VOR、CVOR指数在宁夏干旱风沙区荒漠草原健康评价中的应用——以盐池县为例

俞鸿千， *， ， ,

(1. 宁夏农林科学院荒漠化治理研究所， 宁夏 银川750001； 2.宁夏防沙治沙与水土保持重点实验室， 宁夏 银川 750001； 3. 莱布尼茨大学, 汉诺威 德国30167)

草地是我国面积最大的陆地生态系统，不仅肩负着国家绿色生态屏障的作用，还是我国放牧性草地畜牧业的主体，我国共有草地面积392万km2，占国土面积的41.7%[1]。目前，国内草地生态系统评价多集中于放牧草地[2-3]、高寒草地等[4]，研究多侧重于生态系统服务价值评估[5-6]、土壤质量评价[7]、群落结构及多样性和稳定性评价[8-9]、土壤微生物变化等领域，而对荒漠草原的健康状况综合评价的研究较少。

宁夏是我国主要牧业省区之一，也是我国北方长城沿线干旱风沙区和农牧交错区的重要组成部分。干旱风沙区荒漠草原占宁夏草原面积的59.06%，是宁夏草地畜牧业的主要载体。上世纪80年代以来，因过度放牧、草原开垦等原因，宁夏草地面积和质量大幅度下降，以荒漠草原典型县盐池县为例，1985年荒漠草原面积37.97万hm2、占盐池县土地面积的45.34%，2000年降至34.63万hm2，占盐池县土地面积的41.34%。2003年以国家退耕还林、退牧还草政策为契机，宁夏实施了全省域禁牧，草地面积和质量得到了一定程度的恢复，但当前草地生态系统健康状况尚不明确。

VOR综合指数模型是基于活力(vigor, V)、组织力(organization, O)和恢复力(resilience, R)构建，用来评价草地生态系统健康情况的综合指数[10]。活力指草地生态系统从太阳能获取能量，转化为物质生产与能量的流通速率，主要表现在草地净初级生产力等方面[11]；组织力指草地生态系统通过结构优化实现功能优化的能力，主要表现在植物群落结构方面[12]；恢复力指生态系统维持自身结构、功能和行为稳定的能力，也可表现为草地生态系统对极端天气、突发虫害等干扰的抵抗力[13]。然而，VOR综合指数只考虑到草地生态系统内植物层的情况，土壤作为草地物质和能量交换的物质基础与发生地，未被纳入到健康评价中。2000年，任继周等[11]以草业系统界面论为依据，将草地基况(condition, C)纳入到VOR综合评价指数中，提出生态系统健康评价CVOR的概念，从物流和能流角度，更全面的评价草地健康状况[15-16]。

综上所述，本研究通过调查盐池县荒漠草原植物群落的盖度、高度、密度、频度、生物量与土壤有机质含量等，计算植物群落多样性、优势度、丰富度和均匀度，揭示天然草地植物群落现状，并利用VOR和CVOR综合指数对草地生态系统健康状况进行准确定量的评价，以期对盐池县退化草地恢复和治理提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

盐池县位于陕甘宁蒙四省(区)交界处，地理坐标106°30′～107°46′E，37°4′～38°10′N，地貌由南向北呈现为南部黄土丘陵东北缘、中北部鄂尔多斯缓坡，属典型中温带大陆性气候，地带性植被为温性荒漠草原。年均温7.7℃，年均降水量295.1 mm，7—9月占全年降水的62%，年蒸发量2 026.1 mm，无霜期128天。土壤以灰钙土、风沙土为主。草地植物科属组成有禾本科46种，占13.90%；菊科39种，占11.80%；豆科36种，占10.90%；藜科24种，占7.30%。以上4科145种植物占总数的43.8%。全县共有天然草场835.40万亩，占全县土地总面积的64.30%[17]。

1.2 研究方法

1.2.1监测点设置及试验数据采集 根据宁夏回族自治区草原站80年代对全区草地资源普查的数据，盐池县地处中部草原区过渡带且植物群落变化性强，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，优势种主要为甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)、黑沙蒿(ArtemisiaordosicaKrasch.)、长芒草(StipabungeanaTrin.)、冰草(AgropyroncristatumL.Gaertn)、老瓜头(CynanchumkomaroviiAl. Iljinski)、苦豆子(SophoraalopecuroidesL.)、白草(PennisetumcentrasiaticumTzvel.)、刺叶柄棘豆(OxytropisaciphyllaLedeb.)、柠条锦鸡儿(CaraganakorshinskiiKom.)。依据不同的优势种在盐池县各乡镇设置9个监测点(表1)，每个监测点设置3个1 m×1 m的样方(灌木样方10 m×10 m)，各样方距离50米以上，2016—2017年8月进行集中调查。对各样方内植物分种测量盖度(针刺法)、密度、高度、频度(样圆法)和地上生物量(干重)。土壤样品采用环刀法，每个样方分层取0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土壤样品，各监测点3个样方的混合样测量土壤有机质含量。

1.2.2物种多样性计算 物种的多样性测定选用物种多样性指数(Patrick index，S)、优势度指数(Simpson index，D)、丰富度指数(Shannon-Wiener index，H’)和均匀度指数(Alatalo index，Ea)[18-19]。

多样性指数S记为监测点出现的物种数。

丰富度指数H’的计算公式为：H’= -∑PilnPi

式中Pi=Ni/N，Ni为植物种i的个体数量，N为监测点植物个体总数。

表1 监测点基本情况Table 1 Experiment plot conditions

1.2.3VOR、CVOR综合指数模型 基况，用土壤有机碳含量(soil organic carbon，SOC)作为基况的评判指标，即C=SOCx/ SOCck。其中，SOCx为监测点土壤有机碳含量(可以用土壤有机质含量计算，即SOC=土壤有机质含量/1.724)，SOCck为对照。

活力，用植物地上生物量进行测算，V=Bx/Bck，其中Bx为监测点样方植物群落地上生物量，Bck为对照。

组织力，用植物群落物种频度、高度和生物量进行测算，O=Ox/Ock，其中Ox=∑[(Fi+Bi+Hi)/3]，式中Fi=fi/f为相对频度，fi为监测点植物种i的频度，f为监测点频度测量总数；Bi=bi/b为相对地上生物量，bi为监测点样方内植物种i的地上生物量，b为监测点样方内植物总地上生物量；Hi=hi/himax为相对高度，hi为监测点植物种i的平均高度，himax为hi中的最大值。Ock为对照。

恢复力，用各监测点可代表恢复程度物种和表示退化程度物种的数量和地上生物量测算，R =(Bg/Bgck)/(Bd/Bdck)，其中Bg为监测点样方内代表恢复程

度物种的地上生物量，Bgck为对照，Bd为监测点样方内代表退化程度物种的地上生物量，Bdck为对照[20]。

计算各单项指数时，选择各监测点平均值为对照。

VOR综合指数计算模型为：VOR=WV×V+ WO×O+WR×R，其中WV、WO、WR为单项指数V、O、R的权重系数，反应各单项因素的重要性，同时避免或减轻由于数据背景不确定性、自然的空间不均匀性或时间波动性造成的结果误差。本研究中因取样背景清晰，故取值WV=WO=WR=1/3。VOR∈[0，1]，如VOR>1，则取1。

COVR综合指数计算模型为：CVOR=C×VOR。CVOR∈[0，1]，如CVOR>1，则取1。

计算VOR和CVOR综合指数时，各单项指数C、V、O、R∈[0，1]，其值大于1时均取值为1[21-23]。

1.3 草地生态系统健康等级的划分

利用四分法将生态系统健康状态指数划分为4个不同等级(表2)[24]，据此来评价草地生态系统健康状况。

表2 草地生态系统健康指数及健康等级Table 2 Index and rank of grassland health evaluation

1.4 数据分析

采用Excel 2016和SAS 8.02软件进行数据处理和统计分析，采用OriginPro 7.5软件绘图。

2 结果与分析

2.1 草地植物群落多样性

由北向南分布的监测点YC1至YC9的Partrick多样性指数表现为南部优于北部，YC2和YC3最小同为20，YC8最高为38(图1a)。各监测点Simpson优势度指数(图1b)和Shannon-Wiener丰富度指数(图1c)均表现出显著差异(P<0.05)，YC1显著低于其他各点。各监测点Alatalo均匀度指数(图1d)有显著差异(P<0.05)。

2.2 草地综合评价指数之间的相互关系

盐池天然草地基况指数和组织力指数呈极显著正相关关系(P<0.01)，相关系数为0.7077。VOR指数与基况指数、活力指数、组织力指数、恢复力指数的相关系数分别为0.1169、0.2703、0.2399和0.9143，且与恢复力指数为极显著正相关(P<0.01)。CVOR指数与基况指数、活力指数、组织力指数、恢复力指数、VOR指数的相关系数分别为0.7104、0.0228、0.6352、0.6992和0.7440，且与基况指数、组织力指数、恢复力指数为极显著正相关(P<0.01)，与VOR指数为显著正相关(P<0.05)。

图1 监测点物种多样性指数Fig.1 The plant diversity indexes of experiment plots注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)Note：Different lowercase letter indicate significant difference at the 0.05 level

表3 草地综合评价指数的相关分析Table 3 The correlation coefficients between health indices

注：**表示P<0.01水平差异显著，*表示P<0.05水平差异显著

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

2.3 天然草地综合评价模型各单项指数

图2为各监测点综合评价模型的单项指数，可知各监测点的基况指数C(图2a)之间差异极显著(P<0.01)，YC9最大为1.85，极显著大于其他各点，YC8次大。活力指数V(图2b)表现为YC3极显著高于其他监测点(P<0.01)，为2.72。各监测点的组织力指数O(图2c)之间差异极显著(P<0.01)，YC8最大为1.30。恢复力指数R(图2d)表现为YC4极显著高于其他各监测点(P<0.01)，为4.15。

图2 评价模型各单项指数Fig.2 The single index of VOR and CVOR health evaluation models注：不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)Note：Different capital letter indicate significant difference at the 0.01 level

2.4 盐池县天然草地VOR指数和CVOR指数的评价

根据天然草地评价系统健康等级(表2)及盐池县天然草地VOR、CVOR综合指数(表4)可以看出，通过VOR指数和CVOR指数评价草地生态系统健康程度有所差异。以VOR指数评价时，监测点YC1、YC2的健康等级为“不健康”，监测点YC3～YC9的健康等级为“健康”。以CVOR指数评价时，监测点YC1、YC2的健康等级为“警戒”，监测点YC3～YC9为“健康”。

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

3 讨论与结论

本研究所选监测点YC1至YC9由北至南依次分布在盐池县各乡镇，包含了盐池县天然荒漠草原主要建群种，植物群落Patrick多样性指数、Simpson优势度指数、Shannon-Wiener丰富度指数和Alatalon均匀度指数可以反映草地资源现状。各监测点Patrick多样性指数均超过20，其中南部YC8和YC9超过30。Simpson优势度和Shannon-Wiener丰富度表现较一致，均为YC6最高。各监测点Alatalon均匀度指数在0.5763～0.7578之间，各监测点植物群落均匀度较接近。

用VOR指数和CVOR指数评价草地生态系统健康等级时表现出一定的差异，VOR指数评价北部监测点YC1和YC2的健康等级为“不健康”，而CVOR指数评价的健康等级为“警戒”。其差异性一方面是因为草地基况对草地生态系统的重要性，根据C、V、O、R各单项指数与VOR、CVOR指数相关性表明，指数C与CVOR指数有极显著正相关关系(P<0.01)，当草地基况C较低时，CVOR指数随之减小。另一方面，草地土壤变化较为迟缓，和植物的变化相比有一定的滞后性[25]，CVOR指数考虑到“土”和“草”的相互作用，将草地生态系统本底界面作为评价因素，这种滞后性导致了两种评价指数差异。

值得关注的是，监测点YC1为国家草地监测点，其Simpson优势度和Shannon-Wiener丰富度均显著低于其他监测点(P<0.05)，以VOR指数评价为“不健康”等级，以CVOR指数评价为“警戒”等级，健康等级比其他监测点差。说明在未受放牧、开垦等人为干扰的自然条件下恢复的草地结构较为简单、均匀度好、处于稳定阶段，但其植物种类较少、结构单一。其组织力指数和恢复力指数均为最低，说明对于自然灾害或人为干扰的抵抗力不强，当外界干扰超出生态系统自身承受能力时，易造成生态系统的崩溃[25]。外界干扰对草地植被的影响体现在草地植被群落的演替过程中，适时、适当的放牧能够促进草地植被更新，家畜采食、踩踏、排泄等活动对天然草地的影响，在一定程度上有利于草地生态系统的健康发展[26-28]。对于一个健康的草地生态系统，应该是在对外有较强的抵抗力，对内有较强的恢复力，即为生态系统结构稳定的结果[29-31]。

VOR指数和CVOR指数均能有效反应盐池县天然草地的健康状况，CVOR指数更能反应草地基况对草地健康状况的影响作用，尤其在脆弱的生态系统内影响更甚。盐池县中部和南部荒漠草原恢复情况良好，生态系统表现为“健康”状态，北部荒漠草原生态系统健康状况不容乐观，表现为“不健康”甚至“警戒”状态。退化草地的恢复、治理和利用，全县畜牧业发展，以及二者的平衡点值得我们进一步去研究。