張海燕，樊江文，邵全琴，張雅嫻

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

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2000-2010年中國退牧還草工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)和質(zhì)量及其動(dòng)態(tài)變化

張海燕1,2，樊江文1*，邵全琴1，張雅嫻1,2

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

摘要：本研究以生態(tài)學(xué)理論為基礎(chǔ)，以空間信息技術(shù)為支撐，基于遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過多源數(shù)據(jù)融合、生態(tài)模型模擬和尺度轉(zhuǎn)換手段，分析中國退牧還草綜合治理工程區(qū)2000-2010年生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的時(shí)空分布及變化趨勢(shì)，探討生態(tài)系統(tǒng)變化的自然和人文驅(qū)動(dòng)機(jī)制，為退牧還草工程的生態(tài)成效評(píng)估提供理論依據(jù)。研究結(jié)果表明，1)2000-2010年，草地生態(tài)系統(tǒng)面積保持平穩(wěn)，生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但局部區(qū)域仍存在草地與農(nóng)田、濕地和荒漠間的相互轉(zhuǎn)化；2)研究區(qū)草地退化趨勢(shì)已得到初步遏制，植被覆蓋度略有增長，葉面積指數(shù)略呈波動(dòng)式增加，凈初級(jí)生產(chǎn)力呈顯著上升，草地植被呈現(xiàn)恢復(fù)轉(zhuǎn)好態(tài)勢(shì)，生態(tài)系統(tǒng)總體質(zhì)量有所提高，生態(tài)環(huán)境向良性演變；3)研究區(qū)生態(tài)狀況具有空間差異性，總體轉(zhuǎn)好，局部變差，各亞區(qū)整體水平排序?yàn)閮?nèi)蒙古東部退化草原治理區(qū)>青藏高原江河源退化草原治理區(qū)>新疆退化草原治理區(qū)>蒙甘寧西部退化草原治理區(qū)；4)退牧還草工程的實(shí)施有利于草地保護(hù)，氣候暖濕化促進(jìn)植被生長與恢復(fù)，人類活動(dòng)干擾局部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，三者共同影響研究區(qū)總體生態(tài)狀況。

關(guān)鍵詞：退牧還草工程；宏觀結(jié)構(gòu)；生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量；時(shí)空分布；動(dòng)態(tài)變化

我國擁有各類草地392萬km2，居世界第二位，占國土面積的41.7%[1]。草地是我國面積最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)和綠色生態(tài)屏障，具有防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、固碳釋氧、保持水土及維護(hù)生物多樣性等生態(tài)服務(wù)功能。草地也是畜牧業(yè)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和牧區(qū)農(nóng)牧民賴以生存和發(fā)展的基本生產(chǎn)資料[2]。由于生態(tài)環(huán)境的脆弱，自然氣候因素的影響，開墾草原、超載放牧、破壞草原植被等人類活動(dòng)的干擾，我國草地退化問題嚴(yán)峻[3]，全國90%的草原存在不同程度的退化、沙化和鹽漬化。

2003年初，針對(duì)西部地區(qū)草原生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)，國務(wù)院批準(zhǔn)退牧還草工程，計(jì)劃用5年時(shí)間先期集中治理6.67×107hm2嚴(yán)重退化草原，約占西部地區(qū)嚴(yán)重退化草原面積的40%[4]。退牧還草工程是近年來國家在草地建設(shè)史上投入規(guī)模最大、涉及面最廣、受益群眾最多、對(duì)草地生態(tài)環(huán)境影響最為長遠(yuǎn)的項(xiàng)目。退牧還草工程涉及草地生態(tài)修復(fù)和牧區(qū)建設(shè)，堅(jiān)持保護(hù)為先，建設(shè)和合理利用相結(jié)合，實(shí)行以草定畜，嚴(yán)格控制載畜量；實(shí)行草場(chǎng)圍欄封育，開展禁牧、休牧和劃區(qū)輪牧措施；適當(dāng)建設(shè)人工草地和飼草基地。旨在遏制天然草地的持續(xù)惡化，優(yōu)化草畜產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，恢復(fù)草原植被，提高草地生產(chǎn)力和載畜能力，促進(jìn)與恢復(fù)草原生態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展[5]。

退牧還草工程區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)與生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測(cè)是生態(tài)工程研究的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)有研究僅是對(duì)于樣點(diǎn)或者局部區(qū)域地面采樣，且主要集中在工程區(qū)內(nèi)外牧草生長狀況進(jìn)行單一對(duì)比[6-10]，但對(duì)于中國退牧還草工程綜合治理區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)與質(zhì)量各參數(shù)都還沒有長時(shí)間序列系統(tǒng)完整的監(jiān)測(cè)；其次，遙感數(shù)據(jù)、GIS技術(shù)和生態(tài)模型使用也不夠深入，全區(qū)整體生態(tài)狀況仍沒有定量的描述。本文以中國退牧還草工程綜合治理區(qū)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，基于遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過多源數(shù)據(jù)融合、生態(tài)模型模擬和尺度轉(zhuǎn)換手段，獲取中國退牧還草綜合治理工程區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)與質(zhì)量參數(shù)，定量評(píng)價(jià)10年間研究區(qū)生態(tài)狀況，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)退牧還草工程的生態(tài)成效提供科學(xué)依據(jù)，并進(jìn)一步探討導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化的自然和人文驅(qū)動(dòng)機(jī)制，凝練成功經(jīng)驗(yàn)，揭示存在問題，以便為草地生態(tài)系統(tǒng)的管理、生態(tài)工程的調(diào)整和中長期科學(xué)規(guī)劃與部署，提供決策依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

目前，退牧還草工程區(qū)實(shí)施范圍按照有關(guān)原則進(jìn)行調(diào)整，每年都有新增縣和退出縣，每年工程實(shí)施范圍基本為120多個(gè)縣[11]。2003-2010年，退牧還草工程的實(shí)施范圍主要包括內(nèi)蒙古、四川、云南、西藏、甘肅、青海、寧夏、新疆等省(區(qū))及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)190余縣/旗(團(tuán)場(chǎng))，總面積達(dá)319.21萬 km2。退牧還草工程區(qū)主要集中于北方干旱半干旱草原區(qū)和青藏高寒草原區(qū)，以荒漠草原和高寒草原為主，大部分區(qū)域年降水量在400 mm 以下，超載嚴(yán)重，草原存在不同程度的退化、沙化和鹽堿化，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。根據(jù)區(qū)域性特點(diǎn)、存在主要問題和保護(hù)建設(shè)利用等的需要，全國退牧還草綜合治理工程區(qū)(以下簡稱為退牧還草工程區(qū))分為內(nèi)蒙古東部退化草原治理區(qū)、蒙甘寧西部退化草原治理區(qū)、新疆退化草原治理區(qū)和青藏高原江河源退化草原治理區(qū)4個(gè)亞區(qū)[12](圖1)。

據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)材料顯示，2003-2010年，退牧還草工程共投入資金185.22億元，投資額呈先增加后減少的趨勢(shì)，以2006年總投資額為最大。截止2010年，全國退牧還草工程圍欄面積共5158.27萬hm2，其中禁牧圍欄2606.47萬hm2，休牧圍欄2466.20萬hm2，劃區(qū)輪牧圍欄85.60萬hm2；退化草原補(bǔ)播改良1240.87萬hm2；同時(shí)，對(duì)項(xiàng)目區(qū)實(shí)施圍欄封育的牧民給予飼料糧補(bǔ)貼。從各省建設(shè)情況來看，內(nèi)蒙古、新疆圍欄面積最大，分別為1438.00萬和1082.67萬hm2，云南省圍欄面積最小，為38.33萬hm2。從實(shí)施內(nèi)容來看，禁牧圍欄以內(nèi)蒙古、青海和新疆面積較大；休牧圍欄、劃區(qū)輪牧和草地補(bǔ)播均以內(nèi)蒙古、新疆等面積較大，四川、甘肅、青海、西藏等次之。

圖1　退牧還草工程區(qū)空間分布Fig.1　Spatial distribution of the Returning Rangeland to Grassland programs in China

1.2生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)

研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的一級(jí)類型分為森林、灌叢、草地、濕地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)、荒漠和冰川/永久積雪8類，二級(jí)類型分為闊葉林、針葉林、針闊混交林、稀疏林、草甸、草原、草叢等18類[13-14]。以2000-2010年的MODIS數(shù)據(jù)、2000和2005年的Landsat TM/ETM數(shù)據(jù)以及2010年的HJ-1衛(wèi)星CCD等多源遙感數(shù)據(jù)源為主，并輔以地形數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)、野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)和長期生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行修正與驗(yàn)證，利用各省提供的地面點(diǎn)位置建立解譯標(biāo)志數(shù)據(jù)庫，采用人機(jī)交互分類進(jìn)行遙感解譯得到生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。遙感精度驗(yàn)證采用隨機(jī)抽樣方法進(jìn)行獨(dú)立產(chǎn)品精度評(píng)價(jià)，生態(tài)系統(tǒng)一級(jí)分類精度為94%，二級(jí)分類精度達(dá)86%以上[13]。

本研究通過分析研究區(qū)2000，2005和2010年森林、草地、農(nóng)田、濕地、荒漠等主要生態(tài)系統(tǒng)面積、所占比例、空間分布，以及2000-2010年主要生態(tài)系統(tǒng)變化狀況，探討生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)是否優(yōu)化。借助生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)移矩陣全面分析區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化的結(jié)構(gòu)特征和研究期初各類型的流失去向及研究期末各類型的來源與構(gòu)成。

1.3生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量參數(shù)

本文以植被覆蓋度(fractional vegetation cover，F(xiàn)VC)、葉面積指數(shù)(leaf area index，LAI)和凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary production，NPP)3個(gè)參數(shù)作為生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量是否改善的指示因子，通過遙感反演、生態(tài)模型模擬和尺度轉(zhuǎn)換等手段，最終獲得研究區(qū)250 m空間分辨率的2000-2010年連續(xù)10年的每年數(shù)值、多年均值及變化趨勢(shì)的植被覆蓋度、葉面積指數(shù)和凈初級(jí)生產(chǎn)力空間數(shù)據(jù)。

1.3.1植被覆蓋度植被覆蓋度以250 m分辨率的MODIS數(shù)據(jù)為信息源，采用16 d最大合成法，在時(shí)間域上通過S-G濾波處理對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行重構(gòu)，從而進(jìn)一步消除噪聲影響，然后采用像元二分模型進(jìn)行估算，借助土地覆蓋數(shù)據(jù)集，進(jìn)行研究區(qū)植被覆蓋度的估算。

因植被指數(shù)與植被覆蓋度有較好的相關(guān)性，本文利用歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)，根據(jù)像元二分模型理論來計(jì)算植被覆蓋度。像元二分模型是一種簡單實(shí)用的遙感估算模型，假設(shè)一個(gè)像元的NDVI值是由綠色植被部分所貢獻(xiàn)的信息NDVIveg，與無植被覆蓋(裸土)部分貢獻(xiàn)的信息NDVIsoil組合而成，植被覆蓋度的計(jì)算公式為：

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(1)

式中，NDVI通過遙感影像近紅外波段與紅光波段的反射率來計(jì)算；NDVIveg為純植被像元的NDVI值；NDVIsoil為完全無植被覆蓋像元的NDVI值。

1.3.2葉面積指數(shù)反演LAI是目前植被遙感重要研究內(nèi)容之一，大范圍LAI一般通過遙感反演和機(jī)理模型模擬獲得。本文葉面積指數(shù)來源于已有的MODIS MOD15A2產(chǎn)品，通過時(shí)空濾波算法及尺度下推方法得到。為填補(bǔ)MODIS MOD15A2產(chǎn)品時(shí)空不連續(xù)性，利用Fang等[15]發(fā)展的時(shí)空濾波算法(temporal spatial filter，TSF)提高LAI數(shù)據(jù)質(zhì)量，通過臨近像元法重采樣，得到空間分辨率為500 m的LAI濾波產(chǎn)品。假定LAI與NDVI間存在線性關(guān)系，并且特定空間尺度下該線性關(guān)系也相同，而且大尺度NDVI像元值等于組成它的小像元值的平均，將500 m的LAI重采樣為250 m，選擇5×5的滑動(dòng)窗口逐像元移動(dòng)，計(jì)算窗口中心像元處NDVI與窗口內(nèi)NDVI均值的比值，再與重采樣后的LAI相乘，最終得到250 m分辨率的LAI數(shù)據(jù)。

1.3.3凈初級(jí)生產(chǎn)力NPP基于資源平衡觀點(diǎn)的CASA模型[16]估算得到，且模擬結(jié)果采用大樣地調(diào)查數(shù)據(jù)和樣方調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。光合有效輻射(PAR)是植被光合作用的驅(qū)動(dòng)力，是植被NPP的一個(gè)決定因子，而植物吸收的光合有效輻射(APAR)尤為重要，因此估算NPP可用APAR和實(shí)際光能利用率(ε)表示，公式為：

NPP=APAR(x,t)+ε(x,t)

(2)

式中，APAR(x,t)表示像元x在t月份吸收的光合有效輻射(單位：MJ/m2·旬)；ε(x,t)表示像元x在t月份的實(shí)際光能利用率(單位：g C/MJ)。

PAR主要從資料文檔、氣象數(shù)據(jù)中得到太陽總輻射量及日照時(shí)數(shù)等信息，然后結(jié)合研究區(qū)中像元經(jīng)緯度計(jì)算得到。FPAR利用MODIS NDVI產(chǎn)品計(jì)算得到比值指數(shù)SR，然后通過FPAR與比值指數(shù)SR之間存在關(guān)系，得到FPAR。ε指植被將吸收的光合有效輻射(APAR)通過光合作用轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的效率，其獲取方法如下：

ε(t)=ε*×T1(t)×T2(t)×W(t)

(3)

式中，ε*指的是最大光利用率(單位：g C/MJ)，T1和T2表示環(huán)境溫度對(duì)光利用的抑制影響，W則為水分影響脅迫系數(shù)。T1和T2及W均為無量綱參數(shù)。其中T1和T2及W分別由下面公式計(jì)算獲得。

T1=-0.0005(Topt-20)2+1

(4)

(5)

式中，Topt表示植被生長季內(nèi)NDVI值達(dá)到最高時(shí)的月平均氣溫(單位：℃)，Tmon表示月平均氣溫(單位：℃)。

(6)

式中，EET(t)表示研究區(qū)月實(shí)際蒸散量(單位：mm)，PET(t)表示研究區(qū)月潛在蒸散量(單位：mm)，通過ET Watch計(jì)算獲得。

1.3.4數(shù)據(jù)驗(yàn)證因FVC、LAI和NPP的空間分辨率均為250 m，數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證除借助地面調(diào)查樣點(diǎn)外，并咨詢草原相關(guān)主管部門和參考草原監(jiān)測(cè)報(bào)告。FVC和LAI數(shù)據(jù)通過對(duì)全國范圍內(nèi)8個(gè)典型生態(tài)類型選取樣點(diǎn)，提取變化曲線進(jìn)行對(duì)比分析。NPP數(shù)據(jù)主要通過典型樣區(qū)尺度森林、草地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的野外觀測(cè)站及歷史地面觀測(cè)數(shù)據(jù)開展模型校驗(yàn)與精度驗(yàn)證。農(nóng)業(yè)部對(duì)內(nèi)蒙古、四川、西藏、甘肅、青海、寧夏、新疆、云南等省(區(qū))和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)的400多個(gè)縣/旗(團(tuán)場(chǎng))開展草原地面調(diào)查，設(shè)置3400個(gè)樣地，得到6900個(gè)樣方數(shù)據(jù)，結(jié)果表明工程區(qū)內(nèi)的植被均逐步恢復(fù)，草地質(zhì)量得到一定改善，植被覆蓋度和鮮草產(chǎn)量比工程實(shí)施前分別提高5%和3.45%。2010年農(nóng)業(yè)部監(jiān)測(cè)結(jié)果，工程區(qū)平均植被蓋度為71%，比非工程區(qū)高出12%，草群高度、產(chǎn)草量和可食鮮草產(chǎn)量分別比非工程區(qū)高出37.90%，43.90%，49.10%[17]。

1.4其他數(shù)據(jù)

1990-2010年研究區(qū)1 km的年降水量和年均溫空間分布數(shù)據(jù)是基于氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)210個(gè)國家氣象臺(tái)站(圖1)，獲取的站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量檢查和控制，消除異常值，缺測(cè)值利用臨近站點(diǎn)的觀測(cè)值進(jìn)行線性內(nèi)插方式替換；DEM數(shù)據(jù)來自國家基礎(chǔ)地理信息中心，重采樣為1 km。利用Anusplin軟件采用DEM為協(xié)變量的方法對(duì)日尺度降水量和溫度數(shù)據(jù)插值所得，通過日降水量和溫度獲得年尺度研究區(qū)的降水量和溫度。

基于人類對(duì)各生態(tài)系統(tǒng)類型的利用程度不同，構(gòu)建研究區(qū)的人類擾動(dòng)指數(shù)。根據(jù)劉紀(jì)遠(yuǎn)[18]提出的土地利用程度模型，Zhao等[19]依據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)類型不同級(jí)別的擾動(dòng)程度構(gòu)建生物多樣性人類擾動(dòng)指數(shù)(取值范圍0～1，無量綱)，用于反映人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響程度。基于不同生態(tài)系統(tǒng)類型的擾動(dòng)程度對(duì)各生態(tài)系統(tǒng)類型進(jìn)行分級(jí)賦值，得到4種擾動(dòng)程度的分級(jí)指數(shù)。根據(jù)研究區(qū)各擾動(dòng)類型占有不同比例，加權(quán)求和運(yùn)算后，得到0～3 之間的人類擾動(dòng)指數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，形成0～1的人類擾動(dòng)指數(shù)。其值反映某一區(qū)域人類活動(dòng)的擾動(dòng)程度，其值越高，人類擾動(dòng)程度越高；其值下降時(shí)，則認(rèn)為人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的威脅程度減小。

2結(jié)果與分析

2.1生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)與演變

從表1可見，退牧還草工程區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)類型以草地生態(tài)系統(tǒng)為主，占整個(gè)工程區(qū)的面積54%以上。其次是荒漠生態(tài)系統(tǒng)，占全區(qū)面積的23%以上。森林、灌叢、濕地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的面積較小，均占全區(qū)面積的3%～7%之間。冰川/永久積雪分布的面積更少，占全區(qū)面積的1.22%。城鎮(zhèn)分布的面積最少，僅占全區(qū)面積的0.43%。

從生態(tài)系統(tǒng)空間分布來看(圖2)，草地在整個(gè)工程區(qū)內(nèi)分布較廣，包括草甸、草原和草叢3種，其中草原面積最大，約占草地總面積的81%，主要分布在內(nèi)蒙古呼倫貝爾草地、科爾沁草地、鄂爾多斯高原、青藏高原和新疆的西北部；草甸次之，約占草地總面積的18%，主要分布在青藏高原東部、新疆的阿勒泰地區(qū)；草叢最少，低于草地總面積的1%?；哪饕植荚谛陆卫韰^(qū)的塔克拉瑪干沙漠南端及西部的哈順戈壁，蒙甘寧治理區(qū)西部的中央戈壁、巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠等。森林主要分布在內(nèi)蒙古東部治理區(qū)的大興安嶺附近。灌叢在新疆治理區(qū)中北部、青藏高原江河源治理區(qū)和內(nèi)蒙古東部等均有分布。

10年間，城鎮(zhèn)、農(nóng)田和濕地生態(tài)系統(tǒng)呈增加趨勢(shì)，而森林、灌叢、草地、荒漠和冰川/永久積雪生態(tài)系統(tǒng)呈減少趨勢(shì)(表1和表2)。其中，草地生態(tài)系統(tǒng)凈減少10500 km2，占2000年草地生態(tài)系統(tǒng)總面積的0.60%。其中：1)草地生態(tài)系統(tǒng)增加面積為6112 km2，減少面積為16612 km2。草地增加以農(nóng)田、濕地和荒漠轉(zhuǎn)入為主，農(nóng)田轉(zhuǎn)入草地的面積最大，占轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸乜偯娣e的44.19%；濕地轉(zhuǎn)入草地的面積次之，占轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸乜偯娣e的28.52%；荒漠轉(zhuǎn)入草地的面積第三，占轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸乜偯娣e的21.71%。草地減少以轉(zhuǎn)入為農(nóng)田和濕地為主，草地轉(zhuǎn)入農(nóng)田最多，占草地轉(zhuǎn)出總面積的54.98%；草地轉(zhuǎn)入濕地的面積次之，占草地轉(zhuǎn)出總面積的20.68%。此外，草地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)和荒漠的面積分別占草地轉(zhuǎn)出總面積的9.95%和9.71%。2)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)增加面積為8147 km2，主要由草地轉(zhuǎn)化而來。3)城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)增加面積為3021 km2，增加面積占2000年城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)總面積的27.94%，是該區(qū)增幅最大的生態(tài)系統(tǒng)類型。4)其他各類生態(tài)系統(tǒng)雖有變化趨勢(shì)，但變化面積和幅度均較小。

表1　研究區(qū)2000,2005和2010年的生態(tài)系統(tǒng)一級(jí)類型面積統(tǒng)計(jì)

表2　研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)一級(jí)類型轉(zhuǎn)移矩陣(2000-2010)

2000-2010年10年間生態(tài)類型變化較大的區(qū)域主要集中在新疆北部的準(zhǔn)噶爾盆地西南邊緣、阿爾泰山西南部，寧夏回族自治區(qū)，內(nèi)蒙古東北部的呼倫貝爾草原及其周邊區(qū)域(圖3)。其中新疆治理區(qū)草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田的面積最大，為8176 km2，占草地轉(zhuǎn)出總面積的49.22%；草地轉(zhuǎn)化為荒漠的面積為1093 km2，占草地轉(zhuǎn)出總面積的6.58%；草地轉(zhuǎn)化為濕地的面積為811 km2，占草地轉(zhuǎn)出總面積的4.88%。此外，該亞區(qū)還有1770 km2的灌叢轉(zhuǎn)化為農(nóng)田。青藏高原江河源治理區(qū)草地轉(zhuǎn)化為濕地的面積最大，為2124 km2，占草地轉(zhuǎn)出總面積的12.79%。蒙甘寧西部治理區(qū)農(nóng)田轉(zhuǎn)化為草地的面積最大，為1351 km2，占轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸乜偯娣e的22.10%，其中60%以上面積位于寧夏回族自治區(qū)內(nèi)；草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田和城鎮(zhèn)的面積分別為566和477 km2。內(nèi)蒙古東部治理區(qū)濕地轉(zhuǎn)化為草地的面積最大，為670 km2，占轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸乜偯娣e的10.96%。

2.2生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)

研究區(qū)2000-2010年植被覆蓋度(FVC)、葉面積指數(shù)(LAI)和凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)各年的變化趨勢(shì)如圖4所示，全區(qū)各參數(shù)年際波動(dòng)特征明顯，并呈現(xiàn)微弱上升趨勢(shì)。10年間，研究區(qū)年均FVC在20.5%～21.3%，年均LAI為0.75～0.85，年均NPP為200～230 g C/(m2·a)。

圖2　研究區(qū)2000，2005和2010年生態(tài)系統(tǒng)二級(jí)類型空間分布圖Fig.2　Ecosystem maps of the level Ⅱ class of the study area in 2000, 2005 and 2010

圖3　2000-2010年生態(tài)系統(tǒng)一級(jí)主要類型轉(zhuǎn)換空間分布特征Fig.3　The dynamic map of the level I main class in the study area from 2000 to 2010

圖4　2000-2010年退牧還草工程區(qū)植被覆蓋度、葉面積指數(shù)和凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化趨勢(shì)Fig.4　Inter-annual variation of annual FVC, LAI and NPP during 2000-2010

2.2.1植被覆蓋度2000-2010年，研究區(qū)多年平均植被覆蓋度為20.89%。從各生態(tài)系統(tǒng)來看(圖5)，10年間草地植被覆蓋度均值為20%～21%，其中位于內(nèi)蒙古東部治理區(qū)呼倫貝爾高原附近、青藏高原江河源治理區(qū)東部地區(qū)和新疆治理區(qū)塔里木河流域及鄂爾奇斯河流域的草地植被覆蓋度較高，集中于50%～90%；荒漠的植被覆蓋度最低，集中于10%以下；森林的植被覆蓋度最高，全區(qū)均值維持在65%左右；灌叢和農(nóng)田均值為32%～36%。從各亞區(qū)分布來看(圖5)，內(nèi)蒙古東部治理區(qū)植被覆蓋度最高，多年均值為41.93%；其次是青藏高原江河源治理區(qū)，多年均值為39.47%；而新疆治理區(qū)和蒙甘寧西部治理區(qū)植被覆蓋度較低，多年均值分別為20.80%和18.79%。

從10年來研究區(qū)植被覆蓋度的變化情況看(圖6)，全區(qū)多年傾斜率變化為0.199%/a，即植被覆蓋度平均每年增加0.199%，多年增加1.99%。全區(qū)草地植被覆蓋度均值從2000年的20.26%增加到2010年的20.74%，升幅為2.37%。其中草地的植被覆蓋度有約30%持續(xù)轉(zhuǎn)好，有約20%不同程度的下降，有約50%在10年中變化不大。蒙甘寧西部治理區(qū)和青藏高原江河源治理區(qū)的增加趨勢(shì)相對(duì)較為明顯，平均每年增加0.11%和0.03%；內(nèi)蒙古東部治理區(qū)和新疆治理區(qū)則保持較平穩(wěn)的態(tài)勢(shì)。

2.2.2葉面積指數(shù)2000-2010年，研究區(qū)葉面積指數(shù)多年平均值為0.810。從各生態(tài)系統(tǒng)來看(圖7)，草地的葉面積指數(shù)較低，全區(qū)草地多年均值在0.7左右，呼倫貝爾高原附近、準(zhǔn)噶爾盆地四周和四川省西北部的草地葉面積指數(shù)較高，分布在1～4間，其他區(qū)域草地的葉面積指數(shù)多數(shù)低于0.5；森林的葉面積指數(shù)最高，多年均值為3.544；農(nóng)田的葉面積指數(shù)次之，多年均值為1.614；灌叢的葉面積指數(shù)多年均值為1.327。從各亞區(qū)分布來看(圖8)，近10年葉面積指數(shù)最高的亞區(qū)是內(nèi)蒙古東部治理區(qū)，多年均值達(dá)到2.582；其次是青藏高原江河源治理區(qū)，多年均值為0.932；新疆治理區(qū)和蒙甘寧西部治理區(qū)的葉面積指數(shù)較低，多年均值分別為0.396和0.331。

圖5　2000-2010年主要生態(tài)系統(tǒng)及各亞區(qū)的植被覆蓋度Fig.5　The average FVC for different ecosystem types and subregions from 2000 to 2010

圖6　2000-2010年多年平均植被覆蓋度及其變化趨勢(shì)Fig.6　The changes and annual variation of average FVC from 2000 to 2010

圖7　2000-2010年主要生態(tài)系統(tǒng)及各亞區(qū)的葉面積指數(shù)Fig.7　The average LAI for different ecosystem types and subregions from 2000 to 2010

圖8　2000-2010年多年平均葉面積指數(shù)及其變化趨勢(shì)Fig.8　The changes and annual variation of average LAI from 2000 to 2010

從10年來研究區(qū)葉面積指數(shù)的變化情況看(圖8)，變化斜率為0.0017/a，略呈增加趨勢(shì)。其中，草地LAI均值從2000年的0.693增加至2010年的0.737，升幅為6.42%。青藏高原江河源治理區(qū)和蒙甘寧西部治理區(qū)的LAI呈增長趨勢(shì)，增長率分別為0.0031/a和0.0036/a；內(nèi)蒙古東部治理區(qū)LAI基本保持不變；新疆治理區(qū)葉面積指數(shù)出現(xiàn)輕微下降趨勢(shì)，下降斜率為0.0019/a。

2.2.3凈初級(jí)生產(chǎn)力2000-2010年，研究區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力多年均值為215.51 g C/(m2·a)。從各生態(tài)系統(tǒng)來看(圖9)，10年間草地的凈初級(jí)生產(chǎn)力多年均值為202.26 g C/(m2·a)，呼倫貝爾高原附近、天山北麓和四川省西北部的草地凈初級(jí)生產(chǎn)力較高，集中于400～700 g C/(m2·a)，位于準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地和青藏高原中大部分草地凈初級(jí)生產(chǎn)力較低，低于200 g C/(m2·a)；森林的凈初級(jí)生產(chǎn)力最高，多年均值為817.37 g C/(m2·a)；農(nóng)田的凈初級(jí)生產(chǎn)力次之，多年均值為408.20 g C/(m2·a)；灌叢的凈初級(jí)生產(chǎn)力多年均值為383.47 g C/(m2·a)。從各亞區(qū)分布來看，內(nèi)蒙古東部退化草原治理區(qū)的多年平均NPP最高，為426.76 g C/(m2·a)；青藏高原江河源退化草原治理區(qū)的NPP略低，多年均值為270.48 g C/(m2·a)；新疆治理區(qū)和蒙甘寧西部退化草原治理區(qū)的NPP較低，多年均值分別為128.13和112.48 g C/(m2·a)(圖10)。

圖9　2000-2010年主要生態(tài)系統(tǒng)及各亞區(qū)的凈初級(jí)生產(chǎn)力Fig.9　The average NPP for different ecosystem types and subregions from 2000 to 2010

圖10　2000-2010年多年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力及其變化趨勢(shì)Fig.10　The changes and annual variation of average NPP from 2000 to 2010

10年間，全區(qū)NPP由最低的2001年201.81 g C/(m2·a)上升至最高的2010年226.30 g C/(m2·a)，變化斜率為0.587 g C/(m2·a)，總體呈增加趨勢(shì)。其中，草地NPP均值從2000年的198.25 g C/(m2·a)增加至2010年的203.79 g C/(m2·a)，升幅為2.79%。各亞區(qū)的變化趨勢(shì)與全區(qū)一致，均呈增加趨勢(shì)，其中蒙甘寧西部、內(nèi)蒙古東部治理區(qū)和青藏高原江河源退化區(qū)的增速較快，增加速率分別為0.948,0.794和0.646 g C/(m2·a)；新疆治理區(qū)略有增加趨勢(shì)，增加速率僅為0.025 g C/(m2·a) (圖10)。

3討論

3.1生態(tài)工程影響

通過對(duì)退牧還草工程區(qū)2000-2010年生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)和質(zhì)量參數(shù)的分析，表明了全區(qū)及各亞區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀況具有轉(zhuǎn)好趨勢(shì)，扭轉(zhuǎn)了以往草地持續(xù)惡化的狀況。2003年始啟動(dòng)實(shí)施的退牧還草工程對(duì)草地植被恢復(fù)起到積極作用，通過推行禁牧、休牧、劃區(qū)輪牧、草地補(bǔ)播等，對(duì)草地生態(tài)恢復(fù)、退化趨勢(shì)的遏制和生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展做出了積極的貢獻(xiàn)。短中期的圍欄封育對(duì)提高天然草地的植被蓋度和產(chǎn)草量等方面具有一定的效果，促進(jìn)生產(chǎn)力的提高，提高草地的理論載畜量，從而減輕草地的載畜壓力。禁牧和草畜平衡措施，不僅減輕了人類擾動(dòng)對(duì)草地的影響，而且使工程區(qū)的家畜數(shù)量減少，草地載畜壓力減輕，草地得到休養(yǎng)生息，利于植被恢復(fù)，因而研究區(qū)植被覆蓋度、凈初級(jí)生產(chǎn)力和葉面積指數(shù)均得以提高。退牧還草工程中采取圍欄封育、補(bǔ)播改良、合理施肥、控制放牧等途徑，重點(diǎn)治理了嚴(yán)重退化草地、石漠化草地、巖溶草地和黑土灘退化草地，有利于退化草地的恢復(fù)和防止新的草地退化發(fā)生。

此外，研究區(qū)內(nèi)部分區(qū)域還同時(shí)實(shí)施了退耕還林還草、京津風(fēng)沙源治理工程、西南巖溶地區(qū)草地治理試點(diǎn)工程、生態(tài)移民和鼠害防治工程等其他生態(tài)工程，這些工程的實(shí)施也對(duì)該區(qū)生態(tài)狀況改善起到促進(jìn)作用。

3.2區(qū)域氣候驅(qū)動(dòng)

圖11　1990-2010年退牧還草工程區(qū)年均溫和年降水量變化Fig.11　Times series of annual mean air temperature and precipitation during 1990-2010

氣候因素是植被活動(dòng)年際變化的重要影響因素[20]，氣溫和降水量是影響植被生長的主要非生物因素[21]。氣候變暖已導(dǎo)致北半球中高緯度地區(qū)植被活動(dòng)顯著增強(qiáng)，在我國，大部分地區(qū)的植被活動(dòng)也呈增強(qiáng)趨勢(shì)[22-23]。氣候的干濕狀況和水資源供需平衡會(huì)對(duì)植被的生長產(chǎn)生較大影響，尤其是干旱、半干旱地區(qū)，降水是生態(tài)系統(tǒng)的重要水分來源，是植被生長的主要制約因素。研究區(qū)1990-2010年20年間年均溫和年降水量的空間數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)(圖11)表明：退牧還草工程區(qū)近期氣候趨于暖濕化，氣溫增加，降水增多，有助于生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。研究區(qū)20年間，年均溫呈顯著上升趨勢(shì)，增溫達(dá)到0.57℃，且伴有明顯的年際變化特征；年降水量無顯著線性變化，1990年最高，2006年最低。其中，近10年工程區(qū)多年均溫為1.89℃，且變化斜率為0.063℃/a；降水多年均值為341.01 mm，且變化斜率為0.726 mm/a。氣溫的增高使植被返青期提前，促進(jìn)植被生產(chǎn)力提高。降水增加不僅滿足植被生長需要，而且還使湖泊河流等水體面積擴(kuò)大，促進(jìn)牧草產(chǎn)量提高。溫度和降水量的增加，還能使荒漠速度減緩，荒漠面積減少，濕地生態(tài)系統(tǒng)增加，減緩了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化，并促使其朝著合理化的方向發(fā)展。從圖4生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量各參數(shù)可以看到，2000-2006年植被覆蓋度、葉面積指數(shù)和凈初級(jí)生產(chǎn)力的年際變化趨勢(shì)與降水量一致，如2002和2005年各參數(shù)波峰與降水量的波峰值相對(duì)應(yīng)，而2006年FVC和NPP波谷與降水量波谷相對(duì)應(yīng)，表明除了生態(tài)工程的保護(hù)和恢復(fù)效果外，降水量也是生態(tài)系統(tǒng)改善的主要原因。溫度的持續(xù)上升未對(duì)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)改善起到明顯促進(jìn)作用，研究區(qū)多數(shù)區(qū)域位于北方干旱半干旱區(qū)內(nèi)，較高溫度反而導(dǎo)致水分蒸發(fā)迅速，在一定程度上加劇了干旱，從而不利于植被生長和生態(tài)系統(tǒng)狀況改善。但2007-2010年隨著降水量對(duì)植被生長影響作用減弱，F(xiàn)VC、LAI和NPP的變化趨勢(shì)開始與溫度接近，可以推斷未來情景內(nèi)，研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)狀況將受溫度和降水的雙重影響。

但同時(shí)局部區(qū)域發(fā)生暖干化的變化趨勢(shì)，影響著局部地區(qū)的生態(tài)狀況。西北地區(qū)對(duì)氣候變化極為敏感，如新疆阿勒泰地區(qū)大部分區(qū)域氣溫呈升高且降水呈降低趨勢(shì)，整個(gè)阿勒泰地區(qū)1961-2012年52年間旱情持續(xù)嚴(yán)重，年和季節(jié)的干旱發(fā)生頻繁，且多年存在重旱和特旱[24]，氣候的不良變化對(duì)當(dāng)?shù)氐哪敛莺娃r(nóng)作物的生長、發(fā)育和產(chǎn)量等都產(chǎn)生不利影響，F(xiàn)VC、LAI和NPP均出現(xiàn)下降趨勢(shì)。此外，長江黃河源區(qū)因氣溫升高引起的區(qū)域暖干化也導(dǎo)致高寒草地生態(tài)系統(tǒng)退化的格局[25]。

3.3人類活動(dòng)擾動(dòng)

2000-2010年研究區(qū)的生態(tài)工程實(shí)施和氣候暖濕化趨勢(shì)改良了生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)促進(jìn)研究區(qū)FVC、LAI和NPP的提高，全區(qū)的人類活動(dòng)擾動(dòng)較小，但人類活動(dòng)對(duì)局部區(qū)域存在一定影響。

在10年間研究區(qū)的人類干擾指數(shù)在0.2～0.4之間，多年均值約為0.34，變化微小。工程區(qū)雖存在著局部的農(nóng)田開墾和撂荒等人類活動(dòng)干擾，導(dǎo)致部分草地與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)之間的相互轉(zhuǎn)化，但人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響減小，整體上促進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)的改善，草地退化趨勢(shì)也得到一定遏制。

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的變化(圖3, 6, 8,10)和統(tǒng)計(jì)結(jié)果均可得知，10年間，研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田的面積增幅較大，與其他生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化較活躍，且FVC、LAI和NPP參數(shù)的變化趨勢(shì)顯著，從而推斷研究區(qū)內(nèi)可能存在開墾現(xiàn)象。已有學(xué)者研究表明：過去50年內(nèi)，新疆存在大規(guī)模土地開墾，森林和草地發(fā)生較強(qiáng)烈的轉(zhuǎn)變，農(nóng)田迅速增加，導(dǎo)致土地退化和沙化現(xiàn)象[26]，本研究結(jié)果與此一致。另，根據(jù)全國分縣統(tǒng)計(jì)年鑒，研究區(qū)總?cè)丝趶?000年的2514.11萬增加至2010年的2777.43萬，增幅為10.47%；10年間研究區(qū)的經(jīng)濟(jì)強(qiáng)度有了大幅增長，從2000年的3.79萬元/km2增至2010年的25.55萬元/km2，增長部分是2000年經(jīng)濟(jì)強(qiáng)度的5.74倍。受經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)使，農(nóng)牧民可能在荒地、鹽堿地及河漫灘地進(jìn)行農(nóng)業(yè)開墾，這也導(dǎo)致了其他各類生態(tài)系統(tǒng)向農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。同時(shí)草地被侵占為建設(shè)用地，草地退化為裸土地、沙地、鹽堿地等現(xiàn)象發(fā)生。如，阿勒泰地區(qū)主要分布著草地和灌叢(圖2和圖3)，10年間草地減少1691 km2，減幅為1.44%；城鎮(zhèn)略有增加，增幅為1.17%。此外，超載放牧是草原退化的重要因素，青藏高原江河源退化草原治理區(qū)的南部大部分地區(qū)的FVC、LAI和NPP數(shù)值偏低且呈降低態(tài)勢(shì)，其中以西藏為主。已有學(xué)者研究表明：西藏除林芝地區(qū)外，其余地區(qū)牲畜超載率均較高[27]；過度放牧和人類不合理的開發(fā)是導(dǎo)致長江黃河源區(qū)高寒草地退化加劇的重要因素[25]。

3.4存在的問題及建議

生態(tài)恢復(fù)是一項(xiàng)長期、復(fù)雜的系統(tǒng)工作，是自然氣候因素和工程因素共同作用的結(jié)果，退牧還草工程區(qū)的生態(tài)恢復(fù)的狀態(tài)仍未達(dá)到理想狀況，還需持續(xù)的努力[28]。雖然通過退牧還草工程的實(shí)施，草地植被得到一定恢復(fù)，F(xiàn)VC增長較持續(xù)，LAI和NPP呈波動(dòng)增長。但部分區(qū)域(尤其是人工飼草地)牧草種類單一，一年生牧草居多，尚未形成穩(wěn)定的植物群落，生態(tài)條件仍十分脆弱，加之當(dāng)?shù)啬撩駥?duì)草地的索取和依賴程度仍較高，一旦再次利用，極易造成二次退化，保護(hù)治理成果仍面臨嚴(yán)重的考驗(yàn)。其次，氣候不斷增暖會(huì)導(dǎo)致蟲鼠害增加的范圍和頻率。此外，退牧還草工程治理規(guī)模遠(yuǎn)小于我國草地總面積，目前我國大部分草原仍存在超載過牧狀態(tài)和退化、沙化、鹽堿化、石漠化現(xiàn)象，局部地區(qū)水蝕、風(fēng)蝕、自然災(zāi)害等有所加劇，尚需治理的草地面積仍很大。因此，建議繼續(xù)推進(jìn)退牧還草工程，鞏固已有建設(shè)成果，建立長期有效的生態(tài)建設(shè)和恢復(fù)機(jī)制。建議完善草地生態(tài)獎(jiǎng)補(bǔ)機(jī)制，加大草地生態(tài)工程建設(shè)力度。圍欄建設(shè)是退牧還草工程的核心內(nèi)容，也是禁牧、休牧和輪牧能夠順利進(jìn)行的前提條件和必要手段，但部分地區(qū)存在圍欄質(zhì)量參差不齊，縮短圍欄使用年限，建議加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加大配套設(shè)施的投入，規(guī)范工程施工，確保工程質(zhì)量。將退牧還草工程與草原生態(tài)獎(jiǎng)補(bǔ)機(jī)制、風(fēng)沙源治理工程、生態(tài)移民工程、退耕還林還草工程等有機(jī)結(jié)合，實(shí)施區(qū)域綜合治理。

根據(jù)區(qū)域社會(huì)自然資源條件，因地制宜對(duì)各亞區(qū)實(shí)施不同的保護(hù)和發(fā)展戰(zhàn)略。內(nèi)蒙古東部退化草原治理區(qū)降水充沛，濕潤度高，以草甸和草原為主，但存在草地退化和超載現(xiàn)象，建議適當(dāng)發(fā)展人工草地，補(bǔ)播優(yōu)良牧草，在穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的同時(shí)，提高牧民的經(jīng)濟(jì)收入；充分借助區(qū)域暖濕化變化趨勢(shì)的契機(jī)，積極恢復(fù)草地生態(tài)。蒙甘寧西部退化草原治理區(qū)氣候溫和，水資源短缺，生態(tài)系統(tǒng)以荒漠為主，草地類型以草原為主，超載過牧嚴(yán)重，還存在沙化現(xiàn)象，應(yīng)嚴(yán)格實(shí)施禁牧、休牧和適宜輪牧，實(shí)施草地封育，控制草地載畜量，保證荒漠草地的生態(tài)用水，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展優(yōu)勢(shì)生態(tài)畜牧業(yè)。新疆退化草原治理區(qū)光熱豐富，降水稀少，植被較少，以草叢、濕性荒漠草原和荒漠為主，荒漠化和鹽漬化嚴(yán)重，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，應(yīng)予以重點(diǎn)保護(hù)，增大草地保護(hù)的面積和力度，實(shí)施草地禁牧、休牧、改良等措施，實(shí)現(xiàn)農(nóng)牧互補(bǔ)，著力發(fā)展生態(tài)牧業(yè)。青藏高原江河源退化草原治理區(qū)海拔高，水熱條件較差，自然災(zāi)害較頻繁，草地易退化為“黑土灘”，草地類型以草甸和草原為主，應(yīng)增加多元化生態(tài)補(bǔ)償，優(yōu)化家畜種群規(guī)模與結(jié)構(gòu)，促進(jìn)天然草地的恢復(fù)，發(fā)展特色生態(tài)畜牧業(yè)，科學(xué)利用草地資源，實(shí)現(xiàn)青藏高原草地生態(tài)屏障保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

4結(jié)論

本文從生態(tài)宏觀結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量兩方面分析全國退牧還草工程區(qū)10年間的總體生態(tài)狀況，主要結(jié)論如下：1)生態(tài)系統(tǒng)的宏觀結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定。研究區(qū)最主要的生態(tài)系統(tǒng)是草地生態(tài)系統(tǒng)，其次是荒漠。生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在草地、濕地、荒漠和農(nóng)田，表現(xiàn)為農(nóng)田增加，濕地?cái)U(kuò)張，荒漠向草地過渡，草地總面積持平。濕地?cái)U(kuò)大反映工程區(qū)水熱條件轉(zhuǎn)好，草地未出現(xiàn)大幅下降趨勢(shì)反映草地持續(xù)退化得到減緩，荒漠的減少反映生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改善。2)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量總體上升。2000-2010年，研究區(qū)整體植被覆蓋度略有增長趨勢(shì)，葉面積指數(shù)略呈波動(dòng)式增加，凈初級(jí)生產(chǎn)力呈顯著上升，草地植被呈恢復(fù)轉(zhuǎn)好態(tài)勢(shì)，草地生態(tài)環(huán)境逐年向良性演變，但區(qū)域差異較大，局部地區(qū)草地持續(xù)退化。3)全區(qū)生態(tài)狀況具有較明顯空間差異性，從四大亞區(qū)來看，根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)的演變與穩(wěn)定狀況和各生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量參數(shù)的空間分布與變化程度，內(nèi)蒙古東部退化草原治理區(qū)>青藏高原江河源退化草原治理區(qū)>新疆退化草原治理區(qū)>蒙甘寧西部退化草原治理區(qū)；此外，通過本研究發(fā)現(xiàn)：生態(tài)狀況本身較好的區(qū)域，生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，且多向有利生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量各參數(shù)變化幅度較小；生態(tài)狀況本身較差的區(qū)域，生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)變化較活躍，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量各參數(shù)變化幅度也相應(yīng)較大。4)研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)狀況受生態(tài)工程、區(qū)域氣候和人類活動(dòng)的綜合影響，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境呈“全區(qū)轉(zhuǎn)好，局部變差”。退牧還草工程的實(shí)施促進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)的良性發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量參數(shù)的提高，氣候全區(qū)暖濕化發(fā)展利于植被生長和恢復(fù)，人類干擾指數(shù)整體較小且變化不大，但局部地區(qū)仍受氣候暖干化影響和人類活動(dòng)擾動(dòng)，仍有草地遭到破壞的現(xiàn)象，區(qū)域生態(tài)狀況惡化。

研究區(qū)草地植被得到一定程度恢復(fù)，草地退化趨勢(shì)減弱，草原生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化的勢(shì)頭得到初步遏制，并出現(xiàn)逐步改善，為鞏固工程成效，建議繼續(xù)推進(jìn)退牧還草工程，完善草原生態(tài)獎(jiǎng)補(bǔ)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展。本研究為評(píng)價(jià)退牧還草工程對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)、管理和利用提供理論依據(jù)，為草地資源的合理可持續(xù)利用提供有價(jià)值的科學(xué)信息。

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Ecosystem dynamics in the ‘Returning Rangeland to Grassland’ programs, China

ZHANG Hai-Yan1,2, FAN Jiang-Wen1*, SHAO Quan-Qin1, ZHANG Ya-Xian1,2

1.KeyLaboratoryofLandSurfacePatternandSimulation,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Abstract:Grassland in arid, semi-arid and alpine areas has experienced severe degradation in recent decades. To enable restoration of grassland vegetation and sustainable development, the Returning Rangeland to Grassland (RRG) program was initiated in 2003. Based on remote sensing images, meteorological data and ground observed data, this study utilized data fusion, ecological model simulation and scaling transformation to construct the regional macro ecosystem structure, ecosystem quality and dynamics in regions hosting RRG programs. Fractional vegetation cover (FVC), leaf area index (LAI) and net primary production (NPP) were utilised to indicate ecosystem quality. We examined the spatiotemporal characteristics of ecological structure and ecosystem quality in regions where the RRG programs were implemented from 2000 to 2010. Additionally, we analyzed ecosystem evolution characteristics and the driving mechanism of ecosystem change.Grassland ecosystems were dominant in the study area. The ecosystem structure was stable, but grassland experienced local change in farmland, wetland and desert. FVC showed a slight increasing trend for grassland; LAI tended to fluctuate but tended to also increase; NPP increased, ranging from 218.23 g C/(m2·a) in 2000, to 226.30 g C/(m2·a) in 2010, a 3.7% increase. Ecological conditions differed spatially; overall there was improvement but with areas of localized deterioration. The integral level of the sub-region was: the degraded grassland region of eastern Inner Mongolia>the riverhead grassland region of the Qinghai-Tibetan Plateau>the degraded grassland region of Xinjiang>the desert grassland region of western Inner Mongolia-Gansu-Ningxia. The spatiotemporal variation of ecosystems was mainly affected by ecological restoration projects, climate change and human activities. The RRG programs restored degraded grassland and promoted natural grassland protection. The warming-wetting trend observed over this time promoted the restoration of vegetation. Human activities such as overexploitation resulted in conversion of grassland into farmland in some areas.

Key words:Returning Rangeland to Grassland programs; ecosystem structure; ecosystem quality; temporal and spatial distribution; dynamic change

*通信作者

Corresponding author. E-mail: fanjw@igsnrr.ac.cn

作者簡介：張海燕(1987-)，女，山東濰坊人，在讀博士。E-mail：zhanghy.13b@igsnrr.ac.cn

基金項(xiàng)目：國家十二五科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAC03B0412)資助。

*收稿日期：2015-09-29；改回日期：2016-01-14

DOI：10.11686/cyxb2015469

http://cyxb.lzu.edu.cn

張海燕, 樊江文, 邵全琴, 張雅嫻. 2000-2010年中國退牧還草工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)和質(zhì)量及其動(dòng)態(tài)變化.草業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 25(4): 1-15.

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