中國退耕還林生態效益監測網絡構建方法

郭 慧，王 兵，牛 香

（中國林業科學研究院 森林生態環境與保護研究所 國家林業局森林生態環境重點實驗室，北京100091）

退耕還林是以保護和改善生態環境為目的，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工程。綜合分析國內外退耕還林的數據、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式兩種類型［1］。美國為解決生態環境惡化和農產品過剩的問題，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，農產品過剩，棄耕現象嚴重而進行無計劃自發式退耕還林［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經濟的發展，也進一步增強了人類的生態環境保護意識。

定量化評估退耕還林工程所取得的巨大效益，特別是生態效益，就需要建立系統科學的退耕還林生態效益監測體系，而該體系的關鍵就是要構建中國退耕還林生態效益監測網絡。然而，目前退耕還林工程也存在一定的制約因素。一是存在生態效益監測站點少、監測指標和監測方法不統一、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、全面地數據分析，無法滿足全面評價退耕還林生態效益的需求［5－6］。二是通過遙感等信息技術可以進行區域尺度的監測，但其監測內容僅僅局限在林地表面［7］，對森林質量、生態系統結構和功能的評價尚有欠缺。因此構建中國退耕還林生態效益監測網絡非常關鍵。本研究嘗試利用GIS的空間分析進行中國退耕還林生態效益監測網絡的建設，以期探索出更加科學合理的生態效益監測網絡的構建方法。

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、直轄市）和新疆建設兵團，工程面積達到2.94×107hm2，涉及3 200多萬農戶、近1.24億農民，資金投入達到3 262億元。退耕還林工程區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。根據不同退耕還林工程區的自然、經濟、社會條件的差異，將全國退耕還林工程分為6個大區：東北黑土區、西北黃土區、北部風沙區、青藏高原區、西南高山峽谷區和中南部山地丘陵區。目前已有85個森林生態站位于退耕還林區，其中74個生態站來源于中國森林生態系統定位觀測研究網絡（Chinese Forest Ecosystem Research Network，CFERN），9個生態站來源于中國生態系統研究網絡（Chinese Ecosystem Research Network，CERN），2個生態站來源于中國陸地生態系統通量觀測研究網絡（Chinese Terrestrial Ecosystem Flux Research Network，ChinaFLUX）。在退耕還林生態效益監測網絡建設時，若生態效益監測區內有森林生態站，則不再考慮新建生態效益監測站，這樣更能發揮森林生態站“一站多能，綜合監測”的功能，也有助于節約成本，提高監測效率。

2 中國退耕還林生態效益監測網絡建設

2.1 數據與方法

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

中國退耕還林生態效益監測網絡構建的主要步驟和方法主要包括：（1）中國森林區劃圖經過幾何糾正、矢量化后，與退耕還林區進行空間疊置分析，提取出退耕還林工程森林適宜區。（2）將退耕還林工程森林適宜區與CFERN，CERN，ChinaFLUX的森林生態站數據進行空間匹配后得到退耕還林生態效益已監測區，把該區域內的森林生態站作為退耕還林生態效益監測站；不能匹配的區域就是退耕還林生態效益未監測區，需要新建生態效益監測站。（3）基于GIS對DEM數據進行坡度分析，空間提取坡度大于25°的地塊分布［9］，與退耕還林生態效益未監測區進行空間疊加，獲取退耕還林待布設監測站區。（4）提取退耕還林待布設監測站區的空間內部中心點布設生態效益監測站，與已監測區內的森林生態站共同構成中國退耕還林生態效益監測網絡。

2.2 結果與分析

利用上述的網絡構建方法，基于GIS構建中國退耕還林生態效益監測網絡。中國共生成退耕還林生態效益監測區130個，其中有52個退耕還林生態效益已監測區，分布79個森林生態站，包括69個CFERN站，8個CERN站和2個ChinaFLUX站；78個退耕還林生態效益未監測區需要新建生態效益監測站，原則上每個區建設1個監測站，考慮到這些分區在空間位置、面積和形狀上存在較大差異，在工程實踐中若出現1個監測站無法全部覆蓋該區時可以考慮補充建設輔助監測站。表1具體介紹中國退耕還林生態效益監測網絡的站點分布，該網絡共建設退耕還林生態效益監測站157個，其中已經建設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據對中國退耕還林生態效益監測網絡進行精度評價。已建生態效益監測站來源于CFERN，CERN和ChinaFLUX，監測范圍完全覆蓋區內的退耕還林工程，可以全面系統地監測退耕還林生態效益，保證了已建監測站規劃布局的科學性和合理性，因此只針對擬建生態效益監測站的規劃布局結果進行精度評價。結果表明在78個擬建站中有75個監測站所在縣參與退耕還林工程，3個監測站所在的黑龍江省呼瑪縣、西藏地區革吉縣和陜西省陳倉區沒有參與退耕還林工程，整體監測站規劃布局精度為96.2%，該精度證明站點規劃布局結果可以滿足中國退耕還林工程的監測要求。

2.4 生態效益監測

中國退耕還林生態效益監測網絡的主要監測內容包括凈化大氣環境、涵養水源、保育土壤、積累營養物質、固碳釋氧、防風固沙和生物多樣性保護等。不同退耕還林區因其空間位置和自然條件的差異，生態效益監測具有區域特色。

表1 中國退耕還林生態效益監測站

（1）北部風沙區。包括內蒙古、北京、天津和河北等地區。該區內干旱嚴重，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，內蒙古地區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。因此該區的退耕還林工程主要監測防風固沙和水源涵養。

（2）東北黑土區。包括黑龍江、吉林和遼寧。該區是中國重要的農業產區，開墾多年，土地退化嚴重，區內森林資源種類繁多，生物多樣性非常豐富，該區的退耕還林工程主要監測保育土壤和生物多樣性保護。

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

（4）西北黃土區。包括陜西、甘肅、寧夏、新疆和山西等地區。該區植被稀少，夏季暴雨集中，土質疏松，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。該區的退耕還林工程主要以保育土壤監測為主。

（5）西南高山峽谷區。包括云南、貴州、四川和重慶地區。該區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。該區的退耕還林工程主要監測保育土壤和生物多樣性保護。

（6）中南部山地丘陵區。包括河南、湖北、湖南、江西、安徽、廣西和海南等地區。區內森林覆蓋率較高，森林生長速度快，是中國森林生態系統碳匯功能區；該區覆蓋長江流域中下游地區，珠三角等地，以丘陵山地為主。該區的退耕還林工程主要監測固碳釋氧和涵養水源。

3 結論

（1）基于GIS空間分析構建了中國退耕還林生態效益監測網絡，該網絡包含130個退耕還林生態效益監測區，共布設157個監測站，其中計劃建設78個，已經建設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據對中國退耕還林生態效益監測網絡進行精度評價，總精度達到96.2%，滿足中國退耕還林工程監測要求。同時指出了該網絡生態效益的監測內容和不同退耕還林區的主要監測側重點。

（3）基于GIS的網絡構建方法具有一定的推廣價值和借鑒意義，該網絡可以對中國退耕還林工程的生態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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