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5月4日，水土保持研究所上官周平研究員團隊，在草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯對放牧強度的響應(yīng)理論方面取得新進展,并以“Carbon in Chinese grasslands: meta-analysis and theory of grazing effects”為題發(fā)表在國際生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域綜合性期刊Carbon Research上。鄧蕾研究員為論文第一作者，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%，其土壤碳儲量占全球總量的10%-30%，植物碳儲量占全球的10%。全球變化背景下，其對調(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、放牧強度和放牧持續(xù)時間均會影響草地生態(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，由于區(qū)域氣候、土壤等異質(zhì)性較大，使得我國草地類型多樣（主要包括荒漠、溫帶典型、草甸和高寒四個大類）。根據(jù)國土“三調(diào)”數(shù)據(jù)，我國草地面積約40億畝，約占全國國土面積的28%，由于不合理放牧等人為活動的影響，全國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“雙碳”戰(zhàn)略的背景下，非常有必要進一步研究不同類型草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力對放牧的響應(yīng)過程和機理，為草地碳匯管理提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。該研究取得如下進展：
（1）闡明了不同類型草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量對放牧強度的響應(yīng)規(guī)律。
受草地類型和放牧強度的制約，放牧后草地碳儲量呈現(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）強度下，生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分別在放牧的前3年和前2年呈現(xiàn)增加趨勢，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)碳儲量在放牧的前4年呈現(xiàn)增加趨勢；草甸草原和高寒草原植物碳儲量整體隨著放牧逐漸降低，草甸草原的土壤碳儲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（圖2）?？傮w上，輕度放牧可以維持甚至增加草地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量，過度放牧會降低所有草地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量（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時間才能恢復(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度。對未退化的草地來說，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）最好的放牧強度，而中等放牧強度是草甸草原（5-6羊/公頃）和高寒草原（7-8羊/公頃）最優(yōu)的放牧強度。由于現(xiàn)實中無論在何種放牧強度下，只要放牧持續(xù)的時間足夠長，草地生態(tài)系統(tǒng)就會出現(xiàn)退化。據(jù)此，研究發(fā)現(xiàn)短時期（≤3年）的放牧下，所有生態(tài)系統(tǒng)碳組分均不會出現(xiàn)退化現(xiàn)象，且不受放牧強度的影響，進而提出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)。同時發(fā)現(xiàn)在高寒草原進行非生長季放牧比生長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)碳儲量對放牧強度的響應(yīng)理論。發(fā)現(xiàn)植物對放牧的補償效應(yīng)是維持草地碳匯一個的重要機制，尤其是放牧的前3年，植物碳儲量累積較多，之后持續(xù)放牧補償效應(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”適合于未退化草地，若草地已經(jīng)處于退化階段，即使輕度放牧也會加劇草地進一步退化，即符合“動態(tài)不平衡假說”（圖3）。植物生物量（荒漠草原）和土壤碳儲量（草甸草原）在輕度或中度放牧下增加，證實了“適度干擾假說”。草地的再生與更新對放牧強度的響應(yīng)(即放牧優(yōu)化)取決于草地類型和放牧時間。值得注意的是，干草原（如荒漠草原）的最優(yōu)放牧強度低于濕草原（如草甸草原），且干草原的碳儲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?shù)墓芾恚ㄝp度或中度放牧）可以維持甚至增加碳儲量。另一方面，人類引起的過度放牧會導(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（即強度和持續(xù)時間）時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 />
研究成果得到國家自然科學基金項目（42277471）和第二次青藏高原綜合科學考察研究項目（2019QZKK0603）等資助。
草地約占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)總面積的40%，其土壤碳儲量占全球總量的10%-30%，植物碳儲量占全球的10%。全球變化背景下，其對調(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、放牧強度和放牧持續(xù)時間均會影響草地生態(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，由于區(qū)域氣候、土壤等異質(zhì)性較大，使得我國草地類型多樣（主要包括荒漠、溫帶典型、草甸和高寒四個大類）。根據(jù)國土“三調(diào)”數(shù)據(jù)，我國草地面積約40億畝，約占全國國土面積的28%，由于不合理放牧等人為活動的影響，全國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“雙碳”戰(zhàn)略的背景下，非常有必要進一步研究不同類型草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力對放牧的響應(yīng)過程和機理，為草地碳匯管理提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。該研究取得如下進展：
（1）闡明了不同類型草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量對放牧強度的響應(yīng)規(guī)律。
受草地類型和放牧強度的制約，放牧后草地碳儲量呈現(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）強度下，生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分別在放牧的前3年和前2年呈現(xiàn)增加趨勢，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)碳儲量在放牧的前4年呈現(xiàn)增加趨勢；草甸草原和高寒草原植物碳儲量整體隨著放牧逐漸降低，草甸草原的土壤碳儲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（圖2）?？傮w上，輕度放牧可以維持甚至增加草地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量，過度放牧會降低所有草地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量（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時間才能恢復(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度。對未退化的草地來說，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）最好的放牧強度，而中等放牧強度是草甸草原（5-6羊/公頃）和高寒草原（7-8羊/公頃）最優(yōu)的放牧強度。由于現(xiàn)實中無論在何種放牧強度下，只要放牧持續(xù)的時間足夠長，草地生態(tài)系統(tǒng)就會出現(xiàn)退化。據(jù)此，研究發(fā)現(xiàn)短時期（≤3年）的放牧下，所有生態(tài)系統(tǒng)碳組分均不會出現(xiàn)退化現(xiàn)象，且不受放牧強度的影響，進而提出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)。同時發(fā)現(xiàn)在高寒草原進行非生長季放牧比生長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)碳儲量對放牧強度的響應(yīng)理論。發(fā)現(xiàn)植物對放牧的補償效應(yīng)是維持草地碳匯一個的重要機制，尤其是放牧的前3年，植物碳儲量累積較多，之后持續(xù)放牧補償效應(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”適合于未退化草地，若草地已經(jīng)處于退化階段，即使輕度放牧也會加劇草地進一步退化，即符合“動態(tài)不平衡假說”（圖3）。植物生物量（荒漠草原）和土壤碳儲量（草甸草原）在輕度或中度放牧下增加，證實了“適度干擾假說”。草地的再生與更新對放牧強度的響應(yīng)(即放牧優(yōu)化)取決于草地類型和放牧時間。值得注意的是，干草原（如荒漠草原）的最優(yōu)放牧強度低于濕草原（如草甸草原），且干草原的碳儲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?shù)墓芾恚ㄝp度或中度放牧）可以維持甚至增加碳儲量。另一方面，人類引起的過度放牧會導(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（即強度和持續(xù)時間）時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 />
研究成果得到國家自然科學基金項目（42277471）和第二次青藏高原綜合科學考察研究項目（2019QZKK0603）等資助。
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https://link.springer.com/article/10.1007/s44246-023-00051-7