草地环境科学发展分析

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1当前我国草地环境面临的主要问题

我国草地面积约4亿hm2，占世界草地面积的12．5％，占国土面积的41．7％，是我国耕地面积的3倍多［3］。草地资源是我国重要的国土资源，是维持食物安全和改善膳食结构的重要物质财富，是维持国家生态安全的主要阵地。当前我国草地环境面临的问题主要表现在以下3个方面。

1．1草地生产力低下

我国草原牧草平均产量不足450kg•hm－2，其中优良牧草比重不足20％，灌丛化趋势增加，小半灌木＋杂类草＞禾草＋豆科牧草。天然草地的家畜承载能力十分有限，饲草供给能力差，在正常气候条件下仅能保障夏季的家畜放牧性饲草供应。而在退牧、禁牧的国家政策下，传统自由放牧正在转向舍饲、半舍饲，以及全年放牧到季节性放牧的转变。因此，草地生产力低和可收获性差就成为今后限制我国草地畜牧业发展的短板和瓶颈。另一方面，人工草地保有面积小。我国严格意义上的多年生人工草地的实际保有面积不足33．3万hm2，占全部草地面积的比例不到0．1％，造成冬季饲草储备不足，严重缺乏抵御自然灾害的能力。

1．2生态系统稳定性差

草地生态系统稳定性差是我国草地畜牧业面临的另一突出问题。主要体现在：牧草产量年度波动大、生物多样性降低、功能类群计量关系失衡和难以以草定畜。牧草产量年变化率一般在30％～80％，优良牧草年变化率高达60％～180％。中科院内蒙古草原生态系统定位站1979－2010年监测数据分析结果显示，封育30年、保护最为完好的羊草（Leymuschinensis）草原，其牧草产量年变化率也高达36％。夏季干旱是当前影响草地生产稳定性最主要的自然灾害类型。

1．3土壤固持能力减退

随着过去10年西部大开发“退牧还草”和“围封转移”战略的实施，我国草地生态环境趋于好转。但必须看到，这种恢复仅是植被结构与功能的部分恢复。例如，植被覆盖度和高度有所提高，但产量依然低下，以先锋植物和一、二年生杂类草为主，而生物多样性未有改善，生态系统整体功能依然未有根本改观。就草地生态系统功能的主体土壤系统而言，天然草地土壤贫瘠、沙化依然严重，地下生产力低下；土壤有机碳贮量整体没有明显变化，而土壤N库则整体继续下降，有效P养分供应明显不足；植物根系进一步表层化，细根比重增加，死亡周转加快。研究表明，土壤固持能力的恢复尚需要30～50年的时间。

2世界草地科学的新理念与新趋势

占世界陆地面积52．2％的草地生态系统是物质生产和生态服务最主要的陆地生物圈与人类活动圈，对于人类社会的生存与发展发挥着越来越大的作用。无论是现代草地生态学的发展趋势，还是全球环境问题和中国的现实状况，都要求草地生态学研究与草地畜牧业实践都要在可持续性科学的大框架下继续发展，即在可持续发展的前提下，不断提高草地的物质生产和生态系统服务能力。人类要想获得更广阔的可持续发展空间，必须树立人工生态设计和定向干预的理念，而不能一味被动地适应自然［4，5］。因此，无论是健康的、还是退化的草地生态系统，“进一步提高草地生产力，维持草地稳定性和提升草地固持能力”是当前人类社会面临的重大科学命题。

2．1草地生产力调控

生态系统中存在着各种计量关系。例如，生命物质的化学生态计量比、土壤C／N比与机械组成比、植物根冠比、植物功能群组成比，乃至整个区域的土地利用类型比、畜牧业的草畜比等等。生态系统调控的实质就是对上述各种计量关系进行调整。当前，草地生产力调控研究的重点是：如何提高牧草的总产量？如何增加优良牧草比重？以及如何增强草地抵御自然灾害的能力？长期以来，“围栏封育，依靠自然力恢复”一直是全世界普遍采用的一种恢复退化草地和提高草地生产力的技术措施［6］。然而，越来越多的证据表明，长期封育的草地，其生产力提高的幅度不到其最大潜力的46％，主要是由于植物萌发受到阻碍并导致植被更新困难等［7］。由于缺少动物采食，生态系统物200质循环和自我调节功能丧失。此外，其恢复速度缓慢，容易产生火灾，浪费生物量［8，9］。面对当前全球人口不断增长和社会物质产品需求的压力，这样的生产力调控方式显然是不切实际的。因此，亟待寻求高度人工设计和定向干预的草地生产力调控途径［10］。草地施肥的效果是毋庸置疑的，在30kg•hm－2的施N强度下，牧草产量通常可以提高30％～80％［11］。国内外研究结果均表明，长期少量施N可以显著增加禾本科优良牧草的比例，能够定向调控植物群落的植物功能群组成，主要是由于不同植物具有不同的N素利用效率和响应对策［12，13］，以及提高优良牧草（例如羊草）的结实率。天然草地大面积施肥的可行性一直受到学术界和管理人员的高度质疑，主要是经济上的投入－产出比和实际操作的可行性。基础割草场的雨季施肥是一个值得研究的草地生产力调控途径，其在冬季雪灾年份发挥的作用和产生的经济效益是显而易见的。然而，这方面的研究在国内外都极其有限。通过浅耕翻、松土补播优良牧草，能够显著增加天然草地中优良牧草的比例。然而，在草地改良中其效果往往不理想，主要是由于实施的经营理念和技术细节上的问题。目前，国际上提出了适应性草地管理的科学概念［14］，并进一步提出了将精准农业的发展思路引入到天然草地管理、退化草地恢复和草地生产力调控的实践中［9］。长期以来，国际上一直将草地灌丛化作为草地退化或荒漠化的一种类型。当前在全球变化背景下，需要对灌丛的生态系统功能重新加以认识。由于灌丛地下根系生物量大，木质素含量高，具有超强的固碳功能；另一方面，灌丛类多属于固N植物，根系深、吸收地下深层水能力强，在严重干旱年份仍然能够保持一定的地上生产力。在冬季大雪年份，由于其地上部高大，大部分枝条能够露出，可解决家畜的急需。在美国长期以来，一直通过保持一定比例的灌木、半灌木种类来增强草地抵御冬季雪灾的能力，特别是对于野生动物［15］。人工和半人工草地是生产力提升的主体。在我国农牧交错区发展人工草地、加强全年饲草储备，可以极大地缓解天然草地应对自然灾害（干旱、雪、沙尘暴）的饲草供应压力，发展高效优质的集约化草地畜牧业［1］。通过在不同区域建立国家战略饲草贮备基地，进行区域间、不同季节间饲草调配，能够从根本上解决草地应对灾害气候和全球变化的能力［16］。在灌溉、施肥、田间管理等集约措施下，其牧草生产能力能够超过温带天然草原［9］。在当前科技手段和综合国力明显强盛的情况下，在半干旱区大规模调水工程实施的可能性越来越大。因此需要在传统经营理念的基础上，提出具有中国特色的创新草地发展思维。由于全球人口的激增，对食物的需求将在未来50年翻番，这对食物生产和生态系统的服务功能将形成严峻挑战［17］。从被动适应和改善自然到主动的人工生态系统设计，是实现可持续性生物圈、增加地球承载力的必由之路［5］。通过人工设计，形成具有结构完善、功能稳定、信息完整及调控有效的生态系统，保证系统的健康运行和良好发展并不断调整使之日臻完善［18］。应用人工生态设计的原理与方法，进行生态－生产功能区优化布局是实现区域生态－经济－社会协调发展的新途径［19］。当前的发展趋势是通过大量的野外控制实验，研究高度人工设计和定向干预的草地生产力调控途径，为草地的可持续发展提供具体的研究实例，丰富其理论基础、完善其理论框架。

2．2草地生态系统稳定性维持

生态系统稳定性主要通过对其物质生产和生态服务功能的时间和空间格局与过程的波动程度来考察。就草地生态系统而言，主要是考察地上净初级生产力和生物多样性的季节变化和年度变化，以及群落之间、地域间以及区域间随气候和环境要素变化的波动程度和稳定性［20］。由于物种与功能群之间存在着补偿效应，乃至群落之间、地域间以及区域间通过人为调控可以形成的补偿性，构成了草地的稳定性维持机制［21］。生物多样性对生态系统生产力及其稳定性具有正效应的机制归纳为互补效应和选择效应，其中，互补效应包括生态位分化和互利效应［22］；将多样性导致稳定性机制归结于平均效应、负协方差效应和保险效应［23］。国内外研究均表明，草地生物多样性导致群落的稳定性［23～25］。长期封育的草地将导致生物多样性的下降［24］。长期少量施N会导致植物丰富度的损失，使净初级生产力的年度波动增加［13，26］。放牧、刈割、火烧和少量施N能够定向调控草地生态系统的物种组成与功能类群计量关系［11］。土壤生物多样性是生态系统稳定性维持的根本。目前，对保持稳定性的草地地下生态学过程及其调控途径尚不清楚，其长期被作为一个“黑箱”来对待。土壤中生活着大量的微生物，大约只有1％的土壤微生物是可以分离培养的。对于土壤中C和N转化微生物功能类群多样性仅具有初步了解，而对于完整的土壤生物链、营养级构成及其多样性特征基本上一无所知［27，28］。草地土壤动物在稳定性维持中的作用相当关键，但这方面的研究开展极少［25，29］。

2．3草地固持力提升

草地固持力包括地下生产力、土壤有机碳贮量、养分元素库存量、有效养分供应能力，以及防风固沙与水土保持能力等生态系统服务功能的诸多指标。植物－土壤相互作用是陆地生态系统固持力形成与保持中最重要的生态学过程。通过对植物－土壤相互作用的研究，无疑能够深入揭示出草地生态系统固持力保持与提升的科学机理［27］。地下生态学过程，特别是地下生产力形成机理与调控技术，是草地固持力研究的核心内容［30，31］。国际上一直致力于多年生、深根系、根组织木质素与纤维素含量高的旱生灌木、半灌木的筛选、引入和田间管理技术，试图寻找提高根系生产力和生物现存量，以及减缓根系死亡周转和碳素分解的调控途径，以提高草地的固碳能力。当前，促进木质素合成基因导入的分子生物学技术正在用于草地固碳植物定向培育中。整合地上与地下生态学过程的互作机制研究是近年来生态学研究的热点问题［32，33］。对于以生态固持功能为主的草地而言，人们更加希望将净初级生产力的大部分转移到地下，而地上维持更多的生物量。长期围封、放牧、刈割和少量施N对于植物C素分配和根冠比的调控作用在不同草地类型、不同气候背景下的反应十分不一致。在我国温带草原，长期围封和施N趋向于降低植物群落的根冠比［7］，降低植物的根系寿命［34］，向大气释放更多的C素。而放牧和刈割趋向于导致植物根系的深层化和根冠比的增加。根茎草地浅耕翻之后能够明显促进植物的地下生物量和延长根系寿命［35］。植物根系对于不同管理措施的响应无疑是因种类而异的，而这方面的研究少之又少。化学计量生态学（ecologicalstoichiometry）是一门新兴的生态学分支学科，主要关注在植被与土壤相互作用过程中化学元素的比例与平衡问题［36］。目前已有工作主要是针对碳（C）、氮（N）、磷（P）3种元素，即C∶N∶P化学计量生态学进行的［37］。因为这3种元素在生物体内含量相对较高、作用相对较大，而且N和P往往还是生物完成其生活史的限制性养分元素，也是生态系统生产力的常见限制因子［38，39］。通过对不同植物叶片、根系与土壤中养分元素的计量比进行考察，能够得出一定的相关关系，从而确定不同植物之间、不同功能群植物之间、地上与地下部生物量之间，以及植物与土壤之间养分元素计量比率的分异与一致性规律，反映出植物养分利用效率与适应对策以及土壤有效养分供应能力的差异，从而制定相应的调控策略［38］。通过养分添加、植物物种引入或去除等不同人工干预措施，对植被生产力和固持能力导向的植被－土壤养分过程进行调控。植被－土壤间C和N的生物循环是维持草地生态系统生产力和固持力的基础［40］。通过植被管理、土壤调控和生物干预，使得进入土壤的C和N数量尽可能地多，减少输出损失，延长周转时间等无疑是增加养分固持能力的有效途径［41］。激发草地P的有效性能够显著提高植物的N素利用效率，维持草地高的生物量；豆科牧草补播对于增加土壤的N库贮量，增强有效N素供应是极为有效的途径。

3新时期我国草地环境科学发展战略

3．1草地管理的国家目标

最近10年来，无论学术界还是决策管理人员都已经深刻地认识到，我国草地的畜牧业生产功能的重要性正在被其生态系统服务功能所逾越。草地的生态系统服务功能大致可区分为由简单到复杂的3个层次：初级功能（防风固沙、水土保持、土壤母质培育）、次级功能（生物量形成、C与N固持）和高级功能（生物多样性维持）。因此，草地管理的目标应该是实现其初级功能向次级功能和高级功能的全面提升。新时期我国草地管理的国家目标应该定位在“生产力提高、稳定性维持和固持力提升”。

3．2草地管理的技术路线与途径

我国草地管理的总体思路是：在可持续性科学的大框架下开展设计，将精准农业的发展思路引入到草地管理的实践中，建立“精细草业”的概念与理论体系，研发出高度人工设计和定向干预的草地调控技术，通过对草地生态系统进行适应性管理，最终实现“生产力提高、稳定性维持和固持力提升”的国家目标。我国4亿hm2草地中，可利用面积所占比例为84．3％，包括温性草原、高寒草地、温性荒漠、暖热性灌草丛和草甸沼泽等5个大类18个草地类型［3］。实际可调控面积大约0．67亿hm2，主要包括温带草原、草原化荒漠、沙地草地、高寒与低地草甸和农牧交错带人工草地等，主要基于年平均降水量（＞100mm）和现实生产力（＞450kg•hm－2）的考虑［42］。10年内总的发展目标确定为“66．67万hm2人工草地、0．067亿hm2割草场和0．67亿hm2放牧草地”生产力和固持力翻一番的发展目标。

3．2．1温带草原

草甸草原以净初级生产力提高为主要调控目标。包括松嫩平原和呼伦贝尔草原，可调控面积0．1亿hm2。通过雨季施肥、5％豆科牧草补播、浅耕翻和半人工草地建设，使生产力大幅度提高，土壤C和N素水平保持在平衡状态。以基本割草场建设为主。典型草原以生态系统稳定性维持为主要调控目标。以锡林郭勒草原为主，可调控面积0．167亿hm2。通过“草地斑块定点修复”技术改良草地，增加植物多样性和优良牧草比重。在群落中保持5％的块状灌丛植被，在10％的低湿地雨季施肥和建立旱作多年生人工草地，保持饲草生产的年度稳定性。以基本放牧场建设为主，草地调控采用“1／10计量调控功能置换模式”，畜牧业生产采取“季节畜牧业”模式。荒漠草原以植被覆盖度恢复与C、N固持力提升为主。以乌兰察布草原为主，可调控面积0．067亿hm2。通过围栏封育、控制放牧使植被覆盖度由40％提高到80％；10％深根系、高木质素含量、高根冠比植物引入与定向调控，增加土壤有机质。畜牧业以“北繁南育、南草北调”模式为主，与农牧交错带建立区域饲草补偿机制，形成县、乡、村、户之间的草－畜功能协作网络。

3．2．2农牧交错带

包括辽西平原、河北坝上、内蒙古南部、阴山北麓。以生产力提高和N库提升为主。多年生人工草地可由3．33万hm2提高到66．67万hm2，其中26．67万hm2豆科集约化人工草地，产量达到15000kg•hm－2；旱作豆科、禾本科混播草地40万hm2，产量达到7500kg•hm－2；牧草总产量接近温带草原。以奶牛饲养和肉牛育肥为主，“农牧耦合、生态保育”为主要模式。

3．2．3沙地草地

降水量250～400mm地区的沙地草地，包括呼伦贝尔、科尔沁、浑善达克和毛乌素4大沙地，可调控面积近0．047亿hm2。以植被覆盖度增加和C、N固持能力提升为主，土壤有机质培育为长期目标。采取飞播和网格固沙技术使植被覆盖度由20％提高到60％。采取沙地生态环境治理的“三分模式”和农林草耦合的“三圈模式”。

3．2．4草原化荒漠

降水量100～150mm地区的草原化荒漠和典型荒漠，包括巴丹吉林、腾格里、乌兰布和、库不齐4大荒漠的部分地区，总面积近0．1亿hm2。以植被重建、固C功能提升和土壤母质培育为主，稀疏灌丛覆盖度由5％增加到20％。我国荒漠区主要有锦鸡儿属（CaraganaFabr．）灌木、四合木（Tetraenamongolica）、梭梭（Haloxylonam－modendron）、沙冬青（Ammopiptanthusmongoli－cus）、白刺（Nitrariasibirica）、霸王（Sarcozygiumxanthoxylon）等10余种灌木、半灌木植物，旱生或超旱生，地下／地上比在4．6～14．9，主根深度可达4．5～9．6m，寿命达30～50年。木质素含量极高，死亡周转时间约几百年。其地下固碳能力可达15000kg•hm－2，0．1亿hm2荒漠固碳总量可达0．2Pg。

3．2．5高寒与低地草甸

低地草甸可调控面积0．067亿hm2，在全国11片重点牧区均有分布。高寒草甸可调控面积0．067亿hm2，主要分布在阿勒泰、甘南、甘孜和环湖地区。通过补播木本植物提高植被高度和增加豆科植物，以生产力改良和C、N固持能力提升为主。

3．3草地环境科学的重大问题与创新模式

未来10年，我国草地环境科学发展的总体思路是，定位研究、控制实验、样带观测与网络研究相结合，现代生态组学方法、分子生物学技术与草地适应性管理科学相互交叉，揭示出草地生态系统功能调控的重大科学机理，研发出草地调控的核心技术与创新模式／范式，建立具有中国特色的草地生态系统管理新思维与新理论。

3．3．1科学问题

3．3．1．1草地植被－土壤相互作用机理

以样带调查与联网定位研究相结合，阐明草地生态系统植被－土壤间的相互作用机理，揭示关键功能植物的地带性空间分布格局，揭示出植物－土壤－土壤生物化学生态计量比的梯度变化规律和区域特征。主要内容包括：①土壤微生物基础数据库；②植物多样性格局、植物叶性状、根叶比和化学计量比率的大尺度格局；③土壤养分元素（C、N、P）的计量化学比及其地带性规律。

3．3．1．2草地生产力调控与稳定性维持机理

通过定位研究、长期野外控制实验与生态温室模拟研究，揭示以提高牧草产量、增加优良牧草比重和增强草地稳定性为目标的生态系统调控机理。主要包括：①植被管理、放牧控制与土壤调控的长期生态学效应；②物种组成与功能类群计量关系与稳定性补偿效应；③关键土壤生物功能群界定与根系、根际（菌根）、土壤动物间的功能协同。

3．3．1．3草地生态系统固持力提升机制

以控制实验与田间试验相结合，阐明地下生产力形成机理和土壤养分库提升机制。分子生物学技术、精准管理技术相结合，研发出草地C、N固持力提升机制与综合调控途径。主要包括：①提高根系生产力和生物现存量的地下调控途径；②植物C素分配和根冠比的调控机制；③植物根系－根际－土壤系统N、P转化与生物内循环；④土壤C∶N∶P计量关系及其有效性调控。

3．3．2关键技术

3．3．2．1退化草地“斑块定点修复”技术

以0．5～50m2草地裸斑（gaps）为基本操作单元，主要研究：①丸衣、营养杯单株豆科牧草补播技术；②集、调、控雨水无管道滴灌技术；③土壤有机质改土与优良牧草植入式建植技术。

3．3．2．2天然草地大面积水肥调控技术

主要包括：①草地专用肥，包括缓释肥、微量元素复合肥、微生物肥、有效P活化剂等；②水肥耦合与雨季施肥技术。

3．3．2．3灌木植被设计与生态功能补偿技术

主要包括：①灌木植物种类筛选与植被建植技术；②灌木植被设计、管理与枝、叶性状控制技术；③乔灌草生态功能补偿方案与立体混合搭配技术。

3．3．2．4土壤C、N固持力提升的生物工程技术主要包括：①调控土壤C、N转化的微生物－酶学工程技术；②促进植物根冠比的内源激素调控技术；③提高根系木质素含量的转基因生物技术。

3．3．2．5荒漠植物规模繁育与植被重建技术

主要包括：①灌木种苗的快速繁殖技术，主要是种子育苗、枝条扦插与组织培养技术；②农杆菌介导的遗传转化与关键酶基因表达的荒漠植物性状定向培育技术。

3．3．3创新模式

建立针对不同区域、不同草地类型的“计量生态调控模式”，开展在物种、功能群与群落水平“高度人工设计与定向干预”的草地调控和生态系统与区域水平的“功能补偿性”调控试验示范研究，建立基于可持续性科学和政策管理层面的示范特区。精细草业的思路是：在未来草地管理与草业可持续发展的实践中，要精心规划技术路线，精准设计实施方案，精良装备技术手段，精确调控环境要素，通过对草地生态系统进行精细管理，最终实现“生产力提高、稳定性维持和固持力提升”的目标。具体而言，在草地管理与调控中，要以斑块为基本单元，以目标物种和功能群为基本对象，对水、土、气、生要素的调控要精准集约，对地上与地下过程调控要精确定位，对生态系统功能与过程要精致耦合①。生态草业示范特区建设与以往基于植被恢复重建、土地合理利用、流域水土保持等单一模式、单一目标的试验示范区建设不同，是以一个完整社会经济单元（乡、县、自然保护区）为基本单位，进行自然－经济－社会复合系统要素的整体设计与系统调控，以促进社会可持续发展为最终目标。

4我国在草地环境领域取得突破的机遇分析

在退化草地修复和草地功能调控的机理研究与技术研发方面，国内开展了大量卓有成效的工作。在中国科学院“西部行动计划”实施的10年间，先后在内蒙古草地、黄土高原林草交错区、巴丹吉林荒漠、塔里木荒漠－绿洲过渡带、高寒草甸、浑善达克沙地等区域系统深入地开展了植被恢复重建、风沙环境治理、农牧耦合技术与适应性管理等方面的基础生态学研究，以及生态修复技术的研发与示范推广工作，建立了一批高水平与高显示度的试验示范区，先后提出了一些针对不同区域的生态系统优化管理模式［43］。中国生态系统研究网络在相关区域分布有8个生态系统定位研究站，拥有我国保护最为完好的地带性原生植被和连续多年的环境要素长期监测数据，初步阐明了草地生产力、稳定性与生物多样性的关系及其受人类活动的影响。在内蒙古草原、松嫩平原和高寒草甸6个地点开展了大型控制实验，考察N、P元素的添加和水分控制对草地生产力和固持力的影响，以及物种去除、刈割、放牧等对生物多样性与稳定性的影响［9］。中国科学院寒区旱区研究所在荒漠植物筛选、植被重建与沙地治理技术方面取得了世界领先的科技成果；新疆生态与地理研究所在荒漠－绿洲生态水文调控和人工植被建植技术方面已获得多项发明专利；植物研究所在草地生物固氮、苜蓿（Medica－go）品种收集与转基因改良、根系木质素合成与调控、四合木组培快繁技术等方面的研究已经进入田间试验，生态环境研究中心在酶学工程和草地土壤N素环境调控，以及微生物所在草地土壤微生物基因库等方面的研究均获得较大进展。我国应率先提出生态系统调控的创新性观点，致力于将精准农业的发展思路引入到天然草地管理、退化草地恢复和草地功能调控的实践中，建立“草地斑块定点修复”的外科手术式的退化草地调控模式；系统研究天然草地大面积施肥的可行性和灌木物种引入的草地稳定性维持原理与技术，研发高度人工设计和定向干预的草地生产力调控途径。基于上述科学思路开展研究，将有可能揭示出草地生态系统功能调控的重大科学机理，建立具有中国特色的草地生态系统管理新思维与新技术。