中國北方草地生產(chǎn)力研究進(jìn)展

王鶴琪, 范高華, 黃迎新, 周道瑋

中國北方草地生產(chǎn)力研究進(jìn)展

王鶴琪1,2, 范高華3, 黃迎新1,*, 周道瑋1

1. 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 吉林省草地畜牧重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長春 130102 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3. 中國科學(xué)院植物研究所, 北京 100093

中國的北方草地資源十分豐富, 研究影響草地生產(chǎn)力變化的因素對于合理利用草地資源具有重要的意義。文章系統(tǒng)綜述了環(huán)境因素、生物因素以及人為管理因素等對中國北方草地生產(chǎn)力變化的影響。通過對近年來北方草地生產(chǎn)力變化的分析表明, 環(huán)境因素是影響草地生產(chǎn)力變化的主要因素, 生物因素亦會對草地生產(chǎn)力造成影響。放牧、刈割、施肥、草原開墾等人為因素會對草地生產(chǎn)力產(chǎn)生巨大的影響, 并且通過有計(jì)劃火燒、灌溉、圍欄封育及混播等措施能潛在的提高草地生產(chǎn)力。

中國北方草地; 生物量; 增溫; 圍欄封育; 火燒

0 前言

人類從最初的逐水草而居發(fā)展到現(xiàn)代的草地農(nóng)業(yè)經(jīng)歷了十分漫長的歷史。草地生態(tài)系統(tǒng)是能夠維持人類生存的重要生態(tài)系統(tǒng)之一, 它在調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土、更新與維持土壤肥力、促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、固定二氧化碳及釋放氧氣等方面有十分重要的作用[1], 能為人類生存提供大量的植物性和動物性原材料。據(jù)統(tǒng)計(jì), 中國北方草地面積達(dá)238萬平方公里, 占世界草地總面積的9.92%[2]。且第一次草地普查結(jié)果(1996年)表明我國天然草地面積居于世界第2位[3]。目前, 國際上以單位面積產(chǎn)草量、單位面積畜產(chǎn)品產(chǎn)量和載畜量等3個(gè)指標(biāo)作為衡量草地生產(chǎn)力的標(biāo)準(zhǔn), 而草地凈第一性生產(chǎn)力(NPP)作為直接反應(yīng)草地群落在自然條件下的生產(chǎn)能力是草地碳循環(huán)的重要組成部分[4]。我國北方草地面積廣袤, 自然資源豐富, 但自然災(zāi)害在某些地區(qū)時(shí)有發(fā)生以及人類活動(如: 開墾、放牧)等的干擾均造成該區(qū)草地退化, 草地生產(chǎn)力下降, 阻礙了區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[5]。因此本文系統(tǒng)地論述了對中國北方草地生產(chǎn)力造成影響的環(huán)境因素、生物因素以及人為管理因素, 并提出提高中國北方草地生產(chǎn)力的相關(guān)措施, 對標(biāo)草地生態(tài)保護(hù)紅線、環(huán)境質(zhì)量底線和草地資源利用上線等3條紅線, 加快形成北方草地生產(chǎn)的綠色發(fā)展模式, 以期為中國北方草地的生產(chǎn)力恢復(fù)和現(xiàn)階段草地農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1 環(huán)境因素

環(huán)境因素是影響中國北方草地生產(chǎn)力變化的主要因素, 其包括氣候和土壤因素。

1.1 氣候因素

中國北方草地主要分布在干旱、半干旱地區(qū), 且大部分地區(qū)降水分布不均勻。氣候因素是影響中國北方草地生產(chǎn)力變化的主要因素。氣溫與降水往往耦合在一起對中國北方草地生產(chǎn)力造成影響。

1.1.1 降水的影響

降水對中國北方草地生產(chǎn)力的影響很大。傳統(tǒng)的研究主要關(guān)注全年降水量對草地生產(chǎn)力的影響, 近年來, 人們逐漸認(rèn)識到, 不同時(shí)間的降水量對植被生長的影響存在差異, 在全球變暖的背景下, 降水格局發(fā)生著顯著變化, 進(jìn)而導(dǎo)致草地生產(chǎn)力顯著變化。關(guān)于降雨量對草地生產(chǎn)力影響的研究主要集中在全年降雨量的影響。例如: 韓芳等[6]根據(jù)內(nèi)蒙古荒漠草1961—2007年年降水量的數(shù)據(jù), 分析了不同氣候背景下內(nèi)蒙古荒漠草原的牧草生產(chǎn)力, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 年降水量與牧草生產(chǎn)力具有極顯著的相關(guān)性。多數(shù)研究運(yùn)用模型模擬分析了中國北方草地典型區(qū)域的降水與草地生產(chǎn)力的關(guān)系, 研究表明降水量的升高能顯著提高草地生產(chǎn)力。例如: 楊澤龍等[7]運(yùn)用模型模擬分析了內(nèi)蒙古東部地區(qū)48個(gè)氣象站45年的氣象數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)在大興安嶺中部地區(qū), 氣溫與降水有不斷增加的潛勢, 草地生產(chǎn)力增長趨勢明顯; 而在大興安嶺南麓與西側(cè)的草地區(qū)域, 氣候呈暖干化趨勢, 草地生產(chǎn)力增長趨勢不明顯。亦有研究發(fā)現(xiàn)松嫩西部草原的凈初級生產(chǎn)力隨著降水量增加而增加[8]。通過模型模擬的方式不僅可以對近幾十年降水對中國北方草地生產(chǎn)力變化進(jìn)行分析[9], 還可以進(jìn)行預(yù)測評估[10-11]。例如: 楊凱等[11]通過模型模擬評估未來2071—2100年藏北地區(qū)草地生產(chǎn)力的變化, 發(fā)現(xiàn)降水量減少的區(qū)域中高嵩草型草地地上生物量呈減少的趨勢。

在非生長季的降水, 只有部分能夠儲存在土壤中供植物生長季需要, 并且即使在生長季, 植物在生長的不同階段對水分的需求也是不同的, 因此, 不同時(shí)間的降水對草地生產(chǎn)力影響的差異是顯著的。Bai等[12]通過對內(nèi)蒙古的草地生產(chǎn)力影響因素的分析發(fā)現(xiàn), 1—7月的降雨量是草地生產(chǎn)力的決定因素。李霞等[13]分析了中國北方溫帶草原降水年際季節(jié)變化, 發(fā)現(xiàn)夏季降水量對植被的生長影響最為顯著。通過對典型草原生態(tài)系統(tǒng)增雨的研究, 發(fā)現(xiàn)7— 8月份30%增加降雨會促進(jìn)草地生產(chǎn)力[14]。

植物在生長的不同階段對水分的敏感度不同, 相同的降雨量, 隨著降水格局的變化對草地生產(chǎn)力產(chǎn)生顯著影響[15-16]。Knapp[15]提出Soil water bucket 模型, 該模型對不同的降雨格局的影響進(jìn)行了總結(jié), 發(fā)現(xiàn)在干旱半干旱草地生態(tài)系統(tǒng)中, 通過增加降雨強(qiáng)度, 減少降水頻率有利于維持土壤含水量, 減少干旱脅迫對植物造成的傷害, 利于草地生產(chǎn)力的提高。張統(tǒng)[16][通過研究前半個(gè)生長季(4—6月)和后半個(gè)生長季(7—9月)各60%增加和減少平均降雨量對草地生產(chǎn)力的影響發(fā)現(xiàn), 前期減雨處理降低總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力12%, 在后期減雨處理中總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力降低32%。增雨對凈初級生產(chǎn)力的促進(jìn)程度大于減雨對凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的抑制程度。

茹靖益[17]通過人工控制的方法改變生長季降水分配, 將6月份降水與7月份降水互換以及8月份的降水與9月份降水互換, 分別模擬提前和推遲生長季降雨峰值, 來研究降雨季節(jié)分配對半干旱草地總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響。通過連續(xù)四個(gè)生長季(2013—2016年)的實(shí)驗(yàn)觀測發(fā)現(xiàn), 提前降雨峰值對總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響不顯著。在內(nèi)蒙古草地, 通過模型模擬表明, 重新分配其他季節(jié)的降雨到春季及增加較大降雨事件的頻度均增加了凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn), 而重新分配其他季節(jié)的降雨到秋季則降低了凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力[18]。

1.1.2 氣溫的影響

近年來由于溫室效應(yīng)加劇, 使得全球平均氣溫升高, 這對于中國北方草地植物的生長也造成了影響。有研究表明, 增溫能夠顯著提高草地生產(chǎn)力[19-20]。史瑞琴[19]利用植被氣候分類模型和草地氣候生產(chǎn)力模型分析得到隨著CO2含量升高, 絕大部分草地生產(chǎn)力都有不同程度的增加。但有些學(xué)者提出了氣溫升高導(dǎo)致生產(chǎn)力下降的觀點(diǎn)[21-22]。李鎮(zhèn)清等[21]發(fā)現(xiàn), 隨著冬季氣溫的升高, 使得典型草原區(qū)春季干旱加劇, 導(dǎo)致草地生產(chǎn)力減少。氣溫升高有助于一些害蟲安全越冬, 這可能對植被的生長造成不利影響, 亦可能造成草地生產(chǎn)力的降低。趙東升[22]等利用模型預(yù)測未來幾十年NPP總量呈波動下降的趨勢, 且下降速度逐步加快。一年當(dāng)中不同時(shí)期的增溫對草地生產(chǎn)力的影響是不同的[23]: 夏季降雨量較高, 增溫能夠增加植被的光合作用, 從而提高草地生產(chǎn)力; 而冬春季節(jié)增溫, 會導(dǎo)致土壤水分降低, 加劇干旱, 害蟲安全越冬進(jìn)而導(dǎo)致草地生產(chǎn)力降低。

在全球變化的背景之下, 近年來我國氣溫不僅呈現(xiàn)顯著上升趨勢, 且呈現(xiàn)出不對稱增溫的特點(diǎn)。不對稱增溫結(jié)果會導(dǎo)致晝夜溫差降低, 進(jìn)而對中國北方草地植被的生長造成影響[24], 不對稱增溫導(dǎo)致植物發(fā)生補(bǔ)償生長, 從而增加草地生產(chǎn)力。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是國際上公認(rèn)的能夠反映植被變化的參數(shù), 可用來指示北方草地生產(chǎn)力的變化[25], 神祥金等[24-25]利用1982—2006這25年的NDVI以及氣象數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn), 這一時(shí)期中國草原區(qū)植被覆蓋度大體呈上升趨勢, 但是不同的地區(qū)存在季節(jié)差異, 春季最低氣溫的升高是限制植被生產(chǎn)的主要因素; 夏季升溫不利于溫帶荒漠草原植被的生長, 且夏季增溫對植被生長產(chǎn)生不對稱影響, 即夏季最高溫升高抑制植被生長, 夏季最低溫升高促進(jìn)植被生長。

CO2、CH4及N2O等溫室氣體的排放是造成全球變暖加劇的誘因, 對中國北方草地生產(chǎn)力造成間接影響。研究表明CO2對草地生產(chǎn)力具有促進(jìn)作用。林舜華等[[26]于1996年研究了兩種不同繁殖方式羊草()的生物量對CO2倍增的響應(yīng)發(fā)現(xiàn), 在CO2倍增條件下, 兩種羊草()的株高、地上以及地下生物量明顯增加。這與國外關(guān)于CO2對草地群落生物量起到促進(jìn)作用的研究結(jié)果相類似[27]。溫室氣體的吸收以及釋放關(guān)乎著草地植物生物量的變化。也有研究發(fā)現(xiàn)溫度會造成草地CO2日排放發(fā)生變化, 進(jìn)而影響草地生產(chǎn)力。董自紅等[28]通過對新疆高山草甸草原植物群落夏季CO2排放日變化分析發(fā)現(xiàn), 隨著氣溫以及土壤溫度的升高, CO2的排放通量也隨之增加; 隨著氣溫以及地溫的降低, CO2的排放通量也隨之降低。溫度升高導(dǎo)致土壤呼吸速率加快, 進(jìn)而導(dǎo)致大氣CO2排放通量增加, 短期來看, 由于大氣中CO2含量上升, 增強(qiáng)了植物光合所需固定的CO2濃度, 增強(qiáng)了植物光合作用, 導(dǎo)致草地生產(chǎn)力上升; 但是從長期的角度來看, 由于溫度升高會導(dǎo)致土壤中有機(jī)質(zhì)大量分解, 降低土壤呼吸對溫度的敏感性, 同時(shí)加快土壤氮礦化速率, 因此土壤養(yǎng)分被大量消耗, 抑制草地植被的生長[29]。

1.2 土壤因素

良好的土壤會為草地植物的生長帶來益處。而近年來由于氣候以及人為活動的影響, 土壤侵蝕以及鹽漬化現(xiàn)象不斷發(fā)生, 使得中國北方草地均有不同程度的退化。草地退化存在以下弊端: 一方面可食性牧草的產(chǎn)量和質(zhì)量會下降, 另一方面土壤養(yǎng)分含量亦會下降[30]。同時(shí)土壤的物理性質(zhì)以及化學(xué)性質(zhì)均會對草地植物的生長造成影響, 限制草地生產(chǎn)力的提高。例如: 由于不同的土壤質(zhì)地固定養(yǎng)分與水分的能力存在差異, 在青藏高原草地上, 土壤黏粒含量會顯著影響草地凈初級生產(chǎn)力[31]。土壤pH亦會影響草地生產(chǎn)力的變化, 相關(guān)研究表明, 由于表層土壤退化造成松嫩平原鹽漬化現(xiàn)象加劇, 鹽漬化草地生長的羊草生物量要顯著低于未退化的羊草草地[32]。由此可見, 土壤退化極大限制了草地生產(chǎn)力的提升, 中國北方草地面積廣袤, 不同區(qū)域的草地土壤的質(zhì)地, 土壤的含水量, 土壤養(yǎng)分含量, 土壤pH不盡相同, 同樣土壤退化的程度也不盡相同, 因此各個(gè)地方的草原管理部門需要制定合理的措施來防止草地土壤的退化, 減少人為因素對草地的干擾, 如在重度退化的草地上, 禁止放牧和開墾; 在中度退化草地, 可以采取人工補(bǔ)播優(yōu)質(zhì)豆科牧草的方式, 增加土壤的固氮能力; 對于輕度退化的草地, 不宜過度放牧, 杜絕人為將草地開墾為農(nóng)田的現(xiàn)象發(fā)生。

2 生物因素

各種各樣的草地植物、草原動物以及草地微生物構(gòu)成了草原生態(tài)系統(tǒng)豐富的生物多樣性, 其中存在復(fù)雜的種間關(guān)系及種內(nèi)關(guān)系[33]。而生物多樣性對草地生產(chǎn)力的影響一直以來是生態(tài)學(xué)家討論的熱點(diǎn)話題之一, 主要分為兩個(gè)學(xué)派: 一方觀點(diǎn)認(rèn)為: 生物多樣性對生產(chǎn)力的影響起著重要作用[33-35]; 另一方則質(zhì)疑前者的觀點(diǎn), 他們認(rèn)為生物多樣性對生產(chǎn)力的影響還需考慮抽樣效應(yīng), 生態(tài)位互補(bǔ)等因素的作用[36]。中國北方不同區(qū)域的草地由于存在環(huán)境異質(zhì)性, 生物多樣性對生產(chǎn)力變化的影響也存在差異。例如: 有研究發(fā)現(xiàn)青藏高原東部典型高寒草甸植物群落物種豐富度與生產(chǎn)力呈對數(shù)線性增加的關(guān)系[37]。松嫩平原部分地區(qū)的草地群落的物種多樣性與生產(chǎn)力呈單峰函數(shù)關(guān)系[38]。物種多樣性對于生產(chǎn)力的影響的機(jī)理尚未闡釋清楚, 不同的空間尺度, 不同的環(huán)境因素以及不同的物種組成都可能對生產(chǎn)力造成影響。普遍認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜, 穩(wěn)定性越強(qiáng), 越能抵御外界環(huán)境的干擾。因此維持草地生態(tài)系統(tǒng)豐富的生物多樣性, 越能保持草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 對于提高草地的生產(chǎn)潛力具有十分重要的意義。

草地植物的生物多樣性在一定程度上能夠反應(yīng)草地生產(chǎn)力水平[33], 同時(shí)草地動物以及草地土壤微生物亦是草地生物多樣性重要的組成部分[39-41]。草原動物主要包括常見的草食性動物(如牛、馬、羊, 草食性昆蟲)、嚙齒類動物、以草食動物為食的肉食性動物(如狼)以及土壤動物等。草原動物與土壤微生物共同構(gòu)建起復(fù)雜的食物網(wǎng), 對草地物質(zhì)循環(huán)以及能量流動具有促進(jìn)作用, 同時(shí)對草地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的維持具有重要意義。相關(guān)研究表明, 草食性糞尿等方式影響草地植物物種多樣性動物可能對草地生產(chǎn)力造成影響, 這可能是由于草食性動物通過不同的采食量、食性選擇以及向草地中排放變化所導(dǎo)致的[42]。而肉食性動物通過捕食草食性動物控制草食性動物數(shù)量維持在一個(gè)合理的范圍內(nèi), 這有利于防止草地植物被草食性動物大量啃食, 對于維持草地食物鏈的平衡具有重要作用。通過構(gòu)建“肉食動物-草食動物-草地資源”草地生態(tài)系統(tǒng)食物鏈模型發(fā)現(xiàn), 這三者間通過密度調(diào)節(jié)以及制約機(jī)制以達(dá)到食物鏈的平衡, 但是當(dāng)食物鏈的平衡被打破后, 肉食性動物的大量滅絕會造成草食動物數(shù)量的劇增, 從而造成草地資源被大量消耗, 草地生產(chǎn)力下降, 草地逐漸出現(xiàn)退化現(xiàn)象[43]。同時(shí)不能夠忽視草地土壤動物以及土壤微生物對于草地食物鏈的分解作用: 土壤生物不僅能直接影響植物根系, 同時(shí)也會對微生物的數(shù)量和類別造成影響[44]。國外相關(guān)研究表明, 微生物間的相互作用能夠驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)功能, 例如植物多樣性、生產(chǎn)力以及變異性[34]。由于人類放牧強(qiáng)度過大以及草地的集約化管理, 使得草地生長速率低于退化率, 加劇了草畜矛盾, 草地退化現(xiàn)象日益突出, 生物多樣性喪失[45]。維持草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性對草地生產(chǎn)力提升具有重要意義, 因此保護(hù)草原動物尤為重要, 同時(shí)應(yīng)將放牧的牲畜數(shù)量限制在草地可承載范圍之內(nèi), 減少人為干擾對草地的影響, 以期保持草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3 管理因素

除了環(huán)境因素和生物因素外, 人為管理因素也是影響草地生產(chǎn)力的重要因素。通過積極的適應(yīng)性管理手段, 能夠維持草地生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn), 對提高草地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能具有積極作用[46]。有利于我國草地畜牧業(yè)的發(fā)展。目前國內(nèi)主要管理和利用草地的方式有放牧、刈割、灌溉、施肥、火燒、圍封、補(bǔ)播和開墾等[47]。這些人為管理的手段均會對北方草地生產(chǎn)力造成影響。

3.1 放牧的影響

放牧是一種高度復(fù)雜的干擾方式, 對草地植被的生長既有促進(jìn)又有抑制作用[48], 其直接影響植物營養(yǎng)物質(zhì)的合成與分解過程[49]。過度放牧造成草地土壤含水量的下降的同時(shí)降低草地生產(chǎn)力[50]; 適度放牧有助于草地的健康發(fā)展且維持較高的草地生產(chǎn)力[51]。例如: 在寧夏鹽池縣荒漠草原區(qū)內(nèi), 研究發(fā)現(xiàn)隨著放牧強(qiáng)度的增加, 草地牧草生產(chǎn)力逐漸下降[52]。因此采取合理的放牧制度是提高牧草生產(chǎn)力的關(guān)鍵。目前的放牧制度主要分為自由放牧和劃區(qū)輪牧兩種方式[53]。劃區(qū)輪牧即有計(jì)劃地將草地劃分成若干個(gè)輪牧小區(qū), 使牲畜按照一定順序逐區(qū)采食, 輪回利用。與自由放牧相比, 劃區(qū)輪牧具有很大的優(yōu)勢, 其一劃區(qū)輪牧能夠降低家畜的采食性行為, 其二能夠降低家畜對草地的踐踏強(qiáng)度以及頻率, 這在一定程度上緩解了草地恢復(fù)生長以及牲畜采食之間的矛盾, 有利于解決自由放牧條件下生產(chǎn)力降低的問題[54]。除了不同的放牧制度以及不同的放牧強(qiáng)度外, 放牧家畜種類也是影響北方草地生產(chǎn)力的因素之一。有研究表明, 在中度放牧強(qiáng)度條件下, 混合放牧條件下的生物多樣性水平要高于單獨(dú)放牧下的生物多樣性水平[55]。因此在選擇有助于提高草地生產(chǎn)力的放牧方式時(shí)還要根據(jù)具體條件而定, 既需要考慮草地類型、牧草種類、家畜品種、氣候等諸多因素影響, 同時(shí)也需要建立草地資源分類經(jīng)營管理的機(jī)制[56], 以實(shí)現(xiàn)北方草地可持續(xù)性發(fā)展。

3.2 刈割的影響

刈割是人類利用草地的方式之一[57-59], 過度刈割會改變草地原有群落結(jié)構(gòu), 造成草地群落物種多樣性下降, 草地生產(chǎn)力降低。適當(dāng)刈割是利用草地的重要原則。由于不同草地植物的生長特性不盡相同, 為提高不同草地植物的產(chǎn)量, 需要確定適宜的刈割頻次, 刈割方式和刈割強(qiáng)度。楊恒山等[60]于2002年對內(nèi)蒙古西遼河平原的健寶進(jìn)行了刈割實(shí)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)隨著刈割時(shí)間的增加干草產(chǎn)量會有遞減的趨勢。合理的刈割方式亦能提高草地生產(chǎn)力水平, 比如可以采取不同的留茬高度或者切口方式來影響草地生產(chǎn)力[61-62]。研究表明輕度刈割所累積的生物量要強(qiáng)于無刈割所累積的生物量[62]; 隨著留茬高度的降低, 地上和地下生物量有下降的趨勢[61]。同樣確定合理的刈割時(shí)期也尤為重要, 刈割時(shí)期按照植物不同的發(fā)育階段分為分枝期、現(xiàn)蕾期、初花期、中花期、盛花期和結(jié)實(shí)期[63]。不同的草地植物刈割的時(shí)間存在差異: 比如豆科牧草最佳刈割期為現(xiàn)蕾期至初花期, 該時(shí)期刈割能獲取較高產(chǎn)量及品質(zhì)[63]。因此確定合理的刈割時(shí)期、刈割頻次、刈割強(qiáng)度和刈割方式對于提高草地生產(chǎn)潛力具有十分重要的意義。

3.3 灌溉的影響

灌溉亦是人類利用草地的方式之一。由于我國自然降水分布不均造成了北方草地某些區(qū)域嚴(yán)重缺水, 導(dǎo)致部分區(qū)域草地生產(chǎn)力降低, 為了解決這一問題仍可以通過人為灌溉等方式來提高部分地區(qū)草地生產(chǎn)力。研究表明灌溉促進(jìn)草地生產(chǎn)力的提高。例如: 通過對希拉穆仁草原的灌溉實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 灌溉可以提高建群種高度、植被蓋度以及地上生物量, 從而提高草地植被的生產(chǎn)力[64]。無論是天然草地還是人工草地, 灌溉區(qū)產(chǎn)草量均高于不灌溉區(qū)產(chǎn)草量近幾倍[65]。在灌溉草地的同時(shí)需要遵循適時(shí)適量的原則, 不應(yīng)盲目地灌溉, 灌溉過多亦會影響產(chǎn)草量[66]。對于人工草地來講, 在牧草適宜的生長期進(jìn)行灌溉既有利于牧草高產(chǎn)又能達(dá)到節(jié)水的目的, 因此了解牧草的生長周期對于確定合理的灌溉期以及灌溉量具有重要的指導(dǎo)意義。相關(guān)研究表明, 通過對內(nèi)蒙古人工草地牧草灌溉實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 在開花期后進(jìn)行補(bǔ)水能顯著提高牧草長期的水分利用效率, 有利于牧草產(chǎn)量的提高[67]。灌溉方式有很多, 比如噴灌、滴灌和溝灌等。不同地區(qū)需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的灌溉方式, 這對于提高草地生產(chǎn)力具有重要的意義[68-70]。在灌溉的同時(shí)還需要考慮氣候的影響, 研究表明, 降水較多的年份下灌溉對高寒草地影響較小, 而在干旱條件下灌溉對高寒草地的影響十分顯著[71]。因此北方草地不同區(qū)域應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、土壤含水量、牧草類型來確定合理的灌溉方式、灌溉時(shí)期以及灌溉量, 這樣才有利于草地生產(chǎn)力的提升。

3.4 施肥的影響

施肥是提高草地生產(chǎn)力的重要舉措之一, 施肥可以補(bǔ)充草地對植物的營養(yǎng)供應(yīng)[72], 同時(shí)能夠促進(jìn)草地土壤水分的利用效率[73]。許多人工施肥試驗(yàn)表明, 施肥能夠提高草地生產(chǎn)力。例如: 顧夢鶴等[74]通過對高寒地區(qū)人工草地3年的施肥試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 施肥可以顯著提升草地生產(chǎn)力。通過對高寒退化草地的施肥試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 施肥處理的草地與對照組的草地相比, 在平均高度, 蓋度以及鮮草產(chǎn)量等方面均明顯高于不施肥的草地[75]。對內(nèi)蒙古多倫退化草地長期控制實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 加氮增加了植物地上凈初級生產(chǎn)力, 但降低了植物物種多樣性以及群落的穩(wěn)定性[76]。北方草地面積廣袤, 不同地區(qū)的土壤, 氣候等自然條件不盡相同, 因此需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的施肥時(shí)間以及施肥比例。施建軍等[77]通過對青藏高原退化草地的人工施肥試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 同時(shí)施氮磷肥可以提高牧草產(chǎn)量。不同的草地植物對氮磷鉀肥的需求也不盡相同, 禾本科植物對氮肥的需求較多, 而豆科植物對磷肥的需求較多[78]。因此, 在施肥的同時(shí)還要考慮何種元素對哪類草地植物的生長更為有利, 這樣更能有效的提高草地生產(chǎn)力。由于草地植物的生長不單單只受施肥條件的影響, 還受溫度降水變化的影響, 因此在施肥的同時(shí), 還要考慮使草地植物的生長達(dá)到適宜的水熱條件, 這對于草地生產(chǎn)力的提高也大有裨益[79]。同時(shí)還需要注意施肥雖然能提高草地生產(chǎn)力, 但是過度施肥也會帶來群落物種結(jié)構(gòu)改變、草地群落穩(wěn)定性下降以及土壤酸化等問題[80-81]。

3.5 火燒的影響

火是重要的環(huán)境因子, 其對草地植物的生長, 群落的組成以及無機(jī)環(huán)境等方面均會造成雙面影響[82], 一方面火燒有利于草地各個(gè)植物種的群落生物量以及數(shù)量維持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)[83]; 另一方面草原火燒后會造成土壤枯落物減少, 土壤溫度升高, 加劇土壤水分蒸發(fā), 不利于草地群落生長[84]。周道瑋等[85-87]通過對長嶺草原區(qū)內(nèi)的草地進(jìn)行火燒實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 火燒會對群落結(jié)構(gòu)造成影響, 火燒亦有利于葉生物量的增長; 同時(shí)在研究不同時(shí)間草地火燒后對群落地上生物量的變化時(shí)發(fā)現(xiàn), 火燒地各層段葉生物量要高于未燒地; 亦發(fā)現(xiàn)早春火燒能夠提高羊草()種群地上生產(chǎn)力, 晚春火燒導(dǎo)致羊草()種群地上生產(chǎn)力的下降; 在降水豐年火燒有利于植物群落的生長, 降水欠缺的年份火燒則使產(chǎn)量降低。還需要注意到火燒對不同草地植物的作用是不同的, 火燒可以明顯提高羊草比例, 蔥屬植物的產(chǎn)量基本保持穩(wěn)定[88], 有利于改善草地群落的物種組成。國外相關(guān)研究發(fā)現(xiàn), 火災(zāi)頻率的變化可能會通過改變土壤碳庫和氮對植物生長的限制, 進(jìn)而改變生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量和氮循環(huán)[89-90], 同時(shí)火燒可能與氣候、物種以及資源的共同作用進(jìn)而影響草原的分布[91]。綜上, 雖然通過有計(jì)劃的火燒可以有效地改變草地群落的組成結(jié)構(gòu), 有利于提高草地生產(chǎn)力, 但是我國草地不像一些外國的草地, 很少存在大量的凋落物, 同時(shí), 受制于我國對預(yù)防火災(zāi)的管理政策限制, 火燒未能作為我國草地管理的一種常用手段。

3.6 圍封的影響

圍欄封育是一種常用的管理草原的人為手段[92]。與放牧這種管理措施不同, 這種手段則是通過圍欄的方式隔離牲畜防止其對草地進(jìn)行采食, 使草地達(dá)到修養(yǎng)生息的目的。但這種手段也存在兩面性, 一方面其有利于退化草地的恢復(fù), 排除放牧對草地干擾等因素, 增加土壤養(yǎng)分含量[93], 便于提高退化草地生產(chǎn)力; 另一方面, 封育會導(dǎo)致大量凋落物的堆積, 影響資源利用效率[94]。有研究表明, 通過對內(nèi)蒙古錫林郭勒典型草原進(jìn)行春季休牧實(shí)驗(yàn), 比較休牧區(qū)以及非休牧區(qū)草地地上生物量發(fā)現(xiàn), 休牧區(qū)產(chǎn)草量顯著高于連續(xù)放牧區(qū)產(chǎn)草量, 這可能是由于春季休牧有利于牧草在返青初期積累大量的營養(yǎng)物質(zhì), 從而對牧草后期的生長提供充足的養(yǎng)分, 進(jìn)而提高草地生產(chǎn)力。隨著封育年限的不斷增加, 草地生產(chǎn)力逐漸增加[95]。然而并非圍封的時(shí)間越久越好, 國外的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn), 長期圍欄封育并不能顯著提高草地生產(chǎn)力。通過對干旱區(qū)草場長時(shí)間的監(jiān)測發(fā)現(xiàn), 草地生產(chǎn)力非但沒有提高, 還有顯著下降趨勢[96]。同時(shí)不同的封育措施對草地生產(chǎn)力的影響也存在差異[97]。因此, 確定合理的圍封年限對于提高草地生產(chǎn)力來講具有極為重要的意義。不同的草場圍封的年限也是不同的, 例如: 對于寧夏自治區(qū)沙化草地來講, 由于草地沙化現(xiàn)象比較嚴(yán)重, 因此圍封的年限需要增加, 研究表明圍封8年能夠顯著提高草地生產(chǎn)力, 但是當(dāng)圍封時(shí)間達(dá)到19年后會出現(xiàn)植被數(shù)量下降的現(xiàn)象, 草地生產(chǎn)力反而下降[98]。因此, 圍欄封育對退化草地的恢復(fù)起到先促進(jìn)后抑制的作用, 并不是圍封時(shí)間越長越好, 還應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛞约爸脖磺闆r制定合理的圍封年限, 才能有效提高草地生產(chǎn)力。同時(shí)我們還需注意, 圍封打破了草地原有的放牧傳統(tǒng), 雖然能夠減輕草地的負(fù)荷, 但是也應(yīng)意識到放牧對維持草地生態(tài)系統(tǒng)平衡的作用, 應(yīng)該將放牧與圍封這兩種手段相結(jié)合, 這樣才能夠?qū)⒅参锱c動物生產(chǎn)相互聯(lián)系, 進(jìn)而提高草地生產(chǎn)力。

3.7 混播與補(bǔ)播的影響

近年來, 我國北方草地退化現(xiàn)象嚴(yán)重, 其主要表現(xiàn)在草地生產(chǎn)力的下降, 在對草地進(jìn)行保護(hù)利用的同時(shí), 草地補(bǔ)播亦是提高草地生產(chǎn)力的有效措施之一。草地補(bǔ)播是在基本不破壞草地的基礎(chǔ)上, 向草地中種植優(yōu)質(zhì)牧草從而達(dá)到改善草地群落結(jié)構(gòu)并提高草地產(chǎn)量品質(zhì)的手段[99], 并改善土壤中的養(yǎng)分含量[100]。多數(shù)研究表明, 補(bǔ)播優(yōu)質(zhì)牧草的確能增加草地生產(chǎn)潛力[101-102]。例如: 李飛等[101]對補(bǔ)播兩年后的草木樨()、黃花苜蓿()等5個(gè)群落生產(chǎn)力的調(diào)查發(fā)現(xiàn)補(bǔ)播顯著提高了群落生產(chǎn)力, 補(bǔ)播后草地群落生產(chǎn)力要高于自然演替下草地群落生產(chǎn)力。鄭華平[102]在研究補(bǔ)播禾草對瑪曲高寒沙化草地植物多樣性和生產(chǎn)力的影響時(shí), 發(fā)現(xiàn)在該地補(bǔ)播垂穗披堿草()、中華羊茅()和草地早熟禾(), 與對照相比, 補(bǔ)播后草地地上生物量顯著增加, 且補(bǔ)播第2年各處理生物量大約是補(bǔ)播第1年生物量的2倍, 這表明補(bǔ)播對草地生產(chǎn)力的促進(jìn)作用需要時(shí)間的累積。松嫩平原天然草地的生產(chǎn)力低下, 氮元素缺乏, 而豆科飼草能夠通過共生根瘤菌固定大氣中的氮素, 通過向該地補(bǔ)播豆科飼草能夠解決該地氮素缺乏的問題, 從而提高松嫩平原天然草地生產(chǎn)力[103]。以往混播被視為是一種提高人工草地生產(chǎn)力的措施之一。有研究發(fā)現(xiàn), 混播能夠提高草地生產(chǎn)力[104-105]。例如: 寶音[104]關(guān)于無芒雀麥()與苜蓿()混播實(shí)驗(yàn)研究表明, 內(nèi)蒙古的無芒雀麥()和草原2號紫花苜蓿()混播地產(chǎn)量顯著地高于禾草單播地。通過向天然草地中混播豆科植物和建植禾—豆混播人工草地, 有利于提高土壤碳截獲能力, 從而提高草地生產(chǎn)力, 有助于草地可持續(xù)利用[106]。綜上, 在向草地中補(bǔ)播或混播牧草時(shí), 應(yīng)考慮適宜品種、時(shí)間及方法, 才能達(dá)到良好的效果。

3.8 開墾草地的影響

自20世紀(jì)50年代至今, 我國已經(jīng)經(jīng)歷了4次草原大開墾, 開墾近1930多萬公頃優(yōu)質(zhì)草地[107]。我國于1985年10月1日施行的《中華人民共和國草原法》第46條規(guī)定: 禁止開墾草原。對水土流失嚴(yán)重、有沙化趨勢、需要改善生態(tài)環(huán)境的已墾草原, 應(yīng)當(dāng)有計(jì)劃、有步驟地退耕還草; 已造成沙化、鹽堿化、石漠化的, 應(yīng)當(dāng)限期治理。該法明確提出關(guān)于天然草地以及人工草地開墾的相關(guān)法律規(guī)定。開墾會對草地健康狀況造成影響, 尤需注意開墾草地對草地碳氮損失的影響, 開墾意味著要將草地通過燒荒的手段轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田, 燒荒會導(dǎo)致CO2和N2O等氣體排放到空氣當(dāng)中[108], 從而造成土壤養(yǎng)分大量流失, 同時(shí)開墾亦會帶來草地沙化以及荒漠化[90], 土壤裸露, 水土流失現(xiàn)象加劇, 土壤含水量下降等問題。有研究發(fā)現(xiàn), 栗鈣土草地開墾為農(nóng)田后, 其土壤結(jié)構(gòu)受到破壞, 降低了土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性[109]。閆玉春等[110]對內(nèi)蒙古典型草原區(qū)長期開墾35年的草地的研究表明, 長期開墾會降低草地土壤以及根系的固碳能力, 而根系和土壤固碳能力的下降也正是造成土壤養(yǎng)分下降的主要原因, 間接導(dǎo)致草地生產(chǎn)力下降, 通過將長期開墾草地恢復(fù)為天然草地, 有利于增加土壤以及植物的固碳能力, 從而有利于草地生產(chǎn)力的恢復(fù)。開墾草地對草地的健康發(fā)展有著十分不利的影響, 一方面由于土地利用方式的改變, 造成草地資源面積縮小, 極大地限制了草地生產(chǎn)力發(fā)展, 但是也應(yīng)意識到我國傳統(tǒng)農(nóng)耕業(yè)并不能完全滿足我國人民對食物結(jié)構(gòu)的需求, 發(fā)展現(xiàn)代草地農(nóng)業(yè)逐漸成為當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流趨勢, 同時(shí)也能夠獲取較高的經(jīng)濟(jì)收入, 但易受水熱資源的限制以及農(nóng)作物價(jià)格的影響, 經(jīng)常發(fā)生開墾幾年后又被撂荒, 重新轉(zhuǎn)化為草地。開墾后撂荒的行為, 導(dǎo)致草原生產(chǎn)力發(fā)生劇烈變化, 需要深入理論研究, 從而指導(dǎo)草地資源保護(hù), 以及草地的生產(chǎn)與管理。

4 結(jié)論與展望

通過梳理草地生產(chǎn)力方面的研究, 本文綜合分析了自然因素(溫度、降水、土壤)、生物因素以及人為管理因素(放牧、刈割、灌溉、施肥、火燒、圍欄封育、補(bǔ)播混播及開墾)對北方草地生產(chǎn)力的影響。降水和溫度決定了草地的分布范圍, 但是由于我國北方草地分布區(qū)之間的溫度變化差異不大, 即使模擬全球變化, 增溫幅度一般多為2 ℃, 雖然對草地群落的功能有一定的影響, 但是由于植物后期的補(bǔ)償生長等因素, 溫度對草地生產(chǎn)力影響較小。而降水是對草地影響的最主要自然因素, 降水的變化對草地生產(chǎn)力影響十分顯著。土壤限制了植物養(yǎng)分與水分的運(yùn)輸, 土壤因子也是影響草地生產(chǎn)力的顯著環(huán)境因子, 并且草地退化多與土壤退化同步進(jìn)行, 植被的恢復(fù)相對較為容易, 土壤的恢復(fù)多以十年、百年計(jì), 對草地土壤的保護(hù)需要引起重視。自然環(huán)境是復(fù)雜多變的, 任何一個(gè)自然因素的改變都會影響草地生產(chǎn)力的變化, 并且自然因素多是耦合在一起, 一個(gè)因子的變化經(jīng)常會引起其他環(huán)境因子的聯(lián)動, 因此, 未來的研究需要考慮多因子的綜合影響, 從而揭示環(huán)境因子的綜合作用機(jī)制。同時(shí)也應(yīng)該注意到, 隨著人類活動干擾強(qiáng)度的劇烈增加, 人類的干擾成為了影響草地生產(chǎn)力的主要因子。尤其是, 放牧與刈割對草地生產(chǎn)力影響極為顯著, 需要控制放牧強(qiáng)度, 選擇適宜的放牧?xí)r間, 從而維持草地可持續(xù)利用。理論上, 多次刈割能夠獲得較高生產(chǎn)力, 但是由于刈割成本以及儲藏條件的限制, 中國北方草地的刈割, 多是一次刈割, 因此刈割強(qiáng)度(也就是留茬高度)是維持我國北方草地的重要因子, 需要針對不同區(qū)域以及不同的植被, 提出適宜的刈割強(qiáng)度。灌溉與施肥對草地生產(chǎn)力提高顯著, 但是, 由于草地單位面積產(chǎn)出有限, 所以, 灌溉和施肥作為管理大面積草地的方法還需要進(jìn)一步探索與發(fā)展, 但是對于一些經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的苜蓿()等草地植物, 其方法還是十分有效的?；馃蜃訉Σ莸毓芾磉€是十分有效的, 但是我國草地不像一些外國的草地, 很少存在大量的凋落物, 同時(shí), 受制于我國對預(yù)防火災(zāi)的管理政策限制, 火燒未能作為我國草地管理的一種手段。近年來, 圍欄封育經(jīng)常作為我國草地恢復(fù)的一種管理措施, 但是圍欄封育的效果較為緩慢, 應(yīng)該結(jié)合一些定向、加速等更為積極的方法, 提高草地的恢復(fù)速度與質(zhì)量?；觳? 尤其是混播豆科牧草, 能夠顯著改善土壤營養(yǎng)以及草地植被的蛋白含量, 是國際草地管理的一項(xiàng)重要措施, 值得我國草地管理借鑒。需要注意的是, 由于草地的直接經(jīng)濟(jì)收入低于種植業(yè), 經(jīng)常發(fā)生草地被開墾現(xiàn)象, 導(dǎo)致涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙等生態(tài)功能的喪失, 未來需要進(jìn)一步加強(qiáng)對草地的保護(hù), 劃定生態(tài)紅線, 通過制定合理的草地管理政策及制度并有效施行, 不但可以防止草地退化的現(xiàn)象, 同時(shí)也會對草地生產(chǎn)力的提高大有幫助, 達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益的平衡發(fā)展。

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Advances in research on grassland productivity in Northern China

WANG Heqi1,2, FAN Gaohua1, HUANG Yingxin2,*, ZHOU Daowei1

1. Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Jilin Provincial Key Laboratory of Grassland Farming, Changchu 130102, China 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China 3. Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China

The grassland resources in Northern China are very rich, and it is important to study the factors affecting the changes of grassland productivity. This paper systematically summarizes the effects of environmental factors, biological factors and human management factors on the changes of grassland productivity in northern China. The analysis of the change of grassland productivity in Northern China in recent years shows that environmental factors mainly affect the changes of grassland productivity, and biological factors also affect grassland productivity. Human factors such as grazing, mowing, fertilization and grassland reclamation have a great impact on grassland productivity, and the planned measures such as burning, irrigation, fencing and mixed-planting can potentially improve grassland productivity.

grassland in Northern China; biomass; warming; enclosure; fire

王鶴琪, 范高華, 黃迎新, 等. 中國北方草地生產(chǎn)力研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(5): 219–229.

WANG Heqi, FAN Gaohua, HUANG Yingxin, et al. Advances in research on grassland productivity in Northern China[J]. Ecological Science, 2022, 41(5): 219–229.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.05.026

S812.8

A

1008-8873(2022)05-219-11

2020-08-28;

2020-10-20

中國科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“美麗中國” 項(xiàng)目六課題四“東北農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)功能提升與綠色發(fā)展示范”(XDA23060405);黑土地保護(hù)與利用科技創(chuàng)新工程專項(xiàng)資助（XDA28110201）; 吉林省科技發(fā)展計(jì)劃“吉林省西部重度鹽堿化草地恢復(fù)方法研究與示范”(20190303066SF)

王鶴琪(1995—), 男, 吉林長春人, 在讀碩士, 主要從事鹽堿地恢復(fù)草地生態(tài)學(xué)研究, E-mail: wangheqi@iga.ac.cn

黃迎新, 男, 博士, 研究員, 主要從事草地生態(tài)學(xué)研究, E-mail: huangyx@iga.ac.cn