張 琳,宋創(chuàng)業(yè),袁偉影,賈 元,2,桑佳文,2,吳冬秀,*

1 中國(guó)科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100093 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,人口不斷增加,人類對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾不斷加劇,已經(jīng)極其顯著的改變了地球生態(tài)系統(tǒng)[1—2]。我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量總體上也不容樂觀,存在一定區(qū)域結(jié)構(gòu)性退化,如單一喬木型森林偏多,濕地連通性降低,過牧導(dǎo)致草原退化,生物多樣性降低等[3—7]。因此,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)評(píng)估,進(jìn)而采取有效措施提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及其穩(wěn)定性成為我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的迫切任務(wù)[8]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在不同尺度,圍繞生態(tài)環(huán)境、健康、質(zhì)量等評(píng)估方面做了很多的研究。美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞和歐洲等分別從省或州的尺度開展了大量研究工作,并將評(píng)估結(jié)果與生態(tài)保護(hù)、國(guó)家政策法案制定相結(jié)合[9—13]。在我國(guó),1960年任繼周等依據(jù)放牧草地的植被等特征,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行退化定性分級(jí)評(píng)估[14]。后來在水體、流域、城市等與人類活動(dòng)密切相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估方面取得了很好的進(jìn)展[3—5,15—18]。不同的應(yīng)用目標(biāo)和不同時(shí)空尺度的生態(tài)學(xué)應(yīng)用評(píng)估,形成了復(fù)雜的測(cè)度和評(píng)估的指標(biāo)體系,不同區(qū)域間評(píng)估結(jié)果的可比性差,或同一區(qū)域不同時(shí)期間評(píng)估結(jié)果難以比較,難以開展區(qū)域和國(guó)家尺度的集成研究,同時(shí)也難以滿足快速評(píng)估關(guān)鍵區(qū)域或國(guó)家尺度生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的需求[19—21]。于貴瑞等系統(tǒng)梳理了生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的科學(xué)概念及其評(píng)估方法,指出從生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成要素出發(fā),制定針對(duì)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成要素的質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo),是探索典型生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀態(tài)及演變的有效途徑之一[19]。

植被作為生態(tài)系統(tǒng)重要的構(gòu)成要素,它聯(lián)結(jié)著大氣、水分和土壤等自然過程,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生重要的影響,是影響生態(tài)質(zhì)量最核心的要素和最重要指示器[3,18],也是改善生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、增加碳匯、減緩氣候變化的最佳途徑[20]。因此,植被生態(tài)質(zhì)量是生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)最核心的保障。在生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估中采用的植被生長(zhǎng)狀況及其生長(zhǎng)活力的因子較多,例如植被歸一化指數(shù)(NDVI)、植被覆蓋度、葉面積指數(shù)、凈第一性生產(chǎn)力、生物量等[3,5,16]。然而,很多植被指標(biāo)是通過遙感反演或者氣象指數(shù)模型計(jì)算得到的,植被地面觀測(cè)數(shù)據(jù)更直接、更準(zhǔn)確,數(shù)據(jù)也很豐富,卻很少用于生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià),也缺乏系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系?；诘孛嬲{(diào)查的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更為真實(shí),隨著國(guó)家野外臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)多年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累,以及大量的基礎(chǔ)調(diào)查項(xiàng)目數(shù)據(jù)積累,可以為植被生態(tài)質(zhì)量評(píng)估提供很好的數(shù)據(jù)源支撐。因此,本文擬比較不同指標(biāo)體系間共性與差異性,通過文獻(xiàn)研究、專家研討和問卷調(diào)查,并借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究和理論基礎(chǔ),建立一套基于地面調(diào)查的植被生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)估指標(biāo)體系,服務(wù)于典型生態(tài)系統(tǒng)尺度質(zhì)量綜合評(píng)估,為我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和可持續(xù)性利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 植被生態(tài)質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系的研究現(xiàn)狀

植被生態(tài)質(zhì)量的評(píng)估可以分為定性和定量評(píng)價(jià)兩種,定性評(píng)價(jià)一般為單個(gè)指標(biāo)的大小或優(yōu)劣程度來反應(yīng)生態(tài)質(zhì)量好壞[22—24]；而定量評(píng)價(jià)則采取公式或模型所建立的指標(biāo)體系進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)[3—6]。生態(tài)質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)研究進(jìn)展可以分為以下3個(gè)階段：最初的單個(gè)指示物種指標(biāo),后續(xù)發(fā)展為植被結(jié)構(gòu)或功能的個(gè)別關(guān)鍵指標(biāo),目前采用多層級(jí)多個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法的越來越多。

1.1 指示物種指標(biāo)

采用優(yōu)勢(shì)種、指示物種和環(huán)境敏感物種等的變化來描述植物群落的健康或質(zhì)量的狀況[22]。有研究認(rèn)為優(yōu)勢(shì)種數(shù)量減少是生態(tài)系統(tǒng)受到擾動(dòng)的標(biāo)志之一,其分布面積可以評(píng)價(jià)植被生態(tài)質(zhì)量[23]；在草地群落退化研究方面,退化指示植物種相對(duì)數(shù)量是退化分級(jí)的重要指標(biāo),一些退化指示物種經(jīng)常作為退化標(biāo)志[24,25]；在森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)中,采用優(yōu)勢(shì)植物、敏感植物、特有植物等作為指示類群[26—28]；在水生生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)中最常用的指示類群有藻類等浮游植物[29]。指示物種法雖然應(yīng)用較多,但是也存在很多對(duì)指示物種篩選標(biāo)準(zhǔn)不一致的質(zhì)疑[30],也有研究指出指示物種的變化與整個(gè)群落或生態(tài)系統(tǒng)的功能、性質(zhì)的變化相關(guān)性很小[31]。

1.2 結(jié)構(gòu)或功能關(guān)鍵指標(biāo)

依據(jù)單個(gè)或幾個(gè)可以表征植物群落某一方面結(jié)構(gòu)或者功能的指標(biāo)來表征植被生態(tài)質(zhì)量。最常見的是用植被覆蓋度、歸一化植被指數(shù)、生物量等植被參數(shù)對(duì)植被質(zhì)量或保護(hù)成效進(jìn)行快速評(píng)估[32—33]。肖洋等基于生物量和植被覆蓋度對(duì)內(nèi)蒙古植被生態(tài)質(zhì)量狀況進(jìn)行分析,用各植被地帶內(nèi)頂極群落作為參照,評(píng)估氣候、人類活動(dòng)與植被生態(tài)質(zhì)量現(xiàn)狀的相關(guān)關(guān)系[18]。丁肇慰等分別采用相對(duì)生物量密度評(píng)估長(zhǎng)江流域的森林、灌叢生態(tài)質(zhì)量,采用相對(duì)植被覆蓋度評(píng)估區(qū)域內(nèi)草地生態(tài)質(zhì)量[16]。錢拴等利用凈初級(jí)生產(chǎn)力和覆蓋度2個(gè)植被參數(shù)共同構(gòu)建植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)模型,利用年際對(duì)比和多年變化趨勢(shì)評(píng)價(jià)模型,對(duì)全國(guó)植被生態(tài)質(zhì)量的時(shí)空變化進(jìn)行評(píng)價(jià)研究[3]。植被結(jié)構(gòu)或功能關(guān)鍵指標(biāo)可以很快速的評(píng)價(jià)植被生態(tài)質(zhì)量,尤其是在區(qū)域和全國(guó)尺度的生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用較多,但大部分研究采用的都是基于遙感數(shù)據(jù)的評(píng)估指標(biāo),而遙感數(shù)據(jù)或模型計(jì)算手段得到的森林覆蓋度、生物量、生產(chǎn)力都普遍偏高[28],也存在著與指示物種法類似的缺點(diǎn),即無法全面反應(yīng)植被生態(tài)質(zhì)量,如覆蓋度高,但物種多樣性低或毒草比例高,則生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量不一定高；結(jié)構(gòu)單一的森林與多樣性高的森林,即使生產(chǎn)力相當(dāng),其生態(tài)質(zhì)量也必然不同。

1.3 綜合指標(biāo)體系

隨著研究發(fā)展,綜合指標(biāo)體系被越來越多的采用,在植被結(jié)構(gòu)和功能特征核心指標(biāo)基礎(chǔ)上,綜合生物多樣性、外部干擾和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多方面因素,構(gòu)建多個(gè)層級(jí)、多個(gè)指標(biāo)的更全面的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。劉紀(jì)遠(yuǎn)等基于聯(lián)合國(guó)新千年全球生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估概念框架,從結(jié)構(gòu)、功能方面構(gòu)建了由4大類15個(gè)一級(jí)指標(biāo)、75個(gè)二級(jí)指標(biāo)組成的三江源區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)體系,其中植物群落結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)、植被生產(chǎn)力與生物量指標(biāo),以及草地退化指標(biāo)等是重要的一級(jí)指標(biāo)[34]。羅海江等從植被生產(chǎn)能力(NDVI估算)、植被生產(chǎn)能力穩(wěn)定性(NDVI變異系數(shù))、外部干擾(人口壓力)三個(gè)方面構(gòu)建綜合生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量指數(shù)[6]。周亞萍等認(rèn)為生態(tài)質(zhì)量可以從多樣性、自然度等方面通過各指標(biāo)加權(quán)值綜合評(píng)價(jià),尤其是生物多樣性是生態(tài)質(zhì)量的最重要指標(biāo)[35]。生態(tài)環(huán)境部2015年頒布的《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中區(qū)分環(huán)境指標(biāo)與生態(tài)指標(biāo),其中生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)是生態(tài)指標(biāo)的重要內(nèi)容,環(huán)境突發(fā)事件和污染等開發(fā)干擾是環(huán)境指標(biāo)的重要內(nèi)容,通過綜合指數(shù)反映區(qū)域生態(tài)質(zhì)量整體狀態(tài)[36]。此外,國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)縣域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量考核評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中,針對(duì)生物多樣性保護(hù)功能區(qū),將生物豐度指數(shù)作為特征指數(shù),針對(duì)防風(fēng)固沙和水土保持功能區(qū)將植被覆蓋指數(shù)、林地/草地/濕地覆蓋率等作為特征指標(biāo)[37]。2021年10月生態(tài)環(huán)境部為了強(qiáng)化生態(tài)保護(hù)監(jiān)管,組織編制了《區(qū)域生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法(試行)》,該綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系將生物多樣性納入綜合指標(biāo),包括生態(tài)格局、生態(tài)功能、生物多樣性和生態(tài)脅迫4個(gè)一級(jí)指標(biāo),11個(gè)二級(jí)指標(biāo)和18個(gè)三級(jí)指標(biāo)[38]。綜合指標(biāo)體系從多方面多層級(jí)進(jìn)行系統(tǒng)、全面、完整的評(píng)估,然而指標(biāo)體系都較為復(fù)雜,指標(biāo)的量化和數(shù)據(jù)可獲得性往往受限,很難實(shí)現(xiàn)快速評(píng)估的需要。

綜上所述,無論是指示物種、結(jié)構(gòu)和功能關(guān)鍵指標(biāo)還是綜合指標(biāo)體系(表1),都是從不同方面反映生態(tài)系統(tǒng)中植被質(zhì)量特征,但由于植被所處生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和時(shí)空變異性,以及評(píng)價(jià)目的不同、方法的可操作性和數(shù)據(jù)的可獲得性等影響,使得不同指標(biāo)體系之間的一致性[19—21]較差,然而為了滿足植被生態(tài)質(zhì)量快速評(píng)估的需要,必須建立一套具有可比性、可獲取性和定量性指標(biāo)體系。何念鵬等提出以國(guó)家公園、自然保護(hù)區(qū)和野外臺(tái)站積累的實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)作為理想?yún)⒄障?精選關(guān)鍵評(píng)估指標(biāo)構(gòu)成綜合評(píng)價(jià)指數(shù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)質(zhì)量的快速評(píng)估,這為快速評(píng)估植被生態(tài)質(zhì)量的指標(biāo)體系構(gòu)建提供了很好的思路[21]。

2 植被生態(tài)質(zhì)量概念與綜合評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建框架

生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量一般認(rèn)為是指一定時(shí)空范圍內(nèi)生態(tài)要素、結(jié)構(gòu)和功能的綜合特征,具體表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)的狀況、生產(chǎn)能力、結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性、抗干擾和恢復(fù)能力[8,19,21]。植被生態(tài)質(zhì)量是生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的重要構(gòu)成要素之一,其科學(xué)內(nèi)涵可以理解為在典型生態(tài)系統(tǒng)中,植被結(jié)構(gòu)和功能的綜合特征,具體表現(xiàn)為植被的結(jié)構(gòu)狀況、物質(zhì)生產(chǎn)能力、生物多樣性、抗干擾和恢復(fù)能力。

根據(jù)植被生態(tài)質(zhì)量概念,借鑒于貴瑞等建立的典型生態(tài)系統(tǒng)尺度的生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)理論[19],從不同植被的結(jié)構(gòu)組成、物質(zhì)生產(chǎn)、生物多樣性、發(fā)展和演替潛勢(shì)4個(gè)方面構(gòu)建植被生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)估指標(biāo)體系。以地帶性演替頂極或近頂極群落為理想?yún)⒄障?對(duì)特定植被的生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行多維度綜合評(píng)估[19,21]。

表1 植被生態(tài)質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系不同發(fā)展階段的對(duì)比Table 1 Comparison of different development stages for vegetation ecological quality assessment index systems

綜合評(píng)估的尺度是一定范圍的典型生態(tài)系統(tǒng),評(píng)估對(duì)象是植被,指標(biāo)體系分為三級(jí),二級(jí)指標(biāo)包括植被的結(jié)構(gòu)組成、物質(zhì)生產(chǎn)、生物多樣性、發(fā)展和演替潛勢(shì),通過統(tǒng)計(jì)和模型計(jì)算得到一級(jí)指標(biāo),即植被生態(tài)質(zhì)量綜合指數(shù),用綜合指數(shù)來衡量植被生態(tài)質(zhì)量的好與差。在每個(gè)二級(jí)指標(biāo)下,篩選可反映植被特征的核心關(guān)鍵參量,組成三級(jí)指標(biāo)。

植被生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)估在指標(biāo)體系建立的基礎(chǔ)上,針對(duì)不同層級(jí)的指標(biāo)進(jìn)行合理的權(quán)重分配是保障評(píng)估結(jié)果的可靠性的關(guān)鍵。當(dāng)前應(yīng)用較多的權(quán)重確定方法有主成分分析法、聚類分析法、變異系數(shù)法、專家咨詢法和層次分析法等[17,38,40],層次分析法是目前使用最廣泛、可操作性較強(qiáng)的方法。本文基于層次分析法確定植被生態(tài)質(zhì)量綜合指數(shù)Vq的計(jì)算公式如下：

(1)

式中,Vq為植被生態(tài)質(zhì)量綜合指數(shù),Ai為第i個(gè)二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重,Yi為第i個(gè)二級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)得分值。Yi評(píng)價(jià)得分由三級(jí)指標(biāo)綜合計(jì)算得到,具體的計(jì)算和操作方法參考理想?yún)⒄障捣╗19,21],公式如下：

(2)

式中,Bj為第j個(gè)三級(jí)指標(biāo)的權(quán)重,Xj為第j個(gè)三級(jí)指標(biāo)相對(duì)于其所在區(qū)域的地帶性演替頂極或近頂極群落相應(yīng)指標(biāo)的相對(duì)值,計(jì)算公式如下：

(3)

式中,Xjs為特定植被第j個(gè)三級(jí)指標(biāo)的實(shí)際觀測(cè)值,Xjp為特定植被所在區(qū)域的地帶性演替頂極或近頂極群落相應(yīng)指標(biāo)的觀測(cè)值。

3 植被生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建方法

3.1 指標(biāo)體系構(gòu)建原則與思路

植被生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建遵循以下原則：(1)科學(xué)性,指標(biāo)必須能夠反映植被狀況和特點(diǎn),具有科學(xué)性和代表性；(2)可比性,指標(biāo)是研究和長(zhǎng)期觀測(cè)中通用的或具有兼容性的,可以應(yīng)用到不同區(qū)域或生態(tài)系統(tǒng)類型,具有可比性和一致性；(3)可操作性,指標(biāo)數(shù)據(jù)必須是易獲取的、數(shù)據(jù)質(zhì)量可以得到保證的、經(jīng)濟(jì)可行的,高難指標(biāo)一般不選用；(4)直觀性,指標(biāo)均是基于野外實(shí)際調(diào)查得到的直接指標(biāo)；(5)可量化,指標(biāo)可以定量化表達(dá),或可進(jìn)行分級(jí)定量；(6)長(zhǎng)期性,指標(biāo)要選擇具有長(zhǎng)期意義的,關(guān)注長(zhǎng)時(shí)間規(guī)律變化而非瞬時(shí)變化指標(biāo)[41]。

植被生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建思路：基于上述植被生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建框架,通過文獻(xiàn)分析、植被逆行演替和退化特征指標(biāo)分析,以及生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)生物要素指標(biāo)的分析,從植物群落的結(jié)構(gòu)組成、物質(zhì)生產(chǎn)、生物多樣性、發(fā)展和演替潛勢(shì)4個(gè)維度遴選核心三級(jí)指標(biāo)。

3.2 指標(biāo)體系構(gòu)建方法

通過文獻(xiàn)分析、專家研討和問卷調(diào)查的方法,借鑒群落退化演替和生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)研究的理論基礎(chǔ),構(gòu)建基于地面調(diào)查的植被生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)估指標(biāo)體系。首先采用文獻(xiàn)分析進(jìn)行指標(biāo)的初步篩選,結(jié)合逆行演替與退化理論,以及與已經(jīng)累積了大量長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的核心指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,形成指標(biāo)體系的初稿,經(jīng)過廣泛的專家咨詢和交流研討,根據(jù)專家意見進(jìn)行指標(biāo)修訂與完善,再通過向從事野外調(diào)查的一線監(jiān)測(cè)人員收集問卷評(píng)分,對(duì)指標(biāo)的實(shí)際可操作性進(jìn)行咨詢完善,得到植被生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)估指標(biāo)體系。

(1)文獻(xiàn)分析。通過文獻(xiàn)分析的方法,篩選出在生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)中出現(xiàn)頻率較高的植被指標(biāo),通過中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行文獻(xiàn)檢索,關(guān)鍵詞包括“生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量”“生態(tài)系統(tǒng)健康”“生態(tài)質(zhì)量”“生態(tài)環(huán)境質(zhì)量”等,經(jīng)過篩選與自然植被評(píng)估指標(biāo)相關(guān)文獻(xiàn),提取核心文獻(xiàn)76篇中植被相關(guān)指標(biāo)項(xiàng),進(jìn)行關(guān)鍵指標(biāo)篩選,排序前14位分別為：生產(chǎn)力/生物量、植被蓋度、生物多樣性(含豐富度、特有種、稀有種等)、植被/各類生態(tài)系統(tǒng)面積、干擾強(qiáng)度、優(yōu)勢(shì)種、指示種、景觀破碎指數(shù)、林齡結(jié)構(gòu)、入侵種、樹高、凋落物、胸徑、葉面積指數(shù)(表2)。各個(gè)指標(biāo)在文獻(xiàn)中被采用的次數(shù)如表1所示,其中生產(chǎn)力、植被蓋度采用頻率均在50%以上,生物多樣性在40%以上。

植被蓋度/覆蓋度、優(yōu)勢(shì)種/指示種、高度、景觀破碎度、林齡結(jié)構(gòu)等是植被結(jié)構(gòu)的重要特征指標(biāo)。生產(chǎn)力、生物量、凋落物等是反映植被物質(zhì)生產(chǎn)的重要功能指標(biāo)。生物多樣性在生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)中的重要性也越來越受到關(guān)注,是質(zhì)量評(píng)估核心的內(nèi)容。干擾和災(zāi)害等也是影響植被未來潛在演替和發(fā)展方向的重要指標(biāo)。文獻(xiàn)分析結(jié)果表明,植被生態(tài)質(zhì)量評(píng)估中被采用的頻率較高的指標(biāo)可以分別歸類到植被結(jié)構(gòu)、功能、生物多樣性和干擾等類型指標(biāo)維度內(nèi)。

(2)逆行演替、退化理論分析。植物群落逆行演替或者退化過程是生態(tài)質(zhì)量的降低最直觀的體現(xiàn),逆行演替或退化導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、不能充分利用環(huán)境、生產(chǎn)力逐漸下降、不能充分利用地面、抗干擾能力減弱[24—25,28,42]。中國(guó)北方草地退化體現(xiàn)在植物種類組成減少、優(yōu)質(zhì)禾草減少、退化指示種和毒草增加、植被覆蓋度低、斑塊破碎化、地上生物量明顯降低,因此指標(biāo)從以上幾個(gè)方面進(jìn)行退化分級(jí)[24—25,42]。森林植被退化過程總是朝著生物多樣性降低、原有物種消失、外來物種入侵,結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,中幼齡物種相對(duì)增加,生產(chǎn)力和生物量減少,物質(zhì)和能量流動(dòng)及自我調(diào)節(jié)和抗干擾能力減弱等方向發(fā)展[28]。可以看出,退化和逆行演替中最受關(guān)注的特征指標(biāo)也是從植被結(jié)構(gòu)組成、生產(chǎn)功能、生境變化及抗干擾能力等方面進(jìn)行評(píng)價(jià),所以抓住植被退化或逆行演替階段的典型特征指標(biāo),也是快速判斷生態(tài)質(zhì)量的重要依據(jù)。

(3)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系分析。中國(guó)科學(xué)院建立的生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)定位于生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能研究與優(yōu)化管理,具有統(tǒng)一的長(zhǎng)期生物觀測(cè)指標(biāo)體系。CERN生態(tài)系統(tǒng)生物長(zhǎng)期觀測(cè)指標(biāo)體系包括生境、物種組成與物質(zhì)生產(chǎn)、群落動(dòng)態(tài)與物候、植被類型和空間分布等指標(biāo)項(xiàng),共有261個(gè)指標(biāo),自然生態(tài)系統(tǒng)占到145個(gè),其中可量化的指標(biāo)為89個(gè)。植被結(jié)構(gòu)類指標(biāo)在森林生態(tài)系統(tǒng)中分為喬木層、灌木層、草本層及藤本植物等分層結(jié)構(gòu),具體包括種數(shù)、蓋度、高度、胸徑、密度、葉面積指數(shù)、優(yōu)勢(shì)種等27個(gè)指標(biāo)；群落物質(zhì)生產(chǎn)指標(biāo)包括地上各部分、凋落物及地下根系分層的鮮重和干重等30個(gè)指標(biāo)；群落動(dòng)態(tài)主要包括森林的幼苗更新和荒漠的種子庫(kù)等表征群落發(fā)展演替的參數(shù),以及不同物候期指標(biāo)16個(gè)；其它還有元素含量、調(diào)查區(qū)面積、人口和載畜率等16個(gè)指標(biāo)。國(guó)家林業(yè)局制定的森林生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期定位觀測(cè)指標(biāo)體系中,植物群落特征指標(biāo)分為喬木、灌木、草本、幼樹和幼苗等分層結(jié)構(gòu),具體包括林齡、種數(shù)、高度、胸徑等10個(gè)指標(biāo),群落物質(zhì)生產(chǎn)包括樹高、胸徑的年生長(zhǎng)量及各部分生物量16個(gè)指標(biāo),群落養(yǎng)分和碳儲(chǔ)量等16個(gè)指標(biāo),生物多樣性包括保護(hù)植物、瀕危植物、特有植物豐富度、多樣性指數(shù)、古樹年齡指數(shù)等7個(gè)指標(biāo),其它還包括人為干擾、病蟲害、年輪、物候等指標(biāo)[95]?？傮w上,我國(guó)已經(jīng)建立的、較為完善的生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期觀測(cè)指標(biāo)體系中,關(guān)于植被要素的指標(biāo)是非常核心和系統(tǒng)的,涵蓋植被的分層結(jié)構(gòu)、蓋度、高度等群落結(jié)構(gòu)特征、群落物質(zhì)生產(chǎn)、生物多樣性以及人為干擾、病蟲害等是長(zhǎng)期地面調(diào)查的基礎(chǔ)指標(biāo),為快速評(píng)估植被生態(tài)質(zhì)量提供了很好的基礎(chǔ)[41]。

表2 在文獻(xiàn)中高頻出現(xiàn)植被生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)清單Table 2 A list of vegetation ecological quality evaluation indicators appears frequently in the literature

4 結(jié)果

在本研究構(gòu)建的基于地面調(diào)查的植被生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)估指標(biāo)體系中,第一級(jí)植被生態(tài)質(zhì)量綜合指數(shù)分別從群落結(jié)構(gòu)指數(shù)、群落物質(zhì)生產(chǎn)指數(shù)、生物多樣性指數(shù)、群落發(fā)展或者演替趨勢(shì)4個(gè)第二級(jí)指標(biāo)項(xiàng)的加權(quán)得到,第三級(jí)為地面調(diào)查的基礎(chǔ)指標(biāo),每個(gè)二級(jí)指標(biāo)項(xiàng)下對(duì)應(yīng)若干三級(jí)指標(biāo),對(duì)應(yīng)不同植被類型分別為12—14項(xiàng)(表3)。具體二級(jí)指標(biāo)項(xiàng)和其包含的三級(jí)野外調(diào)查指標(biāo)如下：

(1)群落結(jié)構(gòu)指數(shù)：分別從物種組成結(jié)構(gòu)、群落水平結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)及年齡結(jié)構(gòu)幾個(gè)重要方面表征植被質(zhì)量狀況。具體的第三級(jí)指標(biāo)包括：優(yōu)勢(shì)種演替地位、群落分層與高度、覆蓋度/郁閉度、空間破碎程度、林齡(僅為森林指標(biāo))。

優(yōu)勢(shì)種演替地位指群落中優(yōu)勢(shì)種所處演替地位,是先鋒種、次先鋒種、過渡種、次頂極種、頂極種5個(gè)分組的哪一類,先鋒種則為質(zhì)量低,頂極種則為質(zhì)量高。

表3 植被生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 3 Monitoring and evaluation index system of vegetation ecological quality

群落分層、優(yōu)勢(shì)層高度、植被覆蓋度/郁閉度分布反映植被垂直、水平結(jié)構(gòu)參數(shù),是最常被采用的參數(shù)(表2)。

空間破碎程度：植被在整個(gè)樣地范圍內(nèi)水平分布的破碎化程度?？臻g破碎程度是反向指標(biāo),是群落連通性的表征參數(shù),例如林窗、裸斑等。

林齡：樹木的平均年齡,是森林的年齡結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)。一般分為5個(gè)等級(jí)：幼齡、中齡、近熟、成熟、過熟,干擾少的近頂極群落的林齡優(yōu)于人工林和次生林。

(2)群落物質(zhì)生產(chǎn)指數(shù)：是所有評(píng)價(jià)中采用最多的群落功能參數(shù),也是植物群落最有意義的獨(dú)特屬性。具體的三級(jí)指標(biāo)主要包括生產(chǎn)力、生物量、優(yōu)質(zhì)牧草生物量比例和枯落物層厚度。生產(chǎn)力和生物量是最常采用的評(píng)價(jià)植被功能指標(biāo),一般情況下生物量累積越多,生態(tài)質(zhì)量越高。

優(yōu)質(zhì)牧草生物量比例：禾本科、豆科等優(yōu)質(zhì)牧草生物量占比,僅作為草地生態(tài)質(zhì)量特征指標(biāo)。草地是生態(tài)和生產(chǎn)功能的集合,優(yōu)質(zhì)牧草生物量比例指標(biāo)是表征草地生產(chǎn)功能質(zhì)量的重要參數(shù),比例越高代表生態(tài)質(zhì)量一般較好。

枯落物層厚度：植物生長(zhǎng)過程中脫落的有機(jī)物層厚度,僅作為森林、草地生態(tài)質(zhì)量特征指標(biāo)。森林和草地的枯落物層厚度是群落中損失的部分,厚度越高說明地上輸入越多,可供其它生物消耗的生物量也會(huì)越多,也是衡量群落物質(zhì)生產(chǎn)的重要特征參數(shù)。

(3)生物多樣性指數(shù)：是生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)中非常核心的指標(biāo),也被越來越多的評(píng)價(jià)研究采用。植物群落多樣性主要從群落中物種數(shù)目和個(gè)體數(shù)目分配的均勻度方面進(jìn)行評(píng)估,具體三級(jí)指標(biāo)主要包括：植物物種豐富度和均勻度、優(yōu)勢(shì)種豐富度、退化指示物種種類與數(shù)量。群落中所有物種數(shù)量和分布,一般采用生物多樣性指數(shù)進(jìn)行計(jì)算,數(shù)值高則群落多樣性高,其穩(wěn)定性和抗干擾能力更高。

優(yōu)勢(shì)物種豐富度高則群落更穩(wěn)定,質(zhì)量更好,而退化指示物種是反向指標(biāo),退化物種數(shù)量越高則群落越不穩(wěn)定,整體質(zhì)量越差。這與指示物種評(píng)價(jià)法類似,可以快速判斷植被質(zhì)量。

(4)發(fā)展/演替趨勢(shì)：發(fā)展/演替趨勢(shì)具體三級(jí)指標(biāo)主要包括：森林為樹種更新、荒漠為種子庫(kù)、草地為放牧強(qiáng)度,以及火燒、鼠害/病蟲害、極端干旱、水災(zāi)、外來入侵物種、砍伐開礦等非正常外力干擾強(qiáng)度指標(biāo)。

各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)通用的三級(jí)指標(biāo)有11項(xiàng),不同植被類型各自有其特征指標(biāo),森林的特征指標(biāo)包括林齡、枯落物層厚度、樹種更新,草地的特征指標(biāo)包括優(yōu)質(zhì)牧草生物量比例、枯落物層厚度、放牧利用強(qiáng)度,荒漠的特征指標(biāo)包括種子庫(kù)種類與數(shù)量。

5 討論

植被生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)從最初的指示物種法[22—31]、關(guān)鍵指標(biāo)法[32,33],發(fā)展到多個(gè)層級(jí)、多個(gè)指標(biāo)的更全面的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系法[6,28,34—38,40],在不同的應(yīng)用目標(biāo)和不同時(shí)空尺度均有應(yīng)用。目前綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)用最多,但是獲得系統(tǒng)、全面、完整的評(píng)估數(shù)據(jù)也為綜合評(píng)價(jià)的應(yīng)用帶來了很大的挑戰(zhàn)。本研究中植被生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建采用多維度綜合關(guān)鍵指標(biāo)體系,結(jié)合了目前生態(tài)系統(tǒng)分級(jí)綜合評(píng)估的方法[6,34—38,40]和關(guān)鍵指標(biāo)的方法[3,16,18,32—33,39]。一方面通過從植被不同維度特征更完整、全面的反映植被質(zhì)量狀況,另一方面簡(jiǎn)化了復(fù)雜的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,關(guān)注最核心的指標(biāo),適用于快速、可量化的質(zhì)量評(píng)估。該指標(biāo)體系的二級(jí)指標(biāo)從群落結(jié)構(gòu)、物質(zhì)生產(chǎn)、生物多樣性、群落發(fā)展或演替趨勢(shì)4個(gè)維度構(gòu)建,可以表征植被的結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性、多樣性以及抗干擾和恢復(fù)能力,從而更全面反映植被生態(tài)質(zhì)量。生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)估目前較多采用的也是多層級(jí)綜合指標(biāo)體系,一般從結(jié)構(gòu)、功能、干擾脅迫、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面構(gòu)建綜合評(píng)估指數(shù)[6,34—38,40]。植被退化演替特征指標(biāo)也多采用分級(jí)指標(biāo)體系從結(jié)構(gòu)組成、生產(chǎn)功能、生境變化及抗干擾能力等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[28,42]?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期觀測(cè)的指標(biāo)體系較為全面,其最核心的植被變化的指標(biāo)也是從結(jié)構(gòu)、功能、生物多樣性、干擾等方面進(jìn)行觀測(cè)。目前在生態(tài)質(zhì)量評(píng)估中采用的很多植被指標(biāo)(覆蓋度、生產(chǎn)力等)是通過遙感反演或者氣象指數(shù)模型計(jì)算得到的,可以對(duì)植被質(zhì)量進(jìn)行快速評(píng)估[16,18,32,33],但是對(duì)植被質(zhì)量變化和更細(xì)尺度上的刻畫是缺乏的。本研究是基于地面調(diào)查的植被生態(tài)質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系,包含了遙感或模型計(jì)算需要的地面驗(yàn)證的參數(shù),如覆蓋度、生產(chǎn)力、生物量、破碎度等,也涵蓋了基于地面直接觀測(cè)的植被質(zhì)量指標(biāo),如生物多樣性、優(yōu)勢(shì)種特征、林齡、優(yōu)質(zhì)牧草比例等,可以有效提高植被質(zhì)量評(píng)估的準(zhǔn)確性。

在群落結(jié)構(gòu)評(píng)估指標(biāo)篩選方面,除最常見的分層、高度、蓋度等指標(biāo)外,還提出了可以快速判斷植被質(zhì)量的指標(biāo)。例如：優(yōu)勢(shì)種演替地位指標(biāo),借鑒了指示物種法可以快速指示植物群落的健康或質(zhì)量的狀況[22],群落中優(yōu)勢(shì)種在植被演替中的地位則更為直觀和快速,質(zhì)量低的群落或演替早期往往以演替先鋒種為主,且優(yōu)勢(shì)種很不穩(wěn)定,容易隨著環(huán)境變化被過渡種替代,而質(zhì)量高的群落往往優(yōu)勢(shì)種穩(wěn)定,且為地域性頂極群落代表性物種[28]?？臻g破碎程度一般是區(qū)域或景觀尺度的指標(biāo)[22],對(duì)于群落尺度同樣適用,尤其是荒漠、草地、濕地生態(tài)系統(tǒng),植被的連通性降低,斑塊化嚴(yán)重是質(zhì)量下降最明顯的特征之一[21]。林齡僅針對(duì)森林,從幼齡林、成熟林等年齡結(jié)構(gòu)分級(jí)可以快速判斷植被所處演替階段或林木質(zhì)量[82,95]。

群落物質(zhì)生產(chǎn)指標(biāo)是植被最重要的功能參數(shù),也是植物群落最有意義的獨(dú)特屬性。評(píng)價(jià)指標(biāo)不僅要表征生產(chǎn)的量,還要表征質(zhì)量。其中優(yōu)質(zhì)牧草生物量比例是草地生態(tài)系統(tǒng)的特征指標(biāo),因?yàn)椴莸厥巧鷳B(tài)和生產(chǎn)功能的集合,優(yōu)質(zhì)牧草生物量比例指標(biāo)是表征草地生產(chǎn)功能質(zhì)量的重要參數(shù),比例越高代表生態(tài)質(zhì)量越高[24—25,34]?？萋湮飳雍穸仁遣莸?、森林的特征指標(biāo)?？萋湮飳雍穸仁巧?、草地群落中損失的部分,厚度越高說明地上輸入越多,可供其它生物消耗的生物量也會(huì)越多,也是衡量群落物質(zhì)生產(chǎn)和提供物質(zhì)循環(huán)的重要質(zhì)量特征參數(shù)[41]。

生物多樣性指數(shù)是生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)中非常核心的指標(biāo),也被越來越多的評(píng)價(jià)研究采用(表2)。在很多的大尺度的生態(tài)質(zhì)量評(píng)估中多采用覆蓋度、生產(chǎn)力[3,16,18],很難關(guān)注到生物多樣性的變化,而生物多樣性往往是生態(tài)質(zhì)量變化最核心的指標(biāo)[35],尤其針對(duì)生物多樣性保護(hù)功能區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià),生物多樣性指數(shù)是最重要的特征指數(shù)[37]。植物群落多樣性主要從群落中物種數(shù)目和個(gè)體數(shù)目分配的均勻度方面進(jìn)行評(píng)估。群落中物種豐富度、均勻度是最基本的2個(gè)生物多樣性指數(shù),數(shù)值高則群落多樣性高,群落穩(wěn)定性和抗干擾能力更高[83]。而優(yōu)勢(shì)種和退化指示種是群落中最具演替代表性種群,優(yōu)勢(shì)物種豐富度高則群落更穩(wěn)定,質(zhì)量更好[49,89],而退化指示物種是反向指標(biāo),退化物種數(shù)量越高則群落越不穩(wěn)定,整體質(zhì)量越差[22—28]。

發(fā)展/演替趨勢(shì)的指標(biāo)是綜合了以往研究采用較多外界干擾或壓力的評(píng)估指標(biāo)[34—38,40],以及植物群落自身演替或更新的指標(biāo),如森林的樹種更新指標(biāo),荒漠的種子庫(kù)指標(biāo)。從外界干擾壓力和植物群落自身發(fā)展?jié)摿C合評(píng)估植被的發(fā)展/演替的趨勢(shì),外界干擾強(qiáng)度大,會(huì)對(duì)植被質(zhì)量造成負(fù)向影響,而群落自身更新快或儲(chǔ)存的種子庫(kù)等足夠多,也為未來恢復(fù)提供正向作用。

構(gòu)建科學(xué)的綜合指標(biāo)體系是客觀評(píng)價(jià)的基礎(chǔ),然而量化指標(biāo)從而實(shí)現(xiàn)植被生態(tài)質(zhì)量快速評(píng)估是一直困擾學(xué)術(shù)界且尚未形成廣泛共識(shí)的難題[19]。定量化的評(píng)價(jià)方法實(shí)際應(yīng)用往往受限于指標(biāo)的閾值范圍和量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定,不同的生態(tài)系統(tǒng)類型,不同的評(píng)價(jià)目標(biāo)導(dǎo)向,或者不同生態(tài)功能分區(qū)需求,使得指標(biāo)的權(quán)重量化存在很大的差異和不確定性[1,19,40]。生物多樣性所占權(quán)重在生物多樣性保護(hù)功能區(qū),其必然與防風(fēng)固沙和水土保持區(qū)的權(quán)重是不同的[37,68]。除了權(quán)重分配,參照系的選擇也是非常關(guān)鍵的,本研究中的三級(jí)核心指標(biāo)采用的理想?yún)⒄障捣?也在很多區(qū)域評(píng)價(jià)中采用[16,18,22],即以本區(qū)域內(nèi)相同類型的頂級(jí)或近頂級(jí)群落為理想?yún)⒄障?評(píng)價(jià)相對(duì)量或與其偏離程度。也有研究評(píng)價(jià)年際變化量,以多年平均值或者歷史數(shù)據(jù)作為參照系,來評(píng)估生態(tài)質(zhì)量相對(duì)變化量[3,5,38]。因此,指標(biāo)的量化評(píng)價(jià)和模型優(yōu)化還需要針對(duì)不同應(yīng)用情景來開展更深入研究。

6 總結(jié)

本文基于植被逆行演替特征、文獻(xiàn)分析以及生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期觀測(cè)指標(biāo)體系,篩選植被質(zhì)量評(píng)估中最核心的指標(biāo)參數(shù),構(gòu)建適用于典型生態(tài)系統(tǒng)尺度的植被生態(tài)質(zhì)量三級(jí)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,分別從群落結(jié)構(gòu)、物質(zhì)生產(chǎn)、生物多樣性和發(fā)展?jié)搫?shì)4個(gè)方面進(jìn)行綜合指數(shù)的構(gòu)建。本文主要基于野外長(zhǎng)期調(diào)查數(shù)據(jù)建立反映生態(tài)系統(tǒng)植被質(zhì)量狀況的指標(biāo)體系,因此,本研究兼顧了多層級(jí)綜合評(píng)估和關(guān)鍵指標(biāo)相結(jié)合,針對(duì)植物群落野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)構(gòu)建的綜合評(píng)估體系,填補(bǔ)了針對(duì)中小尺度植被生態(tài)質(zhì)量評(píng)估核心指標(biāo)體系的空白。然而,由于植被類型的多樣性和復(fù)雜性,評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化還需要更多的數(shù)據(jù)支撐,今后還有很多方面需要進(jìn)一步探索和優(yōu)化,例如,(1)植被生態(tài)質(zhì)量各個(gè)指標(biāo)的閾值范圍的量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),(2)評(píng)價(jià)模型方法的對(duì)比和優(yōu)化,(3)近頂級(jí)或生態(tài)功能分區(qū)作為理想?yún)⒄障档臉?biāo)準(zhǔn),(4)基于樣地調(diào)查的評(píng)估與遙感分析相結(jié)合,拓展到更大尺度上精確評(píng)價(jià)植被的生態(tài)質(zhì)量狀況。