中國(guó)退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法

郭 慧，王 兵，牛 香

（中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所 國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100091）

退耕還林是以保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境為目的，有計(jì)劃地改造易造成水土流失的坡耕地或者廢棄耕地的重大林業(yè)工程。綜合分析國(guó)內(nèi)外退耕還林的數(shù)據(jù)、資料和成果，總結(jié)歸納退耕還林模式主要分為計(jì)劃式和無(wú)計(jì)劃自發(fā)式兩種類型［1］。美國(guó)為解決生態(tài)環(huán)境惡化和農(nóng)產(chǎn)品過(guò)剩的問(wèn)題，采取計(jì)劃式模式，有計(jì)劃地進(jìn)行退耕還林還草或休耕。歐洲許多國(guó)家由于城市化進(jìn)程加快，農(nóng)產(chǎn)品過(guò)剩，棄耕現(xiàn)象嚴(yán)重而進(jìn)行無(wú)計(jì)劃自發(fā)式退耕還林［2］。中國(guó)退耕還林始于1949年，主要是針對(duì)被開(kāi)墾后荒蕪的林地。1999年退耕還林工程在四川、陜西和甘肅省同時(shí)展開(kāi)試點(diǎn)，目前已有25個(gè)省份參與，在涵養(yǎng)水源［3］，保育土壤［4］，提高森林覆蓋率，豐富生物多樣性等方面取得了顯著成效，不僅促進(jìn)了退耕還林區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也進(jìn)一步增強(qiáng)了人類的生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)。

定量化評(píng)估退耕還林工程所取得的巨大效益，特別是生態(tài)效益，就需要建立系統(tǒng)科學(xué)的退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)體系，而該體系的關(guān)鍵就是要構(gòu)建中國(guó)退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。然而，目前退耕還林工程也存在一定的制約因素。一是存在生態(tài)效益監(jiān)測(cè)站點(diǎn)少、監(jiān)測(cè)指標(biāo)和監(jiān)測(cè)方法不統(tǒng)一、管理體系不健全、整體工作水平低下等問(wèn)題，還無(wú)法實(shí)施系統(tǒng)、全面地?cái)?shù)據(jù)分析，無(wú)法滿足全面評(píng)價(jià)退耕還林生態(tài)效益的需求［5－6］。二是通過(guò)遙感等信息技術(shù)可以進(jìn)行區(qū)域尺度的監(jiān)測(cè)，但其監(jiān)測(cè)內(nèi)容僅僅局限在林地表面［7］，對(duì)森林質(zhì)量、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的評(píng)價(jià)尚有欠缺。因此構(gòu)建中國(guó)退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)非常關(guān)鍵。本研究嘗試?yán)肎IS的空間分析進(jìn)行中國(guó)退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，以期探索出更加科學(xué)合理的生態(tài)效益監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法。

1 中國(guó)退耕還林工程概況

退耕還林工程涉及全國(guó)25個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）和新疆建設(shè)兵團(tuán)，工程面積達(dá)到2.94×107hm2，涉及3 200多萬(wàn)農(nóng)戶、近1.24億農(nóng)民，資金投入達(dá)到3 262億元。退耕還林工程區(qū)的自然條件差異極大，氣候溫度變化多端，地形地貌類型豐富，幾乎囊括中國(guó)所有植被、土壤類型。根據(jù)不同退耕還林工程區(qū)的自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)條件的差異，將全國(guó)退耕還林工程分為6個(gè)大區(qū)：東北黑土區(qū)、西北黃土區(qū)、北部風(fēng)沙區(qū)、青藏高原區(qū)、西南高山峽谷區(qū)和中南部山地丘陵區(qū)。目前已有85個(gè)森林生態(tài)站位于退耕還林區(qū)，其中74個(gè)生態(tài)站來(lái)源于中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)（Chinese Forest Ecosystem Research Network，CFERN），9個(gè)生態(tài)站來(lái)源于中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（Chinese Ecosystem Research Network，CERN），2個(gè)生態(tài)站來(lái)源于中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)（Chinese Terrestrial Ecosystem Flux Research Network，ChinaFLUX）。在退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)，若生態(tài)效益監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)有森林生態(tài)站，則不再考慮新建生態(tài)效益監(jiān)測(cè)站，這樣更能發(fā)揮森林生態(tài)站“一站多能，綜合監(jiān)測(cè)”的功能，也有助于節(jié)約成本，提高監(jiān)測(cè)效率。

2 中國(guó)退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

2.1 數(shù)據(jù)與方法

森林生態(tài)站數(shù)據(jù)來(lái)源于CFERN，CERN和ChinaFLUX；中國(guó)森林區(qū)劃圖來(lái)源于《中國(guó)森林群落分類及其群落學(xué)特征》［8］；退耕還林區(qū)和退耕還林縣級(jí)單位數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家林業(yè)局；中國(guó)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家測(cè)繪局；中國(guó)DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)太空總署和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局。

中國(guó)退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的主要步驟和方法主要包括：（1）中國(guó)森林區(qū)劃圖經(jīng)過(guò)幾何糾正、矢量化后，與退耕還林區(qū)進(jìn)行空間疊置分析，提取出退耕還林工程森林適宜區(qū)。（2）將退耕還林工程森林適宜區(qū)與CFERN，CERN，ChinaFLUX的森林生態(tài)站數(shù)據(jù)進(jìn)行空間匹配后得到退耕還林生態(tài)效益已監(jiān)測(cè)區(qū)，把該區(qū)域內(nèi)的森林生態(tài)站作為退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)站；不能匹配的區(qū)域就是退耕還林生態(tài)效益未監(jiān)測(cè)區(qū)，需要新建生態(tài)效益監(jiān)測(cè)站。（3）基于GIS對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度分析，空間提取坡度大于25°的地塊分布［9］，與退耕還林生態(tài)效益未監(jiān)測(cè)區(qū)進(jìn)行空間疊加，獲取退耕還林待布設(shè)監(jiān)測(cè)站區(qū)。（4）提取退耕還林待布設(shè)監(jiān)測(cè)站區(qū)的空間內(nèi)部中心點(diǎn)布設(shè)生態(tài)效益監(jiān)測(cè)站，與已監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的森林生態(tài)站共同構(gòu)成中國(guó)退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

2.2 結(jié)果與分析

利用上述的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，基于GIS構(gòu)建中國(guó)退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。中國(guó)共生成退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)區(qū)130個(gè)，其中有52個(gè)退耕還林生態(tài)效益已監(jiān)測(cè)區(qū)，分布79個(gè)森林生態(tài)站，包括69個(gè)CFERN站，8個(gè)CERN站和2個(gè)ChinaFLUX站；78個(gè)退耕還林生態(tài)效益未監(jiān)測(cè)區(qū)需要新建生態(tài)效益監(jiān)測(cè)站，原則上每個(gè)區(qū)建設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)站，考慮到這些分區(qū)在空間位置、面積和形狀上存在較大差異，在工程實(shí)踐中若出現(xiàn)1個(gè)監(jiān)測(cè)站無(wú)法全部覆蓋該區(qū)時(shí)可以考慮補(bǔ)充建設(shè)輔助監(jiān)測(cè)站。表1具體介紹中國(guó)退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的站點(diǎn)分布，該網(wǎng)絡(luò)共建設(shè)退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)站157個(gè)，其中已經(jīng)建設(shè)79個(gè)，計(jì)劃建設(shè)78個(gè)。

2.3 精度評(píng)價(jià)

利用2 279個(gè)全國(guó)退耕還林縣級(jí)單位數(shù)據(jù)對(duì)中國(guó)退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。已建生態(tài)效益監(jiān)測(cè)站來(lái)源于CFERN，CERN和ChinaFLUX，監(jiān)測(cè)范圍完全覆蓋區(qū)內(nèi)的退耕還林工程，可以全面系統(tǒng)地監(jiān)測(cè)退耕還林生態(tài)效益，保證了已建監(jiān)測(cè)站規(guī)劃布局的科學(xué)性和合理性，因此只針對(duì)擬建生態(tài)效益監(jiān)測(cè)站的規(guī)劃布局結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。結(jié)果表明在78個(gè)擬建站中有75個(gè)監(jiān)測(cè)站所在縣參與退耕還林工程，3個(gè)監(jiān)測(cè)站所在的黑龍江省呼瑪縣、西藏地區(qū)革吉縣和陜西省陳倉(cāng)區(qū)沒(méi)有參與退耕還林工程，整體監(jiān)測(cè)站規(guī)劃布局精度為96.2%，該精度證明站點(diǎn)規(guī)劃布局結(jié)果可以滿足中國(guó)退耕還林工程的監(jiān)測(cè)要求。

2.4 生態(tài)效益監(jiān)測(cè)

中國(guó)退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括凈化大氣環(huán)境、涵養(yǎng)水源、保育土壤、積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、固碳釋氧、防風(fēng)固沙和生物多樣性保護(hù)等。不同退耕還林區(qū)因其空間位置和自然條件的差異，生態(tài)效益監(jiān)測(cè)具有區(qū)域特色。

表1 中國(guó)退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)站

（1）北部風(fēng)沙區(qū)。包括內(nèi)蒙古、北京、天津和河北等地區(qū)。該區(qū)內(nèi)干旱嚴(yán)重，水土流失導(dǎo)致荒漠化面積不斷增大；北京、天津和河北等地人口密度大，原生植被基本已不存在，內(nèi)蒙古地區(qū)多年過(guò)渡放牧植被破壞嚴(yán)重，致使沙塵暴問(wèn)題異常嚴(yán)重，還會(huì)引起各種次生災(zāi)害。因此該區(qū)的退耕還林工程主要監(jiān)測(cè)防風(fēng)固沙和水源涵養(yǎng)。

（2）東北黑土區(qū)。包括黑龍江、吉林和遼寧。該區(qū)是中國(guó)重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)，開(kāi)墾多年，土地退化嚴(yán)重，區(qū)內(nèi)森林資源種類繁多，生物多樣性非常豐富，該區(qū)的退耕還林工程主要監(jiān)測(cè)保育土壤和生物多樣性保護(hù)。

（3）青藏高原區(qū)。包括青海和西藏地區(qū)。該區(qū)海拔極高，空氣稀薄、降水稀少、氣溫低且變化較大、冰川凍土發(fā)育，植被垂直分布明顯，是眾多江河的發(fā)源地，物種資源豐富，保存了很多第三紀(jì)以前的孑遺種類，因此該區(qū)的退耕還林工程主要以生物多樣性保護(hù)監(jiān)測(cè)為主。

（4）西北黃土區(qū)。包括陜西、甘肅、寧夏、新疆和山西等地區(qū)。該區(qū)植被稀少，夏季暴雨集中，土質(zhì)疏松，地面坡度大，惡劣的自然條件及不合理的人為開(kāi)采造成土地荒漠化和水土流失非常嚴(yán)重，是黃河泥沙的重要來(lái)源。該區(qū)的退耕還林工程主要以保育土壤監(jiān)測(cè)為主。

（5）西南高山峽谷區(qū)。包括云南、貴州、四川和重慶地區(qū)。該區(qū)有廣泛的喀斯特地貌，地勢(shì)起伏大，雨量豐富，水土流失嚴(yán)重，石漠化現(xiàn)象普遍，占到全國(guó)石漠化總面積50%以上；動(dòng)植物資源種類繁多，生物多樣性顯著。該區(qū)的退耕還林工程主要監(jiān)測(cè)保育土壤和生物多樣性保護(hù)。

（6）中南部山地丘陵區(qū)。包括河南、湖北、湖南、江西、安徽、廣西和海南等地區(qū)。區(qū)內(nèi)森林覆蓋率較高，森林生長(zhǎng)速度快，是中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能區(qū)；該區(qū)覆蓋長(zhǎng)江流域中下游地區(qū)，珠三角等地，以丘陵山地為主。該區(qū)的退耕還林工程主要監(jiān)測(cè)固碳釋氧和涵養(yǎng)水源。

3 結(jié)論

（1）基于GIS空間分析構(gòu)建了中國(guó)退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包含130個(gè)退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)區(qū)，共布設(shè)157個(gè)監(jiān)測(cè)站，其中計(jì)劃建設(shè)78個(gè)，已經(jīng)建設(shè)79個(gè)，包括69個(gè)CFERN站、8個(gè)CERN站和2個(gè)ChinaFLUX站。

（2）利用全國(guó)退耕還林縣級(jí)單位數(shù)據(jù)對(duì)中國(guó)退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，總精度達(dá)到96.2%，滿足中國(guó)退耕還林工程監(jiān)測(cè)要求。同時(shí)指出了該網(wǎng)絡(luò)生態(tài)效益的監(jiān)測(cè)內(nèi)容和不同退耕還林區(qū)的主要監(jiān)測(cè)側(cè)重點(diǎn)。

（3）基于GIS的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法具有一定的推廣價(jià)值和借鑒意義，該網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)中國(guó)退耕還林工程的生態(tài)效益進(jìn)行定量化評(píng)估，用于輔助政府進(jìn)行科學(xué)決策。

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