草地生態(tài)系統(tǒng)承載力概念、方法及關鍵問題*

鄢玲艷, 孔令橋, 張 路, 歐陽志云, 胡金明

(1. 云南大學國際河流與生態(tài)安全研究院 昆明 650500; 2. 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室北京 100085)

草地生態(tài)系統(tǒng)是以多年生草本植物為主要生產(chǎn)者的陸地生態(tài)系統(tǒng), 是多年生耐旱、耐低溫、以禾草占優(yōu)勢的植物群落的總稱。草地是地球上分布最為廣泛的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一, 具有防風固沙、涵養(yǎng)水源、凈化空氣、保護生物多樣性等重要的生態(tài)功能, 也在全球碳循環(huán)和氣候變化方面扮演著重要的角色。中國天然草地總面積4×10hm, 占中國陸地表面的41.7%, 是中國面積最大的陸地生態(tài)系統(tǒng), 其中草原占50.4%, 草甸占36.6%, 不僅是牧民群眾賴以生存和發(fā)展的物質基礎, 同時在維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和高原生態(tài)屏障功能中發(fā)揮至關重要的作用。

草原是各生態(tài)系統(tǒng)中人口最為稀疏的區(qū)域, 同時也是生態(tài)環(huán)境最為脆弱敏感的區(qū)域, 草地生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化和放牧等人類活動極為敏感。過去的幾十年里, 由于不合理的利用、缺乏科學的管理機制、過度放牧、氣候變化等原因, 草地的合理利用受到多重壓力, 出現(xiàn)了嚴重超載過牧情況, 草地呈現(xiàn)出不同程度退化, 草地生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能發(fā)生了巨大的變化。這嚴重阻礙了當?shù)厣鐣?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展, 威脅生態(tài)安全, 也會造成沙化面積擴大、水土流失加劇、江河源的生態(tài)環(huán)境安全受到威脅, 這引起了國內外研究者的廣泛關注。

草地生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展與牧民的生產(chǎn)生活、畜牧業(yè)的發(fā)展有著十分密切的關系, 探求草畜平衡、草地資源合理利用并促進草地生態(tài)系統(tǒng)恢復與區(qū)域生態(tài)安全成為當前社會經(jīng)濟發(fā)展需要關注的重要問題。草地生態(tài)系統(tǒng)承載力作為評價草地生態(tài)質量和承載能力的重要指標, 在分析草地資源的利用狀況、揭示草地資源利用中存在的問題、促進草地資源優(yōu)化利用等方面具有十分重要的作用, 是草地保護與管理研究的熱點。目前已有許多學者對此展開研究, 并取得重要進展, 但草地生態(tài)系統(tǒng)承載力相關研究仍存在不足, 如概念還不清晰明確、缺乏考慮多因素整合評估模型和方法。本文通過梳理和總結草地生態(tài)系統(tǒng)承載力的概念、評估指標和方法, 探討了目前草地生態(tài)系統(tǒng)承載力概念及評估方法中存在的不足, 從理論基礎、技術方法和預警機制等方面提出草地生態(tài)系統(tǒng)承載力研究需要解決的關鍵問題, 為深入研究草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、草地承載過程與承載機制、維護生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)安全提供科學依據(jù), 促進草地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)利用和健康發(fā)展。

1 草地生態(tài)系統(tǒng)承載力研究進展

草地生態(tài)系統(tǒng)承載力反映草地生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)和承載能力大小, 其理論及研究方法已備受國內外可持續(xù)發(fā)展研究者的關注, 成為生態(tài)學、資源學和生態(tài)經(jīng)濟學研究的交叉前沿熱點, 其評估概念框架如圖1所示。基于草地生態(tài)系統(tǒng)平衡、人畜平衡、草畜平衡, 草地生態(tài)系統(tǒng)承載力包含利用和保護兩方面。從保護角度看, 草地生態(tài)系統(tǒng)的質量、服務與功能不僅反映草地生態(tài)系統(tǒng)的健康程度, 對草地生態(tài)系統(tǒng)的利用也有反饋作用。同時, 草地資源不同程度的利用也會影響其生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展, 在合理利用的前提下才能保證草地生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。確定合理的承載力預警值對草地生態(tài)系統(tǒng)的保護和利用具有重要作用, 也為草地生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同保護提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 草地生態(tài)系統(tǒng)承載力評估概念框架Fig.1 Conceptual framework for assessing the carrying capacity of grassland ecosystems

1.1 草地生態(tài)系統(tǒng)承載力的概念

承載力最早為物理力學中的一個物理量, 后逐漸用來描述生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境變化的承載狀況。承載力包括自然資源、環(huán)境、土地、社會經(jīng)濟、生態(tài)等方面。從發(fā)展歷程看, 承載力理論系統(tǒng)發(fā)生了深刻的變化, 承載對象、研究內容等已經(jīng)基本梳理, 同時應用領域廣泛。為了解決資源承載力中草地資源利用與超載問題, 一些學者將承載力理論引入到草原管理中, 提出草地生態(tài)系統(tǒng)承載力概念。草地生態(tài)系統(tǒng)承載力最初用于研究南北美草原地區(qū), 指在不損害牧場情形下, 牧場所能供養(yǎng)的最大牲畜數(shù)量。

隨著人類對草地生態(tài)系統(tǒng)的利用方式更加多樣, 為了從人畜平衡、資源供求等角度考慮草地生態(tài)系統(tǒng)對人類生產(chǎn)生活的支持能力, 出現(xiàn)了以人口承載力為測算指標的草地承載力概念, 即為某一時期某一個草原區(qū)域, 在確保資源的合理開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)發(fā)展的條件下, 草原生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)承載的人口數(shù)量、經(jīng)濟強度及社會總量的能力;另一些研究認為草地生態(tài)系統(tǒng)承載力為不損害區(qū)域生態(tài)環(huán)境條件下, 該區(qū)域能承載的最大人口負荷。隨著草地生態(tài)系統(tǒng)承載力相關研究越來越多, 人們更多使用載畜量衡量草地生態(tài)系統(tǒng)承載力, 草地生態(tài)系統(tǒng)承載力概念被定義為草地生態(tài)系統(tǒng)容納牲畜壓力的最大能力。我國《草原法》將載畜量定義為“一定放牧時期內, 一定草原面積上, 在不影響草原生產(chǎn)力及保證家畜正常生長發(fā)育的同時所能容納放牧家畜的數(shù)量”。除此之外, 一些研究強調生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生態(tài)功能對社會經(jīng)濟發(fā)展的影響, 如于慧等界定草地綠色承載力的概念為: 草地綠色承載力為在穩(wěn)定維持并不斷提升生態(tài)系統(tǒng)關鍵功能條件下, 維護草畜平衡、人畜平衡, 既能滿足生態(tài)體驗需求又能滿足區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展需要的草地承載能力。

隨著人們認識的深入, 草地生態(tài)系統(tǒng)承載力概念不斷完善, 但仍缺乏較清晰、明確的概念。此外, 生態(tài)服務功能完整性也應作為評價草地生態(tài)系統(tǒng)承載力的重要因素。因此, 綜合前人研究, 草地生態(tài)系統(tǒng)承載力概念可總結為: 在一定區(qū)域內, 在確保草地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)運轉和自身功能長期穩(wěn)定的條件下, 草地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)承載的牲畜數(shù)量、人口數(shù)量、經(jīng)濟強度及社會總量的能力。

1.2 草地生態(tài)系統(tǒng)承載力評價方法

生態(tài)系統(tǒng)承載力發(fā)展至今, 在不同研究視角下產(chǎn)生了一系列的評價模型與方法, 為了量化草地生態(tài)系統(tǒng)承載力, 諸多學者提出了直觀、易操作的草地理論載畜量模型。草地理論載畜量表征在一定時期和一定草地面積上, 在適牧條件下保證家畜正常發(fā)育和生長的狀態(tài)下, 能飼養(yǎng)放牧家畜的頭數(shù)。載畜量過高會使得草地資源被過度利用, 草地發(fā)生一定程度退化, 草地生態(tài)系統(tǒng)承載力降低。研究者對現(xiàn)有的理論載畜量計算模型進行優(yōu)化、改進使其更適用于研究區(qū)、更適用于實際情況。表1列出了主要的計算模型。

表1 草地理論載畜量模型Table1 Theoretical livestock capacity of grassland

續(xù)表 1

現(xiàn)有理論載畜量的計算模型主要基于《NY/T635—2015天然草地合理載畜量的計算》中模型的優(yōu)化, 主要參數(shù)有產(chǎn)草量、干草量、干草折算系數(shù)、牧草利用率、放牧天數(shù)、標準羊單位日食量等, 研究多用365為放牧天數(shù), 標準羊日食量多用1.8 kg, 其他參數(shù)由于研究區(qū)不同設置也有所不同, 具體見表1、表2。草地的產(chǎn)草量數(shù)據(jù)可通過實地測定獲得, 但在區(qū)域尺度上數(shù)據(jù)難以獲取, 局限性較大。現(xiàn)有區(qū)域尺度研究更多采用遙感反演生物量、草地生產(chǎn)力數(shù)據(jù)估算理論載畜量。

合理的牧草利用率是草地生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的關鍵, 同時牧草利用率也是確定理論載畜量的重要參數(shù), 但學者提出牧草利用率的確定還存在很大爭議。由于不同草地類型、不同地區(qū)的草地可利用率不同, 估算理論載畜量時需加以區(qū)分, 目前已有研究采用的牧草利用率數(shù)值見表2 (平均牧草利用率取整數(shù))。確定草地利用率的方法主要有經(jīng)驗估計和實際測量法, 且大多數(shù)確定草地利用率的方法適用于多年生草地, 在灌叢草地和一年生草地中并不適用。中國境內不同草地類型的利用率大多參考《NY/T635—2015天然草地合理載畜量的計算》標準。

表2 不同類型草地牧草利用率Table2 Forage utilization rates of different types of grassland

1.3 草地生態(tài)系統(tǒng)承載力定量評估方法的不足

草地生態(tài)系統(tǒng)承載力作為評價草地生態(tài)質量和承載能力的重要指標, 在分析草地資源的利用狀況、解決草地資源利用中存在問題等方面具有十分重要的作用。近年來, 學者們對載畜量、不同放牧方式、承載力、放牧強度和不同草地類型利用率開展了研究, 取得了不錯的階段性成果, 家畜采食量、牧草產(chǎn)量、放牧利用率等參數(shù)逐漸標準化。但由于放牧是一個動態(tài)過程, 相關參數(shù)的確定及計算和載畜量估算還存在爭議和分歧。通過總結前人研究, 當前定量評估模型仍存在一些需要解決的問題。

1)產(chǎn)草量受到牧草質量、地形、地貌、土壤養(yǎng)分、氣候、人類活動等因素影響, 不同研究區(qū)產(chǎn)草量差異較大。產(chǎn)草量雖然可通過實地測量或遙感數(shù)據(jù)估算, 但對于較大區(qū)域尺度的研究, 局部樣地測量不具代表性, 遙感數(shù)據(jù)估算的精度也尚需提高。此外, 牧民在草資源不足時, 會采購草料以備草料不足時使用, 或者人工種草、打草備冬等, 在計算載畜量時應該考慮牧草占各飼料的比重, 參數(shù)確定可通過實地調查、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等。

2)分析超載時實際載畜量折算未考慮牲畜體重、年齡大小。由于目前的統(tǒng)計資料尚未區(qū)分牲畜的年齡、體重, 依據(jù)牲畜折算系數(shù)折算實際載畜量時, 估算結果會存在一定的誤差。

3)許多研究未考慮野生動物對草地生態(tài)系統(tǒng)承載力的影響。有研究表明目前大多數(shù)研究只關注產(chǎn)草量、牲畜采食量、放牧利用率、關鍵區(qū)域選擇、氣候影響、補飼等, 很少有人在量化載畜量時考慮野生動物牧草采食量。由于野生動物數(shù)量及食草量難統(tǒng)計, 現(xiàn)有研究很少將野生動物食用的草地資源納入模型中計算。

4)載畜量計算模型尚未考慮不同程度病蟲害率造成的牧草損失量。病蟲害不僅造成草地資源損失, 也加劇草原植被的退化和土地沙化。蟲類和鼠類會大量采食優(yōu)良牧草, 使草地植被受到不同程度的破壞。不同研究區(qū)病蟲害發(fā)生率不同, 產(chǎn)生的牧草損失率也大不相同, 如表3所示, 牧草損失率主要在10%～60%間波動, 估算載畜量時應結合當?shù)貙嶋H情況采用合適的病蟲害損失率。

表3 我國不同區(qū)域牧草病蟲害損失率Table3 Forage pest and disease loss rates in different areas of China

5)草地生態(tài)系統(tǒng)承載力定量估算指標差異大, 缺乏多因素整合模型。

當前更多采用載畜量估算草地生態(tài)系統(tǒng)承載力并對模型加以改進和優(yōu)化, 使其更適用于局地研究, 但鮮有全面綜合考慮社會經(jīng)濟發(fā)展、人口數(shù)量、生態(tài)功能等相關指標的承載力量化模型, 缺少綜合考慮多因素的整合模型。

6)草地生態(tài)系統(tǒng)承載力缺少完善的預測預警方法體系。

隨著草地生態(tài)系統(tǒng)承載力研究的不斷深入, 建立科學的預測預警機制是未來草地生態(tài)系統(tǒng)承載力發(fā)展的重要目標和熱點問題。然而, 已有研究缺乏對草地生態(tài)系統(tǒng)承載力的預測預警及驗證, 目前提出的草畜平衡指數(shù)也未能準確反映草畜平衡的空間異質性。草地生態(tài)系統(tǒng)承載力研究尚未建立完善的預測預警方法體系, 這是今后草地生態(tài)系統(tǒng)承載力研究有待解決的重要問題。

2 討論與展望

在全球氣候變化和人類活動加劇的背景下, 在已有理論基礎和研究方法的基礎上逐漸完善和優(yōu)化草地生態(tài)系統(tǒng)承載力估算方法與指標體系, 科學量化草地生態(tài)系統(tǒng)承載能力, 深入研究草地生態(tài)系統(tǒng)承載過程與預測預警機制, 尋求科學有效的計算模型與驗證方法, 并將草地生態(tài)系統(tǒng)承載力研究結果落實到主體功能規(guī)劃、生態(tài)安全及可持續(xù)發(fā)展策略的制定上, 具有重要的現(xiàn)實意義和緊迫性。本文梳理了草地生態(tài)系統(tǒng)承載力概念的發(fā)展、主要研究指標和方法, 指出了目前草地生態(tài)系統(tǒng)承載力概念和定量評估模型中的不足, 為草地生態(tài)系統(tǒng)承載力概念和定量評估方法的完善提供了科學依據(jù)。基于當前研究進展, 圍繞基礎理論、研究方法和預測預警等方面, 草地生態(tài)系統(tǒng)承載力研究中需要解決的關鍵問題和進一步研究方向如下:

2.1 完善草地生態(tài)系統(tǒng)承載力研究基礎理論體系

在氣候變化和人類活動的多重影響下, 草地生態(tài)系統(tǒng)承載力概念不斷發(fā)展, 在不同時期賦予了不同的涵義, 但草地生態(tài)系統(tǒng)承載力概念不明確、量化標準不一, 缺乏統(tǒng)一的科學基礎, 迫切需要建立科學的基礎理論體系。在現(xiàn)有研究基礎之上, 應深入分析草地生態(tài)系統(tǒng)的結構、功能以及生態(tài)系統(tǒng)中各要素間的相互關系和作用過程對草地生態(tài)系統(tǒng)承載力的影響, 綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)服務功能、社會經(jīng)濟發(fā)展、人類活動、生態(tài)系統(tǒng)健康與可持續(xù)發(fā)展等方面, 基于生態(tài)系統(tǒng)與承載對象間的復雜反饋機制, 科學地定義草地生態(tài)系統(tǒng)承載力?；诓菪笃胶夂腿诵笃胶? 建立科學統(tǒng)一的集草地生態(tài)系統(tǒng)承載力概念內涵?量化模型?預測預警?科學管理于一體的理論體系。

2.2 完善草地生態(tài)系統(tǒng)承載力定量評價方法

草地生態(tài)系統(tǒng)承載力受眾多因素影響, 構建科學系統(tǒng)的草地生態(tài)系統(tǒng)承載力計算模型是承載力量化的前提和關鍵。目前關于生態(tài)系統(tǒng)承載力的定量化研究方法較多, 但對草地生態(tài)系統(tǒng)承載力量化指標的深入研究較少, 定量化研究方法及評價體系還有待進一步完善?，F(xiàn)有草地生態(tài)系統(tǒng)承載力計算方法的研究因針對問題不同存在各自的側重點和片面性, 如忽略了野生動物和病蟲害等因素的影響。指標的代表性與可操作性方面也還存在不足。未來, 草地生態(tài)系統(tǒng)承載力定量評價除了考慮牧草質量、牧草產(chǎn)量、家畜對牧草的轉化效率、牧草利用率等外, 還可進一步考慮野生動物采食、病蟲害導致的牧草損失、草地放牧情況、牧民的放牧習慣、草原管理政策等對草地生態(tài)系統(tǒng)承載力的影響。外來物種入侵對草地生態(tài)系統(tǒng)承載力的影響少有人關注, 有國外學者發(fā)現(xiàn)外來種入侵嚴重的地區(qū)載畜量下降70%, 這也是草地生態(tài)系統(tǒng)承載力量化過程中一個值得關注的方面。指標的選擇還應結合草地自身的條件和動態(tài)特征, 綜合考慮不同研究區(qū)和不同草地類型生態(tài)系統(tǒng)承載力的空間異質性。通過選取較全面的影響因子, 優(yōu)化整合草地生態(tài)系統(tǒng)承載力計算模型。

2.3 加強草地生態(tài)系統(tǒng)承載力評價參數(shù)的全面調查和動態(tài)監(jiān)測

雖然家畜采食量、牧草產(chǎn)量、放牧利用率等參數(shù)逐漸標準化, 但參數(shù)測定和估算上存在誤差和主觀性。為提升模型的科學性和普適性, 應加強草地生態(tài)系統(tǒng)承載力評價參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測和調查, 如加大對野生動物數(shù)量、空間分布和采食量、蟲害發(fā)生面積及牧草損失量、鼠害發(fā)生面積及牧草損失量、牲畜對天然牧草的采食量等方面的全面調查與動態(tài)監(jiān)測, 從而保證草地生態(tài)系統(tǒng)承載力評價重要參數(shù)的可獲取性和精確度, 同時為模型驗證提供依據(jù)。

2.4 研究草地生態(tài)系統(tǒng)承載力預測預警機制

在生態(tài)文明建設新形勢和氣候變化背景下, 科學預測草地生態(tài)系統(tǒng)承載力、準確量化并確定適宜社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護的草地生態(tài)系統(tǒng)承載閾值、建立草地生態(tài)系統(tǒng)預測預警機制是保護草地生態(tài)系統(tǒng)和促進生態(tài)脆弱區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要課題。未來應基于現(xiàn)有草地生態(tài)系統(tǒng)承載力理論、承載力相關預測預警模型, 綜合考慮氣候變化、人口、經(jīng)濟發(fā)展、放牧強度和草地生態(tài)系統(tǒng)管理措施等對草地生態(tài)系統(tǒng)及其生產(chǎn)力、草地生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響, 深入研究草地生態(tài)系統(tǒng)承載力預測預警模型, 同時完善草地生態(tài)系統(tǒng)承載力閾值確定及篩選方法, 建立較完備的草地生態(tài)系統(tǒng)承載力預測預警機制。