郭 慧，王 兵，牛 香

（中國林業(yè)科學研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所 國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，北京100091）

退耕還林是以保護和改善生態(tài)環(huán)境為目的，有計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。綜合分析國內(nèi)外退耕還林的數(shù)據(jù)、資料和成果，總結歸納退耕還林模式主要分為計劃式和無計劃自發(fā)式兩種類型［1］。美國為解決生態(tài)環(huán)境惡化和農(nóng)產(chǎn)品過剩的問題，采取計劃式模式，有計劃地進行退耕還林還草或休耕。歐洲許多國家由于城市化進程加快，農(nóng)產(chǎn)品過剩，棄耕現(xiàn)象嚴重而進行無計劃自發(fā)式退耕還林［2］。中國退耕還林始于1949年，主要是針對被開墾后荒蕪的林地。1999年退耕還林工程在四川、陜西和甘肅省同時展開試點，目前已有25個省份參與，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，不僅促進了退耕還林區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，也進一步增強了人類的生態(tài)環(huán)境保護意識。

定量化評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)科學的退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測體系，而該體系的關鍵就是要構建中國退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測網(wǎng)絡。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)測站點少、監(jiān)測指標和監(jiān)測方法不統(tǒng)一、管理體系不健全、整體工作水平低下等問題，還無法實施系統(tǒng)、全面地數(shù)據(jù)分析，無法滿足全面評價退耕還林生態(tài)效益的需求［5－6］。二是通過遙感等信息技術可以進行區(qū)域尺度的監(jiān)測，但其監(jiān)測內(nèi)容僅僅局限在林地表面［7］，對森林質(zhì)量、生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的評價尚有欠缺。因此構建中國退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測網(wǎng)絡非常關鍵。本研究嘗試利用GIS的空間分析進行中國退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測網(wǎng)絡的建設，以期探索出更加科學合理的生態(tài)效益監(jiān)測網(wǎng)絡的構建方法。

1 中國退耕還林工程概況

退耕還林工程涉及全國25個省（自治區(qū)、直轄市）和新疆建設兵團，工程面積達到2.94×107hm2，涉及3 200多萬農(nóng)戶、近1.24億農(nóng)民，資金投入達到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、社會條件的差異，將全國退耕還林工程分為6個大區(qū)：東北黑土區(qū)、西北黃土區(qū)、北部風沙區(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個森林生態(tài)站位于退耕還林區(qū)，其中74個生態(tài)站來源于中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網(wǎng)絡（Chinese Forest Ecosystem Research Network，CFERN），9個生態(tài)站來源于中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡（Chinese Ecosystem Research Network，CERN），2個生態(tài)站來源于中國陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究網(wǎng)絡（Chinese Terrestrial Ecosystem Flux Research Network，ChinaFLUX）。在退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測網(wǎng)絡建設時，若生態(tài)效益監(jiān)測區(qū)內(nèi)有森林生態(tài)站，則不再考慮新建生態(tài)效益監(jiān)測站，這樣更能發(fā)揮森林生態(tài)站“一站多能，綜合監(jiān)測”的功能，也有助于節(jié)約成本，提高監(jiān)測效率。

2 中國退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測網(wǎng)絡建設

2.1 數(shù)據(jù)與方法

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

中國退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測網(wǎng)絡構建的主要步驟和方法主要包括：（1）中國森林區(qū)劃圖經(jīng)過幾何糾正、矢量化后，與退耕還林區(qū)進行空間疊置分析，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)進行空間匹配后得到退耕還林生態(tài)效益已監(jiān)測區(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)測站；不能匹配的區(qū)域就是退耕還林生態(tài)效益未監(jiān)測區(qū)，需要新建生態(tài)效益監(jiān)測站。（3）基于GIS對DEM數(shù)據(jù)進行坡度分析，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)測區(qū)進行空間疊加，獲取退耕還林待布設監(jiān)測站區(qū)。（4）提取退耕還林待布設監(jiān)測站區(qū)的空間內(nèi)部中心點布設生態(tài)效益監(jiān)測站，與已監(jiān)測區(qū)內(nèi)的森林生態(tài)站共同構成中國退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測網(wǎng)絡。

2.2 結果與分析

利用上述的網(wǎng)絡構建方法，基于GIS構建中國退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測網(wǎng)絡。中國共生成退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測區(qū)130個，其中有52個退耕還林生態(tài)效益已監(jiān)測區(qū)，分布79個森林生態(tài)站，包括69個CFERN站，8個CERN站和2個ChinaFLUX站；78個退耕還林生態(tài)效益未監(jiān)測區(qū)需要新建生態(tài)效益監(jiān)測站，原則上每個區(qū)建設1個監(jiān)測站，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，在工程實踐中若出現(xiàn)1個監(jiān)測站無法全部覆蓋該區(qū)時可以考慮補充建設輔助監(jiān)測站。表1具體介紹中國退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測網(wǎng)絡的站點分布，該網(wǎng)絡共建設退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測站157個，其中已經(jīng)建設79個，計劃建設78個。

2.3 精度評價

利用2 279個全國退耕還林縣級單位數(shù)據(jù)對中國退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測網(wǎng)絡進行精度評價。已建生態(tài)效益監(jiān)測站來源于CFERN，CERN和ChinaFLUX，監(jiān)測范圍完全覆蓋區(qū)內(nèi)的退耕還林工程，可以全面系統(tǒng)地監(jiān)測退耕還林生態(tài)效益，保證了已建監(jiān)測站規(guī)劃布局的科學性和合理性，因此只針對擬建生態(tài)效益監(jiān)測站的規(guī)劃布局結果進行精度評價。結果表明在78個擬建站中有75個監(jiān)測站所在縣參與退耕還林工程，3個監(jiān)測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區(qū)沒有參與退耕還林工程，整體監(jiān)測站規(guī)劃布局精度為96.2%，該精度證明站點規(guī)劃布局結果可以滿足中國退耕還林工程的監(jiān)測要求。

2.4 生態(tài)效益監(jiān)測

中國退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測網(wǎng)絡的主要監(jiān)測內(nèi)容包括凈化大氣環(huán)境、涵養(yǎng)水源、保育土壤、積累營養(yǎng)物質(zhì)、固碳釋氧、防風固沙和生物多樣性保護等。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)測具有區(qū)域特色。

表1 中國退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測站

（1）北部風沙區(qū)。包括內(nèi)蒙古、北京、天津和河北等地區(qū)。該區(qū)內(nèi)干旱嚴重，水土流失導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)多年過渡放牧植被破壞嚴重，致使沙塵暴問題異常嚴重，還會引起各種次生災害。因此該區(qū)的退耕還林工程主要監(jiān)測防風固沙和水源涵養(yǎng)。

（2）東北黑土區(qū)。包括黑龍江、吉林和遼寧。該區(qū)是中國重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)，開墾多年，土地退化嚴重，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)測保育土壤和生物多樣性保護。

（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監(jiān)測為主。

（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采造成土地荒漠化和水土流失非常嚴重，是黃河泥沙的重要來源。該區(qū)的退耕還林工程主要以保育土壤監(jiān)測為主。

（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，地勢起伏大，雨量豐富，水土流失嚴重，石漠化現(xiàn)象普遍，占到全國石漠化總面積50%以上；動植物資源種類繁多，生物多樣性顯著。該區(qū)的退耕還林工程主要監(jiān)測保育土壤和生物多樣性保護。

（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，森林生長速度快，是中國森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能區(qū)；該區(qū)覆蓋長江流域中下游地區(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)測固碳釋氧和涵養(yǎng)水源。

3 結論

（1）基于GIS空間分析構建了中國退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡包含130個退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測區(qū)，共布設157個監(jiān)測站，其中計劃建設78個，已經(jīng)建設79個，包括69個CFERN站、8個CERN站和2個ChinaFLUX站。

（2）利用全國退耕還林縣級單位數(shù)據(jù)對中國退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測網(wǎng)絡進行精度評價，總精度達到96.2%，滿足中國退耕還林工程監(jiān)測要求。同時指出了該網(wǎng)絡生態(tài)效益的監(jiān)測內(nèi)容和不同退耕還林區(qū)的主要監(jiān)測側(cè)重點。

（3）基于GIS的網(wǎng)絡構建方法具有一定的推廣價值和借鑒意義，該網(wǎng)絡可以對中國退耕還林工程的生態(tài)效益進行定量化評估，用于輔助政府進行科學決策。

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