论文部分内容阅读
退耕还林工程是国家实施的六大重点林业生态工程之一,从1999年试点开始到现在已历时10年,究竟退耕区域在生态方面发生了何种变化,运用何种方法和手段厘定退耕还林对区域带来的变化影响,如何评价退耕还林工程产生的生态效益,以及工程在生态乃至经济层面的可持续性又是怎样等,是学术界面临的迫切需要解决的重要课题之一。本文以最早开展退耕还林试点的典型黄土高原-陕北地区为案例研究区,选取适合该地区土地利用/覆被及植被变化动态监测的MODIS遥感数据,结合GIS手段和多元分析方法,进行退耕后的土地利用/覆被分类；通过分析退耕前后的土地利用/覆被变化,反映退耕还林工程实施效果；通过揭示植被净初级生产力(NPP)的变化,实现对该地区退耕前后植被动态变化的监测；同时借助生态服务功能价值评价方法,将退耕前后NPP价值化,以使退耕还林的植被恢复效益直观和清晰化,最终评价得出陕北地区退耕还林的植被恢复总体生态效益。论文研究结果和科学结论主要有如下方面:
1)选取目前大尺度植被检测常用的3种遥感数据(GIMMS、SPOT-VGT和MODIS),以陕北地区为例,探讨三者的空间和时间变化差异,得出MODIS与SPOT-VGT、GIMMS相比,因传感器对植被变化的敏感度提高,NDVI值的动态范围明显大于GIMMS/NDVI和SPOT-VGT/NDVI,故更适应于检测植被类型多样的陕北地区植被季节变化及年际变化。同时由于MODIS遥感数据空间分辨率为250 m,明显高于SPOT-VGT/NDVI和GIMMS/NDVI,在地物监测及土地利用/覆被分类方面具有较好的优势,更适用于在地表破碎度较高的陕北地区进行土地利用/覆被分类及地物监测。
2)通过对研究区不同土地利用/覆被类型分布特征的实地深入调查,结合前人相关研究成果,研究构建了适合陕北地区的土地利用/覆被分类系统；在此基础上以2008年MODIS/NDVI作为主要数据源,辅以高分辨率DEM和陆面温度LST数据,采用决策树分类方法与局地先验知识相结合,对陕北地区退耕后土地利用/覆被进行分类。同时利用混淆矩阵方法,选取地面调查数据和Google Earth高分辨率遥感影像数据对分类结果进行精度评价,并与他人已有的2008年MCD12Q1分类结果进行比较。结果表明,本研究的分类结果精度明显高于MCD12Q1分类结果,完全可满足陕北地区土地利用/覆被变化分析的要求。
3)以1986、1995、2000年1:100,000土地利用类型图和本文分类结果为基础数据,分析陕北地区退耕还林对土地利用/覆被变化的影响。对比退耕前后土地数量变化和土地转移矩阵,可以看出陕北地区退耕前各土地利用/覆被类型虽有转入转出,但数量变化幅度均很小,其中低覆盖草地和沙地是退耕前土地转移的主要类型；然而经过近10年的退耕还林生态工程建设,陕北地区2000—2008年不同土地利用/覆被类型面积发生明显变化,各类型间相互转移量也大增。旱地是发生土地利用转移较剧烈的土地利用/覆被类型,减少面积为18070.4 km2(年均减少率7.59％)；其中60.89％转为中覆盖草地,面积占整个陕北地区总面积的21.78％；仅有19.70％的旱地未发生变化,这些均与旱地是陕北地区退耕的重点区域事实相符。随着退耕还林工程的实施,各土地利用/覆被类型均有向植被恢复方向发展的趋势,2008年陕北地区林草面积超过整体面积的80％,以往的植被退化情况得到明显改善。
4)通过考察NPP的变化动态监测陕北地区的植被变化,得出该地区的NPP从2000年到2007年间总体呈较明显增长趋势,不同土地利用/覆被类型NPP变化不尽相同。其中疏林、高覆盖草地NPP上升幅度较快,得益于封山育林措施使植被得到较好恢复；有林地因退耕前植被覆盖已处于较高状态,因此其NPP增长速率低于疏林和高覆盖草地；原先的(坡耕)旱地经过退耕还林(草)转变为(灌木)林地和/或草地,因而其上的NPP显著增加:水浇地NPP增长速度最快,究其因为,在于其作为陕北地区退耕之后的基本农田保护区主体,由传统的粗放经营模式向集约化种植模式转变,单位面积投入的增加导致作物产量的增加和NPP的快速增长:中覆盖草地和低覆盖草地多分布在陕北北部,受所在区域降雨稀少限制,植被恢复速度相对缓慢,因而NPP的增加速度较低。
5)陕北地区植被NPP的年内季节变化与陕北地区雨热同季的总体气候特征相吻,表明气候因素是影响陕北地区NPP年内季节变化的主要因素。然而通过2000—2007年间陕北地区NPP平均值与气温和降水之间的相关分析,表明陕北地区的降水和气温在此期间均无明显变化,NPP与气温和降水之间虽呈正相关关系,但均未达到显著相关水平,因此可以初步判断气候因素虽影响到NPP的年际变化,但却不是造成NPP在此期间显著上升的主要因为；与此同时,通过分析人口增长、行业平均工资和退耕还林对NPP变化的影响,得出耕地面积的减少和人口的持续增长加剧了陕北地区耕地的供需矛盾,从而对陕北地区NPP的增长有明显的抑制作用；第二、三产业工资增加幅度明显高于第一产业,促使农村剩余劳动力向其他行业转移,从而保障了退耕还林政策执行力度；退耕还林一方面通过生态补偿措施,克服了人口增长对陕北地区植被恢复的负面影响,另一方面通过退耕还林(草)、荒山造林和封山育林等多种模式,促进了陕北地区林草面积的增加。退耕还林面积与NPP增加呈极显著相关关系,表明退耕还林是促进陕北地区NPP增加的主要因素。
6)陕北地区2000—2007年间植被恢复的价值增加幅度平均为30.839×108元·a-1,整体累计植被恢复效益为1425.07×108元,与陕北地区2007年国民生产总值1387.13×108元水平相当。从整体植被恢复效益的分布格局状况看,恢复效益较好的区域主要分布在陕北中部的典型黄土丘陵沟壑区和水分条件较好的南部土石山地区域,而陕北北部的大部分市与县,因受水分条件限制,单位面积植被恢复价值相对偏低。通过从不同坡度和不同恢复模式两个侧面考察和厘定退耕还林所带来的植被恢复效益,结果表明:陕北退耕还林工程实施的主要区域(坡度为15-45°)单位面积植被恢复效益都明显高于陕北整体平均值,其中坡度为25—35°的区域作为退耕还林的重点区域,其植被恢复效益为159.79×108元,单位面积植被恢复效益最高,为216.36×104元·km-2。不同退耕模式中退耕还林单位面积植被恢复效益最高,为278.11×104元·km-2,达陕北地区单位面积平均植被恢复效益的1.64倍；退耕还草模式面积占陕北地区总面积的24.15％,其取得的效益值最大,达470.48×108元；封山育林、退耕还林和退耕还草三者作为退耕还林生态建设工程的主要模式,其单位面积植被恢复效益都明显高出整体平均植被恢复效益,说明退耕还林工程取得了明显的植被恢复效益。
7)通过分析退耕前后国民生产总值和单位面积粮食产量两个重要指标的变化,得出退耕还林不仅没有影响到陕北地区第一产业GDP的增长,反而促进了陕北地区第二产业和第三产业的发展；退耕还林主要区域虽然粮食播种面积连年有所减少,但粮食作物单产水平却有明显增加,粮食总量略有小幅上升。退耕还林不仅没有影响到陕北地区整体的农业生产,反而促进了陕北地区产业结构的优化发展,由此可以得出,退耕还林工程的开展在取得巨大生态效益的同时,也为陕北地区带来了良好的社会经济效益。