阿勒泰林區(qū)放牧前后草地生態(tài)系統(tǒng)健康評價

殷錫凱, 葉 茂,2, 趙凡凡, 周 泉

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 新疆 烏魯木齊 830054;2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室, 新疆 烏魯木齊 830054)

生態(tài)系統(tǒng)健康是生態(tài)學研究的熱點與前沿之一。草地是十分重要的自然資源，是我國陸地上面積最大的生態(tài)系統(tǒng)[1]，不僅維持著生物多樣性、水土保持、防風固沙、涵養(yǎng)水源、干旱區(qū)防治等，同時起著保護生態(tài)安全的屏障作用。它的健康既是全球自然生態(tài)系統(tǒng)健康的重要組成部分，也對人類社會發(fā)展產(chǎn)生重要影響。關(guān)于草地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的方法主要有：VOR指數(shù)評價模型[2-3]、CVOR評價模型[4-5]、PSR評價模型[6-7]、層次分析法[8-9]、指數(shù)評價法[6]、模糊綜合評價法[10]和聚類分析法等[11]。其中，VOR綜合指數(shù)模型是基于活力(vigor，V)、組織力(organization，O)和恢復力(resilience，R)構(gòu)建，用來評價草地生態(tài)系統(tǒng)健康情況的綜合指數(shù)[12]。該方法不僅能很好的評價草地生態(tài)系統(tǒng)，而且對于評價個別年份的草地健康狀況具有一定的優(yōu)勢，能綜合反映草地結(jié)構(gòu)特征和健康狀態(tài)。單貴蓮等[3]用VOR和CVOR指數(shù)模型評價了不同圍封禁牧年限典型草原的健康狀況；姜佳昌等[13]用VOR指數(shù)評價了甘肅省肅南縣退牧還草工程前后的3個草原類型的植物群落結(jié)構(gòu)特征；俞鴻千等[14]用VOR和CVOR評價模型評估了寧夏干旱風沙區(qū)荒漠草原恢復狀況。

目前草地生態(tài)系統(tǒng)評價研究多側(cè)重于生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟價值及服務價值評估[15-17]、土壤質(zhì)量評價[18]、群落結(jié)構(gòu)及多樣性和穩(wěn)定性評價等[19-20]領(lǐng)域。新疆阿勒泰林區(qū)存在草地退化、沙漠化[21]以及草—畜不平衡等[22]現(xiàn)象，嚴重影響阿勒泰林區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展。同時阿勒泰林區(qū)草地的研究主要在生態(tài)環(huán)境[21]、草地退化原因[22-23]、退牧還草工程效益分析[24]以及補償機制績效分析等[25]方面，但對草地健康狀況綜合評價的研究較少。為此，本研究以阿勒泰林區(qū)草地為研究對象，通過調(diào)查春秋季節(jié)阿勒泰林區(qū)草地群落的蓋度、高度、密度、頻度、生物量等，計算草地群落的多樣性、優(yōu)勢度、豐富度和均勻度，并利用VOR生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型進行定量評價，診斷阿勒泰林區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)和放牧前后差異特征，為阿勒泰林區(qū)退化草地恢復與管理提供科學理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆阿勒泰林區(qū)地處阿爾泰山南麓，西北與布爾津縣相鄰，西南與吉木乃縣交界，東北與蒙古國接壤。地理坐標87°25′—88°38′E，47°46′—48°39′N，地勢北高南低，海拔600～3914 m，屬溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，南北氣候差異較大，年均氣溫4 ℃，多年年平均降水量194.2 mm。草地植被種類繁多，以寒生羊茅(Festucakryloviana)、新疆針茅 (Stipasareptana)、沙生針茅(S.glareosa)等為主要建群種，以蒿草(Kobresiacapillifolia)、千葉蓍(Achilleamillefolium)、黃花苜蓿(Medicagofalcata)、委陵菜(Potentillachinensis)、車軸草(Trifoliumrepens)、老鸛草(GeraniumwilfordiiMaxim.)等為主要伴生種植物。

1.2 試驗設計

對阿勒泰林區(qū)放牧前后草地群落進行了調(diào)查，依據(jù)海拔梯度、河流、牧道和旅游區(qū)等影響因素，將阿勒泰林區(qū)設置為6個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點周圍布設調(diào)查樣地和樣方。放牧前后各布設74個調(diào)查樣地，162個樣方，樣地大小為20 m×20 m，同時每個樣地布設3個1 m×1 m的草地樣方(后山河流、牧道為1個)；其中前山山坡15個樣地，45個樣方；前山河流6個樣地，18個樣方；后山山坡10個樣地，30個樣方；后山河流6個樣地，6個樣方；旅游區(qū)13個樣地，39個樣方；牧道24個樣地，24個樣方。每個樣方內(nèi)，詳細測量和記錄草的種類、數(shù)量、高度、蓋度等指標。監(jiān)測完后，對每個樣方內(nèi)采用刈割法，稱取每個物種的地上生物量鮮重。同時記錄經(jīng)緯度及海拔高度基本信息。本次調(diào)查時間為(放牧前)2020年5月28日至6月29日，(放牧后)2020年9月1日至10月3日。

1.3 物種多樣性計算分析

本研究采用多樣性測度中的Margalef豐富度指數(shù)(S)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、Alatalo均勻度指數(shù)(Ea)[26-27]，其計算公式為：

Margalef豐富度指數(shù)(S)：

S=(S-1)/ln(N)

(1)

Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)：

(2)

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)：

H=1-∑PilnPi

(3)

Alatalo均勻度指數(shù)(Ea)：

(4)

式中：S為樣方中的總物種數(shù)；N為樣方中的總個體數(shù)；Ni為第i種植物的個體數(shù)；Pi為i種植物個體數(shù)占總個體數(shù)比例。

1.4 VOR綜合指數(shù)評價

利用研究區(qū)草地現(xiàn)狀調(diào)查資料，結(jié)合研究區(qū)退化草地的演替方向，進一步結(jié)合活力(V)、組織力(O)、恢復力(R)等各項單項指標，采用VOR評價方法對草地生態(tài)系統(tǒng)健康進行評價。

各指標對照樣地選擇是各個監(jiān)測點周圍未受人為干擾、生長狀況良好的天然群落作為對照值。WV，WO，WR分別對應各部分的指數(shù)權(quán)重數(shù)，WV=WO=WR=1/3，則：WV+WO+WR=1。計算VOR綜合指數(shù)時，各個單項指數(shù)V，O，R∈[0,1]，值大于1時均取值為1[3,29]。結(jié)合國內(nèi)對寒區(qū)旱區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康等級劃分方法，采用四分法將生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)指數(shù)劃分為4個不同等級(表1)[30]來評價草地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。

表1 草地生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)及健康等級

2 結(jié)果與分析

2.1 阿勒泰林區(qū)各監(jiān)測點放牧前后草地物種多樣性差異性分析

由圖1可知，Margalef豐富度指數(shù)表現(xiàn)為放牧前前山河流最高，后山山坡最低；放牧后前山河流最高，牧道最低；前山山坡、前山河流、牧道放牧前的指數(shù)值高于放牧后。Simpson優(yōu)勢度指數(shù)表現(xiàn)為放牧前前山河流最高，旅游區(qū)最低；放牧后前山河流最高，牧道最低；前山山坡、前山河流、后山山坡、牧道放牧前的指數(shù)值高于放牧后。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)表現(xiàn)為放牧前前山河流最高，旅游區(qū)最低；放牧后前山河流最高，牧道最低；前山山坡、前山河流、后山山坡、牧道放牧前的指數(shù)值高于放牧后。Alatalo均勻度指數(shù)表現(xiàn)為放牧前前山河流最高，后山河流最低；放牧后后山山坡最高，旅游區(qū)最低；后山山坡、后山河流、旅游區(qū)、牧道放牧前的指數(shù)值低于放牧后。

圖1 阿勒泰林區(qū)各監(jiān)測點放牧前后物種多樣性指數(shù)值

由圖2可以看出，各監(jiān)測點放牧前的草地生物量高于放牧后草地生物量。表2為各監(jiān)測點放牧前后草地物種多樣性差異性指數(shù)，可知Margalef豐富度指數(shù)表現(xiàn)為旅游區(qū)放牧前后差異極顯著(p<0.01)，牧道放牧前后差異顯著(p<0.05)。Simpson優(yōu)勢度指數(shù)表現(xiàn)為前山山坡、牧道的放牧前后差異極顯著(p<0.01)。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)表現(xiàn)為前山山坡、牧道的放牧前后差異極顯著(p<0.01)。Alatalo均勻度指數(shù)表現(xiàn)為各監(jiān)測點放牧前后差異不顯著(p>0.05)。前山山坡、牧道分別是過渡牧場、夏牧場，由于牧民放牧的原因，可能造成前山山坡和牧道的優(yōu)勢度指數(shù)、多樣性指數(shù)放牧前后差異極顯著。

表2 阿勒泰林區(qū)各監(jiān)測點放牧前后草地物種多樣性差異性分析

圖2 阿勒泰林區(qū)各監(jiān)測點放牧前后草地生物量

2.2 放牧前后草地生態(tài)系統(tǒng)健康各項指數(shù)整體評價

阿勒泰林區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的活力(V)、組織力(O)、恢復力(R)和健康指數(shù)(VOR)的計算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，放牧前后阿勒泰林區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)平均健康指數(shù)(VOR)分別為0.84和0.87(>0.75)，都達到健康水平。放牧前草地的V值、O值和R值均低于放牧后，但都大于0.75的健康標準。說明整體上阿勒泰林區(qū)放牧后草地系統(tǒng)的活力、組織能力和恢復力較強，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。對阿勒泰林區(qū)放牧前后草地生態(tài)系統(tǒng)健康評價各項指標進行整體差異性分析(表3)，結(jié)果表明阿勒泰林區(qū)整體上放牧前后草地生態(tài)系統(tǒng)健康的O，R值差異顯著(p<0.05)，其他指數(shù)值放牧前后差異均不顯著。

注：V，O，R，VOR分別表示阿勒泰林區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的活力、組織力、恢復力和健康指數(shù)。下同。

表3 阿勒泰林區(qū)放牧前后草地生態(tài)系統(tǒng)健康整體差異性分析

2.3 各監(jiān)測點放牧前后草地健康指數(shù)評價差異性分析

表4為各監(jiān)測點綜合評價模型指數(shù)，可知活力指數(shù)V表現(xiàn)為各監(jiān)測點放牧前后差異不顯著(p>0.05)。組織力指數(shù)O表現(xiàn)為牧道的放牧前后差異顯著(p<0.05)。恢復力指數(shù)R表現(xiàn)為牧道的放牧前后差異極顯著(p<0.01)。草地生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)VOR表現(xiàn)為牧道的放牧前后差異極顯著(p<0.01)，其他監(jiān)測點的VOR指數(shù)放牧前后差異不顯著。

表4 阿勒泰林區(qū)各監(jiān)測點放牧前后草地生態(tài)系統(tǒng)健康差異性分析

2.4 阿勒泰林區(qū)各監(jiān)測點天然草地VOR綜合指數(shù)評價

根據(jù)天然草地評價系統(tǒng)健康等級(表1)及阿勒泰林區(qū)天然草地VOR綜合指數(shù)(圖4)可以看出，各監(jiān)測點放牧前后VOR綜合指數(shù)都達到“健康”等級，但是放牧前后存在差異。其中，放牧前的后山河流VOR值最高，為0.92；牧道VOR值最低，為0.79。放牧后的后山河流VOR值最高，為0.94；前山山坡VOR值最低，為0.80。

圖4 阿勒泰林區(qū)各監(jiān)測點放牧前后天然草地VOR指數(shù)評價

3 討 論

目前許多研究[31-33]證明了外界干擾對草地植被的影響體現(xiàn)在草地植被群落的演替過程中，適當放牧能提高草地植被更新速度，家畜采食、踩踏、排泄等活動對天然草地影響，在一定程度上有利于草地生態(tài)系統(tǒng)的健康。過度放牧對草地植被、土壤、牲畜產(chǎn)生不良影響，造成草本植被生長受到抑制、穩(wěn)定的物質(zhì)平衡被打破、土壤退化等[34-35]。通過分析阿勒泰林區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)放牧前后生物多樣性及生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)，可以看出，阿勒泰林區(qū)放牧后草地生態(tài)系統(tǒng)的活力、組織能力和恢復力較強，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，草地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展較好，說明放牧干擾對阿勒泰林區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)影響不大。但放牧前后不同監(jiān)測地點草地健康狀態(tài)存在差異性，表現(xiàn)在前山山坡樣地放牧后的VOR指數(shù)低于放牧前，牧道樣地放牧后VOR指數(shù)高于放牧前，后山河流周圍樣地VOR指數(shù)值為最高。由于前山山坡是過渡牧場，在放牧后牲畜啃食牧草，使得草地植被的種群數(shù)量在逐漸的減少，后山河流和牧道是夏牧場，在夏季放牧后進行轉(zhuǎn)場，牧草得以恢復生長，使得后山河流和牧道放牧后的VOR綜合指數(shù)評價處于“健康”?；谠搮^(qū)域生態(tài)地位的特殊性和重要性，管理部門應以科學的手段及方法為草地生態(tài)系統(tǒng)健康提高科學合理的生態(tài)效益，是維持草地生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要保障。

4 結(jié) 論

(1) Margalef指數(shù)差異表現(xiàn)在阿勒泰林區(qū)旅游區(qū)樣地放牧前后差異極顯著，而牧道樣地放牧前后差異顯著；Simpson指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)在前山山坡樣地、牧道樣地也表現(xiàn)出差異極顯著。Alatalo指數(shù)在各監(jiān)測點差異不顯著，表明各監(jiān)測點放牧前后草地群落均勻度變化不大。

(2) 阿勒泰林區(qū)放牧前后草地生態(tài)系統(tǒng)的平均健康指數(shù)(VOR)分別為0.84和0.87(>0.75)，都達到健康水平。阿勒泰林區(qū)放牧后草地系統(tǒng)的活力、組織力和恢復力較強，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。阿勒泰林區(qū)放牧前后草地生態(tài)系統(tǒng)健康的O值、R值差異顯著(p<0.05)，其他值放牧前后差異不顯著。

(3) 活力指數(shù)表現(xiàn)為各監(jiān)測點放牧前后差異不顯著(p>0.05)。組織力指數(shù)表現(xiàn)為牧道放牧前后差異顯著(p<0.05)。恢復力指數(shù)表現(xiàn)為牧道放牧前后差異極顯著(p<0.01)。VOR指數(shù)表現(xiàn)為牧道放牧前后差異極顯著(p<0.01)，其他監(jiān)測點VOR指數(shù)放牧前后差異不顯著。

(4) 各監(jiān)測點放牧前后VOR綜合指數(shù)評價都達到“健康”等級。放牧前的后山河流VOR值最高，為0.92；牧道VOR值最低，為0.79。放牧后的后山河流VOR值最高，為0.94；前山山坡VOR值最低，為0.80。