青藏高原高寒草地的氣候變化適應(yīng)性管理探討

孫建，周天財(cái)，3，張錦濤

(1.中國科學(xué)院青藏高原研究所，北京 100101；2.青藏高原地球系統(tǒng)與資源環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

1 氣候變化和人類活動(dòng)威脅高寒草地生態(tài)安全

2020 年8 月28 日，習(xí)近平總書記在中央第七次西藏工作座談會上強(qiáng)調(diào)“把青藏高原打造成為全國乃至國際生態(tài)文明高地”，為深入推進(jìn)青藏高原生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展指明了方向。

青藏高原山水林田湖草沙冰系統(tǒng)的生態(tài)文明建設(shè)離不開其高寒草地的適應(yīng)性管理。脆弱而敏感的高寒草地是青藏高原主要的生態(tài)系統(tǒng)，面積近21 億畝(1.4 億公頃)，占整個(gè)高原面積的53%左右[1]。在國家生態(tài)安全、食物安全和弘揚(yáng)中華草原生態(tài)文明中具有突出的戰(zhàn)略地位[2]。因此，高寒草地對青藏高原的生態(tài)文明建設(shè)極為重要。只有加強(qiáng)高寒草地適應(yīng)性管理，才能實(shí)現(xiàn)青藏高原人與自然、人與社會和諧共生、良性循環(huán)、全面發(fā)展和持續(xù)繁榮[1，3－4]。

具體而言，高寒草地具有支撐畜牧業(yè)發(fā)展、防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、保持水土、調(diào)節(jié)氣候和維護(hù)生物多樣性等重要生態(tài)功能[5－7]。如何針對不同高寒草地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性管理以推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)是打造青藏高原生態(tài)文明高地的核心問題。青藏高原由于其地質(zhì)、地貌和氣候的多樣性，形成了豐富的草原生物多樣性[8]。喜馬拉雅山、喀喇昆侖山和昆侖山的聯(lián)結(jié)，阻擋了印度季風(fēng)和西風(fēng)對青藏高原的水汽輸送[9]。但在高原“抽氣系統(tǒng)”的影響下，東亞季風(fēng)帶來的水汽被源源不斷地抽提到高海拔的青藏高原，因而在高原面上形成了從東南到西北遞減的降雨梯度[7]。受長期降水梯度的影響，植被類型分異明顯，形成了高寒草甸、高寒草原和荒漠草原逐步過渡的草地生態(tài)系統(tǒng)多樣性、物種多樣性和景觀多樣性。

目前，青藏高原高寒草地生態(tài)主要面臨著氣候變化和人類活動(dòng)兩大挑戰(zhàn)。有研究指出氣候變化，特別是氣候異常事件、夏季強(qiáng)降水是青藏高原植被變化的重要影響因素[10－12]。氣候變化與生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵要素(植物—土壤—生物)的強(qiáng)烈相互作用改變?nèi)郝渲脖晃锓N組成、群落結(jié)構(gòu)和功能，共同推動(dòng)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)循環(huán)和功能的平衡遷移[13－15]。此外，持續(xù)減少的凍土活動(dòng)層厚度[16]，以及缺乏科學(xué)規(guī)劃的圍欄和放牧等生態(tài)系統(tǒng)管理措施導(dǎo)致部分地區(qū)草地發(fā)生嚴(yán)重退化，甚至沙化[17－18]。氣候變化和人類活動(dòng)對高寒草地生態(tài)系統(tǒng)格局和功能產(chǎn)生深刻的影響，因此亟須通過對不同高寒草地生態(tài)系統(tǒng)資源進(jìn)行長期監(jiān)測，并提出適應(yīng)性的管理措施，才能有效地推進(jìn)青藏高原生態(tài)文明建設(shè)。

2 青藏高原高寒草地的適應(yīng)性管理

氣候變化和人類活動(dòng)等諸多因素威脅著脆弱的高寒生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[19－20]，促使科學(xué)家審慎思考?xì)夂蜃兓瘜τ诟吆莸噩F(xiàn)在和未來的影響，需要更科學(xué)合理的方法妥善管理高寒草地自然資源和生態(tài)系統(tǒng)[17，21]。在應(yīng)對氣候變化和人類活動(dòng)時(shí)，青藏高原高寒草地資源管理和生態(tài)系統(tǒng)管理措施缺乏系統(tǒng)性且具有諸多不確定性，這樣的不確定性亟須一個(gè)能夠容錯(cuò)、持續(xù)改進(jìn)和不斷創(chuàng)新的科學(xué)管理體系[22]，即適應(yīng)氣候變化和人類活動(dòng)的管理體系(圖1):在氣候變化背景下，人類面臨各種挑戰(zhàn)，需要多尺度相結(jié)合研究生態(tài)系統(tǒng)格局與功能，明確草地健康屬性，進(jìn)而因地制宜地對草地進(jìn)行分類—協(xié)調(diào)—合作，并基于管理措施中對環(huán)境—生物—土壤的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，制定能夠適應(yīng)新環(huán)境的最佳管理策略，以促進(jìn)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

圖1 適應(yīng)性管理促進(jìn)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展

2.1 適應(yīng)氣候變化的高寒草地管理

適應(yīng)性管理的對象是高寒草地，管理目標(biāo)是維持和改善高寒草地生態(tài)系統(tǒng)多功能。首先，氣候變化對高寒植被地理格局和過程產(chǎn)生深刻的影響，但不同高寒草地生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化響應(yīng)的表現(xiàn)形式不一致[23]。而未來的氣候變化將更為劇烈，對于敏感而脆弱的高寒草地生態(tài)系統(tǒng)而言，分析生態(tài)系統(tǒng)變遷閾值對未來氣候變化的響應(yīng)以及生態(tài)系統(tǒng)邊界的遷移如何反過來影響氣候變化的方向和速度尤為重要[24]。但是，當(dāng)前缺乏關(guān)于氣候變化對青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)變遷的調(diào)節(jié)機(jī)制及生態(tài)系統(tǒng)遷移對氣候變化的反饋?zhàn)饔玫南到y(tǒng)性闡釋[25－26]。因此，充分研究高寒草地生態(tài)系統(tǒng)變遷過程中不同階段植物—土壤—生物的動(dòng)態(tài)特征和耦合關(guān)系，深入挖掘高寒草地遷移的機(jī)制和驅(qū)動(dòng)力，明晰高寒草地變遷機(jī)理，尤其是生態(tài)系統(tǒng)躍變的關(guān)鍵生態(tài)閾值(圖2)，對完善高寒草地生態(tài)系統(tǒng)邊界遷移理論和脆弱的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)等至關(guān)重要，可為青藏高原生態(tài)安全屏障建設(shè)與生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

圖2 氣候變化驅(qū)動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)格局與功能遷移

2.2 退化高寒草地的適應(yīng)性管理

針對草原退化制約牧區(qū)生產(chǎn)、生態(tài)建設(shè)及社會發(fā)展等重大問題，國家相繼實(shí)施了一系列圍欄措施[17]。但以往對于不同草地類型退化等級劃分標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，各種關(guān)鍵指標(biāo)曾被用來進(jìn)行等級劃分[27－31]。多樣的草地退化等級劃分造成退化評估存在很大的不確定性[32－33]，并不能滿足適應(yīng)性管理的需求。因?yàn)椴莸赝嘶欢x為草地生態(tài)系統(tǒng)多功能的喪失，因此可以采用生態(tài)系統(tǒng)多功能指數(shù)作為診斷草地退化與否的指標(biāo)[34]。本研究認(rèn)為應(yīng)基于生態(tài)系統(tǒng)多功能指數(shù)對青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)退化重新進(jìn)行退化等級劃分，并根據(jù)草地健康狀況，提出因地制宜的適應(yīng)性管理政策(圖3)。具體而言:在生態(tài)功能重要、生態(tài)環(huán)境敏感脆弱區(qū)外圍必須圍欄(比如凍土融化嚴(yán)重的地區(qū)，在發(fā)生凍融后，減少人類干擾，防止凍融次生災(zāi)害發(fā)生)；對未退化或者已經(jīng)恢復(fù)的草地，進(jìn)行適度放牧，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效益最大化；對潛在退化和正在恢復(fù)的草地，要繼續(xù)加強(qiáng)圍欄管理，以提升生態(tài)系統(tǒng)多功能(比如鼠害嚴(yán)重的地區(qū)，要加強(qiáng)生物防治、生態(tài)防治，不要化學(xué)防治)；對重度退化和水熱條件不好的草地，可以選擇人工補(bǔ)播結(jié)合土壤養(yǎng)分及微生物調(diào)控等重要輔助措施嚴(yán)格進(jìn)行圍欄管控，始終堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先的適應(yīng)性管理政策。

圖3 高寒草地狀態(tài)診斷及管理

2.3 適應(yīng)高寒草地管理的優(yōu)化圍欄政策

雖然合理設(shè)置草原圍欄可以提高生態(tài)系統(tǒng)功能，恢復(fù)退化草地的生產(chǎn)力，遏制草地退化趨勢[17，35－36]，但圍欄工程對生態(tài)系統(tǒng)功能的效應(yīng)具有時(shí)空差異性[17]。

首先，不同水熱梯度和草地類型導(dǎo)致圍欄對生態(tài)系統(tǒng)功能的作用并不一致，且作用的關(guān)鍵生態(tài)閾值與機(jī)理未知[17]。溫度和水分是影響青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要因子[4]，但圍欄時(shí)不同高寒草地類型功能對溫度和降水變化的敏感性并不相同[37－38]。比如，對干旱和半干旱地區(qū)的高寒荒漠草原和高寒草原而言，圍欄對土壤和植物固碳功能沒有顯著影響，卻能顯著增加濕潤地區(qū)高寒草甸的固碳功能[39]。

其次，圍欄年限對高寒草地生態(tài)系統(tǒng)多功能有正面或負(fù)面的作用。短期圍欄短禁牧提高了植物物種多樣性和生產(chǎn)力[2，17]，圍欄內(nèi)植被得到保護(hù)，草本植物生長茂盛，光合作用強(qiáng)，生態(tài)系統(tǒng)功能得到提升[39]。但更長時(shí)間的圍欄卻會給生態(tài)系統(tǒng)功能帶來負(fù)面作用[17，40]。比如，有研究表明，短期(≤5 年)和中長期(5—15 年)圍欄封閉管理導(dǎo)致土壤pH 值分別顯著降低了0.09 和0.27(p<0.001)[41]，圍欄后土壤pH 值的減低不僅導(dǎo)致物種多樣性的丟失，也不利于土壤微生物的生存和多樣性維持[42]。

可見，由于受氣候、植被群落結(jié)構(gòu)、土壤養(yǎng)分和微生物等多因素的交互作用，不同圍欄年限對高寒草地生態(tài)系統(tǒng)功能的效應(yīng)具有時(shí)空差異性[17，36]。要想揭示其中的關(guān)鍵生態(tài)學(xué)過程與機(jī)理，需要對不同水熱地區(qū)、不同圍欄年限下高寒草地生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵生態(tài)要素進(jìn)行監(jiān)測和閾值研究(圖4)，并通過分析生態(tài)系統(tǒng)功能對環(huán)境和圍欄梯度的非線性響應(yīng)特征及狀態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)理，提出適應(yīng)高寒草地管理的優(yōu)化圍欄政策。

圖4 圍欄工程對高寒草地生態(tài)系統(tǒng)功能效應(yīng)閾值的診斷

2.4 高寒草地適應(yīng)性動(dòng)態(tài)管理框架

針對上述青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)中面臨的關(guān)鍵問題(氣候變化與人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、格局、過程與功能的變化)，我國應(yīng)盡快部署相關(guān)領(lǐng)域的重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，組織多部門形成研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)；構(gòu)建衛(wèi)星—無人機(jī)—地面生態(tài)系統(tǒng)綜合立體監(jiān)測與評估體系，建立健全長時(shí)間序列、全數(shù)據(jù)項(xiàng)的高質(zhì)量數(shù)據(jù)庫和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，掌握氣候變化后生態(tài)系統(tǒng)格局與功能遷移狀況，確定草地健康和恢復(fù)情況，判斷生態(tài)系統(tǒng)功能何時(shí)已經(jīng)轉(zhuǎn)換為自我持續(xù)性狀態(tài)與程度，并引入第三方評估機(jī)制和公眾參與機(jī)制，綜合考慮生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，定期開展適應(yīng)性管理的效應(yīng)評估，判斷是否需要持續(xù)改進(jìn)管理體系，從而設(shè)計(jì)出最佳的適應(yīng)性管理策略(圖5)。

圖5 高寒草地適應(yīng)性動(dòng)態(tài)管理框架

3 結(jié)論

青藏高原未來氣候變化、人類活動(dòng)的加劇和不穩(wěn)定性的增加，勢必對高寒草地生態(tài)系統(tǒng)格局與功能產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，這對高寒草地的生態(tài)保護(hù)、體系優(yōu)化、生態(tài)治理修復(fù)、生態(tài)文明建設(shè)等提出了更高要求。因此，本研究提出了高寒草地適應(yīng)性管理體系，并基于過去環(huán)境變化管理措施中的可控結(jié)果，制定能夠適應(yīng)新環(huán)境的最佳管理策略，以提高管理決策的科學(xué)性。適應(yīng)氣候變化和人類活動(dòng)的管理體系著重強(qiáng)調(diào)對不同高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵生態(tài)要素進(jìn)行長期監(jiān)測，并對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和過程變換進(jìn)行解析，明晰高寒草地生態(tài)系統(tǒng)格局和功能躍變的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)閾值和機(jī)理。這對探尋氣候變化背景下生態(tài)系統(tǒng)演替機(jī)制、生態(tài)系統(tǒng)功能變化和恢復(fù)機(jī)理有著重要意義，并可為高寒草地應(yīng)對氣候變化提供預(yù)警，為青藏高原生態(tài)文明建設(shè)提供技術(shù)支撐。