科技支撐西藏高原生態(tài)環(huán)境保護及農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展

張揚建 朱軍濤 何永濤 余成群 石培禮 張憲洲

中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 拉薩高原生態(tài)試驗站 北京 100101

我國西藏高原是青藏高原的主體，面積約為 120 萬平方公里，平均海拔4 000 米以上，是全球獨特的生態(tài)地域單元，擁有眾多特殊和特有的生態(tài)系統(tǒng)類型，其對我國乃至亞洲生態(tài)安全具有重要的屏障作用[1]。西藏的生態(tài)環(huán)境安全關(guān)系著我國乃至亞洲氣候系統(tǒng)穩(wěn)定、水資源安全、生物多樣性保護等[2]。西藏高原 90% 以上土地處于高寒區(qū)域，生態(tài)系統(tǒng)敏感而脆弱，生態(tài)安全閾值幅度窄，環(huán)境人口容量低，不合理的人類活動極易引起生態(tài)系統(tǒng)退化，從而引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題。目前，西藏高原生態(tài)環(huán)境正經(jīng)歷著前所未有的強烈變化，國家生態(tài)安全屏障功能面臨著嚴(yán)重的威脅與挑戰(zhàn)。在這樣的大背景下，20 世紀(jì) 90 年代，大規(guī)模的青藏高原科學(xué)考察結(jié)束后，一些長期從事青藏高原研究的科學(xué)家建議，對高原存在的一些生態(tài)學(xué)問題需要進行長期定位研究，尤其是在人類活動比較劇烈的高原河谷農(nóng)牧交錯地區(qū)。因此，中科院拉薩高原生態(tài)試驗站（以下簡稱“拉薩站”）應(yīng)運而生。

拉薩站成立于 1993 年，本部位于西藏自治區(qū)拉薩市達(dá)孜縣，海拔3 688米，是全球海拔最高的農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站。建站以來，科研人員主要圍繞高原國家生態(tài)安全屏障保護與建設(shè)的理論研究、技術(shù)體系構(gòu)建和科技示范的重大科學(xué)問題，立足于保護與建設(shè)生態(tài)安全屏障國家重大需求和提高西藏農(nóng)牧民生產(chǎn)生活水平的地方需求，目前已開展了近 30 年的長期監(jiān)測、定位研究、試驗示范等科研工作。近年來，在科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院和西藏科技專項等重大項目支持下，在拉薩站野外科學(xué)平臺的支撐下，聯(lián)合國內(nèi)外科研人員開展了多學(xué)科綜合研究，取得了一系列豐碩成果。通過對西藏高原區(qū)域生態(tài)環(huán)境要素的長期定位監(jiān)測，拉薩站研究在高原獨特的自然環(huán)境條件下農(nóng)牧業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，發(fā)展和構(gòu)建了高原國家生態(tài)安全屏障保護與建設(shè)的理論和技術(shù)體系，建立了高原農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展試驗示范基地，提出了高原農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展優(yōu)化模式，為西藏高原生態(tài)安全屏障保護與建設(shè)及農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。拉薩站多次獲得西藏自治區(qū)科學(xué)技術(shù)獎勵，并得到了國家和自治區(qū)政府及國內(nèi)外同行的高度評價。

1 以草牧業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型為突破口，進行組織、技術(shù)和機制創(chuàng)新，初步探索出一條新的草牧業(yè)產(chǎn)業(yè)化道路，顯著增加了西藏農(nóng)牧民收入

1.1 選擇西藏典型農(nóng)業(yè)村、半農(nóng)半牧村、農(nóng)林牧結(jié)合村，構(gòu)建以農(nóng)牧民專業(yè)合作社為主體的農(nóng)牧結(jié)合技術(shù)體系

2013年以來中科院面向西藏國民經(jīng)濟發(fā)展主戰(zhàn)場，先后啟動實施西藏區(qū)域集群創(chuàng)新建設(shè)和科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計劃（STS），其中西藏農(nóng)牧民增收技術(shù)示范是核心任務(wù)之一。主要目標(biāo)是構(gòu)建西藏典型村莊的農(nóng)牧結(jié)合技術(shù)體系，建立特色畜牧產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式，創(chuàng)建促進西藏農(nóng)牧民增收的科技服務(wù)工作框架并在全區(qū)范圍內(nèi)推廣。該項目群下設(shè)4 個子項目，分別為典型農(nóng)業(yè)村（貢嘎縣吉納村）、半農(nóng)半牧村（林周縣白朗村）、農(nóng)林牧結(jié)合村（巴宜區(qū)章麥村）的農(nóng)牧結(jié)合技術(shù)體系構(gòu)建與產(chǎn)業(yè)化示范，以及在此基礎(chǔ)上的西藏農(nóng)牧結(jié)合技術(shù)體系和農(nóng)牧民增收模式構(gòu)建。

三個示范村瞄準(zhǔn)市場需求，根據(jù)本村農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀，建立了以農(nóng)牧民專業(yè)合作社為主體的技術(shù)體系構(gòu)建和推廣方案。其中，吉納村以草地農(nóng)業(yè)理論體系為支撐，重點開展人工草地建設(shè)、草產(chǎn)品高效利用等先進適用技術(shù)組裝集成，建立了草地農(nóng)業(yè)技術(shù)體系并開展適度規(guī)模經(jīng)營示范；白朗村以生態(tài)系統(tǒng)理論體系為支撐，重點開展了退化天然草地恢復(fù)、牲畜輪牧補飼等技術(shù)集成創(chuàng)新，建立草地畜牧業(yè)技術(shù)體系；章麥村則建立了玉米田養(yǎng)鵝和林下放養(yǎng)藏豬兩種一體化技術(shù)體系。

1.2 以典型示范村為單位，建立西藏特色草牧業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式，促進西藏農(nóng)牧民增收

自 2014 年項目實施以來，在西藏區(qū)域創(chuàng)新集群建設(shè)重點任務(wù)之促進農(nóng)牧民增收工作的成果基礎(chǔ)上，三個示范村深入開展土地入股股份合作、家庭經(jīng)營專業(yè)合作社等多種經(jīng)營模式創(chuàng)新，有力推動了示范村畜牧業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型升級，明顯提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品商品化率，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益，從而為拓寬農(nóng)牧民增收渠道、實現(xiàn)社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護雙贏總結(jié)出一條前景廣闊的道路。截至 2015 年年底，三個示范村合作社共吸收社員 449 戶，新增經(jīng)濟收益 201.96 萬元，其中現(xiàn)金增收 117.85 萬元，每年戶均增收超過2 300 元，全面完成項目設(shè)定的增收考核指標(biāo)。該項工作為西藏自治區(qū)政府提供了重要的政策咨詢建議，先后獲得西藏自治區(qū)科學(xué)技術(shù)獎勵3 項，并多次被央視等主流媒體廣泛報道。

2 從草地退化機理研究入手，構(gòu)建了高寒退化草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建技術(shù)體系，編制了適合高寒退化草地治理技術(shù)規(guī)范

2.1 剖析了高寒草地退化成因，建立了退化草地的生態(tài)信息空間數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了高寒草地牧場可持續(xù)利用管理決策軟件

在藏北草地生態(tài)系統(tǒng)變化及退化草地恢復(fù)治理方面取得重要進展。針對西藏生態(tài)安全屏障建設(shè)中面臨的草地退化問題，在科技支撐計劃課題、“973”課題以及地方專項的支持下，拉薩站先后開展了藏北草地變化機理研究、退化草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)治理等多項工作。針對高寒草地退化、生產(chǎn)力下降、鼠蟲害嚴(yán)重、毒雜草廣布等問題，選擇藏北高寒草地生態(tài)安全屏障區(qū)，根據(jù)各地區(qū)實地條件，因地制宜地研發(fā)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)保護、退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)、毒雜草治理、鼠蟲害防治等方面的技術(shù)，并選擇藏北高寒草地生態(tài)屏障典型植被區(qū)及典型退化區(qū)進行示范，建立退化高寒草地生態(tài)系統(tǒng)綜合整治模式。

研究發(fā)現(xiàn)近 30 年高原草地生態(tài)系統(tǒng)總體趨好、局部退化，氣候變化是其主要驅(qū)動因素，而近 10 年人為放牧活動則對高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)變化的影響顯著增強[3]。通過地面調(diào)查、遙感和 GIS 技術(shù)，建立了退化草地的生態(tài)信息空間數(shù)據(jù)庫，提出科學(xué)合理的載畜量調(diào)整對策，開發(fā)藏北高寒草地牧場可持續(xù)利用管理決策軟件，為牧場科學(xué)管理提供決策支撐服務(wù)。

2.2 研發(fā)高寒退化草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建關(guān)鍵技術(shù)，并在典型縣域開展技術(shù)示范和推廣

選擇典型縣域安多縣、那曲縣，在不同放牧管理模式下，系統(tǒng)開展了藏北高寒草地生態(tài)系統(tǒng)退化修復(fù)技術(shù)研究，通過補播牧草、施肥管理、鼠蟲害控制、毒雜草控制對植被群落、土壤養(yǎng)分、土壤微生物、土壤種子庫、土壤水分以及微氣候變化的影響，分析草地退化和修復(fù)的機理，總結(jié)出適宜的藏北高寒草地區(qū)一整套的退化草地修復(fù)技術(shù)；在此基礎(chǔ)上，編制了退化草地生態(tài)補播技術(shù)規(guī)程和草原毛蟲生物防治技術(shù)規(guī)程。在典型縣域建立了鼠蟲害防治示范基地5 000 畝，退化草地免耕補播技術(shù)示范3 000 畝，人工草地建植技術(shù)示范1 000 畝，并取得了良好成效。2015 年，該項工作——“藏北高寒草地生態(tài)系統(tǒng)變化分析與退化草地綜合治理技術(shù)”獲得西藏自治區(qū)科學(xué)技術(shù)獎一等獎。

3 從高原生態(tài)屏障保護與建設(shè)基礎(chǔ)研究入手，創(chuàng)新高原研究新技術(shù)和新方法，揭示了全球變化對高原生態(tài)安全屏障功能的影響

3.1 結(jié)合生態(tài)過程、機理機制和模型模擬，提出了高原生態(tài)學(xué)研究的新技術(shù)和新方法

高原生態(tài)環(huán)境脆弱，全球環(huán)境變化勢必會給高原生態(tài)屏障功能帶來巨大沖擊。拉薩站在“973”課題和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項支持下，在全球變化對高原生態(tài)屏障功能的影響方面取得了突出成績。研究通過地面站點的實驗觀測和區(qū)域樣帶的草地調(diào)查，對相關(guān)模型參數(shù)進行本地優(yōu)化，并提出了一系列數(shù)據(jù)融合的新方法；在摸清機理、優(yōu)化參數(shù)及更新方法的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)探討了青藏高原高寒生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應(yīng)機理和格局，揭示了全球氣候變化和人類活動對高原生態(tài)屏障功能的影響。上述創(chuàng)新性成果對我國和國際高原生態(tài)學(xué)研究影響顯著，為高原生態(tài)屏障建設(shè)和保護提供了科學(xué)基礎(chǔ)。

通過站點尺度控制實驗和區(qū)域樣帶調(diào)查，對相關(guān)模型進行本地優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)力模型重要參數(shù)——碳利用效率（CUE）并非是恒定值，而是隨環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)類型的改變而變化[4]，青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)相比于全球其他類似生態(tài)系統(tǒng)具有更高的CUE（圖 1）；同時通過多源數(shù)據(jù)融合校正，提出了針對青藏高原的多源數(shù)據(jù)融合方法體系，生成了適用于高寒生態(tài)系統(tǒng)的高精度數(shù)據(jù)集，為全球變化對高原生態(tài)屏障功能的影響研究奠定基礎(chǔ)。

圖1 青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)碳利用率（CUE）的空間格局及變化趨勢

3.2 從多尺度揭示了全球變化對高原生態(tài)安全屏障功能的影響

從站點和區(qū)域尺度上，揭示了高寒生態(tài)系統(tǒng)對全球變化響應(yīng)具有更高的敏感性。通過在西藏高原多個站點布設(shè)的溫度升高、CO2加富等單個因子或多因子全球變化綜合研究平臺，揭示了未來全球變暖情境下高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的植物物候格局，闡明了水分條件調(diào)控高寒草地生態(tài)系統(tǒng)對溫度升高的響應(yīng)[5]，發(fā)現(xiàn)了高海拔地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)對 CO2濃度升高具有更高的敏感性；區(qū)域尺度上，發(fā)現(xiàn)了在全球變暖驅(qū)動下，近幾十年來青藏高原植被返青期大幅度提前[6]，進一步論證了高寒生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化具有更高的敏感性（圖 2）。

4 從生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化管理入手，通過長期養(yǎng)分添加實驗和整合分析，揭示了高寒草地生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)和穩(wěn)定機制

4.1 通過外源性營養(yǎng)添加實驗，揭示了高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能對養(yǎng)分添加的響應(yīng)閾值與模式

青藏高原高寒草地一直被認(rèn)為是非常脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，對氣候變化和人類干擾十分敏感，高寒草地的變化會極大地影響當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)的發(fā)展。但高寒草地生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)和穩(wěn)定的機制尚不清楚。為此，通過長期定點控制實驗與樣帶調(diào)查相結(jié)合方法，以改變養(yǎng)分狀況為手段，從物種和植物功能群水平以及養(yǎng)分循環(huán)等方面，探討了高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)對營養(yǎng)添加的響應(yīng)規(guī)律，揭示了高寒草地生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)和穩(wěn)定機制，為不同類型高寒草地的管理提供了科學(xué)依據(jù)。

圖2 青藏高原草地返青期反演結(jié)果比較（a）青藏高原地區(qū)（NDVI＞0.1）；（b）草甸地區(qū)（NDVI＞0.1）；（c）草原地區(qū)（NDVI＞0.1）

借助拉薩站設(shè)置的氮添加試驗平臺，發(fā)現(xiàn)生長季早期施氮會增加生態(tài)系統(tǒng)碳固持，而生長季晚期施氮會促進生態(tài)系統(tǒng)碳排放，確定了高寒草甸對氮添加的臨界負(fù)荷和飽和閾值分別是 10.7kg N ha-1yr-1和 50 kg N ha-1yr-1，為退化草地恢復(fù)治理提供重要科學(xué)依據(jù)[7]。通過長期氮磷添加試驗平臺，發(fā)現(xiàn)高寒草地關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)過程對單獨施氮與氮磷共同添加響應(yīng)模式的不同，證實了高寒草甸是氮磷共同限制的生態(tài)系統(tǒng)，指出氮磷化學(xué)計量平衡對高寒草地穩(wěn)定性的重要作用[8]，為退化高寒生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和管理奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

4.2 通過多站點的整合分析，揭示了高寒草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性響應(yīng)外源養(yǎng)分輸入的維持機制

借助于長期定位研究，綜合分析了青藏高原高寒草甸長期養(yǎng)分添實驗的地上生產(chǎn)力數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的物種多樣性機制、優(yōu)勢度效應(yīng)（dominant effect），以及多度-變異性尺度推移（mean-variance scaling）理論均不能解釋高氮添加引起的高寒草甸地上生產(chǎn)力穩(wěn)定性的降低，而顯著降低的高寒植物物種間及功能群之間補償能力才是高氮輸入條件下地上生產(chǎn)力穩(wěn)定性降低的重要機制[9,10]。該研究揭示了高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性維持的機制，為草地優(yōu)化管理提供了重要的理論依據(jù)。

5 結(jié)語

拉薩站自 1993 年建站以來，圍繞國家生態(tài)安全屏障保護與建設(shè)的理論和技術(shù)體系及高原農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展等重大科學(xué)問題，在西藏高原開展了長期監(jiān)測、定位研究、試驗示范等一系列科研工作。通過多年艱苦努力，拉薩站基礎(chǔ)能力顯著提升，先后建成了西藏草業(yè)工程技術(shù)中心以及當(dāng)雄、那曲和林周試驗基地，構(gòu)建了當(dāng)雄高山草甸垂直樣帶、藏北草地水平樣帶和林周灌叢草甸垂直觀測樣帶等，目前已經(jīng)形成了“四站三帶一中心”的高原生態(tài)學(xué)和草牧業(yè)發(fā)展研究基地格局。此外，還構(gòu)建了西藏農(nóng)牧業(yè)結(jié)合發(fā)展試驗示范基地，為高原農(nóng)牧業(yè)技術(shù)示范和推廣提供了基礎(chǔ)。

通過承擔(dān)大量的國家、中科院和自治區(qū)級項目，拉薩站加強了全球變化對西藏高原生態(tài)屏障功能影響的基礎(chǔ)研究，豐富和發(fā)展了對高寒生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)和適應(yīng)全球變化的理解和認(rèn)識，研發(fā)集成了高原生態(tài)安全屏障保護和建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)；并且進行了廣泛推廣和示范，提出了高原農(nóng)牧業(yè)區(qū)域優(yōu)化和轉(zhuǎn)型發(fā)展模式，從而在西藏高原生態(tài)安全屏障保護與建設(shè)及農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展實踐中發(fā)揮了關(guān)鍵的指導(dǎo)作用。針對西藏農(nóng)牧民增收緩慢、后勁不足等現(xiàn)實問題，拉薩站開展西藏農(nóng)牧民增收模式建設(shè)與示范，培養(yǎng)關(guān)鍵崗位人才，打造西藏畜牧業(yè)品牌，助力西藏農(nóng)牧民持續(xù)穩(wěn)定增收落到實處。

目前，拉薩站已成為高原生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)積累基地、高原生態(tài)學(xué)理論研究的實驗基地、高寒退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建的實驗示范基地、高原農(nóng)牧業(yè)結(jié)合發(fā)展試驗示范基地、高原生態(tài)學(xué)研究的人才培養(yǎng)基地和國內(nèi)外生態(tài)學(xué)研究的科學(xué)交流基地，在國內(nèi)外產(chǎn)生了廣泛的影響。未來，拉薩站將重點完善科研基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加強高原生態(tài)環(huán)境要素的天地空立體觀測，加強野外控制實驗的聯(lián)網(wǎng)觀測，注重監(jiān)測和科研隊伍建設(shè)、人員培訓(xùn)，提升數(shù)據(jù)采集和管理能力。同時，拉薩站將繼續(xù)面向國家和地方重大需求，有的放矢地就西藏高原生態(tài)屏障保護和建設(shè)及農(nóng)牧業(yè)發(fā)展中的重大生態(tài)環(huán)境問題進行深入系統(tǒng)研究。拉薩站將繼續(xù)面向國際科學(xué)前沿，積極開展國內(nèi)外合作交流，努力提升自身的科研水平和實力，進一步擴大拉薩站在國內(nèi)外的影響力。致謝 感謝中國科學(xué)院科技促進發(fā)展局楊萍老師給予本文的寶貴意見。

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