草地健康与退化评价：概念、原理及方法

董世魁，张宇豪，王冠聪

（1.北京林业大学草业与草原学院, 北京 100083；2.国家林业和草原局草原管理司, 北京 100714）

草地占陆地总面积的40%以上，是陆地上重要的自然资源和生态系统。草地不仅为种植业、畜牧业、食品业、医药业提供原材料或产品，同时还具有涵养水源、保持水土、防风固沙、固碳释氧、净化空气、保护生物多样性等多种生态功能，其中大部分生态功能转化为生态产品和服务，为人类提供福祉[1]。尽管草地具有十分重要的资源价值和生态系统服务功能，但是全球约有49%的草地发生退化，造成温室气体排放增加、土地荒漠化和水土流失加重、生物多样性丧失加速等生态环境问题，严重影响了全球贫困地区的生态安全和人类福祉，甚至影响了全球的可持续发展[2]。

我国是草地大国，面积位居全球草地第一位。据20 世纪末第1 次全国草地资源调查数据，我国有可利用草地面积39 283.2 万hm2(近60 亿亩)，占国土陆地面积的40.9%。近几十年来，受超载过牧、气候变化等因素的影响，我国草地发生严重退化，20 世纪90 年代末，全国退化草地面积在90%以上[3]。进入21 世纪，尤其是党的十八大以来，随着生态文明建设、美丽中国建设等国家重大战略的纵深推进，国家实施了退耕还林还草、退牧还草、草原生态奖补、草畜平衡等一大批草地生态建设工程项目，全国草地生态持续恶化的状况得到初步遏制。但是，当前全国草地生态系统整体仍较脆弱，保护修复力度不够、管理利用水平不高、科技支撑能力不足等问题依然突出，草地退化的总体局面并未全面扭转。据统计，全国70% 的草地仍处于退化状态，30%左右的草地处于严重退化的状态[4]。

纵观国内外生态修复实践和科学研究的相关进展，退化草地生态修复是一项全局性、长期性、复杂性、多样性和综合性的系统工程，需要在科学方略指导下因地制宜的开展工作。我国草地生态修复已开展了几十年的工作，前期草原生态修复技术和措施对退化草地生态恢复起到了很好的推动作用，但大部分退化草地恢复均缺乏科技支持。尽管国内外学者提出了草地健康与草地退化的理论、方法及标准[5-14]，但是多数研究并未厘清草地健康与草地退化的关系，并未提出退化草地的恢复效果和进程的量化指标体系，因而无法对草地健康状况及其变化动态(退化或恢复)做出系统、科学的评判。为更好地促进我国退化草地的生态修复工作，尚需加强草地健康及草地退化等相关评价体系的构建研究，实现草地生态修复工作的标准化、科学化和系统化管理，本文在总结国内外相关理论与方法的基础上，提出草地生态系统健康状况和草地退化程度及退化速率的评价技术体系，为科学、合理、有序推进草地保护修复工作、改善草地生态环境状况、推进生态文明和美丽中国建设提供科学依据。

1 草地健康与退化概念辨析

“草地健康”和“草地退化”是反映草地生态状况的常用术语，多数学者将其常常作为一对反义词使用。事实上，草地健康和草地退化并不是相对的概念，而是反映了不同的语境和涵义。一般而言，健康是指事物在某一时段所处的状态，与之相对的反义词应为病态；而退化是指事物在某一时段变化的过程，与之相对的反义词为恢复。对于草地健康和草地退化的区别与联系，需从二者的释义加以理解。

1.1 草地健康

“草地健康”一词最早朔源于1949 年美国环境伦理学家Leopold 在《沙乡年鉴》一书[15]中提出的“土地健康(land health)”，即土地系统跟人体或有机体一样都存在健康问题。但是，这一概念并未在当时引起足够的重视。这一时期，草地学家根据Clements 的生态演替理论，提出了草原基况(range condition)评价的观点，根据某一地境当前的植被组成和生产力与该地境所确定的顶极植物群落的相似程度，将该草原基况评为极好、好、中等或差的等级[16]。20 世纪60 年代，美国的草原学家们进一步发展这一评价体系，加入了生态基况(ecological conditions)和价值(values)的内容[17]。

1994 年，美国国家研究委员会(National Research Council，NRC) 在《草原健康-草原分类调查监测的新方法》中提出了草原健康的定义，即草原生态系统的土壤、植被、水、空气以及生态过程的完整性得到平衡和持续的程度[18]，具体而言就是Rappor 等[19]指出的生态系统基况偏离参照生态系统(顶极植物群落) 的程度或状态，可以分为，健康(healthy)，草原提供价值和产品的能力得到保持；危险(at risk)，草原具有不断增加的但可逆转的退化潜力；不健康(unhealthy)，草原退化已导致其提供价值和产品的能力发生不可逆转的损失。

2008 年，任继周主编的《草业大辞典》将草地健康定义为草地健康又称草原健康，即草原生态系统的结构稳定和功能正常的状态[20]。草地健康受生物因素(植物、动物、微生物)、非生物因素(大气、土壤、位点) 和社会因素(生产、生活、科技) 综合制约，是衡量草地质量的首要指标，也是草地能否持续发展的唯一评判标准，一般可以分为健康阈、警戒阈、不健康阈和崩溃阈4 个等级。

综合国内外相关定义，可以将草地健康的定义概括为，草地生态系统的结构和功能所处的健康状态，具体表现为土壤、植被、水和空气等生物和非生物要素的结构完整性、生态学过程的平衡状态及其可维持程度。草地健康通常用来表示草地的某种特定功能和作用，如维持养分循环。健康的草地能够保持生态平衡，维持物种多样性，同时给草地畜牧业生产提供持续的支撑能力。

1.2 草地退化

草地退化一词则要溯源于1916 年美国生态学家Clements 提出了单元顶极演替理论，认为自然状态下植物群落演替的最终结果是与气候相适应的单一顶极状态，但是干扰活动都会导致植物群落逆行(退化) 演替到早期的某个阶段[21]。按照这个理论，世界上大多数的草地都受到不同程度的干扰(家畜放牧、野生动物采食、火烧等)，所以理应处于“退化”状态。20 世纪30 年代，美国生态学家Tansley提出了多元顶极演替理论，认为某一植物群落在某种生境中基本稳定、能够自行繁殖并结束其演替过程，就可以看作顶极群落，除气候顶极终点，可能还有土壤顶极、地形顶极、火烧顶极、动物(放牧)顶极[22]。1975 年，美国生态学家Whittaker 提出了生态演替的顶极格局理论，认为在一个区域内多元顶极群落呈现连续变化的格局[23]。

2008 年，任继周主编的《草业大辞典》将草地退化定义为草原退化，具体指因自然原因或人为原因导致草地生态系统结构和功能衰退的现象，出现草原生态系统逆行演替、生产力下降的过程，具体可体现在植被、土壤和家畜等方面，如植被盖度、高度降低，植物种数和优良牧草减少，毒杂草增加，生产力降低，土壤和基质破坏，沙化、盐碱化、石漠化，水土流失，畜产品的生产力和品质降低等。长时间、大范围的草地退化，不仅引起草地生产力的下降，还造成生态环境恶化和对人类生存与发展的威胁。

综合国内外相关定义，可以将草地退化的定义概括为，在不利自然因素和人类活动的影响下，草地生态环境恶化，草地牧草生物产量降低，品质下降，草地利用性能降低，甚至失去利用价值的过程。

2 参照系统与评价指标

草地健康状况与人体健康状况一样，需要有相应的标准和方法来诊断，这就需要选择参照系统和指标体系进行评价。草地退化反映草地健康状况恶化的过程，则同样需要参照系统和指标体系进行分析。

2.1 参照系统选择

参照系统是用于草地健康状况和退化程度诊断的基准，所以一般选择理想状态下的草地基况，即具有顶极植物群落或者接近于顶极植物群落、能够体现一个特定区域最优健康状况的草地生态系统。选择参照系统的具体方法包括：

1) 优先选择评价区周边水热条件相近的草地类自然保护地的合理利用示范区、草畜平衡或围栏封育示范区的典型样地。

2) 评价区周边没有草地类自然保护地、草畜平衡或围栏封育示范区，选择 20 世纪80 年代初、中期全国首次草地资源调查所得的、与评价区具有相同草地类型的典型样地。

3) 如果评价区周边没有草地类自然保护地、草畜平衡或围栏封育示范区，又缺乏 20 世纪80 年代初、中期全国首次草地资源调查，则采用正式出版的20 世纪80 年代初、中期全国草地首次调查资料编写的各省、市、自治区草地资源专著或文献中相同草地类型的典型样地。

2.2 评价指标选择

草地退化不仅包括植被的退化演替过程，而且包括土壤环境的恶化过程，因此选取的评价指标应充分考虑植被和土壤环境变化的综合结果。

2.2.1 植被指标

地上生物量。草地植被生长旺季的地上生物量综合反映了植被的整体状况，其变化状态可以表征植被健康程度。地上生物量包括草本植物生物量及木本植物当年嫩枝叶的产量，具体采用地面调查和卫星遥感监测两种途径获得。

植被盖度。草地植被生长旺季的盖度也能综合反映植被的整体状况，其变化状态也可以直接表征植被健康程度。植被盖度具体指植物群落地上部分的垂直投影面积与样方面积之比的百分数，可以采用地面监测和遥感技术获取。

顶极植物群落优势植物生物量。顶极植物群落优势种对植物群落结构和功能的维持作用最大，其生物量变化状态可以直接反映植被健康程度，该指标可以通过地面样方调查获得。

地下(根系)生物量。植物根系是养分吸收、支持地上部分生长的主要器官，其变化状态可以表征植被健康程度。地下生物量的测定可以与地上生物量同步进行，主要通过植物群落全根系采集获得。

2.2.2 土壤指标

土壤容重。土壤容重是土壤的重要物理性状，综合反映了土壤质地、结构、紧实度等信息，其变化状态可以表征土壤物理性状的健康程度，具体用环刀法测定。

土壤有机质和全氮。土壤有机质和全氮是土壤的重要化学性状，综合反映了土壤养分循环和地力状况，其变化状态可以表征土壤化学性状的健康程度，在草地植被调查的同时，采集样地或样方内的土壤样品，在实验室内进行测定。

2.2.3 综合指标

裸地或裸斑。裸地或裸斑是外界干扰下草地植被生长受到严重抑制形成的斑块，大尺度范围内(样地或区域)的裸地或裸斑面积变化直接反映草地的整体健康程度。裸地或裸斑可以通过遥感影像获取，并通过地面调查校验。

顶极植物群落优势种优势度。顶极植物群落优势种优势度综合反映了气候、土壤、植被等生境条件的变化，小尺度范围内(样方)顶极植物群落优势种优势度变化可以反映草地的整体健康程度，可以解决大尺度范围内(样地或区域)没有发现裸地或裸斑、但植物群落已变化为先锋植物群落的草地健康诊断问题。具体根据植物群落中各物种的相对高度、相对盖度、相对频度、相对密度、相对生物量，计算植物群落中各物种的优势度，计算方法如下：

式中：C′为相对盖度，Ci为顶极植物群落优势种或共优种的盖度，C1为植物群落中所有种的盖度之和；D′为相对密度，Di为顶极植物群落优势种或共优种的密度，D1为植物群落中所有种的密度之和；F′为相对频度，Fi为顶极植物群落优势种或共优种的频度，F1为植物群落中所有种的频度之和；H′为相对高度，Hi为顶极植物群落优势种或共优种的高度，H1为植物群落中所有种的平均高度之和；W′为相对生物量，Wi为顶极植物群落优势种或共优种的生物量，W1为植物群落中所有种的生物量之和；SDR为顶极植物群落优势种或共优种的优势度。

2.3 评价指标权重量化

评价指标权重主要采用德尔菲专家评价法进行量化，主要步骤：

编制专家评价表。按评价指标的定义、必需的评分说明、评分标准，绘制评分表。

分轮评审。一般需经过4 轮专家咨询进行评审。第1 轮将项目评分表发给各位专家，让他们根据自己的知识和对评价对象的认知情况，得出评价结果。第2 轮收回评价结果，对结果进行统计处理。将前轮的评价填写在评价表中新增的“前轮结果”栏内，再将新的评价表发出，让各专家根据反馈信息，对自己的判断做出调整，如果评价的结果和反馈的信息差距较大，应叙述理由。第3 轮、第4 轮重复第2 轮的工作。

结果处理。在评价时，最终一次评审是综合前几次的反馈做出的，因此，最后一次评审最具真实性，在评价时一般以最后一次评审为主。公式及计算(以最后一轮评审分数计算)：

式中：Kmi为第m个项目第i项指标的评价结果；Pmij为第j位专家对第m个项目第i项指标的评分值；n为专家数。离散系数以Vi表示，则：

第i项指标评价结果的标准差以Si表示，则：

第j位专家对第m个项目所评分数为Qmj，其中，h为评价指标个数。

第m个项目最后所得分数为qm，则：

3 草地健康评价

3.1 植被健康评价

3.1.1 单项指标评价

将评价区植物群落的地上生物量、盖度及优势植物产量等指标与参照系统植被地上生物量、盖度及顶极植物群落优势植物生物量相比( ΔR)，得出草地植被健康状况并进行量化分级(表1)。

表1 植被健康评价单项指标及分级Table 1 Indicators and grades for vegetation health assessment

各项指标的相对减少率计算方法：

ΔR=(R0-Ri)/R0。

式中： ΔR为植被单项指标的相对减少率，R0为参照系统植被单项指标值，Ri为评价区植被单项指标值。

3.1.2 综合指标评价

将评价区与参照系统的植被地上生物量、盖度及优势植物生物量的变化情况(相对减少率)根据分级进行赋分(K 值) (表2)。根据德尔菲专家评价法，给出不同草地类型的各项土壤指标的权重赋值(Q 值) (表3)。

表2 植被健康评价单项指标赋分(K)Table 2 Assignments to individual indicators for vegetation health assessment (K)

表3 各类草地植被健康评价单项指标权重 (Q)Table 3 Weights to different types of grasslands for vegetation health assessment (Q)

根据各指标K 值与Q 值进行计算：

式中：GVHS为草地植被健康指数，Ki为草地植被健康指标得分，Qi为草地植被健康指标权重，i为草地植被健康单项指标(1 为地上生物量的相对减少率，2 为植被盖度的相对减少率，3 为优势植物生物量的相对减少率)，GVHS值为0～0.74 表示极不健康，0.75～1.49 表示不健康，1.50～2.24 表示亚健康，2.25～3.00 表示健康。

3.2 土壤健康评价

3.2.1 单项指标评价

将评价区草地土壤容重、有机质含量与全氮含量等指标与参照系统草地土壤容重、有机质含量与全氮含量相比( ΔR)，得出草地土壤健康状况并进行量化分级(表4)。

表4 土壤健康评价单项指标及分级Table 4 Indicators and grades for soil health assessment

各项指标的相对减少率计算方法：

ΔR=(R0-Ri)/R0。

式中： ΔR为土壤单项指标的相对减少率，R0为参照系统土壤单项指标值，Ri为评价区土壤单项指标值。

3.2.2 综合指标评价

将评价区与参照系统草地土壤容重、有机质含量与全氮含量的变化情况(相对减少率)根据分级进行赋分(K 值) (表5)。根据德尔菲专家评价法，给出不同草地类型的各项土壤指标的权重赋值(Q 值)(表6)。

表5 土壤健康评价单项指标赋分(K)Table 5 Assignments to individual indicators for soil health assessment (K)

表6 各类草地土壤健康评价单项指标权重(Q)Table 6 Weights to different types of grasslands for vegetation health assessment (Q)

根据各指标K 值与Q 值进行计算：

式中：GS HS为草地土壤健康指数，Ki为草地土壤健康指标得分，Qi为草地土壤健康指标权重值，i为草地土壤健康单项指标(i= 4 为0—30 cm 土层土壤容重的增加率，i= 5 为0—30 cm 土层有机质含量的减少率；i= 6 为0—30 cm土层全氮含量的减少率)。

GSHS值在0.00～0.74 表示极不健康，0.75～1.49表示不健康，1.50～2.24 表示亚健康，2.25～3.00 表示健康。

3.3 草地健康整体评价

第1 步，在样地或区域尺度(1 hm2以上)，用遥感和无人机技术监测评价区的裸地(裸斑)面积，与参照系统的裸地(裸斑)面积相比( ΔR)，得出大尺度草地生态状况的整体情况(表7)。

表7 草地健康状况整体评价Table 7 Overall assessment for grassland health

裸斑(裸地)相对增加率计算方法：

ΔR=(R0-Ri)/R0。式中： ΔR为 裸地(裸斑)的相对增加率；R0为参照系统裸地(裸斑)面积；Ri为评价区裸地(裸斑)面积。

第2 步，如果在样地或区域等大尺度上遥感或无人机监测发现裸地面积增加率小于5%，则要进行地面样方调查，分析气候、土壤、植被等生境条件变化后导致的植物群落组成变化，具体将参照系统的植物群落作为顶极植物群落，将其优势种或共优种的优势度与评价区同种植物的优势度相比( ΔR)，得出小尺度草地生态状况的整体情况(表7)。

顶极植物群落优势种或共优种的优势度相对减少率计算方法：

ΔR=(R0-Ri)/R0。

式中： ΔR为顶极植物群落优势种或共优种优势度的相对增加率，R0为参照系统顶极植物群落优势种或共优种优势度，Ri为评价区顶极植物群落优势种或共优种优势度。

4 草地退化/恢复评价

4.1 草地退化/恢复程度评价

4.1.1 植被退化/恢复程度评价

将评价区当期和往期的植被健康指数进行对比，通过植被健康指数的变化量反映草地植被退化或恢复程度(表8)。植被健康指数变化率计算公式：

表8 草地退化/恢复程度评价Table 8 Assessment of the extents of grassland degradation or restoration

ΔGVHS=GVHSr-GVHSp。

式中： ΔGVHS为植被健康指数变化量，GVHSr为当期植被健康指数，GVHSp为往期植被健康指数。

4.1.2 土壤退化/恢复程度评价

将评价区当期和往期的土壤健康指数进行对比，通过土壤健康指数的变化量反映草地土壤退化或恢复程度(表8)。土壤健康指数变化率计算公式：

ΔGS HS=GS HSr-GS HSp。

式中： ΔGS HS为土壤健康指数变化量，GS HSr为当期土壤健康指数，GS HSp为往期土壤健康指数。

4.1.3 草地退化/恢复程度整体评价

第1 步，在样地或区域尺度(1 hm2以上)，将评价区当期和往期的裸地(裸斑)面积比例进行对比，通过裸地(裸斑)面积占比的变化量反映草地生态系统大尺度退化或恢复程度，具体分级结果如表8 所列。裸地(裸斑)面积变化计算：

ΔGBA=GBAr-GBAp。

式中： ΔGBA为草地裸地(裸斑) 面积占比变化量，GBAr为当期草地裸地(裸斑) 面积占比，GBAp为往期草地裸地(裸斑)面积占比。

第2 步，如果前后连个时段的评价区裸地(裸斑)面积占比小于5%，则要进行地面样方调查，根据顶极植物群落优势种或或共优种的优势度变化来反映草地生态系统小尺度退化或恢复程度，具体分级结果如表8 所列。顶极植物群落优势种或共优种的优势度变化计算：

ΔSDR=SDRr-SDRp。

式中： ΔSDR为顶极植物群落优势种或共优种的优势度变化量，SDRr为当期顶极植物群落优势种或共优种的优势度，SDRp为往期顶极植物群落优势种或共优种的优势度。

4.2 草地退化/恢复速率评价

将评价区不同时段的草地健康状进行比较，可以反映草地植被、土壤和生态系统退化或恢复的速率，具体依据两个时段的植被健康指数、土壤健康指数、生态整体状况(大尺度或小尺度) 的变化快慢，反映草地退化速率。

植被退化/恢复速率评价。将评价区当期和往期的植被健康指数变化量除以两期间隔的长度(年)，则可以反映草地植被退化或恢复的速率(表9)，具体按下式计算：

表9 草地退化/恢复速率评价表Table 9 Evaluation of grassland degradatin / restoration

式中：rGVHS为植被健康变化速率， ΔGVHS为植被健康指数变化量， ΔY为两期调查间隔年份。

土壤退化/恢复速率评价。将评价区当期和往期的土壤健康指数变化量除以两期间隔的长度(建议5 年为一个间隔)，则可以反映草地土壤退化或恢复的速率(表9)，具体按下式计算：

式中：rGS HS为土壤健康变化速率， ΔGS HS为土壤健康指数变化量， ΔY为为两期调查间隔年份。

草地退化/恢复速率整体评价。第1 步，在样地或区域尺度(1 hm2以上)，将评价区当期和往期的裸地(裸斑) 占比变化量除以两期间隔的长度(建议5 年为一个间隔)，则可以反映大尺度草地退化或恢复整体变化速率(表9)。裸地(裸斑)面积变化速率按下式计算：

式中：rGBA为 草地裸地(裸斑)变化速率， ΔGBA为草地裸地(裸斑)占比变化量， ΔY为为两期调查间隔年份。

第2 步，如果前后两个时段的评价区裸地(裸斑)面积占比小于5%，则要进行地面样方调查，将评价区当期和往期的顶极植物群落优势种或共优种优势度变化量除以两期间隔的长度(建议5 年为一个间隔)，则可以反映小尺度草地退化或恢复整体变化速率(表9)。顶极植物群落优势种或共优种的优势度变化速率计算：

式中：rSDR为顶极植物群落优势种或共优种的优势度变化速率， ΔSDR为顶极植物群落优势种或共优种的优势度变化量， ΔY为为两期调查间隔年份。

5 结语

草地健康与草地退化是全球关注的热点问题，也是我国生态文明建设的主要领域。但是，由于学界对草地健康和草地退化概念的理解偏差，造成草地健康与草地退化的评价理论和方法处于混沌状态。由此提出了形色各异的国家标准、行业标准和地方标准，如《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标》(GB19377—2003)、《草原健康状况评价》(GB/T21439—2008)、《草地植被健康监测评价方法》(NY/T3648—2020)、《川西北高寒草甸草地放牧退化分级》(DB51/T 1978—2015)、《高寒草原退化等级划分》(DB63/T981—2011)。但是，这些标准并没有考虑草地健康是状态、草地退化是过程的事实，将两者作为一个事物的正反两面进行同质化处理，实际应用中会造成结果的偏差和误判。例如，我国自2000 年以来实行了大面积的生态工程建设项目，草原生态健康状况整体向好发展。但是，由于现行的草地退化评价体系将草地健康状况作为评判依据，造成多数草地仍处于退化(不健康或极不健康)状态，这无形低估或误判了生态恢复工程的作用效果。事实上，如果将生态工程实施前(如1999 年)的草地健康状况与评价年(如2021 年)的草地健康状况进行对比，可以明显得出草地健康状况趋向好转的结论。这就类似于病人的病情诊断，如果检测指标始终与正常值对比，可能一直处于病态(极不健康、不健康或亚健康)；如果将治疗后和治疗前的两次检测结果进行对比，则可以明确得出病情好转(疗效显著)还是继续恶化(疗效较差)。因此，草地健康和草地退化的评价应从状态和过程两个维度进行，而不能将两者作为同一事物的两个方面进行评价。本研究辨析了草地健康和草地退化概念的联系与区别，并构建了用于草地健康和草地退化评价的不同指标体系，解决了长期固化的两者定义和评价混淆不清的问题。

我国草地面积大、类型多、分布广，且有国家公园、自然保护区等保护地以及传统牧业生产区等不同功能区，因此草地得管理目标多样，导致不同学者或管理部门采用不同评价方法、不同评价指标、不同测算体系量化草地健康和草地退化程度。但是，这些庞杂的评价体系导致草地健康或草地退化状况的判定结果不一，无法科学指导专业化草地管理和保护修复工作。另外，我国不同类型的草地退化形式和后果不尽相同，草甸类草地退化主要表现为“裸斑化”“岛屿化”“毒杂草化”，草原类草地退化主要表现为土地沙化、植被盖度下降、物种多样性减少，但目前我国的草地健康或草地退化并未给出分类评价方法和权重赋值，无法客观反映不同类型草地健康或草地退化的实际情况。本研究提出了草地健康和草地退化的分步评价方法，可以从遥感和地面调查实现大尺度和小尺度的精准评价，提出简明、清晰、可操作性强的草地健康和草地退化判断标准，有助于解决我国草地健康诊断、草地退化预警及退化草地修复的管理需求问题。