内蒙古高原典型草原生态系统健康评价和退化分级研究，本文主要内容关键词为：内蒙古论文,高原论文,生态系统论文,草原论文,典型论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
内蒙古草原作为我国北方和京津地区最大的天然绿色屏障，承载着内蒙古地区畜牧业经济的发展。但是，随着近年来人们对草原超负荷的利用，过度放牧以及不合理的管理模式，突破了草原生态系统健康阈值，使其生产力下降，草原植被群落发生逆向演替，已造成我国北方广大草原生态系统功能的全面受损。
生态系统健康评价作为生态学热点研究领域之一，备受国内外学者的关注，提出了一系列针对不同生态系统的评价指标体系(Rapport、侯扶江、王立新等文献)[1-2，13]。而目前得到广泛认可和推广应用的是1999年被国际生态系统健康大会接受为生态系统健康诊断指标，即Vigor(活力)、Organization(组织力)、Resilience(恢复力)生态系统健康阈值的综合指数[3]。文中基于课题组草地植被退化演替的进程与诊断(王炜、刘钟龄(1998)文献)[4]，以不同生态系统状态下植物群落活力和恢复力指数为定量指标，通过对内蒙古高原典型草原生态系统健康水平和群落退化程度的诊断和定量评价以期为我国草原区生态系统评估和管理提供简易、可行的基础数据和参比指标。
图1 采样点位图
Fig.1 The map of sample plots
1 研究区概况与数据获取
研究区域位于锡林郭勒高原和呼伦贝尔高原典型草原区，根据不同的退化演替状况和群落植被组成情况，随机选取19个调查点位(图1)。因研究区是内蒙古高原典型畜牧业经济区，土地利用方式以放牧为主，个别区域兼具打草场，代表性群落类型是在长期牧压下的大针茅(Stipa grandis)+羊草(Leymus chinensis)群落，其他的优势种还有克氏针茅(Stipa Krylovii)、冷蒿(Artemisia frigida)和糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)等。土壤类型主要为暗栗钙土和栗钙土。研究区雨热同期[5]。采样点位的基本情况(表1)。
植物群落调查是在2008年7月中下旬至8月初植物长势较好的生长季进行，每个调查样地随机选取5个1m×1m的样方进行测定，测定指标分别为植物营养苗高度、生殖苗高度、株/丛数、生物量，其中生物量采用刈割法测定其鲜重，然后烘干至恒重后测定其干重。
数据统计分析与处理是在SPSS 15.0软件中完成。
2 研究方法
2.1 典型草原生态系统健康评价指标的选择
羊草+大针茅草因过度放牧而形成的以冷蒿为主要优势种的退化群落变型[6]，在恢复演替过程中，优势种由原生生态系统的羊草、大针茅逐渐被退化生态系统的冷蒿、糙隐子草所代替，并且在衡量生态系统健康的评价指标(活力、组织力和恢复力)大小上也不同程度的反映出来[7，8]。因此，根据优势种的成分和地上生物量的高低划分等级[9]，来对调查样地不同群落作出退化阶段进行简单确定，同时，通过用株丛数来计算的恢复力来对各个群落恢复能力大小的分析。
2.2 参照系统模式的确定
测定植物群落生活力和恢复力以及评价草原健康状况的首要因素是确定参照系统。最理想的参照系统是理想的大面积顶级群落，但是由于广泛的人为活动影响，是难以找到的。但通过预测和分析可以确定演替顶极。一个长期稳定于地带性生境，很少受人为活动干扰的群落片段(例如我们定位站所设置的羊草+大针茅草原样地)，其群落特征值可以作为顶极群落构成演替的参照系[10]。
根据羊草样地的定期监测数据，按照典型草原退化群落的植物饲用性诊断[11]，考虑典型草原的退化模式，并结合草地退化指示植物在退化系列中的存在度，羊草样地在1981年是处于较少扰动的羊草、大针茅种群占优势的典型草原群落。其中羊草为群落的建群种，大针茅、西伯利亚羽茅亦保持着优势地位，冷蒿、糙隐子草、星毛委陵菜以及寸苔草等则在群落中所占比例很小，百里香(Thymus mongolicus)与狼毒(Stellera chamaejasme)等具退化指示作用的物种在群落中没有出现，故可认为其处于健康状态。因此，选取该年羊草样地的群落作为模式(参照)系统。
草原植物群落的结构与外貌通常以优势种和种类组成为特征，因此，优势种的更替可成为群落演替阶段的标志。内蒙古典型草原植物群落的主要类型是大针茅草原、克氏针茅草原、羊草草原等。在强度放牧下，各自出现不同的退化演替序列[12]，但最终趋同于冷蒿占优势的草原变型，可用下式表述[13]。
这类植物种群数量的消长，反映着演替过程的重要阶段性特征。长期高强度放牧，则使冷蒿群落变型向更严重退化的星毛萎陵莱(或狼毒占优势的群落变型演替)[14]。
2.3 活力指数的确定
活力(Vigor，V)是指生态系统从太阳能→绿色植物→动物→社会产品(或其他服务)的物质生产与能量的流通速率，用生态系统物质生产和能量固定的总量或效率度量[15]，即草原生态系统的能量或活动性，用生态系统物质生产和能量固定的总量或效率度量，可选取光合效率或光合产物、地上生物量等指标进行评价。草原生态系统退化过程包含着两个方面，即群落总生物量的降低和可饲性草种的比例迅速降低。故文中利用植物群落总的地上生物产量来表征生态系统的活力状况。具体计算公式为：
2.4 恢复力指数的确定
恢复力(Resilience，R)也称反作用的能力。是指在有外界压力的情况下，生态系统保持自身结构和功能的抗御能力或反弹能力[16]，当超过其弹性时，系统会跳跃到一个备用状态。这里的结构包括物种的组成。本项研究以代表典型草原生态系统恢复程度的大针茅、羊草物种数量和地上生物量与表示一般退化程度的冷蒿、糙隐子草物种数量和地上生物量之间的比例来衡量处于不同演替阶段草原生态系统群落的恢复能力[17]。因各植物种的物种数量(株/丛数)和地上生物量之间存在明显的正相关关系(
=0.9858)，故计算生态系统恢复力时只选取物种数量指标进行计算。即：
R∈(0，1)，如R>1，则取R=1，式中N为物种数量(株/丛数)。
由恢复力的定义可清楚它的表示意义：即群落中羊草、大针茅物种数量(株/丛数)和地上生物量越大，则表征群落恢复能力越大；反之，如果冷蒿、糙隐子草数量(株/丛数)和地上生物量越大，则表征群落恢复能力越小。
3 结论与讨论
3.1 典型草原植物群落活力与恢复力数据分析
结合典型草原生态系统恢复演替过程中的影响因素和群落特征，生态系统健康主要决定于群落自身的状况，且与现存地上生物量密切相关。从图2中可以看出，在活力指数逐渐降低的情况下，恢复力的大小是高低不定的，经过相关性分析显示出二者没有明显的相关性。可能的原因是由于活力表现的是植物地上生物量，恢复力表现的是株丛数，比如针茅是按丛来计算，羊草按株计算，尽管在株丛数很大的情况下生物量可能会很小，因此在植物群落中，植物的活力是衡量生态系统生产力的大小，而种类组成特别是优势种的组成反应的是群落所处的演替退化阶段，因此根据活力的大小和植物的种类组成能较好的表现出群落在各自的演替序列中的退化状况。
图2 典型草原植物群落活力和恢复力
Fig.2 The vigor and the resilience of the plant communities of sample plots
恢复力是用原生群落和处于一定退化程度的群落大针茅、羊草与冷蒿、糙隐子草株丛数的比值，羊草、大针茅这类原生优势种的数量越多，则该群落的恢复力就会越高，反之，冷蒿、糙隐子草等退化优势种的数量越多，恢复力就越低。因此，恢复力在一定程度上可以看作对活力与组织力恢复水平的度量，是活力和组织力对放牧的综合响应，对放牧最为敏感。图2中恢复力最高点是8号样地西旗西45km甲乌拉煤矿附近，业已围封禁牧，使得群落中原生优势种的数量较多，故表现出高的恢复力。
3.2 典型草原退化量化分级
从上述的分析中可以得出，由于不同的退化样地所处的环境和植物群落的组成类型不同，在特定的牧压以及管理环境下，处于不同的退化演替状态，因此，处在不同退化演替序列的植物群落，优势种类型、活力指数和恢复力指数存在较大差异。本课题组曾确定草原植被退化演替的诊断包括四种类型：草原生产力退化程度，优势植物种群的更替，退化演替指标植物的出现率以及群落中能够植物组成的放牧可食性。因植物种群的高度、密度、盖度、频度等数量指标均与生物量之间存在函数关系，所以通过植物群落中种群的地上现存生物量来衡量和判别群落优势种，且据此反映典型草原恢复演替过程中优势种的更替。通过对呼伦贝尔高原和锡林郭勒高原典型草原的实测数据，基于植物群落活力指数，并参考恢复力指数和群落优势种类型的变化，对典型草原调查点位的植物群落进行了量化分级(表2)，作为草原管理和植被恢复的参考。
3.3 讨论
内蒙古地区草原生态系统退化主要是在过度放牧的压力和不合理的管理条件下，造成草原生态系统地上植物生物量和群落物种组成发生改变，生产力逐渐降低，可饲用牧草种类减少，植物群落向其下一级退化演替状态转变。然而，不同类型的草原生态系统，其生态环境与植物群落组成均有不同特点，草原的利用管理方式与利用强度存在较大差异。
近年来，随着计算机技术的不断进步，国内外研究者将数学模型和计算机技术广泛应用于草地退化演替的研究中。如李政海(1994)通过对物种的重要值、群落的生态多样性和均匀指数的计算分析，探讨了恢复演替过程中植物群落组成、种的饱和度、层片结构以及群落综合特征的动态变化规律[13]。Gauch(1997)采用组平均法(RA)、极点排序法(PO)等对植物群落演替进行了比较分析[17]。李永宏(1994)借助DCA、Twinspan、PCA技术研究各类草地类型的放牧演替轨迹，并建立草地的放牧退化模式等[18]。
从草地生态系统健康评价的角度出发，以指标来评价草地活力和恢复情况，不仅定量的确定内蒙古典型草原的退化演替阶段现状，而且对生物群落的健康状况做出定性讨论。但在恢复力计算过程中采用植物的株/丛数，在对植物计数时由于受到客观条件以及人为因素的影响，会导致在恢复力计算时存在一定误差，尚有待于进一步改进。