西藏人工种草的潜在生态系统服务权衡分析

魏 甫，潘 影

(1.国家林业和草原局中南调查规划设计院，长沙 410014；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101)

1 生态系统服务权衡

人类生活依赖从生态系统中获取各种产品及服务。而人类对生态系统的利用和管理会增强某些生态系统服务，导致或伴随着其它一些生态系统服务的降低，该现象被称为生态系统服务的权衡(Trade-offs of ecosystem services)[1]。根据ME Assesment[2]的分类，生态系统服务可以分为供给服务、调节服务、文化服务及支持服务四大类。其中最常见的是供给服务与调节服务的权衡，而从经济发展角度阐述，便是生产和生态服务权衡。研究生态系统服务权衡旨在定量分析人类获取生态系统服务中的需求冲突，面向区域可持续发展，协调生态保育和经济发展。

生态系统的过程和功能决定着生态系统服务。有学者总结，生态系统服务权衡有两种机制，一是由于管理驱动因子引起多项生态系统服务的改变，导致某几项服务之间发生权衡；二是由于生态过程之间本身具有复杂联系，引起一项服务变化的生态过程耦合其他生态过程，造成其他项服务的响应，引起权衡[2]。引起生态系统服务权衡的管理驱动因子最常见的是土地利用变化，例如草地开垦成农田会导致粮食供给服务与土壤保持服务的权衡[3]，退田还湖会引起粮食供给和洪水调蓄服务的权衡[4]，退耕还林引起粮食供给与碳吸收、土壤保持等服务的权衡[5]。由于生态系统服务之间复杂联系引起的权衡涉及多个生态过程，例如碳吸收和水源涵养服务都涉及生态系统水分循环过程，因此在一定的降雨量下，尤其在干旱地区，碳吸收的增加伴随着蒸散的加强，可能会导致水源涵养服务的减少[6-7]。

西藏是青藏高原的主体部分，对我国东部、甚至亚洲以及全球的碳、水循环有着重大影响，具有重要生态安全屏障功能[8-10]。一江两河(雅鲁藏布江、拉萨河和年楚河)河谷地区是西藏人口经济发展聚集区，也是水源涵养、土壤保持等生态安全屏障功能供给的重要区域；其发展不可避免的面临着生产、生态功能的权衡和协同发展，从生态系统服务角度看，即供给服务和调节服务的权衡或协同。

2015年中央一号文件中提出 “加快发展草牧业，支持青贮玉米和苜蓿等饲草料种植，开展粮改饲和种养结合模式试点，促进粮食、经济作物、饲草料三元种植结构协调发展”[11-12]。以牧草生产为主的草业是草牧业的基础，人工种草则是发展草牧业的重要内容之一。西藏一江两河河谷地带水热条件较好，宜草地面积较大，适宜大力发展人工种草。人工种草能够大幅提高牧草产量、增强牧草供给服务。但是，这种供给服务的增强是否会引起其他调节服务的降低，即引起供给与调节服务的权衡呢？本文基于传统生态系统生态学和农业生态学理论，分析西藏河谷地带人工种草潜在的生态系统服务权衡，同时展望其研究前景。

2 耦合生态过程引起的生态系统服务权衡

西藏人工草地和天然草地相比，其牧草产量高，但需要耕作和施肥，部分地区还需灌溉。西藏林周县白朗村2013—2015年的试验表明，天然草地、围栏草地、免耕补播草地和一年生人工种植草地的地上生物量分别为34.2，69.8，62.44 g/m2和219.2 g/m2；而地上可食牧草生物量分别为21.0，52.9，57.5 g/m2和218.5 g/m2[13]。可以看出人工草地无论从牧草产量还是地上生物量上皆高于天然草地数倍。

人工草地产量的提高意味着初级生产力(GPP)的提高，而GPP的提高会导致生态系统蒸散量(ET)的增加。从全球范围内的荒漠到热带雨林生态系统，GPP和ET基本呈线性关系[14]。在降雨量较少的地区，例如黄土高原，植被生产力和蒸散量的提高导致了地表径流的减少，引起了碳吸收与水源涵养服务的权衡[7]。

人工草地产量的提高通常还伴随着植被盖度的提高，导致地表反射率(Albedo)的降低。这意味着太阳辐射能反射通量的减少，从而会导致地表温度的增加[15]。基于SPOT及AVHRR遥感影像的西藏草地归一化植被指数(NDVI)显示，从1982—2010年，西藏天然草地生长季平均NDVI从0.15增加到0.18左右[16]。如果不考虑其他因素，草地NDVI的增加有可能会导致升温。但生态系统蒸散量的增加会降低地表温度，与反射率减少的增温作用耦合在一起，共同对地表温度产生影响。通过遥感影像和气象数据的耦合研究表明，青藏高原近30年来地表植被指数的提高，同时提高了蒸散量和地表太阳辐射的吸收。综合来看，蒸散增加的降温作用大于地表太阳辐射吸收增强的增温作用，从而降低了青藏高原地表日最高温度及温差[17]。这表明，西藏草地地上生物量的提高对全球变暖具有部分抵消作用。

3 草地人为管理引起的生态系统服务权衡

3.1 翻耕引起牧草供给与碳贮存和吸收服务权衡

翻耕能够切断土壤深层的多年生杂草的繁殖根茎，也可将一年生杂草的种子翻到土壤深层，阻止其萌发。同时，翻耕能够提高土壤透气性和微生物活性，增加土壤中氮磷钾等有效养分的含量[18]。

但是翻耕会降低土壤有机碳含量，增加土壤碳排放。首先，翻耕会破坏土壤团聚体结构，根据团聚体等级理论(Aggregate hierarchy)，由矿物颗粒、细菌、真菌、植物碎屑结合形成的小团聚体，在有机粘合物的作用下形成大团聚体，在形成过程中，团聚体有机碳含量增加[18-20]，而翻耕会破坏大团聚体，形成极易降解的游离有机质颗粒，造成有机碳的损失[18]；其次，翻耕会增强土壤干湿循环，由于干燥土壤中死亡的微生物细胞会在土壤湿化过程中被水合及溶解，然后被存活的微生物代谢，而总体上说，根据博斯效应理论(Birth effects)，干燥土壤的湿化会增加了土壤微生物代谢活性，这种增强的代谢活动在数天时间内会超过保持湿润土壤的微生物代谢活动[21]，从而导致土壤有机质矿化速率的加快和土壤呼吸的增强[22-24]，通常会超过一直保持湿润土壤的呼吸强度。

生态系统碳贮存和碳吸收是两项非常重要的生态系统服务。西藏草地地上部分生物量较小，土壤有机碳是高寒草地生态系统碳储存的主要部分。西藏草地碳储量总量约在180～189 Tg，碳密度为2 308 kg/hm2，其中地下部分(地下生物量和土壤有机碳)占87%左右[25-26]，而土壤有机碳总量为82.3 Tg[27]。土壤有机碳占西藏草地地下部分碳储量的52.6%左右，占草地碳储量总量的44.5%左右。

模型研究表明，由于CO2浓度升高、降雨增多及升温等气候变化因素，2000—2009年10年间整个青藏高原由碳源变为碳汇，其净生态系统生产力(NEP)为21.8 Tg /a[9]。然而若未来气温继续增高2℃，虽然西藏草地初级生产力(NPP)约能提高9%，但会引起10%的土壤有机碳损失并排放到大气中[28]。

同样，若大面积人工种草中采用翻耕，虽然会由于牧草产量的提高增加地上生物量部分的碳吸收，但同样会引起土壤有机碳的损失与排放，引起牧草供给服务与碳固定、碳吸收服务的权衡。

3.2 翻耕引起牧草供给与土壤保持服务权衡

西藏地区由于其复杂的地质构造，土壤侵蚀分布广泛[29]，主要包括水蚀、风蚀及冻融侵蚀等。

水蚀强度主要和降雨强度、土壤物理性质如抗侵蚀度等、坡度及植被覆盖有关。翻耕会影响土壤的物理性质，影响其表层容重、孔隙度、紧实度、入渗率等。藏东横断山区的草地短期耕作造成表层土壤容重增加、砂粒含量明显增大[30]。这样会使土壤粘粒减少，团聚体稳定性降低，土壤抗蚀性降低[31]。同时，翻耕还会破坏土壤表层根系，使得根系对土壤的固结作用降低，同时降低土壤抗冲性[31]。

风蚀强度主要和风力、地表粗糙性、土壤抗蚀性等有关[32]。翻耕会破坏生物土壤结皮，极大降低土壤抗风蚀性。人工种草地一般在河谷冲积扇或冲积平原等地势较为平坦处，所以人工草地的翻耕对冻融侵蚀影响不大。

无论是侵蚀过程由风力、水力或者冻融等引起，翻耕对土壤物理结构的扰动，会极大的降低草地生态系统的土壤保持服务能力。翻耕对农田生态系统的影响已有大量研究，为了避免水土流失、碳流失等，许多学者提出了免耕等保护性耕作[33-34]。保护性耕作可以减缓土壤水分蒸发，提高播种期土壤表层水分含量55%左右[35]，提高有机质含量12%～17%，全氮12%～13%，全磷14%～18%[34]。但是现有保护性耕作实验和研究大多针对农田，利用秸秆或地膜覆盖，针对人工种草的研究仍然较少，可以进一步优化划破草皮等技术，并应用在人工种草中[36]。

3.3 施肥引起牧草供给与碳贮存和吸收服务权衡

施肥能够增加牧草产量，且能提高牧草营养品质[37-38]。施肥会增加牧草生态位的竞争能力，增加其在群落中的重要值，引起草地生物多样性的变化[39]。

施肥能够提高进入土壤的牧草枯落物和根系的生物量，从而增加土壤有机质的输入[18]。施肥还会影响土壤微生物的数量与活性。土壤微生物会产生胞外酶，将有机质分解为植物等可利用的养分；从而施肥会间接影响土壤有机质的生物降解过程[18]。根据资源分配理论(Resource allocation theory)，特定养分类型的酶在这种养分有限时活性较高；在这种养分增加时，活性会降低[40-41]。例如在磷限制的土壤中施加磷肥，会使原本较高的土壤磷酸酶活性降低[41-42]。同样，施用无机氮肥和磷肥能够通过改变土壤化学组成，例如pH值或者硝酸盐含量而改变土壤微生物群落组成，而施用钾肥影响很小[43]。长期施用无机氮肥及过量施肥会降低土壤微生物、酶活性和生物量，而施用有机肥能够提高土壤微生物的多样性及活性[44-45]。

总之，根据肥料数量和种类、施肥处理时间长短以及土壤原有肥力的差异，施肥对土壤微生物的生物量和活性影响有可能是正向、反向或者无影响[41，46]。因此从理论来看，由于土壤原本养分含量和气候环境等差异，施肥种类、数量、持续时间等不同，施肥对土壤碳固定的影响可能是正向、负向或无影响。

而有研究表明，在青藏高原高寒草地生态系统中，土壤中的氮元素可能不是限制营养因子，因此短期施加氮肥对土壤酶活性没有显著影响，而施加磷肥会抑制不稳定碳循环酶的活性(Labile-C-cycling enzymes)；从生态系统水平看，施加氮肥不会影响生态系统碳固定，而施加磷肥会抑制异养呼吸，同时会增加根系生物量，从而增加生态系统碳固定[41]。

3.4 施肥引起牧草供给与水质净化服务权衡

水质净化服务是指在生态系统中的土壤、植物以及微生物的共同作用下，污水中的污染物质被沉积、过滤、吸附、生物吸收和生化转变等，从而原有污水水质得到净化[47]。水质净化服务在湿地中研究较多[48-49]。

西藏河流众多，又是长江、黄河、澜沧江(湄公河)等的发源地[8]。然而，由于大气氮磷沉降的存在，一些沉降到地面的污染物质可能会随着雨水汇流进入河流。大气氮沉降分为干沉降和湿沉降，干沉降主要是氮化合物吸附在气溶胶和大气颗粒物上沉降到地面，湿沉降主要是随雨雪沉降[50]。两种沉降中都包含了无机态氮和有机态氮，其中无机态氮和雨水中可溶性的有机态氮可以被植物吸收利用[51-52]。西藏高寒草地每年约接收1.0～1.5 g /m2的大气氮沉降[53]，其中40%～80%为湿沉降[54-55]。西藏尤其是河谷中的天然草地可以削减流域中由大气氮沉降带来的面源污染负荷，提供一定的水质净化服务。

但是湿沉降本身存在高氮磷比的问题，会加剧土壤中养分的不平衡[54]。在天然草地开垦成人工种草地的过程中，过量或者不平衡施肥也会导致草地中氮元素饱和，无法被植物吸收，从而加剧氮元素的随地表径流的流失，导致面源污染。而选用有机肥、有机无机混合肥或者缓控释肥料等，采取测土配方等优化施肥方式，可以减少22%～46%的氮元素环境排放量[56-57]。优化播种期例如采用雨季前播种或者节水灌溉等方式，也可提高水资源利用效率[58]。因此针对人工草地开展精准施肥研究，并且在景观尺度上开展人工草地的合理空间格局研究，有助于尽量减少对水质净化服务降低的影响。

3.5 灌溉引起牧草供给与水源涵养服务权衡

水源涵养服务的定义在不同研究中有所差异，对于森林生态系统，有的研究将水土保持、径流调节和水质净化皆纳入水源涵养服务范畴[59]。本文中的水源涵养服务(Water retention)特指生态系统通过植被、土壤、枯落物等在水分循环中对水资源的保持与产流，主要通过水量平衡法，以产径流量定量[60]。

从水量平衡的公式(1)看，水源涵养服务与降雨、蒸散、入境径流量、水体、土壤中存水量和灌溉水量有关。

Rout=Rin+PPT-ET-△RW-△SW-△GW

(1)

其中：Rout为流域径流产量，即为水源涵养量；Rin为流入区域的径流量；PPT为降雨量；ET为蒸散量；△RW为河流水库中的存水量，△SW为土壤水含量，△GW为灌溉用水量。

在其它要素不变的情况下，灌溉用水量的增加会减少区域径流产量。尤其是在降水较少的年份，需要利用提灌、打井等方法提取地下水，或利用水库、塘坝等截流降雨或上游的水资源进行灌溉。这样会加剧水源涵养服务的减少，甚至导致下游水资源短缺。

4 结语

草牧业发展利国利民，人工种草也可以大幅提高地区牧草产量，而在选择人工种草占用土地、以及相应草地管理措施时，要充分考虑到其潜在的生态效应，尽量避免牧草供给服务与其他调节服务的权衡。

在西藏河谷地区人工种草中，可采用少耕免耕，优化施肥、播种、灌溉等技术，降低翻耕、施肥、灌溉引起的生态系统服务权衡。但西藏具有特殊的环境条件，例如草毡层及土壤生物结皮等的存在[61-62]，这些技术的优化和筛选还需要大量的实地实验。基于生态系统生态学和农业生态学理论，从局部地区看人工草地，饲草产量的增加的确有可能造成调节服务的下降，引发权衡。但从区域可持续发展看，可通过景观格局优化促进区域生产生态服务协调[63-64]。具体针对西藏，可在水热条件较好或者适合耕作的地带种植人工草地，提高牧草产量，可以降低其他地区天然草地的载畜压力，促进退化天然草地恢复和调节服务的提高。

本文分别从两个驱动机制，总结了人工种草潜在的生态系统服务权衡，便于在以后的研究和生产中区别对待。由耦合生态过程驱动的生态系统服务权衡一般较难通过优化管理措施避免，但由于管理驱动的权衡可以通过改良、优化管理技术进行降低、甚至扭转其权衡的关系，促进人工种草的生产生态功能协同发展。今后研究可利用样方尺度技术改良实验和景观尺度耦合过程模型，筛选和研发能够降低人工种草生态服务权衡关系的管理措施和优化技术，并重点解决如何通过优化人工草地和天然草地的景观格局和生态过程，在景观尺度降低生态系统服务权衡。