阿勒泰林区放牧前后草地生态系统健康评价

殷锡凯, 叶 茂,2, 赵凡凡, 周 泉

(1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院, 新疆 乌鲁木齐 830054;2.新疆干旱区湖泊环境与资源实验室, 新疆 乌鲁木齐 830054)

生态系统健康是生态学研究的热点与前沿之一。草地是十分重要的自然资源，是我国陆地上面积最大的生态系统[1]，不仅维持着生物多样性、水土保持、防风固沙、涵养水源、干旱区防治等，同时起着保护生态安全的屏障作用。它的健康既是全球自然生态系统健康的重要组成部分，也对人类社会发展产生重要影响。关于草地生态系统健康评价的方法主要有：VOR指数评价模型[2-3]、CVOR评价模型[4-5]、PSR评价模型[6-7]、层次分析法[8-9]、指数评价法[6]、模糊综合评价法[10]和聚类分析法等[11]。其中，VOR综合指数模型是基于活力(vigor，V)、组织力(organization，O)和恢复力(resilience，R)构建，用来评价草地生态系统健康情况的综合指数[12]。该方法不仅能很好的评价草地生态系统，而且对于评价个别年份的草地健康状况具有一定的优势，能综合反映草地结构特征和健康状态。单贵莲等[3]用VOR和CVOR指数模型评价了不同围封禁牧年限典型草原的健康状况；姜佳昌等[13]用VOR指数评价了甘肃省肃南县退牧还草工程前后的3个草原类型的植物群落结构特征；俞鸿千等[14]用VOR和CVOR评价模型评估了宁夏干旱风沙区荒漠草原恢复状况。

目前草地生态系统评价研究多侧重于生态系统经济价值及服务价值评估[15-17]、土壤质量评价[18]、群落结构及多样性和稳定性评价等[19-20]领域。新疆阿勒泰林区存在草地退化、沙漠化[21]以及草—畜不平衡等[22]现象，严重影响阿勒泰林区畜牧业发展。同时阿勒泰林区草地的研究主要在生态环境[21]、草地退化原因[22-23]、退牧还草工程效益分析[24]以及补偿机制绩效分析等[25]方面，但对草地健康状况综合评价的研究较少。为此，本研究以阿勒泰林区草地为研究对象，通过调查春秋季节阿勒泰林区草地群落的盖度、高度、密度、频度、生物量等，计算草地群落的多样性、优势度、丰富度和均匀度，并利用VOR生态系统健康评价模型进行定量评价，诊断阿勒泰林区草地生态系统健康状态和放牧前后差异特征，为阿勒泰林区退化草地恢复与管理提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

新疆阿勒泰林区地处阿尔泰山南麓，西北与布尔津县相邻，西南与吉木乃县交界，东北与蒙古国接壤。地理坐标87°25′—88°38′E，47°46′—48°39′N，地势北高南低，海拔600～3914 m，属温带半干旱大陆性气候区，南北气候差异较大，年均气温4 ℃，多年年平均降水量194.2 mm。草地植被种类繁多，以寒生羊茅(Festucakryloviana)、新疆针茅 (Stipasareptana)、沙生针茅(S.glareosa)等为主要建群种，以蒿草(Kobresiacapillifolia)、千叶蓍(Achilleamillefolium)、黄花苜蓿(Medicagofalcata)、委陵菜(Potentillachinensis)、车轴草(Trifoliumrepens)、老鹳草(GeraniumwilfordiiMaxim.)等为主要伴生种植物。

1.2 试验设计

对阿勒泰林区放牧前后草地群落进行了调查，依据海拔梯度、河流、牧道和旅游区等影响因素，将阿勒泰林区设置为6个监测点，每个监测点周围布设调查样地和样方。放牧前后各布设74个调查样地，162个样方，样地大小为20 m×20 m，同时每个样地布设3个1 m×1 m的草地样方(后山河流、牧道为1个)；其中前山山坡15个样地，45个样方；前山河流6个样地，18个样方；后山山坡10个样地，30个样方；后山河流6个样地，6个样方；旅游区13个样地，39个样方；牧道24个样地，24个样方。每个样方内，详细测量和记录草的种类、数量、高度、盖度等指标。监测完后，对每个样方内采用刈割法，称取每个物种的地上生物量鲜重。同时记录经纬度及海拔高度基本信息。本次调查时间为(放牧前)2020年5月28日至6月29日，(放牧后)2020年9月1日至10月3日。

1.3 物种多样性计算分析

本研究采用多样性测度中的Margalef丰富度指数(S)、Simpson优势度指数(D)、Shannon-Wiener多样性指数(H)、Alatalo均匀度指数(Ea)[26-27]，其计算公式为：

Margalef丰富度指数(S)：

S=(S-1)/ln(N)

(1)

Simpson优势度指数(D)：

(2)

Shannon-Wiener多样性指数(H)：

H=1-∑PilnPi

(3)

Alatalo均匀度指数(Ea)：

(4)

式中：S为样方中的总物种数；N为样方中的总个体数；Ni为第i种植物的个体数；Pi为i种植物个体数占总个体数比例。

1.4 VOR综合指数评价

利用研究区草地现状调查资料，结合研究区退化草地的演替方向，进一步结合活力(V)、组织力(O)、恢复力(R)等各项单项指标，采用VOR评价方法对草地生态系统健康进行评价。

各指标对照样地选择是各个监测点周围未受人为干扰、生长状况良好的天然群落作为对照值。WV，WO，WR分别对应各部分的指数权重数，WV=WO=WR=1/3，则：WV+WO+WR=1。计算VOR综合指数时，各个单项指数V，O，R∈[0,1]，值大于1时均取值为1[3,29]。结合国内对寒区旱区草地生态系统健康等级划分方法，采用四分法将生态系统健康状态指数划分为4个不同等级(表1)[30]来评价草地生态系统的健康状况。

表1 草地生态系统健康指数及健康等级

2 结果与分析

2.1 阿勒泰林区各监测点放牧前后草地物种多样性差异性分析

由图1可知，Margalef丰富度指数表现为放牧前前山河流最高，后山山坡最低；放牧后前山河流最高，牧道最低；前山山坡、前山河流、牧道放牧前的指数值高于放牧后。Simpson优势度指数表现为放牧前前山河流最高，旅游区最低；放牧后前山河流最高，牧道最低；前山山坡、前山河流、后山山坡、牧道放牧前的指数值高于放牧后。Shannon-Wiener多样性指数表现为放牧前前山河流最高，旅游区最低；放牧后前山河流最高，牧道最低；前山山坡、前山河流、后山山坡、牧道放牧前的指数值高于放牧后。Alatalo均匀度指数表现为放牧前前山河流最高，后山河流最低；放牧后后山山坡最高，旅游区最低；后山山坡、后山河流、旅游区、牧道放牧前的指数值低于放牧后。

图1 阿勒泰林区各监测点放牧前后物种多样性指数值

由图2可以看出，各监测点放牧前的草地生物量高于放牧后草地生物量。表2为各监测点放牧前后草地物种多样性差异性指数，可知Margalef丰富度指数表现为旅游区放牧前后差异极显著(p<0.01)，牧道放牧前后差异显著(p<0.05)。Simpson优势度指数表现为前山山坡、牧道的放牧前后差异极显著(p<0.01)。Shannon-Wiener多样性指数表现为前山山坡、牧道的放牧前后差异极显著(p<0.01)。Alatalo均匀度指数表现为各监测点放牧前后差异不显著(p>0.05)。前山山坡、牧道分别是过渡牧场、夏牧场，由于牧民放牧的原因，可能造成前山山坡和牧道的优势度指数、多样性指数放牧前后差异极显著。

表2 阿勒泰林区各监测点放牧前后草地物种多样性差异性分析

图2 阿勒泰林区各监测点放牧前后草地生物量

2.2 放牧前后草地生态系统健康各项指数整体评价

阿勒泰林区草地生态系统的活力(V)、组织力(O)、恢复力(R)和健康指数(VOR)的计算结果如图3所示。

由图3可以看出，放牧前后阿勒泰林区草地生态系统平均健康指数(VOR)分别为0.84和0.87(>0.75)，都达到健康水平。放牧前草地的V值、O值和R值均低于放牧后，但都大于0.75的健康标准。说明整体上阿勒泰林区放牧后草地系统的活力、组织能力和恢复力较强，系统结构比较稳定。对阿勒泰林区放牧前后草地生态系统健康评价各项指标进行整体差异性分析(表3)，结果表明阿勒泰林区整体上放牧前后草地生态系统健康的O，R值差异显著(p<0.05)，其他指数值放牧前后差异均不显著。

注：V，O，R，VOR分别表示阿勒泰林区草地生态系统的活力、组织力、恢复力和健康指数。下同。

表3 阿勒泰林区放牧前后草地生态系统健康整体差异性分析

2.3 各监测点放牧前后草地健康指数评价差异性分析

表4为各监测点综合评价模型指数，可知活力指数V表现为各监测点放牧前后差异不显著(p>0.05)。组织力指数O表现为牧道的放牧前后差异显著(p<0.05)。恢复力指数R表现为牧道的放牧前后差异极显著(p<0.01)。草地生态系统健康指数VOR表现为牧道的放牧前后差异极显著(p<0.01)，其他监测点的VOR指数放牧前后差异不显著。

表4 阿勒泰林区各监测点放牧前后草地生态系统健康差异性分析

2.4 阿勒泰林区各监测点天然草地VOR综合指数评价

根据天然草地评价系统健康等级(表1)及阿勒泰林区天然草地VOR综合指数(图4)可以看出，各监测点放牧前后VOR综合指数都达到“健康”等级，但是放牧前后存在差异。其中，放牧前的后山河流VOR值最高，为0.92；牧道VOR值最低，为0.79。放牧后的后山河流VOR值最高，为0.94；前山山坡VOR值最低，为0.80。

图4 阿勒泰林区各监测点放牧前后天然草地VOR指数评价

3 讨 论

目前许多研究[31-33]证明了外界干扰对草地植被的影响体现在草地植被群落的演替过程中，适当放牧能提高草地植被更新速度，家畜采食、踩踏、排泄等活动对天然草地影响，在一定程度上有利于草地生态系统的健康。过度放牧对草地植被、土壤、牲畜产生不良影响，造成草本植被生长受到抑制、稳定的物质平衡被打破、土壤退化等[34-35]。通过分析阿勒泰林区草地生态系统放牧前后生物多样性及生态系统健康状态，可以看出，阿勒泰林区放牧后草地生态系统的活力、组织能力和恢复力较强，系统结构较稳定，草地生态系统发展较好，说明放牧干扰对阿勒泰林区草地生态系统影响不大。但放牧前后不同监测地点草地健康状态存在差异性，表现在前山山坡样地放牧后的VOR指数低于放牧前，牧道样地放牧后VOR指数高于放牧前，后山河流周围样地VOR指数值为最高。由于前山山坡是过渡牧场，在放牧后牲畜啃食牧草，使得草地植被的种群数量在逐渐的减少，后山河流和牧道是夏牧场，在夏季放牧后进行转场，牧草得以恢复生长，使得后山河流和牧道放牧后的VOR综合指数评价处于“健康”。基于该区域生态地位的特殊性和重要性，管理部门应以科学的手段及方法为草地生态系统健康提高科学合理的生态效益，是维持草地生态系统平衡的重要保障。

4 结 论

(1) Margalef指数差异表现在阿勒泰林区旅游区样地放牧前后差异极显著，而牧道样地放牧前后差异显著；Simpson指数和Shannon-Wiener指数在前山山坡样地、牧道样地也表现出差异极显著。Alatalo指数在各监测点差异不显著，表明各监测点放牧前后草地群落均匀度变化不大。

(2) 阿勒泰林区放牧前后草地生态系统的平均健康指数(VOR)分别为0.84和0.87(>0.75)，都达到健康水平。阿勒泰林区放牧后草地系统的活力、组织力和恢复力较强，生态系统结构较稳定。阿勒泰林区放牧前后草地生态系统健康的O值、R值差异显著(p<0.05)，其他值放牧前后差异不显著。

(3) 活力指数表现为各监测点放牧前后差异不显著(p>0.05)。组织力指数表现为牧道放牧前后差异显著(p<0.05)。恢复力指数表现为牧道放牧前后差异极显著(p<0.01)。VOR指数表现为牧道放牧前后差异极显著(p<0.01)，其他监测点VOR指数放牧前后差异不显著。

(4) 各监测点放牧前后VOR综合指数评价都达到“健康”等级。放牧前的后山河流VOR值最高，为0.92；牧道VOR值最低，为0.79。放牧后的后山河流VOR值最高，为0.94；前山山坡VOR值最低，为0.80。