2000-2010年中國退牧還草工程區生態系統宏觀結構和質量及其動態變化

張海燕，樊江文，邵全琴，張雅嫻

(1.中國科學院地理科學與資源研究所，陸地表層格局與模擬重點實驗室，北京100101；2.中國科學院大學，北京100049)

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2000-2010年中國退牧還草工程區生態系統宏觀結構和質量及其動態變化

張海燕1,2，樊江文1*，邵全琴1，張雅嫻1,2

(1.中國科學院地理科學與資源研究所，陸地表層格局與模擬重點實驗室，北京100101；2.中國科學院大學，北京100049)

摘要：本研究以生態學理論為基礎，以空間信息技術為支撐，基于遙感數據、氣象數據和地面觀測數據，通過多源數據融合、生態模型模擬和尺度轉換手段，分析中國退牧還草綜合治理工程區2000-2010年生態系統宏觀結構和質量的時空分布及變化趨勢，探討生態系統變化的自然和人文驅動機制，為退牧還草工程的生態成效評估提供理論依據。研究結果表明，1)2000-2010年，草地生態系統面積保持平穩，生態系統宏觀結構穩定，但局部區域仍存在草地與農田、濕地和荒漠間的相互轉化；2)研究區草地退化趨勢已得到初步遏制，植被覆蓋度略有增長，葉面積指數略呈波動式增加，凈初級生產力呈顯著上升，草地植被呈現恢復轉好態勢，生態系統總體質量有所提高，生態環境向良性演變；3)研究區生態狀況具有空間差異性，總體轉好，局部變差，各亞區整體水平排序為內蒙古東部退化草原治理區>青藏高原江河源退化草原治理區>新疆退化草原治理區>蒙甘寧西部退化草原治理區；4)退牧還草工程的實施有利于草地保護，氣候暖濕化促進植被生長與恢復，人類活動干擾局部地區生態系統，三者共同影響研究區總體生態狀況。

關鍵詞：退牧還草工程；宏觀結構；生態系統質量；時空分布；動態變化

我國擁有各類草地392萬km2，居世界第二位，占國土面積的41.7%[1]。草地是我國面積最大的陸地生態系統和綠色生態屏障，具有防風固沙、涵養水源、固碳釋氧、保持水土及維護生物多樣性等生態服務功能。草地也是畜牧業發展的重要物質基礎和牧區農牧民賴以生存和發展的基本生產資料[2]。由于生態環境的脆弱，自然氣候因素的影響，開墾草原、超載放牧、破壞草原植被等人類活動的干擾，我國草地退化問題嚴峻[3]，全國90%的草原存在不同程度的退化、沙化和鹽漬化。

2003年初，針對西部地區草原生態環境持續惡化的嚴峻現實，國務院批準退牧還草工程，計劃用5年時間先期集中治理6.67×107hm2嚴重退化草原，約占西部地區嚴重退化草原面積的40%[4]。退牧還草工程是近年來國家在草地建設史上投入規模最大、涉及面最廣、受益群眾最多、對草地生態環境影響最為長遠的項目。退牧還草工程涉及草地生態修復和牧區建設，堅持保護為先，建設和合理利用相結合，實行以草定畜，嚴格控制載畜量；實行草場圍欄封育，開展禁牧、休牧和劃區輪牧措施；適當建設人工草地和飼草基地。旨在遏制天然草地的持續惡化，優化草畜產業結構，恢復草原植被，提高草地生產力和載畜能力，促進與恢復草原生態平衡，實現畜牧業可持續發展[5]。

退牧還草工程區的生態系統宏觀結構與生態質量監測是生態工程研究的重要環節，現有研究僅是對于樣點或者局部區域地面采樣，且主要集中在工程區內外牧草生長狀況進行單一對比[6-10]，但對于中國退牧還草工程綜合治理區的生態系統宏觀結構與質量各參數都還沒有長時間序列系統完整的監測；其次，遙感數據、GIS技術和生態模型使用也不夠深入，全區整體生態狀況仍沒有定量的描述。本文以中國退牧還草工程綜合治理區作為監測對象，基于遙感數據、氣象數據和地面觀測數據，通過多源數據融合、生態模型模擬和尺度轉換手段，獲取中國退牧還草綜合治理工程區的生態系統宏觀結構與質量參數，定量評價10年間研究區生態狀況，為準確評價退牧還草工程的生態成效提供科學依據，并進一步探討導致生態系統發生變化的自然和人文驅動機制，凝練成功經驗，揭示存在問題，以便為草地生態系統的管理、生態工程的調整和中長期科學規劃與部署，提供決策依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

目前，退牧還草工程區實施范圍按照有關原則進行調整，每年都有新增縣和退出縣，每年工程實施范圍基本為120多個縣[11]。2003-2010年，退牧還草工程的實施范圍主要包括內蒙古、四川、云南、西藏、甘肅、青海、寧夏、新疆等省(區)及新疆生產建設兵團190余縣/旗(團場)，總面積達319.21萬 km2。退牧還草工程區主要集中于北方干旱半干旱草原區和青藏高寒草原區，以荒漠草原和高寒草原為主，大部分區域年降水量在400 mm 以下，超載嚴重，草原存在不同程度的退化、沙化和鹽堿化，生態系統脆弱。根據區域性特點、存在主要問題和保護建設利用等的需要，全國退牧還草綜合治理工程區(以下簡稱為退牧還草工程區)分為內蒙古東部退化草原治理區、蒙甘寧西部退化草原治理區、新疆退化草原治理區和青藏高原江河源退化草原治理區4個亞區[12](圖1)。

據農業部統計材料顯示，2003-2010年，退牧還草工程共投入資金185.22億元，投資額呈先增加后減少的趨勢，以2006年總投資額為最大。截止2010年，全國退牧還草工程圍欄面積共5158.27萬hm2，其中禁牧圍欄2606.47萬hm2，休牧圍欄2466.20萬hm2，劃區輪牧圍欄85.60萬hm2；退化草原補播改良1240.87萬hm2；同時，對項目區實施圍欄封育的牧民給予飼料糧補貼。從各省建設情況來看，內蒙古、新疆圍欄面積最大，分別為1438.00萬和1082.67萬hm2，云南省圍欄面積最小，為38.33萬hm2。從實施內容來看，禁牧圍欄以內蒙古、青海和新疆面積較大；休牧圍欄、劃區輪牧和草地補播均以內蒙古、新疆等面積較大，四川、甘肅、青海、西藏等次之。

圖1　退牧還草工程區空間分布Fig.1　Spatial distribution of the Returning Rangeland to Grassland programs in China

1.2生態系統宏觀結構

研究區生態系統的一級類型分為森林、灌叢、草地、濕地、農田、城鎮、荒漠和冰川/永久積雪8類，二級類型分為闊葉林、針葉林、針闊混交林、稀疏林、草甸、草原、草叢等18類[13-14]。以2000-2010年的MODIS數據、2000和2005年的Landsat TM/ETM數據以及2010年的HJ-1衛星CCD等多源遙感數據源為主，并輔以地形數據、雷達數據、野外實地調查數據和長期生態系統監測資料進行修正與驗證，利用各省提供的地面點位置建立解譯標志數據庫，采用人機交互分類進行遙感解譯得到生態系統數據。遙感精度驗證采用隨機抽樣方法進行獨立產品精度評價，生態系統一級分類精度為94%，二級分類精度達86%以上[13]。

本研究通過分析研究區2000，2005和2010年森林、草地、農田、濕地、荒漠等主要生態系統面積、所占比例、空間分布，以及2000-2010年主要生態系統變化狀況，探討生態系統宏觀結構是否優化。借助生態系統類型轉移矩陣全面分析區域生態系統變化的結構特征和研究期初各類型的流失去向及研究期末各類型的來源與構成。

1.3生態系統質量參數

本文以植被覆蓋度(fractional vegetation cover，FVC)、葉面積指數(leaf area index，LAI)和凈初級生產力(net primary production，NPP)3個參數作為生態系統質量是否改善的指示因子，通過遙感反演、生態模型模擬和尺度轉換等手段，最終獲得研究區250 m空間分辨率的2000-2010年連續10年的每年數值、多年均值及變化趨勢的植被覆蓋度、葉面積指數和凈初級生產力空間數據。

1.3.1植被覆蓋度植被覆蓋度以250 m分辨率的MODIS數據為信息源，采用16 d最大合成法，在時間域上通過S-G濾波處理對數據集進行重構，從而進一步消除噪聲影響，然后采用像元二分模型進行估算，借助土地覆蓋數據集，進行研究區植被覆蓋度的估算。

因植被指數與植被覆蓋度有較好的相關性，本文利用歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI)，根據像元二分模型理論來計算植被覆蓋度。像元二分模型是一種簡單實用的遙感估算模型，假設一個像元的NDVI值是由綠色植被部分所貢獻的信息NDVIveg，與無植被覆蓋(裸土)部分貢獻的信息NDVIsoil組合而成，植被覆蓋度的計算公式為：

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

(1)

式中，NDVI通過遙感影像近紅外波段與紅光波段的反射率來計算；NDVIveg為純植被像元的NDVI值；NDVIsoil為完全無植被覆蓋像元的NDVI值。

1.3.2葉面積指數反演LAI是目前植被遙感重要研究內容之一，大范圍LAI一般通過遙感反演和機理模型模擬獲得。本文葉面積指數來源于已有的MODIS MOD15A2產品，通過時空濾波算法及尺度下推方法得到。為填補MODIS MOD15A2產品時空不連續性，利用Fang等[15]發展的時空濾波算法(temporal spatial filter，TSF)提高LAI數據質量，通過臨近像元法重采樣，得到空間分辨率為500 m的LAI濾波產品。假定LAI與NDVI間存在線性關系，并且特定空間尺度下該線性關系也相同，而且大尺度NDVI像元值等于組成它的小像元值的平均，將500 m的LAI重采樣為250 m，選擇5×5的滑動窗口逐像元移動，計算窗口中心像元處NDVI與窗口內NDVI均值的比值，再與重采樣后的LAI相乘，最終得到250 m分辨率的LAI數據。

1.3.3凈初級生產力NPP基于資源平衡觀點的CASA模型[16]估算得到，且模擬結果采用大樣地調查數據和樣方調查數據進行驗證。光合有效輻射(PAR)是植被光合作用的驅動力，是植被NPP的一個決定因子，而植物吸收的光合有效輻射(APAR)尤為重要，因此估算NPP可用APAR和實際光能利用率(ε)表示，公式為：

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輻射(單位：MJ/m2·旬)；ε(x,t)表示像元x在t月份的實際光能利用率(單位：g C/MJ)。

PAR主要從資料文檔、氣象數據中得到太陽總輻射量及日照時數等信息，然后結合研究區中像元經緯度計算得到。FPAR利用MODIS NDVI產品計算得到比值指數SR，然后通過FPAR與比值指數SR之間存在關系，得到FPAR。ε指植被將吸收的光合有效輻射(APAR)通過光合作用轉化為有機碳的效率，其獲取方法如下：

ε(t)=ε*×T1(t)×T2(t)×W(t)

(3)

式中，ε*指的是最大光利用率(單位：g C/MJ)，T1和T2表示環境溫度對光利用的抑制影響，W則為水分影響脅迫系數。T1和T2及W均為無量綱參數。其中T1和T2及W分別由下面公式計算獲得。

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

(4)

(5)

式中，Topt表示植被生長季內NDVI值達到最高時的月平均氣溫(單位：℃)，Tmon表示月平均氣溫(單位：℃)。

(6)

式中，EET(t)表示研究區月實際蒸散量(單位：mm)，PET(t)表示研究區月潛在蒸散量(單位：mm)，通過ET Watch計算獲得。

1.3.4數據驗證因FVC、LAI和NPP的空間分辨率均為250 m，數據精度驗證除借助地面調查樣點外，并咨詢草原相關主管部門和參考草原監測報告。FVC和LAI數據通過對全國范圍內8個典型生態類型選取樣點，提取變化曲線進行對比分析。NPP數據主要通過典型樣區尺度森林、草地、農田生態系統的野外觀測站及歷史地面觀測數據開展模型校驗與精度驗證。農業部對內蒙古、四川、西藏、甘肅、青海、寧夏、新疆、云南等省(區)和新疆生產建設兵團的400多個縣/旗(團場)開展草原地面調查，設置3400個樣地，得到6900個樣方數據，結果表明工程區內的植被均逐步恢復，草地質量得到一定改善，植被覆蓋度和鮮草產量比工程實施前分別提高5%和3.45%。2010年農業部監測結果，工程區平均植被蓋度為71%，比非工程區高出12%，草群高度、產草量和可食鮮草產量分別比非工程區高出37.90%，43.90%，49.10%[17]。

1.4其他數據

1990-2010年研究區1 km的年降水量和年均溫空間分布數據是基于氣象觀測數據210個國家氣象臺站(圖1)，獲取的站點氣象數據經過質量檢查和控制，消除異常值，缺測值利用臨近站點的觀測值進行線性內插方式替換；DEM數據來自國家基礎地理信息中心，重采樣為1 km。利用Anusplin軟件采用DEM為協變量的方法對日尺度降水量和溫度數據插值所得，通過日降水量和溫度獲得年尺度研究區的降水量和溫度。

基于人類對各生態系統類型的利用程度不同，構建研究區的人類擾動指數。根據劉紀遠[18]提出的土地利用程度模型，Zhao等[19]依據不同生態系統類型不同級別的擾動程度構建生物多樣性人類擾動指數(取值范圍0～1，無量綱)，用于反映人類活動對生態系統的影響程度。基于不同生態系統類型的擾動程度對各生態系統類型進行分級賦值，得到4種擾動程度的分級指數。根據研究區各擾動類型占有不同比例，加權求和運算后，得到0～3 之間的人類擾動指數，在此基礎上進行標準化處理，形成0～1的人類擾動指數。其值反映某一區域人類活動的擾動程度，其值越高，人類擾動程度越高；其值下降時，則認為人類對生態系統的威脅程度減小。

2結果與分析

2.1生態系統宏觀結構與演變

從表1可見，退牧還草工程區的生態系統類型以草地生態系統為主，占整個工程區的面積54%以上。其次是荒漠生態系統，占全區面積的23%以上。森林、灌叢、濕地和農田生態系統的面積較小，均占全區面積的3%～7%之間。冰川/永久積雪分布的面積更少，占全區面積的1.22%。城鎮分布的面積最少，僅占全區面積的0.43%。

從生態系統空間分布來看(圖2)，草地在整個工程區內分布較廣，包括草甸、草原和草叢3種，其中草原面積最大，約占草地總面積的81%，主要分布在內蒙古呼倫貝爾草地、科爾沁草地、鄂爾多斯高原、青藏高原和新疆的西北部；草甸次之，約占草地總面積的18%，主要分布在青藏高原東部、新疆的阿勒泰地區；草叢最少，低于草地總面積的1%。荒漠主要分布在新疆治理區的塔克拉瑪干沙漠南端及西部的哈順戈壁，蒙甘寧治理區西部的中央戈壁、巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠等。森林主要分布在內蒙古東部治理區的大興安嶺附近。灌叢在新疆治理區中北部、青藏高原江河源治理區和內蒙古東部等均有分布。

10年間，城鎮、農田和濕地生態系統呈增加趨勢，而森林、灌叢、草地、荒漠和冰川/永久積雪生態系統呈減少趨勢(表1和表2)。其中，草地生態系統凈減少10500 km2，占2000年草地生態系統總面積的0.60%。其中：1)草地生態系統增加面積為6112 km2，減少面積為16612 km2。草地增加以農田、濕地和荒漠轉入為主，農田轉入草地的面積最大，占轉變為草地總面積的44.19%；濕地轉入草地的面積次之，占轉變為草地總面積的28.52%；荒漠轉入草地的面積第三，占轉變為草地總面積的21.71%。草地減少以轉入為農田和濕地為主，草地轉入農田最多，占草地轉出總面積的54.98%；草地轉入濕地的面積次之，占草地轉出總面積的20.68%。此外，草地轉為城鎮和荒漠的面積分別占草地轉出總面積的9.95%和9.71%。2)農田生態系統增加面積為8147 km2，主要由草地轉化而來。3)城鎮生態系統增加面積為3021 km2，增加面積占2000年城鎮生態系統總面積的27.94%，是該區增幅最大的生態系統類型。4)其他各類生態系統雖有變化趨勢，但變化面積和幅度均較小。

表1　研究區2000,2005和2010年的生態系統一級類型面積統計

表2　研究區生態系統一級類型轉移矩陣(2000-2010)

2000-2010年10年間生態類型變化較大的區域主要集中在新疆北部的準噶爾盆地西南邊緣、阿爾泰山西南部，寧夏回族自治區，內蒙古東北部的呼倫貝爾草原及其周邊區域(圖3)。其中新疆治理區草地轉化為農田的面積最大，為8176 km2，占草地轉出總面積的49.22%；草地轉化為荒漠的面積為1093 km2，占草地轉出總面積的6.58%；草地轉化為濕地的面積為811 km2，占草地轉出總面積的4.88%。此外，該亞區還有1770 km2的灌叢轉化為農田。青藏高原江河源治理區草地轉化為濕地的面積最大，為2124 km2，占草地轉出總面積的12.79%。蒙甘寧西部治理區農田轉化為草地的面積最大，為1351 km2，占轉變為草地總面積的22.10%，其中60%以上面積位于寧夏回族自治區內；草地轉化為農田和城鎮的面積分別為566和477 km2。內蒙古東部治理區濕地轉化為草地的面積最大，為670 km2，占轉變為草地總面積的10.96%。

2.2生態系統質量遙感監測

研究區2000-2010年植被覆蓋度(FVC)、葉面積指數(LAI)和凈初級生產力(NPP)各年的變化趨勢如圖4所示，全區各參數年際波動特征明顯，并呈現微弱上升趨勢。10年間，研究區年均FVC在20.5%～21.3%，年均LAI為0.75～0.85，年均NPP為200～230 g C/(m2·a)。

圖2　研究區2000，2005和2010年生態系統二級類型空間分布圖Fig.2　Ecosystem maps of the level Ⅱ class of the study area in 2000, 2005 and 2010

圖3　2000-2010年生態系統一級主要類型轉換空間分布特征Fig.3　The dynamic map of the level I main class in the study area from 2000 to 2010

圖4　2000-2010年退牧還草工程區植被覆蓋度、葉面積指數和凈初級生產力的變化趨勢Fig.4　Inter-annual variation of annual FVC, LAI and NPP during 2000-2010

2.2.1植被覆蓋度2000-2010年，研究區多年平均植被覆蓋度為20.89%。從各生態系統來看(圖5)，10年間草地植被覆蓋度均值為20%～21%，其中位于內蒙古東部治理區呼倫貝爾高原附近、青藏高原江河源治理區東部地區和新疆治理區塔里木河流域及鄂爾奇斯河流域的草地植被覆蓋度較高，集中于50%～90%；荒漠的植被覆蓋度最低，集中于10%以下；森林的植被覆蓋度最高，全區均值維持在65%左右；灌叢和農田均值為32%～36%。從各亞區分布來看(圖5)，內蒙古東部治理區植被覆蓋度最高，多年均值為41.93%；其次是青藏高原江河源治理區，多年均值為39.47%；而新疆治理區和蒙甘寧西部治理區植被覆蓋度較低，多年均值分別為20.80%和18.79%。

從10年來研究區植被覆蓋度的變化情況看(圖6)，全區多年傾斜率變化為0.199%/a，即植被覆蓋度平均每年增加0.199%，多年增加1.99%。全區草地植被覆蓋度均值從2000年的20.26%增加到2010年的20.74%，升幅為2.37%。其中草地的植被覆蓋度有約30%持續轉好，有約20%不同程度的下降，有約50%在10年中變化不大。蒙甘寧西部治理區和青藏高原江河源治理區的增加趨勢相對較為明顯，平均每年增加0.11%和0.03%；內蒙古東部治理區和新疆治理區則保持較平穩的態勢。

2.2.2葉面積指數2000-2010年，研究區葉面積指數多年平均值為0.810。從各生態系統來看(圖7)，草地的葉面積指數較低，全區草地多年均值在0.7左右，呼倫貝爾高原附近、準噶爾盆地四周和四川省西北部的草地葉面積指數較高，分布在1～4間，其他區域草地的葉面積指數多數低于0.5；森林的葉面積指數最高，多年均值為3.544；農田的葉面積指數次之，多年均值為1.614；灌叢的葉面積指數多年均值為1.327。從各亞區分布來看(圖8)，近10年葉面積指數最高的亞區是內蒙古東部治理區，多年均值達到2.582；其次是青藏高原江河源治理區，多年均值為0.932；新疆治理區和蒙甘寧西部治理區的葉面積指數較低，多年均值分別為0.396和0.331。

圖5　2000-2010年主要生態系統及各亞區的植被覆蓋度Fig.5　The average FVC for different ecosystem types and subregions from 2000 to 2010

圖6　2000-2010年多年平均植被覆蓋度及其變化趨勢Fig.6　The changes and annual variation of average FVC from 2000 to 2010

圖7　2000-2010年主要生態系統及各亞區的葉面積指數Fig.7　The average LAI for different ecosystem types and subregions from 2000 to 2010

圖8　2000-2010年多年平均葉面積指數及其變化趨勢Fig.8　The changes and annual variation of average LAI from 2000 to 2010

從10年來研究區葉面積指數的變化情況看(圖8)，變化斜率為0.0017/a，略呈增加趨勢。其中，草地LAI均值從2000年的0.693增加至2010年的0.737，升幅為6.42%。青藏高原江河源治理區和蒙甘寧西部治理區的LAI呈增長趨勢，增長率分別為0.0031/a和0.0036/a；內蒙古東部治理區LAI基本保持不變；新疆治理區葉面積指數出現輕微下降趨勢，下降斜率為0.0019/a。

2.2.3凈初級生產力2000-2010年，研究區植被凈初級生產力多年均值為215.51 g C/(m2·a)。從各生態系統來看(圖9)，10年間草地的凈初級生產力多年均值為202.26 g C/(m2·a)，呼倫貝爾高原附近、天山北麓和四川省西北部的草地凈初級生產力較高，集中于400～700 g C/(m2·a)，位于準噶爾盆地、塔里木盆地和青藏高原中大部分草地凈初級生產力較低，低于200 g C/(m2·a)；森林的凈初級生產力最高，多年均值為817.37 g C/(m2·a)；農田的凈初級生產力次之，多年均值為408.20 g C/(m2·a)；灌叢的凈初級生產力多年均值為383.47 g C/(m2·a)。從各亞區分布來看，內蒙古東部退化草原治理區的多年平均NPP最高，為426.76 g C/(m2·a)；青藏高原江河源退化草原治理區的NPP略低，多年均值為270.48 g C/(m2·a)；新疆治理區和蒙甘寧西部退化草原治理區的NPP較低，多年均值分別為128.13和112.48 g C/(m2·a)(圖10)。

圖9　2000-2010年主要生態系統及各亞區的凈初級生產力Fig.9　The average NPP for different ecosystem types and subregions from 2000 to 2010

圖10　2000-2010年多年平均凈初級生產力及其變化趨勢Fig.10　The changes and annual variation of average NPP from 2000 to 2010

10年間，全區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)，變化斜率為0.587 g C/(m2·a)，總體呈增加趨勢。其中，草地NPP均值從2000年的198.25 g C/(m2·a)增加至2010年的203.79 g C/(m2·a)，升幅為2.79%。各亞區的變化趨勢與全區一致，均呈增加趨勢，其中蒙甘寧西部、內蒙古東部治理區和青藏高原江河源退化區的增速較快，增加速率分別為0.948,0.794和0.646 g C/(m2·a)；新疆治理區略有增加趨勢，增加速率僅為0.025 g C/(m2·a) (圖10)。

3討論

3.1生態工程影響

通過對退牧還草工程區2000-2010年生態系統宏觀結構和質量參數的分析，表明了全區及各亞區生態系統狀況具有轉好趨勢，扭轉了以往草地持續惡化的狀況。2003年始啟動實施的退牧還草工程對草地植被恢復起到積極作用，通過推行禁牧、休牧、劃區輪牧、草地補播等，對草地生態恢復、退化趨勢的遏制和生態系統良性發展做出了積極的貢獻。短中期的圍欄封育對提高天然草地的植被蓋度和產草量等方面具有一定的效果，促進生產力的提高，提高草地的理論載畜量，從而減輕草地的載畜壓力。禁牧和草畜平衡措施，不僅減輕了人類擾動對草地的影響，而且使工程區的家畜數量減少，草地載畜壓力減輕，草地得到休養生息，利于植被恢復，因而研究區植被覆蓋度、凈初級生產力和葉面積指數均得以提高。退牧還草工程中采取圍欄封育、補播改良、合理施肥、控制放牧等途徑，重點治理了嚴重退化草地、石漠化草地、巖溶草地和黑土灘退化草地，有利于退化草地的恢復和防止新的草地退化發生。

此外，研究區內部分區域還同時實施了退耕還林還草、京津風沙源治理工程、西南巖溶地區草地治理試點工程、生態移民和鼠害防治工程等其他生態工程，這些工程的實施也對該區生態狀況改善起到促進作用。

3.2區域氣候驅動

圖11　1990-2010年退牧還草工程區年均溫和年降水量變化Fig.11　Times series of annual mean air temperature and precipitation during 1990-2010

氣候因素是植被活動年際變化的重要影響因素[20]，氣溫和降水量是影響植被生長的主要非生物因素[21]。氣候變暖已導致北半球中高緯度地區植被活動顯著增強，在我國，大部分地區的植被活動也呈增強趨勢[22-23]。氣候的干濕狀況和水資源供需平衡會對植被的生長產生較大影響，尤其是干旱、半干旱地區，降水是生態系統的重要水分來源，是植被生長的主要制約因素。研究區1990-2010年20年間年均溫和年降水量的空間數據變化趨勢(圖11)表明：退牧還草工程區近期氣候趨于暖濕化，氣溫增加，降水增多，有助于生態系統恢復。研究區20年間，年均溫呈顯著上升趨勢，增溫達到0.57℃，且伴有明顯的年際變化特征；年降水量無顯著線性變化，1990年最高，2006年最低。其中，近10年工程區多年均溫為1.89℃，且變化斜率為0.063℃/a；降水多年均值為341.01 mm，且變化斜率為0.726 mm/a。氣溫的增高使植被返青期提前，促進植被生產力提高。降水增加不僅滿足植被生長需要，而且還使湖泊河流等水體面積擴大，促進牧草產量提高。溫度和降水量的增加，還能使荒漠速度減緩，荒漠面積減少，濕地生態系統增加，減緩了生態系統結構的變化，并促使其朝著合理化的方向發展。從圖4生態系統質量各參數可以看到，2000-2006年植被覆蓋度、葉面積指數和凈初級生產力的年際變化趨勢與降水量一致，如2002和2005年各參數波峰與降水量的波峰值相對應，而2006年FVC和NPP波谷與降水量波谷相對應，表明除了生態工程的保護和恢復效果外，降水量也是生態系統改善的主要原因。溫度的持續上升未對研究區生態系統改善起到明顯促進作用，研究區多數區域位于北方干旱半干旱區內，較高溫度反而導致水分蒸發迅速，在一定程度上加劇了干旱，從而不利于植被生長和生態系統狀況改善。但2007-2010年隨著降水量對植被生長影響作用減弱，FVC、LAI和NPP的變化趨勢開始與溫度接近，可以推斷未來情景內，研究區的生態系統狀況將受溫度和降水的雙重影響。

但同時局部區域發生暖干化的變化趨勢，影響著局部地區的生態狀況。西北地區對氣候變化極為敏感，如新疆阿勒泰地區大部分區域氣溫呈升高且降水呈降低趨勢，整個阿勒泰地區1961-2012年52年間旱情持續嚴重，年和季節的干旱發生頻繁，且多年存在重旱和特旱[24]，氣候的不良變化對當地的牧草和農作物的生長、發育和產量等都產生不利影響，FVC、LAI和NPP均出現下降趨勢。此外，長江黃河源區因氣溫升高引起的區域暖干化也導致高寒草地生態系統退化的格局[25]。

3.3人類活動擾動

2000-2010年研究區的生態工程實施和氣候暖濕化趨勢改良了生態系統宏觀結構，同時促進研究區FVC、LAI和NPP的提高，全區的人類活動擾動較小，但人類活動對局部區域存在一定影響。

在10年間研究區的人類干擾指數在0.2～0.4之間，多年均值約為0.34，變化微小。工程區雖存在著局部的農田開墾和撂荒等人類活動干擾，導致部分草地與農田生態系統之間的相互轉化，但人類活動對生態系統的影響減小，整體上促進了生態系統宏觀結構的改善，草地退化趨勢也得到一定遏制。

根據生態系統宏觀結構和質量的變化(圖3, 6, 8,10)和統計結果均可得知，10年間，研究區內農田的面積增幅較大，與其他生態系統轉化較活躍，且FVC、LAI和NPP參數的變化趨勢顯著，從而推斷研究區內可能存在開墾現象。已有學者研究表明：過去50年內，新疆存在大規模土地開墾，森林和草地發生較強烈的轉變，農田迅速增加，導致土地退化和沙化現象[26]，本研究結果與此一致。另，根據全國分縣統計年鑒，研究區總人口從2000年的2514.11萬增加至2010年的2777.43萬，增幅為10.47%；10年間研究區的經濟強度有了大幅增長，從2000年的3.79萬元/km2增至2010年的25.55萬元/km2，增長部分是2000年經濟強度的5.74倍。受經濟效益驅使，農牧民可能在荒地、鹽堿地及河漫灘地進行農業開墾，這也導致了其他各類生態系統向農田生態系統的轉變。同時草地被侵占為建設用地，草地退化為裸土地、沙地、鹽堿地等現象發生。如，阿勒泰地區主要分布著草地和灌叢(圖2和圖3)，10年間草地減少1691 km2，減幅為1.44%；城鎮略有增加，增幅為1.17%。此外，超載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區的南部大部分地區的FVC、LAI和NPP數值偏低且呈降低態勢，其中以西藏為主。已有學者研究表明：西藏除林芝地區外，其余地區牲畜超載率均較高[27]；過度放牧和人類不合理的開發是導致長江黃河源區高寒草地退化加劇的重要因素[25]。

3.4存在的問題及建議

生態恢復是一項長期、復雜的系統工作，是自然氣候因素和工程因素共同作用的結果，退牧還草工程區的生態恢復的狀態仍未達到理想狀況，還需持續的努力[28]。雖然通過退牧還草工程的實施，草地植被得到一定恢復，FVC增長較持續，LAI和NPP呈波動增長。但部分區域(尤其是人工飼草地)牧草種類單一，一年生牧草居多，尚未形成穩定的植物群落，生態條件仍十分脆弱，加之當地牧民對草地的索取和依賴程度仍較高，一旦再次利用，極易造成二次退化，保護治理成果仍面臨嚴重的考驗。其次，氣候不斷增暖會導致蟲鼠害增加的范圍和頻率。此外，退牧還草工程治理規模遠小于我國草地總面積，目前我國大部分草原仍存在超載過牧狀態和退化、沙化、鹽堿化、石漠化現象，局部地區水蝕、風蝕、自然災害等有所加劇，尚需治理的草地面積仍很大。因此，建議繼續推進退牧還草工程，鞏固已有建設成果，建立長期有效的生態建設和恢復機制。建議完善草地生態獎補機制，加大草地生態工程建設力度。圍欄建設是退牧還草工程的核心內容，也是禁牧、休牧和輪牧能夠順利進行的前提條件和必要手段，但部分地區存在圍欄質量參差不齊，縮短圍欄使用年限，建議加強基礎設施建設，加大配套設施的投入，規范工程施工，確保工程質量。將退牧還草工程與草原生態獎補機制、風沙源治理工程、生態移民工程、退耕還林還草工程等有機結合，實施區域綜合治理。

根據區域社會自然資源條件，因地制宜對各亞區實施不同的保護和發展戰略。內蒙古東部退化草原治理區降水充沛，濕潤度高，以草甸和草原為主，但存在草地退化和超載現象，建議適當發展人工草地，補播優良牧草，在穩定生態系統的同時，提高牧民的經濟收入；充分借助區域暖濕化變化趨勢的契機，積極恢復草地生態。蒙甘寧西部退化草原治理區氣候溫和，水資源短缺，生態系統以荒漠為主，草地類型以草原為主，超載過牧嚴重，還存在沙化現象，應嚴格實施禁牧、休牧和適宜輪牧，實施草地封育，控制草地載畜量，保證荒漠草地的生態用水，應重點發展優勢生態畜牧業。新疆退化草原治理區光熱豐富，降水稀少，植被較少，以草叢、濕性荒漠草原和荒漠為主，荒漠化和鹽漬化嚴重，生態系統脆弱，應予以重點保護，增大草地保護的面積和力度，實施草地禁牧、休牧、改良等措施，實現農牧互補，著力發展生態牧業。青藏高原江河源退化草原治理區海拔高，水熱條件較差，自然災害較頻繁，草地易退化為“黑土灘”，草地類型以草甸和草原為主，應增加多元化生態補償，優化家畜種群規模與結構，促進天然草地的恢復，發展特色生態畜牧業，科學利用草地資源，實現青藏高原草地生態屏障保護與社會經濟的協調發展。

4結論

本文從生態宏觀結構和生態系統質量兩方面分析全國退牧還草工程區10年間的總體生態狀況，主要結論如下：1)生態系統的宏觀結構基本穩定。研究區最主要的生態系統是草地生態系統，其次是荒漠。生態系統的轉變主要發生在草地、濕地、荒漠和農田，表現為農田增加，濕地擴張，荒漠向草地過渡，草地總面積持平。濕地擴大反映工程區水熱條件轉好，草地未出現大幅下降趨勢反映草地持續退化得到減緩，荒漠的減少反映生態系統結構改善。2)生態系統質量總體上升。2000-2010年，研究區整體植被覆蓋度略有增長趨勢，葉面積指數略呈波動式增加，凈初級生產力呈顯著上升，草地植被呈恢復轉好態勢，草地生態環境逐年向良性演變，但區域差異較大，局部地區草地持續退化。3)全區生態狀況具有較明顯空間差異性，從四大亞區來看，根據生態系統宏觀結構的演變與穩定狀況和各生態系統質量參數的空間分布與變化程度，內蒙古東部退化草原治理區>青藏高原江河源退化草原治理區>新疆退化草原治理區>蒙甘寧西部退化草原治理區；此外，通過本研究發現：生態狀況本身較好的區域，生態系統宏觀結構較穩定，且多向有利生態系統轉化，生態系統質量各參數變化幅度較?。簧鷳B狀況本身較差的區域，生態系統宏觀結構變化較活躍，生態系統質量各參數變化幅度也相應較大。4)研究區的生態系統狀況受生態工程、區域氣候和人類活動的綜合影響，研究區生態環境呈“全區轉好，局部變差”。退牧還草工程的實施促進了生態系統宏觀結構的良性發展和生態系統質量參數的提高，氣候全區暖濕化發展利于植被生長和恢復，人類干擾指數整體較小且變化不大，但局部地區仍受氣候暖干化影響和人類活動擾動，仍有草地遭到破壞的現象，區域生態狀況惡化。

研究區草地植被得到一定程度恢復，草地退化趨勢減弱，草原生態環境持續惡化的勢頭得到初步遏制，并出現逐步改善，為鞏固工程成效，建議繼續推進退牧還草工程，完善草原生態獎補機制，實現生態保護與經濟協調發展。本研究為評價退牧還草工程對區域生態系統恢復、管理和利用提供理論依據，為草地資源的合理可持續利用提供有價值的科學信息。

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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

作者簡介：張海燕(1987-)，女，山東濰坊人，在讀博士。E-mail：zhanghy.13b@igsnrr.ac.cn

基金項目：國家十二五科技支撐計劃項目(2013BAC03B0412)資助。

*收稿日期：2015-09-29；改回日期：2016-01-14

DOI：10.11686/cyxb2015469

http://cyxb.lzu.edu.cn

張海燕, 樊江文, 邵全琴, 張雅嫻. 2000-2010年中國退牧還草工程區生態系統宏觀結構和質量及其動態變化.草業學報, 2016, 25(4): 1-15.

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