人為干擾對阿爾泰山林地和草地生態(tài)系統(tǒng)健康影響分析

羅騰峰，葉 茂，殷錫凱，徐海量，徐福軍

(1.阿爾泰山國有林管理局阿勒泰分局，新疆 阿勒泰 836500；2.新疆師范大學 地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054；3.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011；4.阿爾泰山國有林管理局，新疆 阿勒泰 836500)

地球生態(tài)系統(tǒng)健康是人類可持續(xù)發(fā)展的重要前提[1]。眾多學者對不同類型生態(tài)系統(tǒng)健康進展和方法等進行探討[2-6]，鑒于生態(tài)系統(tǒng)類型的多樣性及復雜性，不同生態(tài)學家提出了不同評價方法，如VOR指數評價模型[7-8]、CVOR評價模型[9-10]、PSR評價模型[11-12]、指數評價法[11]、層次分析法[13-14]、模糊綜合評價法[15]和聚類分析法[16]等。其中，Constanza等[17]提出的VOR指數評價方法于1999年被國際生態(tài)系統(tǒng)健康大會接受為生態(tài)系統(tǒng)健康診斷指標，并且運用到實踐中。由于該模型從生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)能力角度綜合評價生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，許多學者應用 VOR模型進行了森林和草地生態(tài)系統(tǒng)健康的評價和診斷[14,18 ]。

阿爾泰山是歐亞大陸腹地物種保存十分完整的天然基因庫之一，自然資源豐富，草場優(yōu)良，森林廣闊，是新疆極其重要的生態(tài)屏障，在新疆未來的社會經濟發(fā)展中處于重要戰(zhàn)略地位[19-20]。近年來，阿爾泰山林地和草地受人類活動的開發(fā)、粗放管理等影響，存在林地、草地退化和生態(tài)環(huán)境質量下降問題。阿爾泰山林地草地的研究主要集中在群落物種多樣性[21-22]、生態(tài)環(huán)境問題等方面[23]。關于阿爾泰山林地草地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的研究較少，了解林地和草地的健康狀況，對林地和草地功能的發(fā)揮起到關鍵作用，以及對林地和草地健康生態(tài)系統(tǒng)進行評價，有利于林地和草地保護和管理。鑒于此，本文以阿爾泰山林地和草地為研究對象，通過野外大范圍大量樣地調查，采用VOR指數模型對林地和草地生態(tài)系統(tǒng)健康進行評價。根據典型林區(qū)受不同人為活動干擾方式(放牧、旅游和廢棄礦)對林地和草地生態(tài)系統(tǒng)健康變化，分析人為干擾對林地和草地生態(tài)系統(tǒng)健康的影響，可為阿爾泰山各林區(qū)林地和草地管理與生態(tài)系統(tǒng)恢復提供參考。

1 研究區(qū)概況

阿爾泰山脈，呈西北—東南走向，中國境內的阿爾泰山為中段南坡，山體長達500 km(圖1)。氣候屬于典型的溫帶大陸性氣候，年平均降水量194.2 mm(1959-2012年)，年平均氣溫為4.6 ℃(1959-2012年)，最熱月7月的平均氣溫為21.7 ℃，最冷月12月的平均氣溫為15.3 ℃夏季溫暖濕潤，冬季嚴寒干燥[24]。阿爾泰山草地資源豐富，在600～2 600 m范圍內由下至上的植被分布大致為：荒漠草原、森林草原、森林草甸、亞高山草甸和高山草甸。山區(qū)土壤類型呈明顯的帶狀分布，由上到下依次為：冰沼土、高山草甸土、亞高山草甸土、生草灰化土、灰色森林土、黑鈣土、栗鈣土和棕鈣土等[25-26]。

圖1 研究區(qū)概況

2 研究方法

2.1 森林和草地調查方法

阿爾泰山林區(qū)人為干擾主要包括放牧、旅游和開礦3種形式。2019年6月和9月在受人為干擾的布爾津、阿勒泰和富蘊3個林區(qū)分別設置樣地。以牧道、旅游地和廢棄礦區(qū)3個樣地為中心，向外布設的3條輔射狀監(jiān)測樣帶。樣帶長度1 000～2 000 m。離樣帶起點越遠，代表人為干擾越少。在牧道和旅游地的每條樣帶上，每隔200 m內設20 m×20 m的大樣方。在礦區(qū)3條樣帶上，每隔100 m設置20 m×20 m的大樣方。在大樣方內進行喬木監(jiān)測，監(jiān)測指標包括：樹種、數量、疏透度、樹木高度、長勢、冠幅和胸徑等。在大樣方內，隨機設置3個1 m×1 m的草地樣方。每個草地樣方內，詳細測量和記錄內草種類、數量、高度和蓋度等，同時記錄經緯度及海拔高度基本信息。監(jiān)測完后，對每個樣方內采用刈割法，稱取每個物種的地上生物量鮮重。

2.2 VOR生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型

VOR模型由活力(Vigor，公式中用V表示)、組織結構(Organization，公式中用O表示)、恢復力(Resilience，公式中用R表示)3個指標來綜合反映，即VOR模型，其計算公式為：

VOR=WV×V+WO×O+WR×R

(1)

2.3 生態(tài)系統(tǒng)健康等級劃分標準

森林健康等級劃分參考張秋根等[27]的森林生態(tài)環(huán)境健康評價中的劃分范圍，按基本等量和就近取整的原則，將健康指數VOR值細分為5個等級，等級劃分范圍為[0，1]，草地生態(tài)系統(tǒng)健康等級是結合國內對寒區(qū)旱區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康等級劃分方法，利用四分法將生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)指數劃分為4 個不同等級，據此來評價草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況(表1)。

表1 森林和草地生態(tài)系統(tǒng)健康評價等級劃分

3 結果與分析

3.1 森林和草地生態(tài)系統(tǒng)健康各項指標評價

阿爾泰山的布爾津、阿勒泰和富蘊3個林區(qū)林地和草地活力(V)、組織力(O)、恢復力(R)和健康指數(VOR)計算結果如圖2和圖3所示。阿勒泰林區(qū)林地生態(tài)系統(tǒng)健康值VOR>0.85，處于非常健康狀態(tài)。其中林地V和O值均高于0.85非常健康標準，可見林地活力和恢復力整體水平高。富蘊林區(qū)林地健康指數0.70.7)而林地活力和恢復力均處于亞健康的臨界狀態(tài)(V和R=0.56)。

圖2 阿爾泰山林地生態(tài)系統(tǒng)健康指數整體評價

圖3 阿爾泰山不同林區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康指數

整體上，阿勒泰林區(qū)和布爾津林區(qū)草地處于健康狀態(tài)(VOR>0.75)，而富蘊林區(qū)草地處于不健康狀態(tài)。阿勒泰林區(qū)草地的V值和R值均大于0.75的健康標準，說明草地的活力和恢復力整體水平較高，其中草地組織能力最強(O>0.9)，草地系統(tǒng)結構比較穩(wěn)定。布爾津林區(qū)的草地健康指標VOR為0.752，處于健康的臨界狀態(tài)。主要體現在其草地的活力和恢復能力較低(<0.70)。富蘊林區(qū)草地的不健康狀態(tài)也主要表現草地活力和恢復能力低，雖然草地組織力處于健康狀態(tài)(R>0.75)，但也不能改變草地不健康狀態(tài)。

3.2 旅游活動對森林和草地生態(tài)系統(tǒng)健康的影響

選擇布爾津林區(qū)的人為干擾強烈的喀納斯旅游區(qū)和旅游活動干擾少的對比樣地，分析旅游活動對林地生態(tài)系統(tǒng)健康的影響。圖4表明，布爾津林區(qū)內，旅游活動人為干擾較少的禾木山地、賈登峪山地和喀納斯河谷樣地的林地處于健康狀態(tài)(VOR>0.7)。而喀納斯旅游區(qū)林地處于不健康狀態(tài)。說明布爾津林區(qū)旅游活動對林地生態(tài)系統(tǒng)影響顯著。

圖4 布爾津林區(qū)旅游對林地生態(tài)系統(tǒng)健康影響

圖5可知，布爾津林區(qū)喀納斯旅游樣地內的草地VOR>0.75，處于健康狀態(tài)，而禾木、賈登峪山地和喀納斯河谷的草地均處于不健康狀態(tài)(0.5

圖5 布爾津林區(qū)旅游活動對草地生態(tài)系統(tǒng)健康影響

3.3 放牧對林地和草地生態(tài)系統(tǒng)健康影響

選擇阿勒泰林區(qū)和富蘊林區(qū)人為干擾強烈的牧道和放牧干擾少的對比樣地，分析放牧對草地生態(tài)系統(tǒng)健康的影響。圖6和圖7表明，阿勒泰林區(qū)牧道樣地的草地生態(tài)系統(tǒng)的活力、組織力、恢復力及VOR均>0.75，說明草地生態(tài)系統(tǒng)處于健康狀態(tài)。

圖6 阿勒泰林區(qū)放牧對草地生態(tài)系統(tǒng)健康影響

圖7 富蘊林區(qū)放牧對森林和草地生態(tài)系統(tǒng)健康影響

富蘊林區(qū)牧道樣地的草地生態(tài)系統(tǒng)的組織力、恢復力及VOR均>0.75，但活力<0.6，說明富蘊林區(qū)組織力、恢復力均處于健康狀態(tài)，活力較差，但總體處于健康狀態(tài)。

3.4 開礦對草地生物量及生態(tài)系統(tǒng)健康影響

以富蘊縣的廢棄礦區(qū)為例，選擇3個樣地做草地樣帶調查，結果如圖8所示。這3個樣帶的草地生態(tài)系統(tǒng)的健康VOR值為0.83，處于健康狀態(tài)。其他各項指標V、O和R值均>0.75，達到草地生態(tài)系統(tǒng)健康標準。

圖8 富蘊礦草地生態(tài)系統(tǒng)健康指數

3.5 人為干擾對草地生物量及多樣性的影響

以富蘊林區(qū)庫依至沙庫爾布拉克的礦區(qū)廢棄地周圍的草地植被調查為例，分析礦區(qū)3個樣帶對周圍植被的影響(圖9)。由圖9可以看出，隨著離礦區(qū)距離的增加，草地的總生物量出現下降趨勢。草地總蓋度在300 m處增加到最高值，300 m以后，隨著距離的增加開始出現明顯下降趨勢。從草地物種多樣性看，距離礦區(qū)300 m前后，草地的豐富度、多樣性和均勻度變化較大。距離礦區(qū)300 m以內，草地多樣性和豐富度隨著離礦區(qū)距離的增加而出現下降趨勢，300 m以外，隨著離礦區(qū)距離的增加而出現不同程度的增加趨勢。而草地均勻度指數隨著距離的增加而出現緩慢增加，在距離400 m處達到最高值。在400 m以外，均勻度指數開始出現下降趨勢。

圖9 富蘊林區(qū)開礦廢棄地植被生物量、總蓋度和多樣性統(tǒng)計

以阿勒泰林區(qū)為例，分析旅游活動和放牧對不同時期草地生物量和多樣性影響(圖10、圖11)。從旅游活動影響看，6月和9月的生物量差異顯著。6月份值為125.20 g/m2，9月份降低為55 g/m2，但6月和9月草地多樣性差異不顯著(P>0.05)?？梢?，旅游區(qū)游客對草地的多樣性影響不大，但受到游客踐踏的影響，草地的生物量有所下降。從牧道兩側草地變化看，6月和9月，牧道兩側草地生物量和多樣性差異極其顯著(P<0.05)。6月份牧道兩側草地的生物量為264.95 g/m2，9月份降低到157 g/m2。物種的豐富度也從6月份的0.63下降到0.18，Simpson多樣性指數從0.58下降到0.44。

圖10 阿勒泰林區(qū)人為干擾區(qū)不同月份草地生物量對比

圖11 阿勒泰林區(qū)人為干擾區(qū)不同月份草地物種多樣性對比

3.6 不同人為干擾方式對草地生態(tài)系統(tǒng)健康影響差異性

以阿爾泰山布爾津和阿勒泰旅游區(qū)為例，分析人為干擾區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)。圖12表明，布爾津和阿勒泰旅游區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的活力(V)、組織力(O)、恢復力(R)及VOR均>0.75，而且2個旅游區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)健康的各項指標差異不顯著(P>0.05)，說明這2個旅游區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)處于健康狀態(tài)，差異不大。阿勒泰山旅游區(qū)草地組織力指數(O)遠高于布爾津旅游區(qū)的草地組織力指數(O)，因此，阿勒泰旅游區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)健康水平要高于布爾津旅游區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)健康水平。

圖12 阿勒泰和布爾津林區(qū)旅游樣地草地健康指數對比

對比阿勒泰林區(qū)和布爾津林區(qū)不同人類活動干擾區(qū)(旅游區(qū)和牧道)草地生態(tài)系統(tǒng)健康各項指數分析，結果如圖13所示。整體上，2種不同人類活動干擾方式下草地生態(tài)系統(tǒng)健康各項指標均>0.75，說明不同人類活動干擾方式下的草地生態(tài)系統(tǒng)處于健康狀態(tài)。不同人類活動干擾方式下的林區(qū)草地健康水平的排序為牧道>旅游區(qū)。因此更應該注重旅游區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的保護和可持續(xù)利用。

圖13 阿勒泰、布爾津林區(qū)旅游和牧道樣地草地健康指數對比

對比阿爾泰山不同人類活動干擾區(qū)(牧道、旅游和礦區(qū))草地生態(tài)系統(tǒng)健康各項指數分析，結果如圖14所示。整體上，3種不同人類活動干擾方式下草地生態(tài)系統(tǒng)健康各項指標均>0.75，說明不同人類活動干擾方式下的草地生態(tài)系統(tǒng)處于健康狀態(tài)。4個指標處于組織力(O)指標外，在不同人類活動干擾方式下，草地其他3個指標差異不顯著。說明這3種人類活動干擾對草地的影響差異不大。不同人類活動干擾方式下的林區(qū)草地健康水平的排序為牧道>礦區(qū)>旅游區(qū)。因此更應該注重旅游區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的保護和可持續(xù)利用。

圖14 阿爾泰山不同人類活動干擾區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康指數對比

對于阿勒泰林區(qū)內的草地而言(圖15)，旅游樣地的草地生態(tài)系統(tǒng)的活力、組織力、恢復力及VOR均>0.75，說明草地生態(tài)系統(tǒng)處于健康狀態(tài)，與其他樣地(非旅游區(qū))的VOR差異不大。

圖15 阿勒泰林區(qū)旅游活動對草地生態(tài)系統(tǒng)健康影響

4 結論

阿勒泰林區(qū)和富蘊林區(qū)的林地處于健康狀態(tài)，布爾津林區(qū)林地處于亞健康狀態(tài)。阿勒泰林區(qū)和布爾津林區(qū)草地處于健康狀態(tài)，而富蘊林區(qū)草地處于不健康狀態(tài)。

布爾津和阿勒泰旅游區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)處于健康狀態(tài)，而布爾津林區(qū)旅游區(qū)林地處于不健康狀態(tài)。牧道和旅游區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)均處于健康狀態(tài)，牧道草地健康水平高于旅游區(qū)。

阿勒泰林區(qū)受旅游活動影響，6月和9月的生物量差異顯著，旅游區(qū)游客對草地的多樣性影響不大，受到游客踐踏的影響，草地的生物量有所下降。從牧道兩側草地變化看，6月和9月，牧道兩側草地生物量和多樣性差異極其顯著。

富蘊林區(qū)，隨著離礦區(qū)距離的增加，草地的總生物量出現下降趨勢，同時草地總蓋度在300 m處增加到最高值。在距離礦區(qū)300 m前后，草地的豐富度、多樣性和均勻度變化較大。

牧道、旅游和礦區(qū)3種不同人類活動干擾方式下的草地生態(tài)系統(tǒng)處于健康狀態(tài)。不同人類活動干擾方式下的林區(qū)草地健康水平的排序為牧道>礦區(qū)>旅游區(qū)，因此更應該注重旅游區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的保護和可持續(xù)利用。