阿勒泰林區放牧前后草地生態系統健康評價

殷錫凱, 葉 茂,2, 趙凡凡, 周 泉

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 新疆 烏魯木齊 830054;2.新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室, 新疆 烏魯木齊 830054)

生態系統健康是生態學研究的熱點與前沿之一。草地是十分重要的自然資源，是我國陸地上面積最大的生態系統[1]，不僅維持著生物多樣性、水土保持、防風固沙、涵養水源、干旱區防治等，同時起著保護生態安全的屏障作用。它的健康既是全球自然生態系統健康的重要組成部分，也對人類社會發展產生重要影響。關于草地生態系統健康評價的方法主要有：VOR指數評價模型[2-3]、CVOR評價模型[4-5]、PSR評價模型[6-7]、層次分析法[8-9]、指數評價法[6]、模糊綜合評價法[10]和聚類分析法等[11]。其中，VOR綜合指數模型是基于活力(vigor，V)、組織力(organization，O)和恢復力(resilience，R)構建，用來評價草地生態系統健康情況的綜合指數[12]。該方法不僅能很好的評價草地生態系統，而且對于評價個別年份的草地健康狀況具有一定的優勢，能綜合反映草地結構特征和健康狀態。單貴蓮等[3]用VOR和CVOR指數模型評價了不同圍封禁牧年限典型草原的健康狀況；姜佳昌等[13]用VOR指數評價了甘肅省肅南縣退牧還草工程前后的3個草原類型的植物群落結構特征；俞鴻千等[14]用VOR和CVOR評價模型評估了寧夏干旱風沙區荒漠草原恢復狀況。

目前草地生態系統評價研究多側重于生態系統經濟價值及服務價值評估[15-17]、土壤質量評價[18]、群落結構及多樣性和穩定性評價等[19-20]領域。新疆阿勒泰林區存在草地退化、沙漠化[21]以及草—畜不平衡等[22]現象，嚴重影響阿勒泰林區畜牧業發展。同時阿勒泰林區草地的研究主要在生態環境[21]、草地退化原因[22-23]、退牧還草工程效益分析[24]以及補償機制績效分析等[25]方面，但對草地健康狀況綜合評價的研究較少。為此，本研究以阿勒泰林區草地為研究對象，通過調查春秋季節阿勒泰林區草地群落的蓋度、高度、密度、頻度、生物量等，計算草地群落的多樣性、優勢度、豐富度和均勻度，并利用VOR生態系統健康評價模型進行定量評價，診斷阿勒泰林區草地生態系統健康狀態和放牧前后差異特征，為阿勒泰林區退化草地恢復與管理提供科學理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

新疆阿勒泰林區地處阿爾泰山南麓，西北與布爾津縣相鄰，西南與吉木乃縣交界，東北與蒙古國接壤。地理坐標87°25′—88°38′E，47°46′—48°39′N，地勢北高南低，海拔600～3914 m，屬溫帶半干旱大陸性氣候區，南北氣候差異較大，年均氣溫4 ℃，多年年平均降水量194.2 mm。草地植被種類繁多，以寒生羊茅(Festucakryloviana)、新疆針茅 (Stipasareptana)、沙生針茅(S.glareosa)等為主要建群種，以蒿草(Kobresiacapillifolia)、千葉蓍(Achilleamillefolium)、黃花苜蓿(Medicagofalcata)、委陵菜(Potentillachinensis)、車軸草(Trifoliumrepens)、老鸛草(GeraniumwilfordiiMaxim.)等為主要伴生種植物。

1.2 試驗設計

對阿勒泰林區放牧前后草地群落進行了調查，依據海拔梯度、河流、牧道和旅游區等影響因素，將阿勒泰林區設置為6個監測點，每個監測點周圍布設調查樣地和樣方。放牧前后各布設74個調查樣地，162個樣方，樣地大小為20 m×20 m，同時每個樣地布設3個1 m×1 m的草地樣方(后山河流、牧道為1個)；其中前山山坡15個樣地，45個樣方；前山河流6個樣地，18個樣方；后山山坡10個樣地，30個樣方；后山河流6個樣地，6個樣方；旅游區13個樣地，39個樣方；牧道24個樣地，24個樣方。每個樣方內，詳細測量和記錄草的種類、數量、高度、蓋度等指標。監測完后，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。同時記錄經緯度及海拔高度基本信息。本次調查時間為(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 物種多樣性計算分析

本研究采用多樣性測度中的Margalef豐富度指數(S)、Simpson優勢度指數(D)、Shannon-Wiener多樣性指數(H)、Alatalo均勻度指數(Ea)[26-27]，其計算公式為：

Margalef豐富度指數(S)：

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

(1)

Simpson優勢度指數(D)：

(2)

Shannon-Wiener多樣性指數(H)：

H=1-∑PilnPi

(3)

Alatalo均勻度指數(Ea)：

(4)

式中：S為樣方中的總物種數；N為樣方中的總個體數；Ni為第i種植物的個體數；Pi為i種植物個體數占總個體數比例。

1.4 VOR綜合指數評價

利用研究區草地現狀調查資料，結合研究區退化草地的演替方向，進一步結合活力(V)、組織力(O)、恢復力(R)等各項單項指標，采用VOR評價方法對草地生態系統健康進行評價。

各指標對照樣地選擇是各個監測點周圍未受人為干擾、生長狀況良好的天然群落作為對照值。WV，WO，WR分別對應各部分的指數權重數，WV=WO=WR=1/3，則：WV+WO+WR=1。計算VOR綜合指數時，各個單項指數V，O，R∈[0,1]，值大于1時均取值為1[3,29]。結合國內對寒區旱區草地生態系統健康等級劃分方法，采用四分法將生態系統健康狀態指數劃分為4個不同等級(表1)[30]來評價草地生態系統的健康狀況。

表1 草地生態系統健康指數及健康等級

2 結果與分析

2.1 阿勒泰林區各監測點放牧前后草地物種多樣性差異性分析

由圖1可知，Margalef豐富度指數表現為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、牧道放牧前的指數值高于放牧后。Simpson優勢度指數表現為放牧前前山河流最高，旅游區最低；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、牧道放牧前的指數值高于放牧后。Shannon-Wiener多樣性指數表現為放牧前前山河流最高，旅游區最低；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、牧道放牧前的指數值高于放牧后。Alatalo均勻度指數表現為放牧前前山河流最高，后山河流最低；放牧后后山山坡最高，旅游區最低；后山山坡、后山河流、旅游區、牧道放牧前的指數值低于放牧后。

圖1 阿勒泰林區各監測點放牧前后物種多樣性指數值

由圖2可以看出，各監測點放牧前的草地生物量高于放牧后草地生物量。表2為各監測點放牧前后草地物種多樣性差異性指數，可知Margalef豐富度指數表現為旅游區放牧前后差異極顯著(p<0.01)，牧道放牧前后差異顯著(p<0.05)。Simpson優勢度指數表現為前山山坡、牧道的放牧前后差異極顯著(p<0.01)。Shannon-Wiener多樣性指數表現為前山山坡、牧道的放牧前后差異極顯著(p<0.01)。Alatalo均勻度指數表現為各監測點放牧前后差異不顯著(p>0.05)。前山山坡、牧道分別是過渡牧場、夏牧場，由于牧民放牧的原因，可能造成前山山坡和牧道的優勢度指數、多樣性指數放牧前后差異極顯著。

表2 阿勒泰林區各監測點放牧前后草地物種多樣性差異性分析

圖2 阿勒泰林區各監測點放牧前后草地生物量

2.2 放牧前后草地生態系統健康各項指數整體評價

阿勒泰林區草地生態系統的活力(V)、組織力(O)、恢復力(R)和健康指數(VOR)的計算結果如圖3所示。

由圖3可以看出，放牧前后阿勒泰林區草地生態系統平均健康指數(VOR)分別為0.84和0.87(>0.75)，都達到健康水平。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的健康標準。說明整體上阿勒泰林區放牧后草地系統的活力、組織能力和恢復力較強，系統結構比較穩定。對阿勒泰林區放牧前后草地生態系統健康評價各項指標進行整體差異性分析(表3)，結果表明阿勒泰林區整體上放牧前后草地生態系統健康的O，R值差異顯著(p<0.05)，其他指數值放牧前后差異均不顯著。

注：V，O，R，VOR分別表示阿勒泰林區草地生態系統的活力、組織力、恢復力和健康指數。下同。

表3 阿勒泰林區放牧前后草地生態系統健康整體差異性分析

2.3 各監測點放牧前后草地健康指數評價差異性分析

表4為各監測點綜合評價模型指數，可知活力指數V表現為各監測點放牧前后差異不顯著(p>0.05)。組織力指數O表現為牧道的放牧前后差異顯著(p<0.05)?；謴土χ笖礡表現為牧道的放牧前后差異極顯著(p<0.01)。草地生態系統健康指數VOR表現為牧道的放牧前后差異極顯著(p<0.01)，其他監測點的VOR指數放牧前后差異不顯著。

表4 阿勒泰林區各監測點放牧前后草地生態系統健康差異性分析

2.4 阿勒泰林區各監測點天然草地VOR綜合指數評價

根據天然草地評價系統健康等級(表1)及阿勒泰林區天然草地VOR綜合指數(圖4)可以看出，各監測點放牧前后VOR綜合指數都達到“健康”等級，但是放牧前后存在差異。其中，放牧前的后山河流VOR值最高，為0.92；牧道VOR值最低，為0.79。放牧后的后山河流VOR值最高，為0.94；前山山坡VOR值最低，為0.80。

圖4 阿勒泰林區各監測點放牧前后天然草地VOR指數評價

3 討 論

目前許多研究[31-33]證明了外界干擾對草地植被的影響體現在草地植被群落的演替過程中，適當放牧能提高草地植被更新速度，家畜采食、踩踏、排泄等活動對天然草地影響，在一定程度上有利于草地生態系統的健康。過度放牧對草地植被、土壤、牲畜產生不良影響，造成草本植被生長受到抑制、穩定的物質平衡被打破、土壤退化等[34-35]。通過分析阿勒泰林區草地生態系統放牧前后生物多樣性及生態系統健康狀態，可以看出，阿勒泰林區放牧后草地生態系統的活力、組織能力和恢復力較強，系統結構較穩定，草地生態系統發展較好，說明放牧干擾對阿勒泰林區草地生態系統影響不大。但放牧前后不同監測地點草地健康狀態存在差異性，表現在前山山坡樣地放牧后的VOR指數低于放牧前，牧道樣地放牧后VOR指數高于放牧前，后山河流周圍樣地VOR指數值為最高。由于前山山坡是過渡牧場，在放牧后牲畜啃食牧草，使得草地植被的種群數量在逐漸的減少，后山河流和牧道是夏牧場，在夏季放牧后進行轉場，牧草得以恢復生長，使得后山河流和牧道放牧后的VOR綜合指數評價處于“健康”。基于該區域生態地位的特殊性和重要性，管理部門應以科學的手段及方法為草地生態系統健康提高科學合理的生態效益，是維持草地生態系統平衡的重要保障。

4 結 論

(1) Margalef指數差異表現在阿勒泰林區旅游區樣地放牧前后差異極顯著，而牧道樣地放牧前后差異顯著；Simpson指數和Shannon-Wiener指數在前山山坡樣地、牧道樣地也表現出差異極顯著。Alatalo指數在各監測點差異不顯著，表明各監測點放牧前后草地群落均勻度變化不大。

(2) 阿勒泰林區放牧前后草地生態系統的平均健康指數(VOR)分別為0.84和0.87(>0.75)，都達到健康水平。阿勒泰林區放牧后草地系統的活力、組織力和恢復力較強，生態系統結構較穩定。阿勒泰林區放牧前后草地生態系統健康的O值、R值差異顯著(p<0.05)，其他值放牧前后差異不顯著。

(3) 活力指數表現為各監測點放牧前后差異不顯著(p>0.05)。組織力指數表現為牧道放牧前后差異顯著(p<0.05)?；謴土χ笖当憩F為牧道放牧前后差異極顯著(p<0.01)。VOR指數表現為牧道放牧前后差異極顯著(p<0.01)，其他監測點VOR指數放牧前后差異不顯著。

(4) 各監測點放牧前后VOR綜合指數評價都達到“健康”等級。放牧前的后山河流VOR值最高，為0.92；牧道VOR值最低，為0.79。放牧后的后山河流VOR值最高，為0.94；前山山坡VOR值最低，為0.80。