青藏高原草地變化與適應(yīng)性管理
青藏高原高寒草地面積約占其總面積的54-70%，有近530萬(wàn)人在這里生活，具有重要的生態(tài)-生產(chǎn)功能。由于氣候變化和人類活動(dòng)，導(dǎo)致19-60%的天然草地處于不同程度的退化狀態(tài)，包括物種組成顯著變化、生物多樣性降低、植被蓋度和生產(chǎn)力下降、土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)下降等。然而，對(duì)氣候變化（如增溫增濕、氮沉降增加等）以及人類活動(dòng)（如放牧、圍封、保護(hù)區(qū)建設(shè)、定居工程等）如何影響上述變化過程及其影響機(jī)制尚缺乏深入認(rèn)識(shí)。第二次青藏科考隊(duì)通過系統(tǒng)研究190多篇有關(guān)文獻(xiàn)，系統(tǒng)綜述了氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)高寒草地的相對(duì)影響，并提出未來(lái)需要加強(qiáng)研究的問題和方向。
遙感數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，自上世紀(jì)80年代以來(lái)，高寒草地歸一化植被指數(shù)（NDVI）和生產(chǎn)力呈顯著增加趨勢(shì)，不同階段的變化趨勢(shì)不同，如2000-2015年期間NDVI有下降趨勢(shì)但不顯著，2015-2020年NDVI顯著增加（圖1）。這種變化趨勢(shì)具有明顯的空間異質(zhì)性（圖2）。現(xiàn)有研究結(jié)果表明，青藏高原東部地區(qū)由于水熱條件較好，NDVI和生產(chǎn)力顯著增加；西部地區(qū)不同研究尚未形成一致結(jié)果，主要原因可能是不同研究者所利用的數(shù)據(jù)來(lái)源不同所致。氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)上述變化的相對(duì)貢獻(xiàn)目前尚未有一致的結(jié)果（表1）。總體上，在水熱條件較好的東部地區(qū)，人類活動(dòng)（如過度放牧）影響更大，而在西部地區(qū)氣候變化的影響更大。
圖1 青藏高原高寒草地1981-2020年NDVI的時(shí)間變化
圖2 青藏高原草地分區(qū)和增溫試驗(yàn)點(diǎn)（a）、地上與總生產(chǎn)力的關(guān)系(b)以及不同氣候帶不同時(shí)間段NDVI的變化(c)
總體而言，青藏高原呈現(xiàn)增溫增濕的變化趨勢(shì)，特別是西部地區(qū)降水變率更大，屬于非平衡系統(tǒng)。多數(shù)增溫試驗(yàn)結(jié)果表明，增溫增加了土壤溫度、降低了土壤水分含量，但沒有改變土壤的理化性質(zhì)，土壤有機(jī)碳庫(kù)保持相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)土壤中不同形態(tài)氮的影響沒有一致的結(jié)果（圖3）。另外，增溫改變了物種或功能群的組成、降低了植物多樣性，但提高了地上凈初級(jí)生產(chǎn)力；研究人員還發(fā)現(xiàn)，增溫對(duì)青藏高原沒有顯著影響甚至產(chǎn)生相反的結(jié)果，主要取決于草地類型、背景氣候、增溫幅度以及增溫誘導(dǎo)的土壤水分的變化（圖3）。
增水提高了生產(chǎn)力，減水降低了生產(chǎn)力。高寒草甸植物生長(zhǎng)對(duì)減水更敏感，主要因?yàn)樗值淖兓瘜?dǎo)致植物葉片形態(tài)、生理特征發(fā)生變化；同時(shí)，增水增加了土壤碳含量、銨態(tài)氮和總氮含量，而減水降低了土壤硝態(tài)氮和微生物氮，改變了土壤微生物結(jié)構(gòu)，但對(duì)總氮含量沒有顯著影響（圖3）。
氮沉降的增加，總體提高了植被蓋度和植物生產(chǎn)力。隨著氮沉降的增加，未來(lái)高寒草地可能會(huì)出現(xiàn)磷或鉀等營(yíng)養(yǎng)限制。氮沉降增加，顯著降低了豆科植物的比例和植物豐富度，但對(duì)地下生物量和香濃-威列多樣性指數(shù)影響不顯著（圖3）。
圖3 增溫、降水變化和氮沉降的效應(yīng)
人口增加會(huì)導(dǎo)致家畜數(shù)量增加，天然草地處于不同程度的過牧狀態(tài)，導(dǎo)致草地出現(xiàn)不同程度退化。總體上，放牧降低了地上現(xiàn)存生物量，但對(duì)地上凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響不顯著。放牧增加了植物豐富度和多樣性指數(shù)，特別是牦牛放牧提高了高寒草甸嵩草的比例、降低了禾草的比例，但綿羊放牧的影響相對(duì)較小，取決于放牧強(qiáng)度和草地類型。混群放牧可以保持相對(duì)穩(wěn)定較高的植物豐富度（圖4）。放牧對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響也取決于草地類型、放牧家畜類型、放牧強(qiáng)度和放牧模式，總體上重度放牧降低了土壤碳、氮含量；而適度放牧可以提高土壤碳、氮含量。
圖4 放牧和圍封對(duì)土壤和植物的影響
個(gè)別遙感研究結(jié)果表明，青藏高原南部對(duì)溫度更敏感，東北區(qū)對(duì)降水更敏感。就總初級(jí)生產(chǎn)力而言，東部地區(qū)主要受降水影響、西部主要受溫度控制，北部的高寒草甸對(duì)增水的敏感性高于增溫。增溫增加了抗旱的深根系植物，獲得深層土壤水分，因此增溫與水分的變化對(duì)生產(chǎn)力和植物組成的影響存在互作效應(yīng)。如在干旱條件下，增溫降低了矮嵩草蓋度，但濕潤(rùn)條件下增加了其蓋度。類似的有，增溫與氮添加、放牧等對(duì)植物蓋度和生產(chǎn)力存在互作效應(yīng)。根據(jù)結(jié)構(gòu)方程模型結(jié)果，降水對(duì)生產(chǎn)力的影響最大，其次為溫度，放牧的作用相對(duì)較小（圖5），因?yàn)榻邓淖兞宋锓N組成、降低了群落優(yōu)勢(shì)度、提高了植物多樣性。
圖5 不同因子的直接和間接作用
為了遏制草地退化，各級(jí)地方政府采取了一系列生態(tài)建設(shè)工程措施。圍封是應(yīng)用最廣、投資最少、效果較好的恢復(fù)措施，相關(guān)研究結(jié)果表明，圍封提高植物地上、地下生物量，但這種正效應(yīng)隨著海拔增加而降低，同時(shí)降低了地下與地上生物量的比例。短期圍封提高了植物多樣性，但長(zhǎng)期圍封卻降低了植物多樣性；圍封4-6年的地上生物量最大，因?yàn)楦淖兞酥参锕δ苋航Y(jié)構(gòu)的緣故，如提高禾草比例，對(duì)雜類草影響不大甚至降低了其蓋度。圍封提高了土壤碳、氮含量和土壤濕度以及銨態(tài)氮含量，但是降低了硝態(tài)氮的含量。同時(shí)，圍封提高了土壤粉粒和粘粒的含量、降低了沙粒含量和容重。
自然保護(hù)區(qū)建設(shè)和生態(tài)補(bǔ)償措施也對(duì)生物多樣性保護(hù)和生產(chǎn)力的提高產(chǎn)生了積極影響。自2011年實(shí)施的草畜平衡政策也有助于退化草地的恢復(fù)。另外，定居工程和城鎮(zhèn)化過程也對(duì)草地狀態(tài)產(chǎn)生了顯著影響，目前定居工程隊(duì)草地的影響尚沒有一致的結(jié)果，城鎮(zhèn)化影響的研究更少，如有研究表明城鎮(zhèn)化造成的公路建設(shè)其道路兩側(cè)往往會(huì)導(dǎo)致草地的退化。
盡管目前開展了大量的相關(guān)研究，但大多數(shù)研究都是基于單因子的影響，很少考慮不同因子間的互作效應(yīng)。事實(shí)上，不同因子是疊加在一起共同作用于草地生態(tài)系統(tǒng)的，因此，亟需開展不同因子間互作的控制試驗(yàn)研究，以便為遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果提供具體過程和機(jī)制解釋。特別是目前對(duì)草地退化的驅(qū)動(dòng)因子的相對(duì)作用還缺乏系統(tǒng)的長(zhǎng)期控制試驗(yàn)研究，無(wú)法準(zhǔn)確回答不同草地類型氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)草地退化的相對(duì)貢獻(xiàn)。
該成果近期發(fā)表在《自然綜述：地球與環(huán)境》。青藏高原地球系統(tǒng)與資源環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院大學(xué)王艷芬教授為該文章的第一作者，汪詩(shī)平研究員為通訊作者。該研究得到第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究項(xiàng)目（2019QZKK0304）等項(xiàng)目的支持。
文章鏈接：Grassland changes and adaptive management on the Qinghai–Tibetan Plateau. https://doi.org/10.1038/s43017-022-00330-8