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5月4日，水土保持研究所上官周平研究員團(tuán)隊(duì)，在草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng)理論方面取得新進(jìn)展,并以“Carbon in Chinese grasslands: meta-analysis and theory of grazing effects”為題發(fā)表在國(guó)際生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域綜合性期刊Carbon Research上。鄧?yán)傺芯繂T為論文第一作者，上官周平研究員為通訊作者。
草地約占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)總面積的40%，其土壤碳儲(chǔ)量占全球總量的10%-30%，植物碳儲(chǔ)量占全球的10%。全球變化背景下，其對(duì)調(diào)控全球生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有重要的作用。由于不合理的放牧或者過(guò)度放牧，導(dǎo)致全球約一半的草地面臨著不同程度的退化。放牧是影響草地生態(tài)系統(tǒng)土壤退化、土壤健康和碳匯能力的重要管理因素。草地類型、放牧強(qiáng)度和放牧持續(xù)時(shí)間均會(huì)影響草地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力，然而，這些因素如何綜合影響草地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力尚缺少系統(tǒng)的理論研究。尤其在我國(guó)，由于區(qū)域氣候、土壤等異質(zhì)性較大，使得我國(guó)草地類型多樣（主要包括荒漠、溫帶典型、草甸和高寒四個(gè)大類）。根據(jù)國(guó)土“三調(diào)”數(shù)據(jù)，我國(guó)草地面積約40億畝，約占全國(guó)國(guó)土面積的28%，由于不合理放牧等人為活動(dòng)的影響，全國(guó)70%的草地處于不同程度的退化狀況。因此，在全球變化和我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略的背景下，非常有必要進(jìn)一步研究不同類型草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力對(duì)放牧的響應(yīng)過(guò)程和機(jī)理，為草地碳匯管理提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。該研究取得如下進(jìn)展：
（1）闡明了不同類型草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng)規(guī)律。
受草地類型和放牧強(qiáng)度的制約，放牧后草地碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)“先增加后降低、基本穩(wěn)定、逐漸降低”3種變化規(guī)律?；哪菰谳p度（1-2只羊/公頃）和中度放牧（2-4只羊/公頃）強(qiáng)度下，生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分別在放牧的前3年和前2年呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，之后逐漸降低，典型草原在輕度放牧（2-4只羊/公頃）下，生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量在放牧的前4年呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；草甸草原和高寒草原植物碳儲(chǔ)量整體隨著放牧逐漸降低，草甸草原的土壤碳儲(chǔ)量在中度放牧條件下（2-4只羊/公頃）也是呈“先增加后降低”趨勢(shì)（圖2）。總體上，輕度放牧可以維持甚至增加草地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量，過(guò)度放牧?xí)档退胁莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量（包括植物、凋落物和土壤），年均減少約1.4噸/公頃，且這些碳損失需要較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)。
（2）基于碳匯管理角度，提出了適合不同草地類型的最佳放牧強(qiáng)度。對(duì)未退化的草地來(lái)說(shuō)，從碳匯功能維持或者提高的角度，輕度放牧是荒漠草原（<2羊/公頃）和典型草原（3-4羊/公頃）最好的放牧強(qiáng)度，而中等放牧強(qiáng)度是草甸草原（5-6羊/公頃）和高寒草原（7-8羊/公頃）最優(yōu)的放牧強(qiáng)度。由于現(xiàn)實(shí)中無(wú)論在何種放牧強(qiáng)度下，只要放牧持續(xù)的時(shí)間足夠長(zhǎng)，草地生態(tài)系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)退化。據(jù)此，研究發(fā)現(xiàn)短時(shí)期（≤3年）的放牧下，所有生態(tài)系統(tǒng)碳組分均不會(huì)出現(xiàn)退化現(xiàn)象，且不受放牧強(qiáng)度的影響，進(jìn)而提出3年是較為合理的輪牧周期，有利于草地碳匯功能的可持續(xù)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在高寒草原進(jìn)行非生長(zhǎng)季放牧比生長(zhǎng)季放牧更加有利于草地碳固持。
（3）揭示了草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng)理論。發(fā)現(xiàn)植物對(duì)放牧的補(bǔ)償效應(yīng)是維持草地碳匯一個(gè)的重要機(jī)制，尤其是放牧的前3年，植物碳儲(chǔ)量累積較多，之后持續(xù)放牧補(bǔ)償效應(yīng)消失。發(fā)現(xiàn)植物生產(chǎn)力降低、土壤酸化、土壤N匱乏、微生物異養(yǎng)呼吸加劇是過(guò)度放牧導(dǎo)致土壤碳匯能力降低的原因。據(jù)此，發(fā)現(xiàn)“適度干擾假說(shuō)”適合于未退化草地，若草地已經(jīng)處于退化階段，即使輕度放牧也會(huì)加劇草地進(jìn)一步退化，即符合“動(dòng)態(tài)不平衡假說(shuō)”（圖3）。植物生物量（荒漠草原）和土壤碳儲(chǔ)量（草甸草原）在輕度或中度放牧下增加，證實(shí)了“適度干擾假說(shuō)”。草地的再生與更新對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng)(即放牧優(yōu)化)取決于草地類型和放牧?xí)r間。值得注意的是，干草原（如荒漠草原）的最優(yōu)放牧強(qiáng)度低于濕草原（如草甸草原），且干草原的碳儲(chǔ)量下降速度快于濕草原。
總之，草原放牧是一把雙刃劍。一方面，適當(dāng)?shù)墓芾恚ㄝp度或中度放牧）可以維持甚至增加碳儲(chǔ)量。另一方面，人類引起的過(guò)度放牧?xí)?dǎo)致植被和土壤的迅速退化，導(dǎo)致大量的碳損失。制定草地放牧制度（即強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間）時(shí)必須考慮具體的草地特征，以確保穩(wěn)定的生產(chǎn)率和最佳的生態(tài)系統(tǒng)固碳效益?！ ?br />
研究成果得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42277471）和第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究項(xiàng)目（2019QZKK0603）等資助。
草地約占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)總面積的40%，其土壤碳儲(chǔ)量占全球總量的10%-30%，植物碳儲(chǔ)量占全球的10%。全球變化背景下，其對(duì)調(diào)控全球生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有重要的作用。由于不合理的放牧或者過(guò)度放牧，導(dǎo)致全球約一半的草地面臨著不同程度的退化。放牧是影響草地生態(tài)系統(tǒng)土壤退化、土壤健康和碳匯能力的重要管理因素。草地類型、放牧強(qiáng)度和放牧持續(xù)時(shí)間均會(huì)影響草地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力，然而，這些因素如何綜合影響草地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力尚缺少系統(tǒng)的理論研究。尤其在我國(guó)，由于區(qū)域氣候、土壤等異質(zhì)性較大，使得我國(guó)草地類型多樣（主要包括荒漠、溫帶典型、草甸和高寒四個(gè)大類）。根據(jù)國(guó)土“三調(diào)”數(shù)據(jù)，我國(guó)草地面積約40億畝，約占全國(guó)國(guó)土面積的28%，由于不合理放牧等人為活動(dòng)的影響，全國(guó)70%的草地處于不同程度的退化狀況。因此，在全球變化和我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略的背景下，非常有必要進(jìn)一步研究不同類型草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力對(duì)放牧的響應(yīng)過(guò)程和機(jī)理，為草地碳匯管理提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。該研究取得如下進(jìn)展：
（1）闡明了不同類型草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng)規(guī)律。
受草地類型和放牧強(qiáng)度的制約，放牧后草地碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)“先增加后降低、基本穩(wěn)定、逐漸降低”3種變化規(guī)律?；哪菰谳p度（1-2只羊/公頃）和中度放牧（2-4只羊/公頃）強(qiáng)度下，生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分別在放牧的前3年和前2年呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，之后逐漸降低，典型草原在輕度放牧（2-4只羊/公頃）下，生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量在放牧的前4年呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；草甸草原和高寒草原植物碳儲(chǔ)量整體隨著放牧逐漸降低，草甸草原的土壤碳儲(chǔ)量在中度放牧條件下（2-4只羊/公頃）也是呈“先增加后降低”趨勢(shì)（圖2）。總體上，輕度放牧可以維持甚至增加草地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量，過(guò)度放牧?xí)档退胁莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量（包括植物、凋落物和土壤），年均減少約1.4噸/公頃，且這些碳損失需要較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)。
（2）基于碳匯管理角度，提出了適合不同草地類型的最佳放牧強(qiáng)度。對(duì)未退化的草地來(lái)說(shuō)，從碳匯功能維持或者提高的角度，輕度放牧是荒漠草原（<2羊/公頃）和典型草原（3-4羊/公頃）最好的放牧強(qiáng)度，而中等放牧強(qiáng)度是草甸草原（5-6羊/公頃）和高寒草原（7-8羊/公頃）最優(yōu)的放牧強(qiáng)度。由于現(xiàn)實(shí)中無(wú)論在何種放牧強(qiáng)度下，只要放牧持續(xù)的時(shí)間足夠長(zhǎng)，草地生態(tài)系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)退化。據(jù)此，研究發(fā)現(xiàn)短時(shí)期（≤3年）的放牧下，所有生態(tài)系統(tǒng)碳組分均不會(huì)出現(xiàn)退化現(xiàn)象，且不受放牧強(qiáng)度的影響，進(jìn)而提出3年是較為合理的輪牧周期，有利于草地碳匯功能的可持續(xù)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在高寒草原進(jìn)行非生長(zhǎng)季放牧比生長(zhǎng)季放牧更加有利于草地碳固持。
（3）揭示了草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng)理論。發(fā)現(xiàn)植物對(duì)放牧的補(bǔ)償效應(yīng)是維持草地碳匯一個(gè)的重要機(jī)制，尤其是放牧的前3年，植物碳儲(chǔ)量累積較多，之后持續(xù)放牧補(bǔ)償效應(yīng)消失。發(fā)現(xiàn)植物生產(chǎn)力降低、土壤酸化、土壤N匱乏、微生物異養(yǎng)呼吸加劇是過(guò)度放牧導(dǎo)致土壤碳匯能力降低的原因。據(jù)此，發(fā)現(xiàn)“適度干擾假說(shuō)”適合于未退化草地，若草地已經(jīng)處于退化階段，即使輕度放牧也會(huì)加劇草地進(jìn)一步退化，即符合“動(dòng)態(tài)不平衡假說(shuō)”（圖3）。植物生物量（荒漠草原）和土壤碳儲(chǔ)量（草甸草原）在輕度或中度放牧下增加，證實(shí)了“適度干擾假說(shuō)”。草地的再生與更新對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng)(即放牧優(yōu)化)取決于草地類型和放牧?xí)r間。值得注意的是，干草原（如荒漠草原）的最優(yōu)放牧強(qiáng)度低于濕草原（如草甸草原），且干草原的碳儲(chǔ)量下降速度快于濕草原。
總之，草原放牧是一把雙刃劍。一方面，適當(dāng)?shù)墓芾恚ㄝp度或中度放牧）可以維持甚至增加碳儲(chǔ)量。另一方面，人類引起的過(guò)度放牧?xí)?dǎo)致植被和土壤的迅速退化，導(dǎo)致大量的碳損失。制定草地放牧制度（即強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間）時(shí)必須考慮具體的草地特征，以確保穩(wěn)定的生產(chǎn)率和最佳的生態(tài)系統(tǒng)固碳效益?！ ?br />
研究成果得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42277471）和第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究項(xiàng)目（2019QZKK0603）等資助。
原文鏈接↓
https://link.springer.com/article/10.1007/s44246-023-00051-7