宁夏长芒草典型草原健康评价标准体系研究

宁夏长芒草典型草原健康评价标准体系研究

随着我国牧场生态的不断恶化和牧场的退化，草地的可持续利用、生态系统健康以及人类健康与生活之间的关系引起了人们的关注。生态系统健康的研究和评估已成为世界各国和未来的中心和先进之一。这是一个新兴的生态系统管理概念，已成为新的环境管理和生态管理体系的目标。草地生态系统健康评价是国际学术界探讨的热门领域,对这一领域的研究不仅反映人类对草地生态系统的认识程度,也是相关领域学术研究和社会、经济发展水平的综合体现。1994年,美国草地管理学会出版的《RangelandHealth》一书中提出“草地土壤、系统内营养和能流等问题是评价草地健康的重要标志”。同年,澳大利亚学者提出了以土壤为主要标准的草地基况评价体系。任继周等以界面理论为指导,提出草地健康评价的4种状态和3项阈值,认为在草丛-地境界面中采用草地活力、组织力和恢复力3项指标(后来增补草地基况共4项指标),结合草地-动物界面和草畜-经营管理界面的相关内容,研究草地生态系统不同界面容量与有序结构的定量关系,确定系统不同的健康阈值。用草地基况法评价草地生态系统的健康程度,简便易行,实际可操作性强,仍是今后一个时期评价草地生态系统健康状况的一个最主要的技术手段,尤其是在半干旱地区应用前景将会非常广泛。长芒草(Stipabungeana)草地是我国黄土高原半干旱地区的典型代表,面积大,地域广。宁夏云雾山草原自然保护区是我国黄土高原上以长芒草为主的典型草原生态系统保留最完整、原生性最强、面积最大且集中连片分布的典型区域。经过20多年的有效保护,草地生态系统已步入了良性循环,长芒草典型草原处于健康发展状态。因此,以宁夏云雾山保护区为中心向外呈辐射状布设监测调查样方,利用草地基况法研究长芒草典型草原的健康指标体系,并针对不同区域长芒草典型草原的健康状态提出相应的管理措施和办法,可为宁夏云雾山草原自然保护区乃至黄土高原同类地区草地生态系统的修复与重建、提高草地生产力、达到草地健康发展及可持续利用的目的提供可靠的技术依据。1区域的一般概念和方法1.1草原依据指标研究地设在宁夏云雾山草原自然保护区内。保护区位于106°24′~106°28′E,36°13′~36°19′N,海拔1800~2100m。处于中温带半干旱气候区,具有典型的半干旱气候特征。年平均气温5℃,≥0℃年积温2370~2882℃·d,年日照时数为2500h,年平均无霜期137d,年平均降水量411.5mm。生态类型属于典型的干草原生态系统,以草本植物为主,建群种主要有长芒草、百里香(Thymusmongolicus)、铁杆蒿(Artemisiasacrorum)、大羽茅(S.grandis)等。以宁夏固原云雾山草原自然保护区为中心,以保护区封禁20多年的长芒草典型草原为对照(核心区,36°15′27″N,106°22′59″E),向保护区外围扩展,对2个外围[外围1:缓冲区(36°13′49″N,106°22′59″E);外围2:试验区(36°12′13″N,106°24′38″E)]及各个县区[原州区(36°07′06″N,106°21′51″E)、彭阳县(36°12′51″N,106°34′41″E)、隆德县(35°42′27″N,106°05′59″E)、西吉县(36°09′53″N,105°35′17″E)、月亮山(36°23′17″N,105°21′55″E)、海原县(36°36′11″N,106°25′56″E)、南华山(36°26′01″N,105°36′18″E)、同心县(36°59′29″N,106°24′32″E)、盐池县(37°35′53″N,107°13′04″E)]的草原根据指标进行测量。其中调查点的选择依据1981年宁夏回族自治区草地资源调查结果,选择各县区在1981年草地调查时典型草原的代表性地段为调查地点,每个调查地点调查3个样地,每个样地3次重复。1.2西部草原典型草原群落调查试验于2008年、2009年的每年8月进行,即在草地产草量最高峰时进行草地调查与数据测量。以宁夏固原云雾山草原自然保护区为中心,以保护区封禁20多年的长芒草典型草原为对照,向保护区外围扩展,分别对宁夏不同区域的长芒草典型草原群落的整体性与生态现况、群落结构、水文功能与养分循环、区域稳定性、有害杂草5个方面进行调查。草地基况法调查草地评分标准如表1。1.2.1功能执行及提供服务的能力在评价草地健康时,植物种组成是最基本的指标。植物种的组成影响一个区域生态系统功能的执行及提供产品和服务的能力。在天然草地群落中,少数关键草种通常负责供给绝大多数的生物量,能够反映生态现状。在调查过程中,主要测定1m2内长芒草群落及整个草地群落的高度、盖度、多度、频度和产量,即四度一量,每个样地测定3次重复。1.2.2地被植物3个月生物量和生长时期520cm植物生长在不同“层”的这种特征被称为结构。草地的结构层包括矮小灌木(60~100cm)、高大草本(20~60cm)、中等高度草本(5~20cm)和地被植物(0~5cm)4层。利用目测法测定高大的禾本科与中等高度的禾本科植物。1.2.3土壤含水量测定枯枝落叶能够在土壤表层竖起一道防御热流和水流的天然屏障。枯枝落叶还可减少蒸发、改善渗透以及冷却土壤表层,从而有利于保持有限的水分。主要测定枯枝落叶量、土壤含水量和干土质量/水质量。枯枝落叶主要是通过人工扒动方式从0.25m2的代表性样方采集所得。枯枝落叶是前几年生长的但未被当作饲草的植物残余物,包括直立枝条、倒伏茎叶、部分腐烂物质。在收集枯枝落叶样本时,不要收集当年生的草本植物。只收集以前几个生长季形成的直立枯枝。每个样地测4次重复。土壤含水量采用环刀法测定。分别测定地下0~20、20~40、40~60cm的土层水分,每土层重复3次,分层装入塑料袋系好标签带回实验室,称取鲜质量后在105℃的烘箱内连续烘8h,直至质量不变时称干质量,求出平均值。土壤含水量用下列公式计算:C=(W-S)/S式中,C为土壤含水量(%);S为干土质量(g);W为湿土质量(g)。干土质量/水质量主要测定0~10、10~20、20~30cm的土壤干土质量/水质量,每土层重复3次。1.2.4植物根系裸变事件,主要分为网络放射和植物根系裸实际反映重度至极重度放牧的指标,包括粪肥、蹄印和植物根系裸露情况。现场调查时肉眼观察到草地粪肥、蹄印和植物根系裸露情况非常少或几乎没有为轻微,有几个为中度,比较明显为重度。1.2.5有害杂草反映该区域受侵扰的程度。主要有害杂草的种类和密度着手,一个试验点5次重复。1.3采用模糊综合评价方法的研究内容和方法1.3.1表达形式的一般表达形式一个理想的指标体系必须具备3个条件:1)指标之间具有可比性;2)指标表达形式简单化;3)指标之间独立性。根据红梅、高安社的研究,在本试验中,选择群落盖度、建群种长芒草地上净生长量、凋落物质量、土壤含水量、土壤干土质量/水质量作为长芒草典型草原生态系统健康评价理论指标体系。1.3.2评价矩阵计算采用模糊综合评价方法:设不同取样地点的处理集为:X=X1,X2,…,Xi,…,Xn,其中,元素Xi(i=1,2,…,n)是若干个可能做出的评判结果。设各项影响草地健康的因素集为:U=U1,U2,…,Uj,…,Um,其中,元素Uj(j=1,2,…,m)是若干个影响因素。特征矩阵为:Un×m=(Uij)n×m。取评价的隶属函数为:rij=R(Xij,Uij)={1‚当U=max(U1j‚U2j‚⋯‚Unj)Uijmax(U1j‚U2j‚⋯‚Unj)‚当Uij<max(U1j‚U2j‚⋯‚Unj)rij=R(Xij,Uij)=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪1‚当U=max(U1j‚U2j‚⋯‚Unj)Uijmax(U1j‚U2j‚⋯‚Unj)‚当Uij<max(U1j‚U2j‚⋯‚Unj)r∈(0,1)。评价矩阵R=(rij)n×m,其中,rij表示对评判对象在考虑Uj时做出评判结果Xi的程度。取评价函数分别为:D1=1/m×(ri1+ri2+…+rim);D2=max(ri1+ri2+…+rim);D3=min(ri1+ri2+…+rim)。分别计算得di1,di2,di3,令U1=(D1,D2,D3),R=F(X×U1),即再令D=1/3×(di1+di2+di3)。计算最后评判指标di并做出评价。其中,对照区为健康草地,d=1;各个取样地点评价的系数在0~1,系数越接近1,草地越接近健康状态。1.4草地健康评价通过Excel整理、分析调查数据,利用草地基况法(RangeCondition,RC)和模糊综合评价2种方法对长芒草典型草原进行健康评价。2结果与分析2.1采用草地基本条件法对典型草地生育池进行健康评估2.1.1草地效应法的调查测量草地基况的各项评价指标,并对长芒草典型草原进行健康评价,分级标准及各个处理得分见表2~5所示。2.1.2个测定点的调查评分根据草地基况法对草地打出的分数得出长芒草典型草原健康评价状况(表6)。其中区域分数是各个测定点在整体性与生态现况、群落结构、水文功能与养分循环、场区稳定性、有害杂草5个方面的调查评分总和。对照、外围1、月亮山、南华山的草地处于健康状态,外围2、原州区、彭阳县、隆德县、西吉县、盐池县的草地处于健康但有问题状态,海原县、同心县的草地处于不健康状态。2.2采用模糊综合评价法对典型草甸进行健康评价模糊综合评价法是建立在模糊数学理论基础上的一种预测和评价方法。它的特点在于其评价方式与人们的正常思维模式很接近,用程度语言描述对象。2.2.1土壤干土质量/水质量数据在长芒草典型草原中测定的土壤含水量、土壤干土质量/水质量数据如表7所示。由于月亮山属于西吉县,南华山属于海原县,因此只测定了西吉县和海原县的数据。2.2.2生长量与健康综合评价以野外调查获得的群落盖度、建群种地上净生长量、凋落物质量、土壤含水量、土壤干土质量/水质量为因素集,对照(核心区)、处理1(外围1、月亮山、南华山)、处理2(外围2、原州区、彭阳县、隆德县、西吉县、盐池县)、处理3(海原县、同心县)为处理集,对长芒草的健康程度进行模糊综合评价。模糊综合评价特征矩阵为U4×5=(Uij)4×5,即:群落建群种地上凋落物土壤干土质量/盖度净生长量质量含水量水质量{100143.432154.8379.7671.13080131.500129.0679.1071.0936495.57048.1338.8591.1521850.64813.2008.1821.230}评价矩阵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}从评价矩阵R可以得到长芒草典型草原不同区域的群落盖度、建群种地上净生长量、凋落物质量、土壤含水量、土壤干土质量/水质量5个单因子的差异性健康系数。R1=F(X×U1),即:模糊综合评价系数(差异性健康综合系数):从模糊综合评价系数可以看出,宁夏长芒草典型草原差异性健康综合系数为1.0000,处理1为0.8858,处理2为0.6797,处理3为0.5609。红梅研究结果表明,草地健康水平定量地划分为健康、亚健康和不健康3个等级,相应的综合健康指数分别为(1.00~0.85)、(0.85~0.65)、(0.65~0)。因此,对照、处理1为健康草地,处理2为亚健康草地,处理3为不健康草地。2.3各指标健康评价将宁夏草地划分为健康、健康但有问题、不健康3个等级,健康评价指标从5个方面来阐述,即1m2样方内的总盖度和总产量、分层层数、枯枝落叶量、稳定性、有害杂草,评价结果如表8所示。3不同评价法评价的草地指标本试验以宁夏固原云雾山草原自然保护区为中心向外呈辐射状布设监测调查样方,利用草地基况法和模糊综合评价2种方法对宁夏长芒草典型草原进行健康评价,并在评价的基础之上提出宁夏长芒草典型草原健康评价标准体系。1)草地基况法的评价结果:对照、外围1、月亮山、南华山的草地处于健康状态,外围2、原州区、彭阳县、隆德县、西吉县、盐池县的草地处于健康但有问题状态,海原县、同心县的草地处于不健康状态。2)模糊综合评价法的评价结果:对照、处理1(外围1、月亮山、南华山)为健康草地,处理2(外围2、原州区、彭阳县、隆德县、西吉县、盐池县)为亚健康草地,处理3(海原县、同心县)为不健康草地。3)草地基况法和模糊综合评价2种方法的评价指标不同,但结果却大致相同,即对照、外围1、月