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管理處，寧夏 固原 756000)

隨著我國草地生態的不斷惡化和草地退化，草地的可持續利用、生態系統健康同人類的健康與生活的關系倍受人們關注，生態系統健康的研究與評價已成為目前及今后世界各國關注的重點與前沿之一[1-2]，是新興的生態系統管理學概念，已成為新的環境管理[3]和生態系統管理目標[4]。草地生態系統健康評價是國際學術界探討的熱門領域，對這一領域的研究不僅反映人類對草地生態系統的認識程度，也是相關領域學術研究和社會、經濟發展水平的綜合體現[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、系統內營養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)，結合草地-動物界面和草畜-經營管理界面的相關內容，研究草地生態系統不同界面容量與有序結構的定量關系，確定系統不同的健康閾值。用草地基況法評價草地生態系統的健康程度，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系統健康狀況的一個最主要的技術手段，尤其是在半干旱地區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的典型代表，面積大,地域廣。寧夏云霧山草原自然保護區是我國黃土高原上以長芒草為主的典型草原生態系統保留最完整、原生性最強、面積最大且集中連片分布的典型區域。經過20多年的有效保護，草地生態系統已步入了良性循環，長芒草典型草原處于健康發展狀態。因此，以寧夏云霧山保護區為中心向外呈輻射狀布設監測調查樣方，利用草地基況法研究長芒草典型草原的健康指標體系，并針對不同區域長芒草典型草原的健康狀態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乃至黃土高原同類地區草地生態系統的修復與重建、提高草地生產力、達到草地健康發展及可持續利用的目的提供可靠的技術依據。

1 研究區概況與方法

1.1研究地概況 研究地設在寧夏云霧山草原自然保護區內。保護區位于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，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，年日照時數為2 500 h,年平均無霜期137 d,年平均降水量411.5 mm。生態類型屬于典型的干草原生態系統，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為中心，以保護區封禁20多年的長芒草典型草原為對照(核心區，36°15′27″ N,106°22′59″ E)，向保護區外圍擴展，對2個外圍[外圍1：緩沖區(36°13′49″ N,106°22′59″ E)；外圍2：試驗區(36°12′13″ N,106°24′38″ E)]及各個縣區[原州區(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)]的草原根據指標進行測量。其中調查點的選擇依據1981年寧夏回族自治區草地資源調查[9]結果，選擇各縣區在1981年草地調查時典型草原的代表性地段為調查地點，每個調查地點調查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容與方法 試驗于2008年、2009年的每年8月進行，即在草地產草量最高峰時進行草地調查與數據測量。以寧夏固原云霧山草原自然保護區為中心，以保護區封禁20多年的長芒草典型草原為對照，向保護區外圍擴展，分別對寧夏不同區域的長芒草典型草原群落的整體性與生態現況、群落結構、水文功能與養分循環、區域穩定性、有害雜草5個方面進行調查。草地基況法調查草地評分標準如表1[10]。

1.2.1整體性與生態現況調查 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域生態系統功能的執行及提供產品和服務的能力。在天然草地群落中，少數關鍵草種通常負責供給絕大多數的生物量，能夠反映生態現狀。在調查過程中，主要測定1 m2內長芒草群落及整個草地群落的高度、蓋度、多度、頻度和產量，即四度一量，每個樣地測定3次重復。

1.2.2植物群落結構 植物生長在不同“層”的這種特征被稱為結構。草地的結構層包括矮小灌木(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水文功能與養分循環 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、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量/水質量。

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。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，稱取鮮質量后在105 ℃的烘箱內連續烘8 h，直至質量不變時稱干質量，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為干土質量(g)；W為濕土質量(g)。

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

1.2.4區域穩定性 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。現場調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、凋落物質量、土壤含水量、土壤干土質量/水質量作為長芒草典型草原生態系統健康評價理論指標體系。

1.3.2草原放牧地生態系統健康綜合評價 采用模糊綜合評價方法：

表1 草地基況法調查評分標準

設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果。

設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時做出評判結果Xi的程度。

取評價函數分別為：

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，對照區為健康草地，d=1;各個取樣地點評價的系數在0～1，系數越接近1，草地越接近健康狀態。

1.4統計方法 通過Excel整理、分析調查數據，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現況調查得分

表3 寧夏長芒草典型草原群落結構、水文功能與養分循環調查得分

表4 寧夏長芒草典型草原區域穩定性調查得分

表5 寧夏長芒草典型草原有害雜草調查得分

2.1.2草地基況法健康評價 根據草地基況法對草地打出的分數得出長芒草典型草原健康評價狀況(表6)。其中區域分數是各個測定點在整體性與生態現況、群落結構、水文功能與養分循環、場區穩定性、有害雜草5個方面的調查評分總和。

對照、外圍1、月亮山、南華山的草地處于健康狀態，外圍2、原州區、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，海原縣、同心縣的草地處于不健康狀態。

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]是建立在模糊數學理論[15]基礎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果 在長芒草典型草原中測定的土壤含水量、土壤干土質量/水質量數據如表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據。

2.2.2長芒草典型草原健康評價 以野外調查獲得的群落蓋度、建群種地上凈生長量、凋落物質量、土壤含水量、土壤干土質量/水質量為因素集，對照(核心區)、處理1(外圍1、月亮山、南華山)、處理2(外圍2、原州區、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、土壤干土質量/水質量

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域的群落蓋度、建群種地上凈生長量、凋落物質量、土壤含水量、土壤干土質量/水質量5個單因子的差異性健康系數。

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(差異性健康綜合系數):

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可以看出，寧夏長芒草典型草原差異性健康綜合系數為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樣方內的總蓋度和總產量、分層層數、枯枝落葉量、穩定性、有害雜草，評價結果如表8所示。

表8 寧夏草地健康評價標準

3 小結

本試驗以寧夏固原云霧山草原自然保護區為中心向外呈輻射狀布設監測調查樣方，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果：對照、外圍1、月亮山、南華山的草地處于健康狀態，外圍2、原州區、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，海原縣、同心縣的草地處于不健康狀態。

2) 模糊綜合評價法的評價結果：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、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、彭陽縣、隆德縣、西吉縣、鹽池縣的草地為亞健康狀態；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外草地管理技術發展的方向和趨勢，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合，再進一步完善和補充。

[1]郭清和.廣州市城市森林服務功能及價值研究[D].長沙：中南林學院，2005.

[2]劉鐘齡.內蒙古草原退化與恢復演替機理的探討[J].干旱區資源與環境，2002(1):84-91.

[3]李瑾，安耐青，程小莉.生態系統健康評價的研究進展[J].植物生態學報，2001,25(6):641-647.

[4]周立業，郭德，劉秀梅.草地健康及其評價體系[J].草原與草坪，2004(4):17-20.

[5]單貴蓮，徐柱，寧發.草地生態系統健康評價的研究進展與發展趨勢[J].中國草地學報，2008,30(2)：98-103,115.

[6]National Research Council(NRC).Rangeland health:new methods to classify,inventory and monitor ranglangds[M].Washington:National Academy Press,1994.

[7]Tongway D.Rangeland soil condition assessment manual[M].Kanpeila:CSIRD Division of Wildlife and Ecology,1994.

[8]任繼周，南志標，郝敦元.草業系統中的界面論[J].草業學報，2000,9(1)：1-8.

[9]郭思加.寧夏草地資源與牧草種植[M].銀川：寧夏人民出版社，1989：8-15.

[10]寧夏農牧廳農業國際合作項目管理中心.草地健康評價手冊[M].銀川：可持續資源開發部公共土地與森林司，2007.

[11]錢登峰.華北土石山區典型植物群落土壤健康評價[D].重慶：西南大學,2007.

[12]紅梅.錫林河流域草地地境劃分及其健康評價[D].呼和浩特：內蒙古農業大學, 2005.

[13]高安社.羊草草原放牧地生態系統健康評價[D].呼和浩特：內蒙古農業大學,2005.

[14]段文仲.模糊綜合評價在檢驗檢疫風險管理中的應用[J].檢驗檢疫科學，2006,16(1):16-18.

[15]楊綸標，高英儀.模糊數學原理及其應用[M].廣州：華南理工大學出版社，2002.