基于均方差權(quán)值法對(duì)不同培育措施高寒草甸的現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

董云龍，胡新振，陳建綱，邵新慶，張德罡

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，北京 100083)

基于均方差權(quán)值法對(duì)不同培育措施高寒草甸的現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

董云龍1，胡新振1，陳建綱1，邵新慶2，張德罡1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，北京 100083)

在天然草地健康評(píng)價(jià)中各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重大小對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有著直接而重要的影響。為探討青藏高原東緣高寒草地健康狀況的合理評(píng)價(jià)模型，通過(guò)均方差權(quán)值法對(duì)甘南桑科草原不同培育措施高寒草地的植物群落蓋度、優(yōu)勢(shì)層高度、干草產(chǎn)量和植物根層土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行客觀賦值綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：1.各種培育措施對(duì)高寒草地植物群落結(jié)構(gòu)和特征均有不同程度的影響；2.施肥處理草地健康狀況最好，而放牧干擾草地的最差；3.均方差權(quán)值法對(duì)草地植物蓋度和植物群落優(yōu)勢(shì)層高度、干草產(chǎn)量及植物根層土壤有機(jī)質(zhì)含量客觀賦值可以用于甘南桑科草原草地健康評(píng)價(jià)。

均方差權(quán)值法；高寒草甸；草地健康評(píng)價(jià)；培育措施

天然草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，是全球分布面積最大的植被類(lèi)型之一[1]。我國(guó)草地面積為4億hm2，占國(guó)土面積的41.7%，占全球草地面積的13.1%[2]。草地生態(tài)系統(tǒng)為人類(lèi)提供了凈初級(jí)生產(chǎn)，有氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤改良、水土保持，固沙和碳循環(huán)調(diào)節(jié)功能，維持生態(tài)系統(tǒng)的多樣性的生態(tài)服務(wù)功能[3]。我國(guó)的天然草地不僅是畜牧業(yè)的生產(chǎn)基地，而且還是維持草原文化傳承的根本和保護(hù)全球生態(tài)安全的屏障。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)逐漸增強(qiáng)，科學(xué)合理地利用環(huán)境資源，并采取一系列措施，恢復(fù)受人類(lèi)干擾破壞的生態(tài)環(huán)境。對(duì)天然草地生態(tài)發(fā)展現(xiàn)狀日益重視，草地生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展和草畜平衡關(guān)系，已經(jīng)成為近年的研究焦點(diǎn)[4]，退牧還草、輪牧休牧、禁牧、草場(chǎng)承包制等諸多有效措施，目的是使草地既能滿足人類(lèi)物質(zhì)需求又能使天然草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定健康可持續(xù)地發(fā)展，在生態(tài)環(huán)境脆弱的青藏高原草地上顯得尤為重要。

目前，在天然草地評(píng)價(jià)中，國(guó)內(nèi)采用VOR和CVOR綜合指標(biāo)的較多[5-7]，利用草地基礎(chǔ)狀況、活力、組織力和恢復(fù)力等指標(biāo)[8]，對(duì)草地的健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。但是該方法數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，并且各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)不易確定。

通過(guò)對(duì)甘南桑科草原牧草生長(zhǎng)季的蓋度、高度、地上生物量和根層土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定，根據(jù)均方差權(quán)值法[9]評(píng)價(jià)草地狀況。均方差權(quán)值法常用于城鎮(zhèn)化水平和集約度的評(píng)價(jià)[9-12]，有文章將其變形方法用于天然草地ETM+影像的草地地面指標(biāo)退化評(píng)價(jià)[13]。通過(guò)對(duì)相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算處理，客觀賦以權(quán)重[9]。筆者嘗試?yán)镁讲顧?quán)值法和草地基本特征的結(jié)合對(duì)甘南桑科草原不同培育措施草地進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省夏河縣桑科鄉(xiāng)，草地類(lèi)型為高寒草甸，優(yōu)勢(shì)植物為垂穗披堿草(Elymusnutans)、柴胡(Bupleurumchinense)、紫花針茅(Gramineae)等，平均海拔3 050 m，年均氣溫2.6℃ ，年降水量516 mm，年日照2 296 h，≥0℃ 的積溫1 214～2 477 ℃ ，≥10℃的積溫215～1 636℃。全年無(wú)霜期88 d[14]。氣候?qū)俸錆駶?rùn)類(lèi)型[15]，大陸性高原氣候特點(diǎn)比較明顯。

研究區(qū)域?yàn)楹勇┑貛В媳本袞|西走向山脈。試驗(yàn)草地土壤類(lèi)型為亞高山草甸土[16]，土層深度35～50 cm，部分區(qū)域土層厚度達(dá)100 cm。土壤pH 7.8，有機(jī)質(zhì)1.81%，全氮0.24%，全磷0.084%，全鹽0.22%，速效氮185.00 mg/kg，速效磷46.37 mg/kg，速效鉀245.60 mg/kg[17]。

1.2 研究方法

根據(jù)試驗(yàn)需求，設(shè)置樣地S1、S2、S3、S4和S5共5個(gè)樣地(圖1)，樣地處理前草地狀況相近，可忽略樣地間的差異。其中，S1為劃破草皮+補(bǔ)播草地，S2為放牧草地(平均7.4羊單位/hm2)，S3為對(duì)照CK，S4為滅鼠丘+補(bǔ)播草地，S5為施尿素150 kg/hm2草地。

圖1 試驗(yàn)樣地分布圖Fig.1 Distribution map of experimental plots

由于受天然草地植物群落組成復(fù)雜、均勻度較差等因素干擾，為了能夠準(zhǔn)確反映各種培育措施對(duì)草地植物群落結(jié)構(gòu)及土壤基本狀況的影響，通過(guò)對(duì)不同培育措施草地進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，以便獲取較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。表1為試驗(yàn)地內(nèi)5個(gè)樣地的位置信息。

草地植物群落野外調(diào)查指標(biāo)為生長(zhǎng)季草地蓋度、草地植被優(yōu)勢(shì)層高度和地上生物量，其中蓋度采用百格針刺法，估測(cè)總蓋度；高度直接測(cè)定樣方附近優(yōu)勢(shì)層植物的高度，計(jì)算平均高度；地上生物量采用干重，測(cè)定時(shí)間為2012年8月和2013年8月，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)取2年平均值。

在每個(gè)樣地測(cè)定生物量的樣方內(nèi)，隨機(jī)用土鉆取0～20 cm、20～40 cm土壤，同深度土壤混合，用“四分法”分取所需土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干，去除較大石塊和牛羊糞便，研磨過(guò)篩，采用重鉻酸鉀外加熱容量法[18]測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量。

表1 試驗(yàn)地定點(diǎn)監(jiān)測(cè)位置信息Table1 The coordinates of experimental plots

2 評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的處理

鑒于草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況影響因素參評(píng)指標(biāo)的多面性，為了在不同指標(biāo)之間進(jìn)行綜合比較，需對(duì)選定的指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。指標(biāo)i的值Xj對(duì)草地健康狀況的功效Cij為：

(1)

式(1)中：Xmin和Xmax分別表示指標(biāo)值中的最小值和最大值。Cij是對(duì)草地狀況評(píng)價(jià)中第i個(gè)單指標(biāo)的歸一化處理結(jié)果，數(shù)值范圍為[0,1][9]。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

草地健康狀況評(píng)價(jià)是一個(gè)多因素綜合評(píng)價(jià)的過(guò)程。需要根據(jù)評(píng)價(jià)草地的特征分析評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各因素的重要程度，確定各指標(biāo)的權(quán)重。為了避免人為因素的形象，使指標(biāo)權(quán)重確定更加具有科學(xué)性，故采用客觀賦值法中的均方差來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重[9]。計(jì)算步驟如下：

(2)

(3)

(4)

式(2)(3)(4)中：Cij為標(biāo)準(zhǔn)化后某項(xiàng)指標(biāo)的值；pj為隨機(jī)變量均值；Qj為隨機(jī)變量均方差；wj為計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)[9,11]。

2.3 草地健康狀況的測(cè)算

根據(jù)選定的指標(biāo)和確定各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，在求出功效函數(shù)值的基礎(chǔ)上，將各指標(biāo)加權(quán)求和，得出草地健康狀況的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體計(jì)算公式如下：

(5)

式(5)：Y為草地綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，數(shù)值范圍為[0,1][9,11]。Y值越大，草地植被長(zhǎng)勢(shì)越好，表示該草地退化程度越低；反之，表示草地退化程度嚴(yán)重。

3 結(jié)果與分析

3.1 草地植被群落特征及其權(quán)重

目前，在天然草地評(píng)價(jià)中，國(guó)內(nèi)采用CVOR綜合指標(biāo)的較多[5,7]，但是該方法并未對(duì)4種指標(biāo)客觀地賦加權(quán)重，為了能夠更加合理客觀地比較草地健康狀況，對(duì)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行客觀賦加權(quán)重以后再進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)很有必要。

根據(jù)對(duì)甘南桑科草原天然草地調(diào)查，8月基本特征數(shù)據(jù)和對(duì)其處理后的權(quán)重見(jiàn)表2。

表2 桑科草原不同培育措施草地群落特征及各指標(biāo)權(quán)重Table2 The community characteristics and its index weight decisions of different management on alpine meadow of Sangkok

注：同行不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)

不同培育措施草地之間植被群落蓋度以S5最大，與其他處理均差異顯著(P<0.05)，S1劃破草皮補(bǔ)播草地和S2放牧草地植被群落蓋度均顯著低于對(duì)照草地S3，S4滅鼠丘+補(bǔ)播草地和S5施肥草地植被群落蓋度均顯著高于S3；S4和S5草地經(jīng)過(guò)培育措施處理，群落優(yōu)勢(shì)層高度顯著高于S3，S2顯著低于S3，S1和S3差異不顯著(P<0.05)；S2、S4、S5的干草產(chǎn)量與S3差異顯著(P<0.05)；S1、S4、S5草地根層土壤有機(jī)質(zhì)含量差異顯著，S2和S5差異顯著(P<0.05)。

3.2 模型對(duì)草地的評(píng)價(jià)

根據(jù)公式(1)，(4)及(5)和表2中各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重對(duì)甘南草地健康評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果表明(圖2)。S4滅鼠丘+補(bǔ)播措施和S5施肥措施對(duì)甘南桑科草原天然草地健康恢復(fù)具有促進(jìn)作用，且S5達(dá)到評(píng)價(jià)指標(biāo)的上限閾值1；S1劃破草皮補(bǔ)播評(píng)價(jià)指數(shù)低于S3，放牧干擾草地S2評(píng)價(jià)指數(shù)極低，接近該模型評(píng)價(jià)指數(shù)的下線閾值0。甘南桑科天然草地對(duì)S5施加氮肥和S2放牧干擾措施的響應(yīng)最為強(qiáng)烈。

圖2 均方差權(quán)值法對(duì)甘南桑科不同培育措施草地評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 The effect of evaluating on alpine meadow under different management by MSD weight decision

4 討論與結(jié)論

不同培育措施對(duì)高寒草地的植物群落結(jié)構(gòu)和初級(jí)生產(chǎn)力等有很明顯的影響。通過(guò)對(duì)甘南桑科草原天然草地實(shí)施劃破草皮+補(bǔ)播、放牧干擾、滅鼠丘+補(bǔ)播、施肥等常見(jiàn)草原培育措施的處理，草地對(duì)各處理間的響應(yīng)各不相同。

草地高度是直接影響草地生產(chǎn)能力的指標(biāo)，表示植物在垂直方向上利用空間的程度。群落中各屬種植物占據(jù)著不同的垂直空間，并以其莖葉和根系在空間排列不同高度和在土壤分布在不同深度，據(jù)此可以在群落中劃分層次。群落的高度反映了植物分布生境對(duì)其生長(zhǎng)的有利程度，也反映著群落初級(jí)生產(chǎn)力強(qiáng)弱。群落中植物的地上生物量是研究群落生產(chǎn)力的首要指標(biāo)。由于草地中各屬種植物對(duì)不同培育措施條件的響應(yīng)效果不同，導(dǎo)致各培育措施下草地的生產(chǎn)力有差異。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中氮、磷及其他營(yíng)養(yǎng)元素的主要來(lái)源，植物根層土壤中有機(jī)質(zhì)的含量與草地植物的生長(zhǎng)狀況息息相關(guān)。

劃破草皮補(bǔ)播和放牧干擾對(duì)草地植被蓋度具有抑制作用，其重要原因是劃破草皮使部分草皮破壞土壤裸露；高強(qiáng)度的放牧干擾導(dǎo)致家畜過(guò)度采食牧草，加之高寒草原天然草地植物再生能力相對(duì)較弱等因素，從而引起植物群落蓋度、生物量等指標(biāo)下降。滅鼠丘+補(bǔ)播和施肥管理草地的植物蓋度和地上干草產(chǎn)量顯著高于對(duì)照草地S3(P<0.05)，說(shuō)明鼠丘在高寒草地是嚴(yán)重影響草地植被蓋度的因素之一，鼠丘土壤填復(fù)后一年生植物或繁殖能力較強(qiáng)的多年生植物一般會(huì)迅速進(jìn)入土壤定居，能夠有效地改善高寒草地覆蓋度；施加氮肥后草地蓋度和產(chǎn)量顯著高于其他草地，說(shuō)明在甘南桑科草原草地土壤中N素含量是制約草地初級(jí)生產(chǎn)力。S2和S3草地植物根層土壤有機(jī)質(zhì)含量低于其他草地，放牧干擾使草地枯落物減少、地表溫度高使有機(jī)質(zhì)分解加快的原因?qū)е拢皇笄鹜寥来蟛糠謥?lái)自于根層土壤以下，該部分土壤有機(jī)質(zhì)含量極低。

利用均方差權(quán)值法用草地植被蓋度(%)、群落優(yōu)勢(shì)層高度(cm)、地上干草產(chǎn)量(kg/hm2)及植物根層土壤有機(jī)質(zhì)含量(g/kg)4個(gè)指標(biāo)對(duì)草地健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)參考，但根據(jù)李輝霞等[3]用累計(jì)方差、各變量因子中的載荷(貢獻(xiàn)率)及變量的公共部分方差用植株高度、植被蓋度和生物量3個(gè)指標(biāo)，對(duì)西藏那曲地區(qū)天然草地退化研究中提出的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在高寒草原退化等級(jí)中將草地退化程度分為4級(jí)[13]：無(wú)明顯退化(>0.86)、輕度退化(0.54～0.86)、中度退化(0.26～0.54)、重度退化(≤0.26)。

通過(guò)對(duì)甘南桑科草原不同培育干擾措施的天然草地進(jìn)行健康評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：S5施肥草地為無(wú)明顯退化草地、S3對(duì)照草地和S4滅鼠丘+補(bǔ)播草地為輕度退化草地、S1劃破草皮+補(bǔ)播草地為輕度退化草地、S2放牧干擾草地為重度退化草地。用均方差權(quán)值法對(duì)草地植物群落蓋度、優(yōu)勢(shì)層高度、干草產(chǎn)量和植物根層土壤有機(jī)質(zhì)含量4項(xiàng)指標(biāo)客觀賦以權(quán)重，評(píng)價(jià)草地健康狀況的方法比CVOR方法在數(shù)據(jù)處理上簡(jiǎn)單易行，人為誤差減少，增強(qiáng)了不同區(qū)域草地之間草地健康狀況的可比性。

[1] 馮永忠，楊改河，王得祥，等.近40年來(lái)江河源區(qū)草地生態(tài)壓力動(dòng)態(tài)分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2009,29(1):492-498.

[2] 中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部.2011年全國(guó)草原監(jiān)測(cè)報(bào)告[N].農(nóng)民日?qǐng)?bào),2012(10).

[3] 趙有益，龍瑞軍，林慧龍，等.草地生態(tài)系統(tǒng)安全及其評(píng)價(jià)研究[J].草業(yè)學(xué)報(bào)，2008,17(2):143-150.

[4] 任繼周.草地資源的屬性、結(jié)構(gòu)與健康評(píng)價(jià)[C]∥第四屆第二次年會(huì)暨學(xué)術(shù)討論會(huì).廈門(mén):1996.

[5] 侯扶江，于應(yīng)文，傅華，等.阿拉善草地健康評(píng)價(jià)的CVOR指數(shù)[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2004,13(4):117-126.

[6] 侯扶江，李廣，常生華.放牧草地健康管理的生理指標(biāo)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2002(08):1049-1053.

[7] 王立新，劉鐘齡，劉華民，等.內(nèi)蒙古典型草原生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2008(2):544-550.

[8] 周立業(yè)，郭德，劉秀梅，等.草地健康及其評(píng)價(jià)體系[J].草原與草坪,2004(4):17-20.

[9] 鄭華偉，王凱，張文秀.四川省耕地利用集約度評(píng)價(jià)及區(qū)域差異特征[J].國(guó)土資源科技管理,2009(4):22-26.

[10] 張淑敏，劉輝，任建蘭.山東省區(qū)域城鄉(xiāng)一體化的定量分析與研究[J].山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,19(3):65-68.

[11] 王聰，朱喜鋼，王富喜.基于均方差權(quán)值法的山東省縣域城鎮(zhèn)化水平評(píng)價(jià)[J].山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009(4).

[12] 王鵬，況福民，鄧育武，等.區(qū)域城鎮(zhèn)化進(jìn)程中土地生態(tài)安全研究—以湘潭市為例[J].湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2013(01):80-85.

[13] 李輝霞，劉淑珍.基于ETM+影像的草地退化評(píng)價(jià)模型研究—以西藏自治區(qū)那曲縣為例[J].中國(guó)沙漠，2007,27(3):412-418.

[14] 丁欣翠.甘南藏區(qū)旅游開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)—以夏河縣桑科草原為例[J].絲綢之路，2013(2):109-110.

[15] 張生楹，陳谷，陳建綱，等.藏北高原高寒草地土壤有效養(yǎng)分含量研究[J].草原與草坪,2012(3):6-10.

[16] 焦婷，常根柱，周學(xué)輝，等.高寒草甸草場(chǎng)不同載畜量下土壤酶與土壤肥力的關(guān)系研究[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2009,18(6):98-104.

[17] 劉秀梅，張榕，豆衛(wèi)，等.紅豆草和紫花苜蓿在高寒牧區(qū)適應(yīng)性研究[J].草原與草坪,2010,30(4):51-54.

[18] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,1981:25-38.

[19] 蘆建國(guó)，杜毅.層次分析法在高速公路綴花草地評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010,34(3):161-164.

Assessment of different managements on alpine meadow based on mean-squared deviation weight decision

DONG Yun-long1,HU Xin-zhen1,CHEN Jian-gang1,SHAO Xin-qing2,ZHANG De-gang1

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China；2.CollegeofAnimalScienceandTechnology,ChinaAgriculturalUniversity)

In multi-indicator synthetic evaluation on rangeland health，the weight of various evaluation index directly influence the result.In order to investigate the reasonable evaluation model for alpine meadow health,the rangeland coverage(%),dominant canopy height(cm),dry matter yield(kg/ha)and soil organic matter content of root zone(g/kg)of alpine meadow under different management were used to evaluate the health status by mean square deviation weights method in eastern edge of Tibetan Plateau.The result indicated that,1) the structure and characteristics of vegetation community were influenced by different management to different degreed;2) the health index of fertilization treatment was the highest and the grazing treatment was the lowest;3) the mean square deviation weights method was suiTableto evaluate the health status of alpine meadow by properly calculating the weights of coverage,dominant canopy height,dry matter yield and organic matter content of root zone soil.

mean-squared deviation weights method;MSD;alpine meadow;rangeland health

2014-04-30；

2015-10-30

國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)“青藏高原社區(qū)畜牧業(yè)”子課題“夏河社區(qū)天然草地保護(hù)與合理利用技術(shù)研究與示范”(210203006)項(xiàng)目資助

董云龍(1987-)，男，甘肅寧縣人，碩士研究生。 E-mail：dong-yunlong@qq.com 張德罡為通訊作者。

S 812

A

1009-5500(2015)06-0046-05