基于3S技術的退牧還草工程實施生態效果監測評價
——以瑪曲縣2005年工程區為例

王炳煜，姜佳昌，潘冬榮，王　惠，王紅霞（甘肅省草原技術推廣總站，甘肅 蘭州 730010）

基于3S技術的退牧還草工程實施生態效果監測評價
——以瑪曲縣2005年工程區為例

王炳煜，姜佳昌，潘冬榮，王惠，王紅霞
（甘肅省草原技術推廣總站，甘肅 蘭州 730010）

以3S（GIS、RS、GPS）技術為主要手段，輔以地面樣方監測，從時間和空間兩個方面，對瑪曲縣2005年退牧還草工程實施的生態效果進行量化評價。通過對工程區內外、工程實施前后草原的鮮草產量、蓋度的監測比較分析，對工程區內外高度、可食比例等指標的監測比較分析，可看出退牧還草工程的實施，減輕了草原放牧壓力，工程區草原植被平均蓋度、高度、鮮草產量和可食比例與工程區外相比均有提高，工程實施后草原植被平均蓋度、鮮草產量均比項目實施前有所提高。

3S技術；NDVI；退牧還草工程；生態效果評價

2003年起，國家在甘肅實施退牧還草工程，退牧還草工程的主要建設內容包括圍欄建設和退化草原補播，在草原牧區建設圍欄實施禁牧和休牧。退牧還草工程以恢復草原植被，改善草原環境為目標，把生態保護與草原建設密切結合起來，建立起動態平衡草地畜牧業生產系統，優化草地生態環境，促進草地生態系統良性循環，使匱乏的草地資源得到充分合理利用的同時，做到持續平衡、永續利用［1，2］。本文就是以瑪曲縣2005年工程區為例，以3S（地理信息系統GIS、遙感技術RS、全球定位系統GPS）技術為主要手段，輔以地面樣方監測，對退牧還草工程實施的生態效果進行量化評價。

1　材料與方法

1.1研究區

瑪曲縣2005年度退牧還草工程在木西合鄉、歐拉秀瑪鄉、采日瑪鄉、歐拉鄉、阿萬倉鄉、曼日瑪鄉、齊哈瑪鄉等7個鄉實施。圍欄禁牧2萬hm2，圍欄季節性休牧7萬hm2。草地類型主要有山地草甸。禾本科和莎草科牧草為建群種。

1.2研究數據

1.2.1工程方案及作業設計圖從退牧還草工程實施方案和項目竣工報告獲得工程實施范圍、面積、涉及鄉鎮等信息，收集專業的作業設計圖、竣工圖?，斍h行政邊界矢量數據。

1.2.2地面樣地樣方數據在草原生長盛期（七八月），對工程實施區草地，采用地面樣方監測的方法，草本用1 m×1 m樣方，灌木草地用10 m×10 m樣方，記錄樣方樣地的草原類型、所屬工程區內外、工程類型、工程年份、地形、土壤、等情況，獲取樣方經緯度、海拔、總蓋度、草群平均高度、樣方內各植物種的鮮重等數據。拍攝樣地景觀照和樣方俯視照。在2015年7月15日進行地面監測。

布設地面調查樣地30個，其中工程區內、外樣地數量各15個。調查樣地涵蓋禁牧、休牧的草原類型，2個樣地之間距離在1 km以上。設置工程區外對比樣地時，選擇與工程區內樣地草原類型一致的鄰近區域。

1.2.3遙感數據從美國航空航天局（NASA）的網站（htt p：//ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html）免費下載MODIS數據。本研究下載2003、2015年第225天開始16 d合成的h26v5景的MOD13Q1影像數據產品，其空間分辨率為250 m。對MODIS數據進行提取NDVI、投影轉換、掩膜等處理，生成瑪曲縣NDVI圖。

1.3評價方法

1.3.1工程區分布圖矢量化將紙質竣工圖掃描為TIFF圖，分辨率在200dpi以上。在ArcGIS中，對TIFF圖進行幾何糾正和投影轉換，以此為底圖分別勾繪出禁牧、休牧工程區斑塊，生成的工程區shape文件，并標明工程類型屬性。在ERDAS中，將禁牧、休牧工程區shape文件轉換為AOI。沿工程區邊界外側，均勻繪點，生成工程區外點shape文件。

1.3.2地面樣地樣方監測數據處理將地面樣地樣方監測紙質表的數據輸入Excel表格，每張表輸入為一行，統計每個樣方的可食牧草的鮮重、樣方總鮮重，計算樣方可食比。計算2015年禁牧、休牧區內外的草群高度、可食比的算數平均數，填入表1中高度、可食比的值。

在ArcGIS中，將含有經緯度數據的樣方Excel表格轉換為樣方shape點文件，樣方shape點文件就具有了與瑪曲縣NDVI圖一樣的空間位置屬性。

1.3.3工程實施縣產量、蓋度分布圖生成在ArcGIS中，用樣方shape點文件從瑪曲縣2015年NDVI圖上提取對應的NDVI值，用一一對應的樣方產量值和NDVI值建立模型，即為產量模型［3］。本例模型為：y= 171.6e0.0004x（R2=0.59）。y是產草量，x是NDVI值。

運用像元二分模型計算蓋度［4］，y=（NDVI-NDVI最小）/（NDVI最大-NDVI最?。?。在ERDAS中，從瑪曲縣NDVI圖讀取最大、最小值，生成瑪曲縣的蓋度模型。2005年的模型為y=（x-209）/（8908-209），2015年的模型為y=（x-296）/（8278-296）。y是蓋度，x是NDVI值。

在ERDAS中，通過Model Maker模塊，用產量模型、蓋度模型對2003、2015年NDVI圖分別進行反演計算，生成2003、2015年瑪曲縣產量、蓋度分布圖4張圖。

1.3.4數據統計分析在ERDAS中，運用工程區AOI，分別從2003、2015年瑪曲縣產量、蓋度分布圖裁切出禁牧、休牧工程區的相應的圖，并讀取禁牧、休牧工程區產量、蓋度值；在ArcGIS中，用工程區外點shape文件，分別從2015年瑪曲縣產量、蓋度分布圖提取工程區外點的產量、蓋度值，計算平均數。得出表1中蓋度、產量的值。

1.3.5專題圖生成在ArcGIS中，生成帶有指南針、比例尺、經緯度網格的2003、2015年瑪曲縣產量、蓋度分布圖、以TM為地圖的工程區分布圖。

圖1　退牧還草工程實施生態效果評價數據分析流程

表1　退牧還草工程實施生態效果評價數據分析結果匯總表

2　結果與分析

2.1工程實施前后植被變化情況

2015年禁牧區草原植被平均蓋度80%，平均鮮草產量5832.5kg/hm2，分別比2005年提高了3個百分點和2.7%；休牧區草原植被平均蓋度87%，平均鮮草產量7136.2kg/hm2，分別比2005年提高2個百分點和1.5%。

2.2工程區內外植被變化情況

2015年禁牧區草原植被平均蓋度80%，休牧區87%，分別比工程區外高3和9個百分比。禁牧區草原植被平均高度26.1 cm，休牧區21.4 cm，分別比工程區外高56.0%和27.9%。禁牧區草原植被平均鮮草產量5 832.5 kg/hm2，休牧區7 136.2 kg/hm2，分別比工程區外高26.4%和36.8%。禁牧區牧草平均可食比例74%，休牧區66%，分別比工程區外高12和4個百分點。

3　討論

通過對工程區內外、工程實施前后草原的鮮草產量、蓋度的監測比較分析，對工程區內外高度、可食比例等指標的監測比較分析，從時間和空間上對退牧還草工程實施生態效果進行了監測評價，可看出退牧還草工程的實施，減輕了草原放牧壓力，工程區草原植被平均蓋度、高度、鮮草產量和可食比例與工程區外相比均有提高，工程實施后草原植被平均蓋度、鮮草產量均比項目實施前有所提高。

常規的地面監測只能做到點上的監測，不能夠代表整個面上的趨勢，而3S技術的應用，完成了由點至面的評價，同時，遙感影像彌補了時間序列上草原數據的缺失，能夠實現工程實施前后的比較，直觀反映工程實施效果。

遙感影像需要與地面點監測結合分析［5］，因此，常年的地面監測數據積累也是很有必要的。本試驗中未工程實施前后高度、牧草可食比例的數據比較，是由于在工程實施前沒有對該區進行過草原監測，為了避免工程評價等其他草原評價工作缺少歷史數據的問題，就需要各級草原技術推廣部門未雨綢繆，具有大局意識，做好地面監測點的布局與日常監測工作。

［1］趙成章，賈亮紅.退牧還草工程綜合效益評價指標體系及實證研究［J］.中國草地學報，2008，30（4）：83-87.

［2］王巖春，干友民，費道平，等.川西北退牧還草工程區圍欄草地植被恢復效果的研究［J］.草業科學，2008，25（10）：15-19.

［3］王立耕，豆衛，王炳煜，等.基于MODIS的河西走廊高平原荒漠草原區生產力遙感模型研究［J］.中國草食動物，2012，32（2）：59-61.

［4］賈坤，姚云軍，魏香琴，等.植被覆蓋度遙感估算研究進展［J］.地球科學進展，2013，28（7）：774-782.

［5］單麗艷，贠旭疆，董永平，等.退牧還草工程項目遙感分析與效益評價——以四川省阿壩縣為例［J］.遙感技術與應用，2008，23（2）：173-177.

（編輯：高真貞）

S812.6

B

1006-799X（2016）11-0092-02

王炳煜（1984-），男，甘肅民樂人，畜牧師，主要從事天然草原監測與評價工作。