基于地面調查的植被生態(tài)質量綜合評估指標體系構建

張 琳,宋創(chuàng)業(yè),袁偉影,賈 元,2,桑佳文,2,吳冬秀,*

1 中國科學院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點實驗室,北京 100093 2 中國科學院大學,北京 100049

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展,人口不斷增加,人類對自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾不斷加劇,已經(jīng)極其顯著的改變了地球生態(tài)系統(tǒng)[1—2]。我國生態(tài)系統(tǒng)質量總體上也不容樂觀,存在一定區(qū)域結構性退化,如單一喬木型森林偏多,濕地連通性降低,過牧導致草原退化,生物多樣性降低等[3—7]。因此,對生態(tài)系統(tǒng)質量進行科學評估,進而采取有效措施提升生態(tài)系統(tǒng)質量及其穩(wěn)定性成為我國生態(tài)文明建設的迫切任務[8]。國內外學者在不同尺度,圍繞生態(tài)環(huán)境、健康、質量等評估方面做了很多的研究。美國、英國、澳大利亞和歐洲等分別從省或州的尺度開展了大量研究工作,并將評估結果與生態(tài)保護、國家政策法案制定相結合[9—13]。在我國,1960年任繼周等依據(jù)放牧草地的植被等特征,對生態(tài)系統(tǒng)結構與功能進行退化定性分級評估[14]。后來在水體、流域、城市等與人類活動密切相關的生態(tài)系統(tǒng)質量評估方面取得了很好的進展[3—5,15—18]。不同的應用目標和不同時空尺度的生態(tài)學應用評估,形成了復雜的測度和評估的指標體系,不同區(qū)域間評估結果的可比性差,或同一區(qū)域不同時期間評估結果難以比較,難以開展區(qū)域和國家尺度的集成研究,同時也難以滿足快速評估關鍵區(qū)域或國家尺度生態(tài)系統(tǒng)質量的需求[19—21]。于貴瑞等系統(tǒng)梳理了生態(tài)系統(tǒng)質量的科學概念及其評估方法,指出從生態(tài)系統(tǒng)構成要素出發(fā),制定針對生態(tài)系統(tǒng)構成要素的質量評價標準和指標,是探索典型生態(tài)系統(tǒng)質量狀態(tài)及演變的有效途徑之一[19]。

植被作為生態(tài)系統(tǒng)重要的構成要素,它聯(lián)結著大氣、水分和土壤等自然過程,對生態(tài)系統(tǒng)結構和功能產(chǎn)生重要的影響,是影響生態(tài)質量最核心的要素和最重要指示器[3,18],也是改善生態(tài)系統(tǒng)質量、增加碳匯、減緩氣候變化的最佳途徑[20]。因此,植被生態(tài)質量是生態(tài)系統(tǒng)質量和實現(xiàn)“雙碳”目標最核心的保障。在生態(tài)系統(tǒng)質量評估中采用的植被生長狀況及其生長活力的因子較多,例如植被歸一化指數(shù)(NDVI)、植被覆蓋度、葉面積指數(shù)、凈第一性生產(chǎn)力、生物量等[3,5,16]。然而,很多植被指標是通過遙感反演或者氣象指數(shù)模型計算得到的,植被地面觀測數(shù)據(jù)更直接、更準確,數(shù)據(jù)也很豐富,卻很少用于生態(tài)質量評價,也缺乏系統(tǒng)的評價指標體系?；诘孛嬲{查的實測數(shù)據(jù)更為真實,隨著國家野外臺站網(wǎng)絡多年的基礎數(shù)據(jù)積累,以及大量的基礎調查項目數(shù)據(jù)積累,可以為植被生態(tài)質量評估提供很好的數(shù)據(jù)源支撐。因此,本文擬比較不同指標體系間共性與差異性,通過文獻研究、專家研討和問卷調查,并借鑒國內外相關研究和理論基礎,建立一套基于地面調查的植被生態(tài)質量綜合評估指標體系,服務于典型生態(tài)系統(tǒng)尺度質量綜合評估,為我國生態(tài)系統(tǒng)保護和可持續(xù)性利用提供科學依據(jù)。

1 植被生態(tài)質量評估指標體系的研究現(xiàn)狀

植被生態(tài)質量的評估可以分為定性和定量評價兩種,定性評價一般為單個指標的大小或優(yōu)劣程度來反應生態(tài)質量好壞[22—24]；而定量評價則采取公式或模型所建立的指標體系進行計算,根據(jù)計算結果對生態(tài)質量進行分級評價[3—6]。生態(tài)質量評估指標研究進展可以分為以下3個階段：最初的單個指示物種指標,后續(xù)發(fā)展為植被結構或功能的個別關鍵指標,目前采用多層級多個指標綜合評價方法的越來越多。

1.1 指示物種指標

采用優(yōu)勢種、指示物種和環(huán)境敏感物種等的變化來描述植物群落的健康或質量的狀況[22]。有研究認為優(yōu)勢種數(shù)量減少是生態(tài)系統(tǒng)受到擾動的標志之一,其分布面積可以評價植被生態(tài)質量[23]；在草地群落退化研究方面,退化指示植物種相對數(shù)量是退化分級的重要指標,一些退化指示物種經(jīng)常作為退化標志[24,25]；在森林生態(tài)系統(tǒng)質量評價中,采用優(yōu)勢植物、敏感植物、特有植物等作為指示類群[26—28]；在水生生態(tài)系統(tǒng)質量評價中最常用的指示類群有藻類等浮游植物[29]。指示物種法雖然應用較多,但是也存在很多對指示物種篩選標準不一致的質疑[30],也有研究指出指示物種的變化與整個群落或生態(tài)系統(tǒng)的功能、性質的變化相關性很小[31]。

1.2 結構或功能關鍵指標

依據(jù)單個或幾個可以表征植物群落某一方面結構或者功能的指標來表征植被生態(tài)質量。最常見的是用植被覆蓋度、歸一化植被指數(shù)、生物量等植被參數(shù)對植被質量或保護成效進行快速評估[32—33]。肖洋等基于生物量和植被覆蓋度對內蒙古植被生態(tài)質量狀況進行分析,用各植被地帶內頂極群落作為參照,評估氣候、人類活動與植被生態(tài)質量現(xiàn)狀的相關關系[18]。丁肇慰等分別采用相對生物量密度評估長江流域的森林、灌叢生態(tài)質量,采用相對植被覆蓋度評估區(qū)域內草地生態(tài)質量[16]。錢拴等利用凈初級生產(chǎn)力和覆蓋度2個植被參數(shù)共同構建植被生態(tài)質量指數(shù)模型,利用年際對比和多年變化趨勢評價模型,對全國植被生態(tài)質量的時空變化進行評價研究[3]。植被結構或功能關鍵指標可以很快速的評價植被生態(tài)質量,尤其是在區(qū)域和全國尺度的生態(tài)質量評價中的應用較多,但大部分研究采用的都是基于遙感數(shù)據(jù)的評估指標,而遙感數(shù)據(jù)或模型計算手段得到的森林覆蓋度、生物量、生產(chǎn)力都普遍偏高[28],也存在著與指示物種法類似的缺點,即無法全面反應植被生態(tài)質量,如覆蓋度高,但物種多樣性低或毒草比例高,則生態(tài)系統(tǒng)質量不一定高；結構單一的森林與多樣性高的森林,即使生產(chǎn)力相當,其生態(tài)質量也必然不同。

1.3 綜合指標體系

隨著研究發(fā)展,綜合指標體系被越來越多的采用,在植被結構和功能特征核心指標基礎上,綜合生物多樣性、外部干擾和社會經(jīng)濟等多方面因素,構建多個層級、多個指標的更全面的綜合評價指標體系。劉紀遠等基于聯(lián)合國新千年全球生態(tài)系統(tǒng)評估概念框架,從結構、功能方面構建了由4大類15個一級指標、75個二級指標組成的三江源區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)評估指標體系,其中植物群落結構特征指標、植被生產(chǎn)力與生物量指標,以及草地退化指標等是重要的一級指標[34]。羅海江等從植被生產(chǎn)能力(NDVI估算)、植被生產(chǎn)能力穩(wěn)定性(NDVI變異系數(shù))、外部干擾(人口壓力)三個方面構建綜合生態(tài)系統(tǒng)的質量指數(shù)[6]。周亞萍等認為生態(tài)質量可以從多樣性、自然度等方面通過各指標加權值綜合評價,尤其是生物多樣性是生態(tài)質量的最重要指標[35]。生態(tài)環(huán)境部2015年頒布的《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范》中區(qū)分環(huán)境指標與生態(tài)指標,其中生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)是生態(tài)指標的重要內容,環(huán)境突發(fā)事件和污染等開發(fā)干擾是環(huán)境指標的重要內容,通過綜合指數(shù)反映區(qū)域生態(tài)質量整體狀態(tài)[36]。此外,國家重點生態(tài)功能區(qū)縣域生態(tài)環(huán)境質量考核評價指標體系中,針對生物多樣性保護功能區(qū),將生物豐度指數(shù)作為特征指數(shù),針對防風固沙和水土保持功能區(qū)將植被覆蓋指數(shù)、林地/草地/濕地覆蓋率等作為特征指標[37]。2021年10月生態(tài)環(huán)境部為了強化生態(tài)保護監(jiān)管,組織編制了《區(qū)域生態(tài)質量評價辦法(試行)》,該綜合評價指標體系將生物多樣性納入綜合指標,包括生態(tài)格局、生態(tài)功能、生物多樣性和生態(tài)脅迫4個一級指標,11個二級指標和18個三級指標[38]。綜合指標體系從多方面多層級進行系統(tǒng)、全面、完整的評估,然而指標體系都較為復雜,指標的量化和數(shù)據(jù)可獲得性往往受限,很難實現(xiàn)快速評估的需要。

綜上所述,無論是指示物種、結構和功能關鍵指標還是綜合指標體系(表1),都是從不同方面反映生態(tài)系統(tǒng)中植被質量特征,但由于植被所處生態(tài)系統(tǒng)的復雜性和時空變異性,以及評價目的不同、方法的可操作性和數(shù)據(jù)的可獲得性等影響,使得不同指標體系之間的一致性[19—21]較差,然而為了滿足植被生態(tài)質量快速評估的需要,必須建立一套具有可比性、可獲取性和定量性指標體系。何念鵬等提出以國家公園、自然保護區(qū)和野外臺站積累的實地觀測數(shù)據(jù)作為理想?yún)⒄障?精選關鍵評估指標構成綜合評價指數(shù),從而實現(xiàn)對生態(tài)質量的快速評估,這為快速評估植被生態(tài)質量的指標體系構建提供了很好的思路[21]。

2 植被生態(tài)質量概念與綜合評估指標體系構建框架

生態(tài)系統(tǒng)質量一般認為是指一定時空范圍內生態(tài)要素、結構和功能的綜合特征,具體表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)的狀況、生產(chǎn)能力、結構和功能的穩(wěn)定性、抗干擾和恢復能力[8,19,21]。植被生態(tài)質量是生態(tài)系統(tǒng)質量的重要構成要素之一,其科學內涵可以理解為在典型生態(tài)系統(tǒng)中,植被結構和功能的綜合特征,具體表現(xiàn)為植被的結構狀況、物質生產(chǎn)能力、生物多樣性、抗干擾和恢復能力。

根據(jù)植被生態(tài)質量概念,借鑒于貴瑞等建立的典型生態(tài)系統(tǒng)尺度的生態(tài)質量評價理論[19],從不同植被的結構組成、物質生產(chǎn)、生物多樣性、發(fā)展和演替潛勢4個方面構建植被生態(tài)質量綜合評估指標體系。以地帶性演替頂極或近頂極群落為理想?yún)⒄障?對特定植被的生態(tài)質量進行多維度綜合評估[19,21]。

表1 植被生態(tài)質量評估指標體系不同發(fā)展階段的對比Table 1 Comparison of different development stages for vegetation ecological quality assessment index systems

綜合評估的尺度是一定范圍的典型生態(tài)系統(tǒng),評估對象是植被,指標體系分為三級,二級指標包括植被的結構組成、物質生產(chǎn)、生物多樣性、發(fā)展和演替潛勢,通過統(tǒng)計和模型計算得到一級指標,即植被生態(tài)質量綜合指數(shù),用綜合指數(shù)來衡量植被生態(tài)質量的好與差。在每個二級指標下,篩選可反映植被特征的核心關鍵參量,組成三級指標。

植被生態(tài)質量綜合評估在指標體系建立的基礎上,針對不同層級的指標進行合理的權重分配是保障評估結果的可靠性的關鍵。當前應用較多的權重確定方法有主成分分析法、聚類分析法、變異系數(shù)法、專家咨詢法和層次分析法等[17,38,40],層次分析法是目前使用最廣泛、可操作性較強的方法。本文基于層次分析法確定植被生態(tài)質量綜合指數(shù)Vq的計算公式如下：

(1)

式中,Vq為植被生態(tài)質量綜合指數(shù),Ai為第i個二級指標的權重,Yi為第i個二級指標的評價得分值。Yi評價得分由三級指標綜合計算得到,具體的計算和操作方法參考理想?yún)⒄障捣╗19,21],公式如下：

(2)

式中,Bj為第j個三級指標的權重,Xj為第j個三級指標相對于其所在區(qū)域的地帶性演替頂極或近頂極群落相應指標的相對值,計算公式如下：

(3)

式中,Xjs為特定植被第j個三級指標的實際觀測值,Xjp為特定植被所在區(qū)域的地帶性演替頂極或近頂極群落相應指標的觀測值。

3 植被生態(tài)質量綜合評估指標體系構建方法

3.1 指標體系構建原則與思路

植被生態(tài)質量綜合評估指標體系構建遵循以下原則：(1)科學性,指標必須能夠反映植被狀況和特點,具有科學性和代表性；(2)可比性,指標是研究和長期觀測中通用的或具有兼容性的,可以應用到不同區(qū)域或生態(tài)系統(tǒng)類型,具有可比性和一致性；(3)可操作性,指標數(shù)據(jù)必須是易獲取的、數(shù)據(jù)質量可以得到保證的、經(jīng)濟可行的,高難指標一般不選用；(4)直觀性,指標均是基于野外實際調查得到的直接指標；(5)可量化,指標可以定量化表達,或可進行分級定量；(6)長期性,指標要選擇具有長期意義的,關注長時間規(guī)律變化而非瞬時變化指標[41]。

植被生態(tài)質量綜合評估指標體系構建思路：基于上述植被生態(tài)質量綜合評估指標體系構建框架,通過文獻分析、植被逆行演替和退化特征指標分析,以及生態(tài)系統(tǒng)長期監(jiān)測生物要素指標的分析,從植物群落的結構組成、物質生產(chǎn)、生物多樣性、發(fā)展和演替潛勢4個維度遴選核心三級指標。

3.2 指標體系構建方法

通過文獻分析、專家研討和問卷調查的方法,借鑒群落退化演替和生態(tài)系統(tǒng)長期監(jiān)測研究的理論基礎,構建基于地面調查的植被生態(tài)質量綜合評估指標體系。首先采用文獻分析進行指標的初步篩選,結合逆行演替與退化理論,以及與已經(jīng)累積了大量長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的核心指標進行對比,形成指標體系的初稿,經(jīng)過廣泛的專家咨詢和交流研討,根據(jù)專家意見進行指標修訂與完善,再通過向從事野外調查的一線監(jiān)測人員收集問卷評分,對指標的實際可操作性進行咨詢完善,得到植被生態(tài)質量綜合評估指標體系。

(1)文獻分析。通過文獻分析的方法,篩選出在生態(tài)系統(tǒng)評價中出現(xiàn)頻率較高的植被指標,通過中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫進行文獻檢索,關鍵詞包括“生態(tài)系統(tǒng)質量”“生態(tài)系統(tǒng)健康”“生態(tài)質量”“生態(tài)環(huán)境質量”等,經(jīng)過篩選與自然植被評估指標相關文獻,提取核心文獻76篇中植被相關指標項,進行關鍵指標篩選,排序前14位分別為：生產(chǎn)力/生物量、植被蓋度、生物多樣性(含豐富度、特有種、稀有種等)、植被/各類生態(tài)系統(tǒng)面積、干擾強度、優(yōu)勢種、指示種、景觀破碎指數(shù)、林齡結構、入侵種、樹高、凋落物、胸徑、葉面積指數(shù)(表2)。各個指標在文獻中被采用的次數(shù)如表1所示,其中生產(chǎn)力、植被蓋度采用頻率均在50%以上,生物多樣性在40%以上。

植被蓋度/覆蓋度、優(yōu)勢種/指示種、高度、景觀破碎度、林齡結構等是植被結構的重要特征指標。生產(chǎn)力、生物量、凋落物等是反映植被物質生產(chǎn)的重要功能指標。生物多樣性在生態(tài)質量評價中的重要性也越來越受到關注,是質量評估核心的內容。干擾和災害等也是影響植被未來潛在演替和發(fā)展方向的重要指標。文獻分析結果表明,植被生態(tài)質量評估中被采用的頻率較高的指標可以分別歸類到植被結構、功能、生物多樣性和干擾等類型指標維度內。

(2)逆行演替、退化理論分析。植物群落逆行演替或者退化過程是生態(tài)質量的降低最直觀的體現(xiàn),逆行演替或退化導致群落結構簡單化、不能充分利用環(huán)境、生產(chǎn)力逐漸下降、不能充分利用地面、抗干擾能力減弱[24—25,28,42]。中國北方草地退化體現(xiàn)在植物種類組成減少、優(yōu)質禾草減少、退化指示種和毒草增加、植被覆蓋度低、斑塊破碎化、地上生物量明顯降低,因此指標從以上幾個方面進行退化分級[24—25,42]。森林植被退化過程總是朝著生物多樣性降低、原有物種消失、外來物種入侵,結構發(fā)生改變,中幼齡物種相對增加,生產(chǎn)力和生物量減少,物質和能量流動及自我調節(jié)和抗干擾能力減弱等方向發(fā)展[28]?？梢钥闯?退化和逆行演替中最受關注的特征指標也是從植被結構組成、生產(chǎn)功能、生境變化及抗干擾能力等方面進行評價,所以抓住植被退化或逆行演替階段的典型特征指標,也是快速判斷生態(tài)質量的重要依據(jù)。

(3)生態(tài)系統(tǒng)長期監(jiān)測指標體系分析。中國科學院建立的生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)定位于生態(tài)系統(tǒng)結構、功能研究與優(yōu)化管理,具有統(tǒng)一的長期生物觀測指標體系。CERN生態(tài)系統(tǒng)生物長期觀測指標體系包括生境、物種組成與物質生產(chǎn)、群落動態(tài)與物候、植被類型和空間分布等指標項,共有261個指標,自然生態(tài)系統(tǒng)占到145個,其中可量化的指標為89個。植被結構類指標在森林生態(tài)系統(tǒng)中分為喬木層、灌木層、草本層及藤本植物等分層結構,具體包括種數(shù)、蓋度、高度、胸徑、密度、葉面積指數(shù)、優(yōu)勢種等27個指標；群落物質生產(chǎn)指標包括地上各部分、凋落物及地下根系分層的鮮重和干重等30個指標；群落動態(tài)主要包括森林的幼苗更新和荒漠的種子庫等表征群落發(fā)展演替的參數(shù),以及不同物候期指標16個；其它還有元素含量、調查區(qū)面積、人口和載畜率等16個指標。國家林業(yè)局制定的森林生態(tài)系統(tǒng)長期定位觀測指標體系中,植物群落特征指標分為喬木、灌木、草本、幼樹和幼苗等分層結構,具體包括林齡、種數(shù)、高度、胸徑等10個指標,群落物質生產(chǎn)包括樹高、胸徑的年生長量及各部分生物量16個指標,群落養(yǎng)分和碳儲量等16個指標,生物多樣性包括保護植物、瀕危植物、特有植物豐富度、多樣性指數(shù)、古樹年齡指數(shù)等7個指標,其它還包括人為干擾、病蟲害、年輪、物候等指標[95]。總體上,我國已經(jīng)建立的、較為完善的生態(tài)系統(tǒng)長期觀測指標體系中,關于植被要素的指標是非常核心和系統(tǒng)的,涵蓋植被的分層結構、蓋度、高度等群落結構特征、群落物質生產(chǎn)、生物多樣性以及人為干擾、病蟲害等是長期地面調查的基礎指標,為快速評估植被生態(tài)質量提供了很好的基礎[41]。

表2 在文獻中高頻出現(xiàn)植被生態(tài)質量評價指標清單Table 2 A list of vegetation ecological quality evaluation indicators appears frequently in the literature

4 結果

在本研究構建的基于地面調查的植被生態(tài)質量綜合評估指標體系中,第一級植被生態(tài)質量綜合指數(shù)分別從群落結構指數(shù)、群落物質生產(chǎn)指數(shù)、生物多樣性指數(shù)、群落發(fā)展或者演替趨勢4個第二級指標項的加權得到,第三級為地面調查的基礎指標,每個二級指標項下對應若干三級指標,對應不同植被類型分別為12—14項(表3)。具體二級指標項和其包含的三級野外調查指標如下：

(1)群落結構指數(shù)：分別從物種組成結構、群落水平結構、垂直結構、空間結構及年齡結構幾個重要方面表征植被質量狀況。具體的第三級指標包括：優(yōu)勢種演替地位、群落分層與高度、覆蓋度/郁閉度、空間破碎程度、林齡(僅為森林指標)。

優(yōu)勢種演替地位指群落中優(yōu)勢種所處演替地位,是先鋒種、次先鋒種、過渡種、次頂極種、頂極種5個分組的哪一類,先鋒種則為質量低,頂極種則為質量高。

表3 植被生態(tài)質量監(jiān)測評價指標體系Table 3 Monitoring and evaluation index system of vegetation ecological quality

群落分層、優(yōu)勢層高度、植被覆蓋度/郁閉度分布反映植被垂直、水平結構參數(shù),是最常被采用的參數(shù)(表2)。

空間破碎程度：植被在整個樣地范圍內水平分布的破碎化程度?？臻g破碎程度是反向指標,是群落連通性的表征參數(shù),例如林窗、裸斑等。

林齡：樹木的平均年齡,是森林的年齡結構特征指標。一般分為5個等級：幼齡、中齡、近熟、成熟、過熟,干擾少的近頂極群落的林齡優(yōu)于人工林和次生林。

(2)群落物質生產(chǎn)指數(shù)：是所有評價中采用最多的群落功能參數(shù),也是植物群落最有意義的獨特屬性。具體的三級指標主要包括生產(chǎn)力、生物量、優(yōu)質牧草生物量比例和枯落物層厚度。生產(chǎn)力和生物量是最常采用的評價植被功能指標,一般情況下生物量累積越多,生態(tài)質量越高。

優(yōu)質牧草生物量比例：禾本科、豆科等優(yōu)質牧草生物量占比,僅作為草地生態(tài)質量特征指標。草地是生態(tài)和生產(chǎn)功能的集合,優(yōu)質牧草生物量比例指標是表征草地生產(chǎn)功能質量的重要參數(shù),比例越高代表生態(tài)質量一般較好。

枯落物層厚度：植物生長過程中脫落的有機物層厚度,僅作為森林、草地生態(tài)質量特征指標。森林和草地的枯落物層厚度是群落中損失的部分,厚度越高說明地上輸入越多,可供其它生物消耗的生物量也會越多,也是衡量群落物質生產(chǎn)的重要特征參數(shù)。

(3)生物多樣性指數(shù)：是生態(tài)質量評價中非常核心的指標,也被越來越多的評價研究采用。植物群落多樣性主要從群落中物種數(shù)目和個體數(shù)目分配的均勻度方面進行評估,具體三級指標主要包括：植物物種豐富度和均勻度、優(yōu)勢種豐富度、退化指示物種種類與數(shù)量。群落中所有物種數(shù)量和分布,一般采用生物多樣性指數(shù)進行計算,數(shù)值高則群落多樣性高,其穩(wěn)定性和抗干擾能力更高。

優(yōu)勢物種豐富度高則群落更穩(wěn)定,質量更好,而退化指示物種是反向指標,退化物種數(shù)量越高則群落越不穩(wěn)定,整體質量越差。這與指示物種評價法類似,可以快速判斷植被質量。

(4)發(fā)展/演替趨勢：發(fā)展/演替趨勢具體三級指標主要包括：森林為樹種更新、荒漠為種子庫、草地為放牧強度,以及火燒、鼠害/病蟲害、極端干旱、水災、外來入侵物種、砍伐開礦等非正常外力干擾強度指標。

各個生態(tài)系統(tǒng)通用的三級指標有11項,不同植被類型各自有其特征指標,森林的特征指標包括林齡、枯落物層厚度、樹種更新,草地的特征指標包括優(yōu)質牧草生物量比例、枯落物層厚度、放牧利用強度,荒漠的特征指標包括種子庫種類與數(shù)量。

5 討論

植被生態(tài)質量評價從最初的指示物種法[22—31]、關鍵指標法[32,33],發(fā)展到多個層級、多個指標的更全面的綜合評價指標體系法[6,28,34—38,40],在不同的應用目標和不同時空尺度均有應用。目前綜合評價指標體系應用最多,但是獲得系統(tǒng)、全面、完整的評估數(shù)據(jù)也為綜合評價的應用帶來了很大的挑戰(zhàn)。本研究中植被生態(tài)質量綜合評價指標體系的構建采用多維度綜合關鍵指標體系,結合了目前生態(tài)系統(tǒng)分級綜合評估的方法[6,34—38,40]和關鍵指標的方法[3,16,18,32—33,39]。一方面通過從植被不同維度特征更完整、全面的反映植被質量狀況,另一方面簡化了復雜的評價指標體系,關注最核心的指標,適用于快速、可量化的質量評估。該指標體系的二級指標從群落結構、物質生產(chǎn)、生物多樣性、群落發(fā)展或演替趨勢4個維度構建,可以表征植被的結構和功能的穩(wěn)定性、多樣性以及抗干擾和恢復能力,從而更全面反映植被生態(tài)質量。生態(tài)系統(tǒng)綜合評估目前較多采用的也是多層級綜合指標體系,一般從結構、功能、干擾脅迫、社會經(jīng)濟等方面構建綜合評估指數(shù)[6,34—38,40]。植被退化演替特征指標也多采用分級指標體系從結構組成、生產(chǎn)功能、生境變化及抗干擾能力等方面進行綜合評價[28,42]?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)長期觀測的指標體系較為全面,其最核心的植被變化的指標也是從結構、功能、生物多樣性、干擾等方面進行觀測。目前在生態(tài)質量評估中采用的很多植被指標(覆蓋度、生產(chǎn)力等)是通過遙感反演或者氣象指數(shù)模型計算得到的,可以對植被質量進行快速評估[16,18,32,33],但是對植被質量變化和更細尺度上的刻畫是缺乏的。本研究是基于地面調查的植被生態(tài)質量評估指標體系,包含了遙感或模型計算需要的地面驗證的參數(shù),如覆蓋度、生產(chǎn)力、生物量、破碎度等,也涵蓋了基于地面直接觀測的植被質量指標,如生物多樣性、優(yōu)勢種特征、林齡、優(yōu)質牧草比例等,可以有效提高植被質量評估的準確性。

在群落結構評估指標篩選方面,除最常見的分層、高度、蓋度等指標外,還提出了可以快速判斷植被質量的指標。例如：優(yōu)勢種演替地位指標,借鑒了指示物種法可以快速指示植物群落的健康或質量的狀況[22],群落中優(yōu)勢種在植被演替中的地位則更為直觀和快速,質量低的群落或演替早期往往以演替先鋒種為主,且優(yōu)勢種很不穩(wěn)定,容易隨著環(huán)境變化被過渡種替代,而質量高的群落往往優(yōu)勢種穩(wěn)定,且為地域性頂極群落代表性物種[28]。空間破碎程度一般是區(qū)域或景觀尺度的指標[22],對于群落尺度同樣適用,尤其是荒漠、草地、濕地生態(tài)系統(tǒng),植被的連通性降低,斑塊化嚴重是質量下降最明顯的特征之一[21]。林齡僅針對森林,從幼齡林、成熟林等年齡結構分級可以快速判斷植被所處演替階段或林木質量[82,95]。

群落物質生產(chǎn)指標是植被最重要的功能參數(shù),也是植物群落最有意義的獨特屬性。評價指標不僅要表征生產(chǎn)的量,還要表征質量。其中優(yōu)質牧草生物量比例是草地生態(tài)系統(tǒng)的特征指標,因為草地是生態(tài)和生產(chǎn)功能的集合,優(yōu)質牧草生物量比例指標是表征草地生產(chǎn)功能質量的重要參數(shù),比例越高代表生態(tài)質量越高[24—25,34]?？萋湮飳雍穸仁遣莸?、森林的特征指標?？萋湮飳雍穸仁巧帧⒉莸厝郝渲袚p失的部分,厚度越高說明地上輸入越多,可供其它生物消耗的生物量也會越多,也是衡量群落物質生產(chǎn)和提供物質循環(huán)的重要質量特征參數(shù)[41]。

生物多樣性指數(shù)是生態(tài)質量評價中非常核心的指標,也被越來越多的評價研究采用(表2)。在很多的大尺度的生態(tài)質量評估中多采用覆蓋度、生產(chǎn)力[3,16,18],很難關注到生物多樣性的變化,而生物多樣性往往是生態(tài)質量變化最核心的指標[35],尤其針對生物多樣性保護功能區(qū)域的生態(tài)質量評價,生物多樣性指數(shù)是最重要的特征指數(shù)[37]。植物群落多樣性主要從群落中物種數(shù)目和個體數(shù)目分配的均勻度方面進行評估。群落中物種豐富度、均勻度是最基本的2個生物多樣性指數(shù),數(shù)值高則群落多樣性高,群落穩(wěn)定性和抗干擾能力更高[83]。而優(yōu)勢種和退化指示種是群落中最具演替代表性種群,優(yōu)勢物種豐富度高則群落更穩(wěn)定,質量更好[49,89],而退化指示物種是反向指標,退化物種數(shù)量越高則群落越不穩(wěn)定,整體質量越差[22—28]。

發(fā)展/演替趨勢的指標是綜合了以往研究采用較多外界干擾或壓力的評估指標[34—38,40],以及植物群落自身演替或更新的指標,如森林的樹種更新指標,荒漠的種子庫指標。從外界干擾壓力和植物群落自身發(fā)展?jié)摿C合評估植被的發(fā)展/演替的趨勢,外界干擾強度大,會對植被質量造成負向影響,而群落自身更新快或儲存的種子庫等足夠多,也為未來恢復提供正向作用。

構建科學的綜合指標體系是客觀評價的基礎,然而量化指標從而實現(xiàn)植被生態(tài)質量快速評估是一直困擾學術界且尚未形成廣泛共識的難題[19]。定量化的評價方法實際應用往往受限于指標的閾值范圍和量化評價標準的確定,不同的生態(tài)系統(tǒng)類型,不同的評價目標導向,或者不同生態(tài)功能分區(qū)需求,使得指標的權重量化存在很大的差異和不確定性[1,19,40]。生物多樣性所占權重在生物多樣性保護功能區(qū),其必然與防風固沙和水土保持區(qū)的權重是不同的[37,68]。除了權重分配,參照系的選擇也是非常關鍵的,本研究中的三級核心指標采用的理想?yún)⒄障捣?也在很多區(qū)域評價中采用[16,18,22],即以本區(qū)域內相同類型的頂級或近頂級群落為理想?yún)⒄障?評價相對量或與其偏離程度。也有研究評價年際變化量,以多年平均值或者歷史數(shù)據(jù)作為參照系,來評估生態(tài)質量相對變化量[3,5,38]。因此,指標的量化評價和模型優(yōu)化還需要針對不同應用情景來開展更深入研究。

6 總結

本文基于植被逆行演替特征、文獻分析以及生態(tài)系統(tǒng)長期觀測指標體系,篩選植被質量評估中最核心的指標參數(shù),構建適用于典型生態(tài)系統(tǒng)尺度的植被生態(tài)質量三級綜合評價指標體系,分別從群落結構、物質生產(chǎn)、生物多樣性和發(fā)展?jié)搫?個方面進行綜合指數(shù)的構建。本文主要基于野外長期調查數(shù)據(jù)建立反映生態(tài)系統(tǒng)植被質量狀況的指標體系,因此,本研究兼顧了多層級綜合評估和關鍵指標相結合,針對植物群落野外實地調查數(shù)據(jù)構建的綜合評估體系,填補了針對中小尺度植被生態(tài)質量評估核心指標體系的空白。然而,由于植被類型的多樣性和復雜性,評價指標的量化還需要更多的數(shù)據(jù)支撐,今后還有很多方面需要進一步探索和優(yōu)化,例如,(1)植被生態(tài)質量各個指標的閾值范圍的量化評價標準,(2)評價模型方法的對比和優(yōu)化,(3)近頂級或生態(tài)功能分區(qū)作為理想?yún)⒄障档臉藴?(4)基于樣地調查的評估與遙感分析相結合,拓展到更大尺度上精確評價植被的生態(tài)質量狀況。