会宁县退耕还林还草工程实施后植被状况调查

李宗杰， 杨彩红， 马 瑞， 齐广平， 王 立， 张 丞， 宋玲玲， 王景功

(甘肃农业大学 林学院， 甘肃 兰州 730070)

植被是全球陆地生态系统的主体，在物质循环和能量转化中发挥着重要作用，并且在维持全球碳平衡、减缓温室气体浓度升高、维护全球气候稳定、水土保持等方面具有不可替代的作用[1-5]。在自然生态系统中，植被是最活跃和敏感的因子，大气、水、土壤等成分的变化都能被其灵敏地反映出来，被称为景观变化的指示器。随着对地观测技术的不断成熟，利用遥感数据进行植被动态变化分析的研究日益增多[6-8]。高时间，高空间和高光谱分辨率的遥感数据，如NOAA/AVHRR，MODIS，SPOT等为研究植被动态变化提供了可靠的数据源，使得过去难以实现的大尺度植被动态研究成为可能。植被指数能反映绿色植被的生长和分布状况，在一定程度上反映着植被的变化，经过20 a多的研究，国内外学者提出了几十种植被指数，常用的有NDVI，RVI，DVI，EVI，SAVI，MSAVI等，其中最常用的是NDVI[8-10]。

退耕还林还草工程是指在水土流失严重或粮食产量低而不稳定的坡耕地和沙化耕地，以及生态地位重要的耕地，退出粮食生产，植树或种草。实行退耕还林还草资金和粮食补贴制度，国家按照核定的退耕地还林面积，在一定期限内无偿向退耕还林者提供适当的粮食补助、种苗造林费和现金(生活费)补助。黄河流域以及北方地区，退耕地每年补助原粮1 500 kg/hm2，现金300元，还生态林的至少补助8 a，还经济林的补助5 a，还草的补助2 a，退耕地和宜林荒山荒地补助种苗造林费750元/hm2[11]。该工程是提高区域植被覆盖度的重要举措，为合理利用土地资源，增加林草植被，再造秀美山川，维护国家生态安全，实现人与自然和谐共存而实施的一项重大生态工程。

会宁县紧紧抓住退耕还林还草工程这一历史机遇，强化措施，突出重点，加大了综合治理力度，开创了生态环境建设的新局面。近几年实践证明，退耕还林对改善生态环境，改变不合理生产方式，加快贫困地区农民脱贫致富，优化农村产业结构，促进农村经济发展发挥了积极作用，被群众称为“民心”工程、“德政”工程[12-14]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

会宁县地处甘肃省中部地区，属黄土高原丘陵沟壑区第Ⅴ副区，地理坐标35°24′—36°26′N，104°29′—105°31′E，总面积5 666.25 km2，总人口58 万，是甘肃省人口最多的县。会宁县南部多高大山梁，海拔较高，北部为低缓川塬，海拔较低。夏季暖湿空气北上困难，冬季干冷空气南下长驱直入，故气候温凉干燥，南北差异较大，降水少且分布不均匀，年际变率较大，年内四季分明、水热同季，日照时间长，蒸发强烈，无霜期较短。气候类型属温带大陆型季风气候，多年平均降雨量340 mm，多年平均蒸发量1 800 mm，由于降水稀少，林草覆盖度仅为8.40%，加之黄土的特有属性，水土流失十分严重，全县土壤侵蚀模数6 156 t/(km2·a)，每年约流失表土4.20 mm，生态环境极为恶劣。

水土流失、荒漠化等生态环境的恶性循环，不仅加剧了该县的贫困程度和自然灾害的发生，也制约了全县经济和社会的可持续发展。1999 年国家开始实施西部大开发战略，将生态环境的保护和建设作为西部开发的切入点和根本，实施了退耕还林还草工程和生态环境建设综合治理工程。根据《全国生态环境建设规划》和《甘肃省生态环境建设规划》，1999年会宁县被国家确定为国家生态环境建设综合治理工程重点县之一，加大投资进行生态环境的综合治理。

1.2 数据和方法

1.2.1 数据来源 本研究所采用的数据是美国国家航空航天局提供的MODIS—NDVI数据，该数据可免费下载。本文主要运用了2000和2011年的MODIS-NDVI数据，空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d，每年共23期数据。MODIS植被指数具有数据接收免费、时间分辨率高、空间分辨率中等、通道多、波段窄等优点，其优良特性是NOAA—AVHRR传感器所不能比拟的。如MODIS在红光和近红外波段地面空间分辨率为250 m，且探测波段较窄，避开了近红外波段的水汽吸收带，且红色通道(620～670 nm)比AVHRR的(580～680 nm)更窄，对叶绿素的吸收更敏感，提高了对稀疏植被的探测能力，这对于地处干旱区的会宁县而言极为适用。

1.2.2 研究方法

(1)研究区植被指数的分析。① 利用MODLAND提供的MRT(modis reprojection tools)工具将下载的遥感数据进行拼接、格式和地图投影转换，将HDF格式转化为GEOTiff格式，将Sinusoidal地图投影转换为Albers Equal Area。② 在ArcGIS中，利用ArcMap软件下的Spatial Analyst Tool工具对投影变换后的数据进行裁剪，分别得到2000和2011年会宁县的NDVI数据集，然后，在遥感影像处理软件ENVI中用NDVI最大值合成法，对同属一个月的多期NDVI影像进行最大值合成，合成逐月的NDVI影像，该方法可进一步去除噪声点并提高数据的可靠性。③ 在ArcGIS中，利用ArcMap软件，在Spatial Analyst Tool工具下的栅格计算器(raster calculator)分别对2000和2011年5—9月的NDVI数据取均值，得到年NDVI数据。因为在西北干旱区植被的生长季一般为5—9月，所以本文以5—9月NDVI的平均值作为年NDVI数据。最后利用ArcMap软件，在Spatial Analyst Tool工具下的栅格计算器中对2011和2000年的两期NDVI影像进行差值分析，得出2000—2011年植被指数的变化情况。

(2)退耕还林还草区现场调查。① 通过对小流域现状植物的全面调查，选取土门岘乡和刘寨乡流域现有的植物群落，在这些群落分布的典型地段(塬区、沟壑、梁区)设置样地，样地设置采用典型取样法，取样面积分别为：乔木样方20 m×20 m，灌木样方10 m×10 m，草本样方1 m×1 m；在每个乡不同典型地段分别选取典型样方。② 分别对乔木的树种、高度、胸径、地径，灌木的树种、树高、地径和草本的草种、高度等指标进行现场测定。最后，对数据进行汇总分析，得出林木或草的生长状况。

(3)研究区山洪暴发情况走访调查。① 在不同区域选择典型的排洪沟，主要是水流冲刷侵蚀形成的黄土沟谷，为了便于走访调查，选择的沟谷基本位于居民点附近。② 分别对50处具有代表性的排洪沟洪水暴发情况进行调查，对同一个沟谷退耕还林还草工程实施之前和之后山洪暴发的次数至少走访3家农户，然后对调查的数据取平均值。最后，汇总调查数据，确定不同排洪沟山洪暴发情况，得出山洪暴发次数对比情况。

(4)研究区农户走访调查。① 设计调查问卷，调查该工程实施前后，山洪暴发的强度以及破坏性；农户对退耕还林还草的实施态度及其感知；该工程实施前后，农户的经济收入变化，农户对生态环境的感知变化，水土流失的发生情况等[15]。② 我们在不同的区域分别对100名农户进行了调查。最后，根据调查情况分析汇总数据，得出农户走访调查情况。

2 结果与讨论

2.1 研究区2000-2011年植被指数变化

由表1，图1—2可知，2000—2011年会宁县植被NDVI指数明显增加，反映了植被盖度显著增大。计算得知植被NDVI指数增加的面积占全县总面积的77.74%，约为4 404.75 km2，植被NDVI指数减少的面积占总面积的22.26%，约为1 261.50 km2，植被NDVI指数减少的区域主要位于会宁县西北部和中西部。这些变化可由以下事实说明：(1)自1999—2006年，会宁县累计完成生态工程造林692.57 km2，全县森林覆盖率达到9.2%，建成了铁木山、华家岭、大山顶等一批规模大、质量高的示范工程，区域生态环境得到明显改善，水土流失得到了有效的控制，部分重点治理区基本实现了“土不下山、水要出沟”。(2)完成小流域治理670 km2，甘沟驿镇田岔村、太平店镇大山顶被列为国家小流域治理示范点，已经发挥着涵养水源、保持水土、改变区域气候条件的良好效益；而且铁木山被列为省级森林公园，覆盖面积3.10 km2。 (3)2006年会宁县启动了生态小康村镇绿化项目，国家投资140万元，在郭城驿、河畔、头寨子、甘沟驿等乡镇完成生态绿化造林9.33 km2，用于改善农村生态环境和生活环境。退耕还林、“121”集雨工程、梯田建设、小流域治理工程的持续实施为全县生态环境良性发展，构建和谐会宁打下良好的生态基础。因此，这些变化总体反映了会宁县植被盖度近年来明显增加，生态恢复的良好局面与退耕还林还草的实施密切相关，特别是退耕还林还草政策实施以后，会宁县从生态大环境建设的战略布局着眼，积极采取多种措施加强了生态环境的恢复与建设步伐，为县域经济社会的可持续发展奠定了良好基础。

表1 2000-2011年会宁县植被盖度变化

图1 2000-2011年会宁县NDVI植被指数空间变化

图2 2000-2011年会宁县植被空间变化分布

2.2 不同地貌区植被的生长状况

以会宁县北部乡镇的土门岘乡和刘寨乡为例，在不同的地貌区(主要为黄土塬区、黄土梁区、沟壑区)选择典型样方，调查林木或草地生长状况，主要调查了林木种类、林木高度、地径、胸径、树高等指标，以确定植被恢复及其生长状况。如表2所示，作为沟壑区代表的大岔沟山杏、刺槐和山桃的地径分别为10.37，9.70和9.40 cm，树高分别为232.96，322.30和214.70 cm，而柠条和紫花苜蓿的生长高度为95和71 cm，相比较而言刺槐和柠条的生长状况较好；黄土梁区(后山梁、护山梁和十三盘梁)山杨、山杏、刺槐、臭椿和榆树的地径分别为6.50，10.28，8.17，8.36和11.46 cm，树高分别为355.06，233.47，337.32，381.29和302.18 cm，山杏、刺槐、臭椿和榆树的胸径分别为9.56，6.45，7.95和10.38 cm，柠条和紫花苜蓿的生长高度分别为93.87和72.41 cm，榆树和柠条的生长状况较好；堡子塬山杏、刺槐、山桃和榆树的地径分别为10.27，8.17，8.83和6.29 cm，树高分别为242.78，321.94，213.79和298.78 cm，胸径分别为6.87，7.97，7.09和5.98 cm，柠条和紫花苜蓿的生长高度分别为94.73和75.15 cm，榆树和柠条的生长状况较好，作为经济作物的山杏生长状况也较好而且挂果率较高；阳凹坡臭椿和刺槐地径为11.50和7.37 cm，胸径为10.85和6.87 cm，树高为297.76和301.12 cm，柠条和紫花苜蓿的生长高度分别为86.60和72.36 cm。总之，通过对典型地貌区的调查发现，退耕还林还草工程所选用的林木和草本植物均较适宜研究区的生长环境，经过将近10 a的恢复，呈现出良好的生长势头，而且不同地貌区林木的种植基本体现了因地制宜的原则，取得了较好的水土保持效益。

表2 不同地貌类型区林木或草的生长状况 cm

2.3 山洪暴发次数和农户满意度调查

黄土高原地区由于黄土的特殊性质，如湿陷性、易侵蚀等，形成了众多的沟壑地形，当植被覆盖稀少时，遇降雨常常造成山洪暴发，导致严重的水土流失；而当植被覆盖率高时，水土保持能力增强，山洪暴发的次数也将减少，因此通过确定退耕还林还草工程实施前后山洪暴发次数的变化可反映水土保持的效益。位于会宁县北部的刘寨乡和土门岘乡，由于降水较少且不均匀，再加上黄土地貌类型多样且支离破碎，是会宁县最为严重的水土流失区之一，为此先后调查了上述两乡镇不同地貌类型区的50个排洪沟退耕还林还草工程实施前后山洪的暴发次数情况。如图3所示，退耕还林还草工程实施前山洪暴发次数明显高于实施后，50个排洪沟的均值分别为7和3次，减少了近1/2多。而且山洪的流量和破坏力也明显降低，调查期间一次暴雨过后很多排洪沟仅有少量的泥水流出沟口，且尚未持续两小时便停止，这些证据表明随着植被覆盖状况的不断改善，退耕还林还草工程已基本形成了良好的水土保持功能。

图3 退耕还林还草工程实施前后主要排洪沟山洪暴发次数对比

广大农户的紧密配合是退耕还林还草工程取得良好效益的最重要条件，因此通过问卷调查初步分析了农户对退耕还林还草的实施态度及其感知，以及该工程实施前后农户的经济收入变化，对生态环境的感知变化，水土流失的发生情况等。如表3所示，约92.63%的农户认为严重的水土流失对生产生活有着负面影响。而且大多数农户反映了2000年之前的大山洪暴发常常造成人畜伤亡事件，其对一个家庭的生产与生活造成了不可估量的损失，正是基于这一认识，约70%的农户一开始就对这一生态恢复政策持拥护态度并积极配合了政府的要求。当谈及该工程实施前后家庭经济收入的变化时，约78.00%的农户确认自己的收入提高了，主要来自于3方面： (1)政府对退耕还林还草所占耕地面积的有效补助。(2)耕地面积减少后，利用更多的农闲时间打工或开展其他副业的收入大大增加。(3)尚未退耕还林还草的耕地(均为上等地)主要种植经济类作物，特别是通过铺砂将土地改造为砂田，然后种植西瓜和籽瓜增加了一部分收入，也就是农户对土地的经营更加集约化。由于该工程的实施，63.83%的农户认为对农作物的损害减少了。农民感受最深切的是该工程实施前后，山变绿了，树变多了，山洪基本没有了。81.05%的农户认为这一措施已基本解决了区域的水土流失问题，所以当谈及是否继续支持该工程的建设时，有92.00%的农户强烈拥护。这一调查表明，当前的退耕还林还草工程基本达到了相应的水土保持效益要求，也得到了广大农户的拥护和支持。但就农户反映的粮食产量减少的问题，认为通过大力发展农村水利建设可以克服，这一措施也是达到长久保持并进一步推进该工程的重要保障，因此这一政策无疑是“功在当代，利在千秋”。

表3 农户对退耕还林还草实施的感知与态度走访调查结果

3 结 论

(1)基于对遥感NDVI数据的分析发现，从2000年到2011年会宁县植被盖度明显增加，植被NDVI指数增加的面积占全县总面积的77.74%，约4 404.75 km2，减少的面积占总面积的22.26%，约1 261.50 km2，NDVI指数减少的区域主要位于会宁县西北部和中西部。

(2)通过对典型地貌区的调查发现，退耕还林还草工程所选用的林木和草本植物均较适宜研究区的生长环境，经过将近10 a的恢复，呈现出良好的生长势头，而且在不同的地貌区林木的种植较好地体现了因地制宜的原则。

(3)调查证实退耕还林还草工程实施前山洪暴发次数明显高于实施后，50个排洪沟的均值分别为7和3次，减少了1/2多，而且山洪的流量和破坏力也明显降低，证明退耕还林还草工程已基本形成了良好的水土保持功能。

(4)调查表明，广大农户对退耕还林还草工程取得的显著水土保持效益广泛认同，而且大多数农户的家庭经济收入呈现增加势头，调查也反映出通过大力发展农村水利事业，进而加大农户增产增收将是巩固该工程水土保持效益的有力措施。

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