楊天成，李曉佳

（內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010028）

內(nèi)蒙古草原作為我國(guó)北方重要的生態(tài)屏障，對(duì)指示氣候變化、調(diào)節(jié)區(qū)域水熱條件、促進(jìn)地方畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著不可或缺的作用[1-2]。同時(shí)內(nèi)蒙古典型草原區(qū)作為荒漠草原與草甸草原之間的過渡帶，是極易受到人為影響的生態(tài)脆弱區(qū)，由于不合理的利用方式易造成天然草原面積的逐年減少和不同程度的草地退化[3-5]。放牧作為主要的草地利用方式之一，通過改變土壤養(yǎng)分回歸速率、草地群落生物量分配格局和調(diào)節(jié)草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)來影響草原的生態(tài)健康狀況[6-9]。刈割會(huì)降低群落平均高度、蓋度和生物量，但是對(duì)群落多樣性影響較小，甚至?xí)岣呷郝涠鄻有院湍敛莓a(chǎn)量[10-11]，圍封作為草地恢復(fù)的主要利用方式，通過排除牲畜采食踩踏，有效改善了草原土壤的養(yǎng)分條件、提高了草地群落的多樣性和穩(wěn)定性[12]。目前草地利用方式對(duì)草原生態(tài)健康的影響受到越來越多的重視。

不同利用方式下的草地健康評(píng)價(jià)對(duì)合理利用草地資源具有重要作用，但是對(duì)草地健康評(píng)價(jià)方法的選擇不盡相同，有學(xué)者基于模糊評(píng)判法對(duì)不同輪牧條件下草地健康進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[13]，其中VOR綜合指數(shù)法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生態(tài)健康評(píng)價(jià)中[14]， VOR綜合指數(shù)基于活力 (vigor, V) 、組織力 (organization,O) 和恢復(fù)力 (resilience, R)構(gòu)建，用于評(píng)價(jià)草地生態(tài)健康狀況[15]。由于VOR指數(shù)評(píng)價(jià)未考慮植被因素之外的其他環(huán)境因素，具有一定的局限性，任繼周等[16]運(yùn)用土壤有機(jī)碳的測(cè)算，引入土壤基況(condition,C)的概念，主要反映草地健康與大氣、土壤、氣候的綜合情況，完善了原有的VOR指標(biāo)體系，構(gòu)建了CVOR綜合指數(shù)評(píng)價(jià)體系。運(yùn)用CVOR綜合指數(shù)評(píng)價(jià)可以有效判斷草地退化情況及退化草地的恢復(fù)狀況，全面準(zhǔn)確地反映草地健康狀況，擴(kuò)大了草地健康評(píng)價(jià)的適用范圍[16]。目前對(duì)不同草地利用方式進(jìn)行草地健康評(píng)價(jià)比較少見，同時(shí)基于CVOR對(duì)內(nèi)蒙古西烏珠穆沁旗典型草原區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)草地健康評(píng)價(jià)更為罕見。因此，本研究選取4種不同草地利用方式，進(jìn)行群落調(diào)查和土壤樣品的采集，分析群落基本特征對(duì)利用方式的響應(yīng)，運(yùn)用CVOR綜合指數(shù)評(píng)價(jià)草地健康狀況并進(jìn)行草地分級(jí)，以期為內(nèi)蒙古典型草原的合理利用和發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟東北部西烏珠穆沁旗(116°21′～119°31′ E, 43°57′～45°23′N)，西烏旗擁有內(nèi)蒙古九大草原類型，同時(shí)是津京地區(qū)重要生態(tài)屏障；氣候類型為溫帶干旱與半干旱大陸性氣候。年均氣溫在0～1 ℃，年均降水量345.8 mm，水分由東南向西北遞減。土壤類型以栗鈣土為主。群落建群種為大針茅(Stipa grandis)，優(yōu)勢(shì)種為糙隱子草(Cleistogenes squarrosa)、無芒隱子草(Cleistogenes songorica)、黃囊苔草(Carex korshinskyi)等，伴生種為瓣蕊唐松草(Pines with petal)、細(xì)葉韭(Allium tenuissimum)等[17]。研究區(qū)生活有約178.84個(gè)羊單位的大型野生食草動(dòng)物和家畜，且草原處于放牧壓力減輕、草地生態(tài)恢復(fù)狀態(tài)[18]。

1.2 群落調(diào)查及土壤測(cè)定方法

試驗(yàn)樣地位于2020年7月西烏旗天然草地，選取4種不同利用方式的草地，分別為放牧刈割草地(grazing mowing grassland, MG)、夏季放牧草地(summer grazing grassland, SG)、冬季放牧草地(winter grazing grassland, WG)、禁牧刈割草地(grazing prohibition and mowing grassland, MP)。其中刈割、禁牧草地均以多年刈割和禁牧為主要利用方式，刈割時(shí)間為每年8月中下旬，夏季放牧草地和冬季放牧草地載畜率分別為每月每公頃0.30 (SG)和0.15 (WG)個(gè)羊單位。采用樣方法對(duì)樣地分區(qū)進(jìn)行群落調(diào)查，每個(gè)分區(qū)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)1 m2(1 m × 1 m)的植物樣方，樣方間距至少10 m作為緩沖帶，測(cè)定樣方內(nèi)物種種類、物種平均密度、高度、蓋度、地上生物量及凋落物。高度用標(biāo)尺測(cè)量，蓋度采用目測(cè)估計(jì)法，密度用物種數(shù)量計(jì)算法。每個(gè)樣方齊地面刈割獲取各個(gè)物種的鮮重，同時(shí)收獲地上凋落物裝入信封袋，并在65 ℃下烘干至恒重稱取干重，得到地上生物量和凋落物量(表1)。每個(gè)樣地隨機(jī)選取3個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行土鉆取土，每個(gè)樣點(diǎn)獲取0 - 10 cm 3個(gè)土壤樣品，除去雜質(zhì)后，運(yùn)用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)[19]。

表1 研究樣地描述Table 1 Features of the study areas

1.3 指標(biāo)計(jì)算

1.3.1植物群落物種重要值計(jì)算

式中：IV為重要值，RH為相對(duì)高度，RC為相對(duì)蓋度，RD為相對(duì)密度。

1.3.2植物群落α多樣性計(jì)算

Margarlef豐富度指數(shù)：

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)：

式中：S為物種數(shù)目，N為所有物種個(gè)體數(shù)，Pi為物種i的相對(duì)重要值。

1.3.3基于 CVOR 綜合指數(shù)的草地健康評(píng)價(jià)

基況(C)的選取與計(jì)算：基況可理解為影響草原植被生長(zhǎng)的土壤與氣候等環(huán)境因子的綜合，土壤有機(jī)質(zhì)(soil organic matter, SOM)是植物生長(zhǎng)的養(yǎng)分來源，以土壤有機(jī)碳(soil organic carbon, SOC)作為基況C指標(biāo)[16]，土壤有機(jī)碳運(yùn)用有機(jī)質(zhì)進(jìn)行計(jì)算：

式中：SOCx為評(píng)價(jià)對(duì)象的土壤有機(jī)碳含量；SOCCK為參照系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳含量。C∈[0，1]，如結(jié)果大于 1，則取 1。

活力指數(shù)(V)的計(jì)算：活力是指草地系統(tǒng)的活動(dòng)性，本研究利用群落地上生物量進(jìn)行計(jì)算活力指數(shù)V[20]：

式中：Bx為評(píng)價(jià)對(duì)象總地上生物量；BCK為參照系統(tǒng)的總地上生物量。V∈[0，1]，如結(jié)果大于 1，則取 1。

組織力指數(shù)(O)的計(jì)算：組織力反映了草原群落的種間關(guān)系，運(yùn)用各物種的相對(duì)頻度(Fi)、相對(duì)高度(Hi)和相對(duì)生物量(Bi)綜合表示草地的組織力[21]：

恢復(fù)力指數(shù)(R)的計(jì)算：恢復(fù)力指群落抗干擾能力，以 Shannon-Wiener 指數(shù)(S)、生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)、群落均勻度指數(shù)(P)為計(jì)測(cè)指標(biāo)。評(píng)價(jià)草地與參照系統(tǒng)的R比值即為恢復(fù)力，如結(jié)果大于1，則R= 1[22-23]。

生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)(CVOR)的計(jì)算：

式中：WC、WV、WO、WR分別為各分指數(shù)的權(quán)重系數(shù)，且WC+WV+WO+WR= 1，為了減少由于背景不確定性、自然的空間不均勻性或時(shí)間波動(dòng)性造成的結(jié)果誤差。本研究中因各指標(biāo)選取的背景相同，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響機(jī)會(huì)均等，未出現(xiàn)草地嚴(yán)重退化現(xiàn)象，故取WC=WV=WO=WR= 1/4[20]。HCVOR∈ [0，1]，如HCVOR＞ 1，則取HCVOR=1。依據(jù)四分法將草地生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)進(jìn)行劃分[16](表2)。

表2 草地健康等級(jí)Table 2 Grassland health level

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和Origin 9.1軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理數(shù)據(jù)和繪圖，利用SPSS 24.0軟件進(jìn)行群落各項(xiàng)指標(biāo)的方差分析，運(yùn)用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)進(jìn)行各指標(biāo)間的顯著性差異分析，采用LSD方法進(jìn)行不同利用方式的各指標(biāo)間的多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同利用方式對(duì)群落特征和物種多樣性的影響

群落基本特征對(duì)草地利用方式響應(yīng)顯著(P＜0.05)，冬季放牧草地群落平均高度顯著低于其他利用方式(P＜ 0.05) (圖1)，放牧刈割草地群落平均蓋度顯著高于其他利用方式，夏季放牧草地顯著低于冬季放牧草地(圖2)，表明夏季放牧對(duì)群落蓋度影響顯著(P＜ 0.05)，夏季和冬季放牧草地群落密度顯著低于其他利用方式(P＜ 0.05)，群落平均密度在放牧刈割和禁牧刈割草地之間差異不顯著(P＞ 0.05)。

圖1 不同利用方式群落平均高度Figure 1 Average height of plant communities under different land use patterns

圖2 不同利用方式群落平均蓋度、密度Figure 2 Average coverage and density of plant communities under different land use patterns

典型草原群落α多樣性指數(shù)在不同草地利用方式之間呈現(xiàn)出顯著差異(P＜ 0.05) (表3)。夏季放牧草地Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)顯著低于其他利用方式(P＜ 0.05)，Simpson指數(shù)在其他3種利用方式之間差異不顯著(P＞ 0.05)；放牧刈割草地的Shannon-Wiener指數(shù)和Margalef指數(shù)均顯著高于禁牧刈割草地(P＜ 0.05)，表明適當(dāng)?shù)姆拍翉?qiáng)度可以有效提高刈割草地的群落豐富度和多樣性。放牧刈割草地Pielou指數(shù)顯著高于夏季放牧和冬季放牧草地(P＜ 0.05)，分別增加了23.94%和15.85%，可見在放牧草地，一定程度刈割可以提高群落物種的均勻度，Pielou指數(shù)在其余3種利用方式之間差異不顯著(P＞ 0.05)。夏季放牧 Margalef 指數(shù)最低(1.32)，顯著低于放牧割草地和冬季放牧草地(P＜ 0.05)，說明夏季放牧的利用方式對(duì)群落豐富度影響顯著(P＜ 0.05)。

表3 不同利用方式對(duì)α多樣性的影響Table 3 Effects of different utilization methods on the growth of rice and the impact of diversity

2.2 不同利用方式對(duì)地上生物量和凋落物量的影響

典型草原區(qū)不同利用方式對(duì)群落生物量和凋落物量影響顯著(P＜ 0.05)，放牧刈割草地地上生物量顯著高于其他利用方式(P＜ 0.05)，冬季放牧草地地上生物量顯著低于禁牧刈割草地(P＜ 0.05)，同時(shí)冬季放牧草地凋落物量顯著低于其他利用方式(P＜ 0.05)，凋落物量在其他3種草地利用方式之間差異不顯著(P＞ 0.05)，比較放牧刈割與禁牧刈割草地地上生物量和凋落物量，表明刈割對(duì)凋落物量影響大于放牧，群落地上生物量受放牧強(qiáng)度的影響顯著(P＜ 0.05)，同時(shí)群落凋落物量與地上生物量呈正向影響(圖3)。

圖3 利用方式對(duì)地上生物量和凋落物量的影響Figure 3 Effects of land use patterns on aboveground biomass and litter

2.3 CVOR分指數(shù)的比較

研究區(qū)放牧刈割草地基況C顯著高于其他利用方式(P＜ 0.05) (圖4)，同時(shí)在其他3種利用方式間差異不顯著(P＞ 0.05)，表明放牧刈割利用條件下土壤養(yǎng)分狀況更好；活力V、組織力O、恢復(fù)力R綜合體現(xiàn)群落的基本特征，冬季放牧草地活力指數(shù)V顯著低于其他利用方式(P＜ 0.05)，放牧刈割草地活力指數(shù)最高；組織力和恢復(fù)力在利用方式間差異顯著(P＜ 0.05)，組織力和恢復(fù)力在夏季放牧草地中顯著低于其他利用方式(P＜ 0.05)，在放牧刈割草地中顯著高于其他利用方式(P＜ 0.05)，同時(shí)在冬季放牧草地和禁牧刈割草地中差異不顯著(P＞ 0.05)， 表明群落各項(xiàng)指數(shù)受人為草地利用方式影響明顯。

圖4 不同利用方式下CVOR分指數(shù)間差異Figure 4 The differences among the CVOR sub indices under different utilization methods

2.4 CVOR綜合草地健康評(píng)價(jià)

結(jié)合天然草地健康等級(jí)(表2)與不同利用方式下CVOR綜合指數(shù)之間的比較(圖5)，草地健康水平在不用利用方式間有所差異，綜合草地健康水平呈：MG ＞ MP ＞ WG ＞ SG，放牧刈割草地草地健康水平最好(HCVOR= 0.84)，等級(jí)為“健康”；其余3種利用方式草地健康等級(jí)均為“不健康”，CVOR指數(shù)均處在0.5至0.75之間，表明適度放牧刈割結(jié)合的草地利用方式對(duì)維持草地健康有重要作用。

圖5 不同利用方式CVOR綜合指數(shù)Figure 5 CVOR composite index of different utilizati on modes

3 討論

草地利用方式對(duì)草地群落特征及多樣性有顯著影響，夏季放牧草地和冬季放牧草地群落高度、蓋度和密度均顯著低于刈割草地，表明適當(dāng)刈割相較于放牧的利用方式更利于草地的生態(tài)健康維持和退化草地的恢復(fù)，對(duì)草原群落有一定的生態(tài)補(bǔ)償現(xiàn)象[24]，放牧對(duì)草原群落的影響說法不一，過度放牧由于牲畜頻繁踩踏采食，影響了叢生禾草的生長(zhǎng)，顯著降低了群落的生物量和多樣性，出現(xiàn)草地退化現(xiàn)象[25-26]，與本研究中夏季放牧草地放牧強(qiáng)度高于其他利用方式，造成群落生物量、多樣性指數(shù)顯著低于其他利用方式一致。有研究發(fā)現(xiàn)在中度放牧條件下，由于放牧制約了優(yōu)勢(shì)種的生長(zhǎng)，擴(kuò)大了伴生種的生長(zhǎng)空間，使得群落物種組成趨于復(fù)雜，群落多樣性和均勻度均達(dá)到了最高水平，更適宜草地的可持續(xù)發(fā)展[27-28]，與本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)放牧刈割草地綜合草地健康指數(shù)最高相似，支持“中度干擾”假說。禁牧可以有效提高優(yōu)勢(shì)種對(duì)太陽光的利用，增加群落生物量，而群落多樣性和穩(wěn)定性隨著圍封時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)[29]，研究發(fā)現(xiàn)放牧刈割草地生態(tài)健康指數(shù)高于禁牧刈割草地，可能是由于適度放牧和刈割的疊加使用，更利于典型草原群落的利用和發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)夏季放牧草地和冬季放牧草地凋落物含量顯著低于禁牧草地，與以往研究發(fā)現(xiàn)適度放牧可以加速凋落物的分解，平衡草地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)有重要意義[30-31]，草地混合利用既可以避免過度刈割造成群落生物量損失而流失土壤養(yǎng)分，也可以避免過度放牧帶來的草地退化現(xiàn)象，是最為優(yōu)化的草地利用方式之一[32]，與本研究發(fā)現(xiàn)放牧刈割草地CVOR指數(shù)最高一致，同時(shí)CVOR草地健康評(píng)價(jià)法得到有效的應(yīng)用，俞鴻千等[33]和陸均等[15]等分別運(yùn)用CVOR指數(shù)法對(duì)荒漠草原和高寒草原進(jìn)行草地健康等級(jí)的劃分，也有相關(guān)學(xué)者結(jié)合參與式評(píng)價(jià)法[34]，結(jié)合牧戶調(diào)查，更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)草地健康狀況。草地健康受人為草地利用方式影響顯著[35]，3種草地利用方式均處于“不健康”的狀態(tài)，適當(dāng)減輕夏季草地和冬季草地的放牧強(qiáng)度以及禁牧刈割草地的刈割強(qiáng)度，采取封育等利用方式改善草地健康狀況[36]，同時(shí)合理利用放牧刈割草地，實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)和草地生態(tài)健康的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

1)放牧刈割草地群落高度蓋度顯著高于其他利用方式，夏季放牧草地群落平均蓋度顯著低于其他利用方式(P＜ 0.05)，刈割可以顯著改變典型草原群落的形態(tài)特征；放牧刈割草地的Pielou均勻度指數(shù)和Margarlef豐富度指數(shù)顯著高于其他利用方式(P＜ 0.05)，夏季放牧草地的Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)顯著低于其他利用方式(P＜ 0.05)。冬季放牧草地地上生物量和凋落物量顯著低于其他利用方式(P＜ 0.05)。

2)放牧刈割草地CVOR綜合指數(shù)最高，草地健康水平處于“健康”狀態(tài)，放牧刈割疊加的草地利用方式更有利于草地健康的維持和退化草地的恢復(fù)，其余利用方式處于“不健康”狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減輕夏季草地和冬季草地放牧強(qiáng)度，選擇合理的放牧和刈割強(qiáng)度對(duì)不同草地類型進(jìn)行綜合管理，以期實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)和草地健康的可持續(xù)發(fā)展。