典型草原生態系統健康評價的cvor綜合指數計算模型

在世界環境不斷惡化和生態系統管理理論和方法的研究中，生態系統健康（生態健康）的評估已成為當前生態學領域的研究熱點之一。生態系統健康理論和方法的提出與發展大致可分為3個階段:從18世紀提出類似于生態系統健康概念的“超有機體(Superorganism)”到1940年明確提到真正有科學意義的生態系統健康理念——土地健康,為思想萌芽階段;從20世紀60年代初到80年代末主要是討論生態系統健康的概念與內涵,為基礎建設階段;而從20世紀90年代初至今為發展階段,此階段主要任務是建立具操作性、先進、完善的健康評價方法。生態系統健康的評價標準包括活力、恢復力、組織結構、維持生態系統服務、管理的選擇、減少投入、對相鄰系統的危害和人類健康影響等八個方面。基于此,VOR(V,Vigor(活力)、O,Organization(組織力)、R,Resilience(恢復力))綜合指數作為反映生態系統完整性和健康的指標,被國際生態系統健康大會接受為生態系統健康診斷指標,并在實踐中得到了一定的應用。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,具有良好的生產性能。因此,近半個世紀以來,對它的利用強度不斷加大,草原農墾亦在擴大規模,在嚴重的人為壓力下,業已突破草原生態系統健康閾值,造成草原退化和沙化,使草原生態系統功能全面受損。包括草原植物群落的優勢種更替,飼用品質惡化,植物個體小型化,光合效率顯著下降,氮素、碳素等物質循環的平衡失調,群落生物生產力嚴重衰減等諸多方面。恢復草原生態系統健康已是當務之急。然而對于草原健康管理仍面臨著評價方法尚不完善這一關鍵難題。本項研究以草原生態系統中的植物-土壤-大氣界面的關鍵生態過程為基礎,借鑒CVOR(C,Condition(基況))模型中對基況指標的選取,本文考慮水分因子的限制作用,建立典型草原生態系統健康評價的CVOR綜合指數的計算模型和方法。通過分析放牧壓力和圍封保育對內蒙古典型草原生態系統健康的影響,檢驗CVOR綜合指數的可行性,以期為草原生態系統健康管理提供一個綜合、簡單、準確、宜行的評價方法。1樣地與樣方設置本項研究在內蒙古錫林郭勒盟典型草原地帶中國科學院內蒙古草原生態系統定位研究站設置的圍欄樣地及東烏珠穆沁旗西南部的錫林花牧場樣地上進行。研究區位于烏珠穆沁盆地西至錫林河中下游,氣候濕潤度為0.35～0.50。構成丘陵漫崗與丘間洼地多層鑲嵌分布的典型草原類型。以適應半干旱氣候的典型草原生態系統占優勢,土壤為栗鈣土,大針茅+羊草群落是主要的地帶性植物群落。實驗樣地分別是1980年設置的羊草+大針茅草原圍欄樣地(簡稱“羊草樣地”),封育前處于較少擾動的原生羊草+大針茅草原群落狀態;1983年設置的退化草原恢復演替實驗樣地(簡稱“退化樣地”),實施圍欄封育時已因過度放牧退化成冷蒿(Artemisiafrigida)為主要優勢種的群落變型,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,也進行取樣測定(簡稱“退外樣地”)。此外,錫林花牧場位于蒙古高原東部的中心地區,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)為優勢種的典型草原群落組合。該處樣地為2001年設定的典型草原及退化草原實驗樣地,樣地分別設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)和平緩臺地的退化草原群落(3#、4#樣地),實驗樣地基本情況見表1。羊草樣地和退化樣地從封育起每年生長季(5～9月份)以15d為周期分別進行每期10個和20個1m×1m的樣方測定,測量包括分種現存生物量、植株密度、高度、覆蓋度等,并同時同步測定退化樣地圍欄外(退外樣地)仍處于放牧利用狀態的群落,測量項目與其一致。錫林花牧場各樣地從2002年生長季以15d為周期進行每期5個1m×1m的樣方測定,測量項目與上述一致。2樣地與研究方法CVOR指數模型最早由任繼周提出并加以完善。本文運用羊草樣地(1981年)、退化樣地(1984、1994、2004年)、退外樣地(2004年)和錫林花牧場(2003年)定期監測數據,結合典型草原生態系統的群落特征及其退化演替模式,在確定生態系統健康評價模式(參照)系統和基況評價指標的基礎上,建立CVOR指數的測算模型與方法。2.1羊草、大針茅群落結構根據羊草樣地的定期監測數據,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年是處于較少擾動的羊草、大針茅種群占優勢的典型草原群落。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勢地位,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有出現,故可認為其處于健康狀態。因此,本項研究選取該年羊草樣地的群落作為模式(參照)系統。2.2基況指標的確定基況(Condition,C)主要反映植物-土壤-大氣界面過程,可理解為影響草原生態系統結構與功能的大氣、土壤與氣候因子的綜合,主要指水熱因素與土壤營養庫狀況的綜合。水分和N、P、有機質等養分資源是制約草原群落生產力的限制性因子。根據土壤養分的測定研究表明,退化群落的土壤養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季降水量的嚴重制約,其生產力水平主要取決于大氣降水。因此,在諸多環境因子中,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,導致植物群落地上生物量以及主要優勢種群生物量的年際波動(圖1),影響生態系統的相對穩定與健康,甚至出現低于草原生態系統自我維持閾值而減產。故本項研究采用相應年份直接有效降水量作為群落的基況指標。在CVOR指數計算中,基況指標的計算公式為:C=CX/CmC∈,如C>1,則取C=1。式中Cx為評價系統當年直接有效降水量,Cm為羊草樣地1981年的直接有效降水量(x指評價系統;m指模式系統,即1981年羊草樣地的生態系統狀況,下同)。2.3計算vor評分指數和cmor綜合指數的公式2.3.1生態系統活力評價活力(Vigor,V)指草原生態系統的能量或活動性,用生態系統物質生產和能量固定的總量或效率度量,可選取光合效率或光合產物、地上生物量等指標進行評價。草原生態系統退化過程包含著兩個方面,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量來表征生態系統的活力狀況。具體計算公式為:V=Px/Pm,式中P為生態系統的生產力,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)指生態系統物種組成結構及其物種間的相互關系,反映生態系統結構的復雜性,用生態系統結構和功能的組合特征度量,如物種分布頻率、植株平均高度、相對生物量等。本文參照內蒙古草原生態系統健康評價的植物群落組織力測定方法,首先計算群落中主要物種(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、累積相對生物量、累積平均高度及相對株(叢)數,其加和表征各群落的組織力水平,具體計算公式如下: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個植物種在樣方中的株(叢)數;Nmax為群落中第i個植物種在樣方中的最大株(叢)數;Zi為生長季內出現第i個物種的樣方數,Z是引用的全部樣方數,該比值反映物種在生長季內水平分布的概率;Hi為群落中第i個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標度,反映高度空間分布的概率。Mij是第i物種在第j個樣方中的干重,j=1,2,…,N,Mj是第j個樣方的總干重。其比值反映該種在整個生長季中對能量固定作貢獻的重要性。最后,將各生態系統群落組織力計算值與模式系統組織力計算值相比較用以衡量處于不同演替狀態的生態系統組織力水平。即:O=OX/Om,O∈,如O>1,則取O=1。2.3.3生態系統恢復能力計算恢復力(Resilience,R)是草原生態系統對脅迫的抗御能力或反彈能力,包括生產力和結構(物種組成)的恢復。本項研究以代表典型草原生態系統恢復程度的大針茅、羊草物種數量和地上生物量與表示一般退化程度的冷蒿、糙隱子草物種數量和地上生物量之間的比例來衡量處于不同演替階段草原生態系統群落的恢復能力。即群落中羊草、大針茅物種數量(株/叢數)和地上生物量越大,則表征群落恢復能力越大;反之,如果冷蒿、糙隱子草數量(株/叢數)和地上生物量越大,則表征群落恢復能力越小。因各植物種的物種數量(株/叢數)和地上生物量之間存在明顯的正相關關系(R2=0.9858),故計算生態系統恢復力時只選取物種數量指標進行計算。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為物種數量(株/叢數)。2.3.4各因子權重的計算結合典型草原生態系統恢復演替過程中的影響因素和群落特征,生態系統健康主要決定于群落自身的狀況,且與現存地上生物量密切相關。所以計算CVOR指數時,對C、V、O和R分別賦予不同的權重,然后予以計算,求算公式如下:CVOR=wv×V+wo×O+wr×R+wc×C式中,w為權重(wv+wo+wr+wc=1),根據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,即超健康狀態屬于健康。故CVOR∈,若CVOR=1,系統處于最健康狀態,如羊草樣地(1981);若CVOR=0,生態系統最不健康,如崩潰系統。據此,利用四分法將生態系統健康狀態劃分為4個不同等級(表2)。3結果與討論3.1群落組織力與植被健康評價指數vor本文計算內蒙古典型草原生態系統健康綜合指數(CVOR)的同時亦計算了在取樣背景清晰情況下的植被健康評價指數(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)。通過相關分析顯示,各樣地CVOR與C、V、O、R及VOR間的相關系數分別為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)相關性較小外,CVOR與基況指數(C)、活力指數(V)、恢復力指數(R)等其它指標間均存在顯著的相關關系。故CVOR可成為簡單表征草地生態系統健康的綜合指數。因群落組織力是由群落中種群組織力加和而成,計算時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)等種群對群落組織力的貢獻,此可能是導致CVOR與O間相關不顯著的主要原因。CVOR值與植被健康評價指數(VOR)之間具有顯著相關性,相關系數達0.995(p<0.01),且CVOR均高于VOR,此可能是由于各樣地在計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的貢獻。侯扶江等利用CVOR計算荒漠生態系統健康閾值時取得了良好效果,因荒漠環境的非生物過程比草原強烈,因此反映非生物能量傳輸過程的基況指標顯得十分重要。因降水的年際波動較大,其對草原群落生產力的制約表現在大的時間尺度上,所以利用個別年份的降水在草原生態系統健康的基況指標計算中表現出的水分制約作用較小。因此,評價個別年份草原生態系統健康狀況也可直接用VOR綜合指數,此亦可取得良好評價效果。3.2草原生態系統健康指數最低,在“不健康”退化樣地圍欄外的退外樣地,因持續放牧壓力的影響,使得其群落活力、組織力和恢復力均低于處于圍封狀態的同期退化樣地生態系統狀況,且群落地上生物量、物種數、牲畜適口性牧草種類等亦大幅降低,從而導致生態系統健康指數最低,處于“不健康”狀態(圖2)。該區域在20世紀的后20a牲畜頭數一直處于上升趨勢,盡管最近幾年牲畜頭數有所下降,但仍超出草地載畜量,因退外樣地和對應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致該地區業已退化的草原生態系統更加退化,且難以恢復。持續、過大的放牧強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植物種增加,從而使得群落活力、恢復力、組織力以及生態系統健康綜合指數值均有所下降。如錫林花牧場中處于持續過度放牧的3#和4#樣地的各項指數和CVOR綜合指數遠低于處于輕度放牧的1#樣地。3