新疆草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

陳春波， 彭 建， 李剛勇

（1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011；2.干旱區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)遙感監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830049；3.新疆維吾爾自治區(qū)草原總站，新疆 烏魯木齊 830049）

草地作為重要的生態(tài)系統(tǒng)類型，具有多種生態(tài)、經(jīng)濟(jì)功能，在生物多樣性保護(hù)、碳匯功能維持等方面發(fā)揮著重要作用［1］。健康的草地生態(tài)系統(tǒng)具有活力，能夠維持其組織并且保持自身運(yùn)作能力，對(duì)外界壓力具有彈性［2］；草地生態(tài)系統(tǒng)健康與人類的可持續(xù)發(fā)展緊密相關(guān)，為人類的生存、發(fā)展提供持續(xù)、良好的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能［3］。因此，草地健康是自然生態(tài)系統(tǒng)健康的重要組成部分，也影響著人類社會(huì)的健康與安全［4］，草地健康即草地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性。在我國西北干旱區(qū)，草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)在草地退化的監(jiān)測(cè)中尤為重要。

草地健康評(píng)價(jià)研究大致可分為4 個(gè)階段，即萌芽期、拓荒期、成熟期與實(shí)踐期［5］；草地健康評(píng)價(jià)方法經(jīng)歷了單因子羅列法、單因子復(fù)合法、功能評(píng)價(jià)法與界面過程評(píng)價(jià)［6］。近年來，隨著空天觀測(cè)等技術(shù)手段的引入，草地健康評(píng)價(jià)逐漸由樣地尺度擴(kuò)展到區(qū)域尺度；在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，草地健康評(píng)價(jià)指標(biāo)由單一指標(biāo)向多指標(biāo)發(fā)展，提高了草地健康評(píng)價(jià)的精度與時(shí)空尺度。當(dāng)前，國內(nèi)關(guān)于草地健康評(píng)價(jià)的研究已有一些成果，但研究區(qū)域主要集中在內(nèi)蒙古自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)、甘肅以及青藏高原。新疆是我國5 大牧區(qū)之一，草地面積5.73×107hm-2，包括11 個(gè)大類，25 個(gè)亞類，131 個(gè)草地組，687 個(gè)草地型［7］。草地不僅是新疆生態(tài)系統(tǒng)的主體與重要的生態(tài)屏障，也是牧區(qū)農(nóng)牧民賴以生存的基本生產(chǎn)資料和許多珍稀動(dòng)植物特定的生活區(qū)域［8］。盡管劉思怡等［9］、陸均等［10］和杜夢(mèng)潔等［11］分別在艾比湖流域、巴音布魯克和新疆昌吉回族自治州開展了草地健康評(píng)價(jià)，然而面向草原行業(yè)部門針對(duì)全疆范圍草地健康評(píng)價(jià)的研究較少，特別是草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系。

近年來，由于氣候變化與不合理的開墾、利用，新疆草地出現(xiàn)不同程度的退化［12］。及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出草地健康狀況，既是草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容，也是探究草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能所維持人類賴以生存的自然環(huán)境狀況。為此，本研究擬構(gòu)建新疆草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系，包括多源數(shù)據(jù)來源、方法步驟、總體框架與發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)新疆草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，應(yīng)獲取草地生物氣象、水熱通量、地面樣方采樣與多源遙感影像，生成草地基礎(chǔ)生態(tài)地理數(shù)據(jù)庫，篩選多層次多因子草地健康評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合選擇草地健康評(píng)價(jià)方法，客觀評(píng)估新疆草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。在新疆開展草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，客觀診斷草地健康狀況，促進(jìn)草地的可持續(xù)利用。

1 數(shù)據(jù)來源

開展草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，首先應(yīng)獲得可靠的生態(tài)地理數(shù)據(jù)。在評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與信息資源的類型、數(shù)量與豐富度可以提升草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的質(zhì)量與精度。采用統(tǒng)一的方法整理與收集不同來源、不同類型、不同尺度、不同格式的生物氣象、水熱通量、地面樣方采樣與多源遙感影像數(shù)據(jù)，形成評(píng)價(jià)區(qū)域的草地基礎(chǔ)生態(tài)與地理數(shù)據(jù)庫。

1.1 生物氣象與水熱通量數(shù)據(jù)集

生物氣象與水熱通量數(shù)據(jù)，主要包括：氣溫、降水、輻射、蒸散發(fā)、風(fēng)速、風(fēng)向、水文、地形與土壤數(shù)據(jù)；對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成草地生物氣象與水熱通量時(shí)空數(shù)據(jù)集；將生物氣象與水熱通量數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化，分別處理為草地健康評(píng)價(jià)模型的輸入格式，為模型運(yùn)算與驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 野外站點(diǎn)觀測(cè)與樣方調(diào)查數(shù)據(jù)集

評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)收集、整理草地生態(tài)監(jiān)測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)已有的草地群落指標(biāo)；整理草地樣方植被蓋度與植株高度；調(diào)查草地樣方主要植物種與生物量的變化，草地樣方總產(chǎn)草量鮮質(zhì)量、總產(chǎn)草量風(fēng)干重、可食鮮草產(chǎn)量與可食干草產(chǎn)量；調(diào)查草地樣方土壤樣品，分析土壤水分和養(yǎng)分；調(diào)查草地毒害草類型、種群分布與演替。

1.3 多源遙感數(shù)據(jù)集

草地遙感常用的數(shù)據(jù)源包括NOAA-AVHRR、MODIS、Landsat 與Sentinel，依據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)獲取評(píng)價(jià)區(qū)域的高分遙感影像，或者采用低空無人機(jī)（巡航高度低于500 m）采集影像。NOAA-AVHRR 遙感影像，主要為NDVI歸一化植被指數(shù)產(chǎn)品，時(shí)間分辨率日尺度，空間分辨率0.05°；Landsat 遙感影像包括Landsat MSS 1/2/3（MSS）、Landsat 4&5（MSS/TM）、Landsat 7（ETM+）與Landsat 8（OLI/TIRS）（表1）；MODIS/Terra 遙感影像包括MODIS 標(biāo)準(zhǔn)陸地產(chǎn)品（表2）。

表1 Landsat遙感影像元數(shù)據(jù)Tab.1 The metadata of Landsat serial images

表2 MODIS標(biāo)準(zhǔn)陸地產(chǎn)品Tab.2 The standard land product of MODIS

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 明確評(píng)價(jià)目標(biāo)

草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)需考慮生態(tài)系統(tǒng)、群落、種群與個(gè)體4個(gè)層次，以全面反映草地生態(tài)方面的性狀（生態(tài)系統(tǒng)生命部分），輔之光照、溫度、水文與土壤等物理化學(xué)方面的性質(zhì)（生態(tài)系統(tǒng)非生命部分），最大程度做出全面、真實(shí)、客觀的評(píng)價(jià)［13］。然而，在特定的時(shí)空范圍內(nèi)，草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)具有挑戰(zhàn)性，包括評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選與定量、時(shí)空尺度限制、數(shù)據(jù)精度與有效性等。不同的評(píng)價(jià)目標(biāo)具有各自的側(cè)重點(diǎn)，有針對(duì)性的篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，在開展健康評(píng)價(jià)之前，明確草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的具體目標(biāo)，或者偏重草地生態(tài)系統(tǒng)的生物成分、非生物成分、生態(tài)系統(tǒng)功能（生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)），能夠促進(jìn)備選的評(píng)價(jià)指標(biāo)具備可操作性。

2.2 確定評(píng)價(jià)區(qū)域與參照系統(tǒng)

2.2.1 確定草地健康評(píng)價(jià)區(qū)域 確定評(píng)價(jià)區(qū)域是草地健康評(píng)價(jià)的首要步驟。根據(jù)草地健康評(píng)價(jià)目標(biāo)，綜合考慮草地植物特征、地表環(huán)境等劃定草地評(píng)價(jià)區(qū)域［14］。一個(gè)完整的草地生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)區(qū)域通常具有一致的地形、地貌、水熱組合與景觀類型特征，而且在植被特征與管理特征具有相似性、一致性；其基本單元可以基于行政區(qū)劃，也可依據(jù)土壤、地形，或者參照草地分類系統(tǒng)，也可以基于草地區(qū)劃及分區(qū)，還可以根據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)，綜合以上標(biāo)準(zhǔn)或分類組合確定評(píng)價(jià)區(qū)域。新疆草地健康評(píng)價(jià)區(qū)域的確定方法如下：

（1）采用行政區(qū)劃確定草地健康評(píng)價(jià)區(qū)域

新疆轄4 個(gè)地級(jí)市（烏魯木齊市、克拉瑪依市、吐魯番市與哈密市），5個(gè)自治州（昌吉回族自治州、伊犁哈薩克自治州、博爾塔拉蒙古自治州、巴音郭楞蒙古自治州與克孜勒蘇柯爾克孜自治州），3個(gè)地區(qū)（阿克蘇地區(qū)、喀什地區(qū)與和田地區(qū)），以及8個(gè)自治區(qū)直轄縣級(jí)市（石河子市、阿拉爾市、圖木舒克市、五家渠市、北屯市、鐵門關(guān)市、雙河市與昆玉市），共計(jì)105個(gè)縣級(jí)單位①新疆維吾爾自治區(qū)人民政府網(wǎng)行政區(qū)劃.http://www.xinjiang.gov.cn/xinjiang/xzqh/201912/e1fb164b4930437eb4a75852aceecc9d.shtml.（表3）。

表3 新疆行政區(qū)劃Tab.3 Administrative divisions of Xinjiang

（2）基于草地類型確定草地健康評(píng)價(jià)區(qū)域

新疆草地類型劃分為11個(gè)大類，25個(gè)亞類，131個(gè)草地組以及687 個(gè)草地型（表4），其中大類包括：高寒草甸類、高寒草原類、高寒荒漠類、山地草甸類、溫性草甸草原類、溫性草原類、溫性荒漠草原類、溫性草原化荒漠類、溫性荒漠類、低平地草甸類與沼澤類［7］。大類主要考慮以水熱組合為中心的氣候與植被特征；亞類（類的補(bǔ)充）側(cè)重地形、土壤基質(zhì)與植被分異；草地組以建群層片的草地植物的經(jīng)濟(jì)類群劃分；劃分草地型以優(yōu)勢(shì)種相同、生境條件相似與利用方式一致。

表4 新疆草地類型分類Tab.4 Grassland classification in Xinjiang

（3）采用草地區(qū)劃及分區(qū)確定草地健康評(píng)價(jià)區(qū)域

依據(jù)草地所處氣候及其草地類型，新疆草地區(qū)劃包括北疆溫性荒漠-山地草地區(qū)與南疆暖溫荒漠-山地草地區(qū)［7］（表5）。草地區(qū)劃充分考慮草地所處的綜合自然地理環(huán)境，是在草地類型與生產(chǎn)經(jīng)營方式基礎(chǔ)上劃分的自然經(jīng)濟(jì)地理區(qū)域。

表5 新疆草地區(qū)劃及其分區(qū)Tab.5 The division and subdivision of grassland in Xinjiang

（4）依據(jù)草地健康評(píng)價(jià)目標(biāo)，綜合考慮水熱組合、土壤基質(zhì)、植被分異、建群種、優(yōu)勢(shì)種、放牧制度與經(jīng)營方式等，劃定草地健康評(píng)價(jià)區(qū)域及其子區(qū)域。

2.2.2 確定草地健康評(píng)價(jià)的參照區(qū)域（系統(tǒng)） 確定參照區(qū)域（系統(tǒng)）是草地健康評(píng)價(jià)的另一個(gè)重要因素，通常已知健康水平的草地生態(tài)系統(tǒng)都可作為參照系統(tǒng)，該系統(tǒng)與當(dāng)?shù)丨h(huán)境尤其氣候保持協(xié)調(diào)與平衡所達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)［15］。與當(dāng)?shù)貧夂虮３謪f(xié)調(diào)與平衡的草地生態(tài)系統(tǒng)，選取符合生態(tài)系統(tǒng)健康的全部或部分重要標(biāo)準(zhǔn)［16］，包括活力（自然地境下的最大生產(chǎn)力）、恢復(fù)力（穩(wěn)定與持續(xù)的恢復(fù)力）、組織結(jié)構(gòu)（生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性）、生態(tài)服務(wù)（持續(xù)的生態(tài)服務(wù)功能）、生態(tài)屏障（維護(hù)相鄰的生態(tài)系統(tǒng)健康）等。綜上所述，參照系統(tǒng)可以采用臨近區(qū)域內(nèi)未受破壞或破壞程度很輕的草地生態(tài)系統(tǒng)［4］。

2.3 篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)

草地生態(tài)系統(tǒng)分為地上與地下兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立部分，地上、地下通過強(qiáng)烈的互作性調(diào)控草地生態(tài)系統(tǒng)能量傳輸、物質(zhì)循環(huán)與信息傳遞。草地生態(tài)系統(tǒng)健康具有自然、社會(huì)雙重屬性，在健康評(píng)價(jià)中應(yīng)堅(jiān)持科學(xué)選取指標(biāo)的原則，即充分考慮草地生態(tài)系統(tǒng)物理、化學(xué)指標(biāo)，而且在尺度上注重對(duì)個(gè)體、種群、群落以及生態(tài)系統(tǒng)“健康”狀態(tài)的生態(tài)評(píng)價(jià)及其服務(wù)功能評(píng)價(jià)［17-19］。本研究根據(jù)分類指標(biāo)的學(xué)科屬性整合各因子指標(biāo)，將其分為3大類，包括生物特征指標(biāo)、生物物理指標(biāo)與生態(tài)功能指標(biāo)（表6）；該指標(biāo)體系參照國標(biāo)《草原健康狀況評(píng)價(jià)》（GB/T 21439-2008），參考草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法關(guān)于指標(biāo)的選?。ū?），借鑒了國標(biāo)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》（GB/T 38582-2020）。生物特征指標(biāo)為草地生態(tài)系統(tǒng)的生物特征，包括群落、種群與個(gè)體三個(gè)層次；生物物理指標(biāo)為草地生態(tài)系統(tǒng)的大氣、水與土壤等環(huán)境特征以及人類活動(dòng)的影響；生態(tài)功能（或生態(tài)服務(wù)功能）指標(biāo)為生產(chǎn)、調(diào)節(jié)、支撐與文化功能特征。

表7 國內(nèi)草地健康評(píng)價(jià)方法Tab.7 The application and method of grassland health evaluation in mainland China

2.4 選擇評(píng)價(jià)方法

生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)經(jīng)歷了4 個(gè)階段，即單因子羅列法、單因子復(fù)合法、功能評(píng)價(jià)法與界面過程評(píng)價(jià)［6］。國內(nèi)草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)包括：VOR 評(píng)價(jià)體系模型、COVR 指數(shù)評(píng)價(jià)體系模型、PSR 評(píng)價(jià)模型、層析分析法、指數(shù)評(píng)價(jià)法、主成分分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、聚類分析法與屬性綜合評(píng)價(jià)法［14］（表7）。本研究借鑒功能評(píng)價(jià)法與界面過程評(píng)價(jià)法，結(jié)合多源遙感數(shù)據(jù)擴(kuò)展時(shí)空尺度，整合草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)因子（表6）；為規(guī)避單一方法的局限，本研究推薦層次分析法、VOR綜合指數(shù)模型、COVR指數(shù)評(píng)價(jià)模型與PSR 評(píng)價(jià)模型；采用四分法將評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為4 個(gè)等級(jí)（健康、亞健康、警戒與崩潰）［19］，代表草地生態(tài)健康狀況。

表6 新疆草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.6 The index of grassland ecosystem health evaluation in Xinjiang

2.4.1 層次分析法 層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是一種定性與定量結(jié)合、系統(tǒng)化與層次化多目標(biāo)決策方法。依據(jù)指標(biāo)元素性質(zhì)及決策要達(dá)成的總目標(biāo)，將指標(biāo)分解為不同組成因素；針對(duì)因素關(guān)聯(lián)與隸屬等關(guān)系，將各因素按照不同層次劃分成組合（即“元素層次化”），構(gòu)成一個(gè)多因子多層次的評(píng)價(jià)分析結(jié)構(gòu)（模型）。針對(duì)研究目標(biāo)（即最高層，A）建立層次結(jié)構(gòu)模型是層次分析法的重要環(huán)節(jié)，然后根據(jù)目標(biāo)及問題性質(zhì)，將系統(tǒng)區(qū)分為若干準(zhǔn)則層（B）與因子層（C）［38］。最高層（A）是解決問題的總目標(biāo)；準(zhǔn)則層（B）是實(shí)現(xiàn)總目標(biāo)而選擇的各種措施、方案所必須遵循的準(zhǔn)則，亦稱策略層、約束層或中間層；因子層（C）是解決問題的各種措施、方案與具體方法，亦稱最低層。針對(duì)新疆草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，其最高層（A）是“新疆草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)”；中間層（B）是根據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)篩選的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如生物特征指標(biāo)-群落狀況、種群狀況等；因子層（C）是評(píng)價(jià)指標(biāo)包含的具體評(píng)價(jià)因子，如生物特征指標(biāo)-群落狀況-地上生物量、地下生物量等。

2.4.2 VOR 綜合指數(shù)模型 VOR 綜合指數(shù)模型通過計(jì)算草地生態(tài)系統(tǒng)的VOR 指數(shù)評(píng)估草地健康狀況［39］。VOR 模型包括活力（Vigor，V）、組織力（Organization，O）與恢復(fù)力（Resilience，R）；其中活力代表草地凈初級(jí)生產(chǎn)力，組織力為草地植物群落結(jié)構(gòu)，恢復(fù)力為草地維持自身結(jié)構(gòu)、功能的能力。主要計(jì)算過程如下：

式中：α、β與γ分別為單項(xiàng)指數(shù)活力（V）、組織力（O）與恢復(fù)力（R）的權(quán)重系數(shù)，滿足α+β+γ=1。2.4.3 COVR指數(shù)評(píng)價(jià)模型 基于VOR模型綜合考慮草地基況（Condition，C）產(chǎn)生了COVR指數(shù)評(píng)價(jià)模型［10］。COVR綜合指數(shù)不僅考慮草地生態(tài)系統(tǒng)中生物部分的情況，而且認(rèn)識(shí)到土壤環(huán)境也是草地物質(zhì)能量交換的基礎(chǔ)，從而評(píng)價(jià)草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。主要計(jì)算過程如下：

式中：Kc、Kv、Ko與Kr分別為C、V、O與R的權(quán)重系數(shù)；C為基況；反映草地生態(tài)系統(tǒng)植物-土壤-大氣的界面過程，這是影響草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能的環(huán)境因子；V為活力；O為組織力；R為恢復(fù)力。其中各單項(xiàng)指數(shù)C、V、O、R∈[0，1]，其值大于1時(shí)均取值為1。

2.4.4 壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型 壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（Pressure-State-Response，PSR）模型由壓力層、狀態(tài)層和響應(yīng)層組成。PSR模型是生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)常用方法之一，目前廣泛用于草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)。在PSR 模型中，壓力層描述人類活動(dòng)和自然過程對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的干擾與脅迫，狀態(tài)層是草地生態(tài)系統(tǒng)的狀況，響應(yīng)層是草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)程度［9,26-27］。PSR模型計(jì)算過程如下：

式中：HI 為草地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)；P為壓力層綜合值；S為狀態(tài)層綜合值；R為響應(yīng)層綜合值；Pi、Si與Ri為評(píng)價(jià)指標(biāo)值；Wi代表指標(biāo)權(quán)重。

2.5 總體框架

新疆草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)總體框架包括基礎(chǔ)工作、篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)與草地健康評(píng)價(jià)（圖1）?；A(chǔ)工作的重點(diǎn)是確定時(shí)空范圍與獲取基礎(chǔ)信息，明確草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的總體目標(biāo)，劃定評(píng)價(jià)區(qū)域與確定參照區(qū)域，構(gòu)建草地基礎(chǔ)生態(tài)地理數(shù)據(jù)庫。確定評(píng)價(jià)區(qū)域和參照區(qū)域時(shí)應(yīng)充分考慮基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集，尤其是在樣地樣方尺度以及區(qū)域尺度的生態(tài)、地理與社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)；對(duì)收集的數(shù)據(jù)開展歸一化處理、清洗工作，構(gòu)建評(píng)價(jià)區(qū)域草地生態(tài)地理數(shù)據(jù)庫。關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選，采用已構(gòu)建的生態(tài)地理數(shù)據(jù)庫，依據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)（生物特征指標(biāo)、生物物理指標(biāo)與生態(tài)服務(wù)功能指標(biāo)），構(gòu)建草地健康評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系；在參照區(qū)域內(nèi)，開展野外綜合調(diào)查、實(shí)驗(yàn)工作與遙感反演，力求全面篩選草地健康評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)合評(píng)價(jià)區(qū)域綜合分析草地健康評(píng)價(jià)方法，選擇適宜的草地健康評(píng)價(jià)方法，計(jì)算草地健康綜合分值，以此評(píng)估草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。最后，針對(duì)草地健康等級(jí)中的“亞健康”、“警戒”與“崩潰”狀況，提出相應(yīng)的建議與措施。

圖1 新疆草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)總體框架Fig.1 The framework of grassland ecosystem health evaluation of Xinjiang

3 新疆草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系驗(yàn)證

2000 年后，新疆氣候以暖濕化為主，利于草地植被生長；然后，因過度放牧與超載放牧，草地植被出現(xiàn)了不同程度的退化。近年來，隨著退牧還草、圍欄禁牧與草原補(bǔ)助的持續(xù)實(shí)施，有助于天然草地生態(tài)系統(tǒng)健康恢復(fù)。本研究以民豐縣（隸屬于新疆和田地區(qū)）溫性荒漠類天然草地為例，主要以草地生態(tài)系統(tǒng)的生物成分，開展草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)。民豐縣溫性荒漠類草地位于昆侖山北麓、塔克拉瑪干沙漠南緣，草地型主要包括高山絹蒿（Seriphidium rhodanthum）、駝絨藜（Ceratoides latens）、琵琶柴（Reaumuria soongarica）與麻黃（Ephedra intermedia）。

于2021 年8 月在民豐縣葉亦克鄉(xiāng)開展實(shí)地調(diào)查，選擇樣地樣方（表8），設(shè)置10 m×10 m的大樣方，隨機(jī)內(nèi)嵌3 組1 m×1 m 的小樣方，分別采集主要植物高度、覆蓋度以及地上生物量等指標(biāo)（圖2）。以圍欄內(nèi)草地作為參照系統(tǒng)，分別計(jì)算荒漠類草地產(chǎn)草量、覆蓋度與生物多樣性等指數(shù)，采用VOR 綜合指數(shù)模型評(píng)估草地健康程度。在VOR中，權(quán)重系數(shù)α、β與γ分別為0.3、0.4與0.3；以地上生物量代表草地生態(tài)系統(tǒng)活力（V），草地植被高度、覆蓋度代表組織力（O），草地群落物種數(shù)量代表恢復(fù)力（R）。VOR取值位于0～1，假如VOR大于1，則取值為1。

圖2 樣地采樣（a）與低空無人機(jī)影像（b）Fig.2 Plot sampling(a)and low-altitude drone image(b)

表8 樣地信息Tab.8 The information of the sample plots

大樣方草地覆蓋度基于大疆無人機(jī)（精靈4 多光譜版）采集數(shù)據(jù)導(dǎo)出為正射影像，在ArcGIS 中提取草地植被覆蓋度。草地植被高度為小樣方內(nèi)主要植物或優(yōu)勢(shì)種高度。地上生物量將小樣方內(nèi)的草本植物齊地面刈割后分別稱重，半灌木、灌木采用標(biāo)準(zhǔn)株法。

分別計(jì)算樣地VOR 綜合指數(shù)，2021 年樣地P1、P2、P3與P4的VOR 綜合指數(shù)分別為0.788、0.701、0.769 與0.723；P1、P3處于健康狀態(tài)，P2、P4處于亞健康狀態(tài)。樣地P1、P3在圍欄區(qū)內(nèi)沒有放牧活動(dòng)，草地植被得到持續(xù)恢復(fù)，其草地產(chǎn)量、覆蓋度與物種豐度均有所提高。2000年后，新疆氣候?yàn)椤芭瘽窕壁厔?shì)。氣溫升高引起草地物候生長季節(jié)延長，即草地植被返青期提前與枯黃期延后，促進(jìn)了草地植被生長；降水增加，尤其昆侖山北坡降水呈顯著增加趨勢(shì)，更有利于溫性荒漠類草地植被生長。在圍欄措施下（樣地P1、P3）溫性荒漠類草地沒有放牧活動(dòng)，而且氣候變化益于草地植被生長，本文基于VOR綜合指數(shù)顯示樣地P1、P3為健康狀態(tài)，這與陳宸等研究近20 a 新疆荒漠類草地凈初級(jí)生產(chǎn)力呈上升趨勢(shì)一致［12］。樣地P2、P4在圍欄外，利用方式主要為冷季放牧，但其他季節(jié)也存在放牧活動(dòng)。研究資料顯示②國家林業(yè)和草原局.http://www.forestry.gov.cn/main/586/20200722/094150305995910.html.，當(dāng)前新疆牛、羊牲畜數(shù)量分別為1978 年的2倍、3 倍，與草原類型大體相似的鄰國相比，新疆單位面積的實(shí)際載蓄量約為哈薩克斯坦的5 倍，草地長期超載利用導(dǎo)致草地發(fā)生不同程度的逆向演替。樣地P2、P4溫性荒漠類草地存在過度放牧跡象，草地植被高度、覆蓋度與地上生物量低于圍欄內(nèi)草地，基于VOR 綜合指數(shù)模型計(jì)算結(jié)果為亞健康狀態(tài)。

針對(duì)新疆草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系，本研究以溫性荒漠類草地為例，主要偏重草地生態(tài)系統(tǒng)生物成分；在和田地區(qū)民豐縣葉亦克鄉(xiāng)開展實(shí)地調(diào)查，采集草地植被地上生物量、高度、覆蓋度與種群數(shù)量等；采用VOR 綜合指數(shù)模型分別計(jì)算樣地的VOR 綜合指數(shù)；結(jié)合新疆的氣候變化、放牧活動(dòng)及政策措施分別解釋了樣地的草地健康狀況。

4 發(fā)展趨勢(shì)

4.1 跨領(lǐng)域與交叉學(xué)科

生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)吸收了各領(lǐng)域、不同學(xué)科的觀點(diǎn)。草地作為生態(tài)系統(tǒng)的重要類型，草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)也應(yīng)當(dāng)以地學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、生態(tài)學(xué)、社會(huì)學(xué)、管理學(xué)以及人類健康等領(lǐng)域?yàn)檠芯炕A(chǔ)。在跨領(lǐng)域與交叉學(xué)科的基礎(chǔ)上，全面、客觀地開展草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，探究人類活動(dòng)與氣候變化導(dǎo)致的草地生態(tài)服務(wù)功能異常，及其對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的影響，提出相應(yīng)的建議與措施，這符合草地可持續(xù)發(fā)展途徑與生態(tài)系統(tǒng)管理目標(biāo)。

4.2 大數(shù)據(jù)、云計(jì)算與深度學(xué)習(xí)

新疆天然草地分布具有鮮明的垂直地帶性，在不同緯度、經(jīng)度和海拔高程因水熱組合差異發(fā)育了不同的草地類型。針對(duì)新疆草地生態(tài)系統(tǒng)，綜合開展健康評(píng)價(jià)研究具有復(fù)雜性與挑戰(zhàn)性。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件、移動(dòng)5G、云計(jì)算與人工智能的逐步發(fā)展，為新疆草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)創(chuàng)造了條件。構(gòu)建新疆草地健康智能監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)草地生態(tài)健康動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、客觀評(píng)價(jià)與有效預(yù)警，加快草地生態(tài)健康智能監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與新一代信息通訊、人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的深度融合。

4.3 時(shí)間尺度延續(xù)與空間范圍擴(kuò)展

新疆草地生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)合的生態(tài)系統(tǒng)，是土壤-大氣-水分的連續(xù)體，草地健康評(píng)價(jià)的時(shí)間尺度延續(xù)與空間范圍擴(kuò)展非常重要。草地健康評(píng)價(jià)的本質(zhì)是對(duì)收集的歷史數(shù)據(jù)客觀分析，以合理利用當(dāng)前的草地資源，并且對(duì)今后的草地資源利用做出可持續(xù)的預(yù)測(cè)與策略。這就決定了短期、小尺度的研究不能全面地解釋草地生態(tài)系統(tǒng)的演變，也不可能客觀詮釋草地時(shí)空動(dòng)態(tài)演變的因果關(guān)系。另一方面，草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)應(yīng)擴(kuò)展空間范圍，在個(gè)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)甚至景觀、區(qū)域尺度上開展草地健康評(píng)價(jià)。草地健康評(píng)價(jià)在時(shí)間尺度的延續(xù)與空間范圍的擴(kuò)展，能夠?qū)Σ莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與變化趨勢(shì)做出正確的評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)。