草地退化程度诊断系列问题探讨及研究展望
2021-06-22
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第29卷第3期中国草地学报2007年5月Vol .29No.3ChinesejournalofGrasslandMa扒2007文章编号:1673一5021(2007)03一0090一08草地退化程度诊断系列问题探讨及研究展望闰玉春‘,唐海萍‘,‘,张新时‘2,(1,北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室/北京师范大学资源学院,北京10o8752.中国科学院植物研究所, 北京1o0o93)摘要: 草地退化程度诊断是退化草地生态系统恢复和重建的前提和基础。对草地生态系统退化程度诊断流程中的各个环节进行了总结和讨论,从结构和功能两个方面建立草地生态系统退化程度诊断指标体系,并提出了通过结构途径与功能途径结合的方法来对退化生态系统进行综合诊断的思路。同时,提出草地退化程度诊断存在的问题及今后研究的重点发展方向。关键词: 草地退化程度;诊断;结构途径;功能途径中图分类号: 8512.5文献标识码:A在恢复生态学研究的众多焦点中,有关生态系 恢复重建工作以及相关政府决策和管理部门制定宏统退化的研究倍受关注,而退化程度的确定是一个观政策和管理措施提供理论依据和实践指导。基本问题川。生态系统从一个稳定状态演替到脆弱的不稳定的退化状态,在这一过程中生态系统在系1草地退化概念统组成、结构、能量和物质循环总量与效率、生物多草地退化是草地生态学和草地经营学中倍受关 样性等方面均会发生质的变化阁。生态系统退化程注的问题。然而,对草地退化的概念有着不同的理度正是对这一过程中不同阶段的生态要素和生态系解,许多学者从不同角度对草地退化给出不同的定统整体状态的一种描述性概念。与生态系统退化概义。如“草地退化是指放牧、开垦、搂柴等人为活动念相对应,国内外诸多研究从另外一个角度进行展下,草地生态系统远离顶极的状态,[,,幻;“草地退化开,包括生态系统健康、可持续性、完整性、自然性、是指草地承载牲畜的能力下降,进而引起畜产品生野生性等〔3一‘6〕。这些概念都是研究者从不同的知产力下降的过程”[s1〕;“草地退化既指草的退化,又识背景和角度进行描述的,他们尽管各有侧重,但在指地的退化,其结果是整个草地生态系统的退化,实质上都是相同的,总之他们都是与生态系统退化破坏了草原生态系统物质的相对平衡,使生态系统相对的概念。而相对于这些概念而言,生态系统退逆向演替”吻〕,“草地退化是荒漠化的主要表现形式化的概念则更为直接和易于描述和理解。之一,是由于人为活动或不利自然因素所引起的草 我国有4亿hm“不同类型的草地,其中90%以地(包括植物及土壤)质量衰退,生产力、经济潜力上处于不同程度退化之中[;l〕.草地退化已是限制及服务功能降低,环境变劣以及生物多样性或复杂我国草地生态功能发挥、生产力提高的重要因素。程度降低,恢复功能减弱或丧失恢复功能心‘。周。对退化草地的恢复和重建迫在眉睫,其前提和基础实质上,草地退化是指草地生态系统逆行演替的一则是对草地退化程度进行科学的诊断。而目前仍缺种过程。乏综合而简单实用的生态系统退化程度系统诊断方 但应说明,从生态学角度而言的草原植被退化法,尤其对草地生态系统这方面的研究则更需要加(生态退化)和从草场经营角度而言的草原草场退化强。对草地生态系统退化进行深人研究,定量分析(草场退化)是有所区别的。前者是指草原生态系统 本文对草地生态系统退化程度诊断的系列问题,通讯作者.卜mail:tanghp@bnu.edu・cn收稿日期:2006一11一22;修回日期:2007一01一21地生态系统退化程度诊断指标体系,并提出了通过甚金项目国家自然科学基金面上项目(40571057,30370274)作者简介同玉春(1979一),男,内蒙古赤峰市人,博士生.主要从事退化草地生态系统恢复重建研究.一 90一其退化趋势和程度是当前十分必要和迫切的任务。进行了总结和探讨,从结构和功能两个方面建立草结构途径与功能途径结合的方法来对退化生态系统进行综合诊断的思路,为我国草地退化生态系统的闰玉春唐海萍张新时草地退化程度诊断系列问题探讨及研究展望背离顶级的一切演替过程(逆向演替);而后者则含有对利用价值的评价,指的是草场生产力降低、质量下降和生境变劣等。有些草地类型(如杂类草草甸、2草地退化程度诊断系列问题探讨关于草地退化程度诊断,我们认为它是一个多 杂类禾草草原等)在顶级状态下利用价值不高,但在适当的利用强度下可提高其利用价值,亦即群落虽发生了逆行演替,但并不能称之为退化,而是草地的“熟化"[,1〕;又如一个生产性能良好的次生草地,在停止放牧或人为管理后的自然恢复演替中出现了大量饲用价值低或无饲用价值的灌草丛,是草场退化,但不是生态退化,而是生态恢复[32〕。但一般情况下,人为活动和不利因素引起的草地退化均系逆行演替。在我国北方的草原中, 绝大部分优势种具有较高的营养价值与适口性,因此在放牧利用下它们首先被采食,随着放牧强度的增加,优势种与适口性较好的种逐渐减少,而适口性差、营养价值较低的一些杂类草则随放牧强度的增加而增加,甚至可代替原来的优势种。在此意义上,以现有群落的种类组成与顶级群落种类组成的距离来衡量草地退化程度,是一种简便易行的方法[l2〕。退化草地生态系统 Degrdaedgrsaslnadccosystem参照系统的确定 eRfeernceecosystemselecting诊断指标的选择和退化指标体系的建立Di agnosisindexsystemseleCting诊断途径与方法的确定 Diagnosismethodsselecting结构诊断 功能诊断 StUrcturediagnosisFunctiondiganosis退化生态系统退化程度综合诊断 DiganosisondegrdaationdegreofecoSysetm图1草地生态系统退化程度诊断流程图 Fig.1Diagnosisflowonthedegreeofgrasslandecosystem环节的综合过程,其流程具体包含以下几个环节(见图1):诊断对象的选定;诊断参照系统的确定;诊断指标体系的建立;诊断方法的确定。2.1参照系统的确定退化程度是一个相对概念,因此在草地生态系 统退化程度诊断中,参照系统的确定是一个关键的内容。我们已对草地退化的概念作了详细论述,反之我们可以定义没有退化的草地生态系统为退化诊断的参照系统。但在实践中,参照系统究竟如何理解和确定,有许多不同观点。可总结为两个方面:一种是将自然状态的原生态系统或者说顶级生态系统作为参照系统,退化生态系统的概念多数是从这个角度进行理解和定义的[81・,42’5〕;另一种就是以本区域内或临近区域内未受破坏或破坏程度很轻的“自然生态系统”作为参照系统。前者无疑是一种最理想的状态,然而现实中人们往往对退化生态系统前的整体状态参数(组成、结构、功能、动态等方面)缺乏足够的认识[52〕,所以实践中这样的系统是很难还原的。相对而言,后一种方法则更可行,更具有实践意义。 关于参照系统确定问题,可以通过生态系统结构和功能随时间变化模式来进一步加深认识。在Bradshaw及杜晓军的研究基础上[.l2‘〕,我们进一步总结了草地生态系统结构和功能随时间变化模式(图2)。如图所示,El、EZ、E3(受干扰相对最轻的“自然生态系统”)可分别作为相应时间上的退化程度诊断参照系统。另外,该图时间轴(横轴)给了我们关于“生态系统退化”以及“不同方式的退化生态系统恢复”所需的相对时间概念。因此,由图2还可以解译出如下信息:(1)生态退化可以在非常短的时间内(相对生态恢复)发生和完成(TI一T。<<TZ一T,,TI一T。<<T3一T,),而生态恢复却要花非常长的时间(相对生态退化)。这也告诫人们一定要保护好现有的健康生态系统;(2)人工促进生态恢复可以大大缩短(相对自然恢复)生态恢复的时间(爪一IT<<T3一T,z[)〕;()3退化草地生态系统的重建(建立人工草地)可以在一定投人的基础上大大提高生态系统的结构与功能,基于此可以得出由人工草地置换天然草地生产功能是实现草地生态系统可持续发展的一条必然途径;(4)退化草地生态系统在不给予一 91一中国草地学报2007年第29卷第3期任何保护恢复措施的情况下,必然走向进一步退化,将是生态系统结构与功能的崩溃,这也再一次警示我们对退化草地生态系统的恢复和重建工作势在必行。重建(建立人工草地等)Reconsturction(Estblaishartiifcialgrasslnd)a爹色/睿退化人为协助自然恢复(围封、轮牧等)_Artiifcialretsortiaon(Enclosure、shitfinglivesckot)七3 uo『1。口己P目巴已。。扫的已畏扮。。国级淤哎之汉二, 横轴表示相对的时间长短Horizontalaxi::how,relativetime;To:生态系统退化前的时间Timeoforiginalecosystem,T::当前时间Atpresent,T:、T::将来的时间Thefuturetime;肠:O时的原生态系统或自然生态系统OrTinginalecosystemornaturaleosysctematT0.E:、E:、E3:分别对应于T,、T:、T:的自然生态系统,则El为“现存的自然生存系统"(是指相对受干扰影响最小的“自然生态系统")Naturalec。-systematTI、T:、T:,Elis”theexistentnaturalecosystem(means“naturalecosystem,‘disturbedlessthanotherecosystems);Ed:退化生态系统Degradedecosystem;Ed还有可能会在很长时间上维持当前的状态,或者继续退化Edmaymaintainthepre,entstateforalo昭timeorcon-tinuedegradatio几2.2草地生态系统退化指标体系的建立2.2.1退化指标选择的原则进行生态系统退化程度诊断,退化指标体系的 建立是其首要的和关键的一步,指标体系建立的好坏直接影响到诊断的科学性和精确性。为了确保所选指标的严格性和科学性,我们在选择退化指标时应遵循如下原则〔1:(152)数据的可获得性、合理性、代表性;(2)指标的合理性和可靠性;(3)指标对变化反应敏感性;(4)指标的独立性;(5)指标的可比性,()指标的代表性。6另外,由于用以诊断生态系统退化的指标很多, 但各退化指标间既相互独立又相互联系,相互补充一92一 尽貂 钾 髯 蚜绷眼袖州部分修复P斌lyrehabiliait自然恢复Naturalrestortiaonp己gr“atio原生演替过程PrimarysuccessionEd..------------一卡维持当前状态Main而ntheperestsntta。、、勺继续退化continuedegardtaionOTTI几 时间Time图2草地生态系统结构与功能随时l l变化模式(据Bru’adshaw(1997),杜晓军(2003)改绘)Fi g.2Transformationmodelongrasslandecosystemstructureandfunctionof llowbytime(EditedfromBradshaw(1997)&DuXiajoun(2003)也相互交叉。为了诊断的准确性、客观性,在建立生态系统退化指标体系时应遵循以下原则[7s〕:(1)整体性原则;(2)指标概括性原则;(3)指标的动态性原则;(4)定性指标与定量指标相结合的原则;(5)评价指标体系的层次性原则。2.2.2草地生态系统退化指标体系的建立生态系统是作为一个整体来体现其结构和功能 的。本文在分析前人研究的基础上,并结合我们的研究工作与积累,提出从结构和功能两个方面建立草地生态系统退化指标体系(图3),探讨草地生态系统退化程度诊断的方法与策略。2.2.2.1草地生态系统结构指标目玉春唐海萍张新时草地退化程度诊断系列问题探讨及研究展望 生态系统退化直接导致群落组成及其结构发生功能的下降。生态系统功能主要体现在生产功能变化,而生态系统结构是生态系统状态的直接反映。(经济功能)、生态功能和其他功能阁。生产功能主因此,生态系统结构指标是草地退化指标体系中最要包括地上生物量[;2〕、净第一生产力以及牧草品质直接和最关键的一部分。生态系统结构指标一般比等方面。结合社会经济因素,生产功能则直接体现较直观且较易获得,主要表现在群落种类组成、各类在诸如载畜量等具体指标上。生态功能是一个重要种群所占比例,尤其是建群种及优势种、可食性植物而且也很广泛的指标体系,概括起来主要包括土壤种、退化演替指示性植物种群等的密度、盖度高度及退化指标[62,2,〕、气候环境调节和生物多样性上。另频度等指标上。外,生态系统功能还体现在诸如休闲、文化娱乐等服2.2.2.2草地生态系统功能指标务性功能、涉及到民族团结和边疆稳定的社会功能 生态系统退化的另一个直接后果就是生态系统以及生态系统存在的潜在的一些功能和价值上,在生产力、经济潜力及服务功能降低,也就是生态系统这里归为其他功能[2,28,291。图3基于结构和功能途径的草地生态系统退化指标体系Fig.3Thedegradedindexsystemingrasslandecosystembasedonstructuralandfunctionalmethods2.3诊断途径与方法的确定体来体现其结构和功能的,将生态系统内的各个要以往对生态系统退化程度的诊断有生物途径、 素之间的关系也割裂开来。不能从整体上提出一个生境途径、生态过程途径、生态系统功能服务途径和全面综合定量的诊断结果。景观途径;诊断方法也分为单途径单因子、单途径多另外, 生态系统退化直接反映在系统结构和功因子和多途径多因子综合诊断川。各条途径交织在能的变化上,生态系统结构和功能又是紧密联系、相一起,主要是按着研究者的研究背景和学科领域而辅相成的。但有时也会出现系统功能变化滞后于系分门别类进行诊断,忽略了生态系统是作为一个整统结构变化的现象,比如,短时间内的过渡放牧会引一 93一中国草地学报2007年第29卷第3期起草地生态系统短期内发生结构变化,而此时生态系统功能仍能在一段时间内维持原有的状态。因此,在生态系统诊断中,不能片面的仅从结构或功能的单一途径来考虑,只有将系统结构和功能紧密结合,才能客观科学的反映生态系统状态。基于此,本文提出通过结构途径与功能途径结合的方法来对退化生态系统进行综合诊断的思路。这一方法必然会有结构与功能的多个因子的引人,且因子之间相互关联,诊断时往往要借助于数学分析方法或数学模型。是今后要加强深人研究的课题。目前,已从定性的或半定量化的角度建立了关 于草地退化等级划分的标准,其中最具代表性的有3个[0・z,,。23〕(表1),这3个标准的共同特点是均针对天然草地放牧系统的退化而建立的。放牧是草原生态系统退化的最主要动因,所以从这一角度建立草地退化程度分级标准是最有意义的。而3个标准又各有特点,李博的标准对各指标多以定性化衡量,适用范围广泛;陈佐忠、刘钟龄的标准均以内蒙古典型草原为具体研究对象,而陈佐忠的标准以侧重生物环境指示为特点;刘钟龄的标准则更加定量化。以上标准均是从不同角度而建立的, 在具体应用过程中还要具体问题具体分析。这3个标准均是从小尺度、科学研究层面上提出的,所以要应用在大尺度的退化监测中还要进行进一步的指标尺度扩展。另外,在研究具体问题时应加强具体定量指标的确定。2.4草地生态系统退化程度分级标准的建立根据已确定的退化指标以及生态系统退化程度 诊断实践,最终可以建立草地生态系统退化程度分级标准(分几级,各指标级间梯度的划分)。这一过程主要通过两个途径完成:一个就是根据专家的实践经验进行划分,这一方法要求具备深厚的专业造诣和实践经验,以往建立的标准多属此类;另一个是通过数学方法进行定量划分,这一方法比较科学,也表1已建立的草地退化程度分级标准 TahIelEstabIishedcIsiaficationstandardsofg’aIslandd馆radationd馆溉建立人Author时间Time研究对象Ob ject退化类型 Degradationtype主要指标特征 Characteristicofindexes李博1997我国北方草甸草原及典型草原天然草地放牧(割从能量‘从生产力角度衡量,以可食性牧草产量为标准)、质量(营养草)系统的退化,其成分与适口性,由种类组成衡量)、环境(通过地表状况及土壤状况衡退化指标是对草食量)、草地生态系统结构与食物链、 草地自我恢复功能等五个方面衡家畜而言的 量。陈佐忠2000内蒙古典型草原(羊草草原和大针茅草原)天然草地放牧系统的退化侧重生物环境指示,包括第一性生产的特征指示(草场生产力下降、植物种类组成和其数量特征的变化、草地质量的变化、放牧指示植物的识别与放牧生态种组的划分)、第二性生产特征的变化(家畜生产性能的指示、啮齿动物的生物指示、蝗虫的生物指示、土壤动物的生物指示)、草原土壤退化的指示.刘钟龄2002在内蒙古典型草原天然草地放牧系统从草原生物生产力的衰减的定量指标确定草原退化程度的分级标准,同时对在不同退化程度上的优势种消长率及退化演替的指标植物的出现率进行分析。带中部锡林河中游,的退化从1983年起连续进行草原退化序列的监测,并根据对内蒙古全区草原退化的调查与测定3存在问题及发展方向展望 在我国关于草地退化程度诊断研究中,仍没有建立一套综合适用的诊断方法,另外对整个草原生态系统的退化状态缺乏一种系统定量的描述。草地退化的范围很广,导致退化的原因也不尽相同,不同的草地退化类型其所选择的退化指标也不同,制定统一的退化指标体系是很困难的困。目前,对草地同玉春唐海萍张新时草地退化程度诊断系列问题探讨及研究展望2000。20(4):310一316- 退化的研究多数集中在原因及其驱动力的分析以及草原生态系统退化过程中种间竞争关系和群落结构的改变等种群和群落水平上[43一3],9进一步有针对性的对草地生态系统退化程度诊断的相关研究很少,这在一定程度上制约着生态恢复实践和恢复生态学的发展。另外, 对草地生态系统退化程度进行诊断,不同RenH,WuJG, PengSL.Evaluationandmonitohngofeo-cs ystemhealth〔J〕.丁rOPialGceograPh夕,2000,20(4):310-316. 【幻傅伯杰,刘世梁,马克明.生态系统综合评价的内容与方法[J].生态学报,2001,21(11):1885一1891・ FuBJ,Li 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本文认为以下几点是草地退化程度诊断研究中有待解决的问题,也是接下来的重点发展方向:(1)进一步探索简单实用的退化指标体系,建立科学合理的诊断方法;()2与遥感、GIS等结合建立大规模草原退化监测的实用指标体系和方法;(3)社会经济、生态系统服务功能等定性指标的引人,加强定量指标与定性指标关系的研究,建立完善的定性指标的数量化评价方法;(4)紧密结合生态系统恢复和重建等实践工作。参考文献(Reeferncse):李洪远,鞠美庭.生态恢复的原理与实践[M」.北京:化学工业出版社,2005.20一25.LIHY,JuMT.Principleandpracticeofecologicalrestora-tion[M〕.Beijng:Chemicalindust勺Pre,:,2005.20一25.杜晓军,生态系统退化程度诊断:生态恢复的基础与前提〔月.植物生态学报,2003,27(5):700一708.DuXJ.众agnosisofthedegreeofdegradationofanecosys-tem,thebasi。andpreocnditionofecologicalrestoration[J〕.ActaP丙少teocologiacsiniac,2003,27(5):700一708.-I3-ILJ儿p囚rtDJ.致珑ystemH司t卜。对。rd:blackwell拓enec【]J,了地。,1998,1一356.r4一ILJKristinSEcosystemHealth:anewParadigmforecologicalaosessment[J〕.TrendsinEcolog夕&Evolution,1994,9:456一457.cShaefferDJ,HenricksEE,KersterHW.Ecosystemhealth:Measuringecosy‘temhealth〔J],肠viorome,tal叼dnage ̄t,1998,12:445一455.oCstanzaR,NortonGB,HaskellBD.EcosystemHealth:Newgoalsforenviornmentmanagement[M〕.washington,0C:IsalndPress,1992.〔7〕任海,耶建国,彭少麟.生态系统健康评估〔J〕.热带地理甲c 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