草地环境科学发展分析的论文

　　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４５０ｋｇｈｍ－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３０ｋｇｈｍ－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。