董云龍，胡新振，陳建綱，邵新慶，張德罡

(1.甘肅農業(yè)大學 草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.中國農業(yè)大學 動物科技學院，北京 100083)

基于均方差權值法對不同培育措施高寒草甸的現(xiàn)狀評價

董云龍1，胡新振1，陳建綱1，邵新慶2，張德罡1

(1.甘肅農業(yè)大學 草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.中國農業(yè)大學 動物科技學院，北京 100083)

在天然草地健康評價中各項指標的權重大小對評價結果有著直接而重要的影響。為探討青藏高原東緣高寒草地健康狀況的合理評價模型，通過均方差權值法對甘南桑科草原不同培育措施高寒草地的植物群落蓋度、優(yōu)勢層高度、干草產量和植物根層土壤有機質進行客觀賦值綜合評價。結果表明：1.各種培育措施對高寒草地植物群落結構和特征均有不同程度的影響；2.施肥處理草地健康狀況最好，而放牧干擾草地的最差；3.均方差權值法對草地植物蓋度和植物群落優(yōu)勢層高度、干草產量及植物根層土壤有機質含量客觀賦值可以用于甘南桑科草原草地健康評價。

均方差權值法；高寒草甸；草地健康評價；培育措施

天然草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，是全球分布面積最大的植被類型之一[1]。我國草地面積為4億hm2，占國土面積的41.7%，占全球草地面積的13.1%[2]。草地生態(tài)系統(tǒng)為人類提供了凈初級生產，有氣候調節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤改良、水土保持，固沙和碳循環(huán)調節(jié)功能，維持生態(tài)系統(tǒng)的多樣性的生態(tài)服務功能[3]。我國的天然草地不僅是畜牧業(yè)的生產基地，而且還是維持草原文化傳承的根本和保護全球生態(tài)安全的屏障。

近年來，國內經(jīng)濟發(fā)展迅速，人們對環(huán)境保護的意識逐漸增強，科學合理地利用環(huán)境資源，并采取一系列措施，恢復受人類干擾破壞的生態(tài)環(huán)境。對天然草地生態(tài)發(fā)展現(xiàn)狀日益重視，草地生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展和草畜平衡關系，已經(jīng)成為近年的研究焦點[4]，退牧還草、輪牧休牧、禁牧、草場承包制等諸多有效措施，目的是使草地既能滿足人類物質需求又能使天然草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定健康可持續(xù)地發(fā)展，在生態(tài)環(huán)境脆弱的青藏高原草地上顯得尤為重要。

目前，在天然草地評價中，國內采用VOR和CVOR綜合指標的較多[5-7]，利用草地基礎狀況、活力、組織力和恢復力等指標[8]，對草地的健康狀況進行評價。但是該方法數(shù)據(jù)處理復雜，并且各項指標的權重系數(shù)不易確定。

通過對甘南?？撇菰敛萆L季的蓋度、高度、地上生物量和根層土壤有機質的測定，根據(jù)均方差權值法[9]評價草地狀況。均方差權值法常用于城鎮(zhèn)化水平和集約度的評價[9-12]，有文章將其變形方法用于天然草地ETM+影像的草地地面指標退化評價[13]。通過對相關的指標進行計算處理，客觀賦以權重[9]。筆者嘗試利用均方差權值法和草地基本特征的結合對甘南桑科草原不同培育措施草地進行評價。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省夏河縣?？凄l(xiāng)，草地類型為高寒草甸，優(yōu)勢植物為垂穗披堿草(Elymusnutans)、柴胡(Bupleurumchinense)、紫花針茅(Gramineae)等，平均海拔3 050 m，年均氣溫2.6℃ ，年降水量516 mm，年日照2 296 h，≥0℃ 的積溫1 214～2 477 ℃ ，≥10℃的積溫215～1 636℃。全年無霜期88 d[14]。氣候屬寒冷濕潤類型[15]，大陸性高原氣候特點比較明顯。

研究區(qū)域為河漫灘地帶，南北均有東西走向山脈。試驗草地土壤類型為亞高山草甸土[16]，土層深度35～50 cm，部分區(qū)域土層厚度達100 cm。土壤pH 7.8，有機質1.81%，全氮0.24%，全磷0.084%，全鹽0.22%，速效氮185.00 mg/kg，速效磷46.37 mg/kg，速效鉀245.60 mg/kg[17]。

1.2 研究方法

根據(jù)試驗需求，設置樣地S1、S2、S3、S4和S5共5個樣地(圖1)，樣地處理前草地狀況相近，可忽略樣地間的差異。其中，S1為劃破草皮+補播草地，S2為放牧草地(平均7.4羊單位/hm2)，S3為對照CK，S4為滅鼠丘+補播草地，S5為施尿素150 kg/hm2草地。

圖1 試驗樣地分布圖Fig.1 Distribution map of experimental plots

由于受天然草地植物群落組成復雜、均勻度較差等因素干擾，為了能夠準確反映各種培育措施對草地植物群落結構及土壤基本狀況的影響，通過對不同培育措施草地進行定點監(jiān)測，以便獲取較為準確的數(shù)據(jù)。表1為試驗地內5個樣地的位置信息。

草地植物群落野外調查指標為生長季草地蓋度、草地植被優(yōu)勢層高度和地上生物量，其中蓋度采用百格針刺法，估測總蓋度；高度直接測定樣方附近優(yōu)勢層植物的高度，計算平均高度；地上生物量采用干重，測定時間為2012年8月和2013年8月，統(tǒng)計數(shù)據(jù)時取2年平均值。

在每個樣地測定生物量的樣方內，隨機用土鉆取0～20 cm、20～40 cm土壤，同深度土壤混合，用“四分法”分取所需土樣，帶回實驗室，風干，去除較大石塊和牛羊糞便，研磨過篩，采用重鉻酸鉀外加熱容量法[18]測定土壤有機質含量。

表1 試驗地定點監(jiān)測位置信息Table1 The coordinates of experimental plots

2 評價模型的構建

2.1 評價指標的處理

鑒于草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況影響因素參評指標的多面性，為了在不同指標之間進行綜合比較，需對選定的指標進行標準化處理。指標i的值Xj對草地健康狀況的功效Cij為：

(1)

式(1)中：Xmin和Xmax分別表示指標值中的最小值和最大值。Cij是對草地狀況評價中第i個單指標的歸一化處理結果，數(shù)值范圍為[0,1][9]。

2.2 評價指標權重的確定

草地健康狀況評價是一個多因素綜合評價的過程。需要根據(jù)評價草地的特征分析評價指標體系中各因素的重要程度，確定各指標的權重。為了避免人為因素的形象，使指標權重確定更加具有科學性，故采用客觀賦值法中的均方差來確定指標權重[9]。計算步驟如下：

(2)

(3)

(4)

式(2)(3)(4)中：Cij為標準化后某項指標的值；pj為隨機變量均值；Qj為隨機變量均方差；wj為計算指標的權重系數(shù)[9,11]。

2.3 草地健康狀況的測算

根據(jù)選定的指標和確定各項評價指標的權重，在求出功效函數(shù)值的基礎上，將各指標加權求和，得出草地健康狀況的綜合評價指標，具體計算公式如下：

(5)

式(5)：Y為草地綜合評價指標，數(shù)值范圍為[0,1][9,11]。Y值越大，草地植被長勢越好，表示該草地退化程度越低；反之，表示草地退化程度嚴重。

3 結果與分析

3.1 草地植被群落特征及其權重

目前，在天然草地評價中，國內采用CVOR綜合指標的較多[5,7]，但是該方法并未對4種指標客觀地賦加權重，為了能夠更加合理客觀地比較草地健康狀況，對各項評價指標進行客觀賦加權重以后再進行綜合評價很有必要。

根據(jù)對甘南?？撇菰烊徊莸卣{查，8月基本特征數(shù)據(jù)和對其處理后的權重見表2。

表2 ?？撇菰煌嘤胧┎莸厝郝涮卣骷案髦笜藱嘀豑able2 The community characteristics and its index weight decisions of different management on alpine meadow of Sangkok

注：同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

不同培育措施草地之間植被群落蓋度以S5最大，與其他處理均差異顯著(P<0.05)，S1劃破草皮補播草地和S2放牧草地植被群落蓋度均顯著低于對照草地S3，S4滅鼠丘+補播草地和S5施肥草地植被群落蓋度均顯著高于S3；S4和S5草地經(jīng)過培育措施處理，群落優(yōu)勢層高度顯著高于S3，S2顯著低于S3，S1和S3差異不顯著(P<0.05)；S2、S4、S5的干草產量與S3差異顯著(P<0.05)；S1、S4、S5草地根層土壤有機質含量差異顯著，S2和S5差異顯著(P<0.05)。

3.2 模型對草地的評價

根據(jù)公式(1)，(4)及(5)和表2中各項指標的權重對甘南草地健康評價計算結果表明(圖2)。S4滅鼠丘+補播措施和S5施肥措施對甘南?？撇菰烊徊莸亟】祷謴途哂写龠M作用，且S5達到評價指標的上限閾值1；S1劃破草皮補播評價指數(shù)低于S3，放牧干擾草地S2評價指數(shù)極低，接近該模型評價指數(shù)的下線閾值0。甘南?？铺烊徊莸貙5施加氮肥和S2放牧干擾措施的響應最為強烈。

圖2 均方差權值法對甘南?？撇煌嘤胧┎莸卦u價結果Fig.2 The effect of evaluating on alpine meadow under different management by MSD weight decision

4 討論與結論

不同培育措施對高寒草地的植物群落結構和初級生產力等有很明顯的影響。通過對甘南桑科草原天然草地實施劃破草皮+補播、放牧干擾、滅鼠丘+補播、施肥等常見草原培育措施的處理，草地對各處理間的響應各不相同。

草地高度是直接影響草地生產能力的指標，表示植物在垂直方向上利用空間的程度。群落中各屬種植物占據(jù)著不同的垂直空間，并以其莖葉和根系在空間排列不同高度和在土壤分布在不同深度，據(jù)此可以在群落中劃分層次。群落的高度反映了植物分布生境對其生長的有利程度，也反映著群落初級生產力強弱。群落中植物的地上生物量是研究群落生產力的首要指標。由于草地中各屬種植物對不同培育措施條件的響應效果不同，導致各培育措施下草地的生產力有差異。土壤有機質是土壤中氮、磷及其他營養(yǎng)元素的主要來源，植物根層土壤中有機質的含量與草地植物的生長狀況息息相關。

劃破草皮補播和放牧干擾對草地植被蓋度具有抑制作用，其重要原因是劃破草皮使部分草皮破壞土壤裸露；高強度的放牧干擾導致家畜過度采食牧草，加之高寒草原天然草地植物再生能力相對較弱等因素，從而引起植物群落蓋度、生物量等指標下降。滅鼠丘+補播和施肥管理草地的植物蓋度和地上干草產量顯著高于對照草地S3(P<0.05)，說明鼠丘在高寒草地是嚴重影響草地植被蓋度的因素之一，鼠丘土壤填復后一年生植物或繁殖能力較強的多年生植物一般會迅速進入土壤定居，能夠有效地改善高寒草地覆蓋度；施加氮肥后草地蓋度和產量顯著高于其他草地，說明在甘南?？撇菰莸赝寥乐蠳素含量是制約草地初級生產力。S2和S3草地植物根層土壤有機質含量低于其他草地，放牧干擾使草地枯落物減少、地表溫度高使有機質分解加快的原因導致；鼠丘土壤大部分來自于根層土壤以下，該部分土壤有機質含量極低。

利用均方差權值法用草地植被蓋度(%)、群落優(yōu)勢層高度(cm)、地上干草產量(kg/hm2)及植物根層土壤有機質含量(g/kg)4個指標對草地健康狀況進行評價尚無標準參考，但根據(jù)李輝霞等[3]用累計方差、各變量因子中的載荷(貢獻率)及變量的公共部分方差用植株高度、植被蓋度和生物量3個指標，對西藏那曲地區(qū)天然草地退化研究中提出的等級標準，在高寒草原退化等級中將草地退化程度分為4級[13]：無明顯退化(>0.86)、輕度退化(0.54～0.86)、中度退化(0.26～0.54)、重度退化(≤0.26)。

通過對甘南桑科草原不同培育干擾措施的天然草地進行健康評價，結果發(fā)現(xiàn)：S5施肥草地為無明顯退化草地、S3對照草地和S4滅鼠丘+補播草地為輕度退化草地、S1劃破草皮+補播草地為輕度退化草地、S2放牧干擾草地為重度退化草地。用均方差權值法對草地植物群落蓋度、優(yōu)勢層高度、干草產量和植物根層土壤有機質含量4項指標客觀賦以權重，評價草地健康狀況的方法比CVOR方法在數(shù)據(jù)處理上簡單易行，人為誤差減少，增強了不同區(qū)域草地之間草地健康狀況的可比性。

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Assessment of different managements on alpine meadow based on mean-squared deviation weight decision

DONG Yun-long1,HU Xin-zhen1,CHEN Jian-gang1,SHAO Xin-qing2,ZHANG De-gang1

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China；2.CollegeofAnimalScienceandTechnology,ChinaAgriculturalUniversity)

In multi-indicator synthetic evaluation on rangeland health，the weight of various evaluation index directly influence the result.In order to investigate the reasonable evaluation model for alpine meadow health,the rangeland coverage(%),dominant canopy height(cm),dry matter yield(kg/ha)and soil organic matter content of root zone(g/kg)of alpine meadow under different management were used to evaluate the health status by mean square deviation weights method in eastern edge of Tibetan Plateau.The result indicated that,1) the structure and characteristics of vegetation community were influenced by different management to different degreed;2) the health index of fertilization treatment was the highest and the grazing treatment was the lowest;3) the mean square deviation weights method was suiTableto evaluate the health status of alpine meadow by properly calculating the weights of coverage,dominant canopy height,dry matter yield and organic matter content of root zone soil.

mean-squared deviation weights method;MSD;alpine meadow;rangeland health

2014-04-30；

2015-10-30

國家公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項“青藏高原社區(qū)畜牧業(yè)”子課題“夏河社區(qū)天然草地保護與合理利用技術研究與示范”(210203006)項目資助

董云龍(1987-)，男，甘肅寧縣人，碩士研究生。 E-mail：dong-yunlong@qq.com 張德罡為通訊作者。

S 812

A

1009-5500(2015)06-0046-05