董云龙，胡新振，陈建纲，邵新庆，张德罡

(1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070；2.中国农业大学 动物科技学院，北京 100083)

基于均方差权值法对不同培育措施高寒草甸的现状评价

董云龙1，胡新振1，陈建纲1，邵新庆2，张德罡1

(1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070；2.中国农业大学 动物科技学院，北京 100083)

在天然草地健康评价中各项指标的权重大小对评价结果有着直接而重要的影响。为探讨青藏高原东缘高寒草地健康状况的合理评价模型，通过均方差权值法对甘南桑科草原不同培育措施高寒草地的植物群落盖度、优势层高度、干草产量和植物根层土壤有机质进行客观赋值综合评价。结果表明：1.各种培育措施对高寒草地植物群落结构和特征均有不同程度的影响；2.施肥处理草地健康状况最好，而放牧干扰草地的最差；3.均方差权值法对草地植物盖度和植物群落优势层高度、干草产量及植物根层土壤有机质含量客观赋值可以用于甘南桑科草原草地健康评价。

均方差权值法；高寒草甸；草地健康评价；培育措施

天然草地是陆地生态系统的主要组成部分，是全球分布面积最大的植被类型之一[1]。我国草地面积为4亿hm2，占国土面积的41.7%，占全球草地面积的13.1%[2]。草地生态系统为人类提供了净初级生产，有气候调节、水源涵养、土壤改良、水土保持，固沙和碳循环调节功能，维持生态系统的多样性的生态服务功能[3]。我国的天然草地不仅是畜牧业的生产基地，而且还是维持草原文化传承的根本和保护全球生态安全的屏障。

近年来，国内经济发展迅速，人们对环境保护的意识逐渐增强，科学合理地利用环境资源，并采取一系列措施，恢复受人类干扰破坏的生态环境。对天然草地生态发展现状日益重视，草地生态系统的健康发展和草畜平衡关系，已经成为近年的研究焦点[4]，退牧还草、轮牧休牧、禁牧、草场承包制等诸多有效措施，目的是使草地既能满足人类物质需求又能使天然草地生态系统稳定健康可持续地发展，在生态环境脆弱的青藏高原草地上显得尤为重要。

目前，在天然草地评价中，国内采用VOR和CVOR综合指标的较多[5-7]，利用草地基础状况、活力、组织力和恢复力等指标[8]，对草地的健康状况进行评价。但是该方法数据处理复杂，并且各项指标的权重系数不易确定。

通过对甘南桑科草原牧草生长季的盖度、高度、地上生物量和根层土壤有机质的测定，根据均方差权值法[9]评价草地状况。均方差权值法常用于城镇化水平和集约度的评价[9-12]，有文章将其变形方法用于天然草地ETM+影像的草地地面指标退化评价[13]。通过对相关的指标进行计算处理，客观赋以权重[9]。笔者尝试利用均方差权值法和草地基本特征的结合对甘南桑科草原不同培育措施草地进行评价。

1 研究区概况

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省夏河县桑科乡，草地类型为高寒草甸，优势植物为垂穗披碱草(Elymusnutans)、柴胡(Bupleurumchinense)、紫花针茅(Gramineae)等，平均海拔3 050 m，年均气温2.6℃ ，年降水量516 mm，年日照2 296 h，≥0℃ 的积温1 214～2 477 ℃ ，≥10℃的积温215～1 636℃。全年无霜期88 d[14]。气候属寒冷湿润类型[15]，大陆性高原气候特点比较明显。

研究区域为河漫滩地带，南北均有东西走向山脉。试验草地土壤类型为亚高山草甸土[16]，土层深度35～50 cm，部分区域土层厚度达100 cm。土壤pH 7.8，有机质1.81%，全氮0.24%，全磷0.084%，全盐0.22%，速效氮185.00 mg/kg，速效磷46.37 mg/kg，速效钾245.60 mg/kg[17]。

1.2 研究方法

根据试验需求，设置样地S1、S2、S3、S4和S5共5个样地(图1)，样地处理前草地状况相近，可忽略样地间的差异。其中，S1为划破草皮+补播草地，S2为放牧草地(平均7.4羊单位/hm2)，S3为对照CK，S4为灭鼠丘+补播草地，S5为施尿素150 kg/hm2草地。

图1 试验样地分布图Fig.1 Distribution map of experimental plots

由于受天然草地植物群落组成复杂、均匀度较差等因素干扰，为了能够准确反映各种培育措施对草地植物群落结构及土壤基本状况的影响，通过对不同培育措施草地进行定点监测，以便获取较为准确的数据。表1为试验地内5个样地的位置信息。

草地植物群落野外调查指标为生长季草地盖度、草地植被优势层高度和地上生物量，其中盖度采用百格针刺法，估测总盖度；高度直接测定样方附近优势层植物的高度，计算平均高度；地上生物量采用干重，测定时间为2012年8月和2013年8月，统计数据时取2年平均值。

在每个样地测定生物量的样方内，随机用土钻取0～20 cm、20～40 cm土壤，同深度土壤混合，用“四分法”分取所需土样，带回实验室，风干，去除较大石块和牛羊粪便，研磨过筛，采用重铬酸钾外加热容量法[18]测定土壤有机质含量。

表1 试验地定点监测位置信息Table1 The coordinates of experimental plots

2 评价模型的构建

2.1 评价指标的处理

鉴于草地生态系统健康状况影响因素参评指标的多面性，为了在不同指标之间进行综合比较，需对选定的指标进行标准化处理。指标i的值Xj对草地健康状况的功效Cij为：

(1)

式(1)中：Xmin和Xmax分别表示指标值中的最小值和最大值。Cij是对草地状况评价中第i个单指标的归一化处理结果，数值范围为[0,1][9]。

2.2 评价指标权重的确定

草地健康状况评价是一个多因素综合评价的过程。需要根据评价草地的特征分析评价指标体系中各因素的重要程度，确定各指标的权重。为了避免人为因素的形象，使指标权重确定更加具有科学性，故采用客观赋值法中的均方差来确定指标权重[9]。计算步骤如下：

(2)

(3)

(4)

式(2)(3)(4)中：Cij为标准化后某项指标的值；pj为随机变量均值；Qj为随机变量均方差；wj为计算指标的权重系数[9,11]。

2.3 草地健康状况的测算

根据选定的指标和确定各项评价指标的权重，在求出功效函数值的基础上，将各指标加权求和，得出草地健康状况的综合评价指标，具体计算公式如下：

(5)

式(5)：Y为草地综合评价指标，数值范围为[0,1][9,11]。Y值越大，草地植被长势越好，表示该草地退化程度越低；反之，表示草地退化程度严重。

3 结果与分析

3.1 草地植被群落特征及其权重

目前，在天然草地评价中，国内采用CVOR综合指标的较多[5,7]，但是该方法并未对4种指标客观地赋加权重，为了能够更加合理客观地比较草地健康状况，对各项评价指标进行客观赋加权重以后再进行综合评价很有必要。

根据对甘南桑科草原天然草地调查，8月基本特征数据和对其处理后的权重见表2。

表2 桑科草原不同培育措施草地群落特征及各指标权重Table2 The community characteristics and its index weight decisions of different management on alpine meadow of Sangkok

注：同行不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

不同培育措施草地之间植被群落盖度以S5最大，与其他处理均差异显著(P<0.05)，S1划破草皮补播草地和S2放牧草地植被群落盖度均显著低于对照草地S3，S4灭鼠丘+补播草地和S5施肥草地植被群落盖度均显著高于S3；S4和S5草地经过培育措施处理，群落优势层高度显著高于S3，S2显著低于S3，S1和S3差异不显著(P<0.05)；S2、S4、S5的干草产量与S3差异显著(P<0.05)；S1、S4、S5草地根层土壤有机质含量差异显著，S2和S5差异显著(P<0.05)。

3.2 模型对草地的评价

根据公式(1)，(4)及(5)和表2中各项指标的权重对甘南草地健康评价计算结果表明(图2)。S4灭鼠丘+补播措施和S5施肥措施对甘南桑科草原天然草地健康恢复具有促进作用，且S5达到评价指标的上限阈值1；S1划破草皮补播评价指数低于S3，放牧干扰草地S2评价指数极低，接近该模型评价指数的下线阈值0。甘南桑科天然草地对S5施加氮肥和S2放牧干扰措施的响应最为强烈。

图2 均方差权值法对甘南桑科不同培育措施草地评价结果Fig.2 The effect of evaluating on alpine meadow under different management by MSD weight decision

4 讨论与结论

不同培育措施对高寒草地的植物群落结构和初级生产力等有很明显的影响。通过对甘南桑科草原天然草地实施划破草皮+补播、放牧干扰、灭鼠丘+补播、施肥等常见草原培育措施的处理，草地对各处理间的响应各不相同。

草地高度是直接影响草地生产能力的指标，表示植物在垂直方向上利用空间的程度。群落中各属种植物占据着不同的垂直空间，并以其茎叶和根系在空间排列不同高度和在土壤分布在不同深度，据此可以在群落中划分层次。群落的高度反映了植物分布生境对其生长的有利程度，也反映着群落初级生产力强弱。群落中植物的地上生物量是研究群落生产力的首要指标。由于草地中各属种植物对不同培育措施条件的响应效果不同，导致各培育措施下草地的生产力有差异。土壤有机质是土壤中氮、磷及其他营养元素的主要来源，植物根层土壤中有机质的含量与草地植物的生长状况息息相关。

划破草皮补播和放牧干扰对草地植被盖度具有抑制作用，其重要原因是划破草皮使部分草皮破坏土壤裸露；高强度的放牧干扰导致家畜过度采食牧草，加之高寒草原天然草地植物再生能力相对较弱等因素，从而引起植物群落盖度、生物量等指标下降。灭鼠丘+补播和施肥管理草地的植物盖度和地上干草产量显著高于对照草地S3(P<0.05)，说明鼠丘在高寒草地是严重影响草地植被盖度的因素之一，鼠丘土壤填复后一年生植物或繁殖能力较强的多年生植物一般会迅速进入土壤定居，能够有效地改善高寒草地覆盖度；施加氮肥后草地盖度和产量显著高于其他草地，说明在甘南桑科草原草地土壤中N素含量是制约草地初级生产力。S2和S3草地植物根层土壤有机质含量低于其他草地，放牧干扰使草地枯落物减少、地表温度高使有机质分解加快的原因导致；鼠丘土壤大部分来自于根层土壤以下，该部分土壤有机质含量极低。

利用均方差权值法用草地植被盖度(%)、群落优势层高度(cm)、地上干草产量(kg/hm2)及植物根层土壤有机质含量(g/kg)4个指标对草地健康状况进行评价尚无标准参考，但根据李辉霞等[3]用累计方差、各变量因子中的载荷(贡献率)及变量的公共部分方差用植株高度、植被盖度和生物量3个指标，对西藏那曲地区天然草地退化研究中提出的等级标准，在高寒草原退化等级中将草地退化程度分为4级[13]：无明显退化(>0.86)、轻度退化(0.54～0.86)、中度退化(0.26～0.54)、重度退化(≤0.26)。

通过对甘南桑科草原不同培育干扰措施的天然草地进行健康评价，结果发现：S5施肥草地为无明显退化草地、S3对照草地和S4灭鼠丘+补播草地为轻度退化草地、S1划破草皮+补播草地为轻度退化草地、S2放牧干扰草地为重度退化草地。用均方差权值法对草地植物群落盖度、优势层高度、干草产量和植物根层土壤有机质含量4项指标客观赋以权重，评价草地健康状况的方法比CVOR方法在数据处理上简单易行，人为误差减少，增强了不同区域草地之间草地健康状况的可比性。

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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

国家公益性行业(农业)科研专项“青藏高原社区畜牧业”子课题“夏河社区天然草地保护与合理利用技术研究与示范”(210203006)项目资助

董云龙(1987-)，男，甘肃宁县人，硕士研究生。 E-mail：dong-yunlong@qq.com 张德罡为通讯作者。

S 812

A

1009-5500(2015)06-0046-05