VOR、CVOR指數在寧夏干旱風沙區荒漠草原健康評價中的應用
——以鹽池縣為例

俞鴻千， *， ， ,

(1. 寧夏農林科學院荒漠化治理研究所， 寧夏 銀川750001； 2.寧夏防沙治沙與水土保持重點實驗室， 寧夏 銀川 750001； 3. 萊布尼茨大學, 漢諾威 德國30167)

草地是我國面積最大的陸地生態系統，不僅肩負著國家綠色生態屏障的作用，還是我國放牧性草地畜牧業的主體，我國共有草地面積392萬km2，占國土面積的41.7%[1]。目前，國內草地生態系統評價多集中于放牧草地[2-3]、高寒草地等[4]，研究多側重于生態系統服務價值評估[5-6]、土壤質量評價[7]、群落結構及多樣性和穩定性評價[8-9]、土壤微生物變化等領域，而對荒漠草原的健康狀況綜合評價的研究較少。

寧夏是我國主要牧業省區之一，也是我國北方長城沿線干旱風沙區和農牧交錯區的重要組成部分。干旱風沙區荒漠草原占寧夏草原面積的59.06%，是寧夏草地畜牧業的主要載體。上世紀80年代以來，因過度放牧、草原開墾等原因，寧夏草地面積和質量大幅度下降，以荒漠草原典型縣鹽池縣為例，1985年荒漠草原面積37.97萬hm2、占鹽池縣土地面積的45.34%，2000年降至34.63萬hm2，占鹽池縣土地面積的41.34%。2003年以國家退耕還林、退牧還草政策為契機，寧夏實施了全省域禁牧，草地面積和質量得到了一定程度的恢復，但當前草地生態系統健康狀況尚不明確。

VOR綜合指數模型是基于活力(vigor, V)、組織力(organization, O)和恢復力(resilience, R)構建，用來評價草地生態系統健康情況的綜合指數[10]。活力指草地生態系統從太陽能獲取能量，轉化為物質生產與能量的流通速率，主要表現在草地凈初級生產力等方面[11]；組織力指草地生態系統通過結構優化實現功能優化的能力，主要表現在植物群落結構方面[12]；恢復力指生態系統維持自身結構、功能和行為穩定的能力，也可表現為草地生態系統對極端天氣、突發蟲害等干擾的抵抗力[13]。然而，VOR綜合指數只考慮到草地生態系統內植物層的情況，土壤作為草地物質和能量交換的物質基礎與發生地，未被納入到健康評價中。2000年，任繼周等[11]以草業系統界面論為依據，將草地基況(condition, C)納入到VOR綜合評價指數中，提出生態系統健康評價CVOR的概念，從物流和能流角度，更全面的評價草地健康狀況[15-16]。

綜上所述，本研究通過調查鹽池縣荒漠草原植物群落的蓋度、高度、密度、頻度、生物量與土壤有機質含量等，計算植物群落多樣性、優勢度、豐富度和均勻度，揭示天然草地植物群落現狀，并利用VOR和CVOR綜合指數對草地生態系統健康狀況進行準確定量的評價，以期對鹽池縣退化草地恢復和治理提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

鹽池縣位于陜甘寧蒙四省(區)交界處，地理坐標106°30′～107°46′E，37°4′～38°10′N，地貌由南向北呈現為南部黃土丘陵東北緣、中北部鄂爾多斯緩坡，屬典型中溫帶大陸性氣候，地帶性植被為溫性荒漠草原。年均溫7.7℃，年均降水量295.1 mm，7—9月占全年降水的62%，年蒸發量2 026.1 mm，無霜期128天。土壤以灰鈣土、風沙土為主。草地植物科屬組成有禾本科46種，占13.90%；菊科39種，占11.80%；豆科36種，占10.90%；藜科24種，占7.30%。以上4科145種植物占總數的43.8%。全縣共有天然草場835.40萬畝，占全縣土地總面積的64.30%[17]。

1.2 研究方法

1.2.1監測點設置及試驗數據采集 根據寧夏回族自治區草原站80年代對全區草地資源普查的數據，鹽池縣地處中部草原區過渡帶且植物群落變化性強，北部草地沙生植物多、中部草地旱生植物多、南部草地中旱生植物多，優勢種主要為甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)、黑沙蒿(ArtemisiaordosicaKrasch.)、長芒草(StipabungeanaTrin.)、冰草(AgropyroncristatumL.Gaertn)、老瓜頭(CynanchumkomaroviiAl. Iljinski)、苦豆子(SophoraalopecuroidesL.)、白草(PennisetumcentrasiaticumTzvel.)、刺葉柄棘豆(OxytropisaciphyllaLedeb.)、檸條錦雞兒(CaraganakorshinskiiKom.)。依據不同的優勢種在鹽池縣各鄉鎮設置9個監測點(表1)，每個監測點設置3個1 m×1 m的樣方(灌木樣方10 m×10 m)，各樣方距離50米以上，2016—2017年8月進行集中調查。對各樣方內植物分種測量蓋度(針刺法)、密度、高度、頻度(樣圓法)和地上生物量(干重)。土壤樣品采用環刀法，每個樣方分層取0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土壤樣品，各監測點3個樣方的混合樣測量土壤有機質含量。

1.2.2物種多樣性計算 物種的多樣性測定選用物種多樣性指數(Patrick index，S)、優勢度指數(Simpson index，D)、豐富度指數(Shannon-Wiener index，H’)和均勻度指數(Alatalo index，Ea)[18-19]。

多樣性指數S記為監測點出現的物種數。

豐富度指數H’的計算公式為：H’= -∑PilnPi

式中Pi=Ni/N，Ni為植物種i的個體數量，N為監測點植物個體總數。

表1 監測點基本情況Table 1 Experiment plot conditions

1.2.3VOR、CVOR綜合指數模型 基況，用土壤有機碳含量(soil organic carbon，SOC)作為基況的評判指標，即C=SOCx/ SOCck。其中，SOCx為監測點土壤有機碳含量(可以用土壤有機質含量計算，即SOC=土壤有機質含量/1.724)，SOCck為對照。

活力，用植物地上生物量進行測算，V=Bx/Bck，其中Bx為監測點樣方植物群落地上生物量，Bck為對照。

組織力，用植物群落物種頻度、高度和生物量進行測算，O=Ox/Ock，其中Ox=∑[(Fi+Bi+Hi)/3]，式中Fi=fi/f為相對頻度，fi為監測點植物種i的頻度，f為監測點頻度測量總數；Bi=bi/b為相對地上生物量，bi為監測點樣方內植物種i的地上生物量，b為監測點樣方內植物總地上生物量；Hi=hi/himax為相對高度，hi為監測點植物種i的平均高度，himax為hi中的最大值。Ock為對照。

恢復力，用各監測點可代表恢復程度物種和表示退化程度物種的數量和地上生物量測算，R =(Bg/Bgck)/(Bd/Bdck)，其中Bg為監測點樣方內代表恢復程

度物種的地上生物量，Bgck為對照，Bd為監測點樣方內代表退化程度物種的地上生物量，Bdck為對照[20]。

計算各單項指數時，選擇各監測點平均值為對照。

VOR綜合指數計算模型為：VOR=WV×V+ WO×O+WR×R，其中WV、WO、WR為單項指數V、O、R的權重系數，反應各單項因素的重要性，同時避免或減輕由于數據背景不確定性、自然的空間不均勻性或時間波動性造成的結果誤差。本研究中因取樣背景清晰，故取值WV=WO=WR=1/3。VOR∈[0，1]，如VOR>1，則取1。

COVR綜合指數計算模型為：CVOR=C×VOR。CVOR∈[0，1]，如CVOR>1，則取1。

計算VOR和CVOR綜合指數時，各單項指數C、V、O、R∈[0，1]，其值大于1時均取值為1[21-23]。

1.3 草地生態系統健康等級的劃分

利用四分法將生態系統健康狀態指數劃分為4個不同等級(表2)[24]，據此來評價草地生態系統健康狀況。

表2 草地生態系統健康指數及健康等級Table 2 Index and rank of grassland health evaluation

1.4 數據分析

采用Excel 2016和SAS 8.02軟件進行數據處理和統計分析，采用OriginPro 7.5軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 草地植物群落多樣性

由北向南分布的監測點YC1至YC9的Partrick多樣性指數表現為南部優于北部，YC2和YC3最小同為20，YC8最高為38(圖1a)。各監測點Simpson優勢度指數(圖1b)和Shannon-Wiener豐富度指數(圖1c)均表現出顯著差異(P<0.05)，YC1顯著低于其他各點。各監測點Alatalo均勻度指數(圖1d)有顯著差異(P<0.05)。

2.2 草地綜合評價指數之間的相互關系

鹽池天然草地基況指數和組織力指數呈極顯著正相關關系(P<0.01)，相關系數為0.7077。VOR指數與基況指數、活力指數、組織力指數、恢復力指數的相關系數分別為0.1169、0.2703、0.2399和0.9143，且與恢復力指數為極顯著正相關(P<0.01)。CVOR指數與基況指數、活力指數、組織力指數、恢復力指數、VOR指數的相關系數分別為0.7104、0.0228、0.6352、0.6992和0.7440，且與基況指數、組織力指數、恢復力指數為極顯著正相關(P<0.01)，與VOR指數為顯著正相關(P<0.05)。

圖1 監測點物種多樣性指數Fig.1 The plant diversity indexes of experiment plots注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Note：Different lowercase letter indicate significant difference at the 0.05 level

表3 草地綜合評價指數的相關分析Table 3 The correlation coefficients between health indices

注：**表示P<0.01水平差異顯著，*表示P<0.05水平差異顯著

Notes: **means significant correlation at the 0.01 level, *means significant correlation at the 0.05 level

2.3 天然草地綜合評價模型各單項指數

圖2為各監測點綜合評價模型的單項指數，可知各監測點的基況指數C(圖2a)之間差異極顯著(P<0.01)，YC9最大為1.85，極顯著大于其他各點，YC8次大。活力指數V(圖2b)表現為YC3極顯著高于其他監測點(P<0.01)，為2.72。各監測點的組織力指數O(圖2c)之間差異極顯著(P<0.01)，YC8最大為1.30。恢復力指數R(圖2d)表現為YC4極顯著高于其他各監測點(P<0.01)，為4.15。

圖2 評價模型各單項指數Fig.2 The single index of VOR and CVOR health evaluation models注：不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)Note：Different capital letter indicate significant difference at the 0.01 level

2.4 鹽池縣天然草地VOR指數和CVOR指數的評價

根據天然草地評價系統健康等級(表2)及鹽池縣天然草地VOR、CVOR綜合指數(表4)可以看出，通過VOR指數和CVOR指數評價草地生態系統健康程度有所差異。以VOR指數評價時，監測點YC1、YC2的健康等級為“不健康”，監測點YC3～YC9的健康等級為“健康”。以CVOR指數評價時，監測點YC1、YC2的健康等級為“警戒”，監測點YC3～YC9為“健康”。

表4 天然草地VOR、CVOR綜合指數Table 4 The VOR and CVOR index of experiment plots

3 討論與結論

本研究所選監測點YC1至YC9由北至南依次分布在鹽池縣各鄉鎮，包含了鹽池縣天然荒漠草原主要建群種，植物群落Patrick多樣性指數、Simpson優勢度指數、Shannon-Wiener豐富度指數和Alatalon均勻度指數可以反映草地資源現狀。各監測點Patrick多樣性指數均超過20，其中南部YC8和YC9超過30。Simpson優勢度和Shannon-Wiener豐富度表現較一致，均為YC6最高。各監測點Alatalon均勻度指數在0.5763～0.7578之間，各監測點植物群落均勻度較接近。

用VOR指數和CVOR指數評價草地生態系統健康等級時表現出一定的差異，VOR指數評價北部監測點YC1和YC2的健康等級為“不健康”，而CVOR指數評價的健康等級為“警戒”。其差異性一方面是因為草地基況對草地生態系統的重要性，根據C、V、O、R各單項指數與VOR、CVOR指數相關性表明，指數C與CVOR指數有極顯著正相關關系(P<0.01)，當草地基況C較低時，CVOR指數隨之減小。另一方面，草地土壤變化較為遲緩，和植物的變化相比有一定的滯后性[25]，CVOR指數考慮到“土”和“草”的相互作用，將草地生態系統本底界面作為評價因素，這種滯后性導致了兩種評價指數差異。

值得關注的是，監測點YC1為國家草地監測點，其Simpson優勢度和Shannon-Wiener豐富度均顯著低于其他監測點(P<0.05)，以VOR指數評價為“不健康”等級，以CVOR指數評價為“警戒”等級，健康等級比其他監測點差。說明在未受放牧、開墾等人為干擾的自然條件下恢復的草地結構較為簡單、均勻度好、處于穩定階段，但其植物種類較少、結構單一。其組織力指數和恢復力指數均為最低，說明對于自然災害或人為干擾的抵抗力不強，當外界干擾超出生態系統自身承受能力時，易造成生態系統的崩潰[25]。外界干擾對草地植被的影響體現在草地植被群落的演替過程中，適時、適當的放牧能夠促進草地植被更新，家畜采食、踩踏、排泄等活動對天然草地的影響，在一定程度上有利于草地生態系統的健康發展[26-28]。對于一個健康的草地生態系統，應該是在對外有較強的抵抗力，對內有較強的恢復力，即為生態系統結構穩定的結果[29-31]。

VOR指數和CVOR指數均能有效反應鹽池縣天然草地的健康狀況，CVOR指數更能反應草地基況對草地健康狀況的影響作用，尤其在脆弱的生態系統內影響更甚。鹽池縣中部和南部荒漠草原恢復情況良好，生態系統表現為“健康”狀態，北部荒漠草原生態系統健康狀況不容樂觀，表現為“不健康”甚至“警戒”狀態。退化草地的恢復、治理和利用，全縣畜牧業發展，以及二者的平衡點值得我們進一步去研究。