新疆草地生态系统健康评价体系构建

陈春波， 彭 建， 李刚勇

（1.中国科学院新疆生态与地理研究所，荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011；2.干旱区草地生态系统遥感监测实验室，新疆 乌鲁木齐 830049；3.新疆维吾尔自治区草原总站，新疆 乌鲁木齐 830049）

草地作为重要的生态系统类型，具有多种生态、经济功能，在生物多样性保护、碳汇功能维持等方面发挥着重要作用［1］。健康的草地生态系统具有活力，能够维持其组织并且保持自身运作能力，对外界压力具有弹性［2］；草地生态系统健康与人类的可持续发展紧密相关，为人类的生存、发展提供持续、良好的生态系统服务功能［3］。因此，草地健康是自然生态系统健康的重要组成部分，也影响着人类社会的健康与安全［4］，草地健康即草地生态系统的可持续性。在我国西北干旱区，草地生态系统健康评价在草地退化的监测中尤为重要。

草地健康评价研究大致可分为4 个阶段，即萌芽期、拓荒期、成熟期与实践期［5］；草地健康评价方法经历了单因子罗列法、单因子复合法、功能评价法与界面过程评价［6］。近年来，随着空天观测等技术手段的引入，草地健康评价逐渐由样地尺度扩展到区域尺度；在大数据的基础上，草地健康评价指标由单一指标向多指标发展，提高了草地健康评价的精度与时空尺度。当前，国内关于草地健康评价的研究已有一些成果，但研究区域主要集中在内蒙古自治区、宁夏回族自治区、甘肃以及青藏高原。新疆是我国5 大牧区之一，草地面积5.73×107hm-2，包括11 个大类，25 个亚类，131 个草地组，687 个草地型［7］。草地不仅是新疆生态系统的主体与重要的生态屏障，也是牧区农牧民赖以生存的基本生产资料和许多珍稀动植物特定的生活区域［8］。尽管刘思怡等［9］、陆均等［10］和杜梦洁等［11］分别在艾比湖流域、巴音布鲁克和新疆昌吉回族自治州开展了草地健康评价，然而面向草原行业部门针对全疆范围草地健康评价的研究较少，特别是草地生态系统健康评价体系。

近年来，由于气候变化与不合理的开垦、利用，新疆草地出现不同程度的退化［12］。及时、准确地预测出草地健康状况，既是草地生态系统健康评价的重要内容，也是探究草地生态系统结构、功能所维持人类赖以生存的自然环境状况。为此，本研究拟构建新疆草地生态系统健康评价体系，包括多源数据来源、方法步骤、总体框架与发展趋势。针对新疆草地生态系统健康评价，应获取草地生物气象、水热通量、地面样方采样与多源遥感影像，生成草地基础生态地理数据库，筛选多层次多因子草地健康评价指标，综合选择草地健康评价方法，客观评估新疆草地生态系统健康状况。在新疆开展草地生态系统健康评价，客观诊断草地健康状况，促进草地的可持续利用。

1 数据来源

开展草地生态系统健康评价，首先应获得可靠的生态地理数据。在评价区域内，基础数据与信息资源的类型、数量与丰富度可以提升草地生态系统健康评价的质量与精度。采用统一的方法整理与收集不同来源、不同类型、不同尺度、不同格式的生物气象、水热通量、地面样方采样与多源遥感影像数据，形成评价区域的草地基础生态与地理数据库。

1.1 生物气象与水热通量数据集

生物气象与水热通量数据，主要包括：气温、降水、辐射、蒸散发、风速、风向、水文、地形与土壤数据；对收集的数据进行处理，形成草地生物气象与水热通量时空数据集；将生物气象与水热通量数据进行栅格化，分别处理为草地健康评价模型的输入格式，为模型运算与验证提供数据基础。

1.2 野外站点观测与样方调查数据集

评价区域内收集、整理草地生态监测资料，统计已有的草地群落指标；整理草地样方植被盖度与植株高度；调查草地样方主要植物种与生物量的变化，草地样方总产草量鲜质量、总产草量风干重、可食鲜草产量与可食干草产量；调查草地样方土壤样品，分析土壤水分和养分；调查草地毒害草类型、种群分布与演替。

1.3 多源遥感数据集

草地遥感常用的数据源包括NOAA-AVHRR、MODIS、Landsat 与Sentinel，依据评价目标获取评价区域的高分遥感影像，或者采用低空无人机（巡航高度低于500 m）采集影像。NOAA-AVHRR 遥感影像，主要为NDVI归一化植被指数产品，时间分辨率日尺度，空间分辨率0.05°；Landsat 遥感影像包括Landsat MSS 1/2/3（MSS）、Landsat 4&5（MSS/TM）、Landsat 7（ETM+）与Landsat 8（OLI/TIRS）（表1）；MODIS/Terra 遥感影像包括MODIS 标准陆地产品（表2）。

表1 Landsat遥感影像元数据Tab.1 The metadata of Landsat serial images

表2 MODIS标准陆地产品Tab.2 The standard land product of MODIS

2 评价方法

2.1 明确评价目标

草地生态系统健康评价需考虑生态系统、群落、种群与个体4个层次，以全面反映草地生态方面的性状（生态系统生命部分），辅之光照、温度、水文与土壤等物理化学方面的性质（生态系统非生命部分），最大程度做出全面、真实、客观的评价［13］。然而，在特定的时空范围内，草地生态系统健康评价具有挑战性，包括评价指标的筛选与定量、时空尺度限制、数据精度与有效性等。不同的评价目标具有各自的侧重点，有针对性的筛选评价指标。因此，在开展健康评价之前，明确草地生态系统健康评价的具体目标，或者偏重草地生态系统的生物成分、非生物成分、生态系统功能（生态系统服务），能够促进备选的评价指标具备可操作性。

2.2 确定评价区域与参照系统

2.2.1 确定草地健康评价区域 确定评价区域是草地健康评价的首要步骤。根据草地健康评价目标，综合考虑草地植物特征、地表环境等划定草地评价区域［14］。一个完整的草地生态系统评价区域通常具有一致的地形、地貌、水热组合与景观类型特征，而且在植被特征与管理特征具有相似性、一致性；其基本单元可以基于行政区划，也可依据土壤、地形，或者参照草地分类系统，也可以基于草地区划及分区，还可以根据评价目标，综合以上标准或分类组合确定评价区域。新疆草地健康评价区域的确定方法如下：

（1）采用行政区划确定草地健康评价区域

新疆辖4 个地级市（乌鲁木齐市、克拉玛依市、吐鲁番市与哈密市），5个自治州（昌吉回族自治州、伊犁哈萨克自治州、博尔塔拉蒙古自治州、巴音郭楞蒙古自治州与克孜勒苏柯尔克孜自治州），3个地区（阿克苏地区、喀什地区与和田地区），以及8个自治区直辖县级市（石河子市、阿拉尔市、图木舒克市、五家渠市、北屯市、铁门关市、双河市与昆玉市），共计105个县级单位①新疆维吾尔自治区人民政府网行政区划.http://www.xinjiang.gov.cn/xinjiang/xzqh/201912/e1fb164b4930437eb4a75852aceecc9d.shtml.（表3）。

表3 新疆行政区划Tab.3 Administrative divisions of Xinjiang

（2）基于草地类型确定草地健康评价区域

新疆草地类型划分为11个大类，25个亚类，131个草地组以及687 个草地型（表4），其中大类包括：高寒草甸类、高寒草原类、高寒荒漠类、山地草甸类、温性草甸草原类、温性草原类、温性荒漠草原类、温性草原化荒漠类、温性荒漠类、低平地草甸类与沼泽类［7］。大类主要考虑以水热组合为中心的气候与植被特征；亚类（类的补充）侧重地形、土壤基质与植被分异；草地组以建群层片的草地植物的经济类群划分；划分草地型以优势种相同、生境条件相似与利用方式一致。

表4 新疆草地类型分类Tab.4 Grassland classification in Xinjiang

（3）采用草地区划及分区确定草地健康评价区域

依据草地所处气候及其草地类型，新疆草地区划包括北疆温性荒漠-山地草地区与南疆暖温荒漠-山地草地区［7］（表5）。草地区划充分考虑草地所处的综合自然地理环境，是在草地类型与生产经营方式基础上划分的自然经济地理区域。

表5 新疆草地区划及其分区Tab.5 The division and subdivision of grassland in Xinjiang

（4）依据草地健康评价目标，综合考虑水热组合、土壤基质、植被分异、建群种、优势种、放牧制度与经营方式等，划定草地健康评价区域及其子区域。

2.2.2 确定草地健康评价的参照区域（系统） 确定参照区域（系统）是草地健康评价的另一个重要因素，通常已知健康水平的草地生态系统都可作为参照系统，该系统与当地环境尤其气候保持协调与平衡所达到的稳定状态［15］。与当地气候保持协调与平衡的草地生态系统，选取符合生态系统健康的全部或部分重要标准［16］，包括活力（自然地境下的最大生产力）、恢复力（稳定与持续的恢复力）、组织结构（生态系统结构稳定性）、生态服务（持续的生态服务功能）、生态屏障（维护相邻的生态系统健康）等。综上所述，参照系统可以采用临近区域内未受破坏或破坏程度很轻的草地生态系统［4］。

2.3 筛选评价指标

草地生态系统分为地上与地下两个相对独立部分，地上、地下通过强烈的互作性调控草地生态系统能量传输、物质循环与信息传递。草地生态系统健康具有自然、社会双重属性，在健康评价中应坚持科学选取指标的原则，即充分考虑草地生态系统物理、化学指标，而且在尺度上注重对个体、种群、群落以及生态系统“健康”状态的生态评价及其服务功能评价［17-19］。本研究根据分类指标的学科属性整合各因子指标，将其分为3大类，包括生物特征指标、生物物理指标与生态功能指标（表6）；该指标体系参照国标《草原健康状况评价》（GB/T 21439-2008），参考草地生态系统健康评价方法关于指标的选取（表7），借鉴了国标《森林生态系统服务功能评估规范》（GB/T 38582-2020）。生物特征指标为草地生态系统的生物特征，包括群落、种群与个体三个层次；生物物理指标为草地生态系统的大气、水与土壤等环境特征以及人类活动的影响；生态功能（或生态服务功能）指标为生产、调节、支撑与文化功能特征。

表7 国内草地健康评价方法Tab.7 The application and method of grassland health evaluation in mainland China

2.4 选择评价方法

生态系统健康评价经历了4 个阶段，即单因子罗列法、单因子复合法、功能评价法与界面过程评价［6］。国内草地生态系统健康评价包括：VOR 评价体系模型、COVR 指数评价体系模型、PSR 评价模型、层析分析法、指数评价法、主成分分析法、模糊综合评价法、聚类分析法与属性综合评价法［14］（表7）。本研究借鉴功能评价法与界面过程评价法，结合多源遥感数据扩展时空尺度，整合草地生态系统健康评价因子（表6）；为规避单一方法的局限，本研究推荐层次分析法、VOR综合指数模型、COVR指数评价模型与PSR 评价模型；采用四分法将评价结果划分为4 个等级（健康、亚健康、警戒与崩溃）［19］，代表草地生态健康状况。

表6 新疆草地生态系统健康评价指标体系Tab.6 The index of grassland ecosystem health evaluation in Xinjiang

2.4.1 层次分析法 层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是一种定性与定量结合、系统化与层次化多目标决策方法。依据指标元素性质及决策要达成的总目标，将指标分解为不同组成因素；针对因素关联与隶属等关系，将各因素按照不同层次划分成组合（即“元素层次化”），构成一个多因子多层次的评价分析结构（模型）。针对研究目标（即最高层，A）建立层次结构模型是层次分析法的重要环节，然后根据目标及问题性质，将系统区分为若干准则层（B）与因子层（C）［38］。最高层（A）是解决问题的总目标；准则层（B）是实现总目标而选择的各种措施、方案所必须遵循的准则，亦称策略层、约束层或中间层；因子层（C）是解决问题的各种措施、方案与具体方法，亦称最低层。针对新疆草地生态系统健康评价，其最高层（A）是“新疆草地生态系统健康评价”；中间层（B）是根据评价目标筛选的评价指标，如生物特征指标-群落状况、种群状况等；因子层（C）是评价指标包含的具体评价因子，如生物特征指标-群落状况-地上生物量、地下生物量等。

2.4.2 VOR 综合指数模型 VOR 综合指数模型通过计算草地生态系统的VOR 指数评估草地健康状况［39］。VOR 模型包括活力（Vigor，V）、组织力（Organization，O）与恢复力（Resilience，R）；其中活力代表草地净初级生产力，组织力为草地植物群落结构，恢复力为草地维持自身结构、功能的能力。主要计算过程如下：

式中：α、β与γ分别为单项指数活力（V）、组织力（O）与恢复力（R）的权重系数，满足α+β+γ=1。2.4.3 COVR指数评价模型 基于VOR模型综合考虑草地基况（Condition，C）产生了COVR指数评价模型［10］。COVR综合指数不仅考虑草地生态系统中生物部分的情况，而且认识到土壤环境也是草地物质能量交换的基础，从而评价草地生态系统健康状况。主要计算过程如下：

式中：Kc、Kv、Ko与Kr分别为C、V、O与R的权重系数；C为基况；反映草地生态系统植物-土壤-大气的界面过程，这是影响草地生态系统结构、功能的环境因子；V为活力；O为组织力；R为恢复力。其中各单项指数C、V、O、R∈[0，1]，其值大于1时均取值为1。

2.4.4 压力-状态-响应模型 压力-状态-响应（Pressure-State-Response，PSR）模型由压力层、状态层和响应层组成。PSR模型是生态系统健康评价常用方法之一，目前广泛用于草地生态系统健康评价。在PSR 模型中，压力层描述人类活动和自然过程对草地生态系统的干扰与胁迫，状态层是草地生态系统的状况，响应层是草地生态系统对环境变化的响应程度［9,26-27］。PSR模型计算过程如下：

式中：HI 为草地生态系统健康综合指数；P为压力层综合值；S为状态层综合值；R为响应层综合值；Pi、Si与Ri为评价指标值；Wi代表指标权重。

2.5 总体框架

新疆草地生态系统健康评价总体框架包括基础工作、筛选评价指标与草地健康评价（图1）。基础工作的重点是确定时空范围与获取基础信息，明确草地生态系统健康评价的总体目标，划定评价区域与确定参照区域，构建草地基础生态地理数据库。确定评价区域和参照区域时应充分考虑基础数据的收集，尤其是在样地样方尺度以及区域尺度的生态、地理与社会经济数据；对收集的数据开展归一化处理、清洗工作，构建评价区域草地生态地理数据库。关于评价指标筛选，采用已构建的生态地理数据库，依据评价目标筛选评价指标（生物特征指标、生物物理指标与生态服务功能指标），构建草地健康评价的指标体系；在参照区域内，开展野外综合调查、实验工作与遥感反演，力求全面筛选草地健康评价指标。结合评价区域综合分析草地健康评价方法，选择适宜的草地健康评价方法，计算草地健康综合分值，以此评估草地生态系统健康状况。最后，针对草地健康等级中的“亚健康”、“警戒”与“崩溃”状况，提出相应的建议与措施。

图1 新疆草地生态系统健康评价总体框架Fig.1 The framework of grassland ecosystem health evaluation of Xinjiang

3 新疆草地生态系统健康评价体系验证

2000 年后，新疆气候以暖湿化为主，利于草地植被生长；然后，因过度放牧与超载放牧，草地植被出现了不同程度的退化。近年来，随着退牧还草、围栏禁牧与草原补助的持续实施，有助于天然草地生态系统健康恢复。本研究以民丰县（隶属于新疆和田地区）温性荒漠类天然草地为例，主要以草地生态系统的生物成分，开展草地生态系统健康评价。民丰县温性荒漠类草地位于昆仑山北麓、塔克拉玛干沙漠南缘，草地型主要包括高山绢蒿（Seriphidium rhodanthum）、驼绒藜（Ceratoides latens）、琵琶柴（Reaumuria soongarica）与麻黄（Ephedra intermedia）。

于2021 年8 月在民丰县叶亦克乡开展实地调查，选择样地样方（表8），设置10 m×10 m的大样方，随机内嵌3 组1 m×1 m 的小样方，分别采集主要植物高度、覆盖度以及地上生物量等指标（图2）。以围栏内草地作为参照系统，分别计算荒漠类草地产草量、覆盖度与生物多样性等指数，采用VOR 综合指数模型评估草地健康程度。在VOR中，权重系数α、β与γ分别为0.3、0.4与0.3；以地上生物量代表草地生态系统活力（V），草地植被高度、覆盖度代表组织力（O），草地群落物种数量代表恢复力（R）。VOR取值位于0～1，假如VOR大于1，则取值为1。

图2 样地采样（a）与低空无人机影像（b）Fig.2 Plot sampling(a)and low-altitude drone image(b)

表8 样地信息Tab.8 The information of the sample plots

大样方草地覆盖度基于大疆无人机（精灵4 多光谱版）采集数据导出为正射影像，在ArcGIS 中提取草地植被覆盖度。草地植被高度为小样方内主要植物或优势种高度。地上生物量将小样方内的草本植物齐地面刈割后分别称重，半灌木、灌木采用标准株法。

分别计算样地VOR 综合指数，2021 年样地P1、P2、P3与P4的VOR 综合指数分别为0.788、0.701、0.769 与0.723；P1、P3处于健康状态，P2、P4处于亚健康状态。样地P1、P3在围栏区内没有放牧活动，草地植被得到持续恢复，其草地产量、覆盖度与物种丰度均有所提高。2000年后，新疆气候为“暖湿化”趋势。气温升高引起草地物候生长季节延长，即草地植被返青期提前与枯黄期延后，促进了草地植被生长；降水增加，尤其昆仑山北坡降水呈显著增加趋势，更有利于温性荒漠类草地植被生长。在围栏措施下（样地P1、P3）温性荒漠类草地没有放牧活动，而且气候变化益于草地植被生长，本文基于VOR综合指数显示样地P1、P3为健康状态，这与陈宸等研究近20 a 新疆荒漠类草地净初级生产力呈上升趋势一致［12］。样地P2、P4在围栏外，利用方式主要为冷季放牧，但其他季节也存在放牧活动。研究资料显示②国家林业和草原局.http://www.forestry.gov.cn/main/586/20200722/094150305995910.html.，当前新疆牛、羊牲畜数量分别为1978 年的2倍、3 倍，与草原类型大体相似的邻国相比，新疆单位面积的实际载蓄量约为哈萨克斯坦的5 倍，草地长期超载利用导致草地发生不同程度的逆向演替。样地P2、P4温性荒漠类草地存在过度放牧迹象，草地植被高度、覆盖度与地上生物量低于围栏内草地，基于VOR 综合指数模型计算结果为亚健康状态。

针对新疆草地生态系统健康评价体系，本研究以温性荒漠类草地为例，主要偏重草地生态系统生物成分；在和田地区民丰县叶亦克乡开展实地调查，采集草地植被地上生物量、高度、覆盖度与种群数量等；采用VOR 综合指数模型分别计算样地的VOR 综合指数；结合新疆的气候变化、放牧活动及政策措施分别解释了样地的草地健康状况。

4 发展趋势

4.1 跨领域与交叉学科

生态系统健康评价吸收了各领域、不同学科的观点。草地作为生态系统的重要类型，草地生态系统健康评价也应当以地学、经济学、生态学、社会学、管理学以及人类健康等领域为研究基础。在跨领域与交叉学科的基础上，全面、客观地开展草地生态系统健康评价，探究人类活动与气候变化导致的草地生态服务功能异常，及其对区域经济、社会的影响，提出相应的建议与措施，这符合草地可持续发展途径与生态系统管理目标。

4.2 大数据、云计算与深度学习

新疆天然草地分布具有鲜明的垂直地带性，在不同纬度、经度和海拔高程因水热组合差异发育了不同的草地类型。针对新疆草地生态系统，综合开展健康评价研究具有复杂性与挑战性。随着计算机软硬件、移动5G、云计算与人工智能的逐步发展，为新疆草地生态系统健康评价创造了条件。构建新疆草地健康智能监测网络，实现草地生态健康动态监测、客观评价与有效预警，加快草地生态健康智能监测网络与新一代信息通讯、人工智能、大数据等新兴技术的深度融合。

4.3 时间尺度延续与空间范围扩展

新疆草地生态系统是一个复合的生态系统，是土壤-大气-水分的连续体，草地健康评价的时间尺度延续与空间范围扩展非常重要。草地健康评价的本质是对收集的历史数据客观分析，以合理利用当前的草地资源，并且对今后的草地资源利用做出可持续的预测与策略。这就决定了短期、小尺度的研究不能全面地解释草地生态系统的演变，也不可能客观诠释草地时空动态演变的因果关系。另一方面，草地生态系统健康评价应扩展空间范围，在个体、种群、群落、生态系统甚至景观、区域尺度上开展草地健康评价。草地健康评价在时间尺度的延续与空间范围的扩展，能够对草地生态系统的现状与变化趋势做出正确的评价与预测。