寧夏長芒草典型草原健康評價標(biāo)準(zhǔn)體系研究

寧夏長芒草典型草原健康評價標(biāo)準(zhǔn)體系研究

隨著我國牧場生態(tài)的不斷惡化和牧場的退化，草地的可持續(xù)利用、生態(tài)系統(tǒng)健康以及人類健康與生活之間的關(guān)系引起了人們的關(guān)注。生態(tài)系統(tǒng)健康的研究和評估已成為世界各國和未來的中心和先進(jìn)之一。這是一個新興的生態(tài)系統(tǒng)管理概念，已成為新的環(huán)境管理和生態(tài)管理體系的目標(biāo)。草地生態(tài)系統(tǒng)健康評價是國際學(xué)術(shù)界探討的熱門領(lǐng)域,對這一領(lǐng)域的研究不僅反映人類對草地生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)識程度,也是相關(guān)領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究和社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的綜合體現(xiàn)。1994年,美國草地管理學(xué)會出版的《RangelandHealth》一書中提出“草地土壤、系統(tǒng)內(nèi)營養(yǎng)和能流等問題是評價草地健康的重要標(biāo)志”。同年,澳大利亞學(xué)者提出了以土壤為主要標(biāo)準(zhǔn)的草地基況評價體系。任繼周等以界面理論為指導(dǎo),提出草地健康評價的4種狀態(tài)和3項閾值,認(rèn)為在草叢-地境界面中采用草地活力、組織力和恢復(fù)力3項指標(biāo)(后來增補草地基況共4項指標(biāo)),結(jié)合草地-動物界面和草畜-經(jīng)營管理界面的相關(guān)內(nèi)容,研究草地生態(tài)系統(tǒng)不同界面容量與有序結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系,確定系統(tǒng)不同的健康閾值。用草地基況法評價草地生態(tài)系統(tǒng)的健康程度,簡便易行,實際可操作性強,仍是今后一個時期評價草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的一個最主要的技術(shù)手段,尤其是在半干旱地區(qū)應(yīng)用前景將會非常廣泛。長芒草(Stipabungeana)草地是我國黃土高原半干旱地區(qū)的典型代表,面積大,地域廣。寧夏云霧山草原自然保護(hù)區(qū)是我國黃土高原上以長芒草為主的典型草原生態(tài)系統(tǒng)保留最完整、原生性最強、面積最大且集中連片分布的典型區(qū)域。經(jīng)過20多年的有效保護(hù),草地生態(tài)系統(tǒng)已步入了良性循環(huán),長芒草典型草原處于健康發(fā)展?fàn)顟B(tài)。因此,以寧夏云霧山保護(hù)區(qū)為中心向外呈輻射狀布設(shè)監(jiān)測調(diào)查樣方,利用草地基況法研究長芒草典型草原的健康指標(biāo)體系,并針對不同區(qū)域長芒草典型草原的健康狀態(tài)提出相應(yīng)的管理措施和辦法,可為寧夏云霧山草原自然保護(hù)區(qū)乃至黃土高原同類地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)與重建、提高草地生產(chǎn)力、達(dá)到草地健康發(fā)展及可持續(xù)利用的目的提供可靠的技術(shù)依據(jù)。1區(qū)域的一般概念和方法1.1草原依據(jù)指標(biāo)研究地設(shè)在寧夏云霧山草原自然保護(hù)區(qū)內(nèi)。保護(hù)區(qū)位于106°24′~106°28′E,36°13′~36°19′N,海拔1800~2100m。處于中溫帶半干旱氣候區(qū),具有典型的半干旱氣候特征。年平均氣溫5℃,≥0℃年積溫2370~2882℃·d,年日照時數(shù)為2500h,年平均無霜期137d,年平均降水量411.5mm。生態(tài)類型屬于典型的干草原生態(tài)系統(tǒng),以草本植物為主,建群種主要有長芒草、百里香(Thymusmongolicus)、鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、大羽茅(S.grandis)等。以寧夏固原云霧山草原自然保護(hù)區(qū)為中心,以保護(hù)區(qū)封禁20多年的長芒草典型草原為對照(核心區(qū),36°15′27″N,106°22′59″E),向保護(hù)區(qū)外圍擴(kuò)展,對2個外圍[外圍1:緩沖區(qū)(36°13′49″N,106°22′59″E);外圍2:試驗區(qū)(36°12′13″N,106°24′38″E)]及各個縣區(qū)[原州區(qū)(36°07′06″N,106°21′51″E)、彭陽縣(36°12′51″N,106°34′41″E)、隆德縣(35°42′27″N,106°05′59″E)、西吉縣(36°09′53″N,105°35′17″E)、月亮山(36°23′17″N,105°21′55″E)、海原縣(36°36′11″N,106°25′56″E)、南華山(36°26′01″N,105°36′18″E)、同心縣(36°59′29″N,106°24′32″E)、鹽池縣(37°35′53″N,107°13′04″E)]的草原根據(jù)指標(biāo)進(jìn)行測量。其中調(diào)查點的選擇依據(jù)1981年寧夏回族自治區(qū)草地資源調(diào)查結(jié)果,選擇各縣區(qū)在1981年草地調(diào)查時典型草原的代表性地段為調(diào)查地點,每個調(diào)查地點調(diào)查3個樣地,每個樣地3次重復(fù)。1.2西部草原典型草原群落調(diào)查試驗于2008年、2009年的每年8月進(jìn)行,即在草地產(chǎn)草量最高峰時進(jìn)行草地調(diào)查與數(shù)據(jù)測量。以寧夏固原云霧山草原自然保護(hù)區(qū)為中心,以保護(hù)區(qū)封禁20多年的長芒草典型草原為對照,向保護(hù)區(qū)外圍擴(kuò)展,分別對寧夏不同區(qū)域的長芒草典型草原群落的整體性與生態(tài)現(xiàn)況、群落結(jié)構(gòu)、水文功能與養(yǎng)分循環(huán)、區(qū)域穩(wěn)定性、有害雜草5個方面進(jìn)行調(diào)查。草地基況法調(diào)查草地評分標(biāo)準(zhǔn)如表1。1.2.1功能執(zhí)行及提供服務(wù)的能力在評價草地健康時,植物種組成是最基本的指標(biāo)。植物種的組成影響一個區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能的執(zhí)行及提供產(chǎn)品和服務(wù)的能力。在天然草地群落中,少數(shù)關(guān)鍵草種通常負(fù)責(zé)供給絕大多數(shù)的生物量,能夠反映生態(tài)現(xiàn)狀。在調(diào)查過程中,主要測定1m2內(nèi)長芒草群落及整個草地群落的高度、蓋度、多度、頻度和產(chǎn)量,即四度一量,每個樣地測定3次重復(fù)。1.2.2地被植物3個月生物量和生長時期520cm植物生長在不同“層”的這種特征被稱為結(jié)構(gòu)。草地的結(jié)構(gòu)層包括矮小灌木(60~100cm)、高大草本(20~60cm)、中等高度草本(5~20cm)和地被植物(0~5cm)4層。利用目測法測定高大的禾本科與中等高度的禾本科植物。1.2.3土壤含水量測定枯枝落葉能夠在土壤表層豎起一道防御熱流和水流的天然屏障。枯枝落葉還可減少蒸發(fā)、改善滲透以及冷卻土壤表層,從而有利于保持有限的水分。主要測定枯枝落葉量、土壤含水量和干土質(zhì)量/水質(zhì)量。枯枝落葉主要是通過人工扒動方式從0.25m2的代表性樣方采集所得。枯枝落葉是前幾年生長的但未被當(dāng)作飼草的植物殘余物,包括直立枝條、倒伏莖葉、部分腐爛物質(zhì)。在收集枯枝落葉樣本時,不要收集當(dāng)年生的草本植物。只收集以前幾個生長季形成的直立枯枝。每個樣地測4次重復(fù)。土壤含水量采用環(huán)刀法測定。分別測定地下0~20、20~40、40~60cm的土層水分,每土層重復(fù)3次,分層裝入塑料袋系好標(biāo)簽帶回實驗室,稱取鮮質(zhì)量后在105℃的烘箱內(nèi)連續(xù)烘8h,直至質(zhì)量不變時稱干質(zhì)量,求出平均值。土壤含水量用下列公式計算:C=(W-S)/S式中,C為土壤含水量(%);S為干土質(zhì)量(g);W為濕土質(zhì)量(g)。干土質(zhì)量/水質(zhì)量主要測定0~10、10~20、20~30cm的土壤干土質(zhì)量/水質(zhì)量,每土層重復(fù)3次。1.2.4植物根系裸變事件,主要分為網(wǎng)絡(luò)放射和植物根系裸實際反映重度至極重度放牧的指標(biāo),包括糞肥、蹄印和植物根系裸露情況。現(xiàn)場調(diào)查時肉眼觀察到草地糞肥、蹄印和植物根系裸露情況非常少或幾乎沒有為輕微,有幾個為中度,比較明顯為重度。1.2.5有害雜草反映該區(qū)域受侵?jǐn)_的程度。主要有害雜草的種類和密度著手,一個試驗點5次重復(fù)。1.3采用模糊綜合評價方法的研究內(nèi)容和方法1.3.1表達(dá)形式的一般表達(dá)形式一個理想的指標(biāo)體系必須具備3個條件:1)指標(biāo)之間具有可比性;2)指標(biāo)表達(dá)形式簡單化;3)指標(biāo)之間獨立性。根據(jù)紅梅、高安社的研究,在本試驗中,選擇群落蓋度、建群種長芒草地上凈生長量、凋落物質(zhì)量、土壤含水量、土壤干土質(zhì)量/水質(zhì)量作為長芒草典型草原生態(tài)系統(tǒng)健康評價理論指標(biāo)體系。1.3.2評價矩陣計算采用模糊綜合評價方法:設(shè)不同取樣地點的處理集為:X=X1,X2,…,Xi,…,Xn,其中,元素Xi(i=1,2,…,n)是若干個可能做出的評判結(jié)果。設(shè)各項影響草地健康的因素集為:U=U1,U2,…,Uj,…,Um,其中,元素Uj(j=1,2,…,m)是若干個影響因素。特征矩陣為:Un×m=(Uij)n×m。取評價的隸屬函數(shù)為:rij=R(Xij,Uij)={1?當(dāng)U=max(U1j?U2j???Unj)Uijmax(U1j?U2j???Unj)?當(dāng)Uij<max(U1j?U2j???Unj)rij=R(Xij,Uij)=?????????1?當(dāng)U=max(U1j?U2j???Unj)Uijmax(U1j?U2j???Unj)?當(dāng)Uij<max(U1j?U2j???Unj)r∈(0,1)。評價矩陣R=(rij)n×m,其中,rij表示對評判對象在考慮Uj時做出評判結(jié)果Xi的程度。取評價函數(shù)分別為:D1=1/m×(ri1+ri2+…+rim);D2=max(ri1+ri2+…+rim);D3=min(ri1+ri2+…+rim)。分別計算得di1,di2,di3,令U1=(D1,D2,D3),R=F(X×U1),即再令D=1/3×(di1+di2+di3)。計算最后評判指標(biāo)di并做出評價。其中,對照區(qū)為健康草地,d=1;各個取樣地點評價的系數(shù)在0~1,系數(shù)越接近1,草地越接近健康狀態(tài)。1.4草地健康評價通過Excel整理、分析調(diào)查數(shù)據(jù),利用草地基況法(RangeCondition,RC)和模糊綜合評價2種方法對長芒草典型草原進(jìn)行健康評價。2結(jié)果與分析2.1采用草地基本條件法對典型草地生育池進(jìn)行健康評估2.1.1草地效應(yīng)法的調(diào)查測量草地基況的各項評價指標(biāo),并對長芒草典型草原進(jìn)行健康評價,分級標(biāo)準(zhǔn)及各個處理得分見表2~5所示。2.1.2個測定點的調(diào)查評分根據(jù)草地基況法對草地打出的分?jǐn)?shù)得出長芒草典型草原健康評價狀況(表6)。其中區(qū)域分?jǐn)?shù)是各個測定點在整體性與生態(tài)現(xiàn)況、群落結(jié)構(gòu)、水文功能與養(yǎng)分循環(huán)、場區(qū)穩(wěn)定性、有害雜草5個方面的調(diào)查評分總和。對照、外圍1、月亮山、南華山的草地處于健康狀態(tài),外圍2、原州區(qū)、彭陽縣、隆德縣、西吉縣、鹽池縣的草地處于健康但有問題狀態(tài),海原縣、同心縣的草地處于不健康狀態(tài)。2.2采用模糊綜合評價法對典型草甸進(jìn)行健康評價模糊綜合評價法是建立在模糊數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)上的一種預(yù)測和評價方法。它的特點在于其評價方式與人們的正常思維模式很接近,用程度語言描述對象。2.2.1土壤干土質(zhì)量/水質(zhì)量數(shù)據(jù)在長芒草典型草原中測定的土壤含水量、土壤干土質(zhì)量/水質(zhì)量數(shù)據(jù)如表7所示。由于月亮山屬于西吉縣,南華山屬于海原縣,因此只測定了西吉縣和海原縣的數(shù)據(jù)。2.2.2生長量與健康綜合評價以野外調(diào)查獲得的群落蓋度、建群種地上凈生長量、凋落物質(zhì)量、土壤含水量、土壤干土質(zhì)量/水質(zhì)量為因素集,對照(核心區(qū))、處理1(外圍1、月亮山、南華山)、處理2(外圍2、原州區(qū)、彭陽縣、隆德縣、西吉縣、鹽池縣)、處理3(海原縣、同心縣)為處理集,對長芒草的健康程度進(jìn)行模糊綜合評價。模糊綜合評價特征矩陣為U4×5=(Uij)4×5,即:群落建群種地上凋落物土壤干土質(zhì)量/蓋度凈生長量質(zhì)量含水量水質(zhì)量{100143.432154.8379.7671.13080131.500129.0679.1071.0936495.57048.1338.8591.1521850.64813.2008.1821.230}評價矩陣R=(rij)4×5{1.00001.00001.00001.00001.00000.80000.91680.83360.93240.96730.64000.66630.31090.90700.01950.18000.35310.08530.83770.0885}從評價矩陣R可以得到長芒草典型草原不同區(qū)域的群落蓋度、建群種地上凈生長量、凋落物質(zhì)量、土壤含水量、土壤干土質(zhì)量/水質(zhì)量5個單因子的差異性健康系數(shù)。R1=F(X×U1),即:模糊綜合評價系數(shù)(差異性健康綜合系數(shù)):從模糊綜合評價系數(shù)可以看出,寧夏長芒草典型草原差異性健康綜合系數(shù)為1.0000,處理1為0.8858,處理2為0.6797,處理3為0.5609。紅梅研究結(jié)果表明,草地健康水平定量地劃分為健康、亞健康和不健康3個等級,相應(yīng)的綜合健康指數(shù)分別為(1.00~0.85)、(0.85~0.65)、(0.65~0)。因此,對照、處理1為健康草地,處理2為亞健康草地,處理3為不健康草地。2.3各指標(biāo)健康評價將寧夏草地劃分為健康、健康但有問題、不健康3個等級,健康評價指標(biāo)從5個方面來闡述,即1m2樣方內(nèi)的總蓋度和總產(chǎn)量、分層層數(shù)、枯枝落葉量、穩(wěn)定性、有害雜草,評價結(jié)果如表8所示。3不同評價法評價的草地指標(biāo)本試驗以寧夏固原云霧山草原自然保護(hù)區(qū)為中心向外呈輻射狀布設(shè)監(jiān)測調(diào)查樣方,利用草地基況法和模糊綜合評價2種方法對寧夏長芒草典型草原進(jìn)行健康評價,并在評價的基礎(chǔ)之上提出寧夏長芒草典型草原健康評價標(biāo)準(zhǔn)體系。1)草地基況法的評價結(jié)果:對照、外圍1、月亮山、南華山的草地處于健康狀態(tài),外圍2、原州區(qū)、彭陽縣、隆德縣、西吉縣、鹽池縣的草地處于健康但有問題狀態(tài),海原縣、同心縣的草地處于不健康狀態(tài)。2)模糊綜合評價法的評價結(jié)果:對照、處理1(外圍1、月亮山、南華山)為健康草地,處理2(外圍2、原州區(qū)、彭陽縣、隆德縣、西吉縣、鹽池縣)為亞健康草地,處理3(海原縣、同心縣)為不健康草地。3)草地基況法和模糊綜合評價2種方法的評價指標(biāo)不同,但結(jié)果卻大致相同,即對照、外圍1、月