人为干扰对阿尔泰山林地和草地生态系统健康影响分析

2022-11-29罗腾峰殷锡凯徐海量徐福军

西北林学院学报 2022年6期

罗腾峰，叶茂，殷锡凯，徐海量，徐福军

(1.阿尔泰山国有林管理局阿勒泰分局，新疆阿勒泰 836500；2.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆乌鲁木齐 830054；3.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆乌鲁木齐 830011；4.阿尔泰山国有林管理局，新疆阿勒泰 836500)

地球生态系统健康是人类可持续发展的重要前提[1]。众多学者对不同类型生态系统健康进展和方法等进行探讨[2-6]，鉴于生态系统类型的多样性及复杂性，不同生态学家提出了不同评价方法，如VOR指数评价模型[7-8]、CVOR评价模型[9-10]、PSR评价模型[11-12]、指数评价法[11]、层次分析法[13-14]、模糊综合评价法[15]和聚类分析法[16]等。其中，Constanza等[17]提出的VOR指数评价方法于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，并且运用到实践中。由于该模型从生态系统可持续能力角度综合评价生态系统健康状况，许多学者应用 VOR模型进行了森林和草地生态系统健康的评价和诊断[14,18 ]。

阿尔泰山是欧亚大陆腹地物种保存十分完整的天然基因库之一，自然资源丰富，草场优良，森林广阔，是新疆极其重要的生态屏障，在新疆未来的社会经济发展中处于重要战略地位[19-20]。近年来，阿尔泰山林地和草地受人类活动的开发、粗放管理等影响，存在林地、草地退化和生态环境质量下降问题。阿尔泰山林地草地的研究主要集中在群落物种多样性[21-22]、生态环境问题等方面[23]。关于阿尔泰山林地草地生态系统健康评价的研究较少，了解林地和草地的健康状况，对林地和草地功能的发挥起到关键作用，以及对林地和草地健康生态系统进行评价，有利于林地和草地保护和管理。鉴于此，本文以阿尔泰山林地和草地为研究对象，通过野外大范围大量样地调查，采用VOR指数模型对林地和草地生态系统健康进行评价。根据典型林区受不同人为活动干扰方式(放牧、旅游和废弃矿)对林地和草地生态系统健康变化，分析人为干扰对林地和草地生态系统健康的影响，可为阿尔泰山各林区林地和草地管理与生态系统恢复提供参考。

1 研究区概况

阿尔泰山脉，呈西北—东南走向，中国境内的阿尔泰山为中段南坡，山体长达500 km(图1)。气候属于典型的温带大陆性气候，年平均降水量194.2 mm(1959-2012年)，年平均气温为4.6 ℃(1959-2012年)，最热月7月的平均气温为21.7 ℃，最冷月12月的平均气温为15.3 ℃夏季温暖湿润，冬季严寒干燥[24]。阿尔泰山草地资源丰富，在600～2 600 m范围内由下至上的植被分布大致为：荒漠草原、森林草原、森林草甸、亚高山草甸和高山草甸。山区土壤类型呈明显的带状分布，由上到下依次为：冰沼土、高山草甸土、亚高山草甸土、生草灰化土、灰色森林土、黑钙土、栗钙土和棕钙土等[25-26]。

图1 研究区概况

2 研究方法

2.1 森林和草地调查方法

阿尔泰山林区人为干扰主要包括放牧、旅游和开矿3种形式。2019年6月和9月在受人为干扰的布尔津、阿勒泰和富蕴3个林区分别设置样地。以牧道、旅游地和废弃矿区3个样地为中心，向外布设的3条辅射状监测样带。样带长度1 000～2 000 m。离样带起点越远，代表人为干扰越少。在牧道和旅游地的每条样带上，每隔200 m内设20 m×20 m的大样方。在矿区3条样带上，每隔100 m设置20 m×20 m的大样方。在大样方内进行乔木监测，监测指标包括：树种、数量、疏透度、树木高度、长势、冠幅和胸径等。在大样方内，随机设置3个1 m×1 m的草地样方。每个草地样方内，详细测量和记录内草种类、数量、高度和盖度等，同时记录经纬度及海拔高度基本信息。监测完后，对每个样方内采用刈割法，称取每个物种的地上生物量鲜重。

2.2 VOR生态系统健康评价模型

VOR模型由活力(Vigor，公式中用V表示)、组织结构(Organization，公式中用O表示)、恢复力(Resilience，公式中用R表示)3个指标来综合反映，即VOR模型，其计算公式为：

VOR=WV×V+WO×O+WR×R

(1)

2.3 生态系统健康等级划分标准

森林健康等级划分参考张秋根等[27]的森林生态环境健康评价中的划分范围，按基本等量和就近取整的原则，将健康指数VOR值细分为5个等级，等级划分范围为[0，1]，草地生态系统健康等级是结合国内对寒区旱区草地生态系统健康等级划分方法，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，据此来评价草地生态系统健康状况(表1)。

表1 森林和草地生态系统健康评价等级划分

3 结果与分析

3.1 森林和草地生态系统健康各项指标评价

阿尔泰山的布尔津、阿勒泰和富蕴3个林区林地和草地活力(V)、组织力(O)、恢复力(R)和健康指数(VOR)计算结果如图2和图3所示。阿勒泰林区林地生态系统健康值VOR>0.85，处于非常健康状态。其中林地V和O值均高于0.85非常健康标准，可见林地活力和恢复力整体水平高。富蕴林区林地健康指数0.70.7)而林地活力和恢复力均处于亚健康的临界状态(V和R=0.56)。

图2 阿尔泰山林地生态系统健康指数整体评价

图3 阿尔泰山不同林区草地生态系统健康指数

整体上，阿勒泰林区和布尔津林区草地处于健康状态(VOR>0.75)，而富蕴林区草地处于不健康状态。阿勒泰林区草地的V值和R值均大于0.75的健康标准，说明草地的活力和恢复力整体水平较高，其中草地组织能力最强(O>0.9)，草地系统结构比较稳定。布尔津林区的草地健康指标VOR为0.752，处于健康的临界状态。主要体现在其草地的活力和恢复能力较低(<0.70)。富蕴林区草地的不健康状态也主要表现草地活力和恢复能力低，虽然草地组织力处于健康状态(R>0.75)，但也不能改变草地不健康状态。

3.2 旅游活动对森林和草地生态系统健康的影响

选择布尔津林区的人为干扰强烈的喀纳斯旅游区和旅游活动干扰少的对比样地，分析旅游活动对林地生态系统健康的影响。图4表明，布尔津林区内，旅游活动人为干扰较少的禾木山地、贾登峪山地和喀纳斯河谷样地的林地处于健康状态(VOR>0.7)。而喀纳斯旅游区林地处于不健康状态。说明布尔津林区旅游活动对林地生态系统影响显著。

图4 布尔津林区旅游对林地生态系统健康影响

图5可知，布尔津林区喀纳斯旅游样地内的草地VOR>0.75，处于健康状态，而禾木、贾登峪山地和喀纳斯河谷的草地均处于不健康状态(0.5

图5 布尔津林区旅游活动对草地生态系统健康影响

3.3 放牧对林地和草地生态系统健康影响

选择阿勒泰林区和富蕴林区人为干扰强烈的牧道和放牧干扰少的对比样地，分析放牧对草地生态系统健康的影响。图6和图7表明，阿勒泰林区牧道样地的草地生态系统的活力、组织力、恢复力及VOR均>0.75，说明草地生态系统处于健康状态。

图6 阿勒泰林区放牧对草地生态系统健康影响

图7 富蕴林区放牧对森林和草地生态系统健康影响

富蕴林区牧道样地的草地生态系统的组织力、恢复力及VOR均>0.75，但活力<0.6，说明富蕴林区组织力、恢复力均处于健康状态，活力较差，但总体处于健康状态。

3.4 开矿对草地生物量及生态系统健康影响

以富蕴县的废弃矿区为例，选择3个样地做草地样带调查，结果如图8所示。这3个样带的草地生态系统的健康VOR值为0.83，处于健康状态。其他各项指标V、O和R值均>0.75，达到草地生态系统健康标准。

图8 富蕴矿草地生态系统健康指数

3.5 人为干扰对草地生物量及多样性的影响

以富蕴林区库依至沙库尔布拉克的矿区废弃地周围的草地植被调查为例，分析矿区3个样带对周围植被的影响(图9)。由图9可以看出，随着离矿区距离的增加，草地的总生物量出现下降趋势。草地总盖度在300 m处增加到最高值，300 m以后，随着距离的增加开始出现明显下降趋势。从草地物种多样性看，距离矿区300 m前后，草地的丰富度、多样性和均匀度变化较大。距离矿区300 m以内，草地多样性和丰富度随着离矿区距离的增加而出现下降趋势，300 m以外，随着离矿区距离的增加而出现不同程度的增加趋势。而草地均匀度指数随着距离的增加而出现缓慢增加，在距离400 m处达到最高值。在400 m以外，均匀度指数开始出现下降趋势。

图9 富蕴林区开矿废弃地植被生物量、总盖度和多样性统计

以阿勒泰林区为例，分析旅游活动和放牧对不同时期草地生物量和多样性影响(图10、图11)。从旅游活动影响看，6月和9月的生物量差异显著。6月份值为125.20 g/m2，9月份降低为55 g/m2，但6月和9月草地多样性差异不显著(P>0.05)。可见，旅游区游客对草地的多样性影响不大，但受到游客践踏的影响，草地的生物量有所下降。从牧道两侧草地变化看，6月和9月，牧道两侧草地生物量和多样性差异极其显著(P<0.05)。6月份牧道两侧草地的生物量为264.95 g/m2，9月份降低到157 g/m2。物种的丰富度也从6月份的0.63下降到0.18，Simpson多样性指数从0.58下降到0.44。

图10 阿勒泰林区人为干扰区不同月份草地生物量对比

图11 阿勒泰林区人为干扰区不同月份草地物种多样性对比

3.6 不同人为干扰方式对草地生态系统健康影响差异性

以阿尔泰山布尔津和阿勒泰旅游区为例，分析人为干扰区草地生态系统健康状态。图12表明，布尔津和阿勒泰旅游区草地生态系统的活力(V)、组织力(O)、恢复力(R)及VOR均>0.75，而且2个旅游区的草地生态系统健康的各项指标差异不显著(P>0.05)，说明这2个旅游区的草地生态系统处于健康状态，差异不大。阿勒泰山旅游区草地组织力指数(O)远高于布尔津旅游区的草地组织力指数(O)，因此，阿勒泰旅游区的草地生态系统健康水平要高于布尔津旅游区的草地生态系统健康水平。

图12 阿勒泰和布尔津林区旅游样地草地健康指数对比

对比阿勒泰林区和布尔津林区不同人类活动干扰区(旅游区和牧道)草地生态系统健康各项指数分析，结果如图13所示。整体上，2种不同人类活动干扰方式下草地生态系统健康各项指标均>0.75，说明不同人类活动干扰方式下的草地生态系统处于健康状态。不同人类活动干扰方式下的林区草地健康水平的排序为牧道>旅游区。因此更应该注重旅游区草地生态系统的保护和可持续利用。

图13 阿勒泰、布尔津林区旅游和牧道样地草地健康指数对比

对比阿尔泰山不同人类活动干扰区(牧道、旅游和矿区)草地生态系统健康各项指数分析，结果如图14所示。整体上，3种不同人类活动干扰方式下草地生态系统健康各项指标均>0.75，说明不同人类活动干扰方式下的草地生态系统处于健康状态。4个指标处于组织力(O)指标外，在不同人类活动干扰方式下，草地其他3个指标差异不显著。说明这3种人类活动干扰对草地的影响差异不大。不同人类活动干扰方式下的林区草地健康水平的排序为牧道>矿区>旅游区。因此更应该注重旅游区草地生态系统的保护和可持续利用。