2000-2010年中国退牧还草工程区生态系统宏观结构和质量及其动态变化

张海燕，樊江文，邵全琴，张雅娴

(1.中国科学院地理科学与资源研究所，陆地表层格局与模拟重点实验室，北京100101；2.中国科学院大学，北京100049)



2000-2010年中国退牧还草工程区生态系统宏观结构和质量及其动态变化

张海燕1,2，樊江文1*，邵全琴1，张雅娴1,2

(1.中国科学院地理科学与资源研究所，陆地表层格局与模拟重点实验室，北京100101；2.中国科学院大学，北京100049)

摘要：本研究以生态学理论为基础，以空间信息技术为支撑，基于遥感数据、气象数据和地面观测数据，通过多源数据融合、生态模型模拟和尺度转换手段，分析中国退牧还草综合治理工程区2000-2010年生态系统宏观结构和质量的时空分布及变化趋势，探讨生态系统变化的自然和人文驱动机制，为退牧还草工程的生态成效评估提供理论依据。研究结果表明，1)2000-2010年，草地生态系统面积保持平稳，生态系统宏观结构稳定，但局部区域仍存在草地与农田、湿地和荒漠间的相互转化；2)研究区草地退化趋势已得到初步遏制，植被覆盖度略有增长，叶面积指数略呈波动式增加，净初级生产力呈显著上升，草地植被呈现恢复转好态势，生态系统总体质量有所提高，生态环境向良性演变；3)研究区生态状况具有空间差异性，总体转好，局部变差，各亚区整体水平排序为内蒙古东部退化草原治理区>青藏高原江河源退化草原治理区>新疆退化草原治理区>蒙甘宁西部退化草原治理区；4)退牧还草工程的实施有利于草地保护，气候暖湿化促进植被生长与恢复，人类活动干扰局部地区生态系统，三者共同影响研究区总体生态状况。

关键词：退牧还草工程；宏观结构；生态系统质量；时空分布；动态变化

我国拥有各类草地392万km2，居世界第二位，占国土面积的41.7%[1]。草地是我国面积最大的陆地生态系统和绿色生态屏障，具有防风固沙、涵养水源、固碳释氧、保持水土及维护生物多样性等生态服务功能。草地也是畜牧业发展的重要物质基础和牧区农牧民赖以生存和发展的基本生产资料[2]。由于生态环境的脆弱，自然气候因素的影响，开垦草原、超载放牧、破坏草原植被等人类活动的干扰，我国草地退化问题严峻[3]，全国90%的草原存在不同程度的退化、沙化和盐渍化。

2003年初，针对西部地区草原生态环境持续恶化的严峻现实，国务院批准退牧还草工程，计划用5年时间先期集中治理6.67×107hm2严重退化草原，约占西部地区严重退化草原面积的40%[4]。退牧还草工程是近年来国家在草地建设史上投入规模最大、涉及面最广、受益群众最多、对草地生态环境影响最为长远的项目。退牧还草工程涉及草地生态修复和牧区建设，坚持保护为先，建设和合理利用相结合，实行以草定畜，严格控制载畜量；实行草场围栏封育，开展禁牧、休牧和划区轮牧措施；适当建设人工草地和饲草基地。旨在遏制天然草地的持续恶化，优化草畜产业结构，恢复草原植被，提高草地生产力和载畜能力，促进与恢复草原生态平衡，实现畜牧业可持续发展[5]。

退牧还草工程区的生态系统宏观结构与生态质量监测是生态工程研究的重要环节，现有研究仅是对于样点或者局部区域地面采样，且主要集中在工程区内外牧草生长状况进行单一对比[6-10]，但对于中国退牧还草工程综合治理区的生态系统宏观结构与质量各参数都还没有长时间序列系统完整的监测；其次，遥感数据、GIS技术和生态模型使用也不够深入，全区整体生态状况仍没有定量的描述。本文以中国退牧还草工程综合治理区作为监测对象，基于遥感数据、气象数据和地面观测数据，通过多源数据融合、生态模型模拟和尺度转换手段，获取中国退牧还草综合治理工程区的生态系统宏观结构与质量参数，定量评价10年间研究区生态状况，为准确评价退牧还草工程的生态成效提供科学依据，并进一步探讨导致生态系统发生变化的自然和人文驱动机制，凝练成功经验，揭示存在问题，以便为草地生态系统的管理、生态工程的调整和中长期科学规划与部署，提供决策依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

目前，退牧还草工程区实施范围按照有关原则进行调整，每年都有新增县和退出县，每年工程实施范围基本为120多个县[11]。2003-2010年，退牧还草工程的实施范围主要包括内蒙古、四川、云南、西藏、甘肃、青海、宁夏、新疆等省(区)及新疆生产建设兵团190余县/旗(团场)，总面积达319.21万 km2。退牧还草工程区主要集中于北方干旱半干旱草原区和青藏高寒草原区，以荒漠草原和高寒草原为主，大部分区域年降水量在400 mm 以下，超载严重，草原存在不同程度的退化、沙化和盐碱化，生态系统脆弱。根据区域性特点、存在主要问题和保护建设利用等的需要，全国退牧还草综合治理工程区(以下简称为退牧还草工程区)分为内蒙古东部退化草原治理区、蒙甘宁西部退化草原治理区、新疆退化草原治理区和青藏高原江河源退化草原治理区4个亚区[12](图1)。

据农业部统计材料显示，2003-2010年，退牧还草工程共投入资金185.22亿元，投资额呈先增加后减少的趋势，以2006年总投资额为最大。截止2010年，全国退牧还草工程围栏面积共5158.27万hm2，其中禁牧围栏2606.47万hm2，休牧围栏2466.20万hm2，划区轮牧围栏85.60万hm2；退化草原补播改良1240.87万hm2；同时，对项目区实施围栏封育的牧民给予饲料粮补贴。从各省建设情况来看，内蒙古、新疆围栏面积最大，分别为1438.00万和1082.67万hm2，云南省围栏面积最小，为38.33万hm2。从实施内容来看，禁牧围栏以内蒙古、青海和新疆面积较大；休牧围栏、划区轮牧和草地补播均以内蒙古、新疆等面积较大，四川、甘肃、青海、西藏等次之。

图1　退牧还草工程区空间分布Fig.1　Spatial distribution of the Returning Rangeland to Grassland programs in China

1.2生态系统宏观结构

研究区生态系统的一级类型分为森林、灌丛、草地、湿地、农田、城镇、荒漠和冰川/永久积雪8类，二级类型分为阔叶林、针叶林、针阔混交林、稀疏林、草甸、草原、草丛等18类[13-14]。以2000-2010年的MODIS数据、2000和2005年的Landsat TM/ETM数据以及2010年的HJ-1卫星CCD等多源遥感数据源为主，并辅以地形数据、雷达数据、野外实地调查数据和长期生态系统监测资料进行修正与验证，利用各省提供的地面点位置建立解译标志数据库，采用人机交互分类进行遥感解译得到生态系统数据。遥感精度验证采用随机抽样方法进行独立产品精度评价，生态系统一级分类精度为94%，二级分类精度达86%以上[13]。

本研究通过分析研究区2000，2005和2010年森林、草地、农田、湿地、荒漠等主要生态系统面积、所占比例、空间分布，以及2000-2010年主要生态系统变化状况，探讨生态系统宏观结构是否优化。借助生态系统类型转移矩阵全面分析区域生态系统变化的结构特征和研究期初各类型的流失去向及研究期末各类型的来源与构成。

1.3生态系统质量参数

本文以植被覆盖度(fractional vegetation cover，FVC)、叶面积指数(leaf area index，LAI)和净初级生产力(net primary production，NPP)3个参数作为生态系统质量是否改善的指示因子，通过遥感反演、生态模型模拟和尺度转换等手段，最终获得研究区250 m空间分辨率的2000-2010年连续10年的每年数值、多年均值及变化趋势的植被覆盖度、叶面积指数和净初级生产力空间数据。

1.3.1植被覆盖度植被覆盖度以250 m分辨率的MODIS数据为信息源，采用16 d最大合成法，在时间域上通过S-G滤波处理对数据集进行重构，从而进一步消除噪声影响，然后采用像元二分模型进行估算，借助土地覆盖数据集，进行研究区植被覆盖度的估算。

因植被指数与植被覆盖度有较好的相关性，本文利用归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)，根据像元二分模型理论来计算植被覆盖度。像元二分模型是一种简单实用的遥感估算模型，假设一个像元的NDVI值是由绿色植被部分所贡献的信息NDVIveg，与无植被覆盖(裸土)部分贡献的信息NDVIsoil组合而成，植被覆盖度的计算公式为：

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

(1)

式中，NDVI通过遥感影像近红外波段与红光波段的反射率来计算；NDVIveg为纯植被像元的NDVI值；NDVIsoil为完全无植被覆盖像元的NDVI值。

1.3.2叶面积指数反演LAI是目前植被遥感重要研究内容之一，大范围LAI一般通过遥感反演和机理模型模拟获得。本文叶面积指数来源于已有的MODIS MOD15A2产品，通过时空滤波算法及尺度下推方法得到。为填补MODIS MOD15A2产品时空不连续性，利用Fang等[15]发展的时空滤波算法(temporal spatial filter，TSF)提高LAI数据质量，通过临近像元法重采样，得到空间分辨率为500 m的LAI滤波产品。假定LAI与NDVI间存在线性关系，并且特定空间尺度下该线性关系也相同，而且大尺度NDVI像元值等于组成它的小像元值的平均，将500 m的LAI重采样为250 m，选择5×5的滑动窗口逐像元移动，计算窗口中心像元处NDVI与窗口内NDVI均值的比值，再与重采样后的LAI相乘，最终得到250 m分辨率的LAI数据。

1.3.3净初级生产力NPP基于资源平衡观点的CASA模型[16]估算得到，且模拟结果采用大样地调查数据和样方调查数据进行验证。光合有效辐射(PAR)是植被光合作用的驱动力，是植被NPP的一个决定因子，而植物吸收的光合有效辐射(APAR)尤为重要，因此估算NPP可用APAR和实际光能利用率(ε)表示，公式为：

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辐射(单位：MJ/m2·旬)；ε(x,t)表示像元x在t月份的实际光能利用率(单位：g C/MJ)。

PAR主要从资料文档、气象数据中得到太阳总辐射量及日照时数等信息，然后结合研究区中像元经纬度计算得到。FPAR利用MODIS NDVI产品计算得到比值指数SR，然后通过FPAR与比值指数SR之间存在关系，得到FPAR。ε指植被将吸收的光合有效辐射(APAR)通过光合作用转化为有机碳的效率，其获取方法如下：

ε(t)=ε*×T1(t)×T2(t)×W(t)

(3)

式中，ε*指的是最大光利用率(单位：g C/MJ)，T1和T2表示环境温度对光利用的抑制影响，W则为水分影响胁迫系数。T1和T2及W均为无量纲参数。其中T1和T2及W分别由下面公式计算获得。

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

(4)

(5)

式中，Topt表示植被生长季内NDVI值达到最高时的月平均气温(单位：℃)，Tmon表示月平均气温(单位：℃)。

(6)

式中，EET(t)表示研究区月实际蒸散量(单位：mm)，PET(t)表示研究区月潜在蒸散量(单位：mm)，通过ET Watch计算获得。

1.3.4数据验证因FVC、LAI和NPP的空间分辨率均为250 m，数据精度验证除借助地面调查样点外，并咨询草原相关主管部门和参考草原监测报告。FVC和LAI数据通过对全国范围内8个典型生态类型选取样点，提取变化曲线进行对比分析。NPP数据主要通过典型样区尺度森林、草地、农田生态系统的野外观测站及历史地面观测数据开展模型校验与精度验证。农业部对内蒙古、四川、西藏、甘肃、青海、宁夏、新疆、云南等省(区)和新疆生产建设兵团的400多个县/旗(团场)开展草原地面调查，设置3400个样地，得到6900个样方数据，结果表明工程区内的植被均逐步恢复，草地质量得到一定改善，植被覆盖度和鲜草产量比工程实施前分别提高5%和3.45%。2010年农业部监测结果，工程区平均植被盖度为71%，比非工程区高出12%，草群高度、产草量和可食鲜草产量分别比非工程区高出37.90%，43.90%，49.10%[17]。

1.4其他数据

1990-2010年研究区1 km的年降水量和年均温空间分布数据是基于气象观测数据210个国家气象台站(图1)，获取的站点气象数据经过质量检查和控制，消除异常值，缺测值利用临近站点的观测值进行线性内插方式替换；DEM数据来自国家基础地理信息中心，重采样为1 km。利用Anusplin软件采用DEM为协变量的方法对日尺度降水量和温度数据插值所得，通过日降水量和温度获得年尺度研究区的降水量和温度。

基于人类对各生态系统类型的利用程度不同，构建研究区的人类扰动指数。根据刘纪远[18]提出的土地利用程度模型，Zhao等[19]依据不同生态系统类型不同级别的扰动程度构建生物多样性人类扰动指数(取值范围0～1，无量纲)，用于反映人类活动对生态系统的影响程度。基于不同生态系统类型的扰动程度对各生态系统类型进行分级赋值，得到4种扰动程度的分级指数。根据研究区各扰动类型占有不同比例，加权求和运算后，得到0～3 之间的人类扰动指数，在此基础上进行标准化处理，形成0～1的人类扰动指数。其值反映某一区域人类活动的扰动程度，其值越高，人类扰动程度越高；其值下降时，则认为人类对生态系统的威胁程度减小。

2结果与分析

2.1生态系统宏观结构与演变

从表1可见，退牧还草工程区的生态系统类型以草地生态系统为主，占整个工程区的面积54%以上。其次是荒漠生态系统，占全区面积的23%以上。森林、灌丛、湿地和农田生态系统的面积较小，均占全区面积的3%～7%之间。冰川/永久积雪分布的面积更少，占全区面积的1.22%。城镇分布的面积最少，仅占全区面积的0.43%。

从生态系统空间分布来看(图2)，草地在整个工程区内分布较广，包括草甸、草原和草丛3种，其中草原面积最大，约占草地总面积的81%，主要分布在内蒙古呼伦贝尔草地、科尔沁草地、鄂尔多斯高原、青藏高原和新疆的西北部；草甸次之，约占草地总面积的18%，主要分布在青藏高原东部、新疆的阿勒泰地区；草丛最少，低于草地总面积的1%。荒漠主要分布在新疆治理区的塔克拉玛干沙漠南端及西部的哈顺戈壁，蒙甘宁治理区西部的中央戈壁、巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠等。森林主要分布在内蒙古东部治理区的大兴安岭附近。灌丛在新疆治理区中北部、青藏高原江河源治理区和内蒙古东部等均有分布。

10年间，城镇、农田和湿地生态系统呈增加趋势，而森林、灌丛、草地、荒漠和冰川/永久积雪生态系统呈减少趋势(表1和表2)。其中，草地生态系统净减少10500 km2，占2000年草地生态系统总面积的0.60%。其中：1)草地生态系统增加面积为6112 km2，减少面积为16612 km2。草地增加以农田、湿地和荒漠转入为主，农田转入草地的面积最大，占转变为草地总面积的44.19%；湿地转入草地的面积次之，占转变为草地总面积的28.52%；荒漠转入草地的面积第三，占转变为草地总面积的21.71%。草地减少以转入为农田和湿地为主，草地转入农田最多，占草地转出总面积的54.98%；草地转入湿地的面积次之，占草地转出总面积的20.68%。此外，草地转为城镇和荒漠的面积分别占草地转出总面积的9.95%和9.71%。2)农田生态系统增加面积为8147 km2，主要由草地转化而来。3)城镇生态系统增加面积为3021 km2，增加面积占2000年城镇生态系统总面积的27.94%，是该区增幅最大的生态系统类型。4)其他各类生态系统虽有变化趋势，但变化面积和幅度均较小。

表1　研究区2000,2005和2010年的生态系统一级类型面积统计

表2　研究区生态系统一级类型转移矩阵(2000-2010)

2000-2010年10年间生态类型变化较大的区域主要集中在新疆北部的准噶尔盆地西南边缘、阿尔泰山西南部，宁夏回族自治区，内蒙古东北部的呼伦贝尔草原及其周边区域(图3)。其中新疆治理区草地转化为农田的面积最大，为8176 km2，占草地转出总面积的49.22%；草地转化为荒漠的面积为1093 km2，占草地转出总面积的6.58%；草地转化为湿地的面积为811 km2，占草地转出总面积的4.88%。此外，该亚区还有1770 km2的灌丛转化为农田。青藏高原江河源治理区草地转化为湿地的面积最大，为2124 km2，占草地转出总面积的12.79%。蒙甘宁西部治理区农田转化为草地的面积最大，为1351 km2，占转变为草地总面积的22.10%，其中60%以上面积位于宁夏回族自治区内；草地转化为农田和城镇的面积分别为566和477 km2。内蒙古东部治理区湿地转化为草地的面积最大，为670 km2，占转变为草地总面积的10.96%。

2.2生态系统质量遥感监测

研究区2000-2010年植被覆盖度(FVC)、叶面积指数(LAI)和净初级生产力(NPP)各年的变化趋势如图4所示，全区各参数年际波动特征明显，并呈现微弱上升趋势。10年间，研究区年均FVC在20.5%～21.3%，年均LAI为0.75～0.85，年均NPP为200～230 g C/(m2·a)。

图2　研究区2000，2005和2010年生态系统二级类型空间分布图Fig.2　Ecosystem maps of the level Ⅱ class of the study area in 2000, 2005 and 2010

图3　2000-2010年生态系统一级主要类型转换空间分布特征Fig.3　The dynamic map of the level I main class in the study area from 2000 to 2010

图4　2000-2010年退牧还草工程区植被覆盖度、叶面积指数和净初级生产力的变化趋势Fig.4　Inter-annual variation of annual FVC, LAI and NPP during 2000-2010

2.2.1植被覆盖度2000-2010年，研究区多年平均植被覆盖度为20.89%。从各生态系统来看(图5)，10年间草地植被覆盖度均值为20%～21%，其中位于内蒙古东部治理区呼伦贝尔高原附近、青藏高原江河源治理区东部地区和新疆治理区塔里木河流域及鄂尔奇斯河流域的草地植被覆盖度较高，集中于50%～90%；荒漠的植被覆盖度最低，集中于10%以下；森林的植被覆盖度最高，全区均值维持在65%左右；灌丛和农田均值为32%～36%。从各亚区分布来看(图5)，内蒙古东部治理区植被覆盖度最高，多年均值为41.93%；其次是青藏高原江河源治理区，多年均值为39.47%；而新疆治理区和蒙甘宁西部治理区植被覆盖度较低，多年均值分别为20.80%和18.79%。

从10年来研究区植被覆盖度的变化情况看(图6)，全区多年倾斜率变化为0.199%/a，即植被覆盖度平均每年增加0.199%，多年增加1.99%。全区草地植被覆盖度均值从2000年的20.26%增加到2010年的20.74%，升幅为2.37%。其中草地的植被覆盖度有约30%持续转好，有约20%不同程度的下降，有约50%在10年中变化不大。蒙甘宁西部治理区和青藏高原江河源治理区的增加趋势相对较为明显，平均每年增加0.11%和0.03%；内蒙古东部治理区和新疆治理区则保持较平稳的态势。

2.2.2叶面积指数2000-2010年，研究区叶面积指数多年平均值为0.810。从各生态系统来看(图7)，草地的叶面积指数较低，全区草地多年均值在0.7左右，呼伦贝尔高原附近、准噶尔盆地四周和四川省西北部的草地叶面积指数较高，分布在1～4间，其他区域草地的叶面积指数多数低于0.5；森林的叶面积指数最高，多年均值为3.544；农田的叶面积指数次之，多年均值为1.614；灌丛的叶面积指数多年均值为1.327。从各亚区分布来看(图8)，近10年叶面积指数最高的亚区是内蒙古东部治理区，多年均值达到2.582；其次是青藏高原江河源治理区，多年均值为0.932；新疆治理区和蒙甘宁西部治理区的叶面积指数较低，多年均值分别为0.396和0.331。

图5　2000-2010年主要生态系统及各亚区的植被覆盖度Fig.5　The average FVC for different ecosystem types and subregions from 2000 to 2010

图6　2000-2010年多年平均植被覆盖度及其变化趋势Fig.6　The changes and annual variation of average FVC from 2000 to 2010

图7　2000-2010年主要生态系统及各亚区的叶面积指数Fig.7　The average LAI for different ecosystem types and subregions from 2000 to 2010

图8　2000-2010年多年平均叶面积指数及其变化趋势Fig.8　The changes and annual variation of average LAI from 2000 to 2010

从10年来研究区叶面积指数的变化情况看(图8)，变化斜率为0.0017/a，略呈增加趋势。其中，草地LAI均值从2000年的0.693增加至2010年的0.737，升幅为6.42%。青藏高原江河源治理区和蒙甘宁西部治理区的LAI呈增长趋势，增长率分别为0.0031/a和0.0036/a；内蒙古东部治理区LAI基本保持不变；新疆治理区叶面积指数出现轻微下降趋势，下降斜率为0.0019/a。

2.2.3净初级生产力2000-2010年，研究区植被净初级生产力多年均值为215.51 g C/(m2·a)。从各生态系统来看(图9)，10年间草地的净初级生产力多年均值为202.26 g C/(m2·a)，呼伦贝尔高原附近、天山北麓和四川省西北部的草地净初级生产力较高，集中于400～700 g C/(m2·a)，位于准噶尔盆地、塔里木盆地和青藏高原中大部分草地净初级生产力较低，低于200 g C/(m2·a)；森林的净初级生产力最高，多年均值为817.37 g C/(m2·a)；农田的净初级生产力次之，多年均值为408.20 g C/(m2·a)；灌丛的净初级生产力多年均值为383.47 g C/(m2·a)。从各亚区分布来看，内蒙古东部退化草原治理区的多年平均NPP最高，为426.76 g C/(m2·a)；青藏高原江河源退化草原治理区的NPP略低，多年均值为270.48 g C/(m2·a)；新疆治理区和蒙甘宁西部退化草原治理区的NPP较低，多年均值分别为128.13和112.48 g C/(m2·a)(图10)。

图9　2000-2010年主要生态系统及各亚区的净初级生产力Fig.9　The average NPP for different ecosystem types and subregions from 2000 to 2010

图10　2000-2010年多年平均净初级生产力及其变化趋势Fig.10　The changes and annual variation of average NPP from 2000 to 2010

10年间，全区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)，变化斜率为0.587 g C/(m2·a)，总体呈增加趋势。其中，草地NPP均值从2000年的198.25 g C/(m2·a)增加至2010年的203.79 g C/(m2·a)，升幅为2.79%。各亚区的变化趋势与全区一致，均呈增加趋势，其中蒙甘宁西部、内蒙古东部治理区和青藏高原江河源退化区的增速较快，增加速率分别为0.948,0.794和0.646 g C/(m2·a)；新疆治理区略有增加趋势，增加速率仅为0.025 g C/(m2·a) (图10)。

3讨论

3.1生态工程影响

通过对退牧还草工程区2000-2010年生态系统宏观结构和质量参数的分析，表明了全区及各亚区生态系统状况具有转好趋势，扭转了以往草地持续恶化的状况。2003年始启动实施的退牧还草工程对草地植被恢复起到积极作用，通过推行禁牧、休牧、划区轮牧、草地补播等，对草地生态恢复、退化趋势的遏制和生态系统良性发展做出了积极的贡献。短中期的围栏封育对提高天然草地的植被盖度和产草量等方面具有一定的效果，促进生产力的提高，提高草地的理论载畜量，从而减轻草地的载畜压力。禁牧和草畜平衡措施，不仅减轻了人类扰动对草地的影响，而且使工程区的家畜数量减少，草地载畜压力减轻，草地得到休养生息，利于植被恢复，因而研究区植被覆盖度、净初级生产力和叶面积指数均得以提高。退牧还草工程中采取围栏封育、补播改良、合理施肥、控制放牧等途径，重点治理了严重退化草地、石漠化草地、岩溶草地和黑土滩退化草地，有利于退化草地的恢复和防止新的草地退化发生。

此外，研究区内部分区域还同时实施了退耕还林还草、京津风沙源治理工程、西南岩溶地区草地治理试点工程、生态移民和鼠害防治工程等其他生态工程，这些工程的实施也对该区生态状况改善起到促进作用。

3.2区域气候驱动

图11　1990-2010年退牧还草工程区年均温和年降水量变化Fig.11　Times series of annual mean air temperature and precipitation during 1990-2010

气候因素是植被活动年际变化的重要影响因素[20]，气温和降水量是影响植被生长的主要非生物因素[21]。气候变暖已导致北半球中高纬度地区植被活动显著增强，在我国，大部分地区的植被活动也呈增强趋势[22-23]。气候的干湿状况和水资源供需平衡会对植被的生长产生较大影响，尤其是干旱、半干旱地区，降水是生态系统的重要水分来源，是植被生长的主要制约因素。研究区1990-2010年20年间年均温和年降水量的空间数据变化趋势(图11)表明：退牧还草工程区近期气候趋于暖湿化，气温增加，降水增多，有助于生态系统恢复。研究区20年间，年均温呈显著上升趋势，增温达到0.57℃，且伴有明显的年际变化特征；年降水量无显著线性变化，1990年最高，2006年最低。其中，近10年工程区多年均温为1.89℃，且变化斜率为0.063℃/a；降水多年均值为341.01 mm，且变化斜率为0.726 mm/a。气温的增高使植被返青期提前，促进植被生产力提高。降水增加不仅满足植被生长需要，而且还使湖泊河流等水体面积扩大，促进牧草产量提高。温度和降水量的增加，还能使荒漠速度减缓，荒漠面积减少，湿地生态系统增加，减缓了生态系统结构的变化，并促使其朝着合理化的方向发展。从图4生态系统质量各参数可以看到，2000-2006年植被覆盖度、叶面积指数和净初级生产力的年际变化趋势与降水量一致，如2002和2005年各参数波峰与降水量的波峰值相对应，而2006年FVC和NPP波谷与降水量波谷相对应，表明除了生态工程的保护和恢复效果外，降水量也是生态系统改善的主要原因。温度的持续上升未对研究区生态系统改善起到明显促进作用，研究区多数区域位于北方干旱半干旱区内，较高温度反而导致水分蒸发迅速，在一定程度上加剧了干旱，从而不利于植被生长和生态系统状况改善。但2007-2010年随着降水量对植被生长影响作用减弱，FVC、LAI和NPP的变化趋势开始与温度接近，可以推断未来情景内，研究区的生态系统状况将受温度和降水的双重影响。

但同时局部区域发生暖干化的变化趋势，影响着局部地区的生态状况。西北地区对气候变化极为敏感，如新疆阿勒泰地区大部分区域气温呈升高且降水呈降低趋势，整个阿勒泰地区1961-2012年52年间旱情持续严重，年和季节的干旱发生频繁，且多年存在重旱和特旱[24]，气候的不良变化对当地的牧草和农作物的生长、发育和产量等都产生不利影响，FVC、LAI和NPP均出现下降趋势。此外，长江黄河源区因气温升高引起的区域暖干化也导致高寒草地生态系统退化的格局[25]。

3.3人类活动扰动

2000-2010年研究区的生态工程实施和气候暖湿化趋势改良了生态系统宏观结构，同时促进研究区FVC、LAI和NPP的提高，全区的人类活动扰动较小，但人类活动对局部区域存在一定影响。

在10年间研究区的人类干扰指数在0.2～0.4之间，多年均值约为0.34，变化微小。工程区虽存在着局部的农田开垦和撂荒等人类活动干扰，导致部分草地与农田生态系统之间的相互转化，但人类活动对生态系统的影响减小，整体上促进了生态系统宏观结构的改善，草地退化趋势也得到一定遏制。

根据生态系统宏观结构和质量的变化(图3, 6, 8,10)和统计结果均可得知，10年间，研究区内农田的面积增幅较大，与其他生态系统转化较活跃，且FVC、LAI和NPP参数的变化趋势显著，从而推断研究区内可能存在开垦现象。已有学者研究表明：过去50年内，新疆存在大规模土地开垦，森林和草地发生较强烈的转变，农田迅速增加，导致土地退化和沙化现象[26]，本研究结果与此一致。另，根据全国分县统计年鉴，研究区总人口从2000年的2514.11万增加至2010年的2777.43万，增幅为10.47%；10年间研究区的经济强度有了大幅增长，从2000年的3.79万元/km2增至2010年的25.55万元/km2，增长部分是2000年经济强度的5.74倍。受经济效益驱使，农牧民可能在荒地、盐碱地及河漫滩地进行农业开垦，这也导致了其他各类生态系统向农田生态系统的转变。同时草地被侵占为建设用地，草地退化为裸土地、沙地、盐碱地等现象发生。如，阿勒泰地区主要分布着草地和灌丛(图2和图3)，10年间草地减少1691 km2，减幅为1.44%；城镇略有增加，增幅为1.17%。此外，超载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区的南部大部分地区的FVC、LAI和NPP数值偏低且呈降低态势，其中以西藏为主。已有学者研究表明：西藏除林芝地区外，其余地区牲畜超载率均较高[27]；过度放牧和人类不合理的开发是导致长江黄河源区高寒草地退化加剧的重要因素[25]。

3.4存在的问题及建议

生态恢复是一项长期、复杂的系统工作，是自然气候因素和工程因素共同作用的结果，退牧还草工程区的生态恢复的状态仍未达到理想状况，还需持续的努力[28]。虽然通过退牧还草工程的实施，草地植被得到一定恢复，FVC增长较持续，LAI和NPP呈波动增长。但部分区域(尤其是人工饲草地)牧草种类单一，一年生牧草居多，尚未形成稳定的植物群落，生态条件仍十分脆弱，加之当地牧民对草地的索取和依赖程度仍较高，一旦再次利用，极易造成二次退化，保护治理成果仍面临严重的考验。其次，气候不断增暖会导致虫鼠害增加的范围和频率。此外，退牧还草工程治理规模远小于我国草地总面积，目前我国大部分草原仍存在超载过牧状态和退化、沙化、盐碱化、石漠化现象，局部地区水蚀、风蚀、自然灾害等有所加剧，尚需治理的草地面积仍很大。因此，建议继续推进退牧还草工程，巩固已有建设成果，建立长期有效的生态建设和恢复机制。建议完善草地生态奖补机制，加大草地生态工程建设力度。围栏建设是退牧还草工程的核心内容，也是禁牧、休牧和轮牧能够顺利进行的前提条件和必要手段，但部分地区存在围栏质量参差不齐，缩短围栏使用年限，建议加强基础设施建设，加大配套设施的投入，规范工程施工，确保工程质量。将退牧还草工程与草原生态奖补机制、风沙源治理工程、生态移民工程、退耕还林还草工程等有机结合，实施区域综合治理。

根据区域社会自然资源条件，因地制宜对各亚区实施不同的保护和发展战略。内蒙古东部退化草原治理区降水充沛，湿润度高，以草甸和草原为主，但存在草地退化和超载现象，建议适当发展人工草地，补播优良牧草，在稳定生态系统的同时，提高牧民的经济收入；充分借助区域暖湿化变化趋势的契机，积极恢复草地生态。蒙甘宁西部退化草原治理区气候温和，水资源短缺，生态系统以荒漠为主，草地类型以草原为主，超载过牧严重，还存在沙化现象，应严格实施禁牧、休牧和适宜轮牧，实施草地封育，控制草地载畜量，保证荒漠草地的生态用水，应重点发展优势生态畜牧业。新疆退化草原治理区光热丰富，降水稀少，植被较少，以草丛、湿性荒漠草原和荒漠为主，荒漠化和盐渍化严重，生态系统脆弱，应予以重点保护，增大草地保护的面积和力度，实施草地禁牧、休牧、改良等措施，实现农牧互补，着力发展生态牧业。青藏高原江河源退化草原治理区海拔高，水热条件较差，自然灾害较频繁，草地易退化为“黑土滩”，草地类型以草甸和草原为主，应增加多元化生态补偿，优化家畜种群规模与结构，促进天然草地的恢复，发展特色生态畜牧业，科学利用草地资源，实现青藏高原草地生态屏障保护与社会经济的协调发展。

4结论

本文从生态宏观结构和生态系统质量两方面分析全国退牧还草工程区10年间的总体生态状况，主要结论如下：1)生态系统的宏观结构基本稳定。研究区最主要的生态系统是草地生态系统，其次是荒漠。生态系统的转变主要发生在草地、湿地、荒漠和农田，表现为农田增加，湿地扩张，荒漠向草地过渡，草地总面积持平。湿地扩大反映工程区水热条件转好，草地未出现大幅下降趋势反映草地持续退化得到减缓，荒漠的减少反映生态系统结构改善。2)生态系统质量总体上升。2000-2010年，研究区整体植被覆盖度略有增长趋势，叶面积指数略呈波动式增加，净初级生产力呈显著上升，草地植被呈恢复转好态势，草地生态环境逐年向良性演变，但区域差异较大，局部地区草地持续退化。3)全区生态状况具有较明显空间差异性，从四大亚区来看，根据生态系统宏观结构的演变与稳定状况和各生态系统质量参数的空间分布与变化程度，内蒙古东部退化草原治理区>青藏高原江河源退化草原治理区>新疆退化草原治理区>蒙甘宁西部退化草原治理区；此外，通过本研究发现：生态状况本身较好的区域，生态系统宏观结构较稳定，且多向有利生态系统转化，生态系统质量各参数变化幅度较小；生态状况本身较差的区域，生态系统宏观结构变化较活跃，生态系统质量各参数变化幅度也相应较大。4)研究区的生态系统状况受生态工程、区域气候和人类活动的综合影响，研究区生态环境呈“全区转好，局部变差”。退牧还草工程的实施促进了生态系统宏观结构的良性发展和生态系统质量参数的提高，气候全区暖湿化发展利于植被生长和恢复，人类干扰指数整体较小且变化不大，但局部地区仍受气候暖干化影响和人类活动扰动，仍有草地遭到破坏的现象，区域生态状况恶化。

研究区草地植被得到一定程度恢复，草地退化趋势减弱，草原生态环境持续恶化的势头得到初步遏制，并出现逐步改善，为巩固工程成效，建议继续推进退牧还草工程，完善草原生态奖补机制，实现生态保护与经济协调发展。本研究为评价退牧还草工程对区域生态系统恢复、管理和利用提供理论依据，为草地资源的合理可持续利用提供有价值的科学信息。

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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

作者简介：张海燕(1987-)，女，山东潍坊人，在读博士。E-mail：zhanghy.13b@igsnrr.ac.cn

基金项目：国家十二五科技支撑计划项目(2013BAC03B0412)资助。

*收稿日期：2015-09-29；改回日期：2016-01-14

DOI：10.11686/cyxb2015469

http://cyxb.lzu.edu.cn

张海燕, 樊江文, 邵全琴, 张雅娴. 2000-2010年中国退牧还草工程区生态系统宏观结构和质量及其动态变化.草业学报, 2016, 25(4): 1-15.

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