參照點位法下的參照狀態在草原生態系統損害基線判定中的應用分析

李嘉珣,曹飛飛,汪銘一,吳 鋼,*

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

近年來,隨著人類活動的增加和城鎮化的擴張,生態環境損害事件時有發生,導致生態系統結構和功能遭到破壞、生態系統服務降低[1]。如何對生態環境損害事件進行科學評估是解決生態環境賠償案件的有效依據[2]。生態損害原因各異,損害形式多樣,損害過程復雜,而生態環境損害基線的判定是確定損害形式、過程的重要前提和關鍵環節[3]。生態環境損害基線(以下簡稱“損害基線”),是指生態破壞行為發生前,受影響區域內物理、化學或生物特性及其生態系統服務的狀態或水平[4]。損害基線是生態損害評估的基礎和開端,是判斷生態損害事件發生的依據,也是確定損害時空范圍、損害程度、修復難度的重要指標,更是確定損害賠償數額的參考依據[5- 6]。目前損害基線的判定尚無統一標準和規范,主流的判斷基線方法包括：參照點位法、歷史數據法、環境標準法和模型法。他們確定基線的原理均是尋找時間或空間范圍內未受到破壞的生態狀態作為基準值或目標修復值,再與現有生態狀態進行比較,兩者差值即作為損害程度。參照點位法憑借其完整性、可重復性、靈活性等優勢被廣泛應用于土壤研究、魚群繁衍、水質測評等方面,是目前應用最廣泛的判定方法[7- 8]。但相同區域內不同參照點位的選擇會帶來不同的參照狀態,進而造成結果的差異,如何科學的選擇最準確的參照狀態,成為參照點位法在損害基線判定中的重點和難點。目前草原區的參照狀態鮮有研究,本文對錫林郭勒盟錫林浩特典型草原區進行研究分析,旨在找出不同區域草原合適的參照狀態,進而為草原區損害基線的判斷提供科學方法和案例分析。

1 理論基礎

參照點位法是從一組生境類似、可用以比較的參照點位中選擇未受干擾的區域作為參照區,利用該區域的歷史數據或實驗數據與評價區進行比較的方法[9]。參照狀態是指一定區域內受人類活動干擾最少或影響程度最小的狀態,通過與環境現狀對比,用以評估人類活動對自然環境的影響[10- 11]。參照狀態是參照點位法中參考點的最優生態狀態,是驗證參照點位法在損害基線應用中科學性的重要手段。若無參照狀態很難確定區域內隨時間變化而改變的生態狀態及受人類干擾的程度,參照狀態的選擇將對基線的選定起到重大影響[12]。在任何時間段的任何點位上的參照狀態均呈現出一系列的生物屬性,而這些屬性隨著氣候和自然的變化而改變。由于研究者角度、研究目的和區域可獲數據的不同,參照狀態中所呈現出來的最佳狀態也不同。國內外學者把參照狀態分為四類[12- 13]：

極小干擾狀態(Minimally Disturbed Condition,MDC)：用以描述區域沒有顯著人類干擾的狀態。極小干擾狀態是自然環境下最優的狀態,這種狀態雖然受到氣候和地質變化的影響,但最大限度地保留了當地的生物完整性,該狀態下的每個樣點的生態指標值雖然不同,但差距較小,波動較低。盡管人類足跡未至區域目前已經不多,但在人類已至區域中并沒有受到人類干擾的情況下(比如自然保護區)的生態狀態可以被稱為MDC。該狀態常出現在熱帶雨林、保存完好的森林和草原深處、濕地和沙漠地區。

歷史狀態(Historical Condition,HC)：用以描述區域內歷史某一時點的狀態。由于跨度長、調查方法和實驗技術的改進,相同地點的歷史狀態也會隨著時間變化而變化。樣點通常選擇沒有進行過城市化、工業化和農業集約化的地區,同時區域內的水文、地質和生態沒有發生大的改變。

最低干擾狀態(Least Disturbed Condition,LDC)：用以描述現階段區域內受到干擾最低、各項指標最佳的狀態。由于人類活動和指標選擇的影響,最低干擾狀態的指標值呈現出區域差異值,并且根據人類干擾程度顯現變好或者變壞的趨勢。在一定范圍內,即使有人類干擾,但某一特定區域生態暴露風險和受干擾程度明顯小于周邊區域,那么在該區域內的生態狀態也可以被稱為LDC。該狀態常出現于河流的上游、未有養殖和航道的淡水區、未過度放牧的草原區、海拔較高的山區等。

圖1 參照狀態的4種狀態示意圖 Fig.1 Diagrammatic sketch of 4 conditions of reference conditionMDC：極小干擾狀態 Minimally Disturbed Condition ；HC：歷史狀態 Historical Condition ；LDC：最低干擾狀態 Least Disturbed Condition；BAC：最佳可獲得狀態 Best Attainable Condition

最佳可獲得狀態(Best Attainable Condition,BAC)：用以描述在環境治理或管理下區域達到的最佳狀態。由于最佳可獲得狀態是在最佳管理目標、先進的修復技術下可達到的理論狀態,所以又稱期望狀態。該狀態取決于人類活動對區域的干擾狀態,但其不會優于極小干擾狀態,也不會低于最低干擾狀態,常出現于城市化和工業化程度較高、經濟較發達的生態治理區域。

一個區域最開始的狀態是MDC,自然結構穩定,生態功能齊全,由于自然或者人為干擾,生態系統向著不穩定的方向發展(圖1)。當干擾程度超過一定閾值時,生態系統在結構和功能等方面將表現出受損癥狀,此時的參照狀態是LDC,且LDC

2 研究區域

圖2 研究區位置圖Fig.2 Location map of study area

本文研究區域選擇在錫林郭勒盟錫林浩特市范圍內(圖2)。錫林浩特位于內蒙古自治區錫林郭勒大草原中部,地理坐標為北緯43°02′—44°52′,東經115°18′—117°06′。錫林浩特處于中溫帶半干旱大陸性季風氣候區,年平均氣溫0—3℃,平均日照2877 h,年平均降水量300 mm,降水多集中在6—8月份,結冰期長達5個月,為華北最冷的地區之一。錫林浩特市自然資源豐富,草原種類齊全,以典型草原為主體,同時兼有草甸草原和荒漠草原,天然草場面積1378666.7 hm2。典型草原多由旱生的多年生草本植物所組成,區域內建群種為大針茅(Stipagrandis)、羊草(Leymuschinensis)和克氏針茅(Stipakrylovii),優勢種主要有糙隱子草(Clesistogenessquarosa)、線葉菊(Filifoliumsibiricum)、小葉錦雞兒(CaraganamicrophyllaLam)等。錫林浩特地區土壤類型主要以栗鈣土為主,兼有草甸栗鈣土、草甸土、黑鈣土、暗栗鈣土、鹽堿化土等,土壤質地多為輕質壤土,通氣狀況良好。區域內資源豐富,探明煤炭儲量233億t,主要礦種有錫、銅、銀、鋅等。

2.1 參照狀態確定的原則及方法

樣點區與評價區選擇盡可能相似的生境狀態。對于草原區損害基線的判定,應遵循以下原則：1)樣點區與評價區距離相近原則；2)自然背景值相似原則；3)人為干擾方式、程度類似原則；4)采集方法與數據獲取方法相似原則。

依照以上原則,本文建立一套篩選樣點的指標體系(表1),并按照參照點位法中群體分布法的標準確定基線[14],該方法是選擇每個樣點指標頻數分布的前25%的值作為基線值。本文通過對近40年的文獻梳理,篩選出符合條件的植物樣方樣點211個,土壤樣方點位238個,將樣點數據歸為不同狀態,再選取各樣點植被狀態指標、土壤養分指標正序的75分位值(最高值的75%)和土壤重金屬指標正序的25分位值(最低值的25%)作為各狀態的基線值。樣方面積均為1m×1m,樣方植被指標主要通過人工觀測記錄,樣方土壤均取自0—10cm土層,各指標值取回實驗室測定。

表1 樣點指標篩選體系

2.2 評價區和樣點選擇

評價區選擇錫林郭勒盟勝利礦區(2002),勝利露天礦位于錫林浩特市東北部4 km,總體規劃建設兩期工程。一期工程于2004年開工,對露天煤礦進行改擴建,配套建設礦區鐵路和非煤產產業。評價區樣點選擇在改擴建前的礦區周邊的草原,景觀基底為草原,占評價區面積的81%,農田、城鎮、工礦業用地較少[15]。植被類型為典型草原,大針茅草原處于絕對優勢,植物組成有克氏針茅、大針茅、糙隱子草、冷蒿、羊草等。評價區土壤樣點提取于煤礦改擴建前,土壤類型以栗鈣土,草甸土為主,由于草場退化,形成沙化、礫石化栗鈣土,有機質含量較低。

MDC樣點選擇了毛登牧場(2013)和白音錫勒牧場(1979,1982,1984,2002)。毛登牧場位于錫林浩特東37公里,是我國溫帶典型草原區的代表區域[16]。該區域建群種為大針茅和羊草,優勢種為知母、糙隱子草。樣點選擇未受放牧、刈割、工礦業、城市化擴張等影響,保留原始生態狀態。白音錫勒牧場位于錫林浩特東南部,屬錫林郭勒高端低山丘陵區的邊緣部分,該牧場自1982年圍欄禁牧,是目前文獻中最早記載錫林浩特草原樣點信息的地方,樣點為非農田用地,除了少量嚙齒類動物和昆蟲活動外,無人為干擾,樣點采集年份無干旱(SPI指數無旱),優勢種有大針茅、羊草、克氏針茅、糙隱子草等,優質種科屬與歷年資料保持一致,保留典型草原原始狀態[17- 19]。土壤采樣點選擇在白音錫勒牧場(1984)和草原生態系統定位站(1997),除上游高地和高臺地外,幾乎全被栗鈣土所占據[20],無人為干擾,可歸為極輕度無退化等級[21]。此外,選取了該地區典型草原土壤本底值作為極小干擾狀態樣本[15,22]。

HC樣點主要借助于不同歷史時期區域內的描述數據。除去干旱年份(1986,1997,2001,2005,2007),結合數據有效性,選擇樣點的地點在白音錫勒牧場(1983),錫林浩特市(2006—2008,2010—2011),毛登牧場(2012),和道蘭陶拉蓋(2013),草原類型均為典型草原[23-26]。土壤樣點選擇在草原生態系統定位站(1997)[27],錫林浩特典型草原區(2006—2011)[28- 29]和白音錫勒牧場(2005)[20]。

LDC樣點位于白音錫勒牧場(2006)和錫林浩特東40km的典型草原中心區域樣地(2010)[29- 30]。自1984年起,錫盟推出牧場“雙權一制”政策,將全盟可利用草原面積95%的草場劃分到戶,錫盟超載過牧現象嚴重,導致草原退化嚴重。自2002年起,錫盟實行了“圍封禁牧,劃區輪牧”政策,草原退化、沙化趨勢得到了有效遏制,但草原區生態狀態不如20世紀末期。本文LDC樣點采集時間均在2000年以后,在當時均為圍封時間較長,未有放牧、刈割及其他人類活動干擾的區域,是當時受到干擾最少的區域。土壤采樣區選擇在白音錫勒牧場(2002,2008,2011)[31-32],和勝利礦區外圍10km處(2014)[33],均為典型草原栗鈣土為主。

BAC樣點選擇在白音錫勒牧場(2002—2007)[23,34]、毛登牧場(2012)[24]勝利礦復墾區和錫林浩特北部地區(2010—2013)[35],白音錫勒牧場改良措施包括圍欄封育、耙地松土等措施,并從1983年起,樣點沒有進行任何方式的利用。毛登牧場改良措施包括切根、施肥、灌溉等。錫林浩特北部樣點采取圍欄、禁牧、休牧等措施。由于實施了恢復改良措施,樣地內呈現不同的群落演替狀態,有一、二年生雜類草向多年生雜類草和叢生禾草過渡,樣地內草原高度、蓋度、多樣性均與周圍未實施恢復措施的草原呈現明顯不同。隨著恢復措施的加強和年限的增加,退化草原將逐漸呈現像天然草原方向進化的趨勢。土壤樣地選擇在白音錫勒牧場(2002)和勝利礦區排土場覆土種植區(2010)[22,32-33],對土壤的整治措施主要包括：適度放牧、人工覆土、邊坡再造、人工種植等。

3 結果

通過對樣點的篩選和計算,形成了錫林浩特市典型草原各參照狀態下植被狀態基線和土壤狀態基線(表2,表3)。

表2 錫林浩特市典型草原植被狀態基線

MDC：極小干擾狀態 Minimally Disturbed Condition ；HC：歷史狀態 Historical Condition ；LDC：最低干擾狀態 Least Disturbed Condition；BAC：最佳可獲得狀態 Best Attainable Condition

表3 錫林浩特市典型草原土壤狀態基線

NA為未測定

植被方面,評價區植被狀態與LDC最為接近,高度、蓋度、生物量均在LDC的區間中。MDC的植被高度、蓋度、地上生物量均處于較高水平,物種豐富,生態結構穩定,是區域內原生的最佳狀態。HC的各項指標均較低,樣地采集區受到干擾程度比較大,導致其生態狀態不佳。LDC的高度和蓋度介于MDC和HC之間,但生物量的極差較大,且地上生物量最高值高于MDC的。除了地上生物量最高值外,BAC的各項指標介于MDC和LDC。土壤養分方面,評價區土質沙化現象明顯,有機質、全氮和全磷含量均較低,養分指標與LDC指標相近。MDC所處地區有適度放牧和人工施肥,土壤肥力高,pH值最高,有機質含量最高,全氮、全磷均保持較高水平。LDC有機質含量小于HC含量,間接驗證了目前錫盟草原整體處于退化趨勢[36]。土壤重金屬方面,MDC的銅、鉛、鉻水平最低,而受到礦業活動干擾的LDC,除鉛外,其余指標均處于最大值。經過生態治理和土壤修復后BAC的重金屬含量略低于LDC,而HC的各項狀態處于中間水平。草原區4種生態狀態所確定的基線水平與其他生態系統的所測定的基本一致[37]。

4 討論

對草原區植被而言,植物群落高度、蓋度和生物量是能夠綜合反映草原生態環境質量好壞最直接的指標。物種之間生物量相差較大,若樣方內建群種或優勢種不一致,將會導致生物量的失真[38]。所以在基線判定中首先應該確定區域內建群種或優勢種,再進行測定。由于樣方調查中高度、蓋度均憑借人為判斷,具有較強主觀性,無法做到十分精確,因此基線確定不應是某個確定的數值,應以劃定范圍為準,范圍控制在10%內為宜。此外,由于草原退化,某些優勢種變成消退種,而某些單株個體較大、生物量大的物種變成增強種,這樣造成草原退化而地上生物量增加的現象。在LDC樣點中,出現了草原退化的標志物種——披針葉黃華和狼毒大戟,這兩種植物單株株體大,造成樣點內整體生物量增大,但草原出現了退化跡象[39]。由于草原植被生長的周期性,采樣時間對于植被生物量的影響巨大,一般采取一年中植被生長最好的時間(8月)進行生物量的測定和基線確定。

對草原區土壤而言,土壤成分因時間和空間選擇的不同而存在差異,營養成分時間差異較大,重金屬含量空間差異較大,對于基線的判定產生較大影響。土壤有機質含量取決于土壤形成的條件(如微生物、溫度、動植物)以及人類活動的影響。不同的放牧條件下,BAC和LDC的土壤營養成分出現較大波動[40]。經過適當放牧和土壤改良后的BAC某些指標強于未經人工恢復的LDC,甚至強于原始狀態MDC,但過度放牧將會導致植被減少,進而導致土壤有機含量下降。此外,草原區的植被恢復通常引進固碳能力強、耐瘠薄的外來種[41],造成區域內優勢種的變化,進而影響基線的判定。對土壤營養成分的篩選,需要對人工恢復措施進行變量實驗。不同樣點內,重金屬成分波動較大,靠近人類活動的地區重金屬含量普遍較高,且重金屬有累積效應,導致LDC下的重金屬含量顯著高于其他狀態。為了提高基線判定的科學性,應采取如下措施：(1)增加土壤樣點采集數量,避免出現極值所帶來的數據偏差；(2)降水量差異可能導致土壤微生物群落結構發生變化[42],使土壤養分發生變化,因此,樣點應避免極旱、澇年份采集；(3)工礦業的活動容易造成重金屬的超標,造成整體數據偏高,所以樣點應避免在河流中下游、電廠及煤炭開采區采集；(4)若地區土壤背景值有相關重金屬的數據,可以選擇其作為基線判定依據。

在草原區基線判定的具體操作過程中,不同草原區自然生境、人類干擾程度存在差異,四種狀態的選擇對基線判定將產生較大影響。一般而言,MDC是損害基線的最優選擇,但在所有草原區以其為判定標準存在諸多困難。首先,草原受到降水影響較大,草原種類分布與降水分布呈現非常強的相關性[43],降水對草原有漸變性和波動性影響,同一片區域的優勢種和建群種由降水周期的改變而改變,對一個區域進行判定時,即使無人為干擾,也很難根據植被類型確定該區域就是歷史上受到干擾程度最小的狀態；其次,草原包括草甸草原、典型草原、荒漠草原等多種類型,并且內陸草原存在著由草甸草原向荒漠退化的過程[44],若選擇的區域是典型草原或者荒漠草原,很難確定該區域原始的草原狀態,進而無法判斷該區域是否是極小的干擾狀態。HC能夠較好地反映區域環境的變化情況,但該狀態同樣不宜作為所有草原基線的狀態。首先,歷史狀態有效性程度取決于基礎數據的完整性。在生態損害發生前,很少有科研機構或個人對該區域進行長時間的監測,草原區生境狀態資料匱乏；其次,歷史研究通常不是以生態環境損害為目的的研究,草原區所獲得的歷史數據常用于研究植被特征、物種演化、群落穩定性等特征,導致歷史數據很難滿足損害基線定量化的要求[45]；再次,由于研究介質和對象的自然可變性,同一區域的草原可能發生退化,植物群落、土壤性狀發生改變,導致在確定基線時出現偏差。對于草原生態自然保護區、觀測研究站等附近的草場,由于有連續的基礎數據,加之保護力度強、人為干擾少,草原生境變化少,宜采用MDC和HC作為基線標準。

在草原露天礦復墾區、生態實驗站等附近的草場,宜采用BAC作為基線標準。以勝利礦區為例,復墾區土壤中嚴重缺乏有機質、氮、磷,經大量補充改良土壤后,引進羊草、冰草、高羊茅等耐旱耐寒植被,并增加截流、保邊護底、固土、圍欄等措施,植被有所恢復。礦區活動(剝離、采礦、運輸)離復墾區較遠,不會對其造成影響。由于在修復區域有對損害過程中實現持續的監測和檢驗[46],可在不同空間尺度(Spatial Scales)和時間尺度(Temporal Scales)實現評價指標體系的標準化,因此BAC可以作為復墾區及周圍草原的基線標準。對于剩余的大部分草原地區而言,由于實驗的可重復性、指標選擇的靈活性都較強,因此宜選擇目前受干擾程度最低的狀態作為基線判定的標準。在操作過程中,應先對區域內的風險源進行篩選,對干擾程度進行等級劃分,選擇綜合干擾程度最低的區域進行樣點采集。此外,由于生態損害及修復是一個動態的過程,未來可以將LDC和BAC相結合,建立一套動態的基線標準,形成完整的從損害發生到修復治理的參照狀態,以期全方位對損害事件進行評估。

5 結論

本文以草原區生態環境損害基線確定為出發點,系統總結了參照點位法所形成的4種參照狀態,并對4種狀態在草原區的利用進行詳盡的分析和討論。以錫林浩特典型草原為例,利用文獻數據對勝利礦區周邊草場進行參照狀態的劃分,并計算出該地區4種狀態下的基線。在此基礎上,討論了目前4種狀態在草原區應用存在的問題和解決方法,并提出4種狀態應用范圍和順序,可根據草原區實際情況采用不同狀態來確定基線。如果未受人類活動干擾,推薦使用極小干擾狀態；如果有詳盡的歷史資料和數據,推薦使用歷史狀態；草原生態自然保護區、觀測研究站等附近的草場適合選擇以上兩種狀態作為基線。在大部分草原地區,如果可以根據要求進行實地樣點采集和分析,推薦使用最小干擾狀態；如果經過人工治理措施和科學管理,如在草原露天礦復墾區、生態實驗站等附近的草原,推薦使用最佳可獲得狀態。本文驗證的草原參照狀態符合中國北方草原區現狀,可為中國草原損害評估提供科學指導,也為制定草原損害基線提供理論依據和數據支持,具有較強的應用價值。