高寒草甸健康評價方法的研究與應用

李帥，花立民，楊思維

(1.四川開放大學，四川 成都 610000；2.甘肅農業大學草業學院，國家林業草原高寒草地鼠害防控工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730070 3.四川省草原科學研究院，青藏高原高寒草地生態修復工程技術研究中心/色達草地生態四川省野外科學觀測研究站，四川 成都 611731；4.畢節市畜牧獸醫科學研究所,四川 畢節 551700)

我國高寒草甸面積遼闊，約占全國草地總面積的22.1%，是面積最大的一個草地類型[1]。近些年由于氣候變暖，加上不合理的草地利用，導致高寒草甸生態系統嚴重受損，草地健康水平日趨惡化，嚴重影響到高寒草甸區生態、生產安全和社會經濟的可持續發展[2]。草地健康狀況評價是判斷草地生態系統服務功能是否正常的重要手段。通過草地健康評價，可及時準確地反映草地生態系統的變化，對于科學地管理草地，發展草地畜牧業以及保護生態都具有重要的指導意義。

國內對于草地健康評價的研究起步較晚，草地健康概念傳入國內之初，許多學者對此展開了具有一定研究價值的工作，為后續的研究奠定了理論基礎[3]。1997年，李博[4]在草地類型演替的基礎上，以輕度退化、中度退化、重度退化和極度退化4個等級權衡了草地退化水平，并根據不同的植被類型、地上生物量及植被覆蓋情況提出了中國北方草地退化分級指標體系。2000年，任繼周[5]將基況加入到評價指數中，形成了CVOR綜合指數模型，更加全面地在評價草地健康狀況。2005年，高安社[6]對不同放牧強度下草原生態系統健康諸因子進行分析研究，確立了7個健康指標，即：草群產量、草群蓋度、建群種羊草地上凈生產量、5月凋落物量、土壤全磷、土壤有機質、0～20 cm土壤中>0.05 mm沙礫含量倒數指標。2008年，草地健康評價國家標準[7]選取水文、生物、土壤3大類12個具體的指標。然而，其中有難以測定且過于專業的指標，無法滿足基層草地管理者和牧民實際操作過程中的需要[8]。因此，有必要在高寒草甸區開發一種科學合理、快速準確，且適用于基層人員實地操作的草地健康評價方法，為監測草地健康狀況、保護和合理利用草地資源提供科學的評判標準和理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區域概況

本研究試驗地選址在甘肅省天祝縣抓喜秀龍鄉，位于青藏高原祁連山東段高寒草甸區。地理坐標為N 37°11′，E 102°32′。該地平均海拔2 700～3 100 m，年均降水量416 mm，主要集中在7、8、9月，年蒸發量1 592 mm，無絕對無霜期，年均氣溫-0.1 ℃，7月和1月平均氣溫分別為12.7和-18.3 ℃，≥0 ℃的年積溫為1 380 ℃，植物生長期120～140 d。屬于大陸性高寒半濕潤山地氣候，土壤以亞高山黑鈣土、亞高山草甸土等為主。放牧方式為夏、冬季節性輪牧，以藏羊、藏牦牛為主[9]。該地區植物優勢種為矮嵩草(Kobresiahumilis)、線葉嵩草(K.capillifolia)、草地早熟禾(Poapratensis)、珠芽蓼(Polygonumviviparum)、車前(Plantagoasiatica)等。其中有毒植物共計18科、32屬、61種，常見種為翻白委陵菜(Potentilladiscolor)、高山韭(Alliumsikkimense)、黃芪(Astragalusmembranaceus)、甘肅馬先蒿(Pediculariskansuensis)、唐松草(Thalictrumaquilegifolium)、烏頭(Aconitumcarmichaeli)、銀蓮花(Anemonecathayensis)、狼毒(Stellerachamaejasme)[10]。

1.2 試驗設計

1.2.1 樣地設置 在研究區內選取5塊不同放牧強度的草地作為試驗樣地。每個樣地面積均超過1 hm2，皆為二級階地。樣地依次標記為A1、A2、A3、A4、A5，放牧強度從小至大依次為A3< A4

表1 樣地設計

1.2.2 篩選指標 篩選指標遵循代表性強、易獲取、相對重疊小、定性與定量指標相結合、生態與生產功能相兼顧的原則[11-12]。最終篩選出總蓋度(coverage)、群落層片結構(community layer structure)、風蝕/水蝕(soil erosion)、總產量(total yield)、可食牧草比例(edible forage biomass)、新鼠丘/鼠洞密度(new mounds or holes)6項指標[13-14]。其中，生態指標包括總蓋度、群落層片結構、風蝕/水蝕3項指標；生產指標包括總產量、可食牧草比例、新鼠丘/鼠洞密度3項指標。指標中總蓋度、總產量、可食牧草比例為定量指標；群落層片結構、風蝕/水蝕、新鼠丘/鼠洞密度為定性指標。全部指標都可通過目測、步測、干重排序法(Dry-Weight Rank，DWR)直接獲得[15]。由此，形成高寒草甸健康評價指標體系(圖1)。其中：B層為一級指標層，包括生態指標和生產指標；C層為二級指標層。

圖1 高寒草甸健康評價指標體系

1.2.3 指標權重計算 為排除人為主觀因素影響指標權重賦值，本研究采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)與數據包絡分析法(Data Envelopment Analysis，DEA)相結合的方式計算高寒草甸健康評價指標綜合權重組[16-17]，運用灰色關聯度法(Grey Relational Analysis，GRA)構造最優指標集合模擬生態對照區，與對照相比趨勢相似程度最高的一組確定為最優指標權重。

(1)基于AHP法構造判斷矩陣 構造判斷矩陣是本層次與上層次因素之間相對重要性的比較。為了使決策判斷量化，本研究采用1～9標度法。首先邀請在高寒草甸區從事科研、技術推廣和生產工作多年的9位專家對B層、C層指標分別在層內做1～9度指標相對重要打分，打分規則為前一項與后一項指標相比較：同等重要，其權重取1；稍重要取3；明顯重要取5；很重要取7；絕對重要取9。由此構造出比較判斷矩陣：

A=(aij)n×n

(2)計算指標權重值 本研究采用和法計算判斷矩陣的最大特征值及其對應的特征向量。

(3)一致性檢驗 比較判斷矩陣是通過專家組對各指標進行比較得到的，憑經驗形成的矩陣與理論比較矩陣有誤差，為了降低這種誤差，計算比較矩陣的最大特征值λmax，并與階數n的相對誤差作為比較矩陣的一致性指標，即CI。

①計算判斷矩陣的最大特征根λmax

②計算一致性指標CI

③計算隨機一致性比率CR

(4)基于DEA法構建C2R模型，可得到如下線性規劃模型：

V=(v1,v2,…,vs,…，vp)T

U=(u1,u2,…,ut,…，uq)T

(5)無量綱化處理 本研究所采用處理方法為線性比例法。求解上述線性規劃模型即可得到各指標相應的權重，將其進行歸一化處理，最終可得到：

(6)計算綜合權重：

式中，Wi*為第i個評價指標的綜合權重，α為主觀偏好系數，1-α為客觀偏好系數，α∈[0,1]，α具體由決策者根據偏好給出，由此得出綜合權重組。

(7)基于AHP法和DEA法的GRA法分析模型確定最優方案指標集

最優方案指標集D0=(d01，d02，…，d0n)，式中d0j(j=1,2，…，n)為第j個指標的最優值。選定最優指標集后，可構造矩陣G：

(8)指標值的規范化處理 由于評價指標量綱和數量級不同，因此不能直接進行比較，需要對矩陣G進行規范化處理，本文采用極值處理法得到矩陣H。

(9)關聯系數矩陣的確定 可得第i個方案的第j的指標與第j個最優指標的關聯系數εij：

式中，ρ為分辨系數，ρ∈[0,1]，一般ρ=0.5。由εij可得關聯系數矩陣E：

(10)灰色關聯度的確定 根據關聯系數行向量Ei和指標權重向量Wi*，可求得各方案的關聯度Ri(i=1,2，…，m)。

關聯度Ri越大，方案集Di與最優指標集D0越接近，說明兩個因素變化趨勢相似程度越高，由此可得出最優指標權重組合，并將這一組合確定為高寒草甸健康評價方法最終指標權重。

1.2.4 指標分級標準 指標分級標準參照國家草地健康狀況評價標準[17]，所有指標均采取百分制賦分。定量化指標至少設置四級標準，每一級都說明具體評分規則與得分標準；定性化指標設置九級標準，每一級之間相對重疊小，且無需實驗室分析與計算，僅通過目測即可獲得指標分值。

1.2.5 健康評價評分表 綜合評價指標、權重、分級標準形成可視化評價評分表，共劃分四個評價等級，詳見表2。

表2 健康評價等級表

評價最終總得分計算公式如下：

式中：s為指標現場打分；q為指標綜合權重。

在鳶尾花數據集上用兩種處理多分類問題的方式，進行比較研究，發現兩種方式的結果是一樣的，但當數據集增大，類別增多時，用OVO方式處理多分類問題較為復雜，因為要訓練M(M-1)/2個分類器，也易在投票環節出現最多類票數相同情況,而用OVA方式去處理多分類問題，其分類器的個數在減少，但在訓練模型的時候，正類數據與負類數據會出現不平衡情況，當這種不平衡比例增大時，會影響分類的結果。因此，在一般情況下，兩種方式處理多分類問題，效果差不多，但兩種方法各有優劣。在后一階段的工作中，看能否尋找一種結合兩者優勢的方式去解決多分類問題。

2 結果與分析

2.1 健康評價指標得分一致性檢驗結果

將樣地A1-A5的6項指標原始數據依照指標換算規則得到各項指標評分(表3)。

表3 健康評價指標得分

經計算，生態層的一致性比率為0.037<0.1，生產層一致性比率為0.073<0.1，說明判斷矩陣A(C1)與A(C2)具有滿意的一致性。

2.2 基于AHP健康評價的指標權重結果

依據9位專家打分，可得高寒草甸生態功能與生產功能的重要性比值為7∶3，且專家認為C層中指標重要性依次為：總蓋度>總產量>群落層片結果>風蝕/水蝕>可食牧草比例>新鼠丘/鼠洞密度(表4)。

表4 AHP指標權重值

2.3 基于DEA健康評價的指標權重結果

健康評價的6項指標中，總蓋度(u1)、群落層片結構(u2)、總產量(u3)及可食牧草比例(u4)為取值越大越好的指標，可作為輸出指標；風蝕/水蝕(v1)與新鼠丘/鼠洞密度(v2)為取值越小越好的指標，可作為輸入指標。在建立模型之前首先對原始數據進行無量綱化處理，可得到矩陣B：

B=

針對方案A1，可建立如下模型：

max h1=u1+0.625u2+0.833u3+u4

s.t.0.750v1+v2-u1-0.625u2-0.833u3-u4≥0

v1+0.889v2-0.990u1-0.875u2-0.833u3-0.990u4≥0

0.875v1+0.778v2-0.896u1-u2-u3-0.980u4≥0

0.750v1+0.778v2-0.854u1-u2-0.750u3-0.960u4≥0

0.625v1+0.667v2-0.792u1-0.500u2-0.417u3-0.980u4≥0

0.750v1+v2=1

V=(v1，v2)T≥0

U=(u1，u2，u3，u4)T≥0

通過Excel的非線性GRG規劃求解，可得到DEA理論最優解指標權重值(表5)。

表5 DEA指標權重值

2.4 健康評價綜合權重組結果

在確定綜合權重時，定義主觀偏好系數α=0.5，可得Wi*=αW+(1-α)Wi=0.5W+0.5Wi。

將AHP方法得到的指標權重結果與DEA方法得到的最優解各占0.5的比例得到指標的綜合權重組(表6)。

表6 指標綜合權重

2.5 灰色關聯度分析結果

根據A1-A5樣地原始數據，篩選出各項指標相對最優值組成最優方案指標集，即蓋度96%，層片結構8級，風蝕/水蝕2級，總產量2 400 kg/hm2，可食牧草比例99%，新鼠丘/鼠洞密度1級，得到D0=(96，8，2，2400，99，1)，進一步構造出矩陣G：

采用極值法對矩陣G進行規范化處理。健康評價的6項指標中，總蓋度(C11)、群落層片結構(C12)、總產量(C21)、可食牧草比例(C22)為取值越大越好的指標，即為極大型指標；風蝕/水蝕(C13)、新鼠丘/鼠洞密度(C23)為取值越小越好的指標，所以為極小型指標。將不同指標帶入不同的極值法公式中，得到標準化矩陣H：

H=

本研究將ρ定義為0.5。因此，求得第i個方案的第j的指標與第j個最優指標的關聯系數εij：

由εij可得關聯系數矩陣E：

由此可得A1-A5樣地灰色關聯度依次為：

2.6 高寒草甸A1-A5樣地健康評價結果

3 討論

草地生態系統健康評價的研究最早起源于美國，美國學者Dyksterhuis等在1948年提出草地基況的概念，1949年進一步提出了草地地境學說，將植被按照減少者、增加者、入侵者分組，進行了草地基況評價。至今草地基況分類法仍是草地屬性評價的主要方法和標準。草地基況即草地當前的狀況，強調當前草地植物群落與歷史頂級或理想植物群落的植被組成、生產力等指標進行比較，根據其相似程度，將草地評價為四個等級，即“極好”“好”“中等”及“差”，隨著評價等級不斷下降，隨之采用相應的管理措施。1999年8月國際生態系統健康大會討論了生態系統的健康診斷，決定采用美國生態學家Costanza(1992)和Rapport(1998)提出的VOR評價體系。活力(V)代表草地的功能，草地的能量輸入越多物質循環越快活力就越高；組織力(O)是草地的結構，草地的結構越優化就越健康；恢復力(R)是草地反彈回復的速率，彈性越大恢復力越強。根據這3項指標，借助于系統測量和預測公式的運算，求出健康指數HI= V×O×R。應用健康指數，把草地生態系統劃分為4個時期：健康、警戒、不健康和崩潰，找出預警指標及閾值。但這種評價體系可操作性差，只能進行理論研究。

我國學者在草地退化與草地健康評價方面也做了大量的研究。李博[4]以植物種類組成、地上生物量與蓋度及土壤等指標為基礎，擬定了中國北方草地退化分級指標體系，并且劃分出了四個草地退化等級，即：輕度退化、中度退化、重度退化與極度退化。郝敦元等[18]、劉鐘齡等[19]對草地植被退化演替的進程與診斷進行了10 余年連續不斷的研究，取得了一系列的創造性成果。任繼周[5]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，建立CVOR評價體系。侯扶江等[20]采用牧草生理低限(PLL)、生理上限(PUL)和再生長期(R期)長度/放牧期(G期)長度的比(R/G)等指標，構建了放牧草地健康評價的生理閾限雙因子法，并于 2004 年以阿拉善草地生態系統中的地理環境——牧草界面的關鍵生態過程為基礎，以任繼周提出的COVR指數評價思路為指導，建立了COVR綜合指數的計算模型和方法。

本研究致力服務于草地基層管理者和牧民，草地健康評價方法科學、快速、易操作是開發的初衷和落腳點。其中評價指標如何篩選是決定評價方法是否具備科學性與可行性的前提。遙感技術、無人機等技術的興起，使草地調查方式與途徑發生變化，劉曉峰等[21]利用遙感影像獲取色達縣草地健康監測模型，通過 GDI 將色達縣退化草地劃分為不退化、輕度、中度和重度退化 4 個等級。然而遙感技術專業性過強且成本偏高，不利于在牧民中推廣。目前，國內多采用任繼周CVOR評價體系，該體系可相對全面地反映草地健康水平，但基況(C)有機質的測定需在實驗室內完成，嚴重制約了牧民的使用。綜上，將定性與定量指標相結合，生態與生產功能兼顧，篩選出總蓋度、群落層片結構、風蝕/水蝕、總產量、可食牧草比例、新鼠丘/鼠洞密度6項指標間接反映草地結構完整性、功能穩定性、系統持續性等方面，其中將風蝕/水蝕作為草地基況土壤指標。以上6項指標均可在現場通過目測、步測、干重排序法(DWR法)獲得，其中DWR法為0.1 m2樣方快速監測技術，牧民可自制樣方，僅需一次培訓即可掌握使用方法[15]。

指標權重關乎健康評價結果的合理性與準確性，為避免人為主觀因素影響指標權重賦值，本研究結合層次分析法與數據包絡分析法兩種方法計算得到指標綜合權重組。運用灰色關聯度法可有效解決樣地無實際對照的問題。當監測不同樣地時，可從理論上快速建立空白對照，選擇關聯度最大的一組作為最優指標權重，結合樣地指標監測得分，可快速實現高寒草甸草地健康評價。通過對天祝縣抓喜秀龍鄉實地評價，本方法可快速得出5塊樣地(A1-A5)健康評價結果為：A1亞健康(68分)、A2健康(80分)、A3亞健康(79分)、A4亞健康(74分)、A5警告(55分)，其結果符合中度放牧理論。

高寒草甸生態系統十分復雜，本技術6項指標具有一定代表性但不具有完整性，后續還需開發一些便于使用者實地監測草地健康水平的指標。為更好地開展草地健康評價研究，時空尺度的轉化與擴展十分重要[22]。建議長期進行健康評價，才能對現狀及其未來變化趨勢做出正確的評估。

4 結論

本研究研發的草地健康評分表便于基層草地管理者或牧民對擬監測的高寒草甸健康狀況進行監測評價。

高寒草甸健康評分表——打分樣表

地區觀測人員時間草場面積GPS坐標(緯度)(經度)

1.總蓋度(4級)(權重系數0.232)

第1級：蓋度落在100%～80%，對應分值100～80分，蓋度每降低1%減1分

第2級：蓋度落在79%～60%，對應分值79～60分，蓋度每降低1%減1分

第3級：蓋度落在59%～50%，對應分值59～50分，蓋度每降低1%減1分。

第4級：蓋度落在50%以下(不包含50%)，對應分值49～0分，蓋度每降低1%減1分。

2.群落層片結構(9級)(權重系數0.341)

夏場(對照)冬場(對照)陰坡平地陽坡 健康草地(5個層片結構):1.高山柳、高山杜鵑(大型灌木)。2.錦雞兒、繡線菊、金露梅(小型灌木)。3.苔草、早熟禾、虎耳草。 4.珠芽蓼、銀蓮花、金蓮花、唐松草、野草莓。5.苔蘚(地被植物) 健康草地(4個層片結構):1.金露梅2.披堿草、鵝觀草3.嵩草、苔草4.珠芽蓼、球花蒿、毛茛、乳漿大戟、火絨草、扁蓿豆、唐松草 健康草地(3個層片結構): 1.禾本科、披堿草2.苔草、嵩草、珠芽蓼、球花蒿3.翻白委陵菜、扁蓿豆、唐松草、毛茛健康草地(3個層片結構):1.賴草、洽草、針茅、扁穗冰草2.矮嵩草、苔草3.扁蓿豆、冷蒿、球花蒿 亞健康草地(3個層片結構):表現為大型灌木消失,存在部分小灌木以金露梅為主。苔草減少,嵩草增加,火絨草出現。 亞健康草地(3個層片結構):灌叢消失,狼毒出現,嵩草增加,唐松草與扁蓿豆增加。 亞健康草地(2個層片結構):嵩屬為主,扁蓿豆、火絨草出現。 亞健康草地(2個層片結構):洽草及賴草為主要優勢植物,冷蒿和嵩草也有所增加。 不健康草地(2個層片結構):棘豆出現、嵩草減少,優勢種以委陵菜、珠芽蓼為主。地被植物消失不見。有明顯水蝕溝出現。 不健康草地(2個層片結構):矮嵩草、球花蒿為優勢種。鳳毛菊等貼地植物出現,火絨草低矮生長。 不健康草地(2個層片結構):蘭石草、車前、鳳毛菊等植物增加。扁蓿豆、矮嵩草等為主要優勢植物 不健康草地(2個層片結構):賴草很少,異葉青蘭出現。醉馬草大量出現。狼毒、棘豆、乳白稥青、黃芪有所增加,毒草為主要優勢種。

3.風蝕或水蝕(9級)(權重系數0.277)

第1-3級：沒有明顯風蝕、水蝕溝，撥開草可細微發現，但地表沒有石礫出現在草地表面，對應100、90、80分。

第4-5級：風蝕、水蝕溝明顯但寬度、深度不超過10 cm，地表有明顯石礫暴露，直徑不超過10 cm，對應70、60分。

第6-9級：風蝕、水蝕溝非常明顯且寬度、深度超過10 cm，地表有明顯石礫暴露，直徑超過10 cm，對應50、35、20、0分。

4.總產量(4級)(權重系數0.103)

第1級：產量落在3 500 kg/hm2以上(不包含3 500 kg/hm2)，對應分值100分。

第2級：產量落在3 500～2 600 kg/hm2，對應分值98～80分，產量每降低100 kg/hm2減2分。

第3級：產量落在2 500～1 600 kg/hm2，對應分值78～60分，產量每降低100 kg/hm2減2分。

第4級：產量落在1 500～600 kg/hm2，對應分值59～50分，產量每降低100 kg/hm2減1分。

第5級：產量落在500 kg/hm2及以下，對應分值49～0分，產量每降低100 kg/hm2減10分。

5.可食牧草比例(4級)(權重系數0.037)

第1級：可食用牧草占總產草量的100%～80%，對應分值100～80分，比例每降低1%減1分。

第2級：可食用牧草占總產草量的79%～60%，對應分值79～60分，比例每降低1%減1分。

第3級：可食用牧草占總產草量的59%～50%，對應分值59～50分，比例每降低1%減1分。

第4級：可食用牧草占總產草量的50%以下(不包含50%)，對應分值49～0分，比例每降低1%減1分。

6.鼠丘情況(9級)(權重系數0.011)

總得分計算公式:總得分Total Scores=∑6i=1s×q=s1×0.232+s2×0.341+s3×0.277+s4×0.103+s5×0.037+s6×0.011=TS1+TS2+TS3+TS4+TS5+TS6 (s:該指標現場打分;q:該指標所對應權重系數;TS:該指標對應權重下得分)

健康評價100～80分79～60分59～50分50分以下健康亞健康警告崩潰臨界