１當前我國草地環境面臨的主要問題

　　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構的重要物質財富，是維持國家生態安全的主要陣地。當前我國草地環境面臨的問題主要表現在以下３個方面。

　　１．１草地生產力低下

　　我國草原牧草平均產量不足４５０ｋｇｈｍ－２，其中優良牧草比重不足２０％，灌叢化趨勢增加，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。而在退牧、禁牧的國家政策下，傳統自由放牧正在轉向舍飼、半舍飼，以及全年放牧到季節性放牧的轉變。因此，草地生產力低和可收獲性差就成為今后限制我國草地畜牧業發展的短板和瓶頸。另一方面，人工草地保有面積小。我國嚴格意義上的多年生人工草地的實際保有面積不足３３．３萬ｈｍ２，占全部草地面積的比例不到０．１％，造成冬季飼草儲備不足，嚴重缺乏抵御自然災害的能力。

　　１．２生態系統穩定性差

　　草地生態系統穩定性差是我國草地畜牧業面臨的另一突出問題。主要體現在：牧草產量年度波動大、生物多樣性降低、功能類群計量關系失衡和難以以草定畜。牧草產量年變化率一般在３０％～８０％，優良牧草年變化率高達６０％～１８０％。中科院內蒙古草原生態系統定位站１９７９－２０１０年監測數據分析結果顯示，封育３０年、保護最為完好的羊草（Ｌｅｙｍｕｓｃｈｉｎｅｎｓｉｓ）草原，其牧草產量年變化率也高達３６％。夏季干旱是當前影響草地生產穩定性最主要的自然災害類型。

　　１．３土壤固持能力減退

　　隨著過去１０年西部大開發“退牧還草”和“圍封轉移”戰略的實施，我國草地生態環境趨于好轉。但必須看到，這種恢復僅是植被結構與功能的部分恢復。例如，植被覆蓋度和高度有所提高，但產量依然低下，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，生態系統整體功能依然未有根本改觀。就草地生態系統功能的主體土壤系統而言，天然草地土壤貧瘠、沙化依然嚴重，地下生產力低下；土壤有機碳貯量整體沒有明顯變化，而土壤Ｎ庫則整體繼續下降，有效Ｐ養分供應明顯不足；植物根系進一步表層化，細根比重增加，死亡周轉加快。研究表明，土壤固持能力的恢復尚需要３０～５０年的時間。

２世界草地科學的新理念與新趨勢

　　占世界陸地面積５２．２％的草地生態系統是物質生產和生態服務最主要的陸地生物圈與人類活動圈，對于人類社會的生存與發展發揮著越來越大的作用。無論是現代草地生態學的發展趨勢，還是全球環境問題和中國的現實狀況，都要求草地生態學研究與草地畜牧業實踐都要在可持續性科學的大框架下繼續發展，即在可持續發展的前提下，不斷提高草地的物質生產和生態系統服務能力。人類要想獲得更廣闊的可持續發展空間，必須樹立人工生態設計和定向干預的理念，而不能一味被動地適應自然［４，５］。因此，無論是健康的、還是退化的草地生態系統，“進一步提高草地生產力，維持草地穩定性和提升草地固持能力”是當前人類社會面臨的重大科學命題。

　　２．１草地生產力調控

　　生態系統中存在著各種計量關系。例如，生命物質的化學生態計量比、土壤Ｃ／Ｎ比與機械組成比、植物根冠比、植物功能群組成比，乃至整個區域的土地利用類型比、畜牧業的草畜比等等。生態系統調控的實質就是對上述各種計量關系進行調整。當前，草地生產力調控研究的重點是：如何提高牧草的總產量？如何增加優良牧草比重？以及如何增強草地抵御自然災害的能力？長期以來，“圍欄封育，依靠自然力恢復”一直是全世界普遍采用的一種恢復退化草地和提高草地生產力的技術措施［６］。然而，越來越多的證據表明，長期封育的草地，其生產力提高的幅度不到其最大潛力的４６％，主要是由于植物萌發受到阻礙并導致植被更新困難等［７］。由于缺少動物采食，生態系統物２００質循環和自我調節功能喪失。此外，其恢復速度緩慢，容易產生火災，浪費生物量［８，９］。面對當前全球人口不斷增長和社會物質產品需求的壓力，這樣的生產力調控方式顯然是不切實際的。因此，亟待尋求高度人工設計和定向干預的草地生產力調控途徑［１０］。草地施肥的效果是毋庸置疑的，在３０ｋｇｈｍ－２的施Ｎ強度下，牧草產量通常可以提高３０％～８０％［１１］。國內外研究結果均表明，長期少量施Ｎ可以顯著增加禾本科優良牧草的比例，能夠定向調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素利用效率和響應對策［１２，１３］，以及提高優良牧草（例如羊草）的結實率。天然草地大面積施肥的可行性一直受到學術界和管理人員的高度質疑，主要是經濟上的投入－產出比和實際操作的可行性。基礎割草場的雨季施肥是一個值得研究的草地生產力調控途徑，其在冬季雪災年份發揮的作用和產生的經濟效益是顯而易見的。然而，這方面的研究在國內外都極其有限。通過淺耕翻、松土補播優良牧草，能夠顯著增加天然草地中優良牧草的比例。然而，在草地改良中其效果往往不理想，主要是由于實施的經營理念和技術細節上的問題。目前，國際上提出了適應性草地管理的科學概念［１４］，并進一步提出了將精準農業的發展思路引入到天然草地管理、退化草地恢復和草地生產力調控的實踐中［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。當前在全球變化背景下，需要對灌叢的生態系統功能重新加以認識。由于灌叢地下根系生物量大，木質素含量高，具有超強的固碳功能；另一方面，灌叢類多屬于固Ｎ植物，根系深、吸收地下深層水能力強，在嚴重干旱年份仍然能夠保持一定的地上生產力。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、半灌木種類來增強草地抵御冬季雪災的能力，特別是對于野生動物［１５］。人工和半人工草地是生產力提升的主體。在我國農牧交錯區發展人工草地、加強全年飼草儲備，可以極大地緩解天然草地應對自然災害（干旱、雪、沙塵暴）的飼草供應壓力，發展高效優質的集約化草地畜牧業［１］。通過在不同區域建立國家戰略飼草貯備基地，進行區域間、不同季節間飼草調配，能夠從根本上解決草地應對災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，其牧草生產能力能夠超過溫帶天然草原［９］。在當前科技手段和綜合國力明顯強盛的情況下，在半干旱區大規模調水工程實施的可能性越來越大。因此需要在傳統經營理念的基礎上，提出具有中國特色的創新草地發展思維。由于全球人口的激增，對食物的需求將在未來５０年翻番，這對食物生產和生態系統的服務功能將形成嚴峻挑戰［１７］。從被動適應和改善自然到主動的人工生態系統設計，是實現可持續性生物圈、增加地球承載力的必由之路［５］。通過人工設計，形成具有結構完善、功能穩定、信息完整及調控有效的生態系統，保證系統的健康運行和良好發展并不斷調整使之日臻完善［１８］。應用人工生態設計的原理與方法，進行生態－生產功能區優化布局是實現區域生態－經濟－社會協調發展的新途徑［１９］。當前的發展趨勢是通過大量的野外控制實驗，研究高度人工設計和定向干預的草地生產力調控途徑，為草地的可持續發展提供具體的研究實例，豐富其理論基礎、完善其理論框架。

　　２．２草地生態系統穩定性維持

　　生態系統穩定性主要通過對其物質生產和生態服務功能的'時間和空間格局與過程的波動程度來考察。就草地生態系統而言，主要是考察地上凈初級生產力和生物多樣性的季節變化和年度變化，以及群落之間、地域間以及區域間隨氣候和環境要素變化的波動程度和穩定性［２０］。由于物種與功能群之間存在著補償效應，乃至群落之間、地域間以及區域間通過人為調控可以形成的補償性，構成了草地的穩定性維持機制［２１］。生物多樣性對生態系統生產力及其穩定性具有正效應的機制歸納為互補效應和選擇效應，其中，互補效應包括生態位分化和互利效應［２２］；將多樣性導致穩定性機制歸結于平均效應、負協方差效應和保險效應［２３］。國內外研究均表明，草地生物多樣性導致群落的穩定性［２３～２５］。長期封育的草地將導致生物多樣性的下降［２４］。長期少量施Ｎ會導致植物豐富度的損失，使凈初級生產力的年度波動增加［１３，２６］。放牧、刈割、火燒和少量施Ｎ能夠定向調控草地生態系統的物種組成與功能類群計量關系［１１］。土壤生物多樣性是生態系統穩定性維持的根本。目前，對保持穩定性的草地地下生態學過程及其調控途徑尚不清楚，其長期被作為一個“黑箱”來對待。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的。對于土壤中Ｃ和Ｎ轉化微生物功能類群多樣性僅具有初步了解，而對于完整的土壤生物鏈、營養級構成及其多樣性特征基本上一無所知［２７，２８］。草地土壤動物在穩定性維持中的作用相當關鍵，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力、土壤有機碳貯量、養分元素庫存量、有效養分供應能力，以及防風固沙與水土保持能力等生態系統服務功能的諸多指標。植物－土壤相互作用是陸地生態系統固持力形成與保持中最重要的生態學過程。通過對植物－土壤相互作用的研究，無疑能夠深入揭示出草地生態系統固持力保持與提升的科學機理［２７］。地下生態學過程，特別是地下生產力形成機理與調控技術，是草地固持力研究的核心內容［３０，３１］。國際上一直致力于多年生、深根系、根組織木質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，試圖尋找提高根系生產力和生物現存量，以及減緩根系死亡周轉和碳素分解的調控途徑，以提高草地的固碳能力。當前，促進木質素合成基因導入的分子生物學技術正在用于草地固碳植物定向培育中。整合地上與地下生態學過程的互作機制研究是近年來生態學研究的熱點問題［３２，３３］。對于以生態固持功能為主的草地而言，人們更加希望將凈初級生產力的大部分轉移到地下，而地上維持更多的生物量。長期圍封、放牧、刈割和少量施Ｎ對于植物Ｃ素分配和根冠比的調控作用在不同草地類型、不同氣候背景下的反應十分不一致。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植物的地下生物量和延長根系壽命［３５］。植物根系對于不同管理措施的響應無疑是因種類而異的，而這方面的研究少之又少。化學計量生態學（ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ）是一門新興的生態學分支學科，主要關注在植被與土壤相互作用過程中化學元素的比例與平衡問題［３６］。目前已有工作主要是針對碳（Ｃ）、氮（Ｎ）、磷（Ｐ）３種元素，即Ｃ∶Ｎ∶Ｐ化學計量生態學進行的［３７］。因為這３種元素在生物體內含量相對較高、作用相對較大，而且Ｎ和Ｐ往往還是生物完成其生活史的限制性養分元素，也是生態系統生產力的常見限制因子［３８，３９］。通過對不同植物葉片、根系與土壤中養分元素的計量比進行考察，能夠得出一定的相關關系，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分元素計量比率的分異與一致性規律，反映出植物養分利用效率與適應對策以及土壤有效養分供應能力的差異，從而制定相應的調控策略［３８］。通過養分添加、植物物種引入或去除等不同人工干預措施，對植被生產力和固持能力導向的植被－土壤養分過程進行調控。植被－土壤間Ｃ和Ｎ的生物循環是維持草地生態系統生產力和固持力的基礎［４０］。通過植被管理、土壤調控和生物干預，使得進入土壤的Ｃ和Ｎ數量盡可能地多，減少輸出損失，延長周轉時間等無疑是增加養分固持能力的有效途徑［４１］。激發草地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；豆科牧草補播對于增加土壤的Ｎ庫貯量，增強有效Ｎ素供應是極為有效的途徑。