寧夏長芒草典型草原健康評價途徑與標準試驗研究

張 信，李維軍，劉永進，胡艷莉，古曉林，姬秀云

(寧夏云霧山草原自然保護區(qū)管理處，寧夏 固原 756000)

隨著我國草地生態(tài)的不斷惡化和草地退化，草地的可持續(xù)利用、生態(tài)系統(tǒng)健康同人類的健康與生活的關(guān)系倍受人們關(guān)注，生態(tài)系統(tǒng)健康的研究與評價已成為目前及今后世界各國關(guān)注的重點與前沿之一[1-2]，是新興的生態(tài)系統(tǒng)管理學概念，已成為新的環(huán)境管理[3]和生態(tài)系統(tǒng)管理目標[4]。草地生態(tài)系統(tǒng)健康評價是國際學術(shù)界探討的熱門領(lǐng)域，對這一領(lǐng)域的研究不僅反映人類對草地生態(tài)系統(tǒng)的認識程度，也是相關(guān)領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究和社會、經(jīng)濟發(fā)展水平的綜合體現(xiàn)[5]。1994年，美國草地管理學會出版的《Rangeland Health》一書中提出“草地土壤、系統(tǒng)內(nèi)營養(yǎng)和能流等問題是評價草地健康的重要標志[6]”。同年，澳大利亞學者提出了以土壤為主要標準的草地基況評價體系[7]。任繼周等[8]以界面理論為指導，提出草地健康評價的4種狀態(tài)和3項閾值，認為在草叢-地境界面中采用草地活力、組織力和恢復力3項指標(后來增補草地基況共4項指標)，結(jié)合草地-動物界面和草畜-經(jīng)營管理界面的相關(guān)內(nèi)容，研究草地生態(tài)系統(tǒng)不同界面容量與有序結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系，確定系統(tǒng)不同的健康閾值。用草地基況法評價草地生態(tài)系統(tǒng)的健康程度，簡便易行，實際可操作性強，仍是今后一個時期評價草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的一個最主要的技術(shù)手段，尤其是在半干旱地區(qū)應用前景將會非常廣泛。

長芒草(Stipabungeana)草地是我國黃土高原半干旱地區(qū)的典型代表，面積大,地域廣。寧夏云霧山草原自然保護區(qū)是我國黃土高原上以長芒草為主的典型草原生態(tài)系統(tǒng)保留最完整、原生性最強、面積最大且集中連片分布的典型區(qū)域。經(jīng)過20多年的有效保護，草地生態(tài)系統(tǒng)已步入了良性循環(huán)，長芒草典型草原處于健康發(fā)展狀態(tài)。因此，以寧夏云霧山保護區(qū)為中心向外呈輻射狀布設(shè)監(jiān)測調(diào)查樣方，利用草地基況法研究長芒草典型草原的健康指標體系，并針對不同區(qū)域長芒草典型草原的健康狀態(tài)提出相應的管理措施和辦法，可為寧夏云霧山草原自然保護區(qū)乃至黃土高原同類地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的修復與重建、提高草地生產(chǎn)力、達到草地健康發(fā)展及可持續(xù)利用的目的提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1研究地概況 研究地設(shè)在寧夏云霧山草原自然保護區(qū)內(nèi)。保護區(qū)位于106°24′～106°28′ E，36°13′～36°19′ N，海拔1 800～2 100 m。處于中溫帶半干旱氣候區(qū)，具有典型的半干旱氣候特征。年平均氣溫5 ℃，≥0 ℃年積溫2 370～2 882 ℃·d，年日照時數(shù)為2 500 h,年平均無霜期137 d,年平均降水量411.5 mm。生態(tài)類型屬于典型的干草原生態(tài)系統(tǒng)，以草本植物為主，建群種主要有長芒草、百里香(Thymusmongolicus)、鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、大羽茅(S.grandis)等。

以寧夏固原云霧山草原自然保護區(qū)為中心，以保護區(qū)封禁20多年的長芒草典型草原為對照(核心區(qū)，36°15′27″ N,106°22′59″ E)，向保護區(qū)外圍擴展，對2個外圍[外圍1：緩沖區(qū)(36°13′49″ N,106°22′59″ E)；外圍2：試驗區(qū)(36°12′13″ N,106°24′38″ E)]及各個縣區(qū)[原州區(qū)(36°07′06″ N,106°21′51″ E)、彭陽縣(36°12′51″ N,106°34′41″ E)、隆德縣(35°42′27″ N,106°05′59″ E)、西吉縣(36°09′53″ N,105°35′17″ E)、月亮山(36°23′17″ N,105°21′55″ E)、海原縣(36°36′11″ N,106°25′56″ E)、南華山(36°26′01″ N,105°36′18″ E)、同心縣(36°59′29″ N,106°24′32″ E)、鹽池縣(37°35′53″ N,107°13′04″ E)]的草原根據(jù)指標進行測量。其中調(diào)查點的選擇依據(jù)1981年寧夏回族自治區(qū)草地資源調(diào)查[9]結(jié)果，選擇各縣區(qū)在1981年草地調(diào)查時典型草原的代表性地段為調(diào)查地點，每個調(diào)查地點調(diào)查3個樣地，每個樣地3次重復。

1.2利用草地基況法的研究內(nèi)容與方法 試驗于2008年、2009年的每年8月進行，即在草地產(chǎn)草量最高峰時進行草地調(diào)查與數(shù)據(jù)測量。以寧夏固原云霧山草原自然保護區(qū)為中心，以保護區(qū)封禁20多年的長芒草典型草原為對照，向保護區(qū)外圍擴展，分別對寧夏不同區(qū)域的長芒草典型草原群落的整體性與生態(tài)現(xiàn)況、群落結(jié)構(gòu)、水文功能與養(yǎng)分循環(huán)、區(qū)域穩(wěn)定性、有害雜草5個方面進行調(diào)查。草地基況法調(diào)查草地評分標準如表1[10]。

1.2.1整體性與生態(tài)現(xiàn)況調(diào)查 在評價草地健康時，植物種組成是最基本的指標。植物種的組成影響一個區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能的執(zhí)行及提供產(chǎn)品和服務(wù)的能力。在天然草地群落中，少數(shù)關(guān)鍵草種通常負責供給絕大多數(shù)的生物量，能夠反映生態(tài)現(xiàn)狀。在調(diào)查過程中，主要測定1 m2內(nèi)長芒草群落及整個草地群落的高度、蓋度、多度、頻度和產(chǎn)量，即四度一量，每個樣地測定3次重復。

1.2.2植物群落結(jié)構(gòu) 植物生長在不同“層”的這種特征被稱為結(jié)構(gòu)。草地的結(jié)構(gòu)層包括矮小灌木(60～100 cm)、高大草本(20～60 cm)、中等高度草本(5～20 cm)和地被植物(0～5 cm) 4層。利用目測法測定高大的禾本科與中等高度的禾本科植物。

1.2.3水文功能與養(yǎng)分循環(huán) 枯枝落葉能夠在土壤表層豎起一道防御熱流和水流的天然屏障。枯枝落葉還可減少蒸發(fā)、改善滲透以及冷卻土壤表層，從而有利于保持有限的水分。主要測定枯枝落葉量、土壤含水量和干土質(zhì)量/水質(zhì)量。

枯枝落葉主要是通過人工扒動方式從0.25 m2的代表性樣方采集所得。枯枝落葉是前幾年生長的但未被當作飼草的植物殘余物，包括直立枝條、倒伏莖葉、部分腐爛物質(zhì)。在收集枯枝落葉樣本時，不要收集當年生的草本植物。只收集以前幾個生長季形成的直立枯枝。每個樣地測4次重復。

土壤含水量采用環(huán)刀法測定。分別測定地下0～20、20～40、40～60 cm的土層水分，每土層重復3次，分層裝入塑料袋系好標簽帶回實驗室，稱取鮮質(zhì)量后在105 ℃的烘箱內(nèi)連續(xù)烘8 h，直至質(zhì)量不變時稱干質(zhì)量，求出平均值。土壤含水量用下列公式計算：

C=(W-S)/S

式中，C為土壤含水量(%)；S為干土質(zhì)量(g)；W為濕土質(zhì)量(g)。

干土質(zhì)量/水質(zhì)量主要測定0～10、10～20、20～30 cm的土壤干土質(zhì)量/水質(zhì)量，每土層重復3次。

1.2.4區(qū)域穩(wěn)定性 反映重度至極重度放牧的指標，包括糞肥、蹄印和植物根系裸露情況。現(xiàn)場調(diào)查時肉眼觀察到草地糞肥、蹄印和植物根系裸露情況非常少或幾乎沒有為輕微，有幾個為中度，比較明顯為重度。

1.2.5有害雜草 反映該區(qū)域受侵擾的程度。主要有害雜草的種類和密度著手，一個試驗點5次重復。

1.3利用模糊綜合評價法的研究內(nèi)容與方法

1.3.1長芒草典型草原進行健康評價指標確定 一個理想的指標體系必須具備3個條件[11]:1)指標之間具有可比性；2)指標表達形式簡單化；3)指標之間獨立性。根據(jù)紅梅[12]、高安社[13]的研究，在本試驗中，選擇群落蓋度、建群種長芒草地上凈生長量、凋落物質(zhì)量、土壤含水量、土壤干土質(zhì)量/水質(zhì)量作為長芒草典型草原生態(tài)系統(tǒng)健康評價理論指標體系。

1.3.2草原放牧地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價 采用模糊綜合評價方法：

表1 草地基況法調(diào)查評分標準

設(shè)不同取樣地點的處理集為：X=X1，X2，…，Xi，…，Xn，其中，元素Xi(i=1,2,…,n)是若干個可能做出的評判結(jié)果。

設(shè)各項影響草地健康的因素集為：U=U1,U2, …，Uj，…，Um，其中，元素Uj(j=1,2,…,m)是若干個影響因素。

特征矩陣為：Un×m=(Uij)n×m。

取評價的隸屬函數(shù)為：

評價矩陣R=(rij)n×m，其中，rij表示對評判對象在考慮Uj時做出評判結(jié)果Xi的程度。

取評價函數(shù)分別為：

D1=1/m×(ri1+ri2+…+rim)；

D2=max(ri1+ri2+…+rim)；

D3=min(ri1+ri2+…+rim)。

分別計算得di1，di2，di3，令U1=(D1，D2，D3)，R=F(X×U1)，即

R1D1D2D3X1d11d12d13X2d21d22d23????Xndn1dn2dn3

再令D=1/3×(di1+di2+di3)。

計算最后評判指標di并做出評價。其中，對照區(qū)為健康草地，d=1;各個取樣地點評價的系數(shù)在0～1，系數(shù)越接近1，草地越接近健康狀態(tài)。

1.4統(tǒng)計方法 通過Excel整理、分析調(diào)查數(shù)據(jù)，利用草地基況法(Range Condition，RC)和模糊綜合評價2種方法對長芒草典型草原進行健康評價。

2 結(jié)果與分析

2.1利用草地基況法對長芒草典型草原進行健康評價

2.1.1草地基況法調(diào)查評分 測量草地基況的各項評價指標，并對長芒草典型草原進行健康評價，分級標準及各個處理得分見表2～5所示。

表2 寧夏長芒草典型草原生態(tài)現(xiàn)況調(diào)查得分

表3 寧夏長芒草典型草原群落結(jié)構(gòu)、水文功能與養(yǎng)分循環(huán)調(diào)查得分

表4 寧夏長芒草典型草原區(qū)域穩(wěn)定性調(diào)查得分

表5 寧夏長芒草典型草原有害雜草調(diào)查得分

2.1.2草地基況法健康評價 根據(jù)草地基況法對草地打出的分數(shù)得出長芒草典型草原健康評價狀況(表6)。其中區(qū)域分數(shù)是各個測定點在整體性與生態(tài)現(xiàn)況、群落結(jié)構(gòu)、水文功能與養(yǎng)分循環(huán)、場區(qū)穩(wěn)定性、有害雜草5個方面的調(diào)查評分總和。

對照、外圍1、月亮山、南華山的草地處于健康狀態(tài)，外圍2、原州區(qū)、彭陽縣、隆德縣、西吉縣、鹽池縣的草地處于健康但有問題狀態(tài)，海原縣、同心縣的草地處于不健康狀態(tài)。

2.2利用模糊綜合評價方法對長芒草典型草原進行健康評價 模糊綜合評價法[14]是建立在模糊數(shù)學理論[15]基礎(chǔ)上的一種預測和評價方法。它的特點在于其評價方式與人們的正常思維模式很接近，用程度語言描述對象。

表6 長芒草典型草原健康評價狀況

2.2.1長芒草典型草原評價指標測定結(jié)果 在長芒草典型草原中測定的土壤含水量、土壤干土質(zhì)量/水質(zhì)量數(shù)據(jù)如表7所示。由于月亮山屬于西吉縣,南華山屬于海原縣,因此只測定了西吉縣和海原縣的數(shù)據(jù)。

2.2.2長芒草典型草原健康評價 以野外調(diào)查獲得的群落蓋度、建群種地上凈生長量、凋落物質(zhì)量、土壤含水量、土壤干土質(zhì)量/水質(zhì)量為因素集，對照(核心區(qū))、處理1(外圍1、月亮山、南華山)、處理2(外圍2、原州區(qū)、彭陽縣、隆德縣、西吉縣、鹽池縣)、處理3(海原縣、同心縣)為處理集，對長芒草的健康程度進行模糊綜合評價。

表7 長芒草典型草原土壤含水量、土壤干土質(zhì)量/水質(zhì)量

模糊綜合評價特征矩陣為U4×5=(Uij)4×5,即：

評價矩陣R=(rij)4×5

從評價矩陣R可以得到長芒草典型草原不同區(qū)域的群落蓋度、建群種地上凈生長量、凋落物質(zhì)量、土壤含水量、土壤干土質(zhì)量/水質(zhì)量5個單因子的差異性健康系數(shù)。

R1=F(X×U1)，即：

R1D1D2D3X11.000 01.000 01.000 0X20.890 00.967 30.800 0X30.708 71.019 50.310 9X40.508 91.088 50.085 3

模糊綜合評價系數(shù)(差異性健康綜合系數(shù)):

d1 1.000 0對照d20.885 8處理1d3 0.679 7處理2d4 0.560 9處理3

從模糊綜合評價系數(shù)可以看出，寧夏長芒草典型草原差異性健康綜合系數(shù)為1.000 0，處理1為0.885 8，處理2為0.679 7，處理3為0.560 9。紅梅[12]研究結(jié)果表明，草地健康水平定量地劃分為健康、亞健康和不健康3個等級，相應的綜合健康指數(shù)分別為(1.00～0.85)、(0.85～0.65)、(0.65～0)。因此，對照、處理1為健康草地，處理2為亞健康草地，處理3為不健康草地。

2.3寧夏草地健康評價標準體系 將寧夏草地劃分為健康、健康但有問題、不健康3個等級，健康評價指標從5個方面來闡述，即1 m2樣方內(nèi)的總蓋度和總產(chǎn)量、分層層數(shù)、枯枝落葉量、穩(wěn)定性、有害雜草，評價結(jié)果如表8所示。

表8 寧夏草地健康評價標準

3 小結(jié)

本試驗以寧夏固原云霧山草原自然保護區(qū)為中心向外呈輻射狀布設(shè)監(jiān)測調(diào)查樣方，利用草地基況法和模糊綜合評價2種方法對寧夏長芒草典型草原進行健康評價，并在評價的基礎(chǔ)之上提出寧夏長芒草典型草原健康評價標準體系。

1)草地基況法的評價結(jié)果：對照、外圍1、月亮山、南華山的草地處于健康狀態(tài)，外圍2、原州區(qū)、彭陽縣、隆德縣、西吉縣、鹽池縣的草地處于健康但有問題狀態(tài)，海原縣、同心縣的草地處于不健康狀態(tài)。

2) 模糊綜合評價法的評價結(jié)果：對照、處理1(外圍1、月亮山、南華山)為健康草地，處理2(外圍2、原州區(qū)、彭陽縣、隆德縣、西吉縣、鹽池縣)為亞健康草地，處理3(海原縣、同心縣)為不健康草地。

3)草地基況法和模糊綜合評價2種方法的評價指標不同，但結(jié)果卻大致相同，即對照、外圍1、月亮山、南華山的草地為健康草地；外圍2、原州區(qū)、彭陽縣、隆德縣、西吉縣、鹽池縣的草地為亞健康狀態(tài)；海原縣、同心縣的草地為不健康草地。其中草地基況法沒有考慮土壤的指標，這也是其方法的缺陷；而模糊綜合評價法所選用的評價指標是借鑒前人的研究成果，得出的研究結(jié)果需要進一步的驗證和完善。

4)寧夏草地健康評價標準體系將寧夏長芒草典型草原劃分為健康、健康但有問題、不健康3個等級，健康評價指標從5個方面來闡述。當前，草地健康評價是國內(nèi)外草地管理技術(shù)發(fā)展的方向和趨勢，在本試驗中對寧夏草地健康評價的指標和方法作了初步探討，所建立的評價體系還需要與實踐結(jié)合，再進一步完善和補充。

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