 5 Spatial distribution of annual change rate and trend of karst biodiversity in Southwest China in 2000-2020

3.3 石漠化和生物多样性的关系

采用偏相关分析探讨中国西南喀斯特地区石漠化与生物多样性的关系发现（图6a），74.33%区域的石漠化与生物多样性表现出负相关关系，面积约为40.14万km2，主要分布在贵州毕节、云南保山和文山以及四川大部分地区，表明石漠化的降低有利于这些地区生物多样性的增加。相反，由于石漠化与生物多样性在贵州遵义以及黔南等地区的偏相关系数为正，意味着石漠化增长对这些地区的生物多样性产生抑制作用，占西南喀斯特地区的25.67%。
图6 2000—2020年西南石漠化与生物多样性偏相关系数及变化区域的空间分布

Fig. 6 Spatial distribution of partial correlation coefficient and change region between rocky desertification and biodiversity in southwest China in 2000-2020

在石漠化显著（p < 0.05）降低区域，有88.98%区域的生物多样性增加，面积约为5.35万km2，占西南喀斯特地区面积的9.91%。因为在石漠化治理过程中，对石漠化区域地表植被进行恢复和重建，增加生态系统恢复力稳定性和抵抗力稳定性，增强其水土保持能力，涵养水源，为物种提供适宜的生存环境，从而促进生物多样性的提高[35-36]。在石漠化显著（p < 0.05）增加区域，有72.14%的区域表现出生物多样性降低，面积约为0.68万km2（图6b），石漠化的增加会导致严重的土地退化，破坏植被，加剧土壤侵蚀，减少生态系统物质交换和能量流动，特别是水资源，进而对生物多样性造成严重破坏[37-38]。上述结果表明，石漠化的降低可以促进生物多样性的提升，且具有明显的空间异质性。

3.4 石漠化治理对生物多样性的贡献

通过残差多元回归计算出石漠化治理、气温及降水等因子对生物多样性影响的相对贡献率。从整体来看，西南喀斯特地区石漠化治理对生物多样性的影响表现为积极贡献，总体贡献率为26.39%（图7b）。具有明显的空间异质性，石漠化治理在西南喀斯特地区74.33%的区域内表现出积极贡献，促进了生物多样性的增长，突出表现在云南省文山壮族苗族自治州以及广西壮族自治区合山市等地，贡献率大于40%。相反，有25.67%的区域表现出消极影响，大部分集中在四川凉山西南部以及广西来宾周边地区（图7a）。以下几个方面的原因会导致石漠化治理对生物多样性产生消极影响，具体表现为[39-40]：① 无效石漠化治理项目的实施；② 石漠化治理效果的持续性较差；③ 治理措施单一，实施后的地区生态系统服务功能简单，缺乏稳定性。
图7 2000—2020年石漠化治理对生物多样性的贡献率空间分布及贡献值

Fig. 7 Spatial distribution of the contribution rate of karst rocky desertification control to biodiversity and its contribution value in southwest China in 2000-2020

4 结论与讨论

4.1 讨论

4.1.1 西南喀斯特区域和非喀斯特区域生物多样性对比

2000—2020年西南非喀斯特地区生物多样性总体分布规律与喀斯特地区一致，呈南高北低分布。高值区主要集中于云南西南部、广西东部等大部分地区；低值区主要位于四川西北地区、粤港澳大湾区以及湖北武汉一带（图8a）。其生物多样性综合指数均值为0.37，低于喀斯特地区。其原因是四川西北部地势较高，气温低，植被类型单一，四川盆地主要以耕地为主，生态系统结构简单，而二者面积之和约占西南非喀斯特地区面积的1/3，从而导致非喀斯特地区的生物多样性低于喀斯特区域[41]。
图8 2000—2020年西南非喀斯特生物多样性及变化趋势空间分布

Fig. 8 Spatial distribution of trend rate and change trend of biodiversity in non-karst region in southwest China in 2000-2020

2000—2020年西南非喀斯特地区生物多样性总体呈增加趋势，其趋势率为0.017，低于喀斯特地区，生物多样性增长速率低于喀斯特地区，但是二者之间差值很小。是由于喀斯特地区独特的裂隙、孔隙结构导致其水利用效率低，导致部分生态修复效果被抵消[42]。2000—2020年西南非喀斯特生物多样性显著（p < 0.05）增加区域主要集中于四川盆地以及湖北东部大部分地区，占西南非喀斯特地区面积的19.20%。但是在粤港澳大湾区和湖北武汉周边地区，城市的快速扩张不断侵占森林和湿地，导致生物多样性显著降低（图8b）。西双版纳位于热带雨林地区，但是由于森林保护与当地社会经济发展存在矛盾，橡胶林等单一林木大规模种植，不断蚕食天然林，热带雨林持续减少，导致2000—2020年生物多样性也显著降低[43]。综上，喀斯特地区生物多样性总体状况以及增加速率都优于非喀斯特地区，表明了人工干预的介入加快了西南地区的生态恢复，尽管部分效果被气候变化以及其独特的区域地质因素抵消，但是仍然具有明显的积极作用，促进西南地区生物多样性的增加。

4.1.2 其他因素对生物多样性的贡献

为进一步量化气候变化和人类活动对西南喀斯特地区生物多样性的影响，通过偏导数残差法分析气温、降水及其他人类活动对生物多样性的贡献[28]。2000—2020年气候变化和人类活动对西南喀斯特地区生物多样性的贡献分别52.78%、47.22%，其中气温、降水、其他人类活动对西南喀斯特地区生物多样性的贡献分别为5.29%、47.49%、20.83%（图9a~9c）。在气候因素中，降水对生物多样性的贡献最大，占气候贡献的89.98%，温度对生物多样性的贡献率较低，影响不明显，这与Zhao等的研究结果具有一致性[44]。在人类活动中，其他人类活动对生物多样性的影响较小，占人类活动的44.11%。上述结果表明近20年来对西南地区生物多样性产生积极影响的因素主要是降水，降水对于贵州毕节和云南昭通交界地带生物多样性的贡献较大。与之相反，降水在广西西南部分地区表现出明显的消极影响。
图9 2000—2020年气温、降水、其他人类活动对生物多样性的贡献及主导区域划分

Fig. 9 The contribution rates of temperature, precipitation and other human activities to biodiversity and the division of dominant regions of southwest China in 2000-2020

基于气候变化和人类活动对西南喀斯特地区生物多样性影响的贡献率，可以进一步量化气候变化和人类活动对生物多样性影响的主导区域及其促进和抑制作用[45-46]。2000—2020年有83.71%的区域表现出促进作用，16.29%的区域受到抑制。促进区域以气候变化和人类活动共同作用的区域为主导，面积约为19.42万km2，占西南喀斯特面积的35.96%，主要分布在贵州毕节市地区和云南曲靖市和昭通市部分地区，其次为人类活动促进区域，最后为气候变化促进区域，但是二者之间仅相差1.61%。抑制区域以气候变化抑制区域为主要区域，面积约4.14万km2，占西南喀斯特面积的7.66%；人类活动抑制区域占西南喀斯特面积的5.08%；气候变化和人类活动共同抑制区域面积约1.98万km2，占西南喀斯特面积的3.55%，主要集中在贵州中部地区、湖南南部永州地区以及四川凉山和阿坝部分地区（图9d）。

4.1.3 石漠化演变原因及其对生物多样性的间接影响

2000—2020年研究区域变暖和变湿润趋势明显。2000—2020年西南喀斯特地区气温上升了0.72 ℃，平均气温为14.69 ℃（图10a）。年降水量也呈逐年增长趋势，增长了28.4 mm，平均降水量为979.51 mm，2016年最高，为1105.56 mm（图10b）。气温升高延长了生长季以及促进光合作用，加上降水的增多，使得植物对水资源的直接利用率增加，刺激植被生长[47⇓⇓-50]。同时，自1999年起，中国政府相继启动“退耕还林”“石漠化专项治理”以及“生态移民”等生态保护项目，使得西南喀斯特地区天然林保有量基本保持不变，人工林增加到2.2万km2（图10d）。由于生态移民项目的实施，在2011年之后西南喀斯特地区人口密度呈下降趋势，速率约为减少1人/(km2 3a)人口密度的降低（图10c），减少了人类活动对生态恢复的扰动，加快生态自然恢复进程，减缓人类活动对环境造成的生态压力，进而减少石漠化的发生，增加生物多样性[18,51]。
图10 2000—2020年气温、降水、人口密度变化趋势及土地利用转移

Fig. 10 Trend of temperature, precipitation, population density and land use transfer in southwest China in 2000-2020

4.1.4 研究不足与展望

本文揭示了中国西南喀斯特石漠化治理对生物多样性的积极贡献和消极影响。然而在以下几个方面仍存在着一定的局限性。① 在选取石漠化解译指标时，未考虑西南地区土层厚度，土层厚度的大小也会影响石漠化的发生，同时，在研究石漠化治理对生物多样性的关系时仅通过偏相关分析阐明了他们之间的相互影响，而没有考虑其他的影响[23]；② 本文侧重于西南地区生物多样性对于石漠化治理的响应，因而缺乏对石漠化解译结果的比较和验证；③ 由于中国生物多样性热点区域多集中于西南地区，数据资料难以满足中国西南山地生物多样性热点区域与其他生物多样性热点区域的对比研究，因而本文没有具体阐明不同热点区域上生物多样性的差异。④ 未能考虑遗传多样性和物种多样性，缺乏石漠化治理具体项目有效性对生物多样性影响的研究分析。下一步将利用物种等面板数据对生物多样性指数进行反演，收集具体石漠化治理项目信息，深入分析西南石漠化治理项目的有效性对生物多样性的影响。同时，重点选取两个喀斯特地区的生物多样性热点区域做对比研究，以揭示相同地质背景下不同表现形式对生物多样性的影响和贡献。

4.2 结论

本文分析了2000—2020年中国西南喀斯特地区石漠化治理成效、生物多样性变化以及石漠化治理和气候变化对生物多样性的影响。结果表明石漠化治理工程实施后，西南喀斯特地区石漠化面积明显降低，使得生物多样性维持在较高水平，主要结论如下：
（1）2000—2020年中国西南喀斯特地区石漠化整体呈持续降低趋势，总面积减少10.25万km2，减少平均速率为0.49万km2/a。
（2）2000—2020年中国西南喀斯特地区生物多样性总体保持持续变好趋势，空间分布特征为南高北低，总体维持在较高水平，喀斯特地区生物多样性略高于非喀斯特地区。
（3）有74.33%区域的生物多样性受到石漠化的制约，通过石漠化治理可解除该限制，其对生物多样性的贡献率为26.39%，且在石漠化降低区域，有88.98%区域的生物多样性增加，意味着石漠化治理明显改善西南地区生物多样性。
（4）2000—2020年气候变化和人类活动对生物多样性的贡献率分别为52.78%、47.22%。其中在气候因素中对生物多样性影响最大的是降水，其相对贡献率为47.49%。气候变化和人类活动对研究期间的生物多样性都产生了积极贡献，在83.71%的区域表现出促进作用。

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