放牧对草地生态系统磷循环调控机制的研究进展与展望

放牧是全球范围内草地生态系统最主要和最直接的利用方式.磷(P)是植物生长所必需的大量元素,同时也是草地初级生产力的关键限制性养分元素,广泛参与植物的光合、呼吸等重要代谢过程.放牧通过直接和间接作用影响草地植物和土壤各组分的P含量和P库,进而通过正负两种反馈影响生态系统的P循环.目前,国内外有关放牧对草地P循环的影响机制,特别是P循环的生物学过程和机制尚不十分清楚.本文总结了有关放牧对植物和土壤各组分P含量及P库的影响及其机制,并对该领域的几个重要研究方向和亟待回答的科学问题进行了展望.未来研究中需要重点关注的问题包括:(1)土壤微生物量P组成沿不同放牧强度的变化,以及放牧对土壤微生物P源和汇的影响机制;(2)放牧如何影响土壤磷酸酶的活性(磷酸单酯酶、磷酸二酯酶、三磷酸单酯水解酶等)进而调控土壤中P的矿化过程;(3)放牧如何调控P在植物-土壤-微生物系统中的转化过程;(4)采用分子生物学和组学的手段,揭示土壤微生物在P循环及生态系统功能中的作用,以及放牧如何影响植物和根际微生物,进而调控生态系统P循环;(5)不同放牧强度如何影响植物多样性、菌根真菌多样性及两者之间的关系,进而影响植物对P的吸收和利用,以及地上和地下生物量P库;(6)不同家畜种类的食性差异及其对磷循环的影响机制;(7)其他植食动物(野生食草动物、植食昆虫、啮齿动物、蚯蚓、植食性线虫等)在草地生态系统P循环中的作用;(8)不同放牧强度如何调控生态系统各营养级组分的N:P化学计量关系,进而影响N、P循环之间的耦合关系.     

青藏高原退化高寒草地生态系统恢复和可持续发展探讨

近年来,青藏高原草地生态环境安全引起人们的高度重视,但是其生态环境仍处于不断恶化的状态。本文分析了青藏高原高寒草地生态系统的草地退化现状、退化因素和改良技术研究等,并针对其现状和恢复目标,为高寒草地生态系统和草地畜牧业的可持续发展提出了一些建议:加强高寒草地生态系统的基础研究,建立综合的草地改良和恢复技术体系,加强草地生态系统的管理,建立合理的草地放牧制度体系,并建立高效的饲草供应人工草地,在退化草地上建立集约化的高效社区模式草地畜牧业体系,改变退化草地生态功能,是实现退化高寒草地生态恢复、生物多样性保护和经济可持续发展的最佳措施。     

西藏地区草地承载力及其时空变化

在不适合和不能放牧区域划定、满足生态保护需要的牧草生物量估算、草地生产能力修正等的基础上,开展西藏地区县域草地承载力及其时空变化研究,分析农业、林业等补饲对草地承载力的影响机制,以及草地承载力与草地生态状况变化的相互关系.结果表明:(1)西藏地区县域草地载畜量和补饲载畜量呈显著的地域差异,主要影响因素分别为水分条件和热量因素;(2)2011年藏东南、藏西北部分县域草地资源仍有盈余,但是全区及其多数县域草地生态系统处于超载状态且自2000年以来不断加剧,草地承载状况及其动态变化的空间自相关性下降、空间异质性增强;(3)牲畜存栏量增长过快、草地资源供需空间匹配不协调是造成草地超载且不断加剧的主要原因;(4)通过缓解草地资源供需的不平衡性和不协调性,农业、林业等补饲可以改善全区尤其是农业县、半农半牧县草地承载状况,但对草地承载状况变化趋势的影响有限;(5)县域草地生态状况的下降趋势与其草地超载、草地承载率下降具有较强的相关性.因此,适合放牧区域划定、牲畜存栏量控制和畜牧业布局优化是改善西藏地区草地承载状况、减缓其草地生态状况下降趋势的主要途径.     

青藏高原高寒草地生态系统变化的归因分析

高寒草地生态系统是青藏高原主要生态系统类型之一,其结构和功能对全球变化敏感.过去几十年,随着气候变化与人类活动加剧,高寒草地生态系统结构和功能发生了巨大变化,然而其变化的自然及人为相对贡献率存在较大争议.本研究基于优化的模型差值法评估了1990～2013年青藏高原高寒草地变化的人为相对贡献率.研究结果表明,这一时期青藏高原高寒草地生产力显著增加,人类活动主导了草地生态系统净初级生产力的变化,人为相对贡献率达到74.0%,人类活动主导草地生产力增加的面积占比大于主导草地生产力减少的面积占比,青藏高原草地可能已由过度利用转变为适度保护,但其特征呈现复杂性. 2000年后人类活动影响急剧增强,表明同期实施的大型生态恢复工程可能增加了高寒草地生产力.空间结果表明,两个时期相比有36.7%的草地生产力变化由气候变化主导转为人类活动主导,其中主导草地生产力减少是增加的两倍以上.随着我国生态文明建设的不断推进,青藏高原高寒草地生态功能总体上开始呈恢复趋势,但人类活动主导草地生产力减少的区域也在增加,该区域可能已趋于人地关系发生转变的临界点.因此,退化草地的恢复与治理仍是青藏高原生态安全屏障建设的重要支点,青藏高原草地适应性管理已刻不容缓.     

草地多功能提升的多样化家畜放牧理论及应用

草原是我国最大的陆地生态系统,草原生态保护对于我国生态环境建设及社会可持续发展至关重要.当前草地退化现象严重,全球气候变化压力增加,如何科学地管理草原、提升和维持草原正常的生产生态功能是亟待解决的重大科学问题.本文首先创新性地提出多样化家畜放牧的概念,以及草地多功能提升的多样化家畜放牧理论,即多样化家畜放牧能够直接或间接通过提高草地资源异质性、增加草地的随机性干扰过程以及物种扩散过程,维持和提高草地生物多样性和生态系统复杂性,进而促进草地生态系统多功能的发挥.其次,详细阐述了多样化家畜放牧维持和提高草地生物多样性及生态系统复杂性的生态学机理,以及多样化家畜放牧效应的野外试验验证.最后,对多样化家畜放牧的应用前景给予了分析讨论,并建议在适度强度下的多样化家畜放牧可以作为维持天然草原健康、实现草原可持续生态服务功能的重要管理工具.     

草地生产与生态功能合理配置的理论基础与关键技术

草地生产功能和生态功能的合理配置对于生态草业的可持续发展至关重要.本文总结了国内外草业发展现状,特别是我国草地经营管理中存在的主要问题;介绍了草地生产与生态功能合理配置的6个基础理论:放牧优化假说、中度干扰假说、放牧促进/减缓生态系统养分循环假说、草畜平衡理论和草地农业系统理论.在分析生态草业发展面临的主要技术瓶颈基础上,提出了生态草业建设的核心技术体系,着重介绍了退化草地恢复与培育的4项技术、天然草地保护与合理利用的2项技术,以及人工草地建设与管理的技术.最后介绍了天然草地和人工草地配置的原则,以及人工草地的类型选择与合理布局的技术.所述理论和技术对于指导我国生态草业建设和可持续发展具有重要指导意义.     

生态系统服务复杂关系研究的机遇、挑战与对策

理解多种生态系统服务之间的相互影响已经成为可持续发展科学的热点与前沿.本文总结了多种生态系统服务间复杂关系的分析方法与模型研究的最新进展,分析了当前研究中的问题和难点,并提出了一种新的交叉学科研究路线,即利用来自基因调控研究的布尔网络模型为生态系统服务间的复杂互动提供建模和模拟分析平台.以食物生产系统的4项基本生态服务的关系为案例,设定1个基本情景和1个调控情景,分析4项生态系统服务的相互关系变化对系统功能的影响.结果表明,运用布尔网络模型可以在简单规则和少量数据的条件下,模拟多个生态服务之间非线性的复杂相互作用,并能为研究调控多种生态服务提供建议.本文是对基因调控网络模拟多生态系统服务间相互关系的能力和合理性的初步验证可为进一步开展该领域研究提供参考.     

人工草地建设原理与生产范式

人工草地种植规模和生产水平是衡量一个国家畜牧业发达程度的标志.本文阐述了人工草地在未来世界食物生产与维持食物安全中的作用,综述了世界人工草地发展现状,分析并讨论了我国人工草地发展现状与未来趋势,探讨了高效可持续人工草地建设的原理、关键科学问题、关键技术与发展范式.分析表明,目前世界人工草地发展更加依赖于丰富多样的牧草种质资源、先进的生产加工管理技术、高度专业化的生产经营管理、苜蓿带与饲养带高度耦合和政府的高度重视与大力扶持.在我国,人工草地高效发展主要受到水分有效性的极大限制,因此人工草地建设必须在可持续性原理的大框架下开展设计,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人工草地调控技术,对草地生态系统进行适应性管理;我国人工草地发展需要高度重视人工草地区域布局、人工草地类型选择、人工草地与家畜饲养带耦合、草地与耕地功能置换等战略问题.目前我国人工草地发展技术基本成熟,草牧业发展受到了国家的高度重视,人工草地种植带与饲养带整合的大环境基本具备.     

寄生植物对草地生态系统的影响

英国科学家巴杰特（R．D．Bardgett）等人研究了寄生植物小佛甲草（Rhinanthus minor）对草地生态系统之生产力、物种多样性及氮循环的影响。     

草地管理概念的新释义

<正>作为地球陆地最大的生态系统,草地(grassland)约占陆地总面积的25%.我国草地总面积为3.31×106~km~2,约占国土总面积的41%,其中绝大部分为天然草地,人工(栽培)草地仅占草地总面积的3.1%~([1]).草地既是畜牧业的主要生产基地,持续不断地提供肉、奶、皮、毛等高质量畜产品,也是北方区域的主要生态屏障,对牧区及邻近区域的生态环境有着不可替代的稳定作用;同时,草地还是多个游牧民族的"发祥地",对"草原文化"的形成、发展及社会稳定具有独特价值.对于这种"可更新"且具有"活资本"(livingcapita)性质的草地资源的利用,自有人类存在(远长于历史记录)以来就已经开始.经过人类社会数千年     

近10年青藏高原高寒草地物候时空变化特征分析

植物物候是陆地生态系统对气候变化响应的最佳指示器,其变化研究对于深入地理解和预测陆地生态系统的动态变化具有重要的意义.本文利用SPOTVGT归一化植被指数(NDVI)对青藏高原1999～2009年间高寒草地物候的时空变化进行了研究,结论如下:①青藏高原高寒草地物候多年均值的空间分布与水热条件关系密切.由东南向西北,随着水热条件的恶化,生长季始期(SOG)逐渐推迟,生长季末期(EOG)逐渐提前,生长季长度(LOG)逐渐缩短.海拔在物候的地域分异中扮演着重要作用,但存在3500m分界线.其下,物候随海拔变化波动较大,其上物候与海拔关系密切;②1999～2009年间,青藏高原高寒草地SOG整体上呈提前趋势,变化幅度为6d/10a(R2=0.281,P=0.093);EOG呈推迟趋势,变化幅度为2d/10a(R2=0.031,P=0.605);LOG呈延长趋势,变化幅度为8d/10a(R2=0.479,P=0.018).SOG提前、EOG推迟和LOG增长的区域主要分布在高原的东部.SOG推迟、EOG提前和LOG缩短的区域主要分布在高原的中、西部,其中高原绝大部分区域的SOG呈显著提前趋势,尤其是高原的东部地区;③青藏高原高寒草地物候年际变化在不同的海拔和自然带上分异显著.高海拔地区的年际变化趋势要比低海拔复杂;青东祁连山地草原带的变化幅度和显著水平最高,而藏南山地灌丛草原带最低.     

中国草地资源的现状分析

中国草地面积广阔,自然资源丰富,准确评估草地资源既是合理开发和利用草地的基础,也对生态环境的保护具有重要意义.但是,关于中国草地面积、生产力和承载力等本底数据至今为止尚没有系统的梳理.本文收集、整理了过去几十年来我国草地资源研究的各类数据,并利用1982~2011年的遥感影像(NOAA/AVHRR-NDVI)和气候数据重新估算了我国天然草地生物量和生产力及其近30年的变化.由于草地的定义、数据来源和分析方法不同,现存资料对中国天然草地面积的估算差异很大,变动范围达2倍以上(1.67×10~6~4.31×10~6 km~2),这些资料也表明,我国目前的天然草地面积在2.80×10~6~3.93×10~6 km~2之间比较合适.草地生物量的估算值也存在显著差异,平均地上生物量在79~123 g m~(-2)之间,但本文对最近30年(1982~2011年)天然草地地上生物量的重新估算结果为178 g m~(-2),在此期间平均每年增加0.4 gm~(-2).我国天然草地平均净初级生产力的估算差异更大,为89~320 g Cm~(-2)a~(-1)(平均176 g Cm~(-2) a~(-1)),但许多研究都发现近年来有增加趋势.而基于过去30年平均气候估算,我国天然草地的潜在生产力可高达348 gCm~(-2) a~(-1).另一方面,我国人工草地面积比较小,约为2.09×10~7 hm~2,但生产力高,可达天然草地的2.7~12.1倍.由于我国对天然草地缺乏有效管理,加上人工草地的比例低,目前我国草地对放牧家畜的承载力比较低,很多地方的超载现象较为严重,平均超载率估计为20%.此外,降水的不足始终是影响我国草地生物多样性、生物量和生产力的重要因素,进一步探讨气候变化和过度放牧等人为活动对我国草地资源的数量和质量的影响是十分必要的.     

环境哲学:自然科学与社会科学的汇流

自从地球上出现生物以来,生物就与环境构成了复杂庞大的生态系统,而生态学则是一门研究生物及其环境之间相互关系的科学。20世纪70年代之后,随着把人和自然相互作用的演变作为统一的课题来研     

黄土高原丘陵沟壑区草地恢复对土壤碳氮库的影响

对黄土高原丘陵沟壑区坡耕地及撂荒后5,13,24,32 a自然恢复草地的土壤有机碳(SOC)、无机碳(SIC)、全氮(TN)含量及储量(SOCs,SICs,TNs)进行了测定分析.结果显示,土壤有机碳含量随土壤垂直剖面降低.与坡耕地相比,0~5 cm SOC含量在草地恢复10 a后显著升高,而5~100 cm各土层的SOC含量在草地恢复的20 a后显著升高;0~100 cm各土层SIC含量在草地恢复5 a后即显著增加,且不同的恢复草地具有不同的SIC剖面分布类型.TN含量与SOC含量变化相似.但与坡耕地相比,早期的恢复(5,13 a)草地表层0~5 cm TN升高不明显,5~100 cm TN在草地恢复的5 a后显著升高.SOCs(0~100 cm)在恢复5 a的草地显著降低,恢复10 a后,显著升高;SICs(0~100 cm)和TNs(0~100 cm)在草地恢复5 a后即显著增加.此外,计算了土壤总碳储量(STCs),发现草地恢复过程中土壤碳库特征表现为越来越高的SOCs/STCs和越来越低的SICs/STCs.在草地恢复过程中,SOC和TN,STCs和TNs显著正相关(P0.01).因此,草地恢复加强了土壤碳库的积累,包括土壤有机碳库和无机碳库,但是这两个碳库在总碳库的占比相反.多年生草种在土壤碳氮库积累中起重要作用.     

中国草原的困境及其转型

天然草地是我国最大的陆地生态系统,占国土面积的41.67%,但其畜牧业生产力很低,产值仅为农业产值的5%,约为全国畜牧业产值的1/6.本文根据温性草原的起源和草地畜牧业的5个发展阶段构建了营养级金字塔,通过草原生态系统的不可持续性、草原环境的不可持续性和草原经济系统的不可持续性3个方面论证了当前中国草原面临的困境.因此,中国草原的生产方式亟需转型,由基本上源于一万年前新石器时期的传统、粗放、落后、低生产力和生态不友好的天然草地放牧的畜牧业生产方式,向以优质高产人工草地和草地农业为基础的现代化畜牧业生产方式转型.建议:(ⅰ)在今后30~40年内建设约占天然草原1/10面积的优质高产的集约型人工草地4×10~7hm~2,以人工草地接替天然草地的生产功能并恢复天然草地的生态功能;(ⅱ)在草原带南缘的农牧交错带与农区普遍发展草地农业,即草田轮作制;(ⅲ)把草和畜牧业的元素融入农业系统中,以先进的草基农业系统改造我国传统的粮-经二元农业和原始的天然草地放牧业.在此基础上构建未来的草地金字塔结构,预示在上述生产方式的革命性调整之后,我国的草地畜牧业将进入一个由现代化的草基农业和"返璞归真"的天然草地相结合的可持续发展的新阶段.     

不同降水强度4种草地群落土壤呼吸通量变化特征

利用静态暗箱法, 对内蒙古锡林河流域沿降水梯度4种半干旱草地类型进行了连续2年的野外定位试验, 对比研究了沿降水梯度4种不同草地类型土壤呼吸通量的变化特征, 统计分析了水热因子对草地土壤呼吸通量特征的可能影响, 并建立了土壤呼吸通量与水热因子间的数值关系模式, 同时利用野外连续完整的观测数据对不同草地类型土壤CO₂年排放量分别进行了估算. 结果表明: 土壤呼吸通量存在明显的季节变化规律, 沿降水梯度各草地类型土壤呼吸通量的季节变化型式基本相同, 各草地群落土壤呼吸均以春末和夏季较高, 秋冬季排放量较低, 不同草地类型冬季均观测到土壤呼吸的负通量, 对其机制的进一步研究有利于对土壤年呼吸总量的准确估算; 沿降水梯度4种草地类型土壤年(或生长季)呼吸量均沿降水梯度递减, 表现为贝加尔针茅草原>羊草草原>大针茅草原>克氏针茅草原; 不同草地类型土壤呼吸通量在植物生长季与0~10 cm以及10~20 cm土壤含水量均呈不同程度的正相关, 而与气温和表层土壤温度的相关性较弱, 4种草地类型生长季内土壤表层含水量的变化通常能解释土壤呼吸通量变异的70.2%~94.7%, 而在植物非生长季, 土壤呼吸通量更多地受气温及土壤表层地温的限制, 温度条件的变化能解释土壤呼吸通量变化的70%以上.     

青藏高原高寒草甸生态系统稳定性研究

青藏高原生态系统对全球气候变化较为敏感, 系统的行为能更早地预兆全球变化, 进而影响到邻近地区乃至全球气候. 因此, 青藏高原生态系统的行为研究具有特殊重要性. 利用中国科学院海北高寒草甸生态系统定位站多年来积累观测的长时间序列数据, 运用生态系统稳定性直接分析方法, 定量分析高寒草甸生态系统的稳定性及其对环境变化的灵敏度. 结果表明, 高寒草甸生态系统的主要气候因子如年降水、年均气温都比较稳定(CV值分别为16.55%和28.82%), 而年度地上净初级生产量较降水和气温更为稳定(CV值为13.18%). 净初级生产量关于降水和气温的灵敏度或弹性分别为E = 0.0782和0.1113, 即净初级生产量对降水和气温的波动均不敏感, 也说明高寒草甸生态系统具有较高的稳定性. 通过高寒草甸生态系统与世界其他地区5个草地生态系统的稳定性度量值横向比较, 也显示出该系统的稳定性程度较高. 结构相对比较简单的高寒草甸生态系统有较高的稳定性, 说明群落稳定性虽然与物种多样性和群落复杂性有关, 但未必成正比关系. 还有其他一些因素与生态系统稳定性密切相关, 如生物群落的外部环境稳定程度等. 高寒草甸生态系统的主要气候因子(年降水和年均气温)以3~4年的主周期随机低频振荡, 在其作用下生态系统的行为呈现同主周期、振幅比较稳定的随机波动. 高寒草甸生态系统的较高稳定性, 是较稳定的环境和系统适应环境的进化演替结果.     

典型陆地生态系统对气候变化响应的定量研究

森林、农田和草地生态系统对气候变化响应定量研究进展的综合分析表明:近一个世纪以来的森林、农田和草地生态系统对气候变化有很强的响应,诸多生态系统类型的组成、结构和分布已发生了显著变化;由于病虫害、极端气候频发,植物物种的死亡率增加、生产力出现下降趋势;典型陆地生态系统对气候响应的未来情景分析结果表明,高海拔地区和高纬度地区的生态系统类型的结构、分布、物种和生产力将发生较大变化;然而,由于生物群落的相互作用,各种生态系统对气候变化的响应很复杂,目前人类对典型陆地生态系统变化的认识仍然处在很初级的阶段.尤其是在气候变化对植物物种的影响、干旱和极端事件的后果以及病虫害的影响等方面,还没有明确的结论;根据目前的研究积累,还无法给出气候变化对典型陆地生态系统影响的综合定量评估,需要改进区域气候模拟,尤其是降雨量的模拟,需要提高植物物种对气候、病虫害和大气成分响应的认识.以典型陆地生态系统对全球气候变化响应机理研究成果为基础、集成空间对地观测数据和地面实测数据的多尺度生态系统动态模拟分析平台,到目前为止,仍是亟待填补的空白.     

典型陆地生态系统对气候变化响应的定量研究简

森林、农田和草地生态系统对气候变化响应定量研究进展的综合分析表明：近一个世纪以来的森林、农田和草地生态系统对气候变化有很强的响应,诸多生态系统类型的组成、结构和分布已发生了显著变化;由于病虫害、极端气候频发,植物物种的死亡率增加、生产力出现下降趋势;典型陆地生态系统对气候响应的未来情景分析结果表明,高海拔地区和高纬度地区的生态系统类型的结构、分布、物种和生产力将发生较大变化;然而,由于生物群落的相互作用,各种生态系统对气候变化的响应很复杂,目前人类对典型陆地生态系统变化的认识仍然处在很初级的阶段. 尤其是在气候变化对植物物种的影响、干旱和极端事件的后果以及病虫害的影响等方面,还没有明确的结论;根据目前的研究积累,还无法给出气候变化对典型陆地生态系统影响的综合定量评估,需要改进区域气候模拟,尤其是降雨量的模拟,需要提高植物物种对气候、病虫害和大气成分响应的认识. 以典型陆地生态系统对全球气候变化响应机理研究成果为基础、集成空间对地观测数据和地面实测数据的多尺度生态系统动态模拟分析平台,到目前为止,仍是亟待填补的空白.     

我国草地面积有多大?

草地是不可或缺的自然资源,但关于我国草地面积到底有多大存在很大争议.本文主要利用植被分布与降水之间的相关关系来探讨我国草地的分布和面积.归一化植被指数(NDVI)数据能够很好地反映植被的覆盖状况,与降水之间也存在良好的相关关系,因此可以通过建立已知草原地区的降水与NDVI的关系来反演草地的分布和面积.利用此方法及与遥感数据相匹配的过去30年(1982~2011年)的平均降水量数据,估算得到我国的草地总面积约为293×104 km2.将研究期间的降水数据每5年求其平均,估算得到我国草地面积的年际变化并不显著,变动于290×104~295×104 km2.