草地生态系统承载力概念、方法及关键问题*

鄢玲艳, 孔令桥, 张 路, 欧阳志云, 胡金明

(1. 云南大学国际河流与生态安全研究院 昆明 650500; 2. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室北京 100085)

草地生态系统是以多年生草本植物为主要生产者的陆地生态系统, 是多年生耐旱、耐低温、以禾草占优势的植物群落的总称。草地是地球上分布最为广泛的陆地生态系统之一, 具有防风固沙、涵养水源、净化空气、保护生物多样性等重要的生态功能, 也在全球碳循环和气候变化方面扮演着重要的角色。中国天然草地总面积4×10hm, 占中国陆地表面的41.7%, 是中国面积最大的陆地生态系统, 其中草原占50.4%, 草甸占36.6%, 不仅是牧民群众赖以生存和发展的物质基础, 同时在维持区域生态系统稳定和高原生态屏障功能中发挥至关重要的作用。

草原是各生态系统中人口最为稀疏的区域, 同时也是生态环境最为脆弱敏感的区域, 草地生态系统对气候变化和放牧等人类活动极为敏感。过去的几十年里, 由于不合理的利用、缺乏科学的管理机制、过度放牧、气候变化等原因, 草地的合理利用受到多重压力, 出现了严重超载过牧情况, 草地呈现出不同程度退化, 草地生态系统的结构和功能发生了巨大的变化。这严重阻碍了当地社会经济的可持续发展, 威胁生态安全, 也会造成沙化面积扩大、水土流失加剧、江河源的生态环境安全受到威胁, 这引起了国内外研究者的广泛关注。

草地生态系统的健康发展与牧民的生产生活、畜牧业的发展有着十分密切的关系, 探求草畜平衡、草地资源合理利用并促进草地生态系统恢复与区域生态安全成为当前社会经济发展需要关注的重要问题。草地生态系统承载力作为评价草地生态质量和承载能力的重要指标, 在分析草地资源的利用状况、揭示草地资源利用中存在的问题、促进草地资源优化利用等方面具有十分重要的作用, 是草地保护与管理研究的热点。目前已有许多学者对此展开研究, 并取得重要进展, 但草地生态系统承载力相关研究仍存在不足, 如概念还不清晰明确、缺乏考虑多因素整合评估模型和方法。本文通过梳理和总结草地生态系统承载力的概念、评估指标和方法, 探讨了目前草地生态系统承载力概念及评估方法中存在的不足, 从理论基础、技术方法和预警机制等方面提出草地生态系统承载力研究需要解决的关键问题, 为深入研究草地生态系统稳定性、草地承载过程与承载机制、维护生态脆弱区生态安全提供科学依据, 促进草地生态系统的可持续利用和健康发展。

1 草地生态系统承载力研究进展

草地生态系统承载力反映草地生态系统的状态和承载能力大小, 其理论及研究方法已备受国内外可持续发展研究者的关注, 成为生态学、资源学和生态经济学研究的交叉前沿热点, 其评估概念框架如图1所示。基于草地生态系统平衡、人畜平衡、草畜平衡, 草地生态系统承载力包含利用和保护两方面。从保护角度看, 草地生态系统的质量、服务与功能不仅反映草地生态系统的健康程度, 对草地生态系统的利用也有反馈作用。同时, 草地资源不同程度的利用也会影响其生态系统的可持续发展, 在合理利用的前提下才能保证草地生态系统的良性循环。确定合理的承载力预警值对草地生态系统的保护和利用具有重要作用, 也为草地生态系统的协同保护提供数据支撑。

图1 草地生态系统承载力评估概念框架Fig.1 Conceptual framework for assessing the carrying capacity of grassland ecosystems

1.1 草地生态系统承载力的概念

承载力最早为物理力学中的一个物理量, 后逐渐用来描述生态系统对环境变化的承载状况。承载力包括自然资源、环境、土地、社会经济、生态等方面。从发展历程看, 承载力理论系统发生了深刻的变化, 承载对象、研究内容等已经基本梳理, 同时应用领域广泛。为了解决资源承载力中草地资源利用与超载问题, 一些学者将承载力理论引入到草原管理中, 提出草地生态系统承载力概念。草地生态系统承载力最初用于研究南北美草原地区, 指在不损害牧场情形下, 牧场所能供养的最大牲畜数量。

随着人类对草地生态系统的利用方式更加多样, 为了从人畜平衡、资源供求等角度考虑草地生态系统对人类生产生活的支持能力, 出现了以人口承载力为测算指标的草地承载力概念, 即为某一时期某一个草原区域, 在确保资源的合理开发利用和生态环境良性循环发展的条件下, 草原生态系统可持续承载的人口数量、经济强度及社会总量的能力;另一些研究认为草地生态系统承载力为不损害区域生态环境条件下, 该区域能承载的最大人口负荷。随着草地生态系统承载力相关研究越来越多, 人们更多使用载畜量衡量草地生态系统承载力, 草地生态系统承载力概念被定义为草地生态系统容纳牲畜压力的最大能力。我国《草原法》将载畜量定义为“一定放牧时期内, 一定草原面积上, 在不影响草原生产力及保证家畜正常生长发育的同时所能容纳放牧家畜的数量”。除此之外, 一些研究强调生态系统稳定性和生态功能对社会经济发展的影响, 如于慧等界定草地绿色承载力的概念为: 草地绿色承载力为在稳定维持并不断提升生态系统关键功能条件下, 维护草畜平衡、人畜平衡, 既能满足生态体验需求又能满足区域经济社会可持续发展需要的草地承载能力。

随着人们认识的深入, 草地生态系统承载力概念不断完善, 但仍缺乏较清晰、明确的概念。此外, 生态服务功能完整性也应作为评价草地生态系统承载力的重要因素。因此, 综合前人研究, 草地生态系统承载力概念可总结为: 在一定区域内, 在确保草地生态系统可持续运转和自身功能长期稳定的条件下, 草地生态系统可持续承载的牲畜数量、人口数量、经济强度及社会总量的能力。

1.2 草地生态系统承载力评价方法

生态系统承载力发展至今, 在不同研究视角下产生了一系列的评价模型与方法, 为了量化草地生态系统承载力, 诸多学者提出了直观、易操作的草地理论载畜量模型。草地理论载畜量表征在一定时期和一定草地面积上, 在适牧条件下保证家畜正常发育和生长的状态下, 能饲养放牧家畜的头数。载畜量过高会使得草地资源被过度利用, 草地发生一定程度退化, 草地生态系统承载力降低。研究者对现有的理论载畜量计算模型进行优化、改进使其更适用于研究区、更适用于实际情况。表1列出了主要的计算模型。

表1 草地理论载畜量模型Table1 Theoretical livestock capacity of grassland

续表 1

现有理论载畜量的计算模型主要基于《NY/T635—2015天然草地合理载畜量的计算》中模型的优化, 主要参数有产草量、干草量、干草折算系数、牧草利用率、放牧天数、标准羊单位日食量等, 研究多用365为放牧天数, 标准羊日食量多用1.8 kg, 其他参数由于研究区不同设置也有所不同, 具体见表1、表2。草地的产草量数据可通过实地测定获得, 但在区域尺度上数据难以获取, 局限性较大。现有区域尺度研究更多采用遥感反演生物量、草地生产力数据估算理论载畜量。

合理的牧草利用率是草地生态系统健康发展的关键, 同时牧草利用率也是确定理论载畜量的重要参数, 但学者提出牧草利用率的确定还存在很大争议。由于不同草地类型、不同地区的草地可利用率不同, 估算理论载畜量时需加以区分, 目前已有研究采用的牧草利用率数值见表2 (平均牧草利用率取整数)。确定草地利用率的方法主要有经验估计和实际测量法, 且大多数确定草地利用率的方法适用于多年生草地, 在灌丛草地和一年生草地中并不适用。中国境内不同草地类型的利用率大多参考《NY/T635—2015天然草地合理载畜量的计算》标准。

表2 不同类型草地牧草利用率Table2 Forage utilization rates of different types of grassland

1.3 草地生态系统承载力定量评估方法的不足

草地生态系统承载力作为评价草地生态质量和承载能力的重要指标, 在分析草地资源的利用状况、解决草地资源利用中存在问题等方面具有十分重要的作用。近年来, 学者们对载畜量、不同放牧方式、承载力、放牧强度和不同草地类型利用率开展了研究, 取得了不错的阶段性成果, 家畜采食量、牧草产量、放牧利用率等参数逐渐标准化。但由于放牧是一个动态过程, 相关参数的确定及计算和载畜量估算还存在争议和分歧。通过总结前人研究, 当前定量评估模型仍存在一些需要解决的问题。

1)产草量受到牧草质量、地形、地貌、土壤养分、气候、人类活动等因素影响, 不同研究区产草量差异较大。产草量虽然可通过实地测量或遥感数据估算, 但对于较大区域尺度的研究, 局部样地测量不具代表性, 遥感数据估算的精度也尚需提高。此外, 牧民在草资源不足时, 会采购草料以备草料不足时使用, 或者人工种草、打草备冬等, 在计算载畜量时应该考虑牧草占各饲料的比重, 参数确定可通过实地调查、数据统计分析等。

2)分析超载时实际载畜量折算未考虑牲畜体重、年龄大小。由于目前的统计资料尚未区分牲畜的年龄、体重, 依据牲畜折算系数折算实际载畜量时, 估算结果会存在一定的误差。

3)许多研究未考虑野生动物对草地生态系统承载力的影响。有研究表明目前大多数研究只关注产草量、牲畜采食量、放牧利用率、关键区域选择、气候影响、补饲等, 很少有人在量化载畜量时考虑野生动物牧草采食量。由于野生动物数量及食草量难统计, 现有研究很少将野生动物食用的草地资源纳入模型中计算。

4)载畜量计算模型尚未考虑不同程度病虫害率造成的牧草损失量。病虫害不仅造成草地资源损失, 也加剧草原植被的退化和土地沙化。虫类和鼠类会大量采食优良牧草, 使草地植被受到不同程度的破坏。不同研究区病虫害发生率不同, 产生的牧草损失率也大不相同, 如表3所示, 牧草损失率主要在10%～60%间波动, 估算载畜量时应结合当地实际情况采用合适的病虫害损失率。

表3 我国不同区域牧草病虫害损失率Table3 Forage pest and disease loss rates in different areas of China

5)草地生态系统承载力定量估算指标差异大, 缺乏多因素整合模型。

当前更多采用载畜量估算草地生态系统承载力并对模型加以改进和优化, 使其更适用于局地研究, 但鲜有全面综合考虑社会经济发展、人口数量、生态功能等相关指标的承载力量化模型, 缺少综合考虑多因素的整合模型。

6)草地生态系统承载力缺少完善的预测预警方法体系。

随着草地生态系统承载力研究的不断深入, 建立科学的预测预警机制是未来草地生态系统承载力发展的重要目标和热点问题。然而, 已有研究缺乏对草地生态系统承载力的预测预警及验证, 目前提出的草畜平衡指数也未能准确反映草畜平衡的空间异质性。草地生态系统承载力研究尚未建立完善的预测预警方法体系, 这是今后草地生态系统承载力研究有待解决的重要问题。

2 讨论与展望

在全球气候变化和人类活动加剧的背景下, 在已有理论基础和研究方法的基础上逐渐完善和优化草地生态系统承载力估算方法与指标体系, 科学量化草地生态系统承载能力, 深入研究草地生态系统承载过程与预测预警机制, 寻求科学有效的计算模型与验证方法, 并将草地生态系统承载力研究结果落实到主体功能规划、生态安全及可持续发展策略的制定上, 具有重要的现实意义和紧迫性。本文梳理了草地生态系统承载力概念的发展、主要研究指标和方法, 指出了目前草地生态系统承载力概念和定量评估模型中的不足, 为草地生态系统承载力概念和定量评估方法的完善提供了科学依据。基于当前研究进展, 围绕基础理论、研究方法和预测预警等方面, 草地生态系统承载力研究中需要解决的关键问题和进一步研究方向如下:

2.1 完善草地生态系统承载力研究基础理论体系

在气候变化和人类活动的多重影响下, 草地生态系统承载力概念不断发展, 在不同时期赋予了不同的涵义, 但草地生态系统承载力概念不明确、量化标准不一, 缺乏统一的科学基础, 迫切需要建立科学的基础理论体系。在现有研究基础之上, 应深入分析草地生态系统的结构、功能以及生态系统中各要素间的相互关系和作用过程对草地生态系统承载力的影响, 综合考虑生态系统服务功能、社会经济发展、人类活动、生态系统健康与可持续发展等方面, 基于生态系统与承载对象间的复杂反馈机制, 科学地定义草地生态系统承载力。基于草畜平衡和人畜平衡, 建立科学统一的集草地生态系统承载力概念内涵−量化模型−预测预警−科学管理于一体的理论体系。

2.2 完善草地生态系统承载力定量评价方法

草地生态系统承载力受众多因素影响, 构建科学系统的草地生态系统承载力计算模型是承载力量化的前提和关键。目前关于生态系统承载力的定量化研究方法较多, 但对草地生态系统承载力量化指标的深入研究较少, 定量化研究方法及评价体系还有待进一步完善。现有草地生态系统承载力计算方法的研究因针对问题不同存在各自的侧重点和片面性, 如忽略了野生动物和病虫害等因素的影响。指标的代表性与可操作性方面也还存在不足。未来, 草地生态系统承载力定量评价除了考虑牧草质量、牧草产量、家畜对牧草的转化效率、牧草利用率等外, 还可进一步考虑野生动物采食、病虫害导致的牧草损失、草地放牧情况、牧民的放牧习惯、草原管理政策等对草地生态系统承载力的影响。外来物种入侵对草地生态系统承载力的影响少有人关注, 有国外学者发现外来种入侵严重的地区载畜量下降70%, 这也是草地生态系统承载力量化过程中一个值得关注的方面。指标的选择还应结合草地自身的条件和动态特征, 综合考虑不同研究区和不同草地类型生态系统承载力的空间异质性。通过选取较全面的影响因子, 优化整合草地生态系统承载力计算模型。

2.3 加强草地生态系统承载力评价参数的全面调查和动态监测

虽然家畜采食量、牧草产量、放牧利用率等参数逐渐标准化, 但参数测定和估算上存在误差和主观性。为提升模型的科学性和普适性, 应加强草地生态系统承载力评价参数的动态监测和调查, 如加大对野生动物数量、空间分布和采食量、虫害发生面积及牧草损失量、鼠害发生面积及牧草损失量、牲畜对天然牧草的采食量等方面的全面调查与动态监测, 从而保证草地生态系统承载力评价重要参数的可获取性和精确度, 同时为模型验证提供依据。

2.4 研究草地生态系统承载力预测预警机制

在生态文明建设新形势和气候变化背景下, 科学预测草地生态系统承载力、准确量化并确定适宜社会经济发展和生态保护的草地生态系统承载阈值、建立草地生态系统预测预警机制是保护草地生态系统和促进生态脆弱区可持续发展的重要课题。未来应基于现有草地生态系统承载力理论、承载力相关预测预警模型, 综合考虑气候变化、人口、经济发展、放牧强度和草地生态系统管理措施等对草地生态系统及其生产力、草地生态系统服务功能的影响, 深入研究草地生态系统承载力预测预警模型, 同时完善草地生态系统承载力阈值确定及筛选方法, 建立较完备的草地生态系统承载力预测预警机制。