基于生態綠當量的生態移民區生態效益評價
——以鹽池縣移民區為例

韓沐汶, 莊逐舟, 馬 超, 吳 浕, 馬 雪, 石 云

(寧夏大學 資源環境學院, 銀川 750021)

基于生態綠當量的生態移民區生態效益評價
——以鹽池縣移民區為例

韓沐汶, 莊逐舟, 馬 超, 吳 浕, 馬 雪, 石 云

(寧夏大學 資源環境學院, 銀川 750021)

以寧夏鹽池縣花馬池鎮的四個生態移民區為研究對象，進行生態移民區生態效益評價。應用2008年SPOT衛星遙感影像和2013年無人機航攝影像，首先對研究區5 a間土地利用變化進行監測與分析；其次應用生態綠當量評價模型進行生態移民研究區生態效益評價。研究顯示：(1) 2008—2013年5 a間研究區的生態綠當量均有所提高，生態環境有改善；(2) 2008年和2013年研究區域的生態綠當量均低于1，移民區生態環境仍較為脆弱；(3) 研究區森林覆蓋率低于聯合國最低值20%，高于環保部生態縣15%的覆蓋率，基于生態綠當量森林覆蓋率與最佳森林覆蓋率有很大的差距，表明研究區土地利用方面仍需調整，需加大保護生態恢復措施力度，繼續實行封山育林禁牧、退耕還林等措施制度。

生態效益; 評價; 綠當量; 生態移民區; 鹽池縣

寧夏回族自治區鹽池縣是我國典型農牧交錯生態脆弱區，2002年鹽池縣全面實施生態移民工程，該工程及保護和恢復已遷出區生態恢復措施的實施后，移民區土地利用/覆被顯著變化，生態環境有很大的改善。對于生態移民區的生態恢復進程與移民后地區的效益評價直接影響到工程實施的可持續性，也對工程后續的高效實施具有指導意義。

縱觀國內外對區域生態效益的評價研究，從評價方法上有綠當量的評價模型、基于生態足跡的評價方法、基于因子分析等方法。馬莉婭等[1]利用生態足跡法對寧夏鹽池縣近10 a的生態安全進行評價，楊顯明等[2]基于因子的角度，從生態、經濟、社會三個方面對寧夏生態移民效益進行評價研究，鐘曉娟等[3]對退耕還林生態效益評價的指標體系及方法等也做了較完善的闡述,劉軍利等[4]應用因子分析方法研究探討內蒙古伊金霍洛旗風沙區退耕還林還草生態效益。但是對于區域生態環境效益評價指標體系方面，評估沒有統一的、公認的評價指標體系，指標設置有很大差異，需要應用大量的統計數據。本研究選取寧夏鹽池縣花馬池鎮麥垛山、官記臺等四個典型生態移民區，以高分辨率衛星遙感影像和無人機航測影像為數據源，進行生態移民區土地利用動態監測與分析，建立生態綠當量的生態效益評價模型，從生態恢復的角度對不同時間、空間范圍下生態移民區生態效益進行研究，以期為生態移民工程提供科學的評價，為后續實施提供指導。

1 研究區概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區東部，介于北緯37°04′—38°10′，東經106°30′—107°47′，總面積6 748.86 km2。鹽池縣北部與毛烏素沙漠相連，深受風沙災害影響，東南部與黃土高原相靠，自然環境具有典型的過渡性特點，即地形自南向北由黃土丘陵向鄂爾多斯臺地過渡，氣候從半干旱區向干旱區過渡，植被類型從干草原向荒漠草原過渡，資源利用從農區向牧區過渡，這種地理上的過渡性造成了鹽池縣自然資源的多樣性和脆弱性[5]。

鹽池是典型的生態移民、退耕還林工程示范縣，屬典型中溫帶大陸性季風氣候，常年干旱少雨，風大沙多，水資源十分缺乏，沒有過境地表徑流和地下徑流補給，年平均降水量250～350 mm，年平均氣溫為8.31℃。全縣植被低矮、稀少，多為草本植物，其中以草原植被、沙地植被和沙柳等灌叢居多，土壤類型以灰鈣土為主，其次是黑壚土和風沙土，此外有黃土，少量的鹽土、白漿土等[6-7]。本研究以鹽池縣四個典型生態移民區為研究區域，該區域涉及兩個行政村，四個自然村，研究區東南部有鄂爾多斯緩坡丘陵，西北部地勢平緩，總面積24.98 km2。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

(1) 衛星遙感影像。SPOT5衛星影像相對于其它衛星影像如Landsat TM/ETM，MODIS等分辨率較高，在精度要求較高的研究中應用廣泛。本文選取研究區2008年9月12日SPOT5衛星遙感影像，空間分辨率2.5 m。

(2) 無人機航攝影像。航攝影像范圍包括研究區在內的鹽池縣花馬池鎮麥垛山、官記臺等四個移民自然村。拍攝時間為2013年10月9日，飛行一個架次，飛行相對行高700 m，像幅范圍1 054 m×698 m，影像重疊度為525 m×140 m，搭載鏡頭焦距24 mm的Canon EOS 5 D mark Ⅱ，獲取無人機航攝相片。航攝結束后，應用飛行質量檢查軟件檢查航攝飛行質量，符合《CH/Z 3005—2010低空數字航空攝影規范》[8]。相片采用數字攝影測量網格低空數碼影像智能處理系統DPGrid進行處理獲得研究區正射影像，分辨率為0.2 m。無人機航攝影像的特點是精度高、信息豐富，保證研究的精度。

(3) 土地利用數據。土地利用專題圖件等相關資料；

(4) 其他資料。氣象資料、統計年鑒等。

2.2 技術路線

研究區選取移民自然村輻射范圍，以自然單元為區劃，即所在各移民區幾公里半徑圓范圍，研究區氣候、降水、土壤均符合鹽池縣概況。收集相關數據后，應用2013年無人機航攝影像、2008年SPOT衛星遙感影像為數據源，在地理信息系統平臺ArcGIS下，經過矢量化和空間疊加、統計分析等，獲取研究區土地利用數據，應用生態綠當量評價模型，進行生態移民研究區生態效益評價(圖1)。

2.3 研究方法

2.3.1 生態綠當量 生態綠當量是基于衡量生態補償能力而提出的。生態補償是自然生態系統對由于社會、經濟活動造成的生態環境破壞所起的緩沖和補償作用[9-10]。

森林作為地球陸地生態的支柱，具有涵養水源、保持水土、改善氣候、防風固沙、調節大氣組分、凈化空氣、維持景觀、生物多樣性保護等眾多功能[11]。生態綠當量為具有和森林基本相同的生態功能當量，其主體可以是其它綠色植被，比如耕地、園地、林地、牧草地、部分未利用地等。所以綠當量可以被定義為其他綠色植被的綠量相對于等量森林面積的綠量的比率。“綠量”相當的概念包括保證等量的光合作用和適合布局足以抵償定量森林植被所能發揮的區域生態功能[12]。

根據生態綠當量的原理，傳統的土地利用類型可按如下方式劃分為三類，具體如表1所示。

2.3.2 指標選取與其量化分值 生態移民區土地利用的變化，改變了移民區下墊面構型和生態系統的過程和功能，對區域氣候、水體、土壤及生物等生態環境的影響極為深刻。因此，應選取具反映研究區生態環境變化的有代表性、典型性和系統性的指標。根據研究區實際情況，結合實地調查，研究從大氣、水、土壤、自然災害和生物等5個方面，列舉了生態系統所發揮的13種生態環境功能，并引用日本專家通過調查法得出的評分分值[13]，結合研究區域的實際情況，針對不同生態系統的服務，賦予不同的功能分值，如表2所示。

2.3.3 計算各類生態系統的生態服務分值和平均生態綠當量 應用如下公式計算每類植被的生態系統服務功能價值分值：

Xi=Fi/F林式中：Xi——第i類地表綠色覆被生態系統的生態綠當量；Fi——第i類地表綠色覆被生態系統的生態服務總分值；F林——林地生態系統的生態服務總分值。計算得到各生態系統的綠當量：林地為1.00，自然草地為0.77，人工草地為0.73，普通旱田為0.68，園地為0.72。

考慮到各地區作物的不同生長期和熟制，以上所要計算的各生態系統的綠當量結果還需要乘以一個相對于全年滿種的生長期系數。根據劉艷芳等[14]的研究結果，如表3所示。研究區域地處西北內陸，屬荒漠綠洲農業生態系統，農作物一年一熟，取得相對于全年滿種的生長期系數為0.46。

表2 生態系統各種環境保護功能評價分值

注：評價意義：10為極大；7.5為較大；5為較小；大氣組成改善1表示吸收CO2的生態服務功能；大氣組成改善2表示制造O2的生態服務功能；大氣凈化1表示吸塵滯塵的生態服務功能；大氣凈化2表示吸收有毒氣體的生態服務功能。

表3 相對于全年滿種的生長期系數

由此調整得到的各類生態系統的全年平均綠當量分別為：林地1.00，自然草地為0.36，人工草地為0.34，普通旱田為0.31，園地為0.33。

3 生態移民區生態效益評價

3.1 研究區土地利用現狀

按《全國土地分類》分類，應用ArcGIS從2013年無人機航攝影像和2008年衛星遙感影像中將生態移民研究區域以自然單元方式劃分四個范圍，劃分標準以最大覆蓋整個影像范圍為準。

提取出四個移民區空間范圍并矢量化土地利用，結合綠當量的土地利用分類，對麥垛山、官記臺、趙記梁、馬記梁4個自然單元計算并重分類后的各土地利用類型的面積如表4所示。

表4 2008年、2013年研究區各類土地利用變化現狀 hm2

綜合上述數據，5 a間，研究區各類用地面積變化較大。其中，人工林地和普通旱田的變化最大，四區累加面積分別由2008年134.90 hm2增加至2013年236.85 hm2，普通旱田由2008年158.24 hm2減少至53.27 hm2，平均變化率分別為43.03%和197.05%。2008年正處于生態移民工程的高峰期，遷出區在實行退耕還林、封山育草的政策措施后，一方面由于生態補助的政策激勵，耕地面積大幅減少，人工林地面積大幅增加；另一方面由于封山育林、封山禁牧的保護作用，自然草地的面積大幅度遞增，自然林地的面積也出現了遞增現象，符合退耕還林(草)工程實施后的土地利用類型變化特點。其次，趙記梁和馬記梁位于丘陵溝壑區，近年來鹽池生態建設荒山造林，溝壑兩側自然草地類型轉換為人工林地，自然草地面積遞減，人工林地遞增。

3.2基于最佳森林覆蓋率標準下生態綠當量生態效益評價

設區域總面積為S總，區域最佳森林覆蓋率為R，按最佳森林覆蓋率要求的區域林地面積為S林，區域實際林地面積為S實，i類用地的面積為Si，綠當量為gi，i代表用地的類型(i=1，2，3…)，則：

(1) 確定區域最佳森林覆蓋率。這里借鑒張健等[15-18]的研究方法，根據區域降水量、森林土壤飽和蓄水能力等來計算區域最佳森林覆蓋率R作為區域生態評價的參考標準。計算公式為：

R=(P×Si)∕(W×S總)×100%

式中：P——一年內日最大降水量(t/hm2)；Si=S總-(交通、工礦、水田、水面占地面積)(hm2)；W——森林土壤單位面積飽和蓄水能力(t/hm2)。

(2) 計算最佳森林覆蓋率R要求下的森林面積，其對應的綠當量為1。

S林=S總×R

(3) 計算區域實際林地的生態綠當量X林：

X林=S實/S林

(4) 計算區域總生態綠當量X總:

X總=X林+∑Si×gi/S林×100%

根據鹽池縣農業、氣象、林業等部門提供的土壤、降水、氣候、規劃等資料，取一年內日最大降水量778 t/hm2，森林土壤單位面積飽和蓄水能力855.42 t/hm2。根據上述生態綠當量計算方法，結合2008年、2013年土地利用現狀數據，計算2008年、2013年研究區最佳森林覆蓋率及生態綠當量如表5所示。

從表5可見：1) 林地和自然草地的生態綠當量對區域生態綠當量的貢獻較大，林地主要為自然林地和退耕還林人工林地，自然草地主要為荒草地；2) 2008年、2013年研究區域的生態綠當量均低于1，表明區域生態環境較為脆弱，需加大保護力度，繼續實行封山育林禁牧、退耕還林等措施制度；3) 2008至2013年五年間研究區的生態綠當量均有所提高，研究區生態環境有改善。普通旱田的綠當量整體水平呈下降趨勢，林地和草地呈上升趨勢，反映出退耕還林(草)工程對生態效益的積極作用；4) 麥垛山、官記臺自然草地的綠當量分值有遞增趨勢，與該區域封山育林，自然草地得到保護的實際情況相吻合；而趙記梁、馬記梁自然草地的綠當量分值呈減少趨勢，與兩區域地處丘陵地帶，實行宜林荒山荒地造林措施實際情況相吻合；5) 官記臺生態綠當量分值增加最少，和官記臺地勢平緩，5 a間官記臺土地利用中自然草地的比重變化較小有很大關系。

表5 2008年、2013年研究區生態綠當量

3.3 基于生態綠當量森林覆蓋率生態效益評價

森林覆蓋率在一定程度上可以反映水土流失量、大氣環境質量、人均綠地等生態狀況。在此，以最低森林覆蓋率作為區域生態預警的參考標準，最佳森林覆蓋率作為理想生態狀態下的一個建議指標進行探討。這里引用劉艷芳[14]等基于生態綠當量森林覆蓋率公式：

基于生態綠當量森林覆蓋率=(區域林地面積+區域其他具有綠當量用地面積按“綠量相當”原則折合成的林地面積)/區域土地總面積，折算如表6所示。

結果顯示：2008年麥垛山、官記臺、趙記梁、馬記梁生態綠當量森林覆蓋率分別為44.92%，42.77%，38.47%，34.77%，相比2013年四區域生態綠當量森林覆蓋率49.27%，46.11%，45.04%，53.63%各提高了4.34%，3.34%，6.58%，18.86%，其實際森林覆蓋率的比值提高，均表明研究區的生態系統狀況逐步改善(表7)。

表6 生態移民研究區折算綠當值及生態綠當量森林覆蓋率

根據聯合國確定森林覆蓋率平均不少于20%為最低森林生態下限指標[14]和國家環保總局《生態縣、生態市、生態省建設指標(修訂稿)》的平原地區森林覆蓋率必須≥15%的生態縣指標，結合表6，表7，2008年麥垛山、官記臺、趙記梁、馬記梁實際森林覆蓋率均明顯低于最低森林生態下限20%指標，麥垛山、官記臺森林覆蓋率在15%指標浮動，而趙記梁、馬記梁則明顯低于15%指標要求，表明研究區在2002—2008年全面實施生態移民、退耕還林工程，生態環境得到改善。麥垛山、官記臺基本符合《生態縣、生態市、生態省建設指標(修訂稿)》的要求，而趙記梁、馬記梁仍需加大工程實施力度，以達到上述指標要求。至2013年，四個研究范圍實際森林覆蓋率均略高于《生態縣、生態市、生態省建設指標(修訂稿)》15%的標準，表明四區域經過生態移民工程的實施，生態標準符合了《生態縣、生態市、生態省建設指標(修訂稿)》的最低要求，但與聯合國20%最低森林生態下限指標還有一定差距，土地利用仍需向林地轉化，繼續落實退耕還林、封山育林等政策。

表7 研究區不同森林覆蓋率比值表

4 結 論

(1) 本文研究探索應用高分辨率影像結合生態綠當量評價模型對鹽池縣生態移民區進行生態效益評價，分析生態效益狀況及其變化趨勢，對區域土地生態環境的保護和改善具有積極意義。結果顯示：2008—2013年5 a間該區域生態環境質量逐步改善，但研究區生態綠當量值均低于1，移民區生態環境仍較為脆弱，與標準森林覆蓋率相比，表明區域土地利用規劃仍需進一步調整，該結果與鹽池縣生態移民區恢復現狀和區域建設生態文明縣的政策實施結果相符。

(2) 無人機航攝系統以其快速、高精度獲取影像的特點在小范圍作業中優勢較強，本研究獲取的2013年無人機航攝影像分辨率高，各類地物屬性提取精度高。利用遙感和地理信息系統技術對研究區域進行兩期影像空間和時間上的動態監測和分析，分析數據精度可靠。但研究區的選擇考慮到無人機作業范圍小的特點，最終確定研究范圍為移民區輻射范圍，未來在相關調查中隨著無人機航攝調查能力的提高和作業相關費用的降低可將調查范圍進一步擴大。

(3) 研究充分挖掘各類生態用地(耕地、園地、草地等)的生態服務功能，運用基于生態綠當量的兩種角度對寧夏生態移民區的生態恢復進行定量研究，突破傳統基于大量統計資料研究的局限，提高生態環境評價的科學性和可操作性，為相關生態恢復及效益評價提供范例。

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EvaluationforBenefitinEcologicalShelterAreaBasedonEcologicalGreenEquivalentWeight—ExampleofShelterAreainYanchiCounty

HAN Mu-wen, ZHUANG Zhu-zhou, MA Chao, WU Jin, MA Xue, SHI Yun

(SchoolofResourcesandEnvironment,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China)

The paper evaluates the ecological benefits in ecology shelter based on the research about four ecology shelters in Hua Machi town of Yanchi County, Ningxia Hui Autonomous Region. SPOT satellite remote sensing image in 2008 and UAV aerial image in 2013 were used to monitor and analyze the change of land application in the research area, then the ecological benefits in the area were evaluated by ecological green equivalent evaluation model. The results showed that the ecological green equivalent weight in research area had increased from 2008 to 2013, which meant that the ecological environment was improved; the ecological green equivalent weight in research area was still less than 1 in 2008 and 2013, which showed the ecological environment in shelter area was relatively weak at present; the forest coverage rate in research area was 20%, less than minimum value of UN standard, and that was higher than the coverage rate (15%) which environment-protection department required ecology county to meet. The forest coverage rate based on green equivalent weight had a large gap behind the best forest coverage rate, which indicated that the land use in the research area need more adjustment. More efforts should be made for ecology protection and restoration. Essential methods such as closing hillsides to facilitate forestation, banning raising livestock on hills, and returning the grain plots to forestry are all supposed to be continued.

ecological benefit; evaluation; green equivalent; ecological environment in shelter area; Yanchi County

2014-03-20

：2014-04-23

國家自然科學基金資助項目(41161081)

韓沐汶(1993—),男,寧夏銀川人,本科生,主要研究方向為遙感與地理信息系統應用。E-mail:hanmuwen@163.com

石云(1977—),女,寧夏銀川人,博士,副教授,主要從事遙感與地理信息系統應用研究。E-mail:shiyun@nxu.edu.cn

X171.1

：A

：1005-3409(2014)06-0211-07