陜甘寧地區退耕還林/草的生態成效分析

摘要 基于2000～2010年土地利用/覆被變化、植被覆蓋度、坡耕地分布等數據，分析陜甘寧退耕還林/草工程區耕地轉換為林地或草地狀況、不同坡耕地退耕情況及退耕區植被覆蓋度變化等，從而揭示該區域退耕還林/草工程的生態成效。結果表明：①2000～2010年，陜甘寧退耕還林/草工程區耕地面積減少了9 501.12 km2，減少比例占工程區總面積的1.41%，其中2 168.80 km2和6 753.48 km2分別轉變為林地和草地，分別占減少耕地面積的22.83%和71.08%，以退耕還草為主說明工程實施過程中考慮了干旱/半干旱區水熱條件限制。②2000～2010年，研究區地表植被覆蓋度增加了8.37個百分點，呈現較明顯的增長趨勢，其中耕地轉林地區域增加了14.63個百分點，耕地轉草地區域增加了18.06個百分點，達到甚至超過了工程區林草覆蓋率增加的規劃目標。③2000～2010年，陜甘寧退耕還林/草工程區內大于15°坡耕地面積減少了1 800.02 km2，其中15°～25°坡耕地轉換為林地和草地面積為408.68 km2和10 48.04 km2，大于25°坡耕地轉為林地和草地面積分別為149.83 km2和152.36 km2。

關鍵詞 陜甘寧地區；退耕還林/草；土地利用變化；植被覆蓋度；生態成效

中圖分類號 S725.7 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）17-05524-05

Abstract Based on data of land use/coverage change， vegetation coverage， slope land distribution during 2000-2010， the conversion of cropland to forest or grassland condition， the vegetation coverage change were analyzed， so as to reveal ecological effectiveness of GrainforGreen project in ShanxiGansuNingxia region. The results are shown as follows.① From 2000 to 2010， farmland in the ShanxiGansuNingxia Region decreased by 9 501.12 km2， with the reducing proportion of 1.41% accounted for the total area of the study area. Converted from farmland to forest and grassland were 2 168.80 km2 and 6 753.48 km2， which accounted for 22.83% and 71.08% of reduced farmland， respectively.②From 2000 to 2010， the vegetation coverage was improved progressively， the average coverage of the whole study area increased by 8.37 percentage points. Among them， the coverage of regions with farmland to forest increased by 14.63 percentage points， and the coverage of regions with farmland to grassland increased by 18.06 percentage points.③In resent ten years， the area of farmland with slope greater than 15°decreased by 1 800.02 km2. In which， farmland with slops between 15°-25° slope， 408.68 km2 and 1 048.04 km2 were converted to forest and grassland respectively. The farmland with slops more than 25°， with 149.83 km2 and 152.36 km2 transferred to forest and grassland respectively.

Key words ShanxiGansuNingxia Region； Grain for Green Program； Land use change； Vegetation coverage； Ecological effectiveness

黃土高原是我國水土流失最嚴重的區域，超過60%的土地存在土壤質量退化問題，年平均土壤流失量為2 000～2 500 t/km2，土質山坡道路路面土壤侵蝕模數高達3.49萬～9.02萬t2/km2 [1-2]。地形破碎、土壤疏松、植被稀疏以及不合理的土地利用結構是黃土高原地區水土流失嚴重和生態環境退化的主要原因[3]。隨著生態環境的日益惡化，土地資源的合理利用受到越來越多人們的重視[4]。從1999年開始，我國開始實施退耕還林還草工程，以此來減少水土流失和土壤侵蝕等生態環境問題[5-6]。陜甘寧地區的主體位于黃土高原中部丘陵溝壑區[7]，是我國退耕還林/草工程的典型區[8]。準確掌握退耕還林/草對區域生態環境的影響，對退耕還林還/草工程的可持續發展具有極其重要的意義。

近年來，國內外學者在退耕還林/草工程的生態、經濟、社會效應等方面開展了大量研究，得出土地利用、植被覆蓋狀況發生了較大變化，水土流失有減輕趨勢的結論[9-10]。許多研究利用遙感和GIS技術分析退耕還林/草區域的歸一化植被指數（NDVI）、植被覆蓋度、土地利用變化等指標，結果表明退耕前后的地表植被覆蓋度呈現逐步上升的趨勢[11-15]。曹世雄[6]研究表明陜北地區地表植被覆蓋度由1998年的34.6%增至2005年的49.2%；崔曉臨[16]得出2000～2009年陜西省植被覆蓋增加區域面積占陜西省總面積的27.8%；宋富強[17]研究表明陜北地區7°～15°、15°～25°及25°～35°坡度植被明顯改善面積分別占總改善面積的39.91%、25.81%、2.28%；李雙雙[7]研究表明2000～2009 年陜甘寧地區植被覆蓋呈現明顯增加趨勢。

然而，退耕還林/草工程規劃的“陡坡耕地基本退耕還林，嚴重沙化耕地基本得到治理”是否實現，工程區林草覆蓋率是否增加了4.5%，工程治理地區的生態狀況是否得到較大改善等問題并沒有明確答案。因此，該研究選擇退耕還林/草工程典型區——陜甘寧3省作為研究區，通過土地利用變化、植被覆蓋度等數據，分析研究區耕地轉換為林地或草地狀況，不同坡度退耕情況以及退耕區植被覆蓋度變化等，以期評價陜甘寧地區退耕還林工程的生態效應。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

陜甘寧地區的主體位于黃土高原中部丘陵溝壑區，是黃河中上游生態環境重點建設地區，橫跨半濕潤、半干旱和干旱3個氣候帶，南北差異較大。研究區年均氣溫3.7～13.8 ℃，年平均降水量在173.9～814.5 mm之間[18]，自東南向西北減少，全年降水主要集中在夏季，汛期降水量占全年的55%～74%[19]，且大部分區域年降水量在400 mm以下，但潛在蒸散量在1 000 mm以上，土壤侵蝕模數為10 000～20 000 t/km2，局部地區達30 000 t/km2[20]，是我國水土流失最嚴重的地區。區域內自然環境復雜，生態條件多樣，植物資源種類繁多，植被分布具有明顯的地帶性，從南到北依次分布北亞熱帶常綠闊葉林、暖溫帶落葉闊葉林、森林草原和溫帶草原。在研究區域內植被有良好的攔截泥沙作用，當植被度達到90%時可減少徑流90% 以上[21-23]。

在大空間尺度上，具體實施退耕還林的工程區邊界難以界定。根據已有研究的經驗[6，24-25]以及“全國生態環境十年變化遙感調查項目”需求，將納入退耕還林工程的縣作為工程區，因此該研究的工程區邊界為陜甘寧3省實施該工程的210個縣的縣界，包括陜西省104個縣、甘肅省 87個縣、寧夏自治區19個縣。

1.2 土地利用/覆被變化數據

利用“全國生態環境十年變化遙感調查項目”提供的2000、2005、2010年3期30 m空間分辨率的土地利用/覆蓋數據，將其重新分類為林地、草地、濕地、耕地、人工表面、其他等6類一級生態系統類型數據。該土地利用/覆蓋數據通過對陸地衛星TM/ETM+影像進行輻射傳輸校正和大氣校正，利用1 ∶5萬地形圖進行控制點校正，利用各省提供的地面點位信息建立標志庫，采用自動分類輔以人工干預進行遙感解譯得到分類精度為86%。采用式（1）的轉移矩陣數學模型對研究區生態系統類型間的相互轉移進行分析。

1.3 植被覆蓋度

植被覆蓋度的差異體現了植被動態變化過程的時間特征，也是區域生態系統環境變化的重要標志[26]。植被覆蓋度年均值能夠反映植被的年際變化，根據像元二分模型理論，可以認為1個像元的NDVI值是由綠色植被部分貢獻的信息與無植被覆蓋部分貢獻的信息組合而成。該文采用16 d最大值合成的2000～2010年逐年MODIS/NDVI時間序列數據，并通過下式估算植被覆蓋度：

Fc= NDVI-NDVIsoil NDVIveg-NDVIsoil （2）

式中，Fc為1個像元內的植被覆蓋度；NDVI為該像元上的歸一化植被指數；NDVIveg是純植被像元的NDVI值；NDVIsoil是完全無植被覆蓋像元的NDVI值。參考常規值并結合研究區特點，利用土地利用/覆蓋圖和NDVI圖進行疊加分析，查看每個類型的NDVI值，最終將NDVIsoil表示全裸土的NDVI值取0.1，NDVIveg表示全植被的NDVI值取0.9。

1.4 坡耕地分布數據

收集研究區90 m分辨率的SRTMDEM數據，通過對90 mDEM進行重采樣，得30 m分辨率的DEM。通過30 mDEM生成坡度圖，并對坡度重新分類。根據退耕還林政策規定，大于25°的陡坡耕地必須無條件地退耕，15°～25°的陡坡耕地有選擇地退耕。景可與鄭粉莉等[22]認為黃土高原區大于15°陡坡耕地應該全部退耕。因此，該文將坡度劃分為15°～25°和大于25°。2類坡度數據分別與2000、2010年的耕地分布數據進行疊加分析，得到不同坡度范圍內的耕地面積以及不同坡度范圍內2000～2010年耕地變化狀況。

2 結果與分析

2.1 2000～2010年陜甘寧地區土地利用變化

由圖1可知，①2000～2010年，陜甘寧地區林地面積持續增加，凈增加面積為2 171.28 km2，增加比例占陜甘寧退耕還林/草工程區總面積674 669.44 km2的0.32%。其中2000～2005年凈增加了1 940.01 km2，2005～2010年凈增加了231.27 km2。②2000～2010年，草地面積持續增加，凈增加面積為6 483.37 km2，增加比例為0.96%。其中2000～2005年凈增加了5 189.32 km2，

2005～2010年凈增加了294.05 km2。③2000～2010年，濕地面積凈增加了204.71 km2，增加比例為0.03%。其中2000～2005年凈增加了144.15 km2，2005～2010年凈增加了60.56 km2。④2000～2010年，耕地面積持續減少，凈減少面積為9 501.11 km2，減少比例為1.41%。其中2000～2005年減少了7 508.7 km2，2005～2010年減少了1 992.41 km2。⑤2000～2010年人工表面凈增加了1 305.67 km2，增加比例為0.19%。其中2000～2005年凈增加了611.41 km2，2005～2010年凈增加了694.26 km2。⑥2000～2010年，其他面積減少了663.92 km2，減少比例為0.1%。其中2000～2005年凈減少了376.19 km2，2005～2010年凈減少了287.73 km2（表1）。

從圖3可以看出，陜甘寧地區10年平均植被覆蓋度分布不均勻，跨度比較大，從南往北植被覆蓋度逐漸降低。陜西省平均植被覆蓋度最高，甘肅省西北部平均植被覆蓋度相對較低，最低至10%。利用最小二乘法分析陜甘寧地區2000～2010年植被覆蓋度的變化趨勢，可以看出工程區10年間植被覆蓋總體呈現好轉態勢，特別是陜北地區的寶塔區、延長縣、延川縣、子長縣、宜川縣、安塞縣、吳堡縣和清澗縣，植被增加趨勢高達5%/a，部分區域植被覆蓋度呈現下降趨勢，如甘肅省的玉門市、金川區、永昌區、肅南縣，陜西省的未央區、雁塔區、高陵縣，以及寧夏自治區的金鳳區、永寧縣和賀蘭縣，減少的趨勢高達6%/a。

2.3 陜甘寧退耕還林/草區生態成效

2.3.1 陜甘寧退耕還林/草工程區退耕還林/草面積變化。

2000～2005年，陜甘寧退耕還林/草工程區內退耕面積7 508.70 km2。其中，退耕還林的面積為1 924.94 km2，主要分布在陜西省、甘肅省的東部和南部以及寧夏南部，退耕還草面積5 424.39 km2，主要分布在陜西省的北部，甘肅省的東部和南部。2005～2010年，退耕面積1 992.41 k m2。其中，退耕還林的面積為256.53 km2，主要分布在陜西省、甘肅省的東部和南部，退耕還草面積1 389.33 km2，主要分布在寧夏自治區的南部。整個10年內，退耕面積9 501.11 km2。其中，退耕還林的面積為2 168.8 km2，主要分布在陜西省、甘肅省的東部和南部。退耕還草面積6 753.48 km2，主要分布在陜西省的北部，甘肅省的東部和南部，寧夏自治區的西部和南部（圖4）。

2.3.2 退耕還林/草區域植被覆蓋度變化。

如圖5所示，2000～2010年，陜甘寧退耕還林/草工程區內耕地轉換為林地區域的植被覆蓋度基本上呈現出逐年增長的趨勢，年平均植被覆蓋度由2000年的65.55%增至2010年的80.18%，高于整個區域的增速。其中，2000～2005年，退耕還林區域的平均植被覆蓋度為46.13%，2005～2010年平均植被覆蓋度為49.94%，說明退耕還林/草工程使植被覆蓋度得以快速增加。從各省情況來看，退耕還林區域

前、后5年平均植被覆蓋度增速最快的是陜西省，增加了8.2個百分點；其次是甘肅省，增加了6.99個百分點；最后是寧夏自治區，增加了1.16個百分點。

陜甘寧退耕還林/草工程區內耕地轉換為草地區域的植被覆蓋度由2000年的42.93%增至2010年的61.00%。其中，2000～2005年，退耕還草區域的平均植被覆蓋度為49.84%，2005～2010年平均植被覆蓋度為

58.09%。從各省情況來看，退耕還草區域

前、后5年平均植被覆蓋度增速最快的是陜西省，增加了11.46個百分點；其次是甘肅省，增加了5.79個百分點；最后是寧夏自治區，增加了3.03個百分點。

2.3.3 不同坡度退耕還林/草狀況分析。

2000年，陜甘寧退耕還林/草工程區大于15°坡耕地面積17 873.52 km2，其中，坡度在15°～25°之間的坡耕地面積14 369.78 km2；大于25°的坡耕地面積3 503.74 km2。2010年，陜甘寧退耕還林/草工程區大于15°坡耕地面積減少至16 073.5 km2，其中，15°～25°之間的坡耕地面積12 879.55 km2，大于25°的坡耕地面積3 193.95 km2。

2000～2010年陜甘寧退耕還林/草工程區內大于15°坡耕地減少了1 800.02 km2，坡耕地轉換為林地面積為558.5 km2，坡耕地轉換為草地面積1 200.4 km2。其中，15°～25°耕地減少面積為1 490.23 km2，轉換為林地和草地面積分別為408.68 km2、1 048.04 km2；大于25°耕地減少了309.79 km2，轉換為林地和草地面積為149.83 km2和152.36 km2（圖6）。

3 結論與討論

該文利用土地利用、植被覆蓋度等數據，分析陜甘寧退耕還林/草工程區土地利用變化、耕地轉換為林地或草地狀況，不同坡度退耕情況以及退耕區植被覆蓋度變化等，得出主要結論如下。

（1）2000～2010年，林地凈增加面積為2 171.28 km2，增加比例占工程區總面積的0.32%；草地凈增加面積為6 483.37 km2，增加比例為0.96%；濕地面積凈增加了204.71 km2，增加比例為0.03%；耕地面積持續減少，凈減少面積為9 501.11 km2，減少比例為1.41%；人工表面凈增加了1 305.67 km2，增加比例為0.19%；其他面積減少了663.92 km2，減少比例為0.1%。

（2）2000～2010陜甘寧退耕還林/草工程區植被覆蓋度呈明顯的增長趨勢，增長速率為每年0.837個百分點。從各省情況來看，前、后5年相比增速最快的是陜西。

（3）2000～2010年，陜甘寧退耕還林/草工程區耕地轉為林地和耕地轉為草地的面積分別為2 168.8、6 753.48 km2。從分省情況來看，前后5年相比，平均植被覆蓋度增速最快的均是陜西省；其次是甘肅省，最后是寧夏自治區。

（4）退耕還林/草工程規定25°以上坡耕地全部退耕，而在黃土區可以考慮將15°以上的坡耕地實施退耕[22]。2000～2010年，陜甘寧退耕還林/草工程區內大于15°坡耕地減少了1 800.02 km2，15°～25°之間的坡耕地轉換為林地和草地面積為面積分別為408.68 km2和1 048.04 km2；大于25°的耕地轉換為林地和草地面積為149.83 km2和152.36 km2。

4 結語

退耕還林/草工程使得植被覆蓋度得以逐年提高，生態環境持續改善。但對于陜甘寧退耕還林/草工程區內降水量在400 mm以下的地方，是適宜退耕還草、還林還是還灌木，與水分條件有直接關系。當降雨量在400 mm以下，樹木難以成活，但水資源豐富的地區樹木也可成活[8]。干旱半干旱生態脆弱區大規模的人工造林可誘發嚴重的水資源短缺，導致人工林地植被覆蓋度減小以及對植物種類的多樣性存在負面影響[6，12]。生態環境的改善不僅受氣候條件的驅動，同時也受人為活動的驅動。不僅要考慮自然環境因素，還要考慮當地人們的意愿和行為，如果當地人民并不支持項目的進

行，那么該項目將難以長久存在。農戶樂意接受退耕還林項目提供的糧食補償，但如果項目結束停止補助會再次墾荒種糧[27]。因此退耕還林/草項目要獲得持續的成功，當地農戶的參與支持至關重要。

參考文獻

[1] 馬巖，陳利頂，虎陳霞.黃土高原地區退耕還林工程的農戶響應與影響因素——以甘肅定西大牛流域為例[J].地理科學，2008，28（1）：34-39.

[2] 曹世雄，陳莉，高旺盛.黃土丘陵區路面種草對水土保持的影響及成本效益分析[J].農業工程學報，2006，22（8）：73-76.

[3] FU B J，CHEN L D.Agricultural landscape spatial pattern analysis in the semi-arid area of the Loess Plateau，china[J].China Journal of Arid Environment，2000，44（3）：291-303.

[4] 楊存建，劉紀遠，張增祥，等.遙感和GIS支持下的中國退耕還林還草決策分析[J].遙感學報，2002，6（3）：205-210.

[5] UCHIDA E，XU J T，ROZELLE S.Grain for green：cost-effectiveness and sustainability of China’s conservation set-aside program[J].Land Economics，2005，81（18）：247-264.

[6] 曹世雄，陳軍，陳莉，等.退耕還林項目對陜北地區自然與社會的影響[J].中國農業科學，2007，40（5）：972-979.

[7] 李雙雙，延軍平，萬佳.近10 年陜甘寧黃土高原區植被覆蓋時空變化特征[J].地理學報，2012，67（7）：960-970.

[8] 劉紀遠，張增祥，徐新良，等.21 世紀初中國土地利用變化的空間格局與驅動力分析[J].地理學報，2009，64（12）：1411-1420.

[9] 汪邦穩，楊勤科，劉志紅，等.延河流域退耕前后土壤侵蝕強度的變化[J].中國水土保持科學，2007，5（4）：27-33.

[10] 謝紅霞，李銳，楊勤科，等.退耕還林（草）和降雨變化對延河流域土壤侵蝕的影響[J].中國農業科學，2009，42（2）：569-576.

[11] 王朗，傅伯杰，呂一河，等.生態恢復背景下陜北地區植被覆蓋的時空變化[J].應用生態學報，2010，21（8）：2109- 2116.

[12] 杜靈通，李國旗.基于SPOTVGT 的寧夏鹽池縣近8 年生態環境動態監測[J].北京林業大學，2008，30（5）：46-51.

[13] 王情，劉雪華，呂寶磊.基于SPOT-VGT數據的流域植被覆蓋動態變化及空間格局特征——以淮河流域為例[J].地理科學進展，2012，32（2）：270-277.

[14] 楊亞娟，劉政鴻.陜北地區退耕還林十年植被恢復變化分析——以子長縣為例[J].中國水土保持，2013（2）：54-56.

[15] 孫智輝，雷延鵬，卓靜，等.延安北部丘陵溝壑區退耕還林（草）成效的遙感監測[J].生態學報，2010，30（23）：6555-6562.

[16] 崔曉臨，趙娟，白紅英，等.基于MODIS NDVI的陜西省植被覆蓋變化分析[J].西北農林科技大學學報：自然科學版，2013，41（5）：87-93.

[17] 宋富強，邢開雄，劉陽，等.基于MODIS/NDVI的陜北地區植被動態監測與評價[J].生態學報，2011，31（2）：354-363.

[18] 馬玉平.陜甘寧地區退耕還林還草的氣候和農業效應模擬研究[D].北京：中國氣象科學研究院，2011.

[19] LI S S，YAN J P，LIU X Y，et al.Response of vegetation restoration to climate change and human activities in Shaanxi-Gansu-Ningxia Region[J].J Geogr Sci，2013，23（1）：98-112.

[20] 李世東.干熱干旱河谷區和黃土丘陵溝壑區退耕還林還草模式初步研究[J].北京林業大學學報，2002，24（3）：35-38.

[21] SUN W Y，SHAO Q Q，LIU J Y.Soil erosion and its response to the changes of precipitation and vegetation cover on the Loess Plateau[J].J Geogr Sci，2013，23（6）：1091-1106.

[22] 景可，鄭粉莉.黃土高原植被建設的經驗教訓與前景分析[J].水土保持研究，2004，11（4）：25-27.

[23] 許炯心.降水-植被耦合關系及其對黃土高原侵蝕的影響[J].地理學報，2006，61（1）：58-65.

[24] LIU J G，LI S X，OUYANG Z Y，et al.Ecological and socioeconomic effects of China’spolicies for ecosystem services[J].PNAS，2008，105（28）：9477-9482.[25] CAO S X，SUN G，ZHANG Z Q，et al.Greening China naturally[J].AMBIO，2011，40：828-831.

[26] 陳學兄，張小軍，陳永貴，等.陜西省1998～2008年植被覆蓋度的時空變化研究[J].武漢大學學報：信息科學版，2013，38（6）：674-678.

[27] 曹世雄，陳莉，余新曉.陜北農民對退耕還林的意愿評價[J].應用生態學報，2009，20（2）：426-434.