青河林區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康評價

張凱麗，葉茂，殷錫凱，郭建興，趙凡凡

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

草地作為最大的生態(tài)屏障，具有生態(tài)、經(jīng)濟和社會價值[1]，在調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、防風固沙、保持水土和美化環(huán)境等方面起著重要的作用[2-5]。草地健康是自然生態(tài)系統(tǒng)健康的重要標志，與人類社會健康密切相關(guān)[6]。然而，長期以來人們對草地資源的不合理利用，加速了草地的退化，影響草地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性，制約社會、經(jīng)濟和生態(tài)壞境的可持續(xù)發(fā)展[7-9]。因而，研究草地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況對于保持草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和可持續(xù)發(fā)展具有重要的科學意義。

對草地的研究主要集中在草地變化對氣候變化的響應(yīng)[10]、草地的生態(tài)經(jīng)濟價值[11]、生態(tài)服務(wù)價值[12]、草地退化的時空變化[13]、草地資源的可持續(xù)利用[14]等領(lǐng)域。目前，阿爾泰山青河林區(qū)面臨著草地面積減少、草畜矛盾日益尖銳、草地退化等問題，威脅當?shù)氐纳鷳B(tài)安全，制約當?shù)匦竽翗I(yè)的持續(xù)健康發(fā)展，同時在現(xiàn)有的文獻中，有關(guān)該地的草地健康狀況的綜合評價研究較少。響應(yīng)生態(tài)文明建設(shè)的政策號召，對青河林區(qū)草地乃至新疆草地的生態(tài)系統(tǒng)健康評價顯得尤為必要。因此，本文運用VOR綜合指數(shù)模型來定量評價青河林區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康程度，為青河林區(qū)退化草地恢復(fù)和治理提供參考，使草地資源達到可持續(xù)利用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)東北部，準噶爾盆地東北邊緣，阿爾泰山東南麓。地處N 45°00′～47°20′，E 89°47′～91°04′之間。地形復(fù)雜，地勢北高南低向西傾斜。屬大陸性北溫帶干旱氣候，高山高寒，氣候干旱，降雨量小，蒸發(fā)量大，四季變化不明顯，冬季漫長而寒冷，夏季涼爽且短促；極端氣溫為-53 ℃，最高達36.5 ℃，年平均氣溫0 ℃，年均降水量161 mm，蒸發(fā)量達1 495 mm，無霜期平均為103 d[15]。該區(qū)的主要地帶性植物有禾草(grasses)、黃耆(Astragalusmembranaceus)、老鷹草(TifeagleBermudagrass)、石松(Lycopodiumjaponicum)、蒲公英(dandelion)。

1.2 樣地設(shè)置

根據(jù)海拔梯度、河流和牧道等影響因素，選取青河林區(qū)的東布哈林、奇巴哈勒蓋、天保辦和臘斯特4個樣地為主要研究區(qū)進行草地群落調(diào)查，每個樣地周圍布設(shè)大樣方和小樣方，共布設(shè)57個大樣方，159個小樣方，大樣方為20 m×20 m，且每個大樣方內(nèi)隨機布設(shè)3個1 m×1 m的小樣方(部分的小樣方為1～2個)，其中東布哈林20個大樣方(海拔2個、河谷18個)，60個小樣方；奇巴哈勒蓋14個大樣方(海拔7個、河谷7個)，42個小樣方；天保辦14個大樣方(海拔2個、牧道12個)，30個小樣方；臘斯特9個大樣方(海拔9個)，27個小樣方；每個小樣方內(nèi)記錄經(jīng)緯度及海拔高度基本信息，詳細測量并記錄草的種類、數(shù)量、高度、蓋度等指標，同時對每個樣方進行分種類收割，稱取每個物種的地上生物量鮮質(zhì)量，記為生物量。調(diào)查時間為2020年6月和9月。

1.3 VOR綜合指數(shù)模型

VOR綜合指數(shù)計算模型為：

VOR=WV×V+WO×O+WR×R[16-21]

式中：草地活力(V)，用植物地上生物量進行計算，V=Bx/Bck，其中Bx為監(jiān)測點樣方植物群落地上生物量，Bck為對照樣地的總生物量。V∈[0,1]，若V>1，則取1。

組織力(O)，用植物群落物種頻度、高度和生物量進行計算，O=Ox/Ock，其中Ox=∑[(Fi+Bi+Hi)/3]，式中Fi=fi/f為相對頻度，fi為監(jiān)測點樣地內(nèi)草地物種i的頻度，f為監(jiān)測點樣地內(nèi)草地物種頻度測量總數(shù)；Bi=bi/b為相對地上生物量，bi為監(jiān)測點樣方內(nèi)植物種i的地上生物量，b為監(jiān)測點樣方內(nèi)植物總地上生物量；Hi=hi/hi max為相對高度，hi為監(jiān)測點植物種i的平均高度，hi max為hi中的最大值，Ock為對照樣地平均值。O∈[0,1]，若O>1，則取1。

式中：Li為物種i的壽命；Ii為物種i的相對生物量，V是活力，P是物種數(shù)，Sck為對照樣地平均值。R∈[0,1]，若R>1，則取1。

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(yīng)各部分的指數(shù)權(quán)重數(shù)，且WV、WO、WR均大于或等于0，WV+WO+WR=1，若研究取樣背景清晰，故WV=WO=WR=1/3。VOR∈[0，1]，若VOR>1，則取1。

1.4 草地生態(tài)系統(tǒng)健康等級劃分

本文用四分法將生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)指數(shù)劃分為4個不同等級(表1)，以此來評價草地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[22-25]。

表1 草地生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)及健康等級

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 26.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，用Origin 2018和Excel 2010軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同月份草地生態(tài)系統(tǒng)整體狀況差異性分析

2020年6月、9月對青河林區(qū)4個樣地57個大樣方，159個小樣方進行統(tǒng)計分析，分別得出青河林區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的活力(V)、組織力(O)、恢復(fù)力(R)和健康指數(shù)(VOR)的結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯觯?月份和9月份青河林區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的VOR指數(shù)均大于0.75，處于健康狀況；6月份草地的V值、O值和R值分別為0.77、0.91和0.81，9月份值為0.75，0.93和0.8。由此可知，青河林區(qū)草地的生產(chǎn)能力較強，草地內(nèi)部的組織能力很強，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，抵抗外界干擾的能力強。

圖1 不同月份草地生態(tài)系統(tǒng)評價各指標對比

對不同月份青河林區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)健康各項指標進行差異性分析，結(jié)果如表2所示。不同月份草地生態(tài)系統(tǒng)的活力指數(shù)V、組織力指數(shù)O、恢復(fù)力指數(shù)R和VOR指數(shù)的相關(guān)性均不顯著(P>0.05)。

表2 不同月份草地生態(tài)系統(tǒng)健康各項指標ANOVA分析

2.2 各樣地草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況差異性分析

對青河林區(qū)6月份各樣地的草地生態(tài)系統(tǒng)各指標進行對比分析如圖2所示，4個樣地草地生態(tài)系統(tǒng)的整體狀況顯示，6月份東布哈林、奇巴哈勒蓋和天保辦的草地生態(tài)系統(tǒng)處于健康狀態(tài)(VOR>0.75)，臘斯特的草地生態(tài)系統(tǒng)VOR值為0.74，處于亞健康狀態(tài)(VOR<0.75)，4個樣地草地生態(tài)系統(tǒng)健康等級排序依次為：天保辦>奇巴哈勒蓋>東布哈林>臘斯特。從4個樣地草地生態(tài)系統(tǒng)的各項健康指標來看，6月份東布哈林、奇巴哈勒蓋和天保辦草地的活力(V)指數(shù)大于0.75，說明這3個樣地草地活力強；臘斯特的活力(V)指數(shù)小于0.75，草地活力弱。各樣地草地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的組織能力都很強，其中天保辦草地生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部組織力最強，組織力指數(shù)(O)為0.97，奇巴哈勒蓋的組織力指數(shù)最低，為0.88；除臘斯特外，其他樣地草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力(R)值均大于0.75，恢復(fù)能力強。

圖2 6月份各樣地草地健康指標對比

對6月份青河林區(qū)4個樣地的草地生態(tài)系統(tǒng)健康各項指標進行差異性分析，結(jié)果如表3所示。青河林區(qū)4個樣地草地生態(tài)系統(tǒng)的活力指數(shù)V、組織力指數(shù)O、恢復(fù)力指數(shù)R和VOR指數(shù)均表現(xiàn)為不顯著相關(guān)性(P>0.05)。

表3 6月份各樣地草地生態(tài)系統(tǒng)健康各項指標ANOVA分析

對9月份各樣地的草地生態(tài)系統(tǒng)各指標進行對比分析如圖3所示，除臘斯特(VOR=0.70)之外，其他樣地的草地生態(tài)系統(tǒng)都處于健康狀態(tài)(VOR>0.75)，草地生態(tài)系統(tǒng)健康等級排序依次為天保辦>東布哈林>奇巴哈勒蓋>臘斯特。從4個樣地草地生態(tài)系統(tǒng)的各項健康指標來看，東布哈林、奇巴哈勒蓋和天保辦草地的活力(V)指數(shù)大于0.75，說明這3個樣地的草地活力較強，其天保辦的活力最高(0.85)，臘斯特的活力(V)指數(shù)為0.54，其值小于0.75，表明該時段草地活力低；各樣地組織能力很強，組織力指數(shù)(O)均大于0.89，天保辦最強，臘斯特最弱；草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力值除臘斯特外，其他樣地草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力(R)值均大于0.75，說明臘斯特草地一旦遭受破壞，就很難恢復(fù)。

圖3 9月各樣地草地健康指標對比

對9月份各樣地的草地生態(tài)系統(tǒng)健康各項指標進行差異性分析，結(jié)果如表4所示。青河林區(qū)4個樣地草地生態(tài)系統(tǒng)的活力指數(shù)V表現(xiàn)為極顯著相關(guān)性(P<0.01)，VOR指數(shù)呈現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)，組織力指數(shù)O和恢復(fù)力指數(shù)R的差異性不顯著(P>0.05).

表4 9月份各樣地草地生態(tài)系統(tǒng)健康各項指標ANOVA分析

青河林區(qū)草地分為森林草原、森林草甸和亞高山草甸3個不同類型，對不同月份的草地類型生態(tài)系統(tǒng)各項指數(shù)做比較如圖4所示?；盍χ笖?shù)表現(xiàn)為6月森林草原最低，其值為0.40，亞高山草甸最高，為0.93；9月份森林草原最低，值為0.40，亞高山草甸最高，為0.84。6、9月份森林草原、森林草甸和亞高山草甸的組織力指數(shù)較高(>0.90)?；謴?fù)力指數(shù)表現(xiàn)為6月森林草原最低，其值為0.73，亞高山草甸最高，為0.93；9月份森林草原最低，值為0.72，亞高山草甸最高，為0.87。VOR指數(shù)表現(xiàn)為6月份亞高山草甸最高(0.93)，森林草原最低為0.68；9月份亞高山草甸最高(0.90)，森林草原最低為0.67。綜合來看，森林草原的草地生態(tài)系統(tǒng)處于亞健康狀態(tài)，需要保護和修復(fù)，而森林草甸和亞高山草甸的草地生態(tài)系統(tǒng)處于健康狀態(tài)。

圖4 不同月份草地類型健康評價指標比較

2.4 不同月份不同海拔的草地變化特征

青河林區(qū)不同月份不同海拔的草地健康變化如圖5所示，在海拔1 200～2 400 m范圍內(nèi)，草地生態(tài)系統(tǒng)健康各項指數(shù)V、O、R和VOR值隨海拔上升，變化趨勢不明顯，9月份的R值有明顯下降趨勢，6月份青河林區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)VOR指數(shù)隨海拔增加略有上升趨勢，而9月份略有下降，VOR指數(shù)分布較為分散，在0.75～1之間占了80%左右，在0～0.75之間分布占到了20%左右。青河林區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康的各項指標顯示，6月份和9月份草地的組織力指數(shù)分布較為集中，在0.75～1之間占了94%左右；活力指數(shù)和恢復(fù)力指數(shù)分布范圍廣，其中活力指數(shù)在0.75～1之間占61%左右，在0～0.75之間占39%左右，恢復(fù)力指數(shù)在0.75～1之間占75%左右，在0～0.75之間占25%左右。

圖5 不同月份不同海拔草地健康指標變化狀況

3 討論

草地生態(tài)系統(tǒng)健康評價是診斷草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能失調(diào)的方法，采用完善的評價指標方法來評估草地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，對合理的草地健康管理事半功倍。采用VOR綜合指數(shù)來評價個別年份草地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況也可取得良好的評價結(jié)果，這與王立新[26]等研究結(jié)論相同。青河林區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)整體上達到了健康水平，但6月和9月有一定的差異性，這是由氣溫和降水的差異性造成的，與國內(nèi)學者[27-29]的研究結(jié)果一致。

許多研究證明適時、適當?shù)姆拍聊軌虼龠M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)的健康發(fā)展[30-31]。通過分析青河林區(qū)不同樣地草地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)，可以看出，臘斯特草地生態(tài)系統(tǒng)的健康等級為亞健康(VOR<0.75)，天保辦、奇巴哈勒蓋和東布哈林的草地生態(tài)系統(tǒng)健康等級為健康(VOR>0.75)，這是因為臘斯特草地生態(tài)系統(tǒng)本身活力、組織力和恢復(fù)力弱，且不合理的人類活動超出健康草地可以承受的范圍，導致草地系統(tǒng)功能下降。一個健康的草地生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)該是對外有較強的抵抗力，對內(nèi)有較強的恢復(fù)力，即為生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的結(jié)果[21]。

根據(jù)海拔青河林區(qū)分為森林草原、森林草甸和亞高山草甸3種類型，研究發(fā)現(xiàn)森林草原植被的生產(chǎn)能力弱、抵抗外界干擾的能力差，整體上屬于亞健康水平，原因主要是在該類型草地中樹木生長茂密，樹下沒有充足的陽光，植物不能進行光合作用合成有機物，草生長稀疏，而該類型草地中人類活動多，進一步加劇了草地的退化，這與李志剛[32]等研究放牧和光照對林下草地生產(chǎn)力的結(jié)果一致。同時也發(fā)現(xiàn)青河林區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的各項指標隨海拔變化并不明顯，可能是由于林區(qū)海拔相差不大，對同區(qū)域的植物生長影響也不明顯，說明海拔對生態(tài)系統(tǒng)健康的影響小。

4 結(jié)論

青河林區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)整體上處于健康水平，6月份草地生態(tài)系統(tǒng)健康及各指標高于9月份，物候的變化會對草地生態(tài)系統(tǒng)造成一定的差異性。除臘斯特草地生態(tài)系統(tǒng)的健康等級為亞健康(VOR<0.75)外，天保辦、奇巴哈勒蓋和東布哈林的草地健康等級為健康(VOR>0.75)。光照條件和人類活動一定程度上對植物的生長和分布有影響，森林草原的各項指標值要比森林草甸和亞高山草甸的低，且青河林區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康以及各項指標隨海拔變化不明顯，說明海拔對生態(tài)系統(tǒng)健康的影響較小。