草地退化环境地质指标体系

一、体系构建原则

草地退化环境地质指标体系的建立应该基于我国现有草地退化指标、标准，综合反映我国草地退化的研究现状与水平。在构建草地退化环境地质指标体系时，应遵循以下原则：

1.科学性与系统性原则

草地退化环境地质指标体系必须立足于我国草地退化的实际状况，指标的概念、物理意义必须明确，测定方法标准，统计分析方法规范。指标体系既能较客观和真实地反映草地退化的内涵，又能较好地量度草地退化的程度。另外，指标体系的建立必须基于系统性原则，体系中的各种指标应能相互独立，各司其职，具有层次结构，从属分明。

2.综合性与主导因素原则

草地生态系统是一个复杂的系统，它既受各种自然因素和人类活动的综合影响和制约，因而在进行建立调查指标体系时必须全面分析这些因素，选取多种指标进行综合划分，全面、客观、准确地反映草地退化的影响因素、退化过程和形成后果等。但要全部概全，既不现实也无必要，因而需要选取能够反映草地退化的主导性因子作为监测指标，建立科学、完整的评价指标体系，既简便灵活又准确客观地进行草地退化的调查与监测。

3.实用性与可操作性原则

建立草地退化环境地质指标体系的最终目标是为草地退化的调查与监测使用，要反映草地退化发展的现状和趋势，为政策制定和科学管理服务，因此指标体系的建立要考虑实用性和可操作性原则.指标的设置要避免过于繁琐，具有可测性和可比性，计算方法简单，数据易于获得和进行定性或定量的表达。

4.动态性与稳定性原则

草地生态系统是一个动态的系统，客观上需要指标体系具有一定的弹性，能够适应不同时期、不同草地生态系统的特点，在草地变化过程中能较为灵活地反映草地生态系统的状况。但同时又应保持指标在一定时期内的稳定性，以便于调查与监测工作的开展。

依据以上这些原则，应针对全面掌握草地退化的形成原因、状态变化和形成后果的要求，即进行草地退化调查的需要，构建一套完整的草地退化地质环境调查指标体系，体系中的环境地质指标应能从各方面描述草地退化的状况。但从现实性和重要性来说，研究掌握所有环境地质指标既不现实也无必要，因此，选取能够反映草地退化的主导性因子作为草地退化地质环境监测指标，意义更为重大。

二、指标体系构建思路

草地退化的是一个草地生态系统演化过程，对人类的生存和发展有着重要的影响，在草地退化严重的生态脆弱区，人类必须考虑如何应对这一实际而又非常严峻的问题。但是，人类如何进行针对性的“响应”，将成为是否能成功有效地防止草地生态系统进一步恶化的关键。

因此，在人类进行响应之前，需要全面把握草地退化的实质与内涵，通过充分的调查工作掌握其影响因素，分析影响因素对其演化过程的控制作用，进一步认识草地生态系统在退化过程形成的各种响应关系。基于此思路，在对草地退化成因和影响因素分析的基础上，依据因果关系进行构建环境地质指标调查指标体系。该体系由“CSR模型”构建，包括影响（Cause）指标、状态（State）指标和后果（Result）指标3类指标。其中影响指标是指触发草地退化的各种驱动力以及与之相关的影响因素；状态指标是指描述地质环境状态和表征的参数；后果指标是各种驱动力和影响因素对地质环境作用的结果。

在通过调查认识草地退化的规律、现状及各种后果的基础上，我们才能了解草地退化的这一环境地质问题所产生的一系列后果（Result）对人类究竟产生了什么样的压力（Pressure），从而对环境变化的过程或状态（State）进行针对性的监测，再反演草地退化各种关键的影响因素，进行针对性的响应（Response）。因此，该体系可依照“PSR模型”构建，通过关注和了解地质环境对人类有什么压力、压力状态如何、人类如何响应等，采用“压力（Pressure）—状态（State）—响应（Response）模型（PSR模型）”来构建地质环境监测指标体系，并通过监测响应措施的实施效果来检验地质环境监测指标的科学性和实用性。

需要强调的是，调查和监测尽管层次不同、目标不一，但彼此之间必然密不可分。通过调查，可以全面掌握草地退化的各种基础信息，对揭示其规律及进一步防治有重要的意义，往往开展于大中区域尺度的地区；而在调查的基础上，进行草地退化监测，对于揭示草地变化规律，阐明草地生态系统结构与环境之间的关系，科学利用、保护草地资源以及维持草地的可持续发展具有重要意义。草地退化监测的内容往往包含在调查内容之内，但必是关键性的内容。长期动态监测对于揭示自然界存在的内在规律具有十分重要的意义，草地生态系统随着自然界的变化，会发生正向或逆向的演替变化，这种变化差异是绝对的，并且有一定的规律可循。寻找这一规律，依靠一年、两年或几年的资料是绝对不够的。仅仅依靠短期的资料得出的结果往往带有片面性，甚至产生误导作用，而长期动态监测资料所具有的意义和价值正在于此。长序列的资料积累，对于阐述我国草地多年来的变化以及与气候、水文、土壤等因子之间的关系，有着极其重要的意义和价值。

通过前述的构建思路，可以形成如下的体系框架（图4-1）。

三、草地退化地质环境调查和监测指标体系

依据上述构建原则，分别建立草地退化地质环境调查指标体系（表4-6）和草地退化地质环境监测指标体系（表4-7）。草地退化地质环境调查指标主要涉及草地退化过程中的地表系统的物理、化学作用，以及生物/非生物演化过程，以状态值或短时间尺度的变化来测量或监测草地退化过程。而草地退化监测指标主要在调查指标范畴内抽取关键性的指标应用于监测。

图4-1 草地退化地质环境调查指标体系构建框图

（一）调查指标体系

1.影响指标

前述影响草地生态系统的主要因素包括地貌、水文、地质、气候和社会经济等。其中地貌因素包括地形特征指标，水文因素包括地表水量与水质指标，地质因素包括地下水位与水质两项指标，气候因素包括温度和风蚀两项指标，社会经济因素主要是人类活动。

2.状态指标

伴随着草地退化的进程，会出现一些地貌、植被和土壤上的变化。其中地貌上体现为地表特征的变化，植被上表现为地表植被的变化，土壤上表现为土壤的理化性质和土壤养分的变化。

3.后果指标

草地退化的结果不可避免地将产生土地的退化。植被退化是草原土壤退化的直接原因，而土壤进化也必然引起植被的退化，二者是互为因果的，广大天然草原是畜牧业生产基地，长期以来，牧民在草原进行放牧、刈草等生产活动，在适度利用的情况下，草原生态系统的能流与物流基本上处于平衡状态，生产水平比较稳定。土壤系统保持良好的结构，能够正常地发挥其功能，为植物生长提供所需的空间及养分、水分，同时植物地上和地下的残落物和牲畜的排泄物归还给土壤，使消耗得到补充，这时草—畜—土三者维持着良好的物质循环与平衡。它们互相促进，协调发展，而在草地退化的过程中，植被发生了逆向演替，草群变得矮小稀疏，组成结构改变、盖度减少、产量下降，与此同时，土壤也向退化方向发展。

表4-6 草地退化地质环境调查指标体系框架

（二）监测指标体系

通过对草地退化环境地质指标体系中的各项指标进行深入分析和筛选，最终选择地形特征、地下水位与水质、土壤理化性质、土壤养分以及土地沙化、沙漠化5项指标作为草地退化的地质环境监测指标。

表4-7 草地退化地质环境监测指标体系框架

四、重要环境地质指标概述

（一）地表特征

地表特征指标主要测量或监测地表面的裸露程度，是衡量草地退化程度最为直观的指标之一。基本上所有的研究都将其作为表征草地退化进程的内容，但大多为定性描述，对于精确刻画草地退化的等级有一定的局限性。在论及地表特征这个指标，地表面的裸露程度是最为常用的一个参数。

如仝川（2000）根据地被物明显减少、地被物消失以及表土裸露，甚至出现盐碱斑为临界值，将草地退化程度划分为轻度、中度、重度3个等级。李博（1997）以地被物明显减少、地被物消失、地表裸露、呈现裸地或盐碱斑为临界值，划分出轻度、中度、重度和极度退化4个等级。我国现行的国家标准——天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标（GB 19377—2003）其中也包括对地表特征的监测参数（表4-8）。

表4-8 草地退化、沙化、盐渍化的地表特征监测指标

（二）地下水位与水质

在干旱半干旱地区，地下水位与水质和生态环境的关系十分密切。尤其对于植物的生长发育，有着密不可分的关系。我国西北地区是典型的干旱半干旱地带，干旱少雨，蒸发量大，年降水一般在400mm以下，荒漠地带则在250mm以下，局部地区甚至只有30～40mm，其地带性植被为荒漠植被，十分稀疏。对生态环境起主要作用的是依靠地下水维持生存的非地带性中生和中旱生植被。国内的众多学者对植物与地下水位之间的关系也做了大量的研究。有学者提出把满足干旱区非地带性天然植被生长需要的地下水位埋藏深度称作生态地下水位（简称生态水位）。还有学者从不同角度研究了植物生长与地下水位的关系，提出了适宜水位、最佳水位、盐渍临界深度、生态警戒水位等等。

如杨泽元、王文科等（2006）从陕北风沙滩地区水资源可持续发展的角度深入探讨了地下水位埋深与植被生长及土地荒漠化的关系，提出了“生态安全地下水位”的概念，将其定义为“在干旱半干旱地区，维系植被的正常生长，维系河流、湖泊、沼泽（或湿地）正常的生态功能，且不发生土地荒漠化、水质恶化、地面沉降等生态环境问题的地下水位埋深”。通过研究表明：陕北风沙滩地区地下水位埋深小于1.5m为盐渍化水位埋深，1.5～3m为最佳地下水位埋深，3～5m为乔灌木承受地下水位埋深，5～8m为警戒地下水位埋深，8～15m为乔木衰败地下水位埋深，大于15m为乔木枯梢地下水位埋深。

张丽、董增川等（2004）以生态适宜性理论为基础，根据塔里木河干流流域典型植物的随机抽样调查资料，建立了干旱区几种典型植物生长与地下水位关系的对数正态分布模型。根据建立的模型得出干旱区典型植物的最适地下水位。结果表明：①最适地下水位：干旱区典型植物出现频率最高的地下水埋深分别为：胡杨2.51m，柽柳2.2m，芦苇1.36m，罗布麻2.51m，甘草2.39m，骆驼刺2.84m。最适宜区间为2～3m。②生态地下水位：适宜干旱区植物正常生长的地下水位为2～4m。因此，干旱区合理的生态地下水位应保持在2～4m之间，这样才有利于植被生长和生态环境恢复。③植物的生态幅度：不同的植物对地下水位的忍耐范围不同，胡杨、怪柳、骆驼刺的方差较大，说明它们可以在较大的地下水位范围内生存，生态幅度较大；芦苇、罗布麻、甘草的方差较小，说明它们可以在较小的地下水位范围内生存，生态幅度较小。④植被盖度、频率与地下水位的关系：植被盖度！出现频率与地下水位存在一定的关系，在植被最适地下水位附近，植被生长最好，出现频率最高，相应的植被盖度最高；在植物的适宜地下水范围内，植被生长良好，出现频率较高，相应的植被盖度也较高；在其他地下水范围内则植被长势受水分亏缺或土壤盐渍化的影响，生长相对不好，出现频率相应就低，盖度也低。

纪连军、高洪彬等（2006）研究了半干旱地区地下水位埋深对杨树生长发育的影响，结果表明在半干旱地区，当地下水位埋深在1.2～2.5m时，杨树幼树生长发育正常，幼树基本无枯梢枯干现象；当地下水位深度超过3m时，幼树枯梢枯干现象随地下水位下降而增多。

周绪、刘志辉等（2006）研究了新疆鄯善南部地区地下水位降幅对天然植被衰退过程的影响分析，研究结果表明地下水位降幅位于5～8m之间为天然植被覆盖变化敏感区间，降幅超过10m天然植被将会出现严重衰败。

以上大量的研究表明，地下水位和水质与植物的生长有着不可分割的联系，不同植物种属对于地下水位有着不同的需求，地下水位和水质的变化直接决定着地上植被群落的演替。近年来，我国北方的大部分地区地下水位都存在不同程度的下降，伴随着这个过程，大量的亲水性植被开始凋落，耐旱型植被逐渐占优势，若地下水位持续下降，很可能导致大面积的植被凋谢和死亡，促成草地退化和土地退化。

（三）土壤理化性质

土壤的理化性质是反映土壤与地表植被间进行物质和能量交换的特性。主要包括土壤结构、土壤质地、土壤含水量、土壤容重、土壤酸碱度（pH值）、土壤含盐量等参数。

1.土壤结构

土壤结构是指土壤颗粒（包括团聚体）的排列与组合形式。土壤结构是成土过程或利用过程中由物理的、化学的和生物的多种因素综合作用而形成，按形状可分为块状、片状和柱状3大类型；按其大小、发育程度和稳定性等，再分为团粒、团块、块状、棱块状、棱柱状、柱状和片状等结构。简单来说，对植物出苗和扎根以团粒状土壤最好，粒状、屑粒状、柱状次之，核状和块状土壤不良。

2.土壤质地

土壤质地即土壤机械组成，是指土壤中各级土粒含量的相对比例及其所表现的土壤砂粘性质。可划分为3大质地类型，即沙土类、壤土类和粘土类。

3.土壤含水量

指土壤中所含水分的数量。一般是指土壤绝对含水量，即100g烘干土中含有若干克水分。也称土壤含水率。草地退化过程中，土壤含水量下降，尤其是上层（0～20 cm）土壤含水量下降明显。

4.土壤容重

指一定容积的土壤（包括土粒及粒间的孔隙）烘干后的重量与同容积水重的比值。它与包括孔隙的1cm³烘干土的重量用克来表示的土壤容重，在数值上是相同的。一般随着草地退化程度的加剧，土壤容重呈上升趋势。土壤容重的增加必然影响土壤中水分和空气的移动及植物根系的发育。

5.土壤酸碱度（pH值）

又称“土壤反应”。它是土壤溶液的酸碱反应。主要取决于土壤溶液中氢离子的浓度，以pH值表示。我国北方大部分地区的农作物和牧草需要pH7.0～8.5的微碱性土壤，低于或高于此pH值时，植物生长将受到抑制。

6.土壤含盐量

主要指土壤中盐分的含量。土壤含盐量是衡量草地盐渍化的一个重要参数。

前人就土壤的理化性质和草地退化之间的联系有着大量的研究。如陈有君、红梅等（2004）研究过浑善达克沙地不同植被下的土壤水分状况，结果表明植物的生长使根层土壤含水量下降，而且不同植物利用水的土层及利用土壤水的量不同。在干旱半干旱地区，植被影响着降水在土层中的分布及地表的蒸散条件，使土壤有效水向浅层分配。而降水在土壤不同深度的分配及入渗深度，决定着地表植被的生活型，从而影响地表植被的演替方向及顶级类型。朱志梅、杨持等（2007）以内蒙古多伦县为例，进行了草地退化对土壤理化性质质的影响研究。结果表明，随着草地退化的加剧：①土壤颗粒组成发生变化，黏粒含量趋于减少，砂粒增多。不同粒径对土壤团粒结构形成和保水保肥的贡献不同，黏粒的减少抑制了土壤的膨胀、可塑性及离子交换等物理性质。②土壤含水量下降。上层（0～20cm）土壤含水量下降明显，随着沙漠化梯度的增加，表层土壤含水量下降速度加快，从而深层土壤含水量逐渐高于表层。③土壤容重呈上升趋势。容重的增加必然影响土壤中水分和空气的移动及植物根系的发育。不同深度的土壤容重与草地退化也存在一定的关系，潜在阶段深土层（30～50cm）的容重最小，而严重阶段表土层（0～5cm）容重最小。④土壤有机质、C、N含量下降，方差分析显示各沙漠化梯度间均差异极显著。且土壤N的衰减要快于C。土壤C/N比呈增加趋势，说明伴随着土壤C，N的显著下降，质地变粗，植物N素供应不足更为突出。⑤土壤容重与土壤全N，C及黏粒含量的相关分析表明，细颗粒物多，有机质含量高，土壤容重减小，从而有助于提高土壤的稳定性，且5～10cm土层的性质表现突出。⑥土壤的颗粒组成状况与土壤营养元素之间有着同增同减性，但黏粒与N的关系要密切于黏粒与C和C，N间的关系。因此，土壤中细颗粒物的减少会导致N素的衰减十分明显，从而导致土壤稳定性降低。

（四）土壤养分

土壤养分是土壤化学性质的体现。但与土壤的酸碱度等参数相比，土壤养分指标对植物生长的过程具有相当的控制作用，植物生长发育主要取决于土壤中有机质和氮磷钾含量，且还受这几者之间供给比例的影响。J.von Liebig（1843）提出了植物生长的最小养分律，意指植物的产量由含量最少的养分所支配的定律。如果相对增加最少的某个因子（最少因子），那么产量将与此成比例地增加。其次如果其他某个因子成为相对最少时，产量也不会增加，一旦增加这个因子，则产量就会再次增加。例如氮供给不充足时，即使多施磷等，但植物产量仍受氮的施用量所决定。

另外，除主要的养分因素之外，土壤还提供植物体生长发育的一些微量元素。微量元素虽然在植物体内的含量不多，但与其生长发育息息相关。微量元素最突出的作用是与生命活力密切相关，能发挥巨大的生理作用。其中B、Mo、Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素对植物的生长具有重要意义。

国内的研究者对土壤养分与地表植被退化的相关性进行了大量的研究。如赵利君、王艳荣等（2005）进行了土壤养分在草原退化过程中的变化分析，研究了三个不同退化强度草原的有机质含量和全磷含量的差异及其季节变化，结果表明，不同群落土壤有机质和全磷含量大小顺序都为：未退化群落>中退化群落>重退化群落，方差分析指出中度退化群落与不退化群落土壤有机质的最大差异出现在0～10cm土层处，而重度退化群落与中度退化群落土壤有机质的最大差异出现在10～20cm土层处。在0～10cm层次三种群落全磷含量之间都没有显著差异。在10～20cm和20～40cm层次上，未退化群落与中度、重度退化群落之间存在极显著差异。中、重度退化群落之间差异不显著。闫顺国（1991）对河西走廊盐渍化草地土壤生态环境进行了研究，分析了土壤盐分组成对植被生长的影响，对土壤盐分组成（Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺、Na⁺、、及Cl^-），pH及有机质含量（OM）进行了主成分分析，结果表明，各变量在环境分类中的作用秩序为：。钟志祥、万开元等（2006）研究了武汉植物园迁地保护植物樟科和木兰科21 种珍稀植物的营养状况，及其所生长土壤的营养条件。结果表明：酸性土壤中Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo6种微量元素的有效态含量顺序为Fe＞Mn＞Cu＞Zn＞B＞Mo，其平均值大小与全国平均值相差不大；植物叶片中微量元素含量大小顺序为Fe＞Mn或（Mn＞Fe）＞B＞Zn（或Zn＞B）＞Cu＞Mo，与正常含量范围相比，所有植物Mn含量偏高，部分植物Fe含量较大，Cu、Zn、B含量较为正常，Mo含量偏低，生物吸收系数大小顺序为Zn＞Fe＞Mn＞B＞Cu。

（五）土地退化

草地退化与土地沙化、沙漠化有密切关系，应该说土地沙化是草地退化的直接后果之一。凡是退化中的草原，土壤的物理、化学与生物等不良性状也充分表现出来，其中土壤有机质含量、土体厚度、表层硬度及沙化程度与草地退化程度关系最为密切。不过土壤的变化不像植被变化那么直观和易为人们察觉，同时表现出一定的滞后的效应，可以说随着草地退化进程的加剧，地表面的土壤将遭受不同程度的侵蚀作用，进而形成土地沙化、沙漠化。

草地退化引起的土地退化主要表现在以下几个方面：

1.土壤侵蚀

土壤侵蚀是指在水力、风力等外力作用下，使陆地表层的土壤和土壤母质等发生破坏、磨损、分散、搬运和沉积的过程。由于风力搬运的分选作用，导致土壤质地的变化，最细的土壤物质以悬移状态随风漂浮到很远距离；跃移物质则沉积在地边及田间障碍物附近；粗粒物质停留在原地或蠕移很短的距离。这种侵蚀分选过程使土壤细粒物质损失，粗粒物质相对增多，原有结构遭受破坏，土壤性能变差，肥力损失，地力衰退，导致整个生态系统退化并出现风沙微地貌。这种粗化过程随风力的变化而间隙式发展，在大风初期持续一定时间，当风力不再增加，处于相对稳定状况时，风蚀强度随之减弱，只有当风力再度增加时，粗化又重复出现。

在我国北方的干旱半干旱地区，主要以风力侵蚀为主。内蒙古是我国风力侵蚀较为严重的地区之一。据全国1∶50 万环境地质调查资料（2002）显示，内蒙古风力侵蚀面积达58.19 万km² ，在国内仅次于新疆，约占全国风蚀总面积的28.6%。风力侵蚀的程度可以用风蚀厚度、侵蚀模数等来划分。

表4-9 风蚀强度分级

2.土地沙化

沙化是草原土壤最为普遍的现象，当裸露面积增加以后，表土极易遭到风蚀，细土被吹走，粗粒相对积累.开始是质地变粗。进而随着沙粒移动，表土出现不同厚度的覆沙层。土壤沙化现象与土壤质地及母质类型有密切关系。在河流冲积物、风积沙黄土及沙质风积物上形成的土壤沙粒含量高，质地较粗，极易发生土壤沙化。此外。不合理的垦殖沙质草场，乱砍滥伐森林、无节制地栗掘野生药材等，更是加速了土壤沙化。我国的国家标准从地表特征、0～20 cm土层的土壤理化性质2个方面规定了草地沙化程度的监测指标。

表4-10 草地沙化程度分级与分级指标

3.土地盐渍化

盐渍化是指水灌地由于盐分积聚而缓慢恶化的过程。当土壤含盐量太高（超过0.3%）时，形成盐碱斑块。土壤的盐渍化主要是由于气候干燥，强烈的蒸发作用使土地的水分减少，在地下水浅埋地段，地下水中的盐分随着蒸发而不断向地表迁移聚集。盐分大量积累，积盐在地表形成盐碱土。在我国北方的草原地区，微碱性的土壤适宜植物的生长发育，但盐分的过度积累（pH>9），将开始抑制植物的生长，同时植物群落发生改变，耐碱性植被开始占主体，群落结构向退化方向发展。我国的国家标准天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标（GB 19377—2003）从地表特征、0～20cm土层的土壤理化性质、地下水3个方面规定了草地盐渍化程度的监测指标。

表4-11 草地盐渍化程度分级与分级指标