青河林区草地生态系统健康评价

张凯丽，叶茂，殷锡凯，郭建兴，赵凡凡

(新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，新疆 乌鲁木齐 830054)

草地作为最大的生态屏障，具有生态、经济和社会价值[1]，在调节气候、涵养水源、防风固沙、保持水土和美化环境等方面起着重要的作用[2-5]。草地健康是自然生态系统健康的重要标志，与人类社会健康密切相关[6]。然而，长期以来人们对草地资源的不合理利用，加速了草地的退化，影响草地生态系统的生产力和稳定性，制约社会、经济和生态坏境的可持续发展[7-9]。因而，研究草地生态系统的健康状况对于保持草地生态系统服务功能和可持续发展具有重要的科学意义。

对草地的研究主要集中在草地变化对气候变化的响应[10]、草地的生态经济价值[11]、生态服务价值[12]、草地退化的时空变化[13]、草地资源的可持续利用[14]等领域。目前，阿尔泰山青河林区面临着草地面积减少、草畜矛盾日益尖锐、草地退化等问题，威胁当地的生态安全，制约当地畜牧业的持续健康发展，同时在现有的文献中，有关该地的草地健康状况的综合评价研究较少。响应生态文明建设的政策号召，对青河林区草地乃至新疆草地的生态系统健康评价显得尤为必要。因此，本文运用VOR综合指数模型来定量评价青河林区草地生态系统健康程度，为青河林区退化草地恢复和治理提供参考，使草地资源达到可持续利用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆维吾尔自治区东北部，准噶尔盆地东北边缘，阿尔泰山东南麓。地处N 45°00′～47°20′，E 89°47′～91°04′之间。地形复杂，地势北高南低向西倾斜。属大陆性北温带干旱气候，高山高寒，气候干旱，降雨量小，蒸发量大，四季变化不明显，冬季漫长而寒冷，夏季凉爽且短促；极端气温为-53 ℃，最高达36.5 ℃，年平均气温0 ℃，年均降水量161 mm，蒸发量达1 495 mm，无霜期平均为103 d[15]。该区的主要地带性植物有禾草(grasses)、黄耆(Astragalusmembranaceus)、老鹰草(TifeagleBermudagrass)、石松(Lycopodiumjaponicum)、蒲公英(dandelion)。

1.2 样地设置

根据海拔梯度、河流和牧道等影响因素，选取青河林区的东布哈林、奇巴哈勒盖、天保办和腊斯特4个样地为主要研究区进行草地群落调查，每个样地周围布设大样方和小样方，共布设57个大样方，159个小样方，大样方为20 m×20 m，且每个大样方内随机布设3个1 m×1 m的小样方(部分的小样方为1～2个)，其中东布哈林20个大样方(海拔2个、河谷18个)，60个小样方；奇巴哈勒盖14个大样方(海拔7个、河谷7个)，42个小样方；天保办14个大样方(海拔2个、牧道12个)，30个小样方；腊斯特9个大样方(海拔9个)，27个小样方；每个小样方内记录经纬度及海拔高度基本信息，详细测量并记录草的种类、数量、高度、盖度等指标，同时对每个样方进行分种类收割，称取每个物种的地上生物量鲜质量，记为生物量。调查时间为2020年6月和9月。

1.3 VOR综合指数模型

VOR综合指数计算模型为：

VOR=WV×V+WO×O+WR×R[16-21]

式中：草地活力(V)，用植物地上生物量进行计算，V=Bx/Bck，其中Bx为监测点样方植物群落地上生物量，Bck为对照样地的总生物量。V∈[0,1]，若V>1，则取1。

组织力(O)，用植物群落物种频度、高度和生物量进行计算，O=Ox/Ock，其中Ox=∑[(Fi+Bi+Hi)/3]，式中Fi=fi/f为相对频度，fi为监测点样地内草地物种i的频度，f为监测点样地内草地物种频度测量总数；Bi=bi/b为相对地上生物量，bi为监测点样方内植物种i的地上生物量，b为监测点样方内植物总地上生物量；Hi=hi/hi max为相对高度，hi为监测点植物种i的平均高度，hi max为hi中的最大值，Ock为对照样地平均值。O∈[0,1]，若O>1，则取1。

式中：Li为物种i的寿命；Ii为物种i的相对生物量，V是活力，P是物种数，Sck为对照样地平均值。R∈[0,1]，若R>1，则取1。

各指标对照样地选择是各个监测点周围未受人为干扰、生长状况良好的天然群落作为对照值。WV、WO、WR分别对应各部分的指数权重数，且WV、WO、WR均大于或等于0，WV+WO+WR=1，若研究取样背景清晰，故WV=WO=WR=1/3。VOR∈[0，1]，若VOR>1，则取1。

1.4 草地生态系统健康等级划分

本文用四分法将生态系统健康状态指数划分为4个不同等级(表1)，以此来评价草地生态系统的健康状况[22-25]。

表1 草地生态系统健康指数及健康等级

1.5 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 26.0软件进行数据处理和统计分析，用Origin 2018和Excel 2010软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同月份草地生态系统整体状况差异性分析

2020年6月、9月对青河林区4个样地57个大样方，159个小样方进行统计分析，分别得出青河林区草地生态系统的活力(V)、组织力(O)、恢复力(R)和健康指数(VOR)的结果如图1所示。可以看出，6月份和9月份青河林区草地生态系统的VOR指数均大于0.75，处于健康状况；6月份草地的V值、O值和R值分别为0.77、0.91和0.81，9月份值为0.75，0.93和0.8。由此可知，青河林区草地的生产能力较强，草地内部的组织能力很强，系统结构较稳定，抵抗外界干扰的能力强。

图1 不同月份草地生态系统评价各指标对比

对不同月份青河林区的草地生态系统健康各项指标进行差异性分析，结果如表2所示。不同月份草地生态系统的活力指数V、组织力指数O、恢复力指数R和VOR指数的相关性均不显著(P>0.05)。

表2 不同月份草地生态系统健康各项指标ANOVA分析

2.2 各样地草地生态系统健康状况差异性分析

对青河林区6月份各样地的草地生态系统各指标进行对比分析如图2所示，4个样地草地生态系统的整体状况显示，6月份东布哈林、奇巴哈勒盖和天保办的草地生态系统处于健康状态(VOR>0.75)，腊斯特的草地生态系统VOR值为0.74，处于亚健康状态(VOR<0.75)，4个样地草地生态系统健康等级排序依次为：天保办>奇巴哈勒盖>东布哈林>腊斯特。从4个样地草地生态系统的各项健康指标来看，6月份东布哈林、奇巴哈勒盖和天保办草地的活力(V)指数大于0.75，说明这3个样地草地活力强；腊斯特的活力(V)指数小于0.75，草地活力弱。各样地草地生态系统内部的组织能力都很强，其中天保办草地生态系统的内部组织力最强，组织力指数(O)为0.97，奇巴哈勒盖的组织力指数最低，为0.88；除腊斯特外，其他样地草地生态系统的恢复力(R)值均大于0.75，恢复能力强。

图2 6月份各样地草地健康指标对比

对6月份青河林区4个样地的草地生态系统健康各项指标进行差异性分析，结果如表3所示。青河林区4个样地草地生态系统的活力指数V、组织力指数O、恢复力指数R和VOR指数均表现为不显著相关性(P>0.05)。

表3 6月份各样地草地生态系统健康各项指标ANOVA分析

对9月份各样地的草地生态系统各指标进行对比分析如图3所示，除腊斯特(VOR=0.70)之外，其他样地的草地生态系统都处于健康状态(VOR>0.75)，草地生态系统健康等级排序依次为天保办>东布哈林>奇巴哈勒盖>腊斯特。从4个样地草地生态系统的各项健康指标来看，东布哈林、奇巴哈勒盖和天保办草地的活力(V)指数大于0.75，说明这3个样地的草地活力较强，其天保办的活力最高(0.85)，腊斯特的活力(V)指数为0.54，其值小于0.75，表明该时段草地活力低；各样地组织能力很强，组织力指数(O)均大于0.89，天保办最强，腊斯特最弱；草地生态系统的恢复力值除腊斯特外，其他样地草地生态系统的恢复力(R)值均大于0.75，说明腊斯特草地一旦遭受破坏，就很难恢复。

图3 9月各样地草地健康指标对比

对9月份各样地的草地生态系统健康各项指标进行差异性分析，结果如表4所示。青河林区4个样地草地生态系统的活力指数V表现为极显著相关性(P<0.01)，VOR指数呈现出显著性差异(P<0.05)，组织力指数O和恢复力指数R的差异性不显著(P>0.05).

表4 9月份各样地草地生态系统健康各项指标ANOVA分析

青河林区草地分为森林草原、森林草甸和亚高山草甸3个不同类型，对不同月份的草地类型生态系统各项指数做比较如图4所示。活力指数表现为6月森林草原最低，其值为0.40，亚高山草甸最高，为0.93；9月份森林草原最低，值为0.40，亚高山草甸最高，为0.84。6、9月份森林草原、森林草甸和亚高山草甸的组织力指数较高(>0.90)。恢复力指数表现为6月森林草原最低，其值为0.73，亚高山草甸最高，为0.93；9月份森林草原最低，值为0.72，亚高山草甸最高，为0.87。VOR指数表现为6月份亚高山草甸最高(0.93)，森林草原最低为0.68；9月份亚高山草甸最高(0.90)，森林草原最低为0.67。综合来看，森林草原的草地生态系统处于亚健康状态，需要保护和修复，而森林草甸和亚高山草甸的草地生态系统处于健康状态。

图4 不同月份草地类型健康评价指标比较

2.4 不同月份不同海拔的草地变化特征

青河林区不同月份不同海拔的草地健康变化如图5所示，在海拔1 200～2 400 m范围内，草地生态系统健康各项指数V、O、R和VOR值随海拔上升，变化趋势不明显，9月份的R值有明显下降趋势，6月份青河林区草地生态系统VOR指数随海拔增加略有上升趋势，而9月份略有下降，VOR指数分布较为分散，在0.75～1之间占了80%左右，在0～0.75之间分布占到了20%左右。青河林区草地生态系统健康的各项指标显示，6月份和9月份草地的组织力指数分布较为集中，在0.75～1之间占了94%左右；活力指数和恢复力指数分布范围广，其中活力指数在0.75～1之间占61%左右，在0～0.75之间占39%左右，恢复力指数在0.75～1之间占75%左右，在0～0.75之间占25%左右。

图5 不同月份不同海拔草地健康指标变化状况

3 讨论

草地生态系统健康评价是诊断草地生态系统结构和功能失调的方法，采用完善的评价指标方法来评估草地生态系统的健康状况，对合理的草地健康管理事半功倍。采用VOR综合指数来评价个别年份草地生态系统的健康状况也可取得良好的评价结果，这与王立新[26]等研究结论相同。青河林区草地生态系统整体上达到了健康水平，但6月和9月有一定的差异性，这是由气温和降水的差异性造成的，与国内学者[27-29]的研究结果一致。

许多研究证明适时、适当的放牧能够促进草地植被更新速度，家畜采食、踩踏、排泄等活动对天然草地影响，在一定程度上有利于草地生态系统的健康发展[30-31]。通过分析青河林区不同样地草地生态系统的健康状态，可以看出，腊斯特草地生态系统的健康等级为亚健康(VOR<0.75)，天保办、奇巴哈勒盖和东布哈林的草地生态系统健康等级为健康(VOR>0.75)，这是因为腊斯特草地生态系统本身活力、组织力和恢复力弱，且不合理的人类活动超出健康草地可以承受的范围，导致草地系统功能下降。一个健康的草地生态系统，应该是对外有较强的抵抗力，对内有较强的恢复力，即为生态系统结构稳定的结果[21]。

根据海拔青河林区分为森林草原、森林草甸和亚高山草甸3种类型，研究发现森林草原植被的生产能力弱、抵抗外界干扰的能力差，整体上属于亚健康水平，原因主要是在该类型草地中树木生长茂密，树下没有充足的阳光，植物不能进行光合作用合成有机物，草生长稀疏，而该类型草地中人类活动多，进一步加剧了草地的退化，这与李志刚[32]等研究放牧和光照对林下草地生产力的结果一致。同时也发现青河林区草地生态系统的各项指标随海拔变化并不明显，可能是由于林区海拔相差不大，对同区域的植物生长影响也不明显，说明海拔对生态系统健康的影响小。

4 结论

青河林区草地生态系统整体上处于健康水平，6月份草地生态系统健康及各指标高于9月份，物候的变化会对草地生态系统造成一定的差异性。除腊斯特草地生态系统的健康等级为亚健康(VOR<0.75)外，天保办、奇巴哈勒盖和东布哈林的草地健康等级为健康(VOR>0.75)。光照条件和人类活动一定程度上对植物的生长和分布有影响，森林草原的各项指标值要比森林草甸和亚高山草甸的低，且青河林区生态系统健康以及各项指标随海拔变化不明显，说明海拔对生态系统健康的影响较小。