草地環(huán)境科學(xué)發(fā)展分析
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我國草地面積約4億hm2，占世界草地面積的12．5％，占國土面積的41．7％，是我國耕地面積的3倍多［3］。草地資源是我國重要的國土資源，是維持食物安全和改善膳食結(jié)構(gòu)的重要物質(zhì)財(cái)富，是維持國家生態(tài)安全的主要陣地。當(dāng)前我國草地環(huán)境面臨的問題主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。
1．1草地生產(chǎn)力低下
我國草原牧草平均產(chǎn)量不足450kg•hm－2，其中優(yōu)良牧草比重不足20％，灌叢化趨勢(shì)增加，小半灌木＋雜類草＞禾草＋豆科牧草。天然草地的家畜承載能力十分有限，飼草供給能力差，在正常氣候條件下僅能保障夏季的家畜放牧性飼草供應(yīng)。而在退牧、禁牧的國家政策下，傳統(tǒng)自由放牧正在轉(zhuǎn)向舍飼、半舍飼，以及全年放牧到季節(jié)性放牧的轉(zhuǎn)變。因此，草地生產(chǎn)力低和可收獲性差就成為今后限制我國草地畜牧業(yè)發(fā)展的短板和瓶頸。另一方面，人工草地保有面積小。我國嚴(yán)格意義上的多年生人工草地的實(shí)際保有面積不足33．3萬hm2，占全部草地面積的比例不到0．1％，造成冬季飼草儲(chǔ)備不足，嚴(yán)重缺乏抵御自然災(zāi)害的能力。
1．2生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差
草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差是我國草地畜牧業(yè)面臨的另一突出問題。主要體現(xiàn)在：牧草產(chǎn)量年度波動(dòng)大、生物多樣性降低、功能類群計(jì)量關(guān)系失衡和難以以草定畜。牧草產(chǎn)量年變化率一般在30％～80％，優(yōu)良牧草年變化率高達(dá)60％～180％。中科院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位站1979－2010年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，封育30年、保護(hù)最為完好的羊草（Leymuschinensis）草原，其牧草產(chǎn)量年變化率也高達(dá)36％。夏季干旱是當(dāng)前影響草地生產(chǎn)穩(wěn)定性最主要的自然災(zāi)害類型。
1．3土壤固持能力減退
隨著過去10年西部大開發(fā)“退牧還草”和“圍封轉(zhuǎn)移”戰(zhàn)略的實(shí)施，我國草地生態(tài)環(huán)境趨于好轉(zhuǎn)。但必須看到，這種恢復(fù)僅是植被結(jié)構(gòu)與功能的部分恢復(fù)。例如，植被覆蓋度和高度有所提高，但產(chǎn)量依然低下，以先鋒植物和一、二年生雜類草為主，而生物多樣性未有改善，生態(tài)系統(tǒng)整體功能依然未有根本改觀。就草地生態(tài)系統(tǒng)功能的主體土壤系統(tǒng)而言，天然草地土壤貧瘠、沙化依然嚴(yán)重，地下生產(chǎn)力低下；土壤有機(jī)碳貯量整體沒有明顯變化，而土壤N庫則整體繼續(xù)下降，有效P養(yǎng)分供應(yīng)明顯不足；植物根系進(jìn)一步表層化，細(xì)根比重增加，死亡周轉(zhuǎn)加快。研究表明，土壤固持能力的恢復(fù)尚需要30～50年的時(shí)間。
2世界草地科學(xué)的新理念與新趨勢(shì)
占世界陸地面積52．2％的草地生態(tài)系統(tǒng)是物質(zhì)生產(chǎn)和生態(tài)服務(wù)最主要的陸地生物圈與人類活動(dòng)圈，對(duì)于人類社會(huì)的生存與發(fā)展發(fā)揮著越來越大的作用。無論是現(xiàn)代草地生態(tài)學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，還是全球環(huán)境問題和中國的現(xiàn)實(shí)狀況，都要求草地生態(tài)學(xué)研究與草地畜牧業(yè)實(shí)踐都要在可持續(xù)性科學(xué)的大框架下繼續(xù)發(fā)展，即在可持續(xù)發(fā)展的前提下，不斷提高草地的物質(zhì)生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力。人類要想獲得更廣闊的可持續(xù)發(fā)展空間，必須樹立人工生態(tài)設(shè)計(jì)和定向干預(yù)的理念，而不能一味被動(dòng)地適應(yīng)自然［4，5］。因此，無論是健康的、還是退化的草地生態(tài)系統(tǒng)，“進(jìn)一步提高草地生產(chǎn)力，維持草地穩(wěn)定性和提升草地固持能力”是當(dāng)前人類社會(huì)面臨的重大科學(xué)命題。
2．1草地生產(chǎn)力調(diào)控
生態(tài)系統(tǒng)中存在著各種計(jì)量關(guān)系。例如，生命物質(zhì)的化學(xué)生態(tài)計(jì)量比、土壤C／N比與機(jī)械組成比、植物根冠比、植物功能群組成比，乃至整個(gè)區(qū)域的土地利用類型比、畜牧業(yè)的草畜比等等。生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控的實(shí)質(zhì)就是對(duì)上述各種計(jì)量關(guān)系進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)前，草地生產(chǎn)力調(diào)控研究的重點(diǎn)是：如何提高牧草的總產(chǎn)量？如何增加優(yōu)良牧草比重？以及如何增強(qiáng)草地抵御自然災(zāi)害的能力？長期以來，“圍欄封育，依靠自然力恢復(fù)”一直是全世界普遍采用的一種恢復(fù)退化草地和提高草地生產(chǎn)力的技術(shù)措施［6］。然而，越來越多的證據(jù)表明，長期封育的草地，其生產(chǎn)力提高的幅度不到其最大潛力的46％，主要是由于植物萌發(fā)受到阻礙并導(dǎo)致植被更新困難等［7］。由于缺少動(dòng)物采食，生態(tài)系統(tǒng)物200質(zhì)循環(huán)和自我調(diào)節(jié)功能喪失。此外，其恢復(fù)速度緩慢，容易產(chǎn)生火災(zāi)，浪費(fèi)生物量［8，9］。面對(duì)當(dāng)前全球人口不斷增長和社會(huì)物質(zhì)產(chǎn)品需求的壓力，這樣的生產(chǎn)力調(diào)控方式顯然是不切實(shí)際的。因此，亟待尋求高度人工設(shè)計(jì)和定向干預(yù)的草地生產(chǎn)力調(diào)控途徑［10］。草地施肥的效果是毋庸置疑的，在30kg•hm－2的施N強(qiáng)度下，牧草產(chǎn)量通?？梢蕴岣?0％～80％［11］。國內(nèi)外研究結(jié)果均表明，長期少量施N可以顯著增加禾本科優(yōu)良牧草的比例，能夠定向調(diào)控植物群落的植物功能群組成，主要是由于不同植物具有不同的N素利用效率和響應(yīng)對(duì)策［12，13］，以及提高優(yōu)良牧草（例如羊草）的結(jié)實(shí)率。天然草地大面積施肥的可行性一直受到學(xué)術(shù)界和管理人員的高度質(zhì)疑，主要是經(jīng)濟(jì)上的投入－產(chǎn)出比和實(shí)際操作的可行性?；A(chǔ)割草場(chǎng)的雨季施肥是一個(gè)值得研究的草地生產(chǎn)力調(diào)控途徑，其在冬季雪災(zāi)年份發(fā)揮的作用和產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的。然而，這方面的研究在國內(nèi)外都極其有限。通過淺耕翻、松土補(bǔ)播優(yōu)良牧草，能夠顯著增加天然草地中優(yōu)良牧草的比例。然而，在草地改良中其效果往往不理想，主要是由于實(shí)施的經(jīng)營理念和技術(shù)細(xì)節(jié)上的問題。目前，國際上提出了適應(yīng)性草地管理的科學(xué)概念［14］，并進(jìn)一步提出了將精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展思路引入到天然草地管理、退化草地恢復(fù)和草地生產(chǎn)力調(diào)控的實(shí)踐中［9］。長期以來，國際上一直將草地灌叢化作為草地退化或荒漠化的一種類型。當(dāng)前在全球變化背景下，需要對(duì)灌叢的生態(tài)系統(tǒng)功能重新加以認(rèn)識(shí)。由于灌叢地下根系生物量大，木質(zhì)素含量高，具有超強(qiáng)的固碳功能；另一方面，灌叢類多屬于固N(yùn)植物，根系深、吸收地下深層水能力強(qiáng)，在嚴(yán)重干旱年份仍然能夠保持一定的地上生產(chǎn)力。在冬季大雪年份，由于其地上部高大，大部分枝條能夠露出，可解決家畜的急需。在美國長期以來，一直通過保持一定比例的灌木、半灌木種類來增強(qiáng)草地抵御冬季雪災(zāi)的能力，特別是對(duì)于野生動(dòng)物［15］。人工和半人工草地是生產(chǎn)力提升的主體。在我國農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)發(fā)展人工草地、加強(qiáng)全年飼草儲(chǔ)備，可以極大地緩解天然草地應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害（干旱、雪、沙塵暴）的飼草供應(yīng)壓力，發(fā)展高效優(yōu)質(zhì)的集約化草地畜牧業(yè)［1］。通過在不同區(qū)域建立國家戰(zhàn)略飼草貯備基地，進(jìn)行區(qū)域間、不同季節(jié)間飼草調(diào)配，能夠從根本上解決草地應(yīng)對(duì)災(zāi)害氣候和全球變化的能力［16］。在灌溉、施肥、田間管理等集約措施下，其牧草生產(chǎn)能力能夠超過溫帶天然草原［9］。在當(dāng)前科技手段和綜合國力明顯強(qiáng)盛的情況下，在半干旱區(qū)大規(guī)模調(diào)水工程實(shí)施的可能性越來越大。因此需要在傳統(tǒng)經(jīng)營理念的基礎(chǔ)上，提出具有中國特色的創(chuàng)新草地發(fā)展思維。由于全球人口的激增，對(duì)食物的需求將在未來50年翻番，這對(duì)食物生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能將形成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［17］。從被動(dòng)適應(yīng)和改善自然到主動(dòng)的人工生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性生物圈、增加地球承載力的必由之路［5］。通過人工設(shè)計(jì)，形成具有結(jié)構(gòu)完善、功能穩(wěn)定、信息完整及調(diào)控有效的生態(tài)系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的健康運(yùn)行和良好發(fā)展并不斷調(diào)整使之日臻完善［18］。應(yīng)用人工生態(tài)設(shè)計(jì)的原理與方法，進(jìn)行生態(tài)－生產(chǎn)功能區(qū)優(yōu)化布局是實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)－經(jīng)濟(jì)－社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的新途徑［19］。當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)是通過大量的野外控制實(shí)驗(yàn)，研究高度人工設(shè)計(jì)和定向干預(yù)的草地生產(chǎn)力調(diào)控途徑，為草地的可持續(xù)發(fā)展提供具體的研究實(shí)例，豐富其理論基礎(chǔ)、完善其理論框架。
2．2草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性維持
生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性主要通過對(duì)其物質(zhì)生產(chǎn)和生態(tài)服務(wù)功能的時(shí)間和空間格局與過程的波動(dòng)程度來考察。就草地生態(tài)系統(tǒng)而言，主要是考察地上凈初級(jí)生產(chǎn)力和生物多樣性的季節(jié)變化和年度變化，以及群落之間、地域間以及區(qū)域間隨氣候和環(huán)境要素變化的波動(dòng)程度和穩(wěn)定性［20］。由于物種與功能群之間存在著補(bǔ)償效應(yīng)，乃至群落之間、地域間以及區(qū)域間通過人為調(diào)控可以形成的補(bǔ)償性，構(gòu)成了草地的穩(wěn)定性維持機(jī)制［21］。生物多樣性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力及其穩(wěn)定性具有正效應(yīng)的機(jī)制歸納為互補(bǔ)效應(yīng)和選擇效應(yīng)，其中，互補(bǔ)效應(yīng)包括生態(tài)位分化和互利效應(yīng)［22］；將多樣性導(dǎo)致穩(wěn)定性機(jī)制歸結(jié)于平均效應(yīng)、負(fù)協(xié)方差效應(yīng)和保險(xiǎn)效應(yīng)［23］。國內(nèi)外研究均表明，草地生物多樣性導(dǎo)致群落的穩(wěn)定性［23～25］。長期封育的草地將導(dǎo)致生物多樣性的下降［24］。長期少量施N會(huì)導(dǎo)致植物豐富度的損失，使凈初級(jí)生產(chǎn)力的年度波動(dòng)增加［13，26］。放牧、刈割、火燒和少量施N能夠定向調(diào)控草地生態(tài)系統(tǒng)的物種組成與功能類群計(jì)量關(guān)系［11］。土壤生物多樣性是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性維持的根本。目前，對(duì)保持穩(wěn)定性的草地地下生態(tài)學(xué)過程及其調(diào)控途徑尚不清楚，其長期被作為一個(gè)“黑箱”來對(duì)待。土壤中生活著大量的微生物，大約只有1％的土壤微生物是可以分離培養(yǎng)的。對(duì)于土壤中C和N轉(zhuǎn)化微生物功能類群多樣性僅具有初步了解，而對(duì)于完整的土壤生物鏈、營養(yǎng)級(jí)構(gòu)成及其多樣性特征基本上一無所知［27，28］。草地土壤動(dòng)物在穩(wěn)定性維持中的作用相當(dāng)關(guān)鍵，但這方面的研究開展極少［25，29］。
2．3草地固持力提升
草地固持力包括地下生產(chǎn)力、土壤有機(jī)碳貯量、養(yǎng)分元素庫存量、有效養(yǎng)分供應(yīng)能力，以及防風(fēng)固沙與水土保持能力等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的諸多指標(biāo)。植物－土壤相互作用是陸地生態(tài)系統(tǒng)固持力形成與保持中最重要的生態(tài)學(xué)過程。通過對(duì)植物－土壤相互作用的研究，無疑能夠深入揭示出草地生態(tài)系統(tǒng)固持力保持與提升的科學(xué)機(jī)理［27］。地下生態(tài)學(xué)過程，特別是地下生產(chǎn)力形成機(jī)理與調(diào)控技術(shù)，是草地固持力研究的核心內(nèi)容［30，31］。國際上一直致力于多年生、深根系、根組織木質(zhì)素與纖維素含量高的旱生灌木、半灌木的篩選、引入和田間管理技術(shù)，試圖尋找提高根系生產(chǎn)力和生物現(xiàn)存量，以及減緩根系死亡周轉(zhuǎn)和碳素分解的調(diào)控途徑，以提高草地的固碳能力。當(dāng)前，促進(jìn)木質(zhì)素合成基因?qū)氲姆肿由飳W(xué)技術(shù)正在用于草地固碳植物定向培育中。整合地上與地下生態(tài)學(xué)過程的互作機(jī)制研究是近年來生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題［32，33］。對(duì)于以生態(tài)固持功能為主的草地而言，人們更加希望將凈初級(jí)生產(chǎn)力的大部分轉(zhuǎn)移到地下，而地上維持更多的生物量。長期圍封、放牧、刈割和少量施N對(duì)于植物C素分配和根冠比的調(diào)控作用在不同草地類型、不同氣候背景下的反應(yīng)十分不一致。在我國溫帶草原，長期圍封和施N趨向于降低植物群落的根冠比［7］，降低植物的根系壽命［34］，向大氣釋放更多的C素。而放牧和刈割趨向于導(dǎo)致植物根系的深層化和根冠比的增加。根莖草地淺耕翻之后能夠明顯促進(jìn)植物的地下生物量和延長根系壽命［35］。植物根系對(duì)于不同管理措施的響應(yīng)無疑是因種類而異的，而這方面的研究少之又少?；瘜W(xué)計(jì)量生態(tài)學(xué)（ecologicalstoichiometry）是一門新興的生態(tài)學(xué)分支學(xué)科，主要關(guān)注在植被與土壤相互作用過程中化學(xué)元素的比例與平衡問題［36］。目前已有工作主要是針對(duì)碳（C）、氮（N）、磷（P）3種元素，即C∶N∶P化學(xué)計(jì)量生態(tài)學(xué)進(jìn)行的［37］。因?yàn)檫@3種元素在生物體內(nèi)含量相對(duì)較高、作用相對(duì)較大，而且N和P往往還是生物完成其生活史的限制性養(yǎng)分元素，也是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的常見限制因子［38，39］。通過對(duì)不同植物葉片、根系與土壤中養(yǎng)分元素的計(jì)量比進(jìn)行考察，能夠得出一定的相關(guān)關(guān)系，從而確定不同植物之間、不同功能群植物之間、地上與地下部生物量之間，以及植物與土壤之間養(yǎng)分元素計(jì)量比率的分異與一致性規(guī)律，反映出植物養(yǎng)分利用效率與適應(yīng)對(duì)策以及土壤有效養(yǎng)分供應(yīng)能力的差異，從而制定相應(yīng)的調(diào)控策略［38］。通過養(yǎng)分添加、植物物種引入或去除等不同人工干預(yù)措施，對(duì)植被生產(chǎn)力和固持能力導(dǎo)向的植被－土壤養(yǎng)分過程進(jìn)行調(diào)控。植被－土壤間C和N的生物循環(huán)是維持草地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和固持力的基礎(chǔ)［40］。通過植被管理、土壤調(diào)控和生物干預(yù)，使得進(jìn)入土壤的C和N數(shù)量盡可能地多，減少輸出損失，延長周轉(zhuǎn)時(shí)間等無疑是增加養(yǎng)分固持能力的有效途徑［41］。激發(fā)草地P的有效性能夠顯著提高植物的N素利用效率，維持草地高的生物量；豆科牧草補(bǔ)播對(duì)于增加土壤的N庫貯量，增強(qiáng)有效N素供應(yīng)是極為有效的途徑。
3新時(shí)期我國草地環(huán)境科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略
3．1草地管理的國家目標(biāo)
最近10年來，無論學(xué)術(shù)界還是決策管理人員都已經(jīng)深刻地認(rèn)識(shí)到，我國草地的畜牧業(yè)生產(chǎn)功能的重要性正在被其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能所逾越。草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能大致可區(qū)分為由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的3個(gè)層次：初級(jí)功能（防風(fēng)固沙、水土保持、土壤母質(zhì)培育）、次級(jí)功能（生物量形成、C與N固持）和高級(jí)功能（生物多樣性維持）。因此，草地管理的目標(biāo)應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)其初級(jí)功能向次級(jí)功能和高級(jí)功能的全面提升。新時(shí)期我國草地管理的國家目標(biāo)應(yīng)該定位在“生產(chǎn)力提高、穩(wěn)定性維持和固持力提升”。
3．2草地管理的技術(shù)路線與途徑
我國草地管理的總體思路是：在可持續(xù)性科學(xué)的大框架下開展設(shè)計(jì)，將精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展思路引入到草地管理的實(shí)踐中，建立“精細(xì)草業(yè)”的概念與理論體系，研發(fā)出高度人工設(shè)計(jì)和定向干預(yù)的草地調(diào)控技術(shù)，通過對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性管理，最終實(shí)現(xiàn)“生產(chǎn)力提高、穩(wěn)定性維持和固持力提升”的國家目標(biāo)。我國4億hm2草地中，可利用面積所占比例為84．3％，包括溫性草原、高寒草地、溫性荒漠、暖熱性灌草叢和草甸沼澤等5個(gè)大類18個(gè)草地類型［3］。實(shí)際可調(diào)控面積大約0．67億hm2，主要包括溫帶草原、草原化荒漠、沙地草地、高寒與低地草甸和農(nóng)牧交錯(cuò)帶人工草地等，主要基于年平均降水量（＞100mm）和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力（＞450kg•hm－2）的考慮［42］。10年內(nèi)總的發(fā)展目標(biāo)確定為“66．67萬hm2人工草地、0．067億hm2割草場(chǎng)和0．67億hm2放牧草地”生產(chǎn)力和固持力翻一番的發(fā)展目標(biāo)。
3．2．1溫帶草原
草甸草原以凈初級(jí)生產(chǎn)力提高為主要調(diào)控目標(biāo)。包括松嫩平原和呼倫貝爾草原，可調(diào)控面積0．1億hm2。通過雨季施肥、5％豆科牧草補(bǔ)播、淺耕翻和半人工草地建設(shè)，使生產(chǎn)力大幅度提高，土壤C和N素水平保持在平衡狀態(tài)。以基本割草場(chǎng)建設(shè)為主。典型草原以生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性維持為主要調(diào)控目標(biāo)。以錫林郭勒草原為主，可調(diào)控面積0．167億hm2。通過“草地斑塊定點(diǎn)修復(fù)”技術(shù)改良草地，增加植物多樣性和優(yōu)良牧草比重。在群落中保持5％的塊狀灌叢植被，在10％的低濕地雨季施肥和建立旱作多年生人工草地，保持飼草生產(chǎn)的年度穩(wěn)定性。以基本放牧場(chǎng)建設(shè)為主，草地調(diào)控采用“1／10計(jì)量調(diào)控功能置換模式”，畜牧業(yè)生產(chǎn)采取“季節(jié)畜牧業(yè)”模式?；哪菰灾脖桓采w度恢復(fù)與C、N固持力提升為主。以烏蘭察布草原為主，可調(diào)控面積0．067億hm2。通過圍欄封育、控制放牧使植被覆蓋度由40％提高到80％；10％深根系、高木質(zhì)素含量、高根冠比植物引入與定向調(diào)控，增加土壤有機(jī)質(zhì)。畜牧業(yè)以“北繁南育、南草北調(diào)”模式為主，與農(nóng)牧交錯(cuò)帶建立區(qū)域飼草補(bǔ)償機(jī)制，形成縣、鄉(xiāng)、村、戶之間的草－畜功能協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。
3．2．2農(nóng)牧交錯(cuò)帶
包括遼西平原、河北壩上、內(nèi)蒙古南部、陰山北麓。以生產(chǎn)力提高和N庫提升為主。多年生人工草地可由3．33萬hm2提高到66．67萬hm2，其中26．67萬hm2豆科集約化人工草地，產(chǎn)量達(dá)到15000kg•hm－2；旱作豆科、禾本科混播草地40萬hm2，產(chǎn)量達(dá)到7500kg•hm－2；牧草總產(chǎn)量接近溫帶草原。以奶牛飼養(yǎng)和肉牛育肥為主，“農(nóng)牧耦合、生態(tài)保育”為主要模式。
3．2．3沙地草地
降水量250～400mm地區(qū)的沙地草地，包括呼倫貝爾、科爾沁、渾善達(dá)克和毛烏素4大沙地，可調(diào)控面積近0．047億hm2。以植被覆蓋度增加和C、N固持能力提升為主，土壤有機(jī)質(zhì)培育為長期目標(biāo)。采取飛播和網(wǎng)格固沙技術(shù)使植被覆蓋度由20％提高到60％。采取沙地生態(tài)環(huán)境治理的“三分模式”和農(nóng)林草耦合的“三圈模式”。
3．2．4草原化荒漠
降水量100～150mm地區(qū)的草原化荒漠和典型荒漠，包括巴丹吉林、騰格里、烏蘭布和、庫不齊4大荒漠的部分地區(qū)，總面積近0．1億hm2。以植被重建、固C功能提升和土壤母質(zhì)培育為主，稀疏灌叢覆蓋度由5％增加到20％。我國荒漠區(qū)主要有錦雞兒屬（CaraganaFabr．）灌木、四合木（Tetraenamongolica）、梭梭（Haloxylonam－modendron）、沙冬青（Ammopiptanthusmongoli－cus）、白刺（Nitrariasibirica）、霸王（Sarcozygiumxanthoxylon）等10余種灌木、半灌木植物，旱生或超旱生，地下／地上比在4．6～14．9，主根深度可達(dá)4．5～9．6m，壽命達(dá)30～50年。木質(zhì)素含量極高，死亡周轉(zhuǎn)時(shí)間約幾百年。其地下固碳能力可達(dá)15000kg•hm－2，0．1億hm2荒漠固碳總量可達(dá)0．2Pg。
3．2．5高寒與低地草甸
低地草甸可調(diào)控面積0．067億hm2，在全國11片重點(diǎn)牧區(qū)均有分布。高寒草甸可調(diào)控面積0．067億hm2，主要分布在阿勒泰、甘南、甘孜和環(huán)湖地區(qū)。通過補(bǔ)播木本植物提高植被高度和增加豆科植物，以生產(chǎn)力改良和C、N固持能力提升為主。
3．3草地環(huán)境科學(xué)的重大問題與創(chuàng)新模式
未來10年，我國草地環(huán)境科學(xué)發(fā)展的總體思路是，定位研究、控制實(shí)驗(yàn)、樣帶觀測(cè)與網(wǎng)絡(luò)研究相結(jié)合，現(xiàn)代生態(tài)組學(xué)方法、分子生物學(xué)技術(shù)與草地適應(yīng)性管理科學(xué)相互交叉，揭示出草地生態(tài)系統(tǒng)功能調(diào)控的重大科學(xué)機(jī)理，研發(fā)出草地調(diào)控的核心技術(shù)與創(chuàng)新模式／范式，建立具有中國特色的草地生態(tài)系統(tǒng)管理新思維與新理論。
3．3．1科學(xué)問題
3．3．1．1草地植被－土壤相互作用機(jī)理
以樣帶調(diào)查與聯(lián)網(wǎng)定位研究相結(jié)合，闡明草地生態(tài)系統(tǒng)植被－土壤間的相互作用機(jī)理，揭示關(guān)鍵功能植物的地帶性空間分布格局，揭示出植物－土壤－土壤生物化學(xué)生態(tài)計(jì)量比的梯度變化規(guī)律和區(qū)域特征。主要內(nèi)容包括：①土壤微生物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫；②植物多樣性格局、植物葉性狀、根葉比和化學(xué)計(jì)量比率的大尺度格局；③土壤養(yǎng)分元素（C、N、P）的計(jì)量化學(xué)比及其地帶性規(guī)律。
3．3．1．2草地生產(chǎn)力調(diào)控與穩(wěn)定性維持機(jī)理
通過定位研究、長期野外控制實(shí)驗(yàn)與生態(tài)溫室模擬研究，揭示以提高牧草產(chǎn)量、增加優(yōu)良牧草比重和增強(qiáng)草地穩(wěn)定性為目標(biāo)的生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控機(jī)理。主要包括：①植被管理、放牧控制與土壤調(diào)控的長期生態(tài)學(xué)效應(yīng)；②物種組成與功能類群計(jì)量關(guān)系與穩(wěn)定性補(bǔ)償效應(yīng)；③關(guān)鍵土壤生物功能群界定與根系、根際（菌根）、土壤動(dòng)物間的功能協(xié)同。
3．3．1．3草地生態(tài)系統(tǒng)固持力提升機(jī)制
以控制實(shí)驗(yàn)與田間試驗(yàn)相結(jié)合，闡明地下生產(chǎn)力形成機(jī)理和土壤養(yǎng)分庫提升機(jī)制。分子生物學(xué)技術(shù)、精準(zhǔn)管理技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)出草地C、N固持力提升機(jī)制與綜合調(diào)控途徑。主要包括：①提高根系生產(chǎn)力和生物現(xiàn)存量的地下調(diào)控途徑；②植物C素分配和根冠比的調(diào)控機(jī)制；③植物根系－根際－土壤系統(tǒng)N、P轉(zhuǎn)化與生物內(nèi)循環(huán)；④土壤C∶N∶P計(jì)量關(guān)系及其有效性調(diào)控。
3．3．2關(guān)鍵技術(shù)
3．3．2．1退化草地“斑塊定點(diǎn)修復(fù)”技術(shù)
以0．5～50m2草地裸斑（gaps）為基本操作單元，主要研究：①丸衣、營養(yǎng)杯單株豆科牧草補(bǔ)播技術(shù)；②集、調(diào)、控雨水無管道滴灌技術(shù)；③土壤有機(jī)質(zhì)改土與優(yōu)良牧草植入式建植技術(shù)。
3．3．2．2天然草地大面積水肥調(diào)控技術(shù)
主要包括：①草地專用肥，包括緩釋肥、微量元素復(fù)合肥、微生物肥、有效P活化劑等；②水肥耦合與雨季施肥技術(shù)。
3．3．2．3灌木植被設(shè)計(jì)與生態(tài)功能補(bǔ)償技術(shù)
主要包括：①灌木植物種類篩選與植被建植技術(shù)；②灌木植被設(shè)計(jì)、管理與枝、葉性狀控制技術(shù)；③喬灌草生態(tài)功能補(bǔ)償方案與立體混合搭配技術(shù)。
3．3．2．4土壤C、N固持力提升的生物工程技術(shù)主要包括：①調(diào)控土壤C、N轉(zhuǎn)化的微生物－酶學(xué)工程技術(shù)；②促進(jìn)植物根冠比的內(nèi)源激素調(diào)控技術(shù)；③提高根系木質(zhì)素含量的轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)。
3．3．2．5荒漠植物規(guī)模繁育與植被重建技術(shù)
主要包括：①灌木種苗的快速繁殖技術(shù)，主要是種子育苗、枝條扦插與組織培養(yǎng)技術(shù)；②農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化與關(guān)鍵酶基因表達(dá)的荒漠植物性狀定向培育技術(shù)。
3．3．3創(chuàng)新模式
建立針對(duì)不同區(qū)域、不同草地類型的“計(jì)量生態(tài)調(diào)控模式”，開展在物種、功能群與群落水平“高度人工設(shè)計(jì)與定向干預(yù)”的草地調(diào)控和生態(tài)系統(tǒng)與區(qū)域水平的“功能補(bǔ)償性”調(diào)控試驗(yàn)示范研究，建立基于可持續(xù)性科學(xué)和政策管理層面的示范特區(qū)。精細(xì)草業(yè)的思路是：在未來草地管理與草業(yè)可持續(xù)發(fā)展的實(shí)踐中，要精心規(guī)劃技術(shù)路線，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)實(shí)施方案，精良裝備技術(shù)手段，精確調(diào)控環(huán)境要素，通過對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)管理，最終實(shí)現(xiàn)“生產(chǎn)力提高、穩(wěn)定性維持和固持力提升”的目標(biāo)。具體而言，在草地管理與調(diào)控中，要以斑塊為基本單元，以目標(biāo)物種和功能群為基本對(duì)象，對(duì)水、土、氣、生要素的調(diào)控要精準(zhǔn)集約，對(duì)地上與地下過程調(diào)控要精確定位，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能與過程要精致耦合①。生態(tài)草業(yè)示范特區(qū)建設(shè)與以往基于植被恢復(fù)重建、土地合理利用、流域水土保持等單一模式、單一目標(biāo)的試驗(yàn)示范區(qū)建設(shè)不同，是以一個(gè)完整社會(huì)經(jīng)濟(jì)單元（鄉(xiāng)、縣、自然保護(hù)區(qū)）為基本單位，進(jìn)行自然－經(jīng)濟(jì)－社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)要素的整體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)控，以促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展為最終目標(biāo)。
4我國在草地環(huán)境領(lǐng)域取得突破的機(jī)遇分析
在退化草地修復(fù)和草地功能調(diào)控的機(jī)理研究與技術(shù)研發(fā)方面，國內(nèi)開展了大量卓有成效的工作。在中國科學(xué)院“西部行動(dòng)計(jì)劃”實(shí)施的10年間，先后在內(nèi)蒙古草地、黃土高原林草交錯(cuò)區(qū)、巴丹吉林荒漠、塔里木荒漠－綠洲過渡帶、高寒草甸、渾善達(dá)克沙地等區(qū)域系統(tǒng)深入地開展了植被恢復(fù)重建、風(fēng)沙環(huán)境治理、農(nóng)牧耦合技術(shù)與適應(yīng)性管理等方面的基礎(chǔ)生態(tài)學(xué)研究，以及生態(tài)修復(fù)技術(shù)的研發(fā)與示范推廣工作，建立了一批高水平與高顯示度的試驗(yàn)示范區(qū)，先后提出了一些針對(duì)不同區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化管理模式［43］。中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)在相關(guān)區(qū)域分布有8個(gè)生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，擁有我國保護(hù)最為完好的地帶性原生植被和連續(xù)多年的環(huán)境要素長期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，初步闡明了草地生產(chǎn)力、穩(wěn)定性與生物多樣性的關(guān)系及其受人類活動(dòng)的影響。在內(nèi)蒙古草原、松嫩平原和高寒草甸6個(gè)地點(diǎn)開展了大型控制實(shí)驗(yàn)，考察N、P元素的添加和水分控制對(duì)草地生產(chǎn)力和固持力的影響，以及物種去除、刈割、放牧等對(duì)生物多樣性與穩(wěn)定性的影響［9］。中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)研究所在荒漠植物篩選、植被重建與沙地治理技術(shù)方面取得了世界領(lǐng)先的科技成果；新疆生態(tài)與地理研究所在荒漠－綠洲生態(tài)水文調(diào)控和人工植被建植技術(shù)方面已獲得多項(xiàng)發(fā)明專利；植物研究所在草地生物固氮、苜蓿（Medica－go）品種收集與轉(zhuǎn)基因改良、根系木質(zhì)素合成與調(diào)控、四合木組培快繁技術(shù)等方面的研究已經(jīng)進(jìn)入田間試驗(yàn)，生態(tài)環(huán)境研究中心在酶學(xué)工程和草地土壤N素環(huán)境調(diào)控，以及微生物所在草地土壤微生物基因庫等方面的研究均獲得較大進(jìn)展。我國應(yīng)率先提出生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控的創(chuàng)新性觀點(diǎn)，致力于將精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展思路引入到天然草地管理、退化草地恢復(fù)和草地功能調(diào)控的實(shí)踐中，建立“草地斑塊定點(diǎn)修復(fù)”的外科手術(shù)式的退化草地調(diào)控模式；系統(tǒng)研究天然草地大面積施肥的可行性和灌木物種引入的草地穩(wěn)定性維持原理與技術(shù)，研發(fā)高度人工設(shè)計(jì)和定向干預(yù)的草地生產(chǎn)力調(diào)控途徑?；谏鲜隹茖W(xué)思路開展研究，將有可能揭示出草地生態(tài)系統(tǒng)功能調(diào)控的重大科學(xué)機(jī)理，建立具有中國特色的草地生態(tài)系統(tǒng)管理新思維與新技術(shù)。
