韓其飛,羅格平,李超凡,黃曉東

1 南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院,南京 2100442 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 2100443 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 8300114 中國科學(xué)院南京土壤研究所, 南京 2100085 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730020

放牧對(duì)新疆草地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的影響模擬研究

韓其飛1,2,羅格平3,*,李超凡4,黃曉東5

1 南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院,南京 2100442 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 2100443 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 8300114 中國科學(xué)院南京土壤研究所, 南京 2100085 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730020

正確評(píng)估新疆草地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯效應(yīng),對(duì)區(qū)域尺度碳循環(huán)研究具有重要意義。放牧是新疆草地生態(tài)系統(tǒng)中主要的人類活動(dòng),但放牧對(duì)草地碳平衡與碳動(dòng)態(tài)的影響還具有很大的不確定性。利用生態(tài)系統(tǒng)放牧模型Biome-BGC grazing,通過情景模擬綜合評(píng)價(jià)新疆草地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的動(dòng)態(tài)。結(jié)果表明：1) 1979—2007年新疆草地生態(tài)系統(tǒng)的碳源總量為0.38PgC,其中由放牧導(dǎo)致的碳釋放為0.37PgC；2) 當(dāng)平均放牧率小于0.24頭標(biāo)準(zhǔn)羊/hm2時(shí),放牧能夠促進(jìn)草地碳固定。研究實(shí)現(xiàn)了Biome-BGC grazing模型在區(qū)域尺度的應(yīng)用,研究結(jié)果將有助于理解氣候變化及放牧對(duì)干旱區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)理,對(duì)探明干旱區(qū)草原生態(tài)系統(tǒng)的源/匯特征具有重要意義。

新疆；草地生態(tài)系統(tǒng)；放牧；碳源/匯

干旱半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最為脆弱的部分之一[1- 5],該地區(qū)分布著世界上絕大多數(shù)的牧場和天然草場。新疆是干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)分布較集中的區(qū)域之一,草地面積 5.7×107hm2,在全國位于第3位。近年來,放牧活動(dòng)的不斷增強(qiáng)和氣候變化的加劇,使得新疆草地生態(tài)系統(tǒng)面臨著巨大的社會(huì)和生態(tài)環(huán)境問題[6- 7],同時(shí)也影響著草地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能(生產(chǎn)力、碳儲(chǔ)量和通量)[8- 11]。

放牧作為一種高度復(fù)雜的干擾方式,通過采食、踐踏和排泄物影響植物群落生物量及結(jié)構(gòu)特征和土壤理化性質(zhì),從而影響生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程[12]。放牧通過改變牧草各器官之間固有的物質(zhì)與能量分配模式來影響牧草的生長,如放牧影響草地的根冠比,使得地上部分的生長速度高于根系[13]。另外,放牧改變種群動(dòng)態(tài)。家畜的選擇性采食能夠改變牧草的競爭力。一般來說,采食削弱被采食牧草種的競爭力,增強(qiáng)未采食或少采食牧草種的競爭力[14- 15]。然而過度放牧不但會(huì)破壞地表植被,促使大氣對(duì)土壤的直接影響增強(qiáng),增加地表蒸發(fā),減少土壤表層含水量,損壞根系生存環(huán)境,還能直接影響采食植物的葉片、繁殖器官和生長點(diǎn)等部分,通過直接影響地上部分生長進(jìn)而影響到地下部分根系的生長發(fā)育和生物量的形成及積累[13,16]。

盡管放牧通常被認(rèn)為對(duì)植物生長是不利的,但一些研究也表明適度放牧可能促進(jìn)草地的生長[15,17- 19],即表現(xiàn)出補(bǔ)償機(jī)制(compensatory mechanism)。有研究表明,不同草地類型對(duì)于放牧的響應(yīng)存在差異,適度放牧可能促進(jìn)天山北坡低山干旱草地的凈初級(jí)生產(chǎn)力,但對(duì)于森林草甸草原和高寒草甸草原的生產(chǎn)力均具有負(fù)面效應(yīng)[20]?？傊?放牧是否促進(jìn)草地植物的生長,目前學(xué)術(shù)界還有許多爭論,放牧對(duì)草地碳平衡與碳動(dòng)態(tài)的影響還具有很大的不確定性[21- 22]。因此,研究放牧對(duì)新疆草地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的影響,對(duì)于明確草地碳循環(huán)途徑及其在區(qū)域碳循環(huán)中的作用具有重要的意義。

由于站點(diǎn)尺度直接觀測法研究放牧對(duì)草地碳源/匯影響的局限性,陸地生態(tài)系統(tǒng)模型成為研究氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能影響普遍使用的方法[20,23- 24]。其中Biome-BGC grazing模型在新疆天山北坡得到成功應(yīng)用,模擬了放牧對(duì)不同海拔草地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響[20]。

因此,本文基于空間化的Biome-BGC grazing模型,1)模擬新疆草地生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)特征,分析其碳/源匯功能和強(qiáng)度的時(shí)空分布；2)量化放牧過程對(duì)新疆草地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的貢獻(xiàn)。本研究將有助于揭示區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化和放牧的響應(yīng)格局與過程。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆地處歐亞大陸腹地,屬于典型的溫帶大陸干旱性氣候,光熱資源充足,年平均氣溫9—12℃,降水量稀少,北疆降水為150—200mm,南疆在100mm以下。而蒸發(fā)量則相反,北疆為1500—2300mm,南疆為2100—3400mm[25- 26],在全球變化和人類活動(dòng)的干擾下,新疆的氣候和生態(tài)已經(jīng)發(fā)生了顯著的變化[27]。20世紀(jì)80年代以來出現(xiàn)了暖干向暖濕的轉(zhuǎn)型變化[28- 29]。新疆草地總面積5.7×107hm2,占全疆土地總面積的34%[6]。不同草地類型按照海拔梯度進(jìn)行劃分,包括高山草甸(Alpine meadow, AM, 2700—3500m)、中山森林草地(Mid-mountain forest-meadow, MMFM, 1650—2700m)、低山干草原(Low-mountain dry grassland, LMDG, 650—1650m)和平原荒漠草原(Plain desert grassland, PDG, <650m)[20]。

1.2 放牧數(shù)據(jù)

圖1 1979—2007年新疆草地放牧率空間分布 Fig.1 Distribution of averaged grazing intensity between 1979 and 2007

研究所用的放牧強(qiáng)度數(shù)據(jù)Gridded Livestock of the World (簡稱GLW)來源于全球畜牧信息系統(tǒng)global livestock information system(簡稱GLIS)數(shù)據(jù)。GLIS 數(shù)據(jù)是Food and Agriculture Organization of the United Nations(簡稱FAO)根據(jù)全球牲畜數(shù)目采樣點(diǎn)及環(huán)境數(shù)據(jù)差值產(chǎn)生,空間分辨率為5km。GLW數(shù)據(jù)中包含了主要的牲畜類型： 牛、水牛、綿羊、山羊、豬和家禽類。根據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)部提供的“標(biāo)準(zhǔn)羊”換算：用1只綿羊?yàn)?個(gè)標(biāo)準(zhǔn)羊單位, 1頭牛為6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)羊單位,一頭水牛為6.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)羊單位,一只山羊?yàn)?.9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)羊單位(http://www.chinaforage.com/standard/zaixuliang. htm)(圖1)。

1.4 Biome-BGC grazing模型

Biome-BGC 模型是一個(gè)用來估算陸地生態(tài)系統(tǒng)日尺度碳、氮、水儲(chǔ)存及通量的生態(tài)系統(tǒng)過程模型。輸出包括總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP) 、 凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP) 、 凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(NEE) 等。Biome-BGC grazing耦合了落葉方程模擬放牧對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響,該模型已成功的用于半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)[20]。落葉方程將動(dòng)物采食的碳(Dr) 分為 5 個(gè)部分：動(dòng)物的呼吸作用(占50%) 、甲烷的生產(chǎn)(占3%) 、肉的生產(chǎn)、尿、和糞便(占30%)。在考慮放牧活動(dòng)干擾的情景下(Dr>0),地上凈初級(jí)生產(chǎn)力(ANPP) 等于地上生物量增量與牲畜采食量之和。本文未對(duì)草地的可食性進(jìn)行區(qū)分,且由于 Biome-BGC 模型將草本植物劃分為細(xì)根和葉兩個(gè)部分,本文假設(shè)牲畜僅采食草的葉。

因此,在該模型中,NEE的定義為：

NEE=GPP-mr-gr-hr-Dr

(1)

式中,mr為維持呼吸,gr為生長呼吸,hr為異養(yǎng)呼吸,Dr為凋落速率。

模型參數(shù)采用在新疆天山北坡不同海邊梯度校正過的參數(shù)[20],每個(gè)格點(diǎn)的分辨率為10km×10km。為了分析氣候變化與放牧對(duì)碳源/匯的影響,本文設(shè)計(jì)了2個(gè)情景：僅氣候變化(Climate change,CLIM) 、氣候變化和放牧共同作用(Climate change and Grazing,CLIMGRA),則放牧對(duì)碳源/匯的影響由二者之差表示。

1.5 模型驗(yàn)證

本文利用在東天山奇臺(tái)、天山北坡不同海拔高度和平原荒漠草原區(qū)設(shè)置的圍欄和觀測點(diǎn),進(jìn)行了生物量、土壤水分、質(zhì)地和養(yǎng)分的觀測和分析結(jié)果,分放牧和無放牧兩種情景對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。重點(diǎn)對(duì)高山草甸、中山森林草地、低山干草原和平原荒漠草原年地上凈初級(jí)生產(chǎn)力分別進(jìn)行了驗(yàn)證。另外,由于缺少足夠覆蓋新疆的實(shí)測數(shù)據(jù),本文部分?jǐn)?shù)據(jù)通過搜集已發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)獲得。同時(shí),為了驗(yàn)證模型模擬碳通量的能力,我們在AmeriFlux網(wǎng)站下載了美國Kendall草原的渦度相關(guān)數(shù)據(jù)(ftp://cdiac.ornl.gov/pub/ameriflux/data),從而驗(yàn)證模型輸出NEE的精度。

1.6 放牧率閾值分析

為了研究碳源/匯對(duì)于放牧率的響應(yīng),從而確定不同草場類型的適宜放牧率閾值。本文首先將研究區(qū)按照牧場類型分區(qū)；然后在分區(qū)內(nèi)選取放牧后(CLIMGRA)較無放牧(CLIM)情景下NEE變化為正值的格點(diǎn)；最后,利用這些格點(diǎn)作為掩模,統(tǒng)計(jì)該部分格點(diǎn)覆蓋下牧場的平均放牧率,作為該類型牧場的適宜放牧率閾值。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證

將Biome-BGC grazing模擬得到的凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)與實(shí)測值進(jìn)行比較。由圖2可以看出,圍欄及放牧條件下平均 NPP 實(shí)測值與模擬值具有較好的吻合性 (R2=0.90,P<0．001,n=41),說明Biome-BGC grazing模型可較好模擬新疆植被NPP。

表1 天山北坡、東天山奇臺(tái)觀測實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分布

圖2 實(shí)測NPP與模擬NPP值對(duì)比 Fig.2 Comparisons of estimated NPP and observed NPP for grassland in Xinjiang Province

由圖3可以看出,通量模擬結(jié)果從總體變化趨勢與渦度相關(guān)數(shù)據(jù)吻合,均表現(xiàn)為單峰型季節(jié)變化特征。GPP的相關(guān)系數(shù) (R2) 為0.82,NEE的相關(guān)系數(shù)為0.55,兩者的均方根誤差分別為1.36 g C m-2d-1和0.84 g C m-2d-1。

圖3 實(shí)測GPP、NEE與模擬結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of predicted and measured GPP, NEE

圖4 1979—2007年新疆草地年均NEE累積NEE變化圖Fig.4 Interannual patterns of annual averaged NEE and cumulatived NEE of Xinjiang grassland from 1979 to 2007

2.2 新疆草地碳源/匯的時(shí)空分布

圖4給出了新疆草地的碳源/匯(NEE)的時(shí)間變化圖。從圖4可以看出,1979—2011年新疆草地生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳源,累積釋放的碳量為0.38Pg C(圖4)。由時(shí)間變化趨勢分析,29年來新疆的NEE呈明顯波動(dòng)下降趨勢,1983年、1988年和2003年NEE出現(xiàn)峰值,這與該區(qū)降水峰值出現(xiàn)的年份較吻合(圖4)。1990年后,NEE整體下降趨勢最為明顯,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是放牧率的增加,1990年前后的放牧率平均值分別為0.16頭標(biāo)準(zhǔn)羊/hm2和0.76頭標(biāo)準(zhǔn)羊/hm2(圖4,圖6)。

另外,新疆草地碳源/匯的變化具有明顯的區(qū)域特征(圖5)。受區(qū)域水熱條件的制約,草地植被大體上呈現(xiàn)出由北向南依次出現(xiàn)高山與亞高山草甸、平原草地、草甸、荒漠草地和高山與亞高山草地,其NEE也逐漸由0—0.6gCm-2a-1到-10—-300gCm-2a-1,即由碳吸收轉(zhuǎn)換為碳排放。最大的碳源是高山森林草甸,平均每年釋放45gCm-2a-1。

2.3 放牧對(duì)新疆草地碳源/匯的影響

由圖6可以看出,在無放牧情景下(CLIM),1979—2011年新疆草地生態(tài)系統(tǒng)吸收和釋放的碳量相當(dāng),平均每年釋放約0.0005Pg C。而在放牧情境下(CLIMGRA),平均每年釋放的碳量為0.013 Pg C a-1,即在過去29年,放牧導(dǎo)致新疆釋放0.37Pg碳。與無放牧情景情況相比較,放牧后NEE呈現(xiàn)出隨著放牧梯度的增加而降低的趨勢,隨放牧?xí)r間的延續(xù),當(dāng)載畜率超過0.4頭標(biāo)準(zhǔn)羊/hm2時(shí),NEE開始顯著降低。這表明對(duì)于草地生態(tài)系統(tǒng)來說,隨著放牧梯度的增加,降低了草地的初級(jí)生產(chǎn)力,從而使生態(tài)系統(tǒng)固定的碳減少。

圖5 1979—2007年新疆草地平均NEE空間分布圖 Fig.5 Distribution of the estimated carbon source/sink in Xinjiang from 1979 to 2007

圖6 1979—2007年放牧前后新疆草地NEE及放牧率變化圖 Fig.6 Interannual patterns of mean NEE of Xinjiang grassland with and without grazing from 1979 to 2007

圖7 放牧前后新疆草地NEE變化Fig.7 The difference of NEE before and after grazing scenarios

放牧對(duì)NEE變化的區(qū)域影響如圖7所示,大部分地區(qū)的NEE在放牧后減少,即放牧增加了碳的排放。但是,除冬季牧場外,其他草場在適宜的放牧率條件下,都表現(xiàn)出了補(bǔ)償機(jī)制,平均閾值放牧率約為(0.24±1.63)頭標(biāo)準(zhǔn)羊/hm2,不同草場類型的閾值放牧率如表2所示。本研究表明,春秋牧場相比于其他牧場能有效地補(bǔ)償因嚴(yán)重采食而失去的地上組織,主要是因?yàn)樵擃愋湍翀鲋饕植荚诘蜕礁刹菰?LMDG, 650—1650m),放牧能夠一定程度上降低水分脅迫對(duì)干旱草原生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)的負(fù)面效應(yīng)。

3 討論

3.1 模型不確定性

本研究實(shí)現(xiàn)了Biome-BGC模型在新疆區(qū)域尺度的應(yīng)用,突破了由于區(qū)域試驗(yàn)站點(diǎn)有限、草地類型多樣而無法實(shí)現(xiàn)空間動(dòng)態(tài)評(píng)估與預(yù)估的瓶頸。但是研究中仍然存在一些問題：1)放牧模型中許多關(guān)于理想條件的假設(shè)可能與實(shí)際情況不符,從而導(dǎo)致模擬結(jié)果的失真。例如在放牧模型中,未對(duì)植被物種的可食性進(jìn)行區(qū)分,從而高估了動(dòng)物的采食能力；另外,未考慮放牧對(duì)物種多樣性變化、植被演替因素的影響等均可導(dǎo)致模型的不確定性。2)模型預(yù)測的準(zhǔn)確程度受到諸多因素的影響。涉及群落的一些生理生態(tài)參數(shù)的精確參數(shù)化較難,相應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究也比較少；模型是在假定植被組成不變的前提下得出的模擬結(jié)果；隨著實(shí)驗(yàn)研究的深入和相應(yīng)數(shù)據(jù)源的增多,將可以通過改進(jìn)模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)化過程更真實(shí)全面地了解生態(tài)系統(tǒng)過程和結(jié)構(gòu)對(duì)氣候變化的響應(yīng)和適應(yīng)。3)氣象數(shù)據(jù)的空間分辨率較大,相對(duì)于站點(diǎn)水平的研究還不能一一對(duì)應(yīng),導(dǎo)致模擬結(jié)果存在不確定性。

表2 不同草場類型出現(xiàn)補(bǔ)償機(jī)制的閾值放牧率

3.2 放牧對(duì)新疆草地碳源/匯的影響

放牧管理影響下草原碳循環(huán)和分布的生態(tài)過程還沒有被完全認(rèn)知,從已有的文獻(xiàn)中很難得出放牧管理與碳源/匯之間明確的關(guān)系。本研究結(jié)果表明,盡管在新疆的大部分地區(qū),放牧導(dǎo)致草地碳釋放增加,但是當(dāng)放牧率低于一定閾值時(shí),出現(xiàn)了補(bǔ)償生長現(xiàn)象。影響牧草生長發(fā)育的因素有放牧制度、放牧家畜的種類、放牧強(qiáng)度、放牧?xí)r期、放牧周期和草地的植被與土壤特征[30]。20世紀(jì)40年代植物界就有補(bǔ)償現(xiàn)象的報(bào)道,董世魁等[19]研究發(fā)現(xiàn),重牧狀態(tài)(70%的采食率)下,草群蓋度較低,葉片截光量少,牧草的補(bǔ)償性再生生長弱,草地牧草的現(xiàn)存量較低。中牧及輕牧狀態(tài)(<50%的采食率)下,草地的補(bǔ)償作用較為明顯。汪詩平等[31]通過研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)放牧率較低時(shí),如其研究的1.33頭標(biāo)準(zhǔn)羊/hm2的放牧率,表現(xiàn)出較高的超補(bǔ)償性生長,但隨著放牧率的增大,地上凈初級(jí)生產(chǎn)力的補(bǔ)償性生長隨著降低。本文的研究發(fā)現(xiàn),新疆草地的在平均放牧率低于0.24頭標(biāo)準(zhǔn)羊/hm2時(shí),可以促進(jìn)草地碳固定,但在歷史實(shí)際的放牧強(qiáng)度下,放牧是新疆草地生態(tài)系統(tǒng)碳釋放的主要原因。

但是,草地群落對(duì)放牧的補(bǔ)償反應(yīng)除了通過可食牧草的快速生長,以補(bǔ)償草地群落的功能損失之外,還可能通過毒害草繁衍生長來實(shí)現(xiàn)[32]。雖然該種補(bǔ)償形式同樣可以增加草地的生產(chǎn)力,但增加部分多為家畜不可采食的成分,是一種功能上的冗余。因此,在后續(xù)的研究中,可以通過改進(jìn)Biome-BGC grazing放牧模型,增加表征種間競爭的“植被演替”模塊,通過模擬物種的競爭,深入研究草地群落對(duì)放牧的補(bǔ)償反應(yīng)。

4 結(jié)論

本文利用改進(jìn)的Biome-BGC grazing模型對(duì)1979—2007年新疆草地生態(tài)系統(tǒng)長期碳源/匯動(dòng)態(tài)(NEE)進(jìn)行了模擬和驗(yàn)證,分析了放牧活動(dòng)對(duì)新疆草地生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)的影響。結(jié)果表明,1979—2007年新疆草地生態(tài)系統(tǒng)為碳源,釋放碳的總量為0.38PgC,其中由放牧導(dǎo)致的碳釋放為0.37PgC。當(dāng)平均放牧率小于0.24頭標(biāo)準(zhǔn)羊/hm2時(shí),放牧能夠促進(jìn)草地碳固定。本研究從增加碳匯的角度為草地適應(yīng)性管理提供了重要的理論依據(jù),新疆草地通過合理控制放牧梯度能夠達(dá)到增加草地固碳潛力,實(shí)現(xiàn)碳增匯的目的。

[1] Letnic M. Dispossession, degradation and extinction: environmental history in arid Australia. Biodiversity & Conservation, 2000, 9(3): 295- 308.

[2] Pringle H J R, Watson L W, Tinley K L. Landscape improvement, or ongoing degradation-reconciling apparent contradictions from the arid rangelands of Western Australia. Landscape Ecology, 2006, 21(8): 1267- 1279.

[3] Qi S Z, Luo F. Water environmental degradation of the Heihe River basin in arid Northwestern China. Environmental Monitoring and Assessment, 2005, 108(1): 205- 215.

[4] Jabbar M T, Chen X L. Land degradation due to salinization in arid and semi-arid regions with the aid of geo-information techniques. Geo-Spatial Information Science, 2008, 11(2): 112- 120.

[5] Beyene S T. Rangeland degradation in a semi-arid communal savannah of swaziland: long-term dip-tank use effects on woody plant structure, cover and their indigenous use in three soil types. Land Degradation & Development, 2015, 26(4): 311- 323.

[6] 趙萬羽, 李建龍, 齊家國, 劉旭. 新疆草地生態(tài)安全問題、現(xiàn)狀與對(duì)策分析. 干旱區(qū)研究, 2005, 22(1): 45- 50.

[7] 柴軍. 新疆牧民生產(chǎn)決策行為與草地退化問題研究[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2008.

[8] Wang Y H, Zhou G S, Jia B R. Modeling SOC and NPP responses of meadow steppe to different grazing intensities in Northeast China. Ecological Modelling, 2008, 217(1/2): 72- 78.

[9] Riedo M, Gyalistras D, Fuhrer J. Net primary production and carbon stocks in differently managed grasslands: simulation of site-specific sensitivity to an increase in atmospheric CO2and to climate change. Ecological Modelling, 2000, 134(2/3): 207- 227.

[10] Schaldach R, Wimmer F, Koch J, Volland J, Gei?ler K, K?chy M. Model-based analysis of the environmental impacts of grazing management on Eastern Mediterranean ecosystems in Jordan. Journal of Environmental Management, 2013, 127: S84-S95.

[12] 侯扶江, 楊中藝. 放牧對(duì)草地的作用. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2006, 26(1): 244- 264.

[13] 張雪, 烏云娜, 林璐, 趙晨羽, 王雪婷, 白佳憶. 放牧梯度上草原植被——土壤系統(tǒng)碳截存特征. 中國沙漠, 2013, 33(6): 1789- 1795.

[14] 宋彥濤. 松嫩草地植物功能生態(tài)學(xué)研究[D]. 長春: 東北師范大學(xué), 2012.

[15] 汪詩平, 李永宏, 王艷芬, 陳佐忠. 不同放牧率對(duì)內(nèi)蒙古冷蒿草原植物多樣性的影響. 植物學(xué)報(bào), 2001, 43(1): 89- 96.

[16] 王仁忠, 李建東. 羊草草地放牧退化演替中種群消長模型的研究. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 1995, 19(2): 170- 174.

[17] 張璐璐, 周曉松, 李英年, 袁芙蓉, 樊瑞儉, 朱志紅. 刈割、施肥和澆水對(duì)矮嵩草補(bǔ)償生長的影響. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 35(6): 641- 652.

[18] 朱志紅, 席博, 李英年, 臧岳銘, 王文娟, 劉建秀, 郭華. 高寒草甸不同生境粗喙薹草補(bǔ)償生長研究. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 34(3): 348- 358.

[19] 董世魁, 江源, 黃曉霞. 草地放牧適宜度理論及牧場管理策略. 資源科學(xué), 2002, 24(6): 35- 41.

[20] 周德成, 羅格平, 韓其飛, 尹昌應(yīng), 李龍輝, 胡玉昆. 天山北坡不同海拔梯度山地草原生態(tài)系統(tǒng)地上凈初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)氣候變化及放牧的響應(yīng). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(1): 81- 92.

[21] 孔玉華, 姚風(fēng)軍, 鵬爽, 劉艷, 董文軒, 白龍. 不同利用方式下草地土壤碳積累及匯/源功能轉(zhuǎn)換特征研究. 草業(yè)科學(xué), 2010, 27(4): 40- 45.

[22] 何念鵬, 韓興國, 于貴瑞. 內(nèi)蒙古放牧草地土壤碳固持速率和潛力. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(3): 844- 851.

[23] 李東. 基于CENTURY模型的高寒草甸土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)模擬研究[D]. 南京: 南京農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011.

[24] 張存厚. 內(nèi)蒙古草原地上凈初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)氣候變化響應(yīng)的模擬[D]. 呼和浩特: 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué), 2013.

[25] 丹利, 季勁鈞, 馬柱國. 新疆植被生產(chǎn)力與葉面積指數(shù)的變化及其對(duì)氣候的響應(yīng). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 27(9): 3582- 3592.

[26] 楊紅飛, 剛成誠, 穆少杰, 章超斌, 周偉, 李建龍. 近10年新疆草地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力及其時(shí)空格局變化研究. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2014, 23(3): 39- 50.

[27] 陳曦, 羅格平, 夏軍, 周可法, 婁少平, 葉民權(quán). 新疆天山北坡氣候變化的生態(tài)響應(yīng)研究. 中國科學(xué) D輯: 地球科學(xué), 2004, 34(12): 1166- 1175.

[28] 何清, 楊青, 李紅軍. 新疆40a來氣溫、降水和沙塵天氣變化. 冰川凍土, 2003, 25(4): 423- 427.

[29] 施雅風(fēng), 沈永平, 胡汝驥. 西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的信號(hào)、影響和前景初步探討. 冰川凍土, 2002, 24(3): 219- 226.

[30] 朱玲玲, 戎郁萍, 王偉光, 馬磊. 放牧對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)CO2凈氣體交換影響研究概述. 草地學(xué)報(bào), 2013, 21(1): 3- 10.

[31] 汪詩平, 王艷芬, 李永宏, 陳佐忠. 不同放牧率對(duì)草原牧草再生性能和地上凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響. 草地學(xué)報(bào), 1998, 6(4): 275- 281.

[32] 趙彬彬, ?？瞬? 杜國禎. 放牧對(duì)青藏高原東緣高寒草甸群落27種植物地上生物量分配的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(3): 1596- 1606.

Modeling the grazing effect of grassland on the carbon source/sink in Xinjiang

HAN Qifei1,2,LUO Geping3,*,LI Chaofan4,HUANG Xiaodong5

1 School of Geography and Remote Sensing, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China2 Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China3 State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China4 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China5 State Key Laboratory of Grassland and Agro-ecology Systems, College of Pastoral Agricultures Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730020, China

Identifying the carbon source/sink strength of grassland ecosystems in Xinjiang is of great importance for the regional carbon cycle. Using the modified Biome-BGC grazing model, we modeled carbon dynamics in grasslands in Xinjiang, northwest China with varying grazing intensities. In general, the regional simulation estimated that the grassland ecosystems in Xinjiang acted as a net carbon source, with a value of 0.38 Pg during the period 1979—2007, of which 0.37 Pg was caused by grazing. In general, the strength of carbon sequestration improved when grazing intensity was less than 0.24 head/hm2. However, the over-compensation effect may also be the result of the growth of poisonous grass. Therefore, in the future, by adding the “vegetation succession” module, we should improve the Biome-BGC grazing model to study the compensation effect more intensively. Our findings have implications for grassland ecosystem management as they relate to carbon sequestration and climate change mitigation, e.g., removal of grazing should be considered in strategies that aim to increase terrestrial carbon sequestrations at local and regional scales. We anticipate that our study will emphasize the need for large-scale assessments of how grazing affects carbon cycling.

Xinjiang; grassland ecosystem; grazing; carbon source/sink

草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(SKLGAE201510)； 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41501098,41271126)；南京信息工程大學(xué)人才啟動(dòng)基金資助(2241041301130-2014r068)

2016- 03- 11; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 23

10.5846/stxb201603110430

*通訊作者Corresponding author.E-mail: luogp@ms.xjb.ac.cn

韓其飛,羅格平,李超凡,黃曉東.放牧對(duì)新疆草地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的影響模擬研究.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(13):4392- 4399.

Han Q F,Luo G P,Li C F,Huang X D.Modeling the grazing effect of grassland on the carbon source/sink in Xinjiang.Acta Ecologica Sinica,2017,37(13):4392- 4399.