黃土高原丘陵溝壑區(qū)退耕還林生態(tài)效應評價

1、第 28卷第 3期 水土保持通報V ol. 28, No. 3收稿日期 :2007-09-10 修回日期 :2007-12-14資助項目 :國家科技支撐計劃 (2006BAD03A0308 ; 國家自然科學基金 (30571527 ; 西北農(nóng)林科技大學 2006年創(chuàng)新團隊支持計劃 作者簡介 :賈曉娟 (1982 , 女 (漢族 , 重慶市榮昌縣人 , 碩 士研究生 , 研究方向 為土地資 源與空間 信息技術(shù)。 E -m ail:xiaojuan 。通信作者 :常慶瑞 (1959 , 男 (漢族 , 陜西省子洲縣人 , 教授 , 博士生導師 , 主要從事土地資源與空

2、間信 息技術(shù)應用研究。 E -m ail:qrchangcn 。黃土高原丘陵溝壑區(qū)退耕還林生態(tài)效應評價賈曉娟 , 常慶瑞 , 薛阿亮 , 蔚 霖 , 王德彩(西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院 , 陜西 楊凌 712100摘 要 :基于 1986, 2003年兩期遙感影像解譯獲得的吳起縣土地利用變化數(shù)據(jù) , 采用生態(tài)系統(tǒng)價值衡量土 地利用類 型相對生態(tài)價值 , 對吳起縣退耕還林的生態(tài)效應進行 了綜合評 價。 (1 1986 2003年間 , 吳起縣 土地利用類型發(fā)生 了顯著變 化。林地、 草地面積 顯著增加 , 耕地面 積大幅度 減少 , 其中 , 63. 55%的 耕地轉(zhuǎn) 換成林地和草地。 (2

3、 吳起縣的生態(tài)環(huán)境指 數(shù)從 0. 507上升 到 0. 747, 生態(tài) 環(huán)境指 數(shù)明顯增 加。其中 , 林 地對區(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)增長貢獻明顯 , 從 0. 058增長到 0. 368, 說明吳 起縣退 耕還林 還草帶 來了較 好的生 態(tài)效應 , 整體的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了極大改善。 關(guān)鍵詞 :吳起縣 ; 退耕還林 ; 生態(tài)效應評價 文獻標識碼 :A文章編號 :1000 288X(2008 03 0182 04中圖 分類號 :S157. 2Ecological Effects of Returning Farmland to Forest Land inthe Loess Gully and Hi

4、lly RegionJIA Xiao -juan, CH ANG Qing -rui, XU E A -liang, YU Lin, WANG De -cai(College of Resources and Envir onmental S cience, N orthetwest A &F Univ er s ity , Yangling , S haanx i 71200, ChinaAbstract:Based on landuse change data obtained fro m TM images in 1986and 2003and the relative ecolo gi

5、cal values of corresponding landuse types, w e evaluated ecolog ical effects of returning farm land to for est or gr ass land in Wuqi Co unty. Results show that landuse types in the co unty w ere in a sig nificant change during 1986-2003. T he total area of w oodland and g rassland has increased g r

6、eatly w hile the area of farmland and unused land has sig nificantly reduced. T here w as 63. 55%of farmland transferred into w oodland and g rassland. Eco -logical enviro nm ent has been significantly im prov ed and ov erall environmental quality has been rem arkably impr oved. Ecolog ical contribu

7、tion rate of returning farmland to fo rest is 40. 96%.Pro jects of r eturning farm -land to forest land in Wuqi County have achieved success and br oug ht w onderful ecolog ical effects. Keywords:W uqi C ounty; returning farmland to forest land; ecological effect evaluation 退耕還林還草工程是我國為保護和改善生態(tài)環(huán) 境而采取

8、的一項重要的生態(tài)恢復工程 , 我國許多學者 業(yè)已對退耕還林措施為生態(tài)、 社會和經(jīng)濟環(huán)境帶來的 影響 , 進行了廣泛深入的研究 1 5。退耕還林生態(tài)效 益評價問題 , 已成為當前研究的重點和熱點?，F(xiàn)有研 究 1,3 4主要集中于退耕還林涵養(yǎng)水源效益、 水土保持效益、 凈化空氣效益、 碳循環(huán)效益、 生物多樣性效益 等研究 , 其實質(zhì)是對森林生態(tài)效益評價研究。退耕還 林工程不僅改善了退耕區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量 , 還影響了 退耕區(qū)周邊的整個區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量 , 所以 , 其生態(tài)效應就應包括退耕區(qū)林草植被的恢復與植被覆蓋率 的提高 , 控制水土流失以及所產(chǎn) 生的水土資源 的改 善 , 局部生態(tài)系統(tǒng)的重建與系

9、統(tǒng)的動態(tài)平衡以及退耕 區(qū)對周邊及整個生態(tài)環(huán)境的貢獻等方面6, 由此退耕還林生態(tài)效應不能孤立于退耕區(qū) , 而應將其納入?yún)^(qū)域 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量研究 , 進行綜合分析。同時 , 退耕還林 是將不適宜耕作的土地轉(zhuǎn)換成林地或草地 , 使其植被 得到恢復 , 防止區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化 , 這表明退耕還林 直接改變土地利用 /土地覆蓋 (LUCC , 是對 不合理 土地利用方式的調(diào)整。但是 , 從 LU CC 變化 及生態(tài)系統(tǒng)服務價值角度綜合評價退耕還林生態(tài)效應的研 究較少。因此 , 本文選取黃土 高原丘陵溝壑 典型區(qū) 域 吳起縣為研究區(qū) , 利用 1986, 2003年兩期 T M 遙感影像 , 解譯獲取的 LU

10、 CC 變化數(shù)據(jù) , 并以 Cost -anza 7等人對全球不同生態(tài)系統(tǒng)價值測算結(jié)果的比 例關(guān)系衡量土地利用類型相對生態(tài)價值 , 對退耕還林 還草工程的區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應進行綜合評價。1研究區(qū)概況研究 區(qū) 吳起 縣 位于 107b 38c 57d 108b 32c 49d E, 30b 33c 33d 37b 24c 27d N, 面積 3791. 5km 2, 地處毛烏素 沙地南緣農(nóng)牧過渡地帶 , 是典型的黃土高原梁狀丘陵 溝壑區(qū) , 95. 4%的耕地是坡耕地。該區(qū)屬半干旱溫帶 大陸 性 季 風 氣 候 , 年 平 均 氣 溫 7. 8e , 年 降 雨 量 483. 4mm, 10e 積

11、溫 2817. 8e , 無霜期 146d ?？h 境內(nèi)山大溝深 , 植被稀少 , 水土流失嚴重 , 災害頻繁。 1998年 , 吳起 縣把治理 水土流 失 , 改 善生 態(tài)環(huán) 境 , 振興農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟 , 實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展作為農(nóng)村 經(jīng)濟的總目標 , 以封山禁牧為突破口 , 解決林牧矛盾 , 調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu) , 確定了 /封山退耕 , 植樹種草 , 舍 飼養(yǎng)畜 , 林牧主導 , 強農(nóng)富民 0的逆向開發(fā)戰(zhàn)略 , 一次 性退耕 1. 04105hm 2, 截止目前 , 全縣已累計完成 退耕還林計劃任務 1. 10105hm 2, 其中退耕地 5. 99 104hm 2, 荒山荒地 5. 02104

12、hm 2, 工程輻射全縣 12鄉(xiāng)鎮(zhèn) , 164個行 政村 , 1110個 村民 小組 , 22876戶 , 105426人。隨著工程管理的日益規(guī)范 , 2004年建成了省一 級的退耕還林工程檔案室 , 現(xiàn)共收錄退耕還林檔案 5 240件 (冊 , 利用信息技術(shù) , 在矢量化地形圖的基礎(chǔ) 上 , 基于 3S 技術(shù)平臺 , 建成了吳旗縣退耕還林工程信 息管理系統(tǒng)。全縣林草覆蓋率由退耕前的 19. 2%提 高到 62. 9%, 森林覆蓋率由 13. 2%提高到 38. 2%, 土 壤侵蝕模數(shù) 由 15280t/(km 2#a 下降到 5400t/ (km 2#a , 較 1997年減少 64. 7%

13、, 生態(tài)環(huán)境得到明 顯改善。2研究方法2. 1數(shù)據(jù)來源與處理研究區(qū)土地利用變化數(shù)據(jù) 8主要來源于 1986年 (軌道號 128/34 35 和 2003年 (軌 道號 128/34 35 2個時相的 Landsat5T M 衛(wèi)星遙感影像 資料的 解譯數(shù)據(jù) , 并結(jié)合野外考察和各時期統(tǒng)計年鑒等相關(guān) 變化生態(tài)效應分析 , 結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)類型和我國土地利 用現(xiàn)狀類型 , 將土地利用類型劃分為 6類。2. 2土地利用類型轉(zhuǎn)換分析運用 ERDAS 軟件 , 采用監(jiān)督分類和目視修正相 結(jié)合的方法 , 獲得不同時期土地利用類型圖 , 再利用 GIS 分析功能對 1986, 2003年土地利用類型分類結(jié) 果進行

14、疊加分析 , 得到 1986 2003年土地利用類型 相互轉(zhuǎn)化數(shù)量關(guān)系的原始轉(zhuǎn)移矩陣。采用土地利用 類型轉(zhuǎn)換強度指數(shù)評價其變化程度 , 即某一區(qū)域內(nèi) , 單位面積上土地利用類型 i 從 a 時期到 b 時期發(fā)生 的改變 , 其計算公式 9如下I i =i, b i, aAT100%(1 式中 :I i 土地利用類型 i 的變化強度指數(shù) ; K i, b , K i, a 研究初期 a 及研究末期 b 土地利用類型 i 的 面積 ; A 研究區(qū)土地總面積 ; T 研究末期和 初期的時間間隔 (a 。2. 3土地利用類型相對生態(tài)價值生態(tài)系統(tǒng)服務功能是人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的 效益 , 是產(chǎn)生與形成生

15、物資源價值的環(huán)境 , 目前采用 生態(tài)服務價值將其量化。本研究根據(jù)國內(nèi)外學者的 研究 7, 10, 11, 采用 Costanza 7等人 測算的 生態(tài)服 務 價值 , 并定義相對生態(tài)價值來研究退耕還林后引起的 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化。相對生態(tài)價值是對不同土地利用類型的生態(tài)質(zhì) 量在 0, 1區(qū)間內(nèi)賦值 , 反映不同土地利用類型生態(tài) 價值之間的比例關(guān)系。由于 Costanza 等人測算的各 生態(tài)系統(tǒng)類型的單位價值存在較大偏差 , 如對耕地的 估計過低 , 對水域估計又偏高等 10, 因此 , 結(jié) 合研究 區(qū)實際情況 , 以林地的生態(tài)價值為最高 , 值賦為 1. 0; 研究區(qū)水體 (主要為河流 生態(tài)系

16、統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單 , 實 際生態(tài)系統(tǒng)服務功能低于林地 , 其賦值相應降低 ; 居 民地與未利用土賦值參照當?shù)貙嶋H及其它土地利用 類型生態(tài)價值比例關(guān)系而定 ; 得到不同土地利用類型 的相對生態(tài)價值 (表 1 。2. 4區(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)測算綜合考慮各土地利用類型的面積比例 , 對相對生 態(tài)價值加權(quán)求和 , 表征某一區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體 狀況 , 求得不同時期土地利用類型總的區(qū)域生態(tài)環(huán)境 指數(shù) 9V t , 其表達式為V t =E n i=1K i C i /A (2 :K i , i t i183第 3期 賈曉娟等 :黃土高原丘陵溝壑區(qū)退耕還林生態(tài)效應評價所具有的面積 和相對生態(tài)價值 ; A 研究

17、 區(qū)總面 積 ; n 區(qū)域內(nèi)所具有的土地利用類型數(shù)量。 2. 5土地利用類型類型轉(zhuǎn)換的生態(tài)貢獻指數(shù) 指某一種土地利用類型變化所導致的區(qū)域生態(tài) 環(huán)境質(zhì)量的改變 , 其表達式 9為I =(C j -C i A i-j /A (3 式中 :I 生態(tài)貢獻 指數(shù) ; C i , C j i, j 種 土地利 用類型所具有的相 對生態(tài)價值 ; A i -j 研 究時段 由 i 種土地利用類型變化為 j 種類型的面積 ; A 研究區(qū)總面積。3結(jié)果與分析3. 11986 2003年土地利用變化特征分析吳起縣土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 (表 2 , 可以 得出如下結(jié)論。 (1 耕地和未利用地大幅度轉(zhuǎn)換為林 地和草地。

18、分別有 31. 55%和 32. 00%的耕地轉(zhuǎn)換為 林地和草地 , 30. 20%和 44. 26%的未利用地轉(zhuǎn)換為林 地和草地 , 退耕還林工程是該區(qū)土地利用類型改變的 主要原因 ; (2 林地和草地之間相互轉(zhuǎn)換 , 但草地向林 地的轉(zhuǎn)換比例高于林地向草地的轉(zhuǎn)換比例 , 低蓋度草 地向灌木林地轉(zhuǎn)化明顯 ; (3 分別有 1. 72%的林地 , 0. 42%的草地和 3. 78%的未利用地轉(zhuǎn)換成耕地 , 說明 毀林毀草開荒行為得到有效遏制 , 極少部分荒草地開 墾為耕地 ; (4 水域和居民地面積相對穩(wěn)定。17a 間研究區(qū)林地 面積變化強度 最大 , 耕 地次 之 , 未利用地再次之 , 其

19、中林地面積呈正增長 , 增加了 117366. 22hm 2, 耕地面積和未利用地呈負增長 , 分 別減少了 85183. 11hm 2和 33147. 1hm 2, 退耕還林 工程在該區(qū)已取得了顯著成效。3. 2退耕還林的生態(tài)效應評價3. 2. 1整體生態(tài)效應 表 3表明 , 隨著退耕還林還 草工程的實施 , 吳起縣的生態(tài)環(huán)境指數(shù)從 1986年的 0. 507上升到 2003年 0. 747, 生態(tài)環(huán)境指數(shù)明 顯增 加 , 增幅為 47. 72%。表 1吳起縣不同土地利用類型相對生態(tài)價值土地利用類型 耕地 林地 草地 水域 未利用地 居民地全球平均值 U SD/(hm 2#a -1 9230

20、22328498 相對生態(tài)價值 0. 3051. 0000. 7680. 7820. 0250. 015注 :/ 0表示在 Costanza 等人的研究中未計算其生態(tài)系統(tǒng)服務價值。表 21986 2003年吳起縣土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 %地 類 耕 地 林 地 草 地 水 域 未利用地 居民地 各地類轉(zhuǎn)換強度 耕 地 21. 5531. 5532. 000. 0314. 780. 10-1. 320林 地 1. 7273. 1718. 870. 055. 980. 211. 820草 地 0. 4238. 8558. 780. 081. 800. 060. 020水 域 0. 616. 938.

21、 1075. 398. 910. 05-0. 010居民地 0. 000. 000. 360. 360. 7198. 580. 004未利用地 3. 7830. 2044. 260. 1521. 570. 04-0. 510注 :行表示 1986年土地利用類型 i 轉(zhuǎn)變?yōu)?2003年土地利用類型 j 的面積占 i 類型面積的比例。表 31986 2003年吳起縣生態(tài)環(huán)境指數(shù)變化地 類1986年 2003年面積 /hm 2生態(tài)環(huán)境指數(shù) /%面積 /hm 2生態(tài)環(huán)境指數(shù) /%耕 地 113367. 640. 09128184. 530. 023林 地 22009. 180. 058139375.

22、40. 368草 地 170443. 000. 3451717460. 348水 域 3640. 680. 0083021. 570. 006居民點 50. 670. 000329. 580. 000未利用地 69643. 900. 00536496. 800. 002合 計 379155. 070. 507379153. 900. 747其中 , 林地對區(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)增長貢獻明顯 , 從 0. 058增長到 0. 368, 增加了 5. 34倍 , 說明吳起縣 退耕還林還草帶來了較好的生態(tài)效應 , 整體的生態(tài)環(huán) 境質(zhì)量得到極大改善。3. 2. 2退耕還林的生態(tài)貢獻指數(shù) 表 4和表 5分別

23、給出了 1986 2003年期間導致吳起縣生態(tài)環(huán)境改善 和退化的主要土地利用變化類型的面積及生態(tài)貢獻 指數(shù)?？梢钥闯?, 吳起縣土地利用類型改變導致生態(tài) 環(huán)境質(zhì)量明顯提高 , 其土地利用變化導致的生態(tài)環(huán)境 的整體貢獻指數(shù)為 0. 2442。其中 , 退耕還林還草的 生態(tài) 貢 獻 指 數(shù) 高 達 0. 1099, 占 總 貢 獻 指 數(shù) 的 40. 96%, 說明退耕還林還草工程對吳起縣生態(tài)環(huán)境 的影響十分明顯 , 是該區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提高的主要驅(qū) 動因子。導致區(qū)域生態(tài)環(huán)境退化主要為耕地轉(zhuǎn)換成 未利用地和林草地轉(zhuǎn)化為未利用地。表 4區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善的轉(zhuǎn)變類型及貢獻指數(shù) 土地利用 轉(zhuǎn)換類型 轉(zhuǎn)換面積

24、 /hm 2生態(tài)貢獻 耕地轉(zhuǎn)換 為林地 35762. 400. 06555耕地轉(zhuǎn)換 為草地 36277. 100. 04430草地轉(zhuǎn)換 為林地 66219. 660. 04052未利用地 轉(zhuǎn)換為林地 21033. 490. 05464未利用地 轉(zhuǎn)換為草地 30822. 000. 06121未利用地 轉(zhuǎn)換為耕地 2631. 240. 00194合 計 192745. 890. 26817表 5區(qū)域生態(tài)環(huán)境退化的轉(zhuǎn)變類型及貢獻指數(shù) 土地利用 轉(zhuǎn)換類型 轉(zhuǎn)換面積 /hm 2生態(tài)貢獻 林地轉(zhuǎn)換 為耕地 377. 82-0. 00069草地轉(zhuǎn)換 為耕地 722. 07-0. 00088水域轉(zhuǎn)換 為耕地

25、22. 23-0. 00003耕地轉(zhuǎn)換 為未利用地 16756. 70-0. 01236林地轉(zhuǎn)換 為未利用地 1316. 97-0. 00338草地轉(zhuǎn)換 為未利用地 3072. 87-0. 00602水域轉(zhuǎn)換 為未利用地 324. 45-0. 00065合 計 22593. 11-0. 024014結(jié) 論(1 1986 2003年間 , 吳起縣土 地利用類 型發(fā) 生了顯著變化。林地、 草地面積不斷增加 , 而耕地和 未利用地面積大幅度減少 , 其中 , 63. 55%的耕地轉(zhuǎn)換 成林地和草地 ; 由此導致生態(tài)環(huán)境明顯改善 , 整體生 態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)提高到 0. 747, 提高了 47. 72%

26、, 其中 退耕還林的生態(tài)貢獻指數(shù)占 40. 96%。為黃 土高原 丘陵溝壑區(qū)的退耕還林工程提供了示范樣板。 (2 相對生態(tài)價值實質(zhì)是各土地利用類型生態(tài) 系統(tǒng)價值的比例關(guān)系。雖然 Costanza 等人測算的生 態(tài)系統(tǒng)價值在一定的理論背景和實踐的環(huán)境下提出 的 , 其賦值具有普遍性。但是 , 根據(jù)當?shù)赝恋乩们?況 , 水域的生態(tài)服務價值略高于 吳起縣地區(qū)的 真實 值 , 因此 , 對相對生態(tài)價值進行了修正。下一步研究 為更接近研究區(qū)土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)價值的真實 情況 , 應更進一步細化土地利用類型 , 如林地可細分 為有林地、 灌木林地等 , 以便精確確定不同土地利用 類型的相對生態(tài)價值。(3 退耕還林的綜合生態(tài)效應評價區(qū)別于森林 生態(tài)效應評價 , 而應從退耕還林還草改變土地利用類 型引起區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化整體出發(fā) ,