草地環(huán)境科學(xué)發(fā)展分析
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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(jié)構(gòu)的重要物質(zhì)財富，是維持國家生態(tài)安全的主要陣地。當前我國草地環(huán)境面臨的問題主要表現(xiàn)在以下3個方面。
1．1草地生產(chǎn)力低下
我國草原牧草平均產(chǎn)量不足450kg•hm－2，其中優(yōu)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(yīng)。而在退牧、禁牧的國家政策下，傳統(tǒng)自由放牧正在轉(zhuǎn)向舍飼、半舍飼，以及全年放牧到季節(jié)性放牧的轉(zhuǎn)變。因此，草地生產(chǎn)力低和可收獲性差就成為今后限制我國草地畜牧業(yè)發(fā)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(zāi)害的能力。
1．2生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差
草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差是我國草地畜牧業(yè)面臨的另一突出問題。主要體現(xiàn)在：牧草產(chǎn)量年度波動大、生物多樣性降低、功能類群計量關(guān)系失衡和難以以草定畜。牧草產(chǎn)量年變化率一般在30％～80％，優(yōu)良牧草年變化率高達60％～180％。中科院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位站1979－2010年監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，封育30年、保護最為完好的羊草（Leymuschinensis）草原，其牧草產(chǎn)量年變化率也高達36％。夏季干旱是當前影響草地生產(chǎn)穩(wěn)定性最主要的自然災(zāi)害類型。
1．3土壤固持能力減退
隨著過去10年西部大開發(fā)“退牧還草”和“圍封轉(zhuǎn)移”戰(zhàn)略的實施，我國草地生態(tài)環(huán)境趨于好轉(zhuǎn)。但必須看到，這種恢復(fù)僅是植被結(jié)構(gòu)與功能的部分恢復(fù)。例如，植被覆蓋度和高度有所提高，但產(chǎn)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(tài)系統(tǒng)整體功能依然未有根本改觀。就草地生態(tài)系統(tǒng)功能的主體土壤系統(tǒng)而言，天然草地土壤貧瘠、沙化依然嚴重，地下生產(chǎn)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(xù)下降，有效P養(yǎng)分供應(yīng)明顯不足；植物根系進一步表層化，細根比重增加，死亡周轉(zhuǎn)加快。研究表明，土壤固持能力的恢復(fù)尚需要30～50年的時間。
2世界草地科學(xué)的新理念與新趨勢
占世界陸地面積52．2％的草地生態(tài)系統(tǒng)是物質(zhì)生產(chǎn)和生態(tài)服務(wù)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(fā)展發(fā)揮著越來越大的作用。無論是現(xiàn)代草地生態(tài)學(xué)的發(fā)展趨勢，還是全球環(huán)境問題和中國的現(xiàn)實狀況，都要求草地生態(tài)學(xué)研究與草地畜牧業(yè)實踐都要在可持續(xù)性科學(xué)的大框架下繼續(xù)發(fā)展，即在可持續(xù)發(fā)展的前提下，不斷提高草地的物質(zhì)生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力。人類要想獲得更廣闊的可持續(xù)發(fā)展空間，必須樹立人工生態(tài)設(shè)計和定向干預(yù)的理念，而不能一味被動地適應(yīng)自然［4，5］。因此，無論是健康的、還是退化的草地生態(tài)系統(tǒng)，“進一步提高草地生產(chǎn)力，維持草地穩(wěn)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(xué)命題。
2．1草地生產(chǎn)力調(diào)控
生態(tài)系統(tǒng)中存在著各種計量關(guān)系。例如，生命物質(zhì)的化學(xué)生態(tài)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(qū)域的土地利用類型比、畜牧業(yè)的草畜比等等。生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控的實質(zhì)就是對上述各種計量關(guān)系進行調(diào)整。當前，草地生產(chǎn)力調(diào)控研究的重點是：如何提高牧草的總產(chǎn)量？如何增加優(yōu)良牧草比重？以及如何增強草地抵御自然災(zāi)害的能力？長期以來，“圍欄封育，依靠自然力恢復(fù)”一直是全世界普遍采用的一種恢復(fù)退化草地和提高草地生產(chǎn)力的技術(shù)措施［6］。然而，越來越多的證據(jù)表明，長期封育的草地，其生產(chǎn)力提高的幅度不到其最大潛力的46％，主要是由于植物萌發(fā)受到阻礙并導(dǎo)致植被更新困難等［7］。由于缺少動物采食，生態(tài)系統(tǒng)物200質(zhì)循環(huán)和自我調(diào)節(jié)功能喪失。此外，其恢復(fù)速度緩慢，容易產(chǎn)生火災(zāi)，浪費生物量［8，9］。面對當前全球人口不斷增長和社會物質(zhì)產(chǎn)品需求的壓力，這樣的生產(chǎn)力調(diào)控方式顯然是不切實際的。因此，亟待尋求高度人工設(shè)計和定向干預(yù)的草地生產(chǎn)力調(diào)控途徑［10］。草地施肥的效果是毋庸置疑的，在30kg•hm－2的施N強度下，牧草產(chǎn)量通?？梢蕴岣?0％～80％［11］。國內(nèi)外研究結(jié)果均表明，長期少量施N可以顯著增加禾本科優(yōu)良牧草的比例，能夠定向調(diào)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(yīng)對策［12，13］，以及提高優(yōu)良牧草（例如羊草）的結(jié)實率。天然草地大面積施肥的可行性一直受到學(xué)術(shù)界和管理人員的高度質(zhì)疑，主要是經(jīng)濟上的投入－產(chǎn)出比和實際操作的可行性?；A(chǔ)割草場的雨季施肥是一個值得研究的草地生產(chǎn)力調(diào)控途徑，其在冬季雪災(zāi)年份發(fā)揮的作用和產(chǎn)生的經(jīng)濟效益是顯而易見的。然而，這方面的研究在國內(nèi)外都極其有限。通過淺耕翻、松土補播優(yōu)良牧草，能夠顯著增加天然草地中優(yōu)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(jīng)營理念和技術(shù)細節(jié)上的問題。目前，國際上提出了適應(yīng)性草地管理的科學(xué)概念［14］，并進一步提出了將精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展思路引入到天然草地管理、退化草地恢復(fù)和草地生產(chǎn)力調(diào)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(tài)系統(tǒng)功能重新加以認識。由于灌叢地下根系生物量大，木質(zhì)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(chǎn)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(zāi)的能力，特別是對于野生動物［15］。人工和半人工草地是生產(chǎn)力提升的主體。在我國農(nóng)牧交錯區(qū)發(fā)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(yīng)對自然災(zāi)害（干旱、雪、沙塵暴）的飼草供應(yīng)壓力，發(fā)展高效優(yōu)質(zhì)的集約化草地畜牧業(yè)［1］。通過在不同區(qū)域建立國家戰(zhàn)略飼草貯備基地，進行區(qū)域間、不同季節(jié)間飼草調(diào)配，能夠從根本上解決草地應(yīng)對災(zāi)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(chǎn)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(qū)大規(guī)模調(diào)水工程實施的可能性越來越大。因此需要在傳統(tǒng)經(jīng)營理念的基礎(chǔ)上，提出具有中國特色的創(chuàng)新草地發(fā)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(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能將形成嚴峻挑戰(zhàn)［17］。從被動適應(yīng)和改善自然到主動的人工生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計，是實現(xiàn)可持續(xù)性生物圈、增加地球承載力的必由之路［5］。通過人工設(shè)計，形成具有結(jié)構(gòu)完善、功能穩(wěn)定、信息完整及調(diào)控有效的生態(tài)系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的健康運行和良好發(fā)展并不斷調(diào)整使之日臻完善［18］。應(yīng)用人工生態(tài)設(shè)計的原理與方法，進行生態(tài)－生產(chǎn)功能區(qū)優(yōu)化布局是實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)－經(jīng)濟－社會協(xié)調(diào)發(fā)展的新途徑［19］。當前的發(fā)展趨勢是通過大量的野外控制實驗，研究高度人工設(shè)計和定向干預(yù)的草地生產(chǎn)力調(diào)控途徑，為草地的可持續(xù)發(fā)展提供具體的研究實例，豐富其理論基礎(chǔ)、完善其理論框架。
2．2草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性維持
生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性主要通過對其物質(zhì)生產(chǎn)和生態(tài)服務(wù)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(tài)系統(tǒng)而言，主要是考察地上凈初級生產(chǎn)力和生物多樣性的季節(jié)變化和年度變化，以及群落之間、地域間以及區(qū)域間隨氣候和環(huán)境要素變化的波動程度和穩(wěn)定性［20］。由于物種與功能群之間存在著補償效應(yīng)，乃至群落之間、地域間以及區(qū)域間通過人為調(diào)控可以形成的補償性，構(gòu)成了草地的穩(wěn)定性維持機制［21］。生物多樣性對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力及其穩(wěn)定性具有正效應(yīng)的機制歸納為互補效應(yīng)和選擇效應(yīng)，其中，互補效應(yīng)包括生態(tài)位分化和互利效應(yīng)［22］；將多樣性導(dǎo)致穩(wěn)定性機制歸結(jié)于平均效應(yīng)、負協(xié)方差效應(yīng)和保險效應(yīng)［23］。國內(nèi)外研究均表明，草地生物多樣性導(dǎo)致群落的穩(wěn)定性［23～25］。長期封育的草地將導(dǎo)致生物多樣性的下降［24］。長期少量施N會導(dǎo)致植物豐富度的損失，使凈初級生產(chǎn)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(diào)控草地生態(tài)系統(tǒng)的物種組成與功能類群計量關(guān)系［11］。土壤生物多樣性是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性維持的根本。目前，對保持穩(wěn)定性的草地地下生態(tài)學(xué)過程及其調(diào)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(yǎng)的。對于土壤中C和N轉(zhuǎn)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(yǎng)級構(gòu)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(wěn)定性維持中的作用相當關(guān)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(chǎn)力、土壤有機碳貯量、養(yǎng)分元素庫存量、有效養(yǎng)分供應(yīng)能力，以及防風固沙與水土保持能力等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的諸多指標。植物－土壤相互作用是陸地生態(tài)系統(tǒng)固持力形成與保持中最重要的生態(tài)學(xué)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(tài)系統(tǒng)固持力保持與提升的科學(xué)機理［27］。地下生態(tài)學(xué)過程，特別是地下生產(chǎn)力形成機理與調(diào)控技術(shù)，是草地固持力研究的核心內(nèi)容［30，31］。國際上一直致力于多年生、深根系、根組織木質(zhì)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(shù)，試圖尋找提高根系生產(chǎn)力和生物現(xiàn)存量，以及減緩根系死亡周轉(zhuǎn)和碳素分解的調(diào)控途徑，以提高草地的固碳能力。當前，促進木質(zhì)素合成基因?qū)氲姆肿由飳W(xué)技術(shù)正在用于草地固碳植物定向培育中。整合地上與地下生態(tài)學(xué)過程的互作機制研究是近年來生態(tài)學(xué)研究的熱點問題［32，33］。對于以生態(tài)固持功能為主的草地而言，人們更加希望將凈初級生產(chǎn)力的大部分轉(zhuǎn)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(diào)控作用在不同草地類型、不同氣候背景下的反應(yīng)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(dǎo)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(yīng)無疑是因種類而異的，而這方面的研究少之又少。化學(xué)計量生態(tài)學(xué)（ecologicalstoichiometry）是一門新興的生態(tài)學(xué)分支學(xué)科，主要關(guān)注在植被與土壤相互作用過程中化學(xué)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(xué)計量生態(tài)學(xué)進行的［37］。因為這3種元素在生物體內(nèi)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(yǎng)分元素，也是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)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(yǎng)分元素的計量比進行考察，能夠得出一定的相關(guān)關(guān)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(yǎng)分元素計量比率的分異與一致性規(guī)律，反映出植物養(yǎng)分利用效率與適應(yīng)對策以及土壤有效養(yǎng)分供應(yīng)能力的差異，從而制定相應(yīng)的調(diào)控策略［38］。通過養(yǎng)分添加、植物物種引入或去除等不同人工干預(yù)措施，對植被生產(chǎn)力和固持能力導(dǎo)向的植被－土壤養(yǎng)分過程進行調(diào)控。植被－土壤間C和N的生物循環(huán)是維持草地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和固持力的基礎(chǔ)［40］。通過植被管理、土壤調(diào)控和生物干預(yù)，使得進入土壤的C和N數(shù)量盡可能地多，減少輸出損失，延長周轉(zhuǎn)時間等無疑是增加養(yǎng)分固持能力的有效途徑［41］。激發(fā)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(yīng)是極為有效的途徑。
3新時期我國草地環(huán)境科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略
3．1草地管理的國家目標
最近10年來，無論學(xué)術(shù)界還是決策管理人員都已經(jīng)深刻地認識到，我國草地的畜牧業(yè)生產(chǎn)功能的重要性正在被其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能所逾越。草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能大致可區(qū)分為由簡單到復(fù)雜的3個層次：初級功能（防風固沙、水土保持、土壤母質(zhì)培育）、次級功能（生物量形成、C與N固持）和高級功能（生物多樣性維持）。因此，草地管理的目標應(yīng)該是實現(xiàn)其初級功能向次級功能和高級功能的全面提升。新時期我國草地管理的國家目標應(yīng)該定位在“生產(chǎn)力提高、穩(wěn)定性維持和固持力提升”。
3．2草地管理的技術(shù)路線與途徑
我國草地管理的總體思路是：在可持續(xù)性科學(xué)的大框架下開展設(shè)計，將精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展思路引入到草地管理的實踐中，建立“精細草業(yè)”的概念與理論體系，研發(fā)出高度人工設(shè)計和定向干預(yù)的草地調(diào)控技術(shù)，通過對草地生態(tài)系統(tǒng)進行適應(yīng)性管理，最終實現(xiàn)“生產(chǎn)力提高、穩(wěn)定性維持和固持力提升”的國家目標。我國4億hm2草地中，可利用面積所占比例為84．3％，包括溫性草原、高寒草地、溫性荒漠、暖熱性灌草叢和草甸沼澤等5個大類18個草地類型［3］。實際可調(diào)控面積大約0．67億hm2，主要包括溫帶草原、草原化荒漠、沙地草地、高寒與低地草甸和農(nóng)牧交錯帶人工草地等，主要基于年平均降水量（＞100mm）和現(xiàn)實生產(chǎn)力（＞450kg•hm－2）的考慮［42］。10年內(nèi)總的發(fā)展目標確定為“66．67萬hm2人工草地、0．067億hm2割草場和0．67億hm2放牧草地”生產(chǎn)力和固持力翻一番的發(fā)展目標。
3．2．1溫帶草原
草甸草原以凈初級生產(chǎn)力提高為主要調(diào)控目標。包括松嫩平原和呼倫貝爾草原，可調(diào)控面積0．1億hm2。通過雨季施肥、5％豆科牧草補播、淺耕翻和半人工草地建設(shè)，使生產(chǎn)力大幅度提高，土壤C和N素水平保持在平衡狀態(tài)。以基本割草場建設(shè)為主。典型草原以生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性維持為主要調(diào)控目標。以錫林郭勒草原為主，可調(diào)控面積0．167億hm2。通過“草地斑塊定點修復(fù)”技術(shù)改良草地，增加植物多樣性和優(yōu)良牧草比重。在群落中保持5％的塊狀灌叢植被，在10％的低濕地雨季施肥和建立旱作多年生人工草地，保持飼草生產(chǎn)的年度穩(wěn)定性。以基本放牧場建設(shè)為主，草地調(diào)控采用“1／10計量調(diào)控功能置換模式”，畜牧業(yè)生產(chǎn)采取“季節(jié)畜牧業(yè)”模式。荒漠草原以植被覆蓋度恢復(fù)與C、N固持力提升為主。以烏蘭察布草原為主，可調(diào)控面積0．067億hm2。通過圍欄封育、控制放牧使植被覆蓋度由40％提高到80％；10％深根系、高木質(zhì)素含量、高根冠比植物引入與定向調(diào)控，增加土壤有機質(zhì)。畜牧業(yè)以“北繁南育、南草北調(diào)”模式為主，與農(nóng)牧交錯帶建立區(qū)域飼草補償機制，形成縣、鄉(xiāng)、村、戶之間的草－畜功能協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。
3．2．2農(nóng)牧交錯帶
包括遼西平原、河北壩上、內(nèi)蒙古南部、陰山北麓。以生產(chǎn)力提高和N庫提升為主。多年生人工草地可由3．33萬hm2提高到66．67萬hm2，其中26．67萬hm2豆科集約化人工草地，產(chǎn)量達到15000kg•hm－2；旱作豆科、禾本科混播草地40萬hm2，產(chǎn)量達到7500kg•hm－2；牧草總產(chǎn)量接近溫帶草原。以奶牛飼養(yǎng)和肉牛育肥為主，“農(nóng)牧耦合、生態(tài)保育”為主要模式。
3．2．3沙地草地
降水量250～400mm地區(qū)的沙地草地，包括呼倫貝爾、科爾沁、渾善達克和毛烏素4大沙地，可調(diào)控面積近0．047億hm2。以植被覆蓋度增加和C、N固持能力提升為主，土壤有機質(zhì)培育為長期目標。采取飛播和網(wǎng)格固沙技術(shù)使植被覆蓋度由20％提高到60％。采取沙地生態(tài)環(huán)境治理的“三分模式”和農(nóng)林草耦合的“三圈模式”。
3．2．4草原化荒漠
降水量100～150mm地區(qū)的草原化荒漠和典型荒漠，包括巴丹吉林、騰格里、烏蘭布和、庫不齊4大荒漠的部分地區(qū)，總面積近0．1億hm2。以植被重建、固C功能提升和土壤母質(zhì)培育為主，稀疏灌叢覆蓋度由5％增加到20％。我國荒漠區(qū)主要有錦雞兒屬（CaraganaFabr．）灌木、四合木（Tetraenamongolica）、梭梭（Haloxylonam－modendron）、沙冬青（Ammopiptanthusmongoli－cus）、白刺（Nitrariasibirica）、霸王（Sarcozygiumxanthoxylon）等10余種灌木、半灌木植物，旱生或超旱生，地下／地上比在4．6～14．9，主根深度可達4．5～9．6m，壽命達30～50年。木質(zhì)素含量極高，死亡周轉(zhuǎn)時間約幾百年。其地下固碳能力可達15000kg•hm－2，0．1億hm2荒漠固碳總量可達0．2Pg。
3．2．5高寒與低地草甸
低地草甸可調(diào)控面積0．067億hm2，在全國11片重點牧區(qū)均有分布。高寒草甸可調(diào)控面積0．067億hm2，主要分布在阿勒泰、甘南、甘孜和環(huán)湖地區(qū)。通過補播木本植物提高植被高度和增加豆科植物，以生產(chǎn)力改良和C、N固持能力提升為主。
3．3草地環(huán)境科學(xué)的重大問題與創(chuàng)新模式
未來10年，我國草地環(huán)境科學(xué)發(fā)展的總體思路是，定位研究、控制實驗、樣帶觀測與網(wǎng)絡(luò)研究相結(jié)合，現(xiàn)代生態(tài)組學(xué)方法、分子生物學(xué)技術(shù)與草地適應(yīng)性管理科學(xué)相互交叉，揭示出草地生態(tài)系統(tǒng)功能調(diào)控的重大科學(xué)機理，研發(fā)出草地調(diào)控的核心技術(shù)與創(chuàng)新模式／范式，建立具有中國特色的草地生態(tài)系統(tǒng)管理新思維與新理論。
3．3．1科學(xué)問題
3．3．1．1草地植被－土壤相互作用機理
以樣帶調(diào)查與聯(lián)網(wǎng)定位研究相結(jié)合，闡明草地生態(tài)系統(tǒng)植被－土壤間的相互作用機理，揭示關(guān)鍵功能植物的地帶性空間分布格局，揭示出植物－土壤－土壤生物化學(xué)生態(tài)計量比的梯度變化規(guī)律和區(qū)域特征。主要內(nèi)容包括：①土壤微生物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫；②植物多樣性格局、植物葉性狀、根葉比和化學(xué)計量比率的大尺度格局；③土壤養(yǎng)分元素（C、N、P）的計量化學(xué)比及其地帶性規(guī)律。
3．3．1．2草地生產(chǎn)力調(diào)控與穩(wěn)定性維持機理
通過定位研究、長期野外控制實驗與生態(tài)溫室模擬研究，揭示以提高牧草產(chǎn)量、增加優(yōu)良牧草比重和增強草地穩(wěn)定性為目標的生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控機理。主要包括：①植被管理、放牧控制與土壤調(diào)控的長期生態(tài)學(xué)效應(yīng)；②物種組成與功能類群計量關(guān)系與穩(wěn)定性補償效應(yīng)；③關(guān)鍵土壤生物功能群界定與根系、根際（菌根）、土壤動物間的功能協(xié)同。
3．3．1．3草地生態(tài)系統(tǒng)固持力提升機制
以控制實驗與田間試驗相結(jié)合，闡明地下生產(chǎn)力形成機理和土壤養(yǎng)分庫提升機制。分子生物學(xué)技術(shù)、精準管理技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)出草地C、N固持力提升機制與綜合調(diào)控途徑。主要包括：①提高根系生產(chǎn)力和生物現(xiàn)存量的地下調(diào)控途徑；②植物C素分配和根冠比的調(diào)控機制；③植物根系－根際－土壤系統(tǒng)N、P轉(zhuǎn)化與生物內(nèi)循環(huán)；④土壤C∶N∶P計量關(guān)系及其有效性調(diào)控。
3．3．2關(guān)鍵技術(shù)
3．3．2．1退化草地“斑塊定點修復(fù)”技術(shù)
以0．5～50m2草地裸斑（gaps）為基本操作單元，主要研究：①丸衣、營養(yǎng)杯單株豆科牧草補播技術(shù)；②集、調(diào)、控雨水無管道滴灌技術(shù)；③土壤有機質(zhì)改土與優(yōu)良牧草植入式建植技術(shù)。
3．3．2．2天然草地大面積水肥調(diào)控技術(shù)
主要包括：①草地專用肥，包括緩釋肥、微量元素復(fù)合肥、微生物肥、有效P活化劑等；②水肥耦合與雨季施肥技術(shù)。
3．3．2．3灌木植被設(shè)計與生態(tài)功能補償技術(shù)
主要包括：①灌木植物種類篩選與植被建植技術(shù)；②灌木植被設(shè)計、管理與枝、葉性狀控制技術(shù)；③喬灌草生態(tài)功能補償方案與立體混合搭配技術(shù)。
3．3．2．4土壤C、N固持力提升的生物工程技術(shù)主要包括：①調(diào)控土壤C、N轉(zhuǎn)化的微生物－酶學(xué)工程技術(shù)；②促進植物根冠比的內(nèi)源激素調(diào)控技術(shù)；③提高根系木質(zhì)素含量的轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)。
3．3．2．5荒漠植物規(guī)模繁育與植被重建技術(shù)
主要包括：①灌木種苗的快速繁殖技術(shù)，主要是種子育苗、枝條扦插與組織培養(yǎng)技術(shù)；②農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化與關(guān)鍵酶基因表達的荒漠植物性狀定向培育技術(shù)。
3．3．3創(chuàng)新模式
建立針對不同區(qū)域、不同草地類型的“計量生態(tài)調(diào)控模式”，開展在物種、功能群與群落水平“高度人工設(shè)計與定向干預(yù)”的草地調(diào)控和生態(tài)系統(tǒng)與區(qū)域水平的“功能補償性”調(diào)控試驗示范研究，建立基于可持續(xù)性科學(xué)和政策管理層面的示范特區(qū)。精細草業(yè)的思路是：在未來草地管理與草業(yè)可持續(xù)發(fā)展的實踐中，要精心規(guī)劃技術(shù)路線，精準設(shè)計實施方案，精良裝備技術(shù)手段，精確調(diào)控環(huán)境要素，通過對草地生態(tài)系統(tǒng)進行精細管理，最終實現(xiàn)“生產(chǎn)力提高、穩(wěn)定性維持和固持力提升”的目標。具體而言，在草地管理與調(diào)控中，要以斑塊為基本單元，以目標物種和功能群為基本對象，對水、土、氣、生要素的調(diào)控要精準集約，對地上與地下過程調(diào)控要精確定位，對生態(tài)系統(tǒng)功能與過程要精致耦合①。生態(tài)草業(yè)示范特區(qū)建設(shè)與以往基于植被恢復(fù)重建、土地合理利用、流域水土保持等單一模式、單一目標的試驗示范區(qū)建設(shè)不同，是以一個完整社會經(jīng)濟單元（鄉(xiāng)、縣、自然保護區(qū)）為基本單位，進行自然－經(jīng)濟－社會復(fù)合系統(tǒng)要素的整體設(shè)計與系統(tǒng)調(diào)控，以促進社會可持續(xù)發(fā)展為最終目標。
4我國在草地環(huán)境領(lǐng)域取得突破的機遇分析
在退化草地修復(fù)和草地功能調(diào)控的機理研究與技術(shù)研發(fā)方面，國內(nèi)開展了大量卓有成效的工作。在中國科學(xué)院“西部行動計劃”實施的10年間，先后在內(nèi)蒙古草地、黃土高原林草交錯區(qū)、巴丹吉林荒漠、塔里木荒漠－綠洲過渡帶、高寒草甸、渾善達克沙地等區(qū)域系統(tǒng)深入地開展了植被恢復(fù)重建、風沙環(huán)境治理、農(nóng)牧耦合技術(shù)與適應(yīng)性管理等方面的基礎(chǔ)生態(tài)學(xué)研究，以及生態(tài)修復(fù)技術(shù)的研發(fā)與示范推廣工作，建立了一批高水平與高顯示度的試驗示范區(qū)，先后提出了一些針對不同區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化管理模式［43］。中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)在相關(guān)區(qū)域分布有8個生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，擁有我國保護最為完好的地帶性原生植被和連續(xù)多年的環(huán)境要素長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，初步闡明了草地生產(chǎn)力、穩(wěn)定性與生物多樣性的關(guān)系及其受人類活動的影響。在內(nèi)蒙古草原、松嫩平原和高寒草甸6個地點開展了大型控制實驗，考察N、P元素的添加和水分控制對草地生產(chǎn)力和固持力的影響，以及物種去除、刈割、放牧等對生物多樣性與穩(wěn)定性的影響［9］。中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)研究所在荒漠植物篩選、植被重建與沙地治理技術(shù)方面取得了世界領(lǐng)先的科技成果；新疆生態(tài)與地理研究所在荒漠－綠洲生態(tài)水文調(diào)控和人工植被建植技術(shù)方面已獲得多項發(fā)明專利；植物研究所在草地生物固氮、苜蓿（Medica－go）品種收集與轉(zhuǎn)基因改良、根系木質(zhì)素合成與調(diào)控、四合木組培快繁技術(shù)等方面的研究已經(jīng)進入田間試驗，生態(tài)環(huán)境研究中心在酶學(xué)工程和草地土壤N素環(huán)境調(diào)控，以及微生物所在草地土壤微生物基因庫等方面的研究均獲得較大進展。我國應(yīng)率先提出生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控的創(chuàng)新性觀點，致力于將精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展思路引入到天然草地管理、退化草地恢復(fù)和草地功能調(diào)控的實踐中，建立“草地斑塊定點修復(fù)”的外科手術(shù)式的退化草地調(diào)控模式；系統(tǒng)研究天然草地大面積施肥的可行性和灌木物種引入的草地穩(wěn)定性維持原理與技術(shù)，研發(fā)高度人工設(shè)計和定向干預(yù)的草地生產(chǎn)力調(diào)控途徑。基于上述科學(xué)思路開展研究，將有可能揭示出草地生態(tài)系統(tǒng)功能調(diào)控的重大科學(xué)機理，建立具有中國特色的草地生態(tài)系統(tǒng)管理新思維與新技術(shù)。
