植被修復對退化草地固碳的影響及展望＊

李才才，白梨花，王一帆，烏 恩＊

（內蒙古農業大學生態環境學院，內蒙古 呼和浩特 010019）

草原作為全球陸地生態系統面積最大（約占35%）的組成成分，在緩解氣候變暖、防風固沙、涵養水源、保持水土、凈化空氣以及維護生物多樣性等方面具有重要作用。我國承諾到2020年在2005年的水平上消減碳密度40%～45%，目標明確，任務艱巨。我國有4×108hm2。草原，由于草原面積大，其碳匯功能可與森林生態系統相接近。然而我國廣大草原處于干旱、半干旱地區，生態脆弱，加上過度利用，90%以上的草原退化，大大削弱了系統的碳匯功能，甚至一部分已經變成碳源。通過退化草原的植被恢復增加土壤固碳的潛力巨大，迫切需要開展相關研究，從而最大程度的挖掘草原生態系統的碳匯功能，為實現國家減排目標和遏制全球變暖發揮其應有的作用。

1 草地固碳的重要性

自工業革命以來，人類活動對生物圈的影響范圍已由區域擴展到全球，由于人類過量使用化石燃料、毀滅森林和草原、大幅度改變土地利用方式、開墾土地等活動，對地球各圈層特別是大氣圈與土壤圈之間的物質平衡機制產生了重要影響，造成大氣中溫室氣體濃度的不斷上升。大氣中CO2、CH4和N2O等主要溫室氣體濃度急劇增加〔1〕，引發了氣候變暖、臭氧層損耗、生物多樣性喪失、降水特征改變，并伴隨著蒸散和徑流過程的變化，引起海平面升高，生物地帶性重新分配，以及其它一系列全球環境問題〔2－4〕，特別是溫室氣體濃度升高導致的全球變化是人類共同關注和焦慮的問題。

全球草地面積約為4.45×109hm2，是世界上最大的陸地生態系統，碳貯量達7.61×1011t，是陸地碳循環及碳截存的一個重要組成部分〔5〕。據初步估計，世界范圍內的生態系統碳儲量，森林39%～40%，草地33%～34%，農田20%～22%，其他4%～7%。可見，森林和草地的碳匯功能是同等重要的〔6〕。然而，由于干旱、過度放牧、開墾和開礦等自然因素和人為活動正在加劇草原的消失和退化，從而大大降低其固碳功能。例如，目前全球大約有6.6×108hm2草地被開墾為農田，占土地利用變化的40%左右，這些草地被開墾為農田后其碳貯量由116t·hm－2減少為87t·hm－2，相當于全球碳貯量損失1.914×1010t。我國天然草地面積約4×108hm2，為國土面積的41%，是我國面積最大的陸地植被類型，每年的固碳量為1～2t·hm－2，年總固碳量約為6×108t，約為全國年碳排量的1／2〔7〕。所以，中國草地生態系統應該成為全球陸地植被固碳重要途徑之一。

2 我國草原退化狀況

由于我國草原生態脆弱性，加之半個世紀以來人為不合理的利用，天然草地面積減少、普遍超載過牧、草地產量和質量不斷下降、草地退化不斷擴展等突出問題。我國草地成為世界陸地生態系統中退化最嚴重的地區之一，并且草地退化面積還以每年2×106hm2左右的速度增加〔8〕。

根據2006年中國環境狀況公報，在全國266個牧區、半農半牧區縣（旗）中有204個縣（旗）處于超載狀態，天然草原平均超載牲畜34%左右〔9〕。20世紀80年代末期，草地退化速度為1.3×106hm2·a－1，至21世紀初達2×106hm2·a－1，90%的可利用天然草原已不同程度地退化〔10〕。北方重點牧區在20世紀80年代中期退化草地面積占可利用草地面積的39.7%，到90年代中期已占該區草地總面積的50.2%，到21世紀初已增加到90%，其中中度以上的退化草地面積占半數〔11〕。

3 草地退化對草地碳庫的影響

草地生態系統既固定大氣中的CO2，同時也向大氣釋放CO2，其大小要取決于植被狀況。正常（不退化）草原固碳量大于釋放量，因此是個碳庫，而退化草原碳釋放量超過固定量，從而變成碳源〔12〕。草原退化會顯著降低系統的固碳能力，石鋒等〔13〕對我國草地管理措施和土壤有機碳的數據的meta分析表明，我國主要草地類型土壤有機碳年減少量的總體趨勢是隨著放牧強度的增加而增加，輕牧－0.54t·hm－2，中牧－0.49t·hm－2，重牧－1.52t·hm－2，而過牧－2.34t·hm－2。根據王文穎等的研究，高寒草甸嚴重退化后，0～20cm土層有機碳丟失量為3.80kg·m－2，流失50.87%〔14〕，通 過 植 物 組 織 流 失 的 碳 達 到2.65g.m－2，損失86.5%〔12〕。

通過劉兵等〔15〕對不同程度退化的四川次生亞高山草甸以及邱丹、周萬梅、王長庭等〔16－18〕對青海高山草甸土壤有機碳變化數據進行對比分析發現，極度、重度、中度和輕度退化草地土壤有機碳分別比未退化草地減少56.0%、55.1%、49.0%和27.0%（表1）。

綜合裴海昆、王啟蘭等、董全民等〔19－21〕對青海省高寒草甸、邱英等〔22〕對川西北若爾蓋高寒草甸不同放牧強度土壤有機碳含量的調查數據發現，隨著放牧強度的增加，土壤有機碳亦呈明顯下降趨勢，與對照（無牧）相比，重牧、中牧和輕牧草地土壤有機碳分別降低33.2%、35.0%和23.3%（表2）。

表2 不同放牧梯度草地土壤有機碳含量

4 退化草地植被修復對系統固碳的重要作用

我國草原的大面積“三化”導致了草原土壤有機碳的減少，使得我國許多地方的草地生態系統碳庫處于一種較低的水平，退化草地生態系統的恢復具有很大的固碳潛力。草地群落固碳量大小主要取決于草地初級生產力水平，因此，退化草地植被恢復是恢復和提高系統固碳能力的唯一途徑。不同植被修復措施對土壤碳庫的影響有所不同，補播對土壤有機碳的增加量最大，為0.9t·hm－2·a－1，圍封為0.48t·hm－2·a－1，禁牧為0.19t·hm－2·a－1〔13〕。根據已發表的長期定位試驗研究結果，在典型草原和高寒草原，降低牧壓的單位面積固碳速率為0.774tC·（hm－2·a－1），圍封草場的單位面積固碳速率為0.472～0.821tC·（hm－2·a－1）；在荒漠草原，降低牧壓的單位面積固碳速率為0.379tC·（hm－2·a－1），圍封草場的單位面積固碳速率為0.158～0.276tC·（hm－2·a－1）〔23〕。根據郭然等的推算，如果能夠使退化草地得到恢復，每年可以固定大氣CO2為152Tg·a－1。可以增加草地土壤的有機碳庫4 561.62Tg〔24〕。且草地恢復重建會逐步改善土壤的物理和化學特性，最終使退化草地生態系統逐步由碳源向碳匯方向轉變〔12，25〕。可知，退化草地通過植被恢復后土壤具有很大的固碳潛力。

5 退化草地植被修復的研究現狀及存在的問題

5.1 退化草地植被修復的研究現狀

國外有關草地植被修復的研究開展的較早，始于20世紀30年代。世界上最早的恢復生態試驗就是在草地上進行的。美國是世界上最早的生態恢復研究與實踐的國家之一。早在30年代就成功修復了一片溫帶高草草原〔26〕。1935年美國威斯康星大學的Leopold教師和他的學生們在學校植物園的一塊24hm2草場上，開展了較為正規和嚴密的科學實驗，這是已有資料記載的最早的、也是最經典的草地恢復研究〔27〕。前蘇聯也在20世紀60年代初開展了草地的改良研究。新西蘭等國早在20世紀初葉就已開始大面積種植三葉草〔26，28〕。實際上，這就是生態系統恢復重建的雛形。目前，世界上畜牧業較發達的國家人工草地已占天然草地的50%以上或更高。并通過草地生物量和土壤的動態監測，以草定畜，減少草地退化，實行了草地科學化管理和利用〔28〕。

我國退化草地恢復重建研究始于20世紀80年代。中國科學院植物研究所于1979年在內蒙古錫林郭勒盟設立草原生態定位研究站，并在青海省海北藏族自治州設立了高寒草甸生態系統研究定位站。同時北京農業大學在承德后溝牧場，東北師范大學在松嫩草原，甘肅農業大學在河西走廊、慶陽市，內蒙古農牧學院在達茂旗均設立了草地研究站點，全面開展草地的改良治理研究。如王煒、梁存柱、劉鐘齡、郝敦元依據對內蒙古錫林郭勒盟典型草原區過度放牧利用的退化草原群落恢復演替過程的監測資料和數據，對退化草原的基本特征與恢復演替動力、恢復演替時間的進程、草原退化與恢復演替機理和退化群落的性質進行了探討，同時也對內蒙古草原植被在持續牧壓下退化演替的模式進行研究分析并提出了診斷方法，并在此基礎上對內蒙古草原退化與恢復演替的機理進行了研究〔29，30〕。任繼周和朱興運先生對河西走廊草地退化、次生鹽漬化機理及改良進行了大量研究〔31〕。鄭慧瑩、李建東在分析了松嫩平原鹽堿植物群落形成的成因、形成過程及演化趨勢的基礎上，提出了鹽堿化草地改良治理措施及其優化模式〔32〕。通過近20年的努力，國內退化草地修復重建理論與實踐已取得了一些進展，對我國草地研究和農牧業生產起到重要的推動作用〔28〕。

5.2 退化草地植被修復研究存在的問題

5.2.1 針對不同草原類型、不同退化類型的植被修復技術及其操作方法與指標體系還沒有建立

草原退化是指草群結構簡單化，蓋度降低，產量、品質下降，利用性降低，甚至失去利用價值的過程。草原沙化是指草原出現以風沙活動為主要特征的類似沙漠景觀的草原退化過程；草原鹽漬化是指草原土壤鹽堿含量增加，阻礙牧草生長，優良牧草減少，鹽生植物比例增加，牧草產量降低，草原利用性能降低，鹽堿斑面積擴大的草原退化過程；草原沙化和草原鹽漬化屬草原退化的特殊類型。目前，草地植被修復研究均為零星研究，好多研究仍處于探索階段，沒有形成統一的國家或省區級的規劃性研究。因此，針對不同草原類型、不同退化類型的植被修復技術及其操作方法與指標體系還沒有建立，沒有一個成熟的技術用于植被修復。

5.2.2 植被修復的評價體系研究不完善

考慮到研究的對象、角度、方法、目的等不同，要對草地植被修復尤其是大規模植被修復對環境的影響進行評價和預測還存在很多問題：（1）植被修復效益評價指標過于簡單和主觀。沒有建立評價草地植被修復效益的綜合評價體系；（2）研究多以機理研究為主，對草地植被修復的環境影響的量化研究方法不足；（3）對環境的影響，較多地注意了短期、正面影響的分析評價，中長期和負面影響基本尚未涉及；（4）草地植被修復環境影響的地域轉換問題非常困難。所以，應加強草地植被修復對環境影響的系統研究，將微觀的機理研究與宏觀的動態研究相結合，建立不同尺度間草地植被修復環境影響的轉換機制，建立植被修復環境影響監測網絡，進行長期動態監測，加強植被修復環境效應的量化研究〔33〕。

5.2.3 植被修復經濟社會支持系統研究薄弱

過去研究草地植被修復主要集中于植被修復的自然可行性和技術可操作性，工程的重點放在規劃、布局實施方面，但對于植被修復工程的社會可接受性的調查研究較為薄弱〔34〕。在很多環境脆弱退化地區，草地植被修復的社會經濟支持成為一個關鍵的控制系統〔35〕。具體體現在植被修復造成牧區發展傳統畜牧業的空間減少，如放牧地減少等，并直接導致牧戶生活水平下降等一系列問題，勢必影響草地植被修復的實施。所以重視協調植被修復與地方社會經濟發展，使草地植被修復工程實現綜合效益最大化、風險最小化以至無害化和整體區域的可持續發展。

6 展望

6.1 修復技術研究

退化草地植被修復有多種措施，但同樣的措施對不同退化類型、不同退化程度的植被修復效果是不一樣的，例如，同樣的圍欄封育對退化、沙化、鹽堿化草地的植被恢復效應是不同的，退化草地一般因群落中仍留存牧草繁殖體，封育后通過這些牧草繁殖體的無性繁殖和擴展，植被得到較快的恢復。而封育對沙化、鹽堿化草地，特別是沙化、鹽堿化草地較重的草地，一般原群落組成及其繁殖體消失，因此，植被修復只能通過建立新的群落，恢復速度慢，甚至不可能恢復到原來的群落，而是形成新的群落類型。因此，針對不同退化類型、不同退化程度的草地應采取不同的修復措施。

6.1.1 退化草地植被修復

6.1.1.1 封育

封育的主要作用是給牧草以休養生息的機會，使退化草原植被得以恢復。封育通過改善土壤與牧草的養分狀況促進牧草生長發育〔36，37〕，恢復退化草原植被〔38〕。左萬慶等〔39〕在內蒙溫帶草地進行的5年圍欄封育實驗發現，圍封后草地地下生物量比自由放牧的對照區提高約60%，桑永燕等〔40〕在青藏高原的禁牧實驗顯示，禁牧3年后不同退化程度的草地地上生物量提高7%～19%，地下生物量提高4%～10%。

封育不僅具有恢復退化草地植被的作用，而且通過改善植被狀況增強退化草地的固碳作用。退化草地不僅其植被的CO2吸收量降低，而且其土壤呼吸量明顯增強，從而加速碳素由土壤向大氣的釋放〔41〕，而封育有效地減緩這一過程。根據閆玉春等的研究〔42〕，圍封后植被與土壤的恢復提高了植物—土壤系統碳儲量，另外，植被的恢復防止了土壤風蝕，避免了有機碳含量較高的表層土壤流失，從而貢獻于土壤碳儲量。

利用封育措施修復植被時需要注意的是根據植被恢復進度決定是否繼續封育還是適當利用，因為植被恢復到一定程度后如果不利用，當年的枯枝會嚴重影響第2年的返青，這樣封育的效果就被大打折扣或起反作用。

6.1.1.2 補播

退化草原的群落結構趨于簡單，植物種類減少，覆蓋度降低，自然恢復速度慢、時間長，如果補播一種或幾種適合該生態環境條件的優質高產牧草，對于加速退化草原植被的恢復有重要的意義〔43〕。根據閻志堅的研究〔44〕，植被蓋度、牧草種類、補播深度、氣候與土壤條件、施肥與否等都會影響補播效果，應開展針對性研究。

6.1.1.3 施肥

草原退化不僅導致植被退化，還引起土壤退化〔45〕，其中以土壤養分的減少最明顯〔37〕。國外研究得出決定有價值的高產草類退化速度和程度的因素第1是氮，其次是磷，第3是鉀的結論〔46〕。諸多研究證明施肥可促進牧草生長，提高草地產草量，是補充土壤養分，修復退化草原植被的有效手段之一。然而，天然草原不同于農田，施肥只能施于土壤表面，而干旱地區天然草原表面施肥不僅肥料利用率低，浪費大，且對牧草和環境有不良影響。因此，退化草地施肥急需開展表施的肥料利用性與經濟性、噴施及其相關問題、其他施肥方法、施肥對土壤肥力的影響、專用肥料開發、施肥的副作用等方面的研究。

6.1.1.4 其它

長期放牧利用的草原，由于家畜的長期踐踏引起土壤板結，阻礙根系的發育，特別是根莖的伸長，從而影響牧草養分吸收和生長發育。在一些根莖禾草、針茅類和冷蒿占優勢的草原，淺耕翻和松土處理可以切斷密布的根系和根莖，擾動硬化板結的土壤，增強通透性，降低容重，增加有效水分，提高養分活性，從而改善牧草的生存環境，促進其生長發育。淺耕翻和松土處理的效果因草原類型、退化程度、氣候條件、土壤狀況、耕翻松土深度不同而不同〔44〕，應廣泛開展相關研究。

6.1.2 沙化草地的植被修復

6.1.2.1 封育

封育也適合沙化草地的植被修復，鄭翠玲等在內蒙古呼倫貝爾沙化草地上的研究結果顯示，封育后沙化草地群落組成發生了規律性變化，隨著圍封年限的增加，沙化草地植被蓋度、平均高度、密度、地上生物量、根量、物種豐富度以及物種均勻度，均有了不同程度的提高〔47〕。

6.1.2.2 補播

補播更適合沙化草地的植被修復，因為沙化草地土壤疏松、植被稀少，是沙化草地植被恢復的理想措施。曹子龍等〔48〕對嚴重沙化的科爾沁草地補播改良的結果顯示，飛播和人工補播對沙化草地植被恢復均具有顯著作用。飛播9年后的植被蓋度、草群高度、密度以及地上生物量分別較對照提高了2.71倍、1.91倍、1.54倍和3.85倍。人工補播措施對改善沙化草地群落特征具有持久性，其中條播方式優于穴播和撒播方式。如果補播時配合施用有機肥、抗旱保水劑，或用這些材料包衣的種子，結果會更好。

6.1.3 鹽堿化草地植被修復

6.1.3.1 封育

封育對鹽堿化草地植被恢復的作用研究較少，根據我們的觀察，只有白刺、賴草和星星草能生長的重度鹽堿化草地，封育1年后賴草和星星草明顯增加，長勢良好。說明封育對鹽堿化草地植被有明顯的修復作用，對嚴重到寸草不生的鹽堿化草地，封育可能起不到任何作用。有關封育對鹽堿化草地植被恢復的作用需要加強研究。

6.1.3.2 補播

鹽堿化草地的土壤pH值高，鹽分含量高，堿化度高，土壤緊實，干時板結，濕時泥濘，通氣透水性差，耕性差，補播作業難度較大，即使能補播，一般牧草也難以生長，因此，通過補播修復植被的難度會更大。為此，必須選擇耐鹽堿牧草補播，補播必須與耕作施肥等措施結合進行。

6.1.3.3 土壤改良

草地鹽堿化發展到一定程度后，一般植物難以生存，甚至成為光板地。對于這種重度鹽堿化草地，封育和補播于事無補，一般只能通過土壤改良才可能恢復植被。常用的鹽堿土壤改良措施有生物措施、化學措施、物理措施以及將這些措施結合起來的綜合措施等。郭繼勛等用施用枯草、石膏和鋪沙處理等方法對松嫩平原鹽堿化草地進行治理研究的結果表明，3種方法均能降低土壤pH值、電導率和增加土壤含水率，對鹽堿土壤均有較好的改良作用〔49〕。

6.1.3.3.1 生物措施

主要是種植耐鹽堿牧草，通過牧草吸收、牧草根系分泌物和增加土壤有機質來改善土壤理化性狀，為更多植物生存和生長發育提供適宜環境，從而恢復植被。目前，通過各項研究篩選出來的耐鹽堿牧草種類較多，應因地制宜開展這些牧草種植技術的推廣應用研究。

6.1.3.3.2 化學措施

通過施用對堿土有改良作用的化學物質改善土壤理化性狀，改善牧草生長環境，促進牧草生長發育，從而恢復植被。一些常用的化學改良劑包括石膏、硅酸鈣、硫磺、硫化鐵、廢硫酸、綠礬、生理酸性肥料和有機肥料等。施有機肥料、生理酸性肥料不僅可以增加土壤有機質含量，提高肥力，而且有機肥料分解產生的CO2和有機酸，可以有效降低土壤pH，改善土壤理化性狀。其它改良劑的主要作用可以概括為產生酸類物質中和土壤堿性、釋放鈣離子代換土壤中的鈉離子。鹽堿土壤的種類多，形成過程各有特點，應著重開展不同鹽堿土壤改良劑的適合性研究、技術集成研究和推廣應用研究。

6.1.3.3.3 物理措施

物理措施是指采用一些耕作松土、鋪沙壓堿、以水壓鹽、淋洗排鹽等物理方法改良鹽堿土的措施。經過耕作松土，可以疏松表層土壤，切斷毛細管，減少蒸發量，提高土壤透水保水性能，增加土壤含水量，因而加速土壤淋鹽和防止返鹽作用，使表層鹽堿化程度降低，利于植物根系的生長發育。鋪沙壓堿是將沙摻入鹽堿土壤后，改善土壤結構，促進團粒形成，孔隙增大，通透性增強，保水保肥能力增大，減少蒸發，抑制深層土壤鹽類上移，具有明顯的壓堿和改善土壤物理性狀的作用。以淋洗排鹽為主的工程措施是國外鹽堿地治理的主要手段〔50，51〕，但在我國天然草原上受水源和排水條件等限制，以水壓鹽、淋洗排鹽等措施難以實施。

6.1.3.3.4 綜合措施

鹽堿化草地植被恢復難度較大，一般將上述各種措施綜合運用來改良鹽堿土壤。例如在種植耐鹽堿牧草時，一般進行耕作施肥，將沙土、改良劑、肥料等施入土壤表面，然后翻耕入土與土壤均勻混合，其次播種牧草，最后進行灌溉（有條件時），這種改良措施就把上述三種措施都用到了，因此稱為綜合措施。

6.2 修復效果研究

植被修復應兼顧生態、經濟、社會三效益。由于在有限的草地上既要保證牧民生計、提高牧民收入，又要封育草原修復植被是矛盾的，因此，如何利用生態補償機制協調各方面的關系，使植被修復工程獲得生態、經濟、社會三效益是迫在眉睫、必須加強的研究內容。每項植被修復工程在上馬前必須開展充分的調研工作，在此基礎上對工程的生態、經濟、社會三效益必須進行科學的預測和論證，避免工程的盲目性和短期行為。

6.3 修復政策研究

目前，國家在退耕還林還草工程、退牧還草工程等方面，已經積累了一些關于建立與完善生態補償機制的經驗和教訓。從2006年開始，每年的中央一號文件都要求加快建立草原生態補償機制，補償金額過少，在一定程度上減輕草原壓力，但離根本解決草原、牧民和牧區問題相差甚遠。對內蒙古伊金霍洛旗退耕還林和退牧還草補償金額的比較發現，退耕還林每畝的補貼為1 273.83元，而退牧還草每畝的補貼為7.57元，農民得到的補貼是牧民的168倍多。草場面積縮小與牲畜頭數限制造成的收入降低加重了牧民的生活負擔、子女教育負擔，使大部分牧民迅速走向貧困化，牧民為了維持生計，只好在有限的草場上增加牲畜頭數，造成過度放牧，加速草場退化，使草原進入惡性循環，這是我國草原問題發生和發展以及長期得不到解決的根本原因。無論從草原的面積還是從草原對全球氣候變化、國家生態安全、邊境少數民族地區發展與社會穩定、全國經濟社會的協調可持續發展、民族文化的存續、繁榮與發展的重要作用，草原問題應該引起政府和全社會的足夠重視。只有這樣草原的地位、權力、投入才有可能從體制上得到保障，退化草原的植被修復工作才能提到應有的高度，才有可能得到全社會的關注和支持。因此，應加強退化草原植被修復的相關政策研究。

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