基于均方差權(quán)值法對不同培育措施高寒草甸的現(xiàn)狀評價

董云龍，胡新振，陳建綱，邵新慶，張德罡

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.中國農(nóng)業(yè)大學 動物科技學院，北京 100083)

基于均方差權(quán)值法對不同培育措施高寒草甸的現(xiàn)狀評價

董云龍1，胡新振1，陳建綱1，邵新慶2，張德罡1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.中國農(nóng)業(yè)大學 動物科技學院，北京 100083)

在天然草地健康評價中各項指標的權(quán)重大小對評價結(jié)果有著直接而重要的影響。為探討青藏高原東緣高寒草地健康狀況的合理評價模型，通過均方差權(quán)值法對甘南?？撇菰煌嘤胧└吆莸氐闹参锶郝渖w度、優(yōu)勢層高度、干草產(chǎn)量和植物根層土壤有機質(zhì)進行客觀賦值綜合評價。結(jié)果表明：1.各種培育措施對高寒草地植物群落結(jié)構(gòu)和特征均有不同程度的影響；2.施肥處理草地健康狀況最好，而放牧干擾草地的最差；3.均方差權(quán)值法對草地植物蓋度和植物群落優(yōu)勢層高度、干草產(chǎn)量及植物根層土壤有機質(zhì)含量客觀賦值可以用于甘南?？撇菰莸亟】翟u價。

均方差權(quán)值法；高寒草甸；草地健康評價；培育措施

天然草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，是全球分布面積最大的植被類型之一[1]。我國草地面積為4億hm2，占國土面積的41.7%，占全球草地面積的13.1%[2]。草地生態(tài)系統(tǒng)為人類提供了凈初級生產(chǎn)，有氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤改良、水土保持，固沙和碳循環(huán)調(diào)節(jié)功能，維持生態(tài)系統(tǒng)的多樣性的生態(tài)服務功能[3]。我國的天然草地不僅是畜牧業(yè)的生產(chǎn)基地，而且還是維持草原文化傳承的根本和保護全球生態(tài)安全的屏障。

近年來，國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展迅速，人們對環(huán)境保護的意識逐漸增強，科學合理地利用環(huán)境資源，并采取一系列措施，恢復受人類干擾破壞的生態(tài)環(huán)境。對天然草地生態(tài)發(fā)展現(xiàn)狀日益重視，草地生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展和草畜平衡關(guān)系，已經(jīng)成為近年的研究焦點[4]，退牧還草、輪牧休牧、禁牧、草場承包制等諸多有效措施，目的是使草地既能滿足人類物質(zhì)需求又能使天然草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定健康可持續(xù)地發(fā)展，在生態(tài)環(huán)境脆弱的青藏高原草地上顯得尤為重要。

目前，在天然草地評價中，國內(nèi)采用VOR和CVOR綜合指標的較多[5-7]，利用草地基礎(chǔ)狀況、活力、組織力和恢復力等指標[8]，對草地的健康狀況進行評價。但是該方法數(shù)據(jù)處理復雜，并且各項指標的權(quán)重系數(shù)不易確定。

通過對甘南桑科草原牧草生長季的蓋度、高度、地上生物量和根層土壤有機質(zhì)的測定，根據(jù)均方差權(quán)值法[9]評價草地狀況。均方差權(quán)值法常用于城鎮(zhèn)化水平和集約度的評價[9-12]，有文章將其變形方法用于天然草地ETM+影像的草地地面指標退化評價[13]。通過對相關(guān)的指標進行計算處理，客觀賦以權(quán)重[9]。筆者嘗試利用均方差權(quán)值法和草地基本特征的結(jié)合對甘南桑科草原不同培育措施草地進行評價。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省夏河縣?？凄l(xiāng)，草地類型為高寒草甸，優(yōu)勢植物為垂穗披堿草(Elymusnutans)、柴胡(Bupleurumchinense)、紫花針茅(Gramineae)等，平均海拔3 050 m，年均氣溫2.6℃ ，年降水量516 mm，年日照2 296 h，≥0℃ 的積溫1 214～2 477 ℃ ，≥10℃的積溫215～1 636℃。全年無霜期88 d[14]。氣候?qū)俸錆駶欘愋蚚15]，大陸性高原氣候特點比較明顯。

研究區(qū)域為河漫灘地帶，南北均有東西走向山脈。試驗草地土壤類型為亞高山草甸土[16]，土層深度35～50 cm，部分區(qū)域土層厚度達100 cm。土壤pH 7.8，有機質(zhì)1.81%，全氮0.24%，全磷0.084%，全鹽0.22%，速效氮185.00 mg/kg，速效磷46.37 mg/kg，速效鉀245.60 mg/kg[17]。

1.2 研究方法

根據(jù)試驗需求，設(shè)置樣地S1、S2、S3、S4和S5共5個樣地(圖1)，樣地處理前草地狀況相近，可忽略樣地間的差異。其中，S1為劃破草皮+補播草地，S2為放牧草地(平均7.4羊單位/hm2)，S3為對照CK，S4為滅鼠丘+補播草地，S5為施尿素150 kg/hm2草地。

圖1 試驗樣地分布圖Fig.1 Distribution map of experimental plots

由于受天然草地植物群落組成復雜、均勻度較差等因素干擾，為了能夠準確反映各種培育措施對草地植物群落結(jié)構(gòu)及土壤基本狀況的影響，通過對不同培育措施草地進行定點監(jiān)測，以便獲取較為準確的數(shù)據(jù)。表1為試驗地內(nèi)5個樣地的位置信息。

草地植物群落野外調(diào)查指標為生長季草地蓋度、草地植被優(yōu)勢層高度和地上生物量，其中蓋度采用百格針刺法，估測總蓋度；高度直接測定樣方附近優(yōu)勢層植物的高度，計算平均高度；地上生物量采用干重，測定時間為2012年8月和2013年8月，統(tǒng)計數(shù)據(jù)時取2年平均值。

在每個樣地測定生物量的樣方內(nèi)，隨機用土鉆取0～20 cm、20～40 cm土壤，同深度土壤混合，用“四分法”分取所需土樣，帶回實驗室，風干，去除較大石塊和牛羊糞便，研磨過篩，采用重鉻酸鉀外加熱容量法[18]測定土壤有機質(zhì)含量。

表1 試驗地定點監(jiān)測位置信息Table1 The coordinates of experimental plots

2 評價模型的構(gòu)建

2.1 評價指標的處理

鑒于草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況影響因素參評指標的多面性，為了在不同指標之間進行綜合比較，需對選定的指標進行標準化處理。指標i的值Xj對草地健康狀況的功效Cij為：

(1)

式(1)中：Xmin和Xmax分別表示指標值中的最小值和最大值。Cij是對草地狀況評價中第i個單指標的歸一化處理結(jié)果，數(shù)值范圍為[0,1][9]。

2.2 評價指標權(quán)重的確定

草地健康狀況評價是一個多因素綜合評價的過程。需要根據(jù)評價草地的特征分析評價指標體系中各因素的重要程度，確定各指標的權(quán)重。為了避免人為因素的形象，使指標權(quán)重確定更加具有科學性，故采用客觀賦值法中的均方差來確定指標權(quán)重[9]。計算步驟如下：

(2)

(3)

(4)

式(2)(3)(4)中：Cij為標準化后某項指標的值；pj為隨機變量均值；Qj為隨機變量均方差；wj為計算指標的權(quán)重系數(shù)[9,11]。

2.3 草地健康狀況的測算

根據(jù)選定的指標和確定各項評價指標的權(quán)重，在求出功效函數(shù)值的基礎(chǔ)上，將各指標加權(quán)求和，得出草地健康狀況的綜合評價指標，具體計算公式如下：

(5)

式(5)：Y為草地綜合評價指標，數(shù)值范圍為[0,1][9,11]。Y值越大，草地植被長勢越好，表示該草地退化程度越低；反之，表示草地退化程度嚴重。

3 結(jié)果與分析

3.1 草地植被群落特征及其權(quán)重

目前，在天然草地評價中，國內(nèi)采用CVOR綜合指標的較多[5,7]，但是該方法并未對4種指標客觀地賦加權(quán)重，為了能夠更加合理客觀地比較草地健康狀況，對各項評價指標進行客觀賦加權(quán)重以后再進行綜合評價很有必要。

根據(jù)對甘南?？撇菰烊徊莸卣{(diào)查，8月基本特征數(shù)據(jù)和對其處理后的權(quán)重見表2。

表2 ?？撇菰煌嘤胧┎莸厝郝涮卣骷案髦笜藱?quán)重Table2 The community characteristics and its index weight decisions of different management on alpine meadow of Sangkok

注：同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

不同培育措施草地之間植被群落蓋度以S5最大，與其他處理均差異顯著(P<0.05)，S1劃破草皮補播草地和S2放牧草地植被群落蓋度均顯著低于對照草地S3，S4滅鼠丘+補播草地和S5施肥草地植被群落蓋度均顯著高于S3；S4和S5草地經(jīng)過培育措施處理，群落優(yōu)勢層高度顯著高于S3，S2顯著低于S3，S1和S3差異不顯著(P<0.05)；S2、S4、S5的干草產(chǎn)量與S3差異顯著(P<0.05)；S1、S4、S5草地根層土壤有機質(zhì)含量差異顯著，S2和S5差異顯著(P<0.05)。

3.2 模型對草地的評價

根據(jù)公式(1)，(4)及(5)和表2中各項指標的權(quán)重對甘南草地健康評價計算結(jié)果表明(圖2)。S4滅鼠丘+補播措施和S5施肥措施對甘南?？撇菰烊徊莸亟】祷謴途哂写龠M作用，且S5達到評價指標的上限閾值1；S1劃破草皮補播評價指數(shù)低于S3，放牧干擾草地S2評價指數(shù)極低，接近該模型評價指數(shù)的下線閾值0。甘南?？铺烊徊莸貙5施加氮肥和S2放牧干擾措施的響應最為強烈。

圖2 均方差權(quán)值法對甘南?？撇煌嘤胧┎莸卦u價結(jié)果Fig.2 The effect of evaluating on alpine meadow under different management by MSD weight decision

4 討論與結(jié)論

不同培育措施對高寒草地的植物群落結(jié)構(gòu)和初級生產(chǎn)力等有很明顯的影響。通過對甘南?？撇菰烊徊莸貙嵤﹦澠撇萜?補播、放牧干擾、滅鼠丘+補播、施肥等常見草原培育措施的處理，草地對各處理間的響應各不相同。

草地高度是直接影響草地生產(chǎn)能力的指標，表示植物在垂直方向上利用空間的程度。群落中各屬種植物占據(jù)著不同的垂直空間，并以其莖葉和根系在空間排列不同高度和在土壤分布在不同深度，據(jù)此可以在群落中劃分層次。群落的高度反映了植物分布生境對其生長的有利程度，也反映著群落初級生產(chǎn)力強弱。群落中植物的地上生物量是研究群落生產(chǎn)力的首要指標。由于草地中各屬種植物對不同培育措施條件的響應效果不同，導致各培育措施下草地的生產(chǎn)力有差異。土壤有機質(zhì)是土壤中氮、磷及其他營養(yǎng)元素的主要來源，植物根層土壤中有機質(zhì)的含量與草地植物的生長狀況息息相關(guān)。

劃破草皮補播和放牧干擾對草地植被蓋度具有抑制作用，其重要原因是劃破草皮使部分草皮破壞土壤裸露；高強度的放牧干擾導致家畜過度采食牧草，加之高寒草原天然草地植物再生能力相對較弱等因素，從而引起植物群落蓋度、生物量等指標下降。滅鼠丘+補播和施肥管理草地的植物蓋度和地上干草產(chǎn)量顯著高于對照草地S3(P<0.05)，說明鼠丘在高寒草地是嚴重影響草地植被蓋度的因素之一，鼠丘土壤填復后一年生植物或繁殖能力較強的多年生植物一般會迅速進入土壤定居，能夠有效地改善高寒草地覆蓋度；施加氮肥后草地蓋度和產(chǎn)量顯著高于其他草地，說明在甘南桑科草原草地土壤中N素含量是制約草地初級生產(chǎn)力。S2和S3草地植物根層土壤有機質(zhì)含量低于其他草地，放牧干擾使草地枯落物減少、地表溫度高使有機質(zhì)分解加快的原因?qū)е拢皇笄鹜寥来蟛糠謥碜杂诟鶎油寥酪韵?，該部分土壤有機質(zhì)含量極低。

利用均方差權(quán)值法用草地植被蓋度(%)、群落優(yōu)勢層高度(cm)、地上干草產(chǎn)量(kg/hm2)及植物根層土壤有機質(zhì)含量(g/kg)4個指標對草地健康狀況進行評價尚無標準參考，但根據(jù)李輝霞等[3]用累計方差、各變量因子中的載荷(貢獻率)及變量的公共部分方差用植株高度、植被蓋度和生物量3個指標，對西藏那曲地區(qū)天然草地退化研究中提出的等級標準，在高寒草原退化等級中將草地退化程度分為4級[13]：無明顯退化(>0.86)、輕度退化(0.54～0.86)、中度退化(0.26～0.54)、重度退化(≤0.26)。

通過對甘南?？撇菰煌嘤蓴_措施的天然草地進行健康評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：S5施肥草地為無明顯退化草地、S3對照草地和S4滅鼠丘+補播草地為輕度退化草地、S1劃破草皮+補播草地為輕度退化草地、S2放牧干擾草地為重度退化草地。用均方差權(quán)值法對草地植物群落蓋度、優(yōu)勢層高度、干草產(chǎn)量和植物根層土壤有機質(zhì)含量4項指標客觀賦以權(quán)重，評價草地健康狀況的方法比CVOR方法在數(shù)據(jù)處理上簡單易行，人為誤差減少，增強了不同區(qū)域草地之間草地健康狀況的可比性。

[1] 馮永忠，楊改河，王得祥，等.近40年來江河源區(qū)草地生態(tài)壓力動態(tài)分析[J].生態(tài)學報，2009,29(1):492-498.

[2] 中華人民共和國農(nóng)業(yè)部.2011年全國草原監(jiān)測報告[N].農(nóng)民日報,2012(10).

[3] 趙有益，龍瑞軍，林慧龍，等.草地生態(tài)系統(tǒng)安全及其評價研究[J].草業(yè)學報，2008,17(2):143-150.

[4] 任繼周.草地資源的屬性、結(jié)構(gòu)與健康評價[C]∥第四屆第二次年會暨學術(shù)討論會.廈門:1996.

[5] 侯扶江，于應文，傅華，等.阿拉善草地健康評價的CVOR指數(shù)[J].草業(yè)學報,2004,13(4):117-126.

[6] 侯扶江，李廣，常生華.放牧草地健康管理的生理指標[J].應用生態(tài)學報,2002(08):1049-1053.

[7] 王立新，劉鐘齡，劉華民，等.內(nèi)蒙古典型草原生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J].生態(tài)學報,2008(2):544-550.

[8] 周立業(yè)，郭德，劉秀梅，等.草地健康及其評價體系[J].草原與草坪,2004(4):17-20.

[9] 鄭華偉，王凱，張文秀.四川省耕地利用集約度評價及區(qū)域差異特征[J].國土資源科技管理,2009(4):22-26.

[10] 張淑敏，劉輝，任建蘭.山東省區(qū)域城鄉(xiāng)一體化的定量分析與研究[J].山東師范大學學報(自然科學版),2004,19(3):65-68.

[11] 王聰，朱喜鋼，王富喜.基于均方差權(quán)值法的山東省縣域城鎮(zhèn)化水平評價[J].山東師范大學學報(自然科學版),2009(4).

[12] 王鵬，況福民，鄧育武，等.區(qū)域城鎮(zhèn)化進程中土地生態(tài)安全研究—以湘潭市為例[J].湖南師范大學自然科學學報,2013(01):80-85.

[13] 李輝霞，劉淑珍.基于ETM+影像的草地退化評價模型研究—以西藏自治區(qū)那曲縣為例[J].中國沙漠，2007,27(3):412-418.

[14] 丁欣翠.甘南藏區(qū)旅游開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護—以夏河縣?？撇菰瓰槔齕J].絲綢之路，2013(2):109-110.

[15] 張生楹，陳谷，陳建綱，等.藏北高原高寒草地土壤有效養(yǎng)分含量研究[J].草原與草坪,2012(3):6-10.

[16] 焦婷，常根柱，周學輝，等.高寒草甸草場不同載畜量下土壤酶與土壤肥力的關(guān)系研究[J].草業(yè)學報,2009,18(6):98-104.

[17] 劉秀梅，張榕，豆衛(wèi)，等.紅豆草和紫花苜蓿在高寒牧區(qū)適應性研究[J].草原與草坪,2010,30(4):51-54.

[18] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1981:25-38.

[19] 蘆建國，杜毅.層次分析法在高速公路綴花草地評價中的應用[J].南京林業(yè)大學學報(自然科學版)，2010,34(3):161-164.

Assessment of different managements on alpine meadow based on mean-squared deviation weight decision

DONG Yun-long1,HU Xin-zhen1,CHEN Jian-gang1,SHAO Xin-qing2,ZHANG De-gang1

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China；2.CollegeofAnimalScienceandTechnology,ChinaAgriculturalUniversity)

In multi-indicator synthetic evaluation on rangeland health，the weight of various evaluation index directly influence the result.In order to investigate the reasonable evaluation model for alpine meadow health,the rangeland coverage(%),dominant canopy height(cm),dry matter yield(kg/ha)and soil organic matter content of root zone(g/kg)of alpine meadow under different management were used to evaluate the health status by mean square deviation weights method in eastern edge of Tibetan Plateau.The result indicated that,1) the structure and characteristics of vegetation community were influenced by different management to different degreed;2) the health index of fertilization treatment was the highest and the grazing treatment was the lowest;3) the mean square deviation weights method was suiTableto evaluate the health status of alpine meadow by properly calculating the weights of coverage,dominant canopy height,dry matter yield and organic matter content of root zone soil.

mean-squared deviation weights method;MSD;alpine meadow;rangeland health

2014-04-30；

2015-10-30

國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項“青藏高原社區(qū)畜牧業(yè)”子課題“夏河社區(qū)天然草地保護與合理利用技術(shù)研究與示范”(210203006)項目資助

董云龍(1987-)，男，甘肅寧縣人，碩士研究生。 E-mail：dong-yunlong@qq.com 張德罡為通訊作者。

S 812

A

1009-5500(2015)06-0046-05