典型草原生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的cvor綜合指數(shù)計(jì)算模型

典型草原生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的cvor綜合指數(shù)計(jì)算模型

在世界環(huán)境不斷惡化和生態(tài)系統(tǒng)管理理論和方法的研究中，生態(tài)系統(tǒng)健康（生態(tài)健康）的評(píng)估已成為當(dāng)前生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。生態(tài)系統(tǒng)健康理論和方法的提出與發(fā)展大致可分為3個(gè)階段:從18世紀(jì)提出類似于生態(tài)系統(tǒng)健康概念的“超有機(jī)體(Superorganism)”到1940年明確提到真正有科學(xué)意義的生態(tài)系統(tǒng)健康理念——土地健康,為思想萌芽階段;從20世紀(jì)60年代初到80年代末主要是討論生態(tài)系統(tǒng)健康的概念與內(nèi)涵,為基礎(chǔ)建設(shè)階段;而從20世紀(jì)90年代初至今為發(fā)展階段,此階段主要任務(wù)是建立具操作性、先進(jìn)、完善的健康評(píng)價(jià)方法。生態(tài)系統(tǒng)健康的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括活力、恢復(fù)力、組織結(jié)構(gòu)、維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、管理的選擇、減少投入、對(duì)相鄰系統(tǒng)的危害和人類健康影響等八個(gè)方面?；诖?VOR(V,Vigor(活力)、O,Organization(組織力)、R,Resilience(恢復(fù)力))綜合指數(shù)作為反映生態(tài)系統(tǒng)完整性和健康的指標(biāo),被國(guó)際生態(tài)系統(tǒng)健康大會(huì)接受為生態(tài)系統(tǒng)健康診斷指標(biāo),并在實(shí)踐中得到了一定的應(yīng)用。大針茅+羊草(Stipagrandis+Leymuschinensis)草原是蒙古高原典型草原地帶廣泛分布的地帶性植物群落,具有良好的生產(chǎn)性能。因此,近半個(gè)世紀(jì)以來(lái),對(duì)它的利用強(qiáng)度不斷加大,草原農(nóng)墾亦在擴(kuò)大規(guī)模,在嚴(yán)重的人為壓力下,業(yè)已突破草原生態(tài)系統(tǒng)健康閾值,造成草原退化和沙化,使草原生態(tài)系統(tǒng)功能全面受損。包括草原植物群落的優(yōu)勢(shì)種更替,飼用品質(zhì)惡化,植物個(gè)體小型化,光合效率顯著下降,氮素、碳素等物質(zhì)循環(huán)的平衡失調(diào),群落生物生產(chǎn)力嚴(yán)重衰減等諸多方面?；謴?fù)草原生態(tài)系統(tǒng)健康已是當(dāng)務(wù)之急。然而對(duì)于草原健康管理仍面臨著評(píng)價(jià)方法尚不完善這一關(guān)鍵難題。本項(xiàng)研究以草原生態(tài)系統(tǒng)中的植物-土壤-大氣界面的關(guān)鍵生態(tài)過(guò)程為基礎(chǔ),借鑒CVOR(C,Condition(基況))模型中對(duì)基況指標(biāo)的選取,本文考慮水分因子的限制作用,建立典型草原生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的CVOR綜合指數(shù)的計(jì)算模型和方法。通過(guò)分析放牧壓力和圍封保育對(duì)內(nèi)蒙古典型草原生態(tài)系統(tǒng)健康的影響,檢驗(yàn)CVOR綜合指數(shù)的可行性,以期為草原生態(tài)系統(tǒng)健康管理提供一個(gè)綜合、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、宜行的評(píng)價(jià)方法。1樣地與樣方設(shè)置本項(xiàng)研究在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟典型草原地帶中國(guó)科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站設(shè)置的圍欄樣地及東烏珠穆沁旗西南部的錫林花牧場(chǎng)樣地上進(jìn)行。研究區(qū)位于烏珠穆沁盆地西至錫林河中下游,氣候濕潤(rùn)度為0.35～0.50。構(gòu)成丘陵漫崗與丘間洼地多層鑲嵌分布的典型草原類型。以適應(yīng)半干旱氣候的典型草原生態(tài)系統(tǒng)占優(yōu)勢(shì),土壤為栗鈣土,大針茅+羊草群落是主要的地帶性植物群落。實(shí)驗(yàn)樣地分別是1980年設(shè)置的羊草+大針茅草原圍欄樣地(簡(jiǎn)稱“羊草樣地”),封育前處于較少擾動(dòng)的原生羊草+大針茅草原群落狀態(tài);1983年設(shè)置的退化草原恢復(fù)演替實(shí)驗(yàn)樣地(簡(jiǎn)稱“退化樣地”),實(shí)施圍欄封育時(shí)已因過(guò)度放牧退化成冷蒿(Artemisiafrigida)為主要優(yōu)勢(shì)種的群落變型,封育后停止放牧利用,這一樣地圍欄外的草原仍有牧戶全年放牧利用,也進(jìn)行取樣測(cè)定(簡(jiǎn)稱“退外樣地”)。此外,錫林花牧場(chǎng)位于蒙古高原東部的中心地區(qū),在大興安嶺西麓的巴龍馬格隆低山以南的丘陵地帶,形成羊草(Leymuschinensis)和克氏針茅(StipaKrylovii)為優(yōu)勢(shì)種的典型草原群落組合。該處樣地為2001年設(shè)定的典型草原及退化草原實(shí)驗(yàn)樣地,樣地分別設(shè)在低丘漫崗上部的克氏針茅+羊草群落(1#樣地),丘間寬谷地的羊草群落(2#樣地)和平緩臺(tái)地的退化草原群落(3#、4#樣地),實(shí)驗(yàn)樣地基本情況見(jiàn)表1。羊草樣地和退化樣地從封育起每年生長(zhǎng)季(5～9月份)以15d為周期分別進(jìn)行每期10個(gè)和20個(gè)1m×1m的樣方測(cè)定,測(cè)量包括分種現(xiàn)存生物量、植株密度、高度、覆蓋度等,并同時(shí)同步測(cè)定退化樣地圍欄外(退外樣地)仍處于放牧利用狀態(tài)的群落,測(cè)量項(xiàng)目與其一致。錫林花牧場(chǎng)各樣地從2002年生長(zhǎng)季以15d為周期進(jìn)行每期5個(gè)1m×1m的樣方測(cè)定,測(cè)量項(xiàng)目與上述一致。2樣地與研究方法CVOR指數(shù)模型最早由任繼周提出并加以完善。本文運(yùn)用羊草樣地(1981年)、退化樣地(1984、1994、2004年)、退外樣地(2004年)和錫林花牧場(chǎng)(2003年)定期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合典型草原生態(tài)系統(tǒng)的群落特征及其退化演替模式,在確定生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模式(參照)系統(tǒng)和基況評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,建立CVOR指數(shù)的測(cè)算模型與方法。2.1羊草、大針茅群落結(jié)構(gòu)根據(jù)羊草樣地的定期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),按照典型草原退化群落的植物飼用性診斷,考慮典型草原的退化模式,并結(jié)合草地退化指示植物在退化系列中的存在度,羊草樣地在1981年是處于較少擾動(dòng)的羊草、大針茅種群占優(yōu)勢(shì)的典型草原群落。其中羊草為群落的建群種,大針茅、西伯利亞羽茅亦保持著優(yōu)勢(shì)地位,冷蒿、糙隱子草、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)以及寸苔草等則在群落中所占比例很小,百里香(Thymusmongolicus)與狼毒(Stellerachamaejasme)等具退化指示作用的物種在群落中沒(méi)有出現(xiàn),故可認(rèn)為其處于健康狀態(tài)。因此,本項(xiàng)研究選取該年羊草樣地的群落作為模式(參照)系統(tǒng)。2.2基況指標(biāo)的確定基況(Condition,C)主要反映植物-土壤-大氣界面過(guò)程,可理解為影響草原生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的大氣、土壤與氣候因子的綜合,主要指水熱因素與土壤營(yíng)養(yǎng)庫(kù)狀況的綜合。水分和N、P、有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分資源是制約草原群落生產(chǎn)力的限制性因子。根據(jù)土壤養(yǎng)分的測(cè)定研究表明,退化群落的土壤養(yǎng)分含量尚未明顯減少。而處于半干旱氣候條件下的典型草原群落,其年際生物量則受生長(zhǎng)季降水量的嚴(yán)重制約,其生產(chǎn)力水平主要取決于大氣降水。因此,在諸多環(huán)境因子中,水分是典型草原群落的主要限制因子。半干旱氣候條件下的大氣有效降水存在較大的年際變化,導(dǎo)致植物群落地上生物量以及主要優(yōu)勢(shì)種群生物量的年際波動(dòng)(圖1),影響生態(tài)系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定與健康,甚至出現(xiàn)低于草原生態(tài)系統(tǒng)自我維持閾值而減產(chǎn)。故本項(xiàng)研究采用相應(yīng)年份直接有效降水量作為群落的基況指標(biāo)。在CVOR指數(shù)計(jì)算中,基況指標(biāo)的計(jì)算公式為:C=CX/CmC∈,如C>1,則取C=1。式中Cx為評(píng)價(jià)系統(tǒng)當(dāng)年直接有效降水量,Cm為羊草樣地1981年的直接有效降水量(x指評(píng)價(jià)系統(tǒng);m指模式系統(tǒng),即1981年羊草樣地的生態(tài)系統(tǒng)狀況,下同)。2.3計(jì)算vor評(píng)分指數(shù)和cmor綜合指數(shù)的公式2.3.1生態(tài)系統(tǒng)活力評(píng)價(jià)活力(Vigor,V)指草原生態(tài)系統(tǒng)的能量或活動(dòng)性,用生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)生產(chǎn)和能量固定的總量或效率度量,可選取光合效率或光合產(chǎn)物、地上生物量等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。草原生態(tài)系統(tǒng)退化過(guò)程包含著兩個(gè)方面,即群落總生物量的降低和可飼性草種的比例迅速降低。故本文利用植物群落總的地上生物產(chǎn)量來(lái)表征生態(tài)系統(tǒng)的活力狀況。具體計(jì)算公式為:V=Px/Pm,式中P為生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力,即群落總地上生物量(g/m2),V∈,如V>1,則取V=1。2.3.2組織力估算模型組織力(Organization,O)指生態(tài)系統(tǒng)物種組成結(jié)構(gòu)及其物種間的相互關(guān)系,反映生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,用生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的組合特征度量,如物種分布頻率、植株平均高度、相對(duì)生物量等。本文參照內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的植物群落組織力測(cè)定方法,首先計(jì)算群落中主要物種(包括:大針茅、羊草、糙隱子草、冷蒿、米氏冰草、西伯利亞羽茅、苔草(寸草苔和黃囊苔草(Carexkorshinskii))、洽草和蔥類等)的累積頻率、累積相對(duì)生物量、累積平均高度及相對(duì)株(叢)數(shù),其加和表征各群落的組織力水平,具體計(jì)算公式如下:Ox,m=∑?????14?????NiNmax+ZiZ+HiHmax+∑jMij∑Mj??????????Οx,m=∑[14(ΝiΝmax+ΖiΖ+ΗiΗmax+∑jΜij∑Μj)]式中,Ni為群落中第i個(gè)植物種在樣方中的株(叢)數(shù);Nmax為群落中第i個(gè)植物種在樣方中的最大株(叢)數(shù);Zi為生長(zhǎng)季內(nèi)出現(xiàn)第i個(gè)物種的樣方數(shù),Z是引用的全部樣方數(shù),該比值反映物種在生長(zhǎng)季內(nèi)水平分布的概率;Hi為群落中第i個(gè)植物種在樣方中的植株平均高度,Hmax為Hi中之最大值,該比值可作為在群落中植物種接受光能的功能的一個(gè)標(biāo)度,反映高度空間分布的概率。Mij是第i物種在第j個(gè)樣方中的干重,j=1,2,…,N,Mj是第j個(gè)樣方的總干重。其比值反映該種在整個(gè)生長(zhǎng)季中對(duì)能量固定作貢獻(xiàn)的重要性。最后,將各生態(tài)系統(tǒng)群落組織力計(jì)算值與模式系統(tǒng)組織力計(jì)算值相比較用以衡量處于不同演替狀態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)組織力水平。即:O=OX/Om,O∈,如O>1,則取O=1。2.3.3生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)能力計(jì)算恢復(fù)力(Resilience,R)是草原生態(tài)系統(tǒng)對(duì)脅迫的抗御能力或反彈能力,包括生產(chǎn)力和結(jié)構(gòu)(物種組成)的恢復(fù)。本項(xiàng)研究以代表典型草原生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)程度的大針茅、羊草物種數(shù)量和地上生物量與表示一般退化程度的冷蒿、糙隱子草物種數(shù)量和地上生物量之間的比例來(lái)衡量處于不同演替階段草原生態(tài)系統(tǒng)群落的恢復(fù)能力。即群落中羊草、大針茅物種數(shù)量(株/叢數(shù))和地上生物量越大,則表征群落恢復(fù)能力越大;反之,如果冷蒿、糙隱子草數(shù)量(株/叢數(shù))和地上生物量越大,則表征群落恢復(fù)能力越小。因各植物種的物種數(shù)量(株/叢數(shù))和地上生物量之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.9858),故計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力時(shí)只選取物種數(shù)量指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。即:R=[(Nx(羊草+大針茅)/Nm(羊草+大針茅))×(Nx(冷蒿+糙隱子草)/Nm(冷蒿+糙隱子草))-1]R∈,如R>1,則取R=1,式中,N為物種數(shù)量(株/叢數(shù))。2.3.4各因子權(quán)重的計(jì)算結(jié)合典型草原生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)演替過(guò)程中的影響因素和群落特征,生態(tài)系統(tǒng)健康主要決定于群落自身的狀況,且與現(xiàn)存地上生物量密切相關(guān)。所以計(jì)算CVOR指數(shù)時(shí),對(duì)C、V、O和R分別賦予不同的權(quán)重,然后予以計(jì)算,求算公式如下:CVOR=wv×V+wo×O+wr×R+wc×C式中,w為權(quán)重(wv+wo+wr+wc=1),根據(jù)各因子影響力的大小,分別取wv=0.35,wo=wr=0.25;wc=0.15。模型中C、V、O、R∈,如其值大于1,均取其等于1,即超健康狀態(tài)屬于健康。故CVOR∈,若CVOR=1,系統(tǒng)處于最健康狀態(tài),如羊草樣地(1981);若CVOR=0,生態(tài)系統(tǒng)最不健康,如崩潰系統(tǒng)。據(jù)此,利用四分法將生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)劃分為4個(gè)不同等級(jí)(表2)。3結(jié)果與討論3.1群落組織力與植被健康評(píng)價(jià)指數(shù)vor本文計(jì)算內(nèi)蒙古典型草原生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)(CVOR)的同時(shí)亦計(jì)算了在取樣背景清晰情況下的植被健康評(píng)價(jià)指數(shù)(VOR)(VOR=wv×V+wo×O+wr×R,wv=wo=wr=13)(VΟR)(VΟR=wv×V+wo×Ο+wr×R,wv=wo=wr=13)(圖2)。通過(guò)相關(guān)分析顯示,各樣地CVOR與C、V、O、R及VOR間的相關(guān)系數(shù)分別為0.650(p<0.05)、0.710(p<0.05)、0.184(p<0.05)和0.876(p<0.01)。從中可看出,除與群落組織力(O)相關(guān)性較小外,CVOR與基況指數(shù)(C)、活力指數(shù)(V)、恢復(fù)力指數(shù)(R)等其它指標(biāo)間均存在顯著的相關(guān)關(guān)系。故CVOR可成為簡(jiǎn)單表征草地生態(tài)系統(tǒng)健康的綜合指數(shù)。因群落組織力是由群落中種群組織力加和而成,計(jì)算時(shí)只考慮了主要植物種群的組織力水平,而忽略了在群落中伴生的小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、扁蓿豆(Melilotoidesruthenica)、變蒿(Artenisiacanmutata)等種群對(duì)群落組織力的貢獻(xiàn),此可能是導(dǎo)致CVOR與O間相關(guān)不顯著的主要原因。CVOR值與植被健康評(píng)價(jià)指數(shù)(VOR)之間具有顯著相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.995(p<0.01),且CVOR均高于VOR,此可能是由于各樣地在計(jì)算年份直接有效降水量差別不大,從而可能突出了基況指標(biāo)的貢獻(xiàn)。侯扶江等利用CVOR計(jì)算荒漠生態(tài)系統(tǒng)健康閾值時(shí)取得了良好效果,因荒漠環(huán)境的非生物過(guò)程比草原強(qiáng)烈,因此反映非生物能量傳輸過(guò)程的基況指標(biāo)顯得十分重要。因降水的年際波動(dòng)較大,其對(duì)草原群落生產(chǎn)力的制約表現(xiàn)在大的時(shí)間尺度上,所以利用個(gè)別年份的降水在草原生態(tài)系統(tǒng)健康的基況指標(biāo)計(jì)算中表現(xiàn)出的水分制約作用較小。因此,評(píng)價(jià)個(gè)別年份草原生態(tài)系統(tǒng)健康狀況也可直接用VOR綜合指數(shù),此亦可取得良好評(píng)價(jià)效果。3.2草原生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)最低,在“不健康”退化樣地圍欄外的退外樣地,因持續(xù)放牧壓力的影響,使得其群落活力、組織力和恢復(fù)力均低于處于圍封狀態(tài)的同期退化樣地生態(tài)系統(tǒng)狀況,且群落地上生物量、物種數(shù)、牲畜適口性牧草種類等亦大幅降低,從而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)最低,處于“不健康”狀態(tài)(圖2)。該區(qū)域在20世紀(jì)的后20a牲畜頭數(shù)一直處于上升趨勢(shì),盡管最近幾年牲畜頭數(shù)有所下降,但仍超出草地載畜量,因退外樣地和對(duì)應(yīng)的圍封禁牧的退化樣地處于相同的年際降水條件,所以正是超載放牧導(dǎo)致該地區(qū)業(yè)已退化的草原生態(tài)系統(tǒng)更加退化,且難以恢復(fù)。持續(xù)、過(guò)大的放牧強(qiáng)度抑制并超出了一些草原植物的再生能力,使群落的生物量減少,植被稀疏矮化,牲畜適口性差的劣質(zhì)植物種增加,從而使得群落活力、恢復(fù)力、組織力以及生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)值均有所下降。如錫林花牧場(chǎng)中處于持續(xù)過(guò)度放牧的3#和4#樣地的各項(xiàng)指數(shù)和CVOR綜合指數(shù)遠(yuǎn)低于處于輕度放牧的1#樣地。3