遼寧省半干旱區鄉土草生態修復能力綜合評價

摘要：遼西北地區氣候干旱，土壤貧瘠，水土流失嚴重。現有研究尚未篩選出適合區域生態修復應用的草種，亟待建立科學的評價技術體系。本研究利用層次分析法構建了遼西北鄉土草生態修復能力綜合評價模型，并對15種優勢鄉土草種進行生態修復能力的評價。根據專家打分結果，選擇環境適應性、水土保持能力和繁殖能力作為3個一級指標，選擇抗旱性、抗寒性、廣布性、耐鹽性、根系生物量等14個指標作為二級指標。一級指標中，環境適應性權重最高，為0.488 1，水土保持能力次之，繁殖能力最低；二級指標中，抗寒性、抗旱性、生長速度、分蘗/分枝數等的權重較高。基于待評鄉土草各指標的表現，帶入評價模型，篩選出鐵桿蒿（Artemisia stechmanniana）、野古草（Arundinella hirta）、黃背草（Themeda triandra）、白羊草（Bothriochloa ischaemum）和羽茅（Achnatherum sibiricum）為較好的生態修復用草，為遼西北地區的生態修復提供了科學的草種選擇依據。

關鍵詞：遼西北；鄉土草；生態修復；層次分析法；綜合評價

中圖分類號：S330.3+1""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：1007-0435（2024）07-2245-09

doi：10.11733/j.issn.1007-0435.2024.07.025

引用格式：

李佳歡， 吳" 昊， 劉" 英，等.遼寧省半干旱區鄉土草生態修復能力綜合評價［J］.草地學報，2024，32（7）：2245-2253

LI Jia-huan， WU Hao， LIU Ying，et al.Ecological adaptability evaluation and application of eco-grass in semi-arid area of Liaoning Province［J］.Acta Agrestia Sinica，2024，32（7）：2245-2253

收稿日期：2023-11-24；修回日期：2024-02-20

基金項目：遼寧省科學技術計劃子課題（2020JH1/10300006）；遼寧省教育廳項目-面上項目（LJKMZ20221053）；沈陽農業大學引進人才項目（X2021012）資助

作者簡介：

李佳歡（1992-），女，漢族，內蒙古通遼，博士研究生，主要從事草地生態學研究，E-mail： lijhecol@163.com ;*通信作者Author for correspondence， E-mail：bailong2018@syau.edu.cn

Ecological Adaptability Evaluation and Application of Eco-grass in

Semi-arid Area of Liaoning Province

LI Jia-huan， WU Hao， LIU Ying， YANG Ji-yun， REN Bai-hui， BAI Long*

（Horticultural College of Shenyang Agricultural University， Shenyang， Liaoning Province 110866， China）

Abstract：The low hilly area of northwest Liaoning Province is a region with arid climate，barren soil，and serious soil erosion. So far，no grass species suitable for regional ecological restoration have been selected. A scientifical evaluation system needs to be established. In this study，we established a comprehensive evaluation model to evaluate ecological restoration ability of native grass species in Liaoning Province using analytic hierarchy process （AHP），and evaluated the ecological restoration ability of 15 dominant native grass species. According to the frequency of plants in 280 survey plots，15 native grasses were selected for evaluation，among which Lespedeza daurica had the highest frequency （75.6%）. According to the scores given by experts，environmental adaptability，soil and water conservation ability and reproductive ability were selected as three primary indexes，and drought resistance，cold resistance，spread，salt tolerance，root biomass，growth rate，tillering/branching number，and other parameters were selected as 14 secondary indexes. Among the 3 primary indexes，the weight of environmental adaptability was the highest （0.488 1），followed by soil and water conservation ability，and the reproductive ability was the lowest. Among the 14 secondary indexes，the weight of cold resistance，drought resistance，growth rate，tillering/branching number were higher than others. Based on the performance of native grass to be evaluated，the comprehensive score of its ecological restoration ability was calculated. The results showed that Artemisia stechmanniana，Arundinella hirta，Themeda triandra，Bothriochloa ischaemum and Achnatherum sibiricum were classified as excellent ecological restoration grass species. This study could provide an important reference for ecological restoration in northwest Liaoning.

Key words：Northwest Liaoning province;Semi-arid region;Ecological restoration;Analytic hierarchy process;Comprehensive evaluation

遼西北地區位于遼寧省西北部，包括朝陽、鐵嶺和阜新三個市，是遼寧省草地的主要分布區，區域水資源短缺，水土流失嚴重，生態環境脆弱，亟待進行草地生態修復。補播是修復草地生態的重要措施之一，選擇適宜的補播草種是保障修復效果的基礎。在生產實踐上，用于草地修復的補播草種多為商品草，由于其對當地環境的適應性較差，在抗旱、抗寒等方面存在較大的劣勢，往往不能獲得理想的修復效果。鄉土植物由于對當地環境的長期適應和協同進化，具有適應性強、成活率高、管理成本低等優勢，利用鄉土草進行草地補播能夠保證修復后生態系統的穩定性和持久性。已有研究證明，鄉土植物能夠在生態修復中起重要作用，如利用城市污水污染的土地［1］、減輕重金屬污染、維持土壤微生物多樣性［2］ 等。Liu等［3］在青藏高原高寒草地的研究表明，鄉土植物麥薲草（Elymus tangutorum）的存在可以增加植物群落多樣性和穩定性，提升草地水土保持能力。鄉土草種也可應用到城市綠化中，形成具有鄉土特色的栽培模式，充分發揮鄉土草種本身優勢，突出鄉土草種的多樣性、適應性以及觀賞性，最大程度上發揮其生態效益［4-6］。科學、準確地評價植物的生態適應能力，選擇對區域生態環境適應性強的物種進行補播或者栽培，有助于保障生態修復的效果，提高修復的成功率，也可助力城市綠化并大幅降低維護和管理成本。

目前關于鄉土草的研究主要集中在資源收集、篩選評價、培育選擇等方面，由于自然環境和應用目標的差異，有關鄉土草評價、篩選的研究具有明顯的區域性。劉愛林等［7］針對云南干熱河谷干旱的氣候特點，通過盆栽模擬干旱和指標測定，分析了包括黃花豬屎豆、紅毛草等6種鄉土草的抗旱能力；馬子元等［8］針對寧夏荒漠草原干旱的氣候特征，基于植株在干旱情況下的生理生化指標變化，包括葉綠素含量、脯氨酸含量、丙二醛含量等，評價了5種鄉土植物材料的抗旱性，篩選適宜的生態修復用草；而在進行湖泊近岸帶生態修復植物的評價篩選時，李霞等［9］則著重考慮植株的耐勞性。遼西北地區夏季干旱、冬季寒冷漫長，土壤貧瘠且水土流失嚴重，本研究針對遼西北地區的氣候特點和生態修復需求對鄉土草進行評價篩選。

在對植物的進行綜合評價時，往往需要結合多項指標，常用的方式有隸屬函數法、主成分分析法、層次分析法等，通過這些方法，可計算出每一個指標在植物特征評價中所占的權重，進而構建評價的方程模型。一般來看，隸屬函數法適用于評價指標模糊、不確定性較大的情況，謝樂樂等［10］利用隸屬函數法評價了5種披堿草屬牧草再三江源區退化草地的適應性，但此方法對定量指標缺乏有效的處理辦法。主成分分析法適用于評價指標高度相關、存在多重共線性的情況，李佳歡等［11］利用主成分分析法比較了12個苜蓿品種的抗旱能力。層次分析法適用于評價指標多、能夠明確指標層次，但指標權重不確定的情況，能較為清晰地反映出各個指標之間的相對重要性，且該方法能夠處理定性指標，郝桂枝等［12］在實地調研及資料查閱基礎上，選取生態適應性、生物學特性、經濟性、觀賞價值、應用潛力的15個指標，采用層次分析法對重慶市渝北、北碚部分礦區植物進行評價，篩選出適用于重慶市石灰巖廢棄礦山生態修復的喬木、灌木、草本以及藤本植物共計27種。針對遼西北的氣候特征和生態修復需求，本研究進行鄉土草評價、篩選的目標明確、指標多樣、可劃分出明確的層次，故采用層次分析法，構建生態修復草綜合評價模型，基于長期的調研結果和實驗室指標測定，篩選適應性強的生態修復草，為遼西北的生態修復與城市綠化提供技術支撐。

1" 材料與方法

1.1" 野外調查

遼西北主要草地類為溫性草原和灌草叢（表1），在遼寧省草地中選取280個樣地進行調查。將物種頻度（F）作為適應性強弱的評定標準，初步篩選生態修復草。F值用以下公式計算：

頻度（F，%）=出現樣地數總樣地數×100%

1.2" 指標權重計算

本研究采用層次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）構建生態修復草評價模型。根據文獻查閱、專家咨詢，確定目標層（OB）、約束層（A）和指標層（B）中的各個指標。邀請10個行業專家對生態修復草適應性評價約束層和指標層中的各個指標進行打分，分值為1，3，5，7，9分，分值越高，重要程度越高，加和得到最終分數。基于分值，構造判斷矩陣，計算指標權重，構建綜合評價模型。

1.3" 二級指標的測定與數據轉換

在遼寧省阜新市阜蒙縣他本鎮（42°11′53″N，121°41′53″E）種植待評草種，所在區域海拔327 m，年平均氣溫8.1℃～8.9℃，年均降水量487.3～591.0 mm，土壤類型為棕壤土，含有較多砂礫，養分極度缺乏。種植方式為移栽，密度為每平方米9株，移栽時間為2021年6月，每個草種種植區面積為600 m2（20 m×30 m），移栽后不進行田間管理。2022年調查植物越冬率、返青期、綠期、生物量、冠幅、分蘗數等二級指標。在生長旺季（2022年7月中旬）測定7天內植株株高變化，記為生長速率。地上生物量測定方式為，在每個物種的種植小區內隨機取50 cm×50 cm樣方，采用齊地刈割的方法，獲取地上部分，65℃烘干至恒重，計算單株生物量。在樣方內選取20×20 cm小樣方，挖取全部0～20 cm深的根系，用清水沖洗干凈，65℃烘干至恒重后測定干重。冠幅為每株植物的蓋度，使用目測法估測。8月下旬在每種植物小區內設置3個永久樣方，觀察越冬率、返青期和綠期，植株返青后到樣方內50%植株枯黃的時間為綠期。

待評價草種的抗旱性通過室內控制試驗測定。使用育苗缽進行育苗（4月26日），每穴3～4粒種子。6月19日移栽至花盆中（上端內徑18 cm、下底內徑16 cm、高19 cm），每盆中事先裝有過篩原位土（阜蒙縣他本鎮）約4 kg。模擬遼西100%的降水量進行澆水，6月份澆水量為320 mL，7月份澆水量為485 mL，8月份澆水量為375 mL，9月份100%的澆水量為165 mL，每4天澆一次水。9月11日停止澆水，每日觀測植物葉片形態和顏色變化，當出現超過50%葉片面積出現枯黃萎蔫視為達到植物死亡臨近值，停止澆水日期至達到植物死亡臨近值日期間的天數記為耐旱天數。

種子萌發力指標在實驗室內進行，萌發實驗采用紙床法，溫光周期為26℃/20℃（16 h/8 h），10天后計算種子萌發率。

獲取各指標數值后，根據所有草種各指標的表現，劃分為3個等級，采用5分制評分法將生態修復草測定指標轉換成5，3，1三個分值。

1.4" 綜合評價模型的構建

將各指標歸一化后的分值代入綜合評價模型，并根據各個指標的權重值計算出每種待評測植物的最終綜合得分值（V值）。計算公式如下：

V=∑ni=1Ui×Wi

其中，Ui代表植物的第i個指標的5分制評分法賦分，Wi代表第i個指標權重。

1.5" 數據分析

數據通過Microsoft Excel 2019和SPSS Statistics 25軟件進行統計分析和制圖，各項指標不同草種間的差異顯著性采用單因素方差分析，duncan法進行比較。

2" 結果與分析

2.1" 鄉土草種初選

在280個調查樣地中，頻度最高的植物為興安胡枝子（Lespedeza davurica），頻度為75.6%，其次是叢生隱子草（Cleistogenes caespitosa）。根據結果，將F值30%以上的興安胡枝子、叢生隱子草、黃背草（Themeda triandra）、白羊草（Bothriochloa ischaemum）、鐵桿蒿（Artemisia stechmanniana）、纖毛鵝觀草（Elymus ciliaris）、野古草（Arundinella hirta）和長芒草（Stipa bungeana）8種鄉土草初選為生態修復草。頻度不足30%的草種通常分布在某一草原區或特定生境中，廣布性相對弱，不適合做生態修復草。但是這些草中，也有生態價值較高的草種，如遼寧省主要草種披堿草（Elymus dahuricus）和羽茅（Achnatherum sibiricum），沙地草原固沙植物冷蒿（Artemisia frigida），山地草原優勢種地榆（Sanguisorba officinalis），優良牧草老芒麥（Elymus sibiricus）和臭草（Melica scabrosa），觀賞型地被植物菊葉委陵菜（Potentilla tanacetifolia）等。本次研究中將上述7種草種也納入生態修復草種，最終初選出15種鄉土草進行生態修復能力的評估（圖1）。

2.2" 生態修復草評價指標篩選

根據文獻查閱和專家打分的結果最終選出環境適應性、水土保持能力和繁殖能力3個一級指標，抗旱性、抗寒性、廣布性、耐鹽性、根系生物量等14個二級指標（表2）。根據專家打分結果，抗旱性得分值最高，為87，耐鹽性得分值最低，為33。

2.3" 生態修復草綜合評價模型構建

本研究采用AHP構建生態修復草評價模型。AHP法通常包括OB、A和B。本次研究中，OB為篩選遼西北半干旱區生態修復草，A為評價生態修復草一級指標，包括環境適應性（A1）、水土保持能力（A2），和繁殖能力（A3）的3個一級指標，B為一級指標下設的二級指標，共14個指標（圖2）。

如表3所示，A，A1的權重值為0.488，最為重要，A2次之，為0.399，A3最低，為0.173。A1下設4個二級指標，其中抗旱性的權重值最高，為0.388。A2是針對遼西北水土流失嚴重問題而設置的評價指標，下設5個二級指標中返青期和地上下生物量是最重要的指標。

2.4" 生態修復草環境適應性

適應性評價包括4個指標，廣布性、抗旱性、抗寒性和耐鹽性。興安胡枝子的分布最廣泛，頻度為75.6%，叢生隱子草和黃背草次之，分別為65.7%和46.0%。長芒草的耐旱死亡天數為22 d，顯著高于其他植物，地榆、臭草、纖毛鵝觀草的耐旱天數顯著低于其他植物，抗旱性較差（表4）。參評植物均不是鹽堿地優勢植物，耐鹽性均記為中。參評草種的越冬率均大于90%。

2.5" 生態修復草水土保持能力

待測草種均能在4月27日前返青，其中鐵桿蒿、菊葉委陵菜、羽茅、披堿草、冷蒿、老芒麥和臭草的返青時間較早。鐵桿蒿、纖毛鵝觀草、長芒草、菊葉委陵菜的綠期較長，可達210天。鐵桿蒿的根系生物量最高，興安胡枝子、地榆次之，均顯著高于其他草。菊葉委陵菜和地榆的地上生物量顯著高于其他植物。鐵桿蒿、地榆、冷蒿的冠幅較高（表5）。

2.6" 生態修復草繁殖能力指標測定

對不同草種的繁殖能力評價中發現，鐵桿蒿的生長速率較高，冷蒿和興安胡枝子生長速率最低，顯著低于其他草種。白羊草的分蘗/分枝數最高，野古草、黃背草、羽茅、披堿草、地榆次之，菊葉委陵菜最低。黃背草的種子千粒重是所有參評草種中最高的，達到55.00 g，菊葉委陵菜、冷蒿、鐵桿蒿最低。黃背草、纖毛鵝觀草、羽茅、披堿草、老芒麥均有較高的種子萌發力（表6）。

2.7" 指標測定值的5分制轉換

根據實測結果，制定5分制評價標準，并對生態修復草的14個二級指標進行5，3，1轉換賦值。賦分方法見表7。在生態修復草定量評價和定性評價的基礎上，對15種初選生態修復草通過5分制的方式進行打分和歸一化處理（表8）。

2.8" 鄉土草生態修復能力的綜合評價

根據公式，帶入指標權重與指標5分制轉換值，計算初選出的15種生態修復草最終綜合評價得分，并將其劃分為4個等級：I，II，III，IV（表9）。目標草的V值≥3.5時，評為I等，包括鐵桿蒿、野古草、黃背草、白羊草和羽茅，這些草種為優等材料，可以廣泛開發利用，適應性強、資源量多，生態修復價效果較好。目標草的V值≥3.3，但lt;3.5時，評為II等，包括纖毛鵝觀草、菊葉委陵菜、披堿草和叢生隱子草，這些草種為良等材料，適應性、生態修復性略低于Ⅰ級植物，根據具體生境適度推廣種植。目標草的V值≥3，但lt;3.3時，評為III等，包括冷蒿、老芒麥和地榆，這些草種為一般材料，適宜生境中擇優進行種植。目標草的V值lt;3.0時，評為IV等，包括長芒草、興安胡枝子、臭草，這些草種為劣等材料，此類植物暫不適合在遼西北生態修復時推廣應用。

3" 討論

鄉土植物是重要的生態修復生物資源，近年來越來越多的鄉土植物被用來進行生態修復和生物多樣性保護［13-15］。為篩選區域生態修復需求相適應的鄉土草，亟待建立鄉土草種生態適應性的評價體系。遼西北地區是我國東北與華北的交錯地帶，也是我國北方森林和草原的過渡區域，自然氣候特點為季干旱、冬季寒冷，植株生存能力是首要條件，因此，在進行生態修復草的適應性評價時，環境適應性的權重在三個一級指標中最高，植物的抗寒性與抗旱性是環境適應性一級指標下較為重要的兩個二級指標。遼西北的地形以低山丘陵為主，水土流失頻發，嚴重威脅著區域的生態安全。在干旱少雨、丘陵地形與較低的植被覆蓋率的綜合作用下，朝陽市每年向大凌河的輸沙量就已達到477萬t（1955—1994年），經過了多年持續的綜合治理，目前，水土流失現象已得到了大幅度改善，但仍需進一步加強治理效果［16］。草地具有覆蓋地表、減少徑流、保持水土的功能，在區域生態保護方面具有特殊的意義。因此，在本研究中，植物的水土保持能力一級指標也獲得了較高的權重值，篩選出的二級指標從水土保持時間（返青期、綠期）和保護強度（地上生物量、根系生物量、冠幅）兩個方面反應了植株的水土保持能力。王益和［17］在評價喬木樹種的水土保持能力時，也基于實地調查、專家評判、層次分析等方法篩選出冠幅、生長速度等作為評價指標，與本研究篩選出的指標類似。繁殖是種群擴展、更新和保持的基礎，但要同時考慮到有性繁殖和無性繁殖兩種繁殖方式。經專家打分，在評估遼西北地區生態修復草適應性時，無性繁殖相關指標所占權重高于有性繁殖指標，這可能是由于區域的優勢草本植物多為無性繁殖植物，其分蘗和分枝數量與植株當年的生物量、冠幅等密切相關。

基于評價模型，根據調查數據初選得到的15種生態修復草進行進一步的劃分，得到4個適應遼西北環境條件，符合遼西北修復目標的I等生態修復草，包括鐵桿蒿、野古草、黃背草、白羊草和羽茅，這些植物資源分布廣、適應性強、蓋度大，生長快，資源量多，可以廣泛開發利用，生態修復效果較好。其中，鐵桿蒿為菊科，在水分適宜時能夠迅速生長，綠期長、生物量高，葉片寬，具有快速覆蓋地面的優點，以鐵桿蒿為建群種的草本植物群落對暴雨具有一定的攔蓄作用，能夠有效阻止暴雨帶來的水土流失［18］。但鐵桿蒿的種子較小，千粒重輕，萌發力低，在用于生態修復使用時，需注意種子的收集工作。野古草、黃背草、白羊草和羽茅均為區域常見的禾本科草，尤其是在灌草叢附近，能夠形成優勢草本植物群落，常為群落中優勢種，根系為須根，土壤固著能力強，但生長速率較鐵桿蒿低。蔣忙舟和汪建芳［19］在黃土高原對鐵桿蒿和白羊草群落進行了坡面流水動力學分析，發現白羊草群落和鐵桿蒿群落均能有效減少坡面徑流。此外，野古草和黃背草的種子大小適宜，具有較強的生態修復草種業發展潛力，白羊草和羽茅種子均帶有絨毛，不易采集和播種，亟待研發與之相匹配的種子處理技術。興安胡枝子為小灌木，是遼西北草地最常見豆科植物，在所有調查樣方中分布最廣，但少見優勢群落，常以伴生種存在，由于其生長速度緩慢、返青晚、分枝數少、種子萌發率低等缺點，對雨水的截留作用小，不能有效保護土壤，不適宜作為生態修復草，適合與其他優質的生態修復草混播使用，提升植物群落營養和土壤養分。叢生隱子草的頻度僅次于興安胡枝子，但其分蘗少、生物量低，冠幅小、種子小、株高矮，被評為Ⅲ等生態修復草，此草可與野古草、黃背草、白羊草和羽茅等混播使用，充分利用生態位，構建群落的不同層次。

4" 結論

基于專家打分，通過層次分析法，本研究構建了遼西北地區生態修復草的適應性評價模型，篩選出鐵桿蒿、野古草、黃背草、白羊草和羽茅為區域適宜的生態修復草，根據不同草種的特點，鐵桿蒿可在水分適宜的地區快速建植，完成裸地綠化；野古草和黃背草種子大小、形態適宜，具有較大的產業化潛力；針對白羊草和羽茅，則需研發與之相匹配的種子處理工藝，以期更好地服務于遼西北地區的生態修復和草產業發展。

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（責任編輯" 彭露茜）