三江源區退化高寒生態系統恢復技術與示范

馬玉壽,周華坤,邵新慶,趙之重,趙 亮,董世魁,王曉麗,2,*

1 青海大學,省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室, 西寧 810016 2 青海省畜牧獸醫科學院, 西寧 810016 3 中國科學院西北高原生物研究所,青海省寒區恢復生態學重點實驗室, 西寧 810008 4 中國農業大學動物科技學院,草地研究所, 北京 100193 5 北京師范大學環境學院, 北京 100875

三江源區退化高寒生態系統恢復技術與示范

馬玉壽1, 2,周華坤3,邵新慶4,趙之重1,趙 亮3,董世魁5,王曉麗1,2,*

1 青海大學,省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室, 西寧 810016 2 青海省畜牧獸醫科學院, 西寧 810016 3 中國科學院西北高原生物研究所,青海省寒區恢復生態學重點實驗室, 西寧 810008 4 中國農業大學動物科技學院,草地研究所, 北京 100193 5 北京師范大學環境學院, 北京 100875

“三江源區退化高寒生態系統恢復技術與示范”(2016YFC0501900)是國家重點研發計劃“典型脆弱生態修復與保護研究”專項中“青藏高原生態系統功能提升與適應性管理”指南方向下的第二個項目。項目以綜合生態系統管理方法為支撐點,以三江源區退化嚴重的三類主體生態系統——高寒草甸、高寒草原和高寒濕地為研究對象,以“土壤(土)-植被(草)-動物(畜)”協同恢復的思路為指導,通過創新性、系統性、綜合性的科學研究,自主研發三江源區生態恢復與生態衍生產業發展的綜合技術體系,完善生態恢復及產業發展模式評估和監測技術體系,推動生態恢復和區域發展模式的轉型升級,提升生態整體恢復的技術水平和監管能力,解決三江源退化草地恢復重建及功能提升的重大問題,旨在為三江源的生態建設提供科技支撐和系統解決方案。

三江源區；高寒生態系統；草地綜合利用；生態畜牧業；生態衍生產業；生態監測評估

三江源區地處青藏高原腹地,總面積36.3萬km2,有“中華水塔”的美譽[1-2],其生態地位和區域可持續發展為科學界和社會所關注,生態系統類型以高寒草地生態系統為主體,草地面積占土地總面積的85%以上[3]。目前,三江源區開展的研究主要集中在退化高寒草地的分類、退化成因判識、生態恢復理論、退化生態系統單項恢復技術和生態畜牧業發展等方面取得了一批高水平的研究成果及先進的理論技術[3-10]。在應用基礎研究上,闡明了三江源適度放牧有利于高寒草地生態系統多樣性和生態功能維持,過度放牧是引起高寒草地退化的主因,而過牧的主因是牧草生產與家畜營養需求的季節性不平衡[11-12]。在技術研發上,制定了不同程度退化草地分類標準[10, 13-15]。在草地管理上,建立了未退化高寒草甸合理放牧利用策略和放牧牦牛季節性營養平衡對策,提出了三江源未退化草地牧草的“用半留半”合理利用原則[11, 16]。然而,這些研究和成果均為單一的應急性技術,缺乏系統性和可持續性。

“生態-社會-經濟”復合生態系統理論,草地農業生態系統耦合理論,人文-自然系統耦合理論等均強調綜合生態系統管理方法在恢復實踐中的應用[17-20]。三江源區生態恢復技術的系統性和整合性不足,生態保護與生產的互補性弱,生態建設的系統性和可持續性需要考慮生態、社會、經濟要素的綜合作用。該項目的實施擬解決三江源退化草地生態系統恢復重建及功能提升的重大問題,旨在為國家近期啟動的三江源生態建設二期工程和三江源國家公園建設[21]提供科技支撐和系統解決方案。

1 項目研究內容、研究思路及技術路線

1.1 項目研究內容

項目旨在揭示退化生態系統恢復、功能提升及其與生產力提高的協同機制和土-草-畜多要素相互關系及作用機理,解決高寒退化生態系統人工促進恢復與近自然恢復技術聯合應用,高寒草地草畜營養平衡及時空耦合利用技術,生態畜牧業優化及生態衍生產品培育技術,生態產業功能提升的信息化表達等關鍵技術問題。

項目設計了6 個課題(圖1),課題1、2、3 針對高寒草甸、高寒草原、高寒濕地3個主要草地生態系統,側重其土壤-植被-動物界面的結構完整與功能協調,研發適應性生態恢復技術,提升生態功能。課題4 考慮生態恢復后可持續利用技術如何能夠保持生態恢復成果,研發草畜界面的資源持續利用和管理技術,維持生態功能穩定和生態系統平衡。課題5 主要針對生態-生產系統的互補性弱的問題,延伸生態產業鏈,培育生態衍生產品,互補由于生態保護而導致的資源匱乏和可持續性,實現整個生態保護和生產功能的雙贏。課題6 主要通過集成課題1—5 的專家決策信息系統,對生態恢復工作進行效益評估,構建大數據平臺,診斷、決策和指導三江源區退化生態系統恢復治理和生態功能提升。

1.1.1 退化高寒草甸適應性恢復及生態功能提升技術與示范

基于高寒草甸退化背景診斷,研發輕、中度退化草甸近自然恢復技術,黑土灘人工干預引導、群落配置和生物防控技術,構建退化草甸生態系統的恢復技術體系,開展區域性示范。

1.1.2 退化高寒草原恢復及生態功能提升技術與示范

基于近地面航拍和高光譜判別,重點研發靶向及分類恢復技術,土壤生態功能提升和植被構建技術,構建退化高寒草原生態系統的恢復技術體系,開展區域性示范。

圖1 “三江源區退化高寒生態系統恢復技術與示范”六個課題設計邏輯關系示意圖Fig.1 Logic diagram among six subjects within the project of “recovery techniques and demonstration of degraded alpine ecosystems in three rivers source region”

1.1.3 退化高寒濕地近自然恢復及生態功能提升技術與示范

針對退化高寒濕地近自然恢復的時空限制因子,重點研發退化高寒濕地外圍生境植被人工調控,核心區增水保源和近自然恢復技術,構建退化高寒濕地系統的恢復技術體系,開展區域性示范。

1.1.4 高寒草地綜合利用關鍵技術及適應性管理研究與示范

以高寒草地放牧的生態服務功能重建為核心,重點研究優化放牧制度,“天然草地—人工草地”資源時空配置利用技術,區域耦合的草地-家畜系統組織模式,進行示范。

1.1.5 畜牧業營養均衡生產和生態衍生產業開發技術與示范

以區域草地“減壓增效”為核心,重點研發區域適宜草產業、放牧家畜營養均衡飼養技術,特有微生物資源及生態旅游產品,建立電商及信息化服務平臺,進行產業示范。

1.1.6 生態恢復效果與生態功能提升能力監測評估

應用3S 系統、大數據平臺診斷、監測生態變化,評價生態系統恢復力、恢復效果,分析生態畜牧業與生態衍生產業的生態功能提升作用及持續性,構建生態安全預警系統和信息服務體系。

1.2 項目整體研究思路

針對生態恢復技術的系統性和整合性不足,生態保護與生產的互補性弱等問題,以“土-草-畜”系統完整性為技術切入點,按“背景診斷-技術研發-產品開發-集成示范”層級開展研究,運用生態監測網和大數據平臺,評估“生態-經濟-社會”效益,反饋技術升級,達到退化系統生態功能提升和區域可持續發展的目標。采用分類化指導、區域化布局、系統化界面、多元化技術、最優化模式、集成化示范、效益化評估、信息化管理為手段,開展技術研究與示范工作。

1.3 項目野外實施區域

項目核心研發區域主要在前期研究基礎較扎實的貴南縣、瑪沁縣、瑪多縣和玉樹縣,技術示范結合三江源區生態建設工程在全區域內開展。根據實施區域的生態系統類型、技術基礎等不同,項目重點技術內容在不同區域的側重點有所不同。高寒草甸生態恢復研發區以瑪沁縣為主,高寒草原生態恢復主要側重于瑪多縣,高寒濕地生態恢復以瑪多縣、瑪沁縣和玉樹市為主,草地合理利用在貴南縣、瑪沁縣和瑪多縣結合前三項任務展開,生態畜牧業及生態衍生產業研發重點在貴南縣進行,監測與評估要結合所有研究內容在重點研發區和全區域展開。

1.4 項目技術路線

項目通過全鏈條設計一體化實施的設計思路,以土-草-畜系統為技術切入點,按“背景診斷-技術研發-產品開發-集成示范”層級開展研究,基于生態監測網和大數據平臺,評估“生態-經濟-社會”效益,反饋技術升級。采用分類化指導、區域化布局、系統化界面、多元化技術、最優化模式、集成化示范、效益化評估、信息化管理為手段,開展技術研究與示范工作(圖2)。

圖2 “三江源區退化高寒生態系統恢復技術與示范”技術路線Fig.2 Technology roadmap of “recovery techniques and demonstration of degraded alpine ecosystems in three rivers source region”

2 項目總體目標、考核指標及預期成果

2.1 項目總體目標

針對生態恢復技術的系統性和整合性不足,生態保護與生產的互補性弱等問題,研發土壤-植被-動物為一體的系統恢復技術,提出適應性恢復與生態衍生產業協同發展方案,構建信息化技術平臺,為三江源生態工程提供精準化生態恢復技術體系、信息化決策系統和大數據平臺,實現生態恢復技術體系再升級,創建三江源區保護與發展相協調的生態文明新范式。

2.2 項目考核指標

在項目實施期(2016年7月——2020年12月),研發生態恢復技術8—10 項、生態產業技術3—5 項,培育生態衍生產品3—5個,示范治理退化草地生態系統1 萬hm2,形成生態治理和生態產業協同技術方案2—3 個,提交咨詢建議1—2 份,制定技術標準8—10 項,申請專利8—10項,科技培訓1100 人次。

2.3 項目預期成果

項目預期成果將以50 篇以上的科研論著(其中3—4 篇高水平科學論文)的形式展現,將在典型生態脆弱區的恢復生態學理論方面取得突破,其科學價值重大。通過技術攻關和提升可實現技術自主創新,退化系統的近自然恢復和適應恢復技術研發,處于國內領先水平,部分可達到國際先進水平,由此可形成專利、標準、論文、產品等一系列標志性成果。

3 項目研究展望及可能存在問題

《國家中長期科學和技術發展規劃(2006—2020)》在環境領域中明確提出“針對生態系統退化加劇,開展典型生態功能區綜合整治的技術集成與示范”,并將“生態脆弱區域生態系統功能的恢復重建”確立為優先主題,青藏高原地區是重點生態治理區域[21]。三江源區作為青藏高原獨特的生態單元和完整的生態體系區域,在典型功能區域退化生態恢復和區域問題的生態綜合治理技術方面,還需要重點研發群落配置與多樣性優化、生態系統服務提升、生物多樣性保護與維持、氣候變化生態適應與調控等關鍵共性技術,研發區域、流域大尺度生態修復與生態調控技術,大幅提升三江源退化生態系統的生態修復技術水平。項目提出了生態功能與生產功能合理配置的理論基礎,加強生態草業、種業、生態畜牧業和信息化監測的核心技術體系研發,對于我國草原牧區如何實現生態畜牧業的可持續發展具有指導意義。

項目的實施過程中可能會存在兩方面的問題：

首先,退化高寒生態系統綜合整治是一個系統工程,雖然在試驗點層面上土壤-植被-動物的系統耦合性較強,但在區域層面上的研究示范的系統性和整合性較弱。項目需要加強高寒草地系統生產與生態功能合理配置的研究,特別是對放牧優化假說、中度干擾假說、放牧促進/減緩生態系統養分循環假說、草畜平衡理論和草地農業系統理論等6個基礎理論加強研究,補充完善在三江源區這一特殊生態功能單元方面具有的特色和內涵,加強退化草地恢復與培育新技術、天然草地保護與合理利用新技術, 以及人工草地的類型選擇與合理布局等人工草地建設與管理的綜合型技術的研發,制定天然草地和人工草地配置的原則。

其次,研究示范與社會科學的結合較弱,除了繼續強化對三江源生態系統自身規律的認知和適應性恢復管理模式的研發外,需要對三江源區不同生態系統(草地、濕地、荒漠等)在利用方式、放牧歷史、人口變遷、藏民族保護生態及感知觀念提升、草場承包、藏民族游牧歷史、宗教觀念、恩格爾系數波動、國家草地政策和獎補機制等結合起來,分析對草地演替、生態承載力、管理應對策略等的影響,以保護三江源區生態為前提,以人為本,因地制宜制定三江源區生態保護與可持續發展的策略和模式。

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Recovery techniques and demonstration of degraded alpine ecosystems in the source region of three rivers

MA Yushou1, 2, ZHOU Huakun3, SHAO Xinqing4, ZHAO Zhizhong1, ZHAO Liang3, DONG Shikui5, WANG Xiaoli1, 2, *

1StateKeyLaboratoryofPlateauEcologyandAgriculture,QinghaiUniversity,Xining810016,China2QinghaiAcademyofAnimalScienceandVeterinaryMedicine,Xining810016,China3KeyLaboratoryofAdaptationandEvolutionofPlateauBiota,NorthwestInstituteofPlateauBiology,ChineseAcademyofSciences,Xining810008,China4GrasslandScienceDepartment,CollegeofAnimalScienceandTechnology,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China5SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

“Recovery Techniques and Demonstration of Degraded Alpine Ecosystems in Three Rivers Source Region” (2016YFC0501900) is the second program under the guide direction “The improvement function and adaptive management of qinghai-tibet plateau ecosystems” belonging to the special project of National Key Research and Development Program of China “Research of Typical Fragile Ecological Restoration and Protection”. The serious degradation ecosystems, alpine meadow, alpine steppe, and alpine wetland in the three rivers source region were selected as the research objects in the present study. We would conduct the innovative, systematic and comprehensive research based on the theory of integrated ecosystem management and the idea of “soil-vegetation-livestock” cooperative recovery. Firstly, we will research and develop the comprehensive technology system of ecological restoration and derivative industry. Then we will perfect the evaluation of ecological restoration and industrial development pattern and perfect the monitoring technology system. Our research will promote the transformation and upgrading of ecological restoration and regional development mode. Furthermore, it will enhance the ecological recovery technology and regulatory capacity. Importantly, we would solve the restoration and reconstruction issues of degraded grassland, and then provide the technology support and system solutions for ecological construction in the three river source region.

three river source region; alpine ecosystems; comprehensive utilization of grassland; ecological animal husbandry; ecological derivative industry; ecological monitoring and evaluation

國家重點研發計劃項目(2016YFC0501900)

2016- 10- 17

10.5846/stxb201610172108

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wxl.yu@163.com

馬玉壽,周華坤,邵新慶,趙之重,趙亮,董世魁,王曉麗.三江源區退化高寒生態系統恢復技術與示范.生態學報,2016,36(22):7078- 7082.

Ma Y S, Zhou H K, Shao X Q, Zhao Z Z, Zhao L, Dong S K, Wang X L.Recovery techniques and demonstration of degraded alpine ecosystems in the source region of three rivers.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7078- 7082.