京津风沙源区草地生态修复技术评价

宁晨东，周利军，齐 实，孙保平，李 月，张 琪，刘孝盈

(1 北京林业大学 水土保持学院，北京100083；2 长江水利委员会 水土保持监测中心站，湖北 武汉430010；3 贵州财经大学 公共管理学院，贵州 贵阳550025；4 中国水利水电科学研究院，北京100048)

京津风沙源治理工程作为我国的一项重要生态工程，是修复我国北方退化草原、构筑北方生态屏障的重要组成部分，对遏制京津地区的风沙危害、改善区域生态环境具有重要作用，同时对于提升首都国际形象、推动区域生态经济发展也具有重要意义[1-2]。草原作为工程区内最大的生态系统，面积占工程区总面积一半以上，达到58.10%[3]，其退化引起的草地生产力降低、土地沙化、沙尘暴等一系列生态环境问题，严重影响着京津风沙源治理工程区的生态安全[4-6]。京津风沙源治理一期工程于2001年启动，2012年结束，二期工程(2013-2022年)随之开始实施。草地作为区域内分布范围最广的占地类型，前人总结了大量的针对草地生态修复的技术，这些技术在恢复退化生态系统方面发挥着关键作用[7-8]。因此，对京津风沙源治理工程区草地生态修复技术进行总结与评价，有助于促进我国草地生态修复技术的进一步推广，并为草地生态治理工程的规划和实施提供参考[9]。

京津风沙源治理工程自实施以来，其治理效果受到了学者们的广泛关注。众多学者研究了工程区内生态系统服务价值的变化[10-12]，也有学者针对某一生态特征进行研究，如严恩萍等[13]基于遥感影像，分析了京津风沙源治理区植被覆盖的时空演变特征；于宝勒等[14]利用土壤风蚀模型，估算了内蒙古风沙源治理区风蚀模数的年际变化；张彪等[15]采用修正风蚀方程，评估了京津风沙源区防风固沙功能的整体变化和区域差异。在技术效益方面，张良侠等[16]采用碳收支清单法分析了区域内不同草地治理技术对土壤有机碳库的影响；李愈哲等[17]以风沙源工程的草原治理区为研究对象，通过野外监测调查，对比了4种典型治理措施对草地群落生态特征的差异性影响；蒋胜竞等[18]则以文献计量法定性评价了国内外不同草地治理技术对退化草地的恢复效果。

京津风沙源治理工程实施至今近20年，现有研究多着眼于整体生态服务功能的变化，忽略了对区域内具体生态修复技术实施效果的关注，且尚欠缺对生态修复技术适用性的分析与评价，较大程度上影响了对具体修复技术的认知和使用。因此对区域内草地生态修复技术进行比较与评价，对指导下一步生态工程的规划、促进生态治理工程的良性发展具有重大意义。

鉴于此，本研究基于中国学术期刊全文数据库(CNKI)和Web of Science核心数据库，收集自京津风沙源治理工程启动以来区域内实施的草地生态修复技术文献，运用综合评分法和空间叠置法对各种技术的修复效果进行综合评价，以期为草地生态恢复研究提供科学导向，并为促进未来生态工程的科学部署和生态修复技术的选择提供参考。

1 研究区概况

京津风沙源区(109°30′-120°53′E，38°50′-46°40′N)西起内蒙古达尔罕茂明安联合旗，东至内蒙古敖汉旗，南起山西省代县，北至内蒙古东乌珠穆沁旗，一期工程总面积45.8万km2[3]。治理区面积广阔，由平原、山地和高原组成，年均降雨量150～800 mm，年均气温-4～12 ℃。根据不同的生物气候带和植被覆被差异，分为荒漠草原亚区、典型草原亚区、浑善达克沙地亚区、大兴安岭南部亚区、科尔沁沙地亚区、农牧交错带草原亚区、晋北山地丘陵亚区和燕山丘陵山地水源保护区8个治理亚区(图1)[19]。工程区主要生态系统类型为草地、林地和耕地，其中草地分布最为广泛。草地治理区位于内蒙古高原内[20]，包括荒漠草原亚区、典型草原亚区和浑善达克沙地亚区。

图1 京津风沙源治理区的范围Fig.1 Location of the Beijing-Tianjin sandstorm source control area

2 数据来源与研究方法

2.1 文献数据

在CNKI数据库中，以“(‘草地’+‘草原’+‘草场’)*(‘恢复’+‘治理’+‘修复’)”为主题进行检索，设置文献检索时段为2001年1月-2020年7月。同时补充Web of Science核心数据库中与我国相关的草地修复论文，检索式为“TS=(grassland OR steppe OR meadow OR pasture OR rangeland) AND TS=(restore OR rehabilitate OR regenerate OR establish ) AND CU=China”，同样设置检索时段为2001-2020年(文献类型精炼为研究性论文“Article”)。初步检索共得到CNKI数据库中的7 548篇文献和Web of Science核心数据库中的879篇文献。阅读文献标题和摘要剔除不相关学科领域的文献后，得到1 571篇中文和48篇英文共1 619篇文献；进一步阅读全文，按照预设的筛选条件剔除不满足要求和重复的研究文献，最终将143篇文献(132篇中文,11篇英文)纳入技术分析。文献筛选原则为：①研究案例为京津风沙源工程区内的野外探究性试验且地理位置信息准确；②恢复措施明确且为单项修复技术；③对生态修复技术的研究具有可测定的指标。从纳入技术分析的143篇文献中提取有效信息和数据，包括草地生态修复技术的种类、研究案例地理位置和效益指标值。

2.2 可视化图谱分析

CiteSpace是一款专门用于学术文献分析的可视化软件，能对特定学科领域的文献进行统计、分析和挖掘，包括对机构、作者、关键词、引文和时间序列的分析等，最终以图谱的方式展现，最常被用到的功能是共被引分析和共现分析[21-22]。本研究借助CiteSpace的关键词共现分析功能进行指标分析，探求我国草地生态修复技术领域的主要研究内容和研究方向[23]。

2.3 指标量化及评价方法

(1)效益指标值的量化。以各项生态修复技术的影响程度来计算。计算公式为：

I=(Ip-Ic)/Ic×100%。

(1)

式中：I为生态修复技术的影响程度，Ip为技术实施后的相关指标量化值，Ic为技术实施前的相关指标量化值。

(2)效益定量化评价。技术效益包括生态效益和经济效益，生态修复技术实施的最终目的是要恢复脆弱的生态环境，因此，在技术选择时应更加注重其生态效益。参考已有研究结果[24]，在效益的定量评价中，确定生态效益的权重为0.54，经济效益的权重为0.46，采用综合评分法进行计算。计算公式如下：

R=0.54R1+0.46R2。

(2)

(3)

(4)

式中：R为技术效益值，R1为技术生态效益量化值，R2为技术经济效益量化值，n1为生态效益指标个数，ri为第i个生态效益指标值，n2为经济效益指标个数，rj为第j个经济效益指标值。

2.4 空间数据获取

本研究所使用的2010年平均降水量分布图、2010年平均气温分布图和全国1∶1 000 000植被类型空间分布图，均来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http：//www.resdc.cn/)，在ArcGIS 10.5中，以空间叠置法进行空间数据的分析和计算。

3 草地生态修复研究指标与技术分析

3.1 研究指标分析

将纳入指标分析的1 619篇文献输入CiteSpace中进行关键词共现分析，合并同义关键词后提取共现频次较大的关键词，得到关键词共现图谱如图2所示，图中节点年轮越大表示共现频次越大，连线粗细表示了关键词之间的紧密程度[25]。对关键词进行甄别，草地修复效益指标的研究主要包括地上群落指标和地下土壤指标，地上群落指标包括物种多样性、地上生物量和群落特征，地下土壤指标包括土壤养分、土壤水分、土壤理化性质、土壤有机碳、土壤团聚体和土壤种子库等。

图中节点年轮越大表示共现频次越大，连线粗细表示关键词之间的紧密程度Larger annual ring of node indicates greater frequency of co-occurrence.Thickness of the connection lines indicates the degree of closeness between keywords

3.2 修复技术分析

从最终纳入的143篇研究文献中，共收集到研究区内213例研究案例的草地生态修复技术21项。各项技术研究案例数量及其在调查案例总数量中的占比如表1所示。

表1 京津风沙源区草地生态修复技术研究案例数量及占比Table 1 Grassland ecological restoration technologies in Beijing-Tianjin sandstorm source area

按治理目的可将研究区草地生态修复技术分为草场恢复技术和防风固沙技术，草场恢复技术又可以按照技术属性分为直接修复技术、间接促进技术和辅助性技术环节，具体见表2。

表2 京津风沙源区草地生态修复技术分类Table 2 Classification of grassland ecological restoration technologies in Beijing-Tianjin sandstorm source area

3.2.1 技术种类分布 各项研究案例在项目区内的分布情况如图3所示。

a.年均降水分布;b.年均气温分布a.Annual mean precipitation distribution；b.Annual mean temperature distribution

从图3可以看出，典型草原亚区是草地生态修复技术分布最为集中的亚区(97次)，其次为浑善达克沙地亚区(57次)和荒漠草原亚区(32次)，另有少量的草地生态修复技术在其他非草地治理亚区内零星分布。在草地生态修复技术的种类上，典型草原亚区是各种类修复技术使用最多的亚区，共用到草地生态修复技术14项，浑善达克沙地亚区和荒漠草原亚区内分别为10项和9项。可见在京津风沙源区内，草地生态修复技术的使用和研究，在治理分区上有较明显的差异，典型草原亚区、浑善达克沙地亚区以及荒漠草原亚区是草地生态修复技术集中分布的区域，其他亚区内分布较少，其中典型草原亚区内草地生态修复技术出现次数最多，技术种类也最多，荒漠草原亚区出现次数最少且技术种类也最少。在各项草地生态修复技术中，围栏封育技术、人工草地建植技术和补播草种技术是在各分区内均有分布且出现次数较多的草地生态修复技术。

京津风沙源区内各项草地生态修复技术主要分布在典型草原亚区东南部、荒漠草原亚区西部和浑善达克沙地亚区东南部。从年均降水量的分布上来看，草地生态修复技术大多分布在年均降水量高于200 mm的区域，在年均降水量300～500 mm区域分布最为集中；在年均降水量低于200 mm的干旱区，仅分布有围栏封育技术。在年均温度的分布上，草地生态修复技术集中分布在0～5 ℃的区域内，在0 ℃以下和5～10 ℃区域内仅有少量分布。

3.2.2 技术实施效果 从143篇文献中提取各项草地生态修复技术的实施效果，将实施效果分为促进作用、抑制作用和无影响3种[18]。促使生态指标值显著向好发展即为促进作用，显著向不利于生态修复的方向发展为抑制作用，修复技术实施前后生态指标值无显著差异的研究案例则为无影响。表3所示为京津风沙源区内各项草地生态修复技术对生态指标恢复效果的计量统计。

表3 京津风沙源区不同草地生态修复技术实施效果的案例数量Table 3 Implementation effects of different grassland ecological restoration technologies in the Beijing-Tianjin sandstorm source area

表3(续) Continued table 3

表3统计结果表明，各研究案例更关注地上群落指标的恢复效果，对地下土壤指标的关注次之。地上生物量是受关注最多的生态指标(178次)，其次为群落盖度(135次)和群落高度(108次)，物种多样性是研究案例最少的地上群落指标(64次)；地下土壤指标中，有关土壤水分的研究案例数量最多(43次)，其次为土壤有机质(36次)。不同的草地生态修复技术有90%以上的研究案例对地上生物量、群落盖度、群落高度和土壤容重有促进作用，对物种多样性和土壤有机碳有促进作用的案例相对较少，仅有78.1%的研究案例表明对土壤有机碳有促进作用，有65.6%的研究案例对物种多样性有促进作用。

京津风沙源区内草地生态修复技术总体实施效果良好，共统计到对生态指标有促进作用的研究案例595例，占调查案例总数的91%。但在不同草地生态修复技术和不同的生态指标上，仍表现出一定的差异性。大部分草地生态修复技术对各项生态指标促进作用明显，但围栏封育、人工种草和草地翻耕对物种多样性的促进作用较小，有促进作用的研究案例占比分别为61%,64%和44%，而草地翻耕对土壤种子库、草地牧鸡对地上生物量和群落盖度、生物沙障对土壤水分指标均存在不同程度的抑制作用。

4 草地生态修复典型技术的评价

从技术的分类(表2)来看，围栏封育、人工草地建植和补播草种技术是对草场修复有直接影响的技术；在研究案例数量上，这3项技术的研究案例之和占总调查案例的63%；在区域分布上，这3项技术在京津风沙源各草地治理亚区内均有分布，是分布较为广泛的草地生态修复技术。因此，认为围栏封育技术、人工草地建植技术和补播草种技术是可以宏观反映京津风沙源治理区内草地生态修复效益的较为典型的生态修复技术。

4.1 技术效益的定量评价

技术效益是技术选择的主要驱动力[26]。基于文献数据库的技术效益定量评价，要求所选取生态指标的测量方法具有统一性，测量数据具有可统计性。地下土壤指标的变化由于不同研究的取土厚度和测定方法不一，难以用统一的标准进行统计，故本研究草地生态修复技术效益评价的量化指标，选取研究更广泛且便于用统一标准进行统计的地上群落指标。以群落高度、群落盖度和群落多样性作为草地生态修复技术生态效益的衡量指标，以草地生产力(地上生物量)作为草地生态修复技术经济效益的衡量指标[27]，选择大部分研究中采用的香农-威纳指数(Shannon-Wiener)作为群落物种多样性的比较指标。从筛选出的文献中，分别提取3项草地生态修复技术实施前后各项恢复指标的具体数值，采用SPSS 22.0进行数据统计与分析，运用公式(1)计算各项恢复技术对草地群落原有状态的影响程度，结果见表4。

表4 京津风沙源区不同草地生态修复技术实施前后草地群落特征的比较Table 4 Comparison of grassland community characteristics before and after the implementation of different grassland ecological restoration technologies in the Beijing-Tianjin sandstorm source area

运用公式(2)～(4)计算围栏封育、人工草地建植和补播草种3项草地生态修复技术的效益值，得到定量评价结果见表5。表5表明，围栏封育、人工草地建植和补播草种3项技术的效益值得分表现为人工草地建植>补播草种>围栏封育。其中以围栏封育技术的效益值最低，为0.988 2；补播草种技术的效益值为1.793 8；人工草地建植技术的效益值为2.634 8，远高于其他2项技术。补播草种技术与人工草地建植技术的生态效益值差异不大，但因其经济效益远低于人工草地建植技术，故在技术效益的最终量化得分上，补播草种技术的效益得分远低于人工草地建植技术。

表5 京津风沙源区草地生态修复技术效益的定量评价结果Table 5 Benefit evaluation of grassland ecological restoration technologies in the Beijing-Tianjin sandstorm source area

4.2 技术适宜性空间叠置分析

技术适宜性是生态技术选择的基础，关系到生态技术的实施效果，也是影响生态技术有效性的重要因素[28]。以立地适宜性作为生态技术适宜性的评价指标，包括其对区域地形条件和气象条件的适宜性[26]。京津风沙源草地治理区位于内蒙古高原内，地形整体变化不大，在立地适宜性上，本研究主要考虑对区域气象条件的适宜性。

研究案例的聚集性可以反映生态修复技术对不同区域的适宜程度。由于围栏封育技术对干旱和低温条件的适应性较强，可以在年均降水量低于200 mm、年均气温低于0 ℃的区域应用；补播草种技术和人工草地建植技术的适应性较弱，补播草种技术集中分布在年均降水量高于200 mm、年均气温高于0 ℃的区域，人工草地建植技术则在年均降水量高于400 mm、年均气温高于0 ℃的区域集中分布。按上述3项技术与气象条件的分布特征，在ArcGIS 10.5中进行空间叠置，将京津风沙源区内草地分布图与降水量、温度数据进行叠加分析，得到3项草地生态修复技术在京津风沙源治理区内的立地适宜范围如图4所示，并按此计算相应的适宜面积。

图4 京津风沙源区草地生态修复技术的适用范围Fig.4 Applicable areas of grassland ecological restoration technologies in the Beijing-Tianjin sandstorm source area

图4表明，围栏封育技术可以应用于京津风沙源草地治理区的绝大部分区域；补播草种技术的适用区域相对减少，主要缺少了典型草原亚区和荒漠草原亚区北部部分地区；人工草地建植技术仅可布设在浑善达克沙地亚区内，典型草原亚区和荒漠草原亚区的立地条件不满足该项技术的布设条件。京津风沙源区内，围栏封育技术、人工草地建植技术和补播草种技术的适宜面积分别为27.6万，5.8万和20.9万km2，分别占整个工程区面积的60%，13%和46%。

4.3 治理亚区草地生态修复的适宜技术

以围栏封育、人工草地建植和补播草种3项典型的草地生态修复技术为例，在对其技术效益和适宜性分析的基础上，确定京津风沙源草地治理区内适宜推广的草地生态修复技术。

技术的选择应首先考虑其适宜性，在区域的立地条件与技术要求的立地条件相匹配后，优先选择效益更高的草地生态修复技术[24]。浑善达克沙地亚区立地条件较好，3项技术均可布设于该亚区内，该亚区是京津风沙源区内风蚀最严重的区域，需要推广可有效促进群落盖度的草地生态修复技术[15]。3项技术中，人工草地建植技术的效益最大，对群落盖度的促进作用也最大，因此，人工草地建植技术是该亚区最适宜推广的草地生态修复技术。荒漠草原亚区生态环境脆弱，对气候变化和强烈的人为活动反应敏感，是京津风沙源区内环境最恶劣、治理难度最大的区域，大部分治理技术难以实施，且无法在短期内改变当地的生态状况[29]。该亚区治理的首要目标是维持原有生态系统的稳定，防止进一步恶化，因此围栏封育技术是该亚区最适宜推广的草地生态修复技术。典型草原亚区全亚区均可以满足围栏封育技术的布设，大部分区域可以满足补播草种技术的布设。遵循先立地适宜性后生态效益的原则，在可以实施补播草种技术的区域优先推广补播草种技术，无法满足补播草种技术的区域，选择围栏封育技术进行草地修复。

5 结论与展望

1)文献分析结果表明，在京津风沙源治理区内，采用的草地生态修复技术共21项，集中分布在典型草原亚区、荒漠草原亚区和浑善达克沙地亚区。在恢复效果上，研究区内草地生态修复技术总体实施效果良好，90%以上的研究案例对不同生态恢复指标有促进作用，对地上生物量、群落盖度、群落高度和土壤容重的促进作用最大，对物种多样性和土壤有机碳的促进作用相对较小。

2)围栏封育技术、人工草地建植技术和补播草种技术是研究案例数量最多且可以在宏观上反应研究区内草地修复效益的主体技术。效益定量评价结果表明，人工草地建植技术效益值最大，补播草种技术次之，围栏封育技术的效益值最小。适宜性分析结果表明，在京津风沙源草地治理区内，围栏封育技术的适宜面积最大，人工草地建植技术的适宜面积最小。综合考虑技术适宜性和技术效益，提出3项典型草地生态修复技术的适宜推广亚区：浑善达克沙地亚区最适宜推广人工草地建植技术，荒漠草原亚区最适宜推广围栏封育技术，典型草原亚区根据立地条件优先推广补播草种技术，在其无法实施的区域则应选择围栏封育技术。

3)对京津风沙源区内21项草地生态修复技术的分布特征和实施效果进行分析，并选取3项典型技术进行了效益定量化和适宜性评价。受研究区内研究案例数量的限制，样本数量不能满足对区域内每项草地生态修复技术的定量评价，后续研究应扩大研究区范围，将更多的研究案例纳入，再对更多的草地生态修复技术进行深入分析和评价。