李宗杰， 楊彩紅， 馬 瑞， 齊廣平， 王 立， 張 丞， 宋玲玲， 王景功

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

植被是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著重要作用，并且在維持全球碳平衡、減緩溫室氣體濃度升高、維護(hù)全球氣候穩(wěn)定、水土保持等方面具有不可替代的作用[1-5]。在自然生態(tài)系統(tǒng)中，植被是最活躍和敏感的因子，大氣、水、土壤等成分的變化都能被其靈敏地反映出來，被稱為景觀變化的指示器。隨著對地觀測技術(shù)的不斷成熟，利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行植被動態(tài)變化分析的研究日益增多[6-8]。高時間，高空間和高光譜分辨率的遙感數(shù)據(jù)，如NOAA/AVHRR，MODIS，SPOT等為研究植被動態(tài)變化提供了可靠的數(shù)據(jù)源，使得過去難以實現(xiàn)的大尺度植被動態(tài)研究成為可能。植被指數(shù)能反映綠色植被的生長和分布狀況，在一定程度上反映著植被的變化，經(jīng)過20 a多的研究，國內(nèi)外學(xué)者提出了幾十種植被指數(shù)，常用的有NDVI，RVI，DVI，EVI，SAVI，MSAVI等，其中最常用的是NDVI[8-10]。

退耕還林還草工程是指在水土流失嚴(yán)重或糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)定的坡耕地和沙化耕地，以及生態(tài)地位重要的耕地，退出糧食生產(chǎn)，植樹或種草。實行退耕還林還草資金和糧食補(bǔ)貼制度，國家按照核定的退耕地還林面積，在一定期限內(nèi)無償向退耕還林者提供適當(dāng)?shù)募Z食補(bǔ)助、種苗造林費和現(xiàn)金(生活費)補(bǔ)助。黃河流域以及北方地區(qū)，退耕地每年補(bǔ)助原糧1 500 kg/hm2，現(xiàn)金300元，還生態(tài)林的至少補(bǔ)助8 a，還經(jīng)濟(jì)林的補(bǔ)助5 a，還草的補(bǔ)助2 a，退耕地和宜林荒山荒地補(bǔ)助種苗造林費750元/hm2[11]。該工程是提高區(qū)域植被覆蓋度的重要舉措，為合理利用土地資源，增加林草植被，再造秀美山川，維護(hù)國家生態(tài)安全，實現(xiàn)人與自然和諧共存而實施的一項重大生態(tài)工程。

會寧縣緊緊抓住退耕還林還草工程這一歷史機(jī)遇，強(qiáng)化措施，突出重點，加大了綜合治理力度，開創(chuàng)了生態(tài)環(huán)境建設(shè)的新局面。近幾年實踐證明，退耕還林對改善生態(tài)環(huán)境，改變不合理生產(chǎn)方式，加快貧困地區(qū)農(nóng)民脫貧致富，優(yōu)化農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了積極作用，被群眾稱為“民心”工程、“德政”工程[12-14]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

會寧縣地處甘肅省中部地區(qū)，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)第Ⅴ副區(qū)，地理坐標(biāo)35°24′—36°26′N，104°29′—105°31′E，總面積5 666.25 km2，總?cè)丝?8 萬，是甘肅省人口最多的縣。會寧縣南部多高大山梁，海拔較高，北部為低緩川塬，海拔較低。夏季暖濕空氣北上困難，冬季干冷空氣南下長驅(qū)直入，故氣候溫涼干燥，南北差異較大，降水少且分布不均勻，年際變率較大，年內(nèi)四季分明、水熱同季，日照時間長，蒸發(fā)強(qiáng)烈，無霜期較短。氣候類型屬溫帶大陸型季風(fēng)氣候，多年平均降雨量340 mm，多年平均蒸發(fā)量1 800 mm，由于降水稀少，林草覆蓋度僅為8.40%，加之黃土的特有屬性，水土流失十分嚴(yán)重，全縣土壤侵蝕模數(shù)6 156 t/(km2·a)，每年約流失表土4.20 mm，生態(tài)環(huán)境極為惡劣。

水土流失、荒漠化等生態(tài)環(huán)境的惡性循環(huán)，不僅加劇了該縣的貧困程度和自然災(zāi)害的發(fā)生，也制約了全縣經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展。1999 年國家開始實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略，將生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和建設(shè)作為西部開發(fā)的切入點和根本，實施了退耕還林還草工程和生態(tài)環(huán)境建設(shè)綜合治理工程。根據(jù)《全國生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)劃》和《甘肅省生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)劃》，1999年會寧縣被國家確定為國家生態(tài)環(huán)境建設(shè)綜合治理工程重點縣之一，加大投資進(jìn)行生態(tài)環(huán)境的綜合治理。

1.2 數(shù)據(jù)和方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源 本研究所采用的數(shù)據(jù)是美國國家航空航天局提供的MODIS—NDVI數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可免費下載。本文主要運用了2000和2011年的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d，每年共23期數(shù)據(jù)。MODIS植被指數(shù)具有數(shù)據(jù)接收免費、時間分辨率高、空間分辨率中等、通道多、波段窄等優(yōu)點，其優(yōu)良特性是NOAA—AVHRR傳感器所不能比擬的。如MODIS在紅光和近紅外波段地面空間分辨率為250 m，且探測波段較窄，避開了近紅外波段的水汽吸收帶，且紅色通道(620～670 nm)比AVHRR的(580～680 nm)更窄，對葉綠素的吸收更敏感，提高了對稀疏植被的探測能力，這對于地處干旱區(qū)的會寧縣而言極為適用。

1.2.2 研究方法

(1)研究區(qū)植被指數(shù)的分析。① 利用MODLAND提供的MRT(modis reprojection tools)工具將下載的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、格式和地圖投影轉(zhuǎn)換，將HDF格式轉(zhuǎn)化為GEOTiff格式，將Sinusoidal地圖投影轉(zhuǎn)換為Albers Equal Area。② 在ArcGIS中，利用ArcMap軟件下的Spatial Analyst Tool工具對投影變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，分別得到2000和2011年會寧縣的NDVI數(shù)據(jù)集，然后，在遙感影像處理軟件ENVI中用NDVI最大值合成法，對同屬一個月的多期NDVI影像進(jìn)行最大值合成，合成逐月的NDVI影像，該方法可進(jìn)一步去除噪聲點并提高數(shù)據(jù)的可靠性。③ 在ArcGIS中，利用ArcMap軟件，在Spatial Analyst Tool工具下的柵格計算器(raster calculator)分別對2000和2011年5—9月的NDVI數(shù)據(jù)取均值，得到年NDVI數(shù)據(jù)。因為在西北干旱區(qū)植被的生長季一般為5—9月，所以本文以5—9月NDVI的平均值作為年NDVI數(shù)據(jù)。最后利用ArcMap軟件，在Spatial Analyst Tool工具下的柵格計算器中對2011和2000年的兩期NDVI影像進(jìn)行差值分析，得出2000—2011年植被指數(shù)的變化情況。

(2)退耕還林還草區(qū)現(xiàn)場調(diào)查。① 通過對小流域現(xiàn)狀植物的全面調(diào)查，選取土門峴鄉(xiāng)和劉寨鄉(xiāng)流域現(xiàn)有的植物群落，在這些群落分布的典型地段(塬區(qū)、溝壑、梁區(qū))設(shè)置樣地，樣地設(shè)置采用典型取樣法，取樣面積分別為：喬木樣方20 m×20 m，灌木樣方10 m×10 m，草本樣方1 m×1 m；在每個鄉(xiāng)不同典型地段分別選取典型樣方。② 分別對喬木的樹種、高度、胸徑、地徑，灌木的樹種、樹高、地徑和草本的草種、高度等指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場測定。最后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，得出林木或草的生長狀況。

(3)研究區(qū)山洪暴發(fā)情況走訪調(diào)查。① 在不同區(qū)域選擇典型的排洪溝，主要是水流沖刷侵蝕形成的黃土溝谷，為了便于走訪調(diào)查，選擇的溝谷基本位于居民點附近。② 分別對50處具有代表性的排洪溝洪水暴發(fā)情況進(jìn)行調(diào)查，對同一個溝谷退耕還林還草工程實施之前和之后山洪暴發(fā)的次數(shù)至少走訪3家農(nóng)戶，然后對調(diào)查的數(shù)據(jù)取平均值。最后，匯總調(diào)查數(shù)據(jù)，確定不同排洪溝山洪暴發(fā)情況，得出山洪暴發(fā)次數(shù)對比情況。

(4)研究區(qū)農(nóng)戶走訪調(diào)查。① 設(shè)計調(diào)查問卷，調(diào)查該工程實施前后，山洪暴發(fā)的強(qiáng)度以及破壞性；農(nóng)戶對退耕還林還草的實施態(tài)度及其感知；該工程實施前后，農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)收入變化，農(nóng)戶對生態(tài)環(huán)境的感知變化，水土流失的發(fā)生情況等[15]。② 我們在不同的區(qū)域分別對100名農(nóng)戶進(jìn)行了調(diào)查。最后，根據(jù)調(diào)查情況分析匯總數(shù)據(jù)，得出農(nóng)戶走訪調(diào)查情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)2000-2011年植被指數(shù)變化

由表1，圖1—2可知，2000—2011年會寧縣植被NDVI指數(shù)明顯增加，反映了植被蓋度顯著增大。計算得知植被NDVI指數(shù)增加的面積占全縣總面積的77.74%，約為4 404.75 km2，植被NDVI指數(shù)減少的面積占總面積的22.26%，約為1 261.50 km2，植被NDVI指數(shù)減少的區(qū)域主要位于會寧縣西北部和中西部。這些變化可由以下事實說明：(1)自1999—2006年，會寧縣累計完成生態(tài)工程造林692.57 km2，全縣森林覆蓋率達(dá)到9.2%，建成了鐵木山、華家?guī)X、大山頂?shù)纫慌?guī)模大、質(zhì)量高的示范工程，區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到明顯改善，水土流失得到了有效的控制，部分重點治理區(qū)基本實現(xiàn)了“土不下山、水要出溝”。(2)完成小流域治理670 km2，甘溝驛鎮(zhèn)田岔村、太平店鎮(zhèn)大山頂被列為國家小流域治理示范點，已經(jīng)發(fā)揮著涵養(yǎng)水源、保持水土、改變區(qū)域氣候條件的良好效益；而且鐵木山被列為省級森林公園，覆蓋面積3.10 km2。 (3)2006年會寧縣啟動了生態(tài)小康村鎮(zhèn)綠化項目，國家投資140萬元，在郭城驛、河畔、頭寨子、甘溝驛等鄉(xiāng)鎮(zhèn)完成生態(tài)綠化造林9.33 km2，用于改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和生活環(huán)境。退耕還林、“121”集雨工程、梯田建設(shè)、小流域治理工程的持續(xù)實施為全縣生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展，構(gòu)建和諧會寧打下良好的生態(tài)基礎(chǔ)。因此，這些變化總體反映了會寧縣植被蓋度近年來明顯增加，生態(tài)恢復(fù)的良好局面與退耕還林還草的實施密切相關(guān)，特別是退耕還林還草政策實施以后，會寧縣從生態(tài)大環(huán)境建設(shè)的戰(zhàn)略布局著眼，積極采取多種措施加強(qiáng)了生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與建設(shè)步伐，為縣域經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

表1 2000-2011年會寧縣植被蓋度變化

圖1 2000-2011年會寧縣NDVI植被指數(shù)空間變化

圖2 2000-2011年會寧縣植被空間變化分布

2.2 不同地貌區(qū)植被的生長狀況

以會寧縣北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土門峴鄉(xiāng)和劉寨鄉(xiāng)為例，在不同的地貌區(qū)(主要為黃土塬區(qū)、黃土梁區(qū)、溝壑區(qū))選擇典型樣方，調(diào)查林木或草地生長狀況，主要調(diào)查了林木種類、林木高度、地徑、胸徑、樹高等指標(biāo)，以確定植被恢復(fù)及其生長狀況。如表2所示，作為溝壑區(qū)代表的大岔溝山杏、刺槐和山桃的地徑分別為10.37，9.70和9.40 cm，樹高分別為232.96，322.30和214.70 cm，而檸條和紫花苜蓿的生長高度為95和71 cm，相比較而言刺槐和檸條的生長狀況較好；黃土梁區(qū)(后山梁、護(hù)山梁和十三盤梁)山楊、山杏、刺槐、臭椿和榆樹的地徑分別為6.50，10.28，8.17，8.36和11.46 cm，樹高分別為355.06，233.47，337.32，381.29和302.18 cm，山杏、刺槐、臭椿和榆樹的胸徑分別為9.56，6.45，7.95和10.38 cm，檸條和紫花苜蓿的生長高度分別為93.87和72.41 cm，榆樹和檸條的生長狀況較好；堡子塬山杏、刺槐、山桃和榆樹的地徑分別為10.27，8.17，8.83和6.29 cm，樹高分別為242.78，321.94，213.79和298.78 cm，胸徑分別為6.87，7.97，7.09和5.98 cm，檸條和紫花苜蓿的生長高度分別為94.73和75.15 cm，榆樹和檸條的生長狀況較好，作為經(jīng)濟(jì)作物的山杏生長狀況也較好而且掛果率較高；陽凹坡臭椿和刺槐地徑為11.50和7.37 cm，胸徑為10.85和6.87 cm，樹高為297.76和301.12 cm，檸條和紫花苜蓿的生長高度分別為86.60和72.36 cm?？傊?，通過對典型地貌區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，退耕還林還草工程所選用的林木和草本植物均較適宜研究區(qū)的生長環(huán)境，經(jīng)過將近10 a的恢復(fù)，呈現(xiàn)出良好的生長勢頭，而且不同地貌區(qū)林木的種植基本體現(xiàn)了因地制宜的原則，取得了較好的水土保持效益。

表2 不同地貌類型區(qū)林木或草的生長狀況 cm

2.3 山洪暴發(fā)次數(shù)和農(nóng)戶滿意度調(diào)查

黃土高原地區(qū)由于黃土的特殊性質(zhì)，如濕陷性、易侵蝕等，形成了眾多的溝壑地形，當(dāng)植被覆蓋稀少時，遇降雨常常造成山洪暴發(fā)，導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失；而當(dāng)植被覆蓋率高時，水土保持能力增強(qiáng)，山洪暴發(fā)的次數(shù)也將減少，因此通過確定退耕還林還草工程實施前后山洪暴發(fā)次數(shù)的變化可反映水土保持的效益。位于會寧縣北部的劉寨鄉(xiāng)和土門峴鄉(xiāng)，由于降水較少且不均勻，再加上黃土地貌類型多樣且支離破碎，是會寧縣最為嚴(yán)重的水土流失區(qū)之一，為此先后調(diào)查了上述兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同地貌類型區(qū)的50個排洪溝退耕還林還草工程實施前后山洪的暴發(fā)次數(shù)情況。如圖3所示，退耕還林還草工程實施前山洪暴發(fā)次數(shù)明顯高于實施后，50個排洪溝的均值分別為7和3次，減少了近1/2多。而且山洪的流量和破壞力也明顯降低，調(diào)查期間一次暴雨過后很多排洪溝僅有少量的泥水流出溝口，且尚未持續(xù)兩小時便停止，這些證據(jù)表明隨著植被覆蓋狀況的不斷改善，退耕還林還草工程已基本形成了良好的水土保持功能。

圖3 退耕還林還草工程實施前后主要排洪溝山洪暴發(fā)次數(shù)對比

廣大農(nóng)戶的緊密配合是退耕還林還草工程取得良好效益的最重要條件，因此通過問卷調(diào)查初步分析了農(nóng)戶對退耕還林還草的實施態(tài)度及其感知，以及該工程實施前后農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)收入變化，對生態(tài)環(huán)境的感知變化，水土流失的發(fā)生情況等。如表3所示，約92.63%的農(nóng)戶認(rèn)為嚴(yán)重的水土流失對生產(chǎn)生活有著負(fù)面影響。而且大多數(shù)農(nóng)戶反映了2000年之前的大山洪暴發(fā)常常造成人畜傷亡事件，其對一個家庭的生產(chǎn)與生活造成了不可估量的損失，正是基于這一認(rèn)識，約70%的農(nóng)戶一開始就對這一生態(tài)恢復(fù)政策持擁護(hù)態(tài)度并積極配合了政府的要求。當(dāng)談及該工程實施前后家庭經(jīng)濟(jì)收入的變化時，約78.00%的農(nóng)戶確認(rèn)自己的收入提高了，主要來自于3方面： (1)政府對退耕還林還草所占耕地面積的有效補(bǔ)助。(2)耕地面積減少后，利用更多的農(nóng)閑時間打工或開展其他副業(yè)的收入大大增加。(3)尚未退耕還林還草的耕地(均為上等地)主要種植經(jīng)濟(jì)類作物，特別是通過鋪砂將土地改造為砂田，然后種植西瓜和籽瓜增加了一部分收入，也就是農(nóng)戶對土地的經(jīng)營更加集約化。由于該工程的實施，63.83%的農(nóng)戶認(rèn)為對農(nóng)作物的損害減少了。農(nóng)民感受最深切的是該工程實施前后，山變綠了，樹變多了，山洪基本沒有了。81.05%的農(nóng)戶認(rèn)為這一措施已基本解決了區(qū)域的水土流失問題，所以當(dāng)談及是否繼續(xù)支持該工程的建設(shè)時，有92.00%的農(nóng)戶強(qiáng)烈擁護(hù)。這一調(diào)查表明，當(dāng)前的退耕還林還草工程基本達(dá)到了相應(yīng)的水土保持效益要求，也得到了廣大農(nóng)戶的擁護(hù)和支持。但就農(nóng)戶反映的糧食產(chǎn)量減少的問題，認(rèn)為通過大力發(fā)展農(nóng)村水利建設(shè)可以克服，這一措施也是達(dá)到長久保持并進(jìn)一步推進(jìn)該工程的重要保障，因此這一政策無疑是“功在當(dāng)代，利在千秋”。

表3 農(nóng)戶對退耕還林還草實施的感知與態(tài)度走訪調(diào)查結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)基于對遙感NDVI數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，從2000年到2011年會寧縣植被蓋度明顯增加，植被NDVI指數(shù)增加的面積占全縣總面積的77.74%，約4 404.75 km2，減少的面積占總面積的22.26%，約1 261.50 km2，NDVI指數(shù)減少的區(qū)域主要位于會寧縣西北部和中西部。

(2)通過對典型地貌區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，退耕還林還草工程所選用的林木和草本植物均較適宜研究區(qū)的生長環(huán)境，經(jīng)過將近10 a的恢復(fù)，呈現(xiàn)出良好的生長勢頭，而且在不同的地貌區(qū)林木的種植較好地體現(xiàn)了因地制宜的原則。

(3)調(diào)查證實退耕還林還草工程實施前山洪暴發(fā)次數(shù)明顯高于實施后，50個排洪溝的均值分別為7和3次，減少了1/2多，而且山洪的流量和破壞力也明顯降低，證明退耕還林還草工程已基本形成了良好的水土保持功能。

(4)調(diào)查表明，廣大農(nóng)戶對退耕還林還草工程取得的顯著水土保持效益廣泛認(rèn)同，而且大多數(shù)農(nóng)戶的家庭經(jīng)濟(jì)收入呈現(xiàn)增加勢頭，調(diào)查也反映出通過大力發(fā)展農(nóng)村水利事業(yè)，進(jìn)而加大農(nóng)戶增產(chǎn)增收將是鞏固該工程水土保持效益的有力措施。

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