基于3S技術(shù)的退牧還草工程實(shí)施生態(tài)效果監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)
——以瑪曲縣2005年工程區(qū)為例

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

基于3S技術(shù)的退牧還草工程實(shí)施生態(tài)效果監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)
——以瑪曲縣2005年工程區(qū)為例

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

以3S（GIS、RS、GPS）技術(shù)為主要手段，輔以地面樣方監(jiān)測(cè)，從時(shí)間和空間兩個(gè)方面，對(duì)瑪曲縣2005年退牧還草工程實(shí)施的生態(tài)效果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)工程區(qū)內(nèi)外、工程實(shí)施前后草原的鮮草產(chǎn)量、蓋度的監(jiān)測(cè)比較分析，對(duì)工程區(qū)內(nèi)外高度、可食比例等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)比較分析，可看出退牧還草工程的實(shí)施，減輕了草原放牧壓力，工程區(qū)草原植被平均蓋度、高度、鮮草產(chǎn)量和可食比例與工程區(qū)外相比均有提高，工程實(shí)施后草原植被平均蓋度、鮮草產(chǎn)量均比項(xiàng)目實(shí)施前有所提高。

3S技術(shù)；NDVI；退牧還草工程；生態(tài)效果評(píng)價(jià)

2003年起，國(guó)家在甘肅實(shí)施退牧還草工程，退牧還草工程的主要建設(shè)內(nèi)容包括圍欄建設(shè)和退化草原補(bǔ)播，在草原牧區(qū)建設(shè)圍欄實(shí)施禁牧和休牧。退牧還草工程以恢復(fù)草原植被，改善草原環(huán)境為目標(biāo)，把生態(tài)保護(hù)與草原建設(shè)密切結(jié)合起來(lái)，建立起動(dòng)態(tài)平衡草地畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，優(yōu)化草地生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)草地生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，使匱乏的草地資源得到充分合理利用的同時(shí)，做到持續(xù)平衡、永續(xù)利用［1，2］。本文就是以瑪曲縣2005年工程區(qū)為例，以3S（地理信息系統(tǒng)GIS、遙感技術(shù)RS、全球定位系統(tǒng)GPS）技術(shù)為主要手段，輔以地面樣方監(jiān)測(cè)，對(duì)退牧還草工程實(shí)施的生態(tài)效果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)

瑪曲縣2005年度退牧還草工程在木西合鄉(xiāng)、歐拉秀瑪鄉(xiāng)、采日瑪鄉(xiāng)、歐拉鄉(xiāng)、阿萬(wàn)倉(cāng)鄉(xiāng)、曼日瑪鄉(xiāng)、齊哈瑪鄉(xiāng)等7個(gè)鄉(xiāng)實(shí)施。圍欄禁牧2萬(wàn)hm2，圍欄季節(jié)性休牧7萬(wàn)hm2。草地類(lèi)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(shù)據(jù)

1.2.1工程方案及作業(yè)設(shè)計(jì)圖從退牧還草工程實(shí)施方案和項(xiàng)目竣工報(bào)告獲得工程實(shí)施范圍、面積、涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)等信息，收集專(zhuān)業(yè)的作業(yè)設(shè)計(jì)圖、竣工圖?，斍h行政邊界矢量數(shù)據(jù)。

1.2.2地面樣地樣方數(shù)據(jù)在草原生長(zhǎng)盛期（七八月），對(duì)工程實(shí)施區(qū)草地，采用地面樣方監(jiān)測(cè)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(lèi)型、所屬工程區(qū)內(nèi)外、工程類(lèi)型、工程年份、地形、土壤、等情況，獲取樣方經(jīng)緯度、海拔、總蓋度、草群平均高度、樣方內(nèi)各植物種的鮮重等數(shù)據(jù)。拍攝樣地景觀照和樣方俯視照。在2015年7月15日進(jìn)行地面監(jiān)測(cè)。

布設(shè)地面調(diào)查樣地30個(gè)，其中工程區(qū)內(nèi)、外樣地?cái)?shù)量各15個(gè)。調(diào)查樣地涵蓋禁牧、休牧的草原類(lèi)型，2個(gè)樣地之間距離在1 km以上。設(shè)置工程區(qū)外對(duì)比樣地時(shí)，選擇與工程區(qū)內(nèi)樣地草原類(lèi)型一致的鄰近區(qū)域。

1.2.3遙感數(shù)據(jù)從美國(guó)航空航天局（NASA）的網(wǎng)站（htt p：//ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html）免費(fèi)下載MODIS數(shù)據(jù)。本研究下載2003、2015年第225天開(kāi)始16 d合成的h26v5景的MOD13Q1影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其空間分辨率為250 m。對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行提取NDVI、投影轉(zhuǎn)換、掩膜等處理，生成瑪曲縣NDVI圖。

1.3評(píng)價(jià)方法

1.3.1工程區(qū)分布圖矢量化將紙質(zhì)竣工圖掃描為T(mén)IFF圖，分辨率在200dpi以上。在ArcGIS中，對(duì)TIFF圖進(jìn)行幾何糾正和投影轉(zhuǎn)換，以此為底圖分別勾繪出禁牧、休牧工程區(qū)斑塊，生成的工程區(qū)shape文件，并標(biāo)明工程類(lèi)型屬性。在ERDAS中，將禁牧、休牧工程區(qū)shape文件轉(zhuǎn)換為AOI。沿工程區(qū)邊界外側(cè)，均勻繪點(diǎn)，生成工程區(qū)外點(diǎn)shape文件。

1.3.2地面樣地樣方監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理將地面樣地樣方監(jiān)測(cè)紙質(zhì)表的數(shù)據(jù)輸入Excel表格，每張表輸入為一行，統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣方的可食牧草的鮮重、樣方總鮮重，計(jì)算樣方可食比。計(jì)算2015年禁牧、休牧區(qū)內(nèi)外的草群高度、可食比的算數(shù)平均數(shù)，填入表1中高度、可食比的值。

在ArcGIS中，將含有經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的樣方Excel表格轉(zhuǎn)換為樣方shape點(diǎn)文件，樣方shape點(diǎn)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(shí)施縣產(chǎn)量、蓋度分布圖生成在ArcGIS中，用樣方shape點(diǎn)文件從瑪曲縣2015年NDVI圖上提取對(duì)應(yīng)的NDVI值，用一一對(duì)應(yīng)的樣方產(chǎn)量值和NDVI值建立模型，即為產(chǎn)量模型［3］。本例模型為：y= 171.6e0.0004x（R2=0.59）。y是產(chǎn)草量，x是NDVI值。

運(yùn)用像元二分模型計(jì)算蓋度［4］，y=（NDVI-NDVI最?。?（NDVI最大-NDVI最小）。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(guò)Model Maker模塊，用產(chǎn)量模型、蓋度模型對(duì)2003、2015年NDVI圖分別進(jìn)行反演計(jì)算，生成2003、2015年瑪曲縣產(chǎn)量、蓋度分布圖4張圖。

1.3.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析在ERDAS中，運(yùn)用工程區(qū)AOI，分別從2003、2015年瑪曲縣產(chǎn)量、蓋度分布圖裁切出禁牧、休牧工程區(qū)的相應(yīng)的圖，并讀取禁牧、休牧工程區(qū)產(chǎn)量、蓋度值；在ArcGIS中，用工程區(qū)外點(diǎn)shape文件，分別從2015年瑪曲縣產(chǎn)量、蓋度分布圖提取工程區(qū)外點(diǎn)的產(chǎn)量、蓋度值，計(jì)算平均數(shù)。得出表1中蓋度、產(chǎn)量的值。

1.3.5專(zhuān)題圖生成在ArcGIS中，生成帶有指南針、比例尺、經(jīng)緯度網(wǎng)格的2003、2015年瑪曲縣產(chǎn)量、蓋度分布圖、以TM為地圖的工程區(qū)分布圖。

圖1　退牧還草工程實(shí)施生態(tài)效果評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)分析流程

表1　退牧還草工程實(shí)施生態(tài)效果評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)分析結(jié)果匯總表

2　結(jié)果與分析

2.1工程實(shí)施前后植被變化情況

2015年禁牧區(qū)草原植被平均蓋度80%，平均鮮草產(chǎn)量5832.5kg/hm2，分別比2005年提高了3個(gè)百分點(diǎn)和2.7%；休牧區(qū)草原植被平均蓋度87%，平均鮮草產(chǎn)量7136.2kg/hm2，分別比2005年提高2個(gè)百分點(diǎn)和1.5%。

2.2工程區(qū)內(nèi)外植被變化情況

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

3　討論

通過(guò)對(duì)工程區(qū)內(nèi)外、工程實(shí)施前后草原的鮮草產(chǎn)量、蓋度的監(jiān)測(cè)比較分析，對(duì)工程區(qū)內(nèi)外高度、可食比例等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)比較分析，從時(shí)間和空間上對(duì)退牧還草工程實(shí)施生態(tài)效果進(jìn)行了監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，可看出退牧還草工程的實(shí)施，減輕了草原放牧壓力，工程區(qū)草原植被平均蓋度、高度、鮮草產(chǎn)量和可食比例與工程區(qū)外相比均有提高，工程實(shí)施后草原植被平均蓋度、鮮草產(chǎn)量均比項(xiàng)目實(shí)施前有所提高。

常規(guī)的地面監(jiān)測(cè)只能做到點(diǎn)上的監(jiān)測(cè)，不能夠代表整個(gè)面上的趨勢(shì)，而3S技術(shù)的應(yīng)用，完成了由點(diǎn)至面的評(píng)價(jià)，同時(shí)，遙感影像彌補(bǔ)了時(shí)間序列上草原數(shù)據(jù)的缺失，能夠?qū)崿F(xiàn)工程實(shí)施前后的比較，直觀反映工程實(shí)施效果。

遙感影像需要與地面點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)合分析［5］，因此，常年的地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)積累也是很有必要的。本試驗(yàn)中未工程實(shí)施前后高度、牧草可食比例的數(shù)據(jù)比較，是由于在工程實(shí)施前沒(méi)有對(duì)該區(qū)進(jìn)行過(guò)草原監(jiān)測(cè)，為了避免工程評(píng)價(jià)等其他草原評(píng)價(jià)工作缺少歷史數(shù)據(jù)的問(wèn)題，就需要各級(jí)草原技術(shù)推廣部門(mén)未雨綢繆，具有大局意識(shí)，做好地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布局與日常監(jiān)測(cè)工作。

［1］趙成章，賈亮紅.退牧還草工程綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及實(shí)證研究［J］.中國(guó)草地學(xué)報(bào)，2008，30（4）：83-87.

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

［3］王立耕，豆衛(wèi)，王炳煜，等.基于MODIS的河西走廊高平原荒漠草原區(qū)生產(chǎn)力遙感模型研究［J］.中國(guó)草食動(dòng)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(jìn)展［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2013，28（7）：774-782.

［5］單麗艷，贠旭疆，董永平，等.退牧還草工程項(xiàng)目遙感分析與效益評(píng)價(jià)——以四川省阿壩縣為例［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)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(lè)人，畜牧師，主要從事天然草原監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作。