青海河南高寒草地生态系统健康评价

吴蓉蓉，史惠兰*，王 维，李江鹏，姚卫康，李希来

(1.青海大学 生态环境工程学院，青海 西宁 810016； 2.青海大学 农牧学院，青海 西宁 810016)

草地生态系统具有防风固沙、保土稳水、调节气候和涵养水源等重要生态功能，作为自然生态系统的组分，对维系生态平衡和地区经济具有重要价值[1].草地生态系统面积是陆地面积的24%[2].我国拥有草地面积约为3.928×108hm2，约占国土总面积的41%[3].高寒草甸主要位于在我国青藏高原和各高大山系的高山带，面积约为8.700×107hm2，占全国草地面积的22.1%，是我国面积最大的草地类型[4-5].高寒草地是青藏高原生态系统重要的组成部分，对全球的生态环境有着重大影响[6].由于海拔高和气候寒冷等因素，高寒草地的生态系统十分脆弱，对环境变化相当敏感[7].近年来，由于众多自然和人为活动的影响，如：气候变暖、过度放牧及部分地区的开荒种粮等，使得草地的退化面积日益扩大，草地生态系统受到了严重破坏[8].在长期不合理的土地资源利用下，以高寒草甸和高寒草原为主的自然植被出现了大面积的鼠虫害、沙化及退化等现象，严重地影响当地畜牧业所赖以生存发展的基础，威胁到江河流域的生态环境安全[9-10].作为长江、黄河和澜沧江的发源地三江源区草地大面积退化，严重地区成为“黑土滩”[11]，是我国草地退化严重的地区之一.因此，采取客观科学的方法建立高寒草地生态系统健康评价体系，并对高寒草地生态系统健康进行评价，兼具理论和现实意义.

1988年，任继周院士提出系统效益评价体系，确定以草业生态系统的物质和能量流向为核心[12]；1997年，李博建立了北方草地退化分级评价指标体系，主要包括植被盖度、种类组成、生物量、各植物种比例及土壤指标[13]；2002年，侯扶江构建了生理阈限双因子法，包括牧草生理低限(PLL)、生理上限(PUL)和再生长期(R期)长度/放牧期(G期)长度的比(R/G)等指标[14]，用于放牧草地生态健康评价.2002—2005年，Pellant提出草地健康评价指标与方法，用17个可观测的指标(包括裸地、表土的流失或退化、凋落物数量、年生产量等)来对草地的3个属性(土壤稳定性、水文学功能和生物群落的完整性)进行快速评价[15].虽然目前对区域环境质量进行评价的研究已有很多，但如何很好地平衡定量指标和定性指标来客观综合地评价高寒草地生态系统健康状况一直困扰着相关工作者.

层次分析法(AHP)自Saaty教授于20世纪70年代提出后，因其很强的系统性、逻辑性和实用性，被广泛应用到不同领域[16-17].胡伟等[18]在对工业园区企业污水治理绩效评价中，运用层次分析法将定量分析结合定性分析建立了绩效评估指标体系，表明该方法能够准确、可信地分析出对“工业园区企业污水治理绩效评价”影响最大的指标.万里强等[19]在对西部草业科技发展重点问题运用层次分析法，通过划分层次，使问题条理化，更加客观地评价各指标的重要性，他们认为此法简单易行.基于此，笔者利用层次分析法结合综合评价模型，获得高寒草甸生态系统健康综合指数，力求全面客观反映草地生态系统健康状况，为合理地使用研究区高寒草资源提供依据.

1 材料和方法

1.1 样点布设

青海河南县位于青藏高原东部，青海省东南部，处青、甘、川三省之津要，黄河贯穿境内，东西长127.67 km，南北宽94.36 km.全县总面积6 250 km2，属高原亚寒带湿润气候区.由于海拔较高，地势复杂和受季风影响，河南县高原大陆性气候特点比较明显.在青海省河南县境内选取典型的6种草地类型：金露梅灌丛、垂穗披碱草草地(冬牧场、夏牧场)、矮嵩草草地(冬牧场、夏牧场)、杂类草退化草地、退牧还草垂穗披碱草草地、藏嵩草草地，共8个样地，进行样品采集.详细见表1所列.

表1 采样地概况

1.2 各评价指标测定方法

土壤容重采用环刀法[20]测定；地上生物量采用收获法[21]测定；地下生物量采用土钻法[22]测定；植被盖度采用样带法[23]测定；土壤pH采用电极法[24]测定；土壤有机碳、土壤有机质的测定采用重铬酸钾外加热法[25]测定；土壤总氮(TN)采用凯氏定氮法[26]测定；土壤氨氮(AN)采用碱解-扩散吸收法[26]测定；土壤全磷(TP)采用钼锑抗比色法[27]测定；土壤有效磷(AP)采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法[28]测定；牧草生产价值用市场价值法[29]进行核算；涵养水源采用水量平衡法[30]测定；气候调节包括CO2的固定量及价值和O2释放量及价值两个方面，根据碳税法及工业制氧影子法[31]进行计算.

1.3 评价指标的筛选和分级的确定

科学选取指标是草地生态健康评价的重要内容.确定指标选择原则是建立生态系统健康评价指标的首要步骤.文中参照国标 (GB/T 21439-2008)[32]、侯扶江[14]和袁兴中等[33]的方法，对生态系统功能及价值(包括服务功能、生态功能、生产功能、生活功能)进行定量评估[34]，从生态系统水平、群落水平、种群和个体水平等方面出发[35]，根据杨文才所选取的草皮层厚度、鼠洞密度、土壤微生物、裸地面积、虫口密度、土壤碳储能力、放牧强度等20项指标[36]，对草地生态系统健康状况作出评价.具体地，将生态系统健康评价指标体系分为目标层A、准则层B和因子层C，其中选定草地植被状况、土壤状况、草地生态系统受干扰状况和草地生态系统价值为准则层，初步选择17个单项指标：地上生物量、地下生物量、优良牧草比例、毒杂草比例、植物盖度、土壤有机质、土壤容重、土壤全氮、草皮层厚度、鼠洞密度、虫口密度、放牧强度、土壤碳储能力、牧草生产、水源涵养、气候调节和植物丰富度.各指标按层次分析法分层列于表2.

表2 高寒草甸生态系统健康评价指标体系分层表

通过查阅相关文献[30,36]及专家咨询法确定各指标的分级标准(见表3)，一级为100分，为最优状态，二级为80分，接着依次递减20分，共分为5级标准.笔者确定以地上生物量[37]和植被盖度[37-38]两个指标划分为5个退化状况(见表4).

表3 指标分级标准

表4 退化分级标准

1.4 层次分析法确定各指标权重

层次分析法的基本思想是将需要分析的元素层次化，根据指标元素性质及决策所要达成总目标，将指标元素划分成为不同的组成因素，然后根据这些不同因素之间的关联因素及两者之间的隶属关系，将各因素按不同层次划分成组合，构成一个多层次评价分析结构的模型；最后，根据模型对问题进行优劣比较并排序[39].

第一步：建立阶梯递进层次结构模型，对每层各评价指标相对重要性进行两两比较评分(表5)，使指标间趋于定量化.

表5 判断矩阵标度定义

第二步：构造判断矩阵，将各层次中进行评分的所有指标构造判断矩阵如表6.

表6 判断矩阵

表7 平均随机一致性指标RI值

表8 判断矩阵各因素权重计算表

第四步：求出最后一层因素较评价总目标层总绝对权重为

1.5 高寒草地生态系统健康综合评价模型

利用综合指数模型评价高寒草地生态系统健康状况.将每个样地各指标所得分数作为该指标评价因子值Ri，然后与层次分析法所得到的各指标相对权重Wi加权综合得生态系统健康综合指数H(i)，即

最后依据表9进行草地健康等级评价.

表9 综合指数分级标准

2 结果与分析

2.1 计算各指标权重

邀请熟悉高寒草地和野外工作经验丰富的5位专家对各指标进行筛选和评分，将各专家意见综合，根据表8分别建立表10～14的判断矩阵，并对各判断矩阵进行一致性检验.

表10 A-B判断矩阵

表11 B1-C判断矩阵

表12 B2-C判断矩阵

表13 B3-C判断矩阵

表14 B4-C判断矩阵

依据表7和表8计算C.R的值，结果见表15.

表15 各判断矩阵的一致性检验

从表15可知，各层次所选指标的随机一致性比例C.R均符合C.R<0.10.说明，准则层和因子层的判断矩阵结果是满意的，排序结果可以被认同.

根据表10～14进行计算，将准则层B和因子层C各指标按权重从大到小排序，结果见图1和图2.

图1 准则层各指标因素权重排序

图2 因子层各指标权重排序

通过层次分析法，得到各准则层的权重，其权重排序为：植被状况B1(0.453 4)>土壤状况B2(0.298 4)>生态系统价值B4(0.155 7)>干扰状况B3(0.092 6)，植被状况和土壤状况所占比重较大，说明对高寒草地生态系统健康影响较显著.草原健康评价国家标准(GB/T 21439-2008)[32]中给出的生物属性权重系数为0.500，该文中所测得的植被状况为0.453 4与国标相差不大，这说明植被状况是高寒草地健康最直接的体现.

因子层权重排序为：土壤有机质(0.168 2)>地上生物量和植物盖度(0.164 9)>草皮层厚度(0.078 6)>优良牧草比例(0.072 0)>水源涵养(0.068 8)>放牧强度(0.067 6)>气候调节(0.041 5)>土壤全氮(0.035 1)>地下生物量(0.034 2)>植物多样性(0.024 4)>鼠洞密度、毒杂草比例(0.017 4)>土壤容重(0.016 4)>牧草生产和土壤碳储能力(0.010 5)>虫口密度(0.007 5).土壤有机质、地上生物量和植物盖度指标所占比重较大，草地植被数量特征和土壤有机碳是评价高寒草地生态系统健康重要的综合性指标[41]，说明有效保护草地植被和防止土壤碳流失是研究区草地生态健康持续发展的重要措施.国家草原健康状况评价标准[32]中有12个指标，指标权重排序前4位分别是：地上现存量>凋落物量>侵入种>建群种.说明在草原评价中地上生物量极为重要，文中因子层中指标权重较大的地上生物量和植被盖度与国标是一致的.

2.2 高寒草地生态系统健康评价

对照表3指标分级标准，将8个样地的16个指标数值进行评分，分值列于表16.

表16 各样地指标评价分值

依据表16，利用综合指数评价模型的计算公式，计算得出青海河南县8个样地的综合评价值，结果列于表17.

表17 青海河南高寒草地生态健康综合评价值

样地1和样地6为金露梅灌丛，分别为冬季牧场和夏季牧场.样地1优良牧草比例(36.0%)较样地6低(46.5%)，评分低20分；草皮层厚度(6 cm)远远低于样地6(14 cm)，其评分仅为20.两者评分皆为健康，但样地6正处于放牧期，样地1为休牧期，样地6植被盖度和地上生物量较样地1偏低，其中植被盖度低11%，而地上生物量不足样地1的70%，但通过样地1与样地6数据对比表明：适当强度的放牧(样地6放牧强度评分为60)，有利于金露梅灌丛草地的健康状况，增加土壤有机质含量(样地1的有机质含量为44.713 g·kg-1，样地6有机质含量为65.967 g·kg-1)，而有机质是土壤最重要的指标之一，对土壤物理、化学和生物学性质有着深刻的影响[42].8个样地的研究数据表明，牛粪中的有机质含量为(129.248±1.862) ～(142.178±3.827) g·kg-1，平均为(135.058±3.207) g·kg-1，是土壤有机质含量的近2倍.通过适度放牧，植被覆盖率减小和土壤密度增加，提高地面的温度；同时，牛羊的粪便给土壤以及植物提供了其他养分，有利于植被的生长.

样地2和样地3为垂穗披碱草草地，样地2为冬季牧场，其评分为89.7，远远高于为夏季牧场的样地3(67.6分).样地3为未退化，其生物量及植被多样性丰富，但较样地2，其植被覆盖度和优良牧草比例低，其中植被盖度低18.8%，优良牧草比例不足样地2的10%.样地3土壤容重大和草皮层厚度较小(评分均为30)，土壤碳储能力弱(评分仅为40).样地3放牧强度过高，接近1.7羊单位/(hm2·年).说明持续放牧会减少土壤碳库，这与李强[43]的研究结果一致.另一方面，植被的变化将使高寒草甸丢失大量的碳[44].3号样地由于过强的放牧，使土壤中碳储存比其他适度放牧区低，草地健康状况有趋于恶化的倾向.

样地4和样地8分别为矮嵩草草地和藏嵩草草地，评价为健康.两样地放牧强度最大(评价均为100分)，但样地4和样地8的植物多样性及植被盖度较高，其中植物多样性分别为28和33种/(0.25 m2)，远超I类标准，植被盖度分别为92.10%和98.30%.付娟娟、杜岩功等[45-46]的研究表明，随着放牧强度的增加，以莎草科植物为优势种的嵩草草地草毡表层逐渐加厚，有利于优势植物对钙和磷的吸收，同时增加了粗脂肪和粗蛋白含量.说明此类草地恢复力强，可承受较大放牧强度.

样地5为杂类草退化草地，且其地上生物量丰富(评分为80)，但是优良牧草所占比例过小，评分仅为20，毒杂草的比例(96.4%)远远超过优良牧草所占比例(3.6%)，且草皮层厚度较薄，评分仅为20，说明该样地恢复时间过短，草本植物活体及残体所构织成的土壤有机质层厚度较薄.样地5本身为未进行放牧的牧场，所以其植被覆盖程度在一定时间里得到恢复，呈现为未退化.

在8个样地的综合指数评价中，7号样地得分最低，为56.9，土壤全氮和土壤碳储能力严重偏低，其中土壤全氮含量仅为8个样地平均水平(4.352 g·kg-1)的近50%，碳储能力不足平均水平(14.586 kg·m-2)的30%，且两个指标评分均为最低分20，本样地为无牧区，地上生物量丰富，为202.344 g·m-2，但与放牧的其他样地(平均为246.040 g·m-2)相比偏低，而7号样地本就为退牧还草草地，说明7号样地受到严重的破坏.评价结果显示7号样地为未退化，说明在退耕还草的这段时间里，地上生物量和植被盖度恢复良好，但是其他指标功能依旧处于受损状态，如：水分涵养和牧草生产等.高寒草地植被生长季节短和有性繁殖体较少，草地健康状态的自然恢复需要很长时间[47]，因此这类草地应该采取积极保护措施，防止草地健康继续恶化.

样地1、样地2和样地8为冬季牧场，其综合评分分别为75.7、89.7和88.5.样地3、样地4、样地5和样地6为夏季牧场，其综合评分分别为67.6、74.2、63.4和76.7.冬季牧场比夏季牧场评分普遍较高，说明冬牧草整体草地质量偏好，这与采样时间相联系，采样时间为夏季，冬季牧场相对于夏季牧场正属于恢复阶段.

3 结束语

对青海河南高寒草地生态健康进行评价，现阶段除样地7外，其他样地生态健康状况属健康之列，同时样地7已退牧还草，正属于逐渐恢复阶段；样地4和样地5属于亚健康；同时，样地6的地上生物量最低，属轻度退化.说明样地4、样地5和样地6的健康状况略显严峻，应采取措施加以保护，防止其继续恶化.冬季牧场比夏季牧场评分普遍较高，说明冬季牧草健康正在逐渐恢复.矮嵩草草地和藏嵩草草地较其他类型草地植被丰富，恢复力强，可承受较大放牧强度，并且适度放牧有利于草地的健康.土壤有机质、地上生物量和植物盖度指标占生态健康评价总绝对比重较大，是决定研究区生态健康的主要影响因素.高寒草地生态健康评价与退化状况评价相结合能够客观合理地体现草地真实的健康状况，具有一定的科学合理性.在草地处于初级退化阶段时，就应采取措施保护，可通过降低放牧强度，进行休养恢复.

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