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5月4日，水土保持研究所上官周平研究员团队，在草地生态系统碳汇对放牧强度的响应理论方面取得新进展,并以“Carbon in Chinese grasslands: meta-analysis and theory of grazing effects”为题发表在国际生态环境领域综合性期刊Carbon Research上。邓蕾研究员为论文第一作者，上官周平研究员为通讯作者。
草地约占全球陆地生态系统总面积的40%，其土壤碳储量占全球总量的10%-30%，植物碳储量占全球的10%。全球变化背景下，其对调控全球生态系统碳循环具有重要的作用。由于不合理的放牧或者过度放牧，导致全球约一半的草地面临着不同程度的退化。放牧是影响草地生态系统土壤退化、土壤健康和碳汇能力的重要管理因素。草地类型、放牧强度和放牧持续时间均会影响草地生态系统的碳汇能力，然而，这些因素如何综合影响草地生态系统的碳汇能力尚缺少系统的理论研究。尤其在我国，由于区域气候、土壤等异质性较大，使得我国草地类型多样（主要包括荒漠、温带典型、草甸和高寒四个大类）。根据国土“三调”数据，我国草地面积约40亿亩，约占全国国土面积的28%，由于不合理放牧等人为活动的影响，全国70%的草地处于不同程度的退化状况。因此，在全球变化和我国“双碳”战略的背景下，非常有必要进一步研究不同类型草地生态系统碳汇能力对放牧的响应过程和机理，为草地碳汇管理提供理论依据和数据支持。该研究取得如下进展：
（1）阐明了不同类型草地生态系统碳储量对放牧强度的响应规律。
受草地类型和放牧强度的制约，放牧后草地碳储量呈现“先增加后降低、基本稳定、逐渐降低”3种变化规律。荒漠草原在轻度（1-2只羊/公顷）和中度放牧（2-4只羊/公顷）强度下，生态系统碳储量分别在放牧的前3年和前2年呈现增加趋势，之后逐渐降低，典型草原在轻度放牧（2-4只羊/公顷）下，生态系统碳储量在放牧的前4年呈现增加趋势；草甸草原和高寒草原植物碳储量整体随着放牧逐渐降低，草甸草原的土壤碳储量在中度放牧条件下（2-4只羊/公顷）也是呈“先增加后降低”趋势（图2）。总体上，轻度放牧可以维持甚至增加草地生态系统的碳储量，过度放牧会降低所有草地生态系统的碳储量（包括植物、凋落物和土壤），年均减少约1.4吨/公顷，且这些碳损失需要较长时间才能恢复。
（2）基于碳汇管理角度，提出了适合不同草地类型的最佳放牧强度。对未退化的草地来说，从碳汇功能维持或者提高的角度，轻度放牧是荒漠草原（<2羊/公顷）和典型草原（3-4羊/公顷）最好的放牧强度，而中等放牧强度是草甸草原（5-6羊/公顷）和高寒草原（7-8羊/公顷）最优的放牧强度。由于现实中无论在何种放牧强度下，只要放牧持续的时间足够长，草地生态系统就会出现退化。据此，研究发现短时期（≤3年）的放牧下，所有生态系统碳组分均不会出现退化现象，且不受放牧强度的影响，进而提出3年是较为合理的轮牧周期，有利于草地碳汇功能的可持续。同时发现在高寒草原进行非生长季放牧比生长季放牧更加有利于草地碳固持。
（3）揭示了草地生态系统碳储量对放牧强度的响应理论。发现植物对放牧的补偿效应是维持草地碳汇一个的重要机制，尤其是放牧的前3年，植物碳储量累积较多，之后持续放牧补偿效应消失。发现植物生产力降低、土壤酸化、土壤N匮乏、微生物异养呼吸加剧是过度放牧导致土壤碳汇能力降低的原因。据此，发现“适度干扰假说”适合于未退化草地，若草地已经处于退化阶段，即使轻度放牧也会加剧草地进一步退化，即符合“动态不平衡假说”（图3）。植物生物量（荒漠草原）和土壤碳储量（草甸草原）在轻度或中度放牧下增加，证实了“适度干扰假说”。草地的再生与更新对放牧强度的响应(即放牧优化)取决于草地类型和放牧时间。值得注意的是，干草原（如荒漠草原）的最优放牧强度低于湿草原（如草甸草原），且干草原的碳储量下降速度快于湿草原。
总之，草原放牧是一把双刃剑。一方面，适当的管理（轻度或中度放牧）可以维持甚至增加碳储量。另一方面，人类引起的过度放牧会导致植被和土壤的迅速退化，导致大量的碳损失。制定草地放牧制度（即强度和持续时间）时必须考虑具体的草地特征，以确保稳定的生产率和最佳的生态系统固碳效益。
研究成果得到国家自然科学基金项目（42277471）和第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK0603）等资助。
草地约占全球陆地生态系统总面积的40%，其土壤碳储量占全球总量的10%-30%，植物碳储量占全球的10%。全球变化背景下，其对调控全球生态系统碳循环具有重要的作用。由于不合理的放牧或者过度放牧，导致全球约一半的草地面临着不同程度的退化。放牧是影响草地生态系统土壤退化、土壤健康和碳汇能力的重要管理因素。草地类型、放牧强度和放牧持续时间均会影响草地生态系统的碳汇能力，然而，这些因素如何综合影响草地生态系统的碳汇能力尚缺少系统的理论研究。尤其在我国，由于区域气候、土壤等异质性较大，使得我国草地类型多样（主要包括荒漠、温带典型、草甸和高寒四个大类）。根据国土“三调”数据，我国草地面积约40亿亩，约占全国国土面积的28%，由于不合理放牧等人为活动的影响，全国70%的草地处于不同程度的退化状况。因此，在全球变化和我国“双碳”战略的背景下，非常有必要进一步研究不同类型草地生态系统碳汇能力对放牧的响应过程和机理，为草地碳汇管理提供理论依据和数据支持。该研究取得如下进展：
（1）阐明了不同类型草地生态系统碳储量对放牧强度的响应规律。
受草地类型和放牧强度的制约，放牧后草地碳储量呈现“先增加后降低、基本稳定、逐渐降低”3种变化规律。荒漠草原在轻度（1-2只羊/公顷）和中度放牧（2-4只羊/公顷）强度下，生态系统碳储量分别在放牧的前3年和前2年呈现增加趋势，之后逐渐降低，典型草原在轻度放牧（2-4只羊/公顷）下，生态系统碳储量在放牧的前4年呈现增加趋势；草甸草原和高寒草原植物碳储量整体随着放牧逐渐降低，草甸草原的土壤碳储量在中度放牧条件下（2-4只羊/公顷）也是呈“先增加后降低”趋势（图2）。总体上，轻度放牧可以维持甚至增加草地生态系统的碳储量，过度放牧会降低所有草地生态系统的碳储量（包括植物、凋落物和土壤），年均减少约1.4吨/公顷，且这些碳损失需要较长时间才能恢复。
（2）基于碳汇管理角度，提出了适合不同草地类型的最佳放牧强度。对未退化的草地来说，从碳汇功能维持或者提高的角度，轻度放牧是荒漠草原（<2羊/公顷）和典型草原（3-4羊/公顷）最好的放牧强度，而中等放牧强度是草甸草原（5-6羊/公顷）和高寒草原（7-8羊/公顷）最优的放牧强度。由于现实中无论在何种放牧强度下，只要放牧持续的时间足够长，草地生态系统就会出现退化。据此，研究发现短时期（≤3年）的放牧下，所有生态系统碳组分均不会出现退化现象，且不受放牧强度的影响，进而提出3年是较为合理的轮牧周期，有利于草地碳汇功能的可持续。同时发现在高寒草原进行非生长季放牧比生长季放牧更加有利于草地碳固持。
（3）揭示了草地生态系统碳储量对放牧强度的响应理论。发现植物对放牧的补偿效应是维持草地碳汇一个的重要机制，尤其是放牧的前3年，植物碳储量累积较多，之后持续放牧补偿效应消失。发现植物生产力降低、土壤酸化、土壤N匮乏、微生物异养呼吸加剧是过度放牧导致土壤碳汇能力降低的原因。据此，发现“适度干扰假说”适合于未退化草地，若草地已经处于退化阶段，即使轻度放牧也会加剧草地进一步退化，即符合“动态不平衡假说”（图3）。植物生物量（荒漠草原）和土壤碳储量（草甸草原）在轻度或中度放牧下增加，证实了“适度干扰假说”。草地的再生与更新对放牧强度的响应(即放牧优化)取决于草地类型和放牧时间。值得注意的是，干草原（如荒漠草原）的最优放牧强度低于湿草原（如草甸草原），且干草原的碳储量下降速度快于湿草原。
总之，草原放牧是一把双刃剑。一方面，适当的管理（轻度或中度放牧）可以维持甚至增加碳储量。另一方面，人类引起的过度放牧会导致植被和土壤的迅速退化，导致大量的碳损失。制定草地放牧制度（即强度和持续时间）时必须考虑具体的草地特征，以确保稳定的生产率和最佳的生态系统固碳效益。
研究成果得到国家自然科学基金项目（42277471）和第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK0603）等资助。
原文链接↓
https://link.springer.com/article/10.1007/s44246-023-00051-7