VOR、CVOR指數(shù)在寧夏干旱風(fēng)沙區(qū)荒漠草原健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用
——以鹽池縣為例

俞鴻千， *， ， ,

(1. 寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所， 寧夏 銀川750001； 2.寧夏防沙治沙與水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 寧夏 銀川 750001； 3. 萊布尼茨大學(xué), 漢諾威 德國(guó)30167)

草地是我國(guó)面積最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，不僅肩負(fù)著國(guó)家綠色生態(tài)屏障的作用，還是我國(guó)放牧性草地畜牧業(yè)的主體，我國(guó)共有草地面積392萬(wàn)km2，占國(guó)土面積的41.7%[1]。目前，國(guó)內(nèi)草地生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)多集中于放牧草地[2-3]、高寒草地等[4]，研究多側(cè)重于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估[5-6]、土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)[7]、群落結(jié)構(gòu)及多樣性和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[8-9]、土壤微生物變化等領(lǐng)域，而對(duì)荒漠草原的健康狀況綜合評(píng)價(jià)的研究較少。

寧夏是我國(guó)主要牧業(yè)省區(qū)之一，也是我國(guó)北方長(zhǎng)城沿線(xiàn)干旱風(fēng)沙區(qū)和農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的重要組成部分。干旱風(fēng)沙區(qū)荒漠草原占寧夏草原面積的59.06%，是寧夏草地畜牧業(yè)的主要載體。上世紀(jì)80年代以來(lái)，因過(guò)度放牧、草原開(kāi)墾等原因，寧夏草地面積和質(zhì)量大幅度下降，以荒漠草原典型縣鹽池縣為例，1985年荒漠草原面積37.97萬(wàn)hm2、占鹽池縣土地面積的45.34%，2000年降至34.63萬(wàn)hm2，占鹽池縣土地面積的41.34%。2003年以國(guó)家退耕還林、退牧還草政策為契機(jī)，寧夏實(shí)施了全省域禁牧，草地面積和質(zhì)量得到了一定程度的恢復(fù)，但當(dāng)前草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況尚不明確。

VOR綜合指數(shù)模型是基于活力(vigor, V)、組織力(organization, O)和恢復(fù)力(resilience, R)構(gòu)建，用來(lái)評(píng)價(jià)草地生態(tài)系統(tǒng)健康情況的綜合指數(shù)[10]?；盍χ覆莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)從太陽(yáng)能獲取能量，轉(zhuǎn)化為物質(zhì)生產(chǎn)與能量的流通速率，主要表現(xiàn)在草地凈初級(jí)生產(chǎn)力等方面[11]；組織力指草地生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)功能優(yōu)化的能力，主要表現(xiàn)在植物群落結(jié)構(gòu)方面[12]；恢復(fù)力指生態(tài)系統(tǒng)維持自身結(jié)構(gòu)、功能和行為穩(wěn)定的能力，也可表現(xiàn)為草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)極端天氣、突發(fā)蟲(chóng)害等干擾的抵抗力[13]。然而，VOR綜合指數(shù)只考慮到草地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植物層的情況，土壤作為草地物質(zhì)和能量交換的物質(zhì)基礎(chǔ)與發(fā)生地，未被納入到健康評(píng)價(jià)中。2000年，任繼周等[11]以草業(yè)系統(tǒng)界面論為依據(jù)，將草地基況(condition, C)納入到VOR綜合評(píng)價(jià)指數(shù)中，提出生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)CVOR的概念，從物流和能流角度，更全面的評(píng)價(jià)草地健康狀況[15-16]。

綜上所述，本研究通過(guò)調(diào)查鹽池縣荒漠草原植物群落的蓋度、高度、密度、頻度、生物量與土壤有機(jī)質(zhì)含量等，計(jì)算植物群落多樣性、優(yōu)勢(shì)度、豐富度和均勻度，揭示天然草地植物群落現(xiàn)狀，并利用VOR和CVOR綜合指數(shù)對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行準(zhǔn)確定量的評(píng)價(jià)，以期對(duì)鹽池縣退化草地恢復(fù)和治理提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鹽池縣位于陜甘寧蒙四省(區(qū))交界處，地理坐標(biāo)106°30′～107°46′E，37°4′～38°10′N(xiāo)，地貌由南向北呈現(xiàn)為南部黃土丘陵?yáng)|北緣、中北部鄂爾多斯緩坡，屬典型中溫帶大陸性氣候，地帶性植被為溫性荒漠草原。年均溫7.7℃，年均降水量295.1 mm，7—9月占全年降水的62%，年蒸發(fā)量2 026.1 mm，無(wú)霜期128天。土壤以灰鈣土、風(fēng)沙土為主。草地植物科屬組成有禾本科46種，占13.90%；菊科39種，占11.80%；豆科36種，占10.90%；藜科24種，占7.30%。以上4科145種植物占總數(shù)的43.8%。全縣共有天然草場(chǎng)835.40萬(wàn)畝，占全縣土地總面積的64.30%[17]。

1.2 研究方法

1.2.1監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置及試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集 根據(jù)寧夏回族自治區(qū)草原站80年代對(duì)全區(qū)草地資源普查的數(shù)據(jù)，鹽池縣地處中部草原區(qū)過(guò)渡帶且植物群落變化性強(qiáng)，北部草地沙生植物多、中部草地旱生植物多、南部草地中旱生植物多，優(yōu)勢(shì)種主要為甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)、黑沙蒿(ArtemisiaordosicaKrasch.)、長(zhǎng)芒草(StipabungeanaTrin.)、冰草(AgropyroncristatumL.Gaertn)、老瓜頭(CynanchumkomaroviiAl. Iljinski)、苦豆子(SophoraalopecuroidesL.)、白草(PennisetumcentrasiaticumTzvel.)、刺葉柄棘豆(OxytropisaciphyllaLedeb.)、檸條錦雞兒(CaraganakorshinskiiKom.)。依據(jù)不同的優(yōu)勢(shì)種在鹽池縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)設(shè)置9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(表1)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的樣方(灌木樣方10 m×10 m)，各樣方距離50米以上，2016—2017年8月進(jìn)行集中調(diào)查。對(duì)各樣方內(nèi)植物分種測(cè)量蓋度(針刺法)、密度、高度、頻度(樣圓法)和地上生物量(干重)。土壤樣品采用環(huán)刀法，每個(gè)樣方分層取0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土壤樣品，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)3個(gè)樣方的混合樣測(cè)量土壤有機(jī)質(zhì)含量。

1.2.2物種多樣性計(jì)算 物種的多樣性測(cè)定選用物種多樣性指數(shù)(Patrick index，S)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Simpson index，D)、豐富度指數(shù)(Shannon-Wiener index，H’)和均勻度指數(shù)(Alatalo index，Ea)[18-19]。

多樣性指數(shù)S記為監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)的物種數(shù)。

豐富度指數(shù)H’的計(jì)算公式為：H’= -∑PilnPi

式中Pi=Ni/N，Ni為植物種i的個(gè)體數(shù)量，N為監(jiān)測(cè)點(diǎn)植物個(gè)體總數(shù)。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本情況Table 1 Experiment plot conditions

1.2.3VOR、CVOR綜合指數(shù)模型 基況，用土壤有機(jī)碳含量(soil organic carbon，SOC)作為基況的評(píng)判指標(biāo)，即C=SOCx/ SOCck。其中，SOCx為監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤有機(jī)碳含量(可以用土壤有機(jī)質(zhì)含量計(jì)算，即SOC=土壤有機(jī)質(zhì)含量/1.724)，SOCck為對(duì)照。

活力，用植物地上生物量進(jìn)行測(cè)算，V=Bx/Bck，其中Bx為監(jiān)測(cè)點(diǎn)樣方植物群落地上生物量，Bck為對(duì)照。

組織力，用植物群落物種頻度、高度和生物量進(jìn)行測(cè)算，O=Ox/Ock，其中Ox=∑[(Fi+Bi+Hi)/3]，式中Fi=fi/f為相對(duì)頻度，fi為監(jiān)測(cè)點(diǎn)植物種i的頻度，f為監(jiān)測(cè)點(diǎn)頻度測(cè)量總數(shù)；Bi=bi/b為相對(duì)地上生物量，bi為監(jiān)測(cè)點(diǎn)樣方內(nèi)植物種i的地上生物量，b為監(jiān)測(cè)點(diǎn)樣方內(nèi)植物總地上生物量；Hi=hi/himax為相對(duì)高度，hi為監(jiān)測(cè)點(diǎn)植物種i的平均高度，himax為hi中的最大值。Ock為對(duì)照。

恢復(fù)力，用各監(jiān)測(cè)點(diǎn)可代表恢復(fù)程度物種和表示退化程度物種的數(shù)量和地上生物量測(cè)算，R =(Bg/Bgck)/(Bd/Bdck)，其中Bg為監(jiān)測(cè)點(diǎn)樣方內(nèi)代表恢復(fù)程

度物種的地上生物量，Bgck為對(duì)照，Bd為監(jiān)測(cè)點(diǎn)樣方內(nèi)代表退化程度物種的地上生物量，Bdck為對(duì)照[20]。

計(jì)算各單項(xiàng)指數(shù)時(shí)，選擇各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均值為對(duì)照。

VOR綜合指數(shù)計(jì)算模型為：VOR=WV×V+ WO×O+WR×R，其中WV、WO、WR為單項(xiàng)指數(shù)V、O、R的權(quán)重系數(shù)，反應(yīng)各單項(xiàng)因素的重要性，同時(shí)避免或減輕由于數(shù)據(jù)背景不確定性、自然的空間不均勻性或時(shí)間波動(dòng)性造成的結(jié)果誤差。本研究中因取樣背景清晰，故取值WV=WO=WR=1/3。VOR∈[0，1]，如VOR>1，則取1。

COVR綜合指數(shù)計(jì)算模型為：CVOR=C×VOR。CVOR∈[0，1]，如CVOR>1，則取1。

計(jì)算VOR和CVOR綜合指數(shù)時(shí)，各單項(xiàng)指數(shù)C、V、O、R∈[0，1]，其值大于1時(shí)均取值為1[21-23]。

1.3 草地生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)的劃分

利用四分法將生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)指數(shù)劃分為4個(gè)不同等級(jí)(表2)[24]，據(jù)此來(lái)評(píng)價(jià)草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。

表2 草地生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)及健康等級(jí)Table 2 Index and rank of grassland health evaluation

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016和SAS 8.02軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，采用OriginPro 7.5軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地植物群落多樣性

由北向南分布的監(jiān)測(cè)點(diǎn)YC1至YC9的Partrick多樣性指數(shù)表現(xiàn)為南部?jī)?yōu)于北部，YC2和YC3最小同為20，YC8最高為38(圖1a)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(圖1b)和Shannon-Wiener豐富度指數(shù)(圖1c)均表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)，YC1顯著低于其他各點(diǎn)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)Alatalo均勻度指數(shù)(圖1d)有顯著差異(P<0.05)。

2.2 草地綜合評(píng)價(jià)指數(shù)之間的相互關(guān)系

鹽池天然草地基況指數(shù)和組織力指數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.7077。VOR指數(shù)與基況指數(shù)、活力指數(shù)、組織力指數(shù)、恢復(fù)力指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.1169、0.2703、0.2399和0.9143，且與恢復(fù)力指數(shù)為極顯著正相關(guān)(P<0.01)。CVOR指數(shù)與基況指數(shù)、活力指數(shù)、組織力指數(shù)、恢復(fù)力指數(shù)、VOR指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.7104、0.0228、0.6352、0.6992和0.7440，且與基況指數(shù)、組織力指數(shù)、恢復(fù)力指數(shù)為極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與VOR指數(shù)為顯著正相關(guān)(P<0.05)。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)物種多樣性指數(shù)Fig.1 The plant diversity indexes of experiment plots注：不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)Note：Different lowercase letter indicate significant difference at the 0.05 level

表3 草地綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的相關(guān)分析Table 3 The correlation coefficients between health indices

注：**表示P<0.01水平差異顯著，*表示P<0.05水平差異顯著

Notes: **means significant correlation at the 0.01 level, *means significant correlation at the 0.05 level

2.3 天然草地綜合評(píng)價(jià)模型各單項(xiàng)指數(shù)

圖2為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)綜合評(píng)價(jià)模型的單項(xiàng)指數(shù)，可知各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的基況指數(shù)C(圖2a)之間差異極顯著(P<0.01)，YC9最大為1.85，極顯著大于其他各點(diǎn)，YC8次大?；盍χ笖?shù)V(圖2b)表現(xiàn)為YC3極顯著高于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)(P<0.01)，為2.72。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的組織力指數(shù)O(圖2c)之間差異極顯著(P<0.01)，YC8最大為1.30。恢復(fù)力指數(shù)R(圖2d)表現(xiàn)為YC4極顯著高于其他各監(jiān)測(cè)點(diǎn)(P<0.01)，為4.15。

圖2 評(píng)價(jià)模型各單項(xiàng)指數(shù)Fig.2 The single index of VOR and CVOR health evaluation models注：不同大寫(xiě)字母表示差異極顯著(P<0.01)Note：Different capital letter indicate significant difference at the 0.01 level

2.4 鹽池縣天然草地VOR指數(shù)和CVOR指數(shù)的評(píng)價(jià)

根據(jù)天然草地評(píng)價(jià)系統(tǒng)健康等級(jí)(表2)及鹽池縣天然草地VOR、CVOR綜合指數(shù)(表4)可以看出，通過(guò)VOR指數(shù)和CVOR指數(shù)評(píng)價(jià)草地生態(tài)系統(tǒng)健康程度有所差異。以VOR指數(shù)評(píng)價(jià)時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)YC1、YC2的健康等級(jí)為“不健康”，監(jiān)測(cè)點(diǎn)YC3～YC9的健康等級(jí)為“健康”。以CVOR指數(shù)評(píng)價(jià)時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)YC1、YC2的健康等級(jí)為“警戒”，監(jiān)測(cè)點(diǎn)YC3～YC9為“健康”。

表4 天然草地VOR、CVOR綜合指數(shù)Table 4 The VOR and CVOR index of experiment plots

3 討論與結(jié)論

本研究所選監(jiān)測(cè)點(diǎn)YC1至YC9由北至南依次分布在鹽池縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，包含了鹽池縣天然荒漠草原主要建群種，植物群落Patrick多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、Shannon-Wiener豐富度指數(shù)和Alatalon均勻度指數(shù)可以反映草地資源現(xiàn)狀。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)Patrick多樣性指數(shù)均超過(guò)20，其中南部YC8和YC9超過(guò)30。Simpson優(yōu)勢(shì)度和Shannon-Wiener豐富度表現(xiàn)較一致，均為YC6最高。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)Alatalon均勻度指數(shù)在0.5763～0.7578之間，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)植物群落均勻度較接近。

用VOR指數(shù)和CVOR指數(shù)評(píng)價(jià)草地生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)時(shí)表現(xiàn)出一定的差異，VOR指數(shù)評(píng)價(jià)北部監(jiān)測(cè)點(diǎn)YC1和YC2的健康等級(jí)為“不健康”，而CVOR指數(shù)評(píng)價(jià)的健康等級(jí)為“警戒”。其差異性一方面是因?yàn)椴莸鼗鶝r對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的重要性，根據(jù)C、V、O、R各單項(xiàng)指數(shù)與VOR、CVOR指數(shù)相關(guān)性表明，指數(shù)C與CVOR指數(shù)有極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，當(dāng)草地基況C較低時(shí)，CVOR指數(shù)隨之減小。另一方面，草地土壤變化較為遲緩，和植物的變化相比有一定的滯后性[25]，CVOR指數(shù)考慮到“土”和“草”的相互作用，將草地生態(tài)系統(tǒng)本底界面作為評(píng)價(jià)因素，這種滯后性導(dǎo)致了兩種評(píng)價(jià)指數(shù)差異。

值得關(guān)注的是，監(jiān)測(cè)點(diǎn)YC1為國(guó)家草地監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其Simpson優(yōu)勢(shì)度和Shannon-Wiener豐富度均顯著低于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)(P<0.05)，以VOR指數(shù)評(píng)價(jià)為“不健康”等級(jí)，以CVOR指數(shù)評(píng)價(jià)為“警戒”等級(jí)，健康等級(jí)比其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)差。說(shuō)明在未受放牧、開(kāi)墾等人為干擾的自然條件下恢復(fù)的草地結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、均勻度好、處于穩(wěn)定階段，但其植物種類(lèi)較少、結(jié)構(gòu)單一。其組織力指數(shù)和恢復(fù)力指數(shù)均為最低，說(shuō)明對(duì)于自然災(zāi)害或人為干擾的抵抗力不強(qiáng)，當(dāng)外界干擾超出生態(tài)系統(tǒng)自身承受能力時(shí)，易造成生態(tài)系統(tǒng)的崩潰[25]。外界干擾對(duì)草地植被的影響體現(xiàn)在草地植被群落的演替過(guò)程中，適時(shí)、適當(dāng)?shù)姆拍聊軌虼龠M(jìn)草地植被更新，家畜采食、踩踏、排泄等活動(dòng)對(duì)天然草地的影響，在一定程度上有利于草地生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展[26-28]。對(duì)于一個(gè)健康的草地生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)該是在對(duì)外有較強(qiáng)的抵抗力，對(duì)內(nèi)有較強(qiáng)的恢復(fù)力，即為生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的結(jié)果[29-31]。

VOR指數(shù)和CVOR指數(shù)均能有效反應(yīng)鹽池縣天然草地的健康狀況，CVOR指數(shù)更能反應(yīng)草地基況對(duì)草地健康狀況的影響作用，尤其在脆弱的生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)影響更甚。鹽池縣中部和南部荒漠草原恢復(fù)情況良好，生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為“健康”狀態(tài)，北部荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)健康狀況不容樂(lè)觀(guān)，表現(xiàn)為“不健康”甚至“警戒”狀態(tài)。退化草地的恢復(fù)、治理和利用，全縣畜牧業(yè)發(fā)展，以及二者的平衡點(diǎn)值得我們進(jìn)一步去研究。