当前国际草田耕作面临的威胁及采取对策

王 琦，师尚礼，曹文侠

（甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州730070）

1 草田和草田耕作的重要意义

草田定义为利用禾本科植物和其他植物发展农牧业生产，保持人类生存可持续生态经济发展，是农、林、牧三位一体的农牧业体系，同时，给人类提供运动、休闲、娱乐和竞技场所［1-2］。草田耕作制度是介于休闲制与常年耕作制之间的一种粗放耕作制，在地广人稀土地上进行的一种牧草和作物轮作、混作和间作、休闲等种植方式［3-4］。世界草地面积约占世界陆地面积（不包括冰川和河流）的54%［5］，世界约25%的人口生活在草地上或草地周围，约10%的人口依赖动物产品，约33%的动物依赖草地生活，并且这种趋势逐年上升［6］。澳大利亚草地面积约占陆地面积的60%，草地是澳大利亚最重要的生态系统［7］。草田提供人类和动物食物以及野生动物庇护场所，具有涵养水源、保护生态多样性和地貌景观、减缓气候变化和维持地区可持续发展等作用［8］。草地植物和草地上生存的动物对维持地貌特征、生态经济、畜牧业等可持续发展具有关键作用。未来人类发展主要依靠对草田概念、草田耕作管理和草田可持续发展等的理解。

2 亚洲草田耕作面临威胁及采用对策

在大部分亚洲国家，如俄罗斯和中国采用大面积固定式和机械化农牧业生产技术，部分地区草田出现不同程度退化，但蒙古国大部分地区采取游牧和少免耕等保护性耕作措施，有利于保持草田稳定性和防除杂草。草田耕作应该是用地和养地结合，实现由传统粮食/牧草2元结构向粮食/牧草/家畜养殖3元结构转化［8］。Millar和 Connell［9］研究表明新技术是提高亚洲农牧民生产能力和谋生能力的重要手段，调整牧草与农田和家畜比例，从而使其适应当地生产状况，达到扩大生产的目的，这些技术包括寻找和发现简易培养不同环境农牧民的培训模式、改革当地草田耕作制度、培养有潜力的农业技术人员、让高收益农牧民带动更多农牧民从事新技术生产、进行新技术交流和学习，研究机构和政府部门对新技术进行扶持等工作。

中国西南部（西藏、青海、内蒙古、新疆、四川和云南）草地退化严重，近些年具有加剧的趋势，通过调查显示，气候变化和人类经济发展是草地退化的主要原因。近些年，随着我国西北地区种植结构调整，草田耕作模式在我国宁夏、甘肃、陕西、内蒙、西宁等地区进行大面积推广［10-11］。通过环境综合分析法，Tony等［12］研究表明，中国西部草地面临主要问题是空气温度增加、地表温度上升、土壤表层含水量提高和污染加重等。在2014年8月拉萨举行的中科院和政府工作会上，专家们提出，从1960年至2012年，西藏人口增长300%，年降雨量提高12%，气温增加1.7～4.6°C，每10年增加0.4°C，气温增加速度是全球的2倍，同时，冰川退缩速度较快，近些年大约10%的多年冻土已经出现冻融，湖水水位上涨14%，湖水水位上涨速度是全球的2倍（图1）［13］。

家庭承包责任制（household tenure）是中国西部草地管理的主要形式，是一个不开放系统。如果中国西部草地管理将家庭承包责任制改为社团管理制（community-based management），包括集体责任制（collective tenure）和小组责任制（small group tenure），可以减少围栏等管理费用，保护放牧资源，减轻环境污染，解决草地之间纠纷等问题。解决中国西部草地退化策略如下：（1）保持家畜需草量和饲草供应量平衡；（2）提高牧草围栏放牧管理和其他管理措施（连续放牧、季节放牧、休牧等）；（3）提高家畜饲养管理，包括品种优良化、生产机械化、生产专业化、饲养科学化等；（4）进行草地病虫害和鼠害控制；（5）进行草地管理基础建设；（6）尽管技术指导和行政干预不能完全解决中国西部草地退化问题，但对解决草地退化至关重要；（7）保持草地面积、家畜数量和人口数量平衡［12］。Zhang等［14］通过4年放牧试验结果表明，中等放牧强度（550标准羊单位hm-2a-1）可以保持草地生产力和草地多样性，提高牧民经济效益，减缓温室气体排放量。适宜存栏量（400标准羊单位hm-2a-1）可以保持草地羊草（Leymus chinensis）组成和较大羊日增重。初夏休牧有利于保护草地多样性，但降低牧民收入。如果将放牧强度减少50%，可以提高草地系统生态服务功能，减少温室气体排放量，提高草地多样性和牧民收入。

图1 1960-2012年西藏人口、家畜、降雨、湖水位和解冻多年冻土的增加Fig.1 The increase in population，livestock，precipitation，lake level and thawed permafrost from 1960to 2012in Tibet（Jane Q，2014）

3 欧洲草田耕作面临威胁及采用对策

欧洲土地主要分为无耕作半自然状态草地和农耕地。无耕作半自然状态草地主要用于放牧，土地利用时间明显高于农耕地，为动植物群落提供庇护场所；农耕地主要用于种植农作物、蔬菜、经济作物等，农耕地管理主要采用精耕细作，包括灌溉、施肥、排水、耕作、播种、除草、病虫害防治等。农耕地管理引起动植物群落栖息环境碎片化、退化和消失，从而减少生物多样性、土地资源、水资源、经济效益等［15］。近些年，北欧［16］、西欧［17］、东欧［18］无耕作半自然状态草地面积明显减少。在美国，为了满足人口增加对食物和纤维产品的需求，缓解政治和经济压力，将农耕优惠政策用于农业生产［19-20］。农耕优惠政策导致大量草地和林地变为农耕地，从1920年至2009年，草地和林地数目从6×106降低到2×106。Franzluebbers［21］通过对美国东部草田调查，发现草地尤其是多年生牧草地径流量、土壤侵蚀量和土壤N、P损失量显著降低（图2）。与多年生牧草地相比，传统耕作和免耕的径流效率分别降低55%和0%，土壤侵蚀量分别降低1000% 和67%，土壤氮损失分别降低515% 和150%，土壤磷损失分别降低1200% 和350%。说明表层土壤条件对土壤水分和土壤养分循环产生显著影响，多年生牧草地具有疏松表层土壤结构和深厚枯草层，有利于降雨入渗和减少径流，从而减少土壤营养元素损失。在过去20年，欧洲大约4×106ha无耕作半自然状态草地转变为农耕地［8］。无耕作半自然状态草地是一种多元化和多功能系统，而农耕地是一种单一化和简单系统，农耕地必然引起物种资源多样性减少［22］。例如，欧洲自然或半自然状态草地栖息地改变引起约76%种鸟类数量下降［23］，从1930年至今，英国和威尔士约97%湿地草甸消失［24］。Nikolov等［25-26］于2008-2009年研究了地中海灌木覆盖度和放牧强度对鸟群落的影响，结果表明，鸟群落结构与植被连续性和土地生产力具有显著相关性，灌木的鸟丰富度明显高于草地，高密度灌木群落鸟的多样性明显高于低密度灌木群落，建议在草地种植适宜灌木群落有利于保护草地鸟（grassland birds）和农田鸟（farmland birds）的多样性和地区可持续发展。同时，研究发现，粗放化管理草地的鸟数量和鸟种类远大于废弃牧场和精细化管理牧场，鸟栖息地异质性与鸟种类之间存在显著相关性。废弃牧场增加维管植株（vascular plant）高度和中生植物（mesophyte）、阔 叶 植 物（leafy plant）和 受 威 胁 植 物（threatened species）的丰富度，放牧牧场增加物种丰度、异质性、玫瑰花结形成物种（rosette forming species）和春天开花物种（spring-flowering species）的丰富度。Vladimir等［27］通过对欧洲草地进行多年（2006-2010）调查，结果显示，半自然状态草地在欧洲分布较广，由于农业耕作优惠政策，欧洲部分国家将半自然状态草地转变为农耕地、葡萄园和果园等，使半自然状态草地面积逐年降低。Plieninger等［28］通过对欧洲农林草地进行调查，结果显示，欧洲农耕地面积增加6.8%（33ha·4.84 km2），半自然状态草地面积减少6.2%（30ha·4.84 km2）。Vladimir等［27］建议取消农耕优惠政策或把农耕优惠政策用于种草和畜牧业发展，将有利于保护欧洲天然草地面积。

图2 耕作措施对径流效率、土壤侵蚀、氮损失和磷损失的影响Fig.2 Effects of tillage methods on runoff efficiency，soil erosion，nitrogen loss and phosphorus loss（Franzluebbers and Stuedemann，2008）

4 南北美洲草田耕作面临威胁及采用对策

由于近30年国际市场对乙醇的需求，南北美洲土地大量用于连作经济作物的种植，如甘蔗（Saccharumofficinarum）等。近些年南北美洲1年生牧草和多年生牧草种植面积分别减少12%和15%，单位草地面积产奶量提高32%［29-30］。巴西是世界生产甘蔗量最大的国家，巴西甘蔗产量（6.35×1011t）约是世界甘蔗产量的33%。在巴西热带南部地区，约90%的土地用于甘蔗种植，大部分草地和农耕地用于甘蔗生产，导致肉、谷物和蔬菜产量降低［30］。在自然牧场转变为农耕生态系统过程中，森林砍伐和生物质燃烧导致CO2和其他温室气体释放［31-32］。经济作物，如甘蔗，连作种植引起土壤质量下降、水体富营养化（富含营养元素、杀虫剂、病原体等）和温室气体增加，使人类再次关注南北美洲草田耕作制度。将甘蔗连作种植改为蔬菜-牧草-甘蔗草田轮作种植，可以提供人类更多的食物和纤维产品［33］。草田耕作制度关系人类政治、管理、经济和社会等问题。Carvalho等［34］在巴西研究不同耕作制度对土壤碳和温室气体排放等影响，结果表明，将当地草地转变为农耕地，明显降低土壤碳贮存量，土壤碳损失量约为0.25～0.64Mg C·ha-1·a-1，碳释放量约为0.54～0.72Mg C·ha-1·a-1，草田轮作提高碳贮存量为0.60Mg C·ha-1·a-1。草田轮作的N2O释放量高于传统草地，与传统耕作相比，草田轮作可以减少温室气体排放［35］。Franzluebbers等［36］通过对南北美洲蔬菜-牧草-甘蔗轮作模式进行调研，发现草田轮作（如菜-牧草-甘蔗）具有以下优点：（1）提高谷物、肉和奶等的产量；（2）提高表土层土壤养分含量，尤其有机质含量，降低土壤酸性；（3）提高土壤渗透性和土壤含水量；（4）使草、粮、畜协同发展，能更好提高农牧产品质量和环境质量。

5 非洲草田耕作面临威胁及采用对策

非洲大部分草田处于热带雨林和热带草原气候地带，夏天炎热，冬天气候凉爽，年降雨量为250～750 mm，干旱季节主要出现在冬季，降雨季节主要出现在夏季。非洲大约65%草田位于干旱和半干旱地区，降雨量少和降雨量变频较大，导致非洲草田生产力低且不稳，尤其东非和北非人口密度较大，草地资源碎片化、退化和消失较为严重，可耕作土地日益缩减［37］。在东非、中非和北非，小型家庭式农牧系统占主要市场，是农作物（玉米、水稻、高粱、糜子等）生产和家畜（反刍动物和非反刍动物）养殖结合体。小型家庭式农牧系统是非洲国家农牧业发展的脊梁，给非洲提供了70%～90%的肉产品和75%的奶产品，养活70%的人口。在非洲食物安全、人类健康和家庭生计等方面，小型家庭式农牧系统扮演着重要角色［38］。非洲放牧土地和耕作土地日益缩减和奶产量需求日益增加，东非、中非和北非农场圈养饲喂（零放牧）家畜趋势日益增加。在小型家庭式农牧系统中，妇女从事大量体力劳动［38］。例如在卢旺达，超过60%家庭放牧土地和耕作土地面积小于0.7hm2，在农场圈养饲喂家畜的养殖过程中，饲料主要为象草（PennisetumpurpureumSchum）和作物秸秆等。东非和北非水资源匮乏，气候干燥，同时受海水位上涨威胁。气候变化容易使草田、家畜和水资源受到严重威胁［39］。在许多非洲国家，禾本科和豆科牧草、灌木和树枝作为动物主要饲料，为了提供更多食物，养活不断增长的人口和减缓气候变化，非洲将部分草地改用于农业耕地。较高的家畜量和落后的放牧管理（轮牧、休牧等）导致草地资源碎片化、退化和消失［40］。ElShaer［40］研究结果表明，通过以下措施可以减缓草地资源碎片化、退化和消失：（1）发展灌溉系统和少免耕耕作系统，提高土壤碳贮存量和土壤贮水量；（2）利用夏天雨季洪水，做好洪水漫灌管理；（3）引进太阳能系统，减少对自然资源的开发；（4）栽培抗干旱和抗盐碱沙生植物；（5）提倡植树造林；（6）提高草田放牧管理，促进农牧业产量和质量；（7）发展海洋生物养殖业，栽培利用太阳能和海水中的鱼类、海带和海藻等；（8）根据候鸟迁徙习性和动物栖息环境特征，恢复沙漠濒危哺乳动物数量，推广生态旅游；（9）长期监测草田资源的干旱、沙漠化和自然灾害等；（10）加强自然资源保护，使自然资源可持续发展；（11）长期使用生态控制网络；（12）利用地理信息系统（GIS），做好灌溉水和牧场管理；（13）建立长期观测试验站和区域化数据库。改变耕作措施、提高灌溉技术和方法、引进适宜家畜-饲料-作物生产系统等能够提高水分利用效率和减轻草地资源碎片化、退化和消失。

6 国际草田耕作面临共同威胁及采用对策

人口增加、气候变化、食物安全危机、水资源和能源资源短缺对国际草田资源和管理带来严峻挑战。与1980-1999年相比，21世纪末全球气温上升1.5～4℃，CO2浓度上升550～900umol·mol-1，同时伴随极端气候（干旱、洪涝、高温热浪和低温冷害）出现频率增加，环境和气候变化对国际草田耕作产生较大影响［41-42］。为了适应环境变化，草田耕作应该多播种C4植物和1年生牧草，尽量采用禾本科牧草和豆科牧草混播技术。根据气候变化，调整草田耕作模式和推动传统草地放牧业，从而提高草地生产力（食物和皮毛）和草地环保作用，缩短发展国家与发达国家草地管理水平差距，发挥基因工程在草田育种和管理中的作用。少免耕和覆盖草田耕作技术可减少温室气体排放和缓解全球气候变化。

施加化肥、除草剂、杀虫剂和杀菌剂成为世界大多数国家和地区在草田耕作中采取的主要管理措施，这些措施不仅破坏草田土壤结构，打破土壤微生物环境，而且引起土壤生产力下降、土壤干旱、盐碱化、酸化等，对人类、动物和土壤健康造成严重威胁。人类应该寻求新的草田耕作方法，该方法不会摧毁草田土壤结构和土壤环境，但能提高土地生产力和养活不断增加的人口［43-44］。

随着人类对农畜产品质量、资源高效利用和生物多样性保护等需求的提高，保护草田作用和增加草田生产不能仅限于几个发达国家或发展中国家，而应该是全球性责任。荷兰、新西兰和澳大利亚是保护草田和增加草田生产的成功典范。他们通过外在力量（培训、参观和模拟学习）和法律法规，提高了草地生产力并减少了劳动力投入。从某种程度讲，草田精耕细作导致肥料损失和温室气体排放量增加，但降低单位产品的肥料损失和温室气体排放量。草田精耕细作导致资源集中高效利用，从而有利于维护草地可持续发展。如果草田耕作离开集约化管理，资源效率利用低、生产力低、过度开发和无规律运营将对草田管理产生更大压力［45］。

7 国际草田耕作发展方向

草、粮和畜结合是荷兰、新西兰、澳大利亚和美国草田发展的成功道路，不仅达到了提高生产的目的，而且有利于保护生态环境。草、粮和畜结合具体实施措施是进行草田轮作、覆盖农作物、粮草间套作、少免耕和保护性耕作等。草田轮作可以控制病虫害和恢复土壤有机质，而土壤有机质是土壤和植物健康的重要标志。尽管秸秆覆盖和留茬覆盖产生较低经济效益，但可以减少土壤和地下水恶化，有利于农牧业发展和产生较高的经济效益。

参照国际生态系统综合评估的思路、观点和方法，草田耕作生态系统应该考虑生产力（productivity）、可持续性（sustainability）、利润（profitability）、社会福利（social wellbeing）和政治接收能力（political acceptability）。这要求紧紧围绕草田耕作生态系统的产品、服务与人类福利的关系，进行豆科牧草和禾本科牧草间作套作，达到农业生产和资源保护的目的，解决企业专业化和生产多样化之间的矛盾。今后草田耕作发展方向是更多关注社会、经济和政治等问题，而不是仅仅关注农牧业生产力和可持续发展［43-44］。关注动物福利是许多发达国家发展草田耕作的重要特征，使动物在无痛苦、无疾病、无异常行为、无心理紧张的状态下生活和生长发育。