山地-绿洲-荒漠的系统耦合是祁连山水资源保护的关键措施

祁连山发育的水系,是河西走廊山地、绿洲、荒漠复合生态系统赖以生存的基础,却由于生产的压力和全球气候变化处于危机之中。林、草、苔藓、灌木结合是保护祁连山水源的关键,既能够维持水源的数量,还能保护水源地的环境。河西走廊的山地、绿洲、荒漠是一个整体,任何一个子系统出问题,都会造成整个复合农业系统的灾难,根据草地农业生态系统4个生产层的理论,调整复合农业系统的生产结构,是发展山地-绿洲-荒漠系统耦合的捷径,将构筑祁连山水源保护的农业系统基础。这种模式在我国西北内陆,乃至世界干旱地区具有示范意义。

农牧交错带研究进展

农牧交错带是典型的生态脆弱区、贫困区和多民族聚居区,是我国生态安全的重要屏障。综述了农牧交错带发展的历史演变过程,分析了当前农牧交错带农牧业生产所面临的主要问题,建议今后对农牧交错带的研究应集中在以生态学为基础的跨学科研究;其热点领域应集中在农牧交错带生产力生态学、恢复生态学、界面生态学、放牧生态学,农牧交错带的健康诊断和价值评估等方面。其中生产力生态学是提高生产效率的保证,应加强农牧交错带农田草地系统耦合生产方式的研究;恢复生态学是治理退化农牧交错带的基础;界面生态学是剖析退化农牧交错带的切入点;放牧生态学是调控农牧交错带农田草地退化的手段;健康诊断有助于对农牧交错带进行客观的评价;价值评估则是对农牧交错带生态系统效益和服务的估算。

草地农业生态系统中的能值分析方法评介

草地农业生态系统的能量分析从能流着手进行草地农业生态系统的功能量化分析,是草地农业生态系统重要的研究方法之一。分析了草地农业生态系统能量分析目前存在的问题,介绍了Odum的能值分析理论对传统能量分析方法的新发展,将能值分析的方法、基本步骤和评价指标引入草地农业生态系统中,提出了草地农业生态系统能值分析方法推广中亟待解决的难点和应用中的一些设想。

丛枝菌根真菌与根际微生物的互作

丛枝菌根(Arbuscular mycorrhizal,AM)真菌广泛存在于草地农业生态系统中,是土壤微生物区系的主要成员,是生态系统中重要的功能群之一。AM真菌和其他微生物一起,在草地农业生态系统中扮演着重要的角色。本文综述了国内外近年来在AM真菌-土壤根际微生物互作方面的研究进展。AM真菌和土壤微生物之间的关系错综复杂,主要包括竞争、共生、共栖等。AM真菌通过和根部入侵病原真菌竞争侵入位点和光合产物,调节病程相关蛋白,从而提高宿主植物的抗病性。同时可促进植物对水分、养分的吸收效率,分泌生物防御物质,减轻病原线虫对作物根系的侵染和危害。AM真菌可与根际有益微生物共生、共栖,同时对植物产生协同促生的作用。目前,亟需开展AM真菌和根际微生物互作机理方面的研究,揭示AM真菌与土壤根际微生物之间的相互关系。通过利用和调控生态系统中土壤微生物,促进植物养分的吸收,提高植物对各种胁迫的抗性,维持草地生态系统的可持续发展和利用。

牧户尺度草畜系统的相悖特征及其耦合机制

草原承包责任制的落实改变了草原上几千年的生产经营格局,使牧户成为草原资源利用的基本单元,解析牧户尺度草畜系统的耦合机制是实现牧区生态、社会可持续发展的重要科学基础。通过总结课题组近年的工作,并结合已有理论成果,分析表明:(1)牧户生产系统是草地农业生态系统的最小完整单元,完成了3个界面的主要过程;(2)牧户经营过程包含接羔、剪毛、售畜、购草等点式生产活动,放牧及其相关的线式生产活动,以及基础设施建设等非常规生产活动;(3)牧户尺度草畜系统的年内相悖性主要体现于年内节律非同步性,年际间牲畜数量稳定性与饲草资源波动性的矛盾是年际相悖性的主要体现,旱灾、雪灾等极端事件造成草畜供需关系的突发性失衡,这些过程主要发生于草地-家畜界面;(4)牲畜需求与草场供给节律的匹配、牧户生产周期、保畜优先策略是实现牧户尺度草畜系统耦合的主要途径,从点式、线式生产活动等维度进行适应性调节,其过程常发生于草畜-经营界面。

浅议毒害草在草地农业生态系统中的作用

草原是发展畜牧业的物质基础,也是影响全球气候变化的敏感区和大江大河重要的发源地和水源补给区。传统认为,毒害草是草原的绿色杀手,放牧牲畜的隐形敌人,极大地制约了畜牧业的可持续发展。本文以草地农业系统理论为根据,分析了毒害草在防风固沙、涵养水源、维护生物多样性、观赏价值、药用、放牧管理和牲畜采食等诸多方面的特殊价值,认为毒害草是草原必不可少的组成部分,在此基础上探讨草地退化的机理,毒害草在草地农业生态系统中的地位,以期为退化草地恢复、草原健康管理提供理论依据。

退耕还草区农业生态系统能值动态分析——以甘肃省镇原县北庄村为例

以甘肃省镇原县北庄村为例,应用H.T.Odum能值分析方法,分析退耕还草前后农业生态系统的能值变化。结果表明,退耕还草后北庄农业生态系统的净能值产出率提高了35.14%;环境负荷力降低8.31%;系统可持续发展性指标提高47.38%;系统稳定性指数也由0.809提高到1.015。退耕还草对北庄农业生态系统生产力的提高和系统的可持续发展起到了积极的作用。但农牧系统耦合度降低了41.74%,应采取措施提高农牧系统耦合度,实现农业生态系统平衡发展。

发展草地农业推进我国西部可持续发展

在我国，人与草地的关系经历了４ 个发展阶段，最终应发展成为草地农业生态系统，这是人类与自然和谐共处的可持续发展模式，人工草地的作用不容忽视。根据草地资源、草业经济结构和生产水平状况，我国西部１０ 省、自治区、直辖市可分为６ 个发展区域，各区域可因地制宜地发展各具特色的草地农业系统，同时区域之间可以实行广泛的系统耦合；建议设立６ 个草地农业示范项目和３ 个研究性生产基地。

草业科学框架纲要

草业科学是研究草地农业生态系统的科学,主要研究对象是3个要素群,3个主要界面和4个生产层。草地农业生态系统的生物因子群居于核心地位,非生物因子群是生态系统的自然立地条件,社会因子群是草地农业系统所处的社会立地条件,草业科学需要分别设立相应的基础课,以探讨各个因子的基本内容及其相互关系,掌握基本理论和方法。草业科学最重要的3个界面是草丛-地境界面、草地-家畜界面、草畜-社会界面,它们是系统最活跃、最敏感、功能最密集的部分,是草业科学新的分支学科的生长点,草业学科针对3个界面及其功能的特异性和必要性设立专业基础课,而且针对生产需要,对基础课和专业基础课加以综合,开设专业课。3个界面,连缀了草业生产前植物、植物、动物和外生物4个生产层,根据社会生产的要求,草业科学按照4个生产层可将相关课程重组成二级专业,或沿着生产流程,按照有关学科的内在联系,重组成二级学科。

江河源区草地生态建设构想

江河源区是青藏高原的主要组成部分,面积仅占全球陆地面积的0. 24%,占全球土壤碳库的1. 06% ~1.20%左右,生态价值巨大。江河源区1986—2000 年,土地植被盖度下降了2. 252%,土壤有机碳含量下降了11.454%,土壤CO2 年释放量仅下降了9.165%,表现了土壤从碳汇转化为碳源的趋势。而草地面积减少是使土壤从碳汇转化为碳源的主体因素。特别是过度放牧引起的高寒类型草地面积减少559.03 km2,致使土壤有机碳含量减少了750 070万t,占14年来(1986-2000)土壤有机碳含量下降总量的39.03%,是使土壤有机碳流失的主因。从维护全国乃至全球生态安全的角度看,江河源区草地生态建设意义重大。建议在江河源地区建立特色草地农业生态耦合系统,将江河源区分为4个功能区,即自然保护核心功能区、自然保护过渡区(狩猎采集保护区)、自然保护生态—生产功能区、常规居民区。以自然保护区为核心,把这4 个功能区与草地农业系统的4 个生产层理论相衔接,构建2个层次的系统耦合,即江河源区内部4个功能区之间的系统耦合;江河源区与外区的系统耦合。通过2个层次的系统耦合,将实现江河源头的生态服务功能与下游受益地区的物质与能流的合理交换,以取得经济、生态和社会的巨大效益。

草地农业生态系统中的系统耦合与系统相悖研究动态

综述了草地农业生态系统中系统耦合与系统相悖的内涵及其发展过程 ,该领域的研究前沿与发展趋势。草地农业生态系统的种间耦合、不同生产层之间的纵向耦合、不同草地农业生态系统之间的横向耦合、系统的界面过程与系统耦合、生物的时间地带性与系统耦合是草地农业生态系统中的系统耦合与系统相悖理论与实践研究的 5个前沿领域。对系统相悖量化工作将是今后系统耦合、系统相悖理论研究的关键 ,综合运用多种非线性科学方法解决草地农业生态系统的系统耦合和系统相悖的数量化工作可能是系统耦合和系统相悖理论研究和实践的一个非常有前途的方向。

宁夏中部干旱带草地生态农业体系建设研究

针对宁夏中部干旱带生态系统脆弱和农业生产低而不稳的现状,开展了"土地—植物—动物—社会产品"四位一体的草地生态农业生产模式研究。结果表明,改良退化天然草地、实施草地科学放牧、优化植物生产系统种植结构、发展节水高效农业、建立草畜转化与优化饲养体系等措施可实现生态和农业的协调发展。建立和发展草地生态农业体系是宁夏中部干旱带农牧业生产持续发展的有效途径。

基于生态系统服务功能的中国北方草地及农牧交错带区划

以北方草地和农牧交错带草地类型区域分异为基础,重点考虑不同草地类型的生态系统服务功能,在综合分析了北方草地和农牧交错带生态环境基本特征的基础上,确定了草地生态功能区划的原则、依据、方法及命名,然后在"3S"技术的支持下,将北方草地和农牧交错带分为北方草原区、北方荒漠区和农牧交错区3个一级区及10个二级区,对各个功能区的区域范围、主要生态环境问题、主要的生态服务功能及为了功能区的保护与可持续发展而需要采取的措施都进行了详细论述。区划结果对认识北方草地与农牧交错带不同草地类型生态系统服务功能的重要价值,对草地资源的合理利用和农业生产的合理布局、对生态环境保护与建设规划及对维护区域生态安全、实现区域的可持续发展都具有重大意义。

农田当量的涵义及其所揭示的我国土地资源的食物生产潜力——一个土地资源的食物生产能力评价的新量纲及其在我国的应用

农田当量是把单位面积标准传统农田一年一熟种植水稻的食物产出作为标尺,来衡量一切农用土地相对食物生产潜势的计量单位。它是适于衡量草地农业系统的评价土地资源食物生产能力的新量纲。本研究在界定了农田当量内涵的基础上,指出ALEU是运营模式(m)和核算尺度(T)的函数,是食物当量的“面积”表述,农田当量可以评价任何农业系统的食物生产潜力。对我国现行农业运营模式下的食物生产能力进行了实证分析,结果表明,我国现存农用土地的食物生产能力仅利用了生产潜力的43.59%,还有巨大的食物生产潜力有待开发。以此为依据对我国农业进行结构性调整,将现有耕地的20%实行草田轮作,以全国现有可用草地的3%建立丰产栽培草地,对全国草地农业的食物资源潜力做出估算,其食物生产潜力相当于新增0.52亿hm2农田当量,全国实行草地农业系统,其食物生产能力将是现行系统的1.23倍。

河西地区生态景观的演变

探讨了自然因素与河西生态景观的关系 ,分析了人类活动在其演变中的作用 ,强调了政策导向、畜牧业生产和用水技术的正反影响。绿洲景观的功能在历史时期经历 4个发展阶段 ,现定位于“种植业 +畜牧业”模式。

草业科学框架结构与教学实践

草业科学是研究草地农业生态系统的科学，主要由三个因子群、三个主要界面和四个生产层构成。其中生物因子群居于核心地位，非生物因子群是生态系统的自然立地条件，社会因子群是草地农业系统所处的社会立地条件。三个因子群是基础课的依据；界面是系统最活跃、最敏感、功能最密集的部分，是科学创新和新的分支学科的生长点；四个生产层是设立二级专业的依据。草业学科的这一框架结构在兰州大学以及相关的院校中试行已经取得初步成果。

草地农业生态系统的碳平衡分析方法

根据草地农业生态系统的结构,它的碳平衡为4个生产层的碳平衡之和,也是3个界面的碳平衡之和,而某一生产层或者某一界面的碳平衡则是其固定、输入、排放和输出的碳之和。草地农业生态系统4个生产层的碳平衡分析方法定量重要生产环节的碳汇与碳源过程,便于草业生产改进碳汇管理;草地农业生态系统3个界面的碳平衡分析方法显示碳源和碳汇的发生机理,及其空间和数量关系,便于调控草业生产组分以增汇减排;但是,这两个方法不易区分碳的来源和去向,难以明确其利用效率。草地农业生态系统碳平衡分析的输入/输出法定量地指示碳的来源和去向,以及碳效率,计算简单,但是较为概括,不利于牧场尺度的草业碳汇管理。以中国祁连山甘肃马鹿牧场和澳大利亚塔斯玛尼亚奶牛牧场为例,用3种方法分析了两个牧场的碳平衡,结果表明,放牧管理的草业系统的主要碳源是休闲旅游、产品加工流通环节产生的温室气体,主要碳汇是草地和土壤中贮存的碳,好的草地管理可以增汇减排。

三江源农牧交错区一个种植周期的垂穗披碱草人工草地CO2通量变化特征

建植多年生人工草地已成为生态环境保护和恢复工程的重要措施之一,探究多年生人工草地生态系统CO2交换的变化特性,有助于准确评估和预测人工草地碳收支状况及其生态服务功能。利用2012-2016年,5年的涡度相关系统观测的数据,分析了三江源农牧交错区垂穗披碱草(Elymus nutans)人工草地的净生态系统CO2交换(Net ecosystem CO2 exchange,NEE)、总初级生产力(Gross primary productivity,GPP)和生态系统呼吸(Ecosystem respiration,R)等参数在一个种植周期的变化特征及其控制因子。结果表明:(1)在一个完整种植周期内(5年),三江源农牧交错区垂穗披碱草人工草地随着种植年限的增加CO2通量先增加后减小,累计固碳180.4 g·m^-2,是一个弱的碳汇,其中,除了种植第1年表现为碳源(47g·m^-2),其他年份均为碳汇,第3年碳汇强度达到最强128.3 g·m^-2;(2)GPP主要由空气温度、植被多样性指数(Simpson指数)和生长季长度共同控制(r^2=0.92),植被多样性指数(Simpson指数)直接影响着生长季NEE(r^2=0.80);(3)管理措施(播种和收割时间)影响着生长季的长度,而生长季长度影响非生长季R和生长季NEE的比值(R/NEE)(96%),进而影响着NEE的年际变异(92%),管理措施影响着人工草地NEE的年际变异。不论是生产功能还是生态功能,每5-6年重新翻耕人工草地是“生产-生态”的双赢模式,人工草地更新是三江源农牧交错区一个生产和生态相结合的有效产业发展模式。

用食物当量评价草地农业的生产力

根据食物当量的概念和模型,通过引入牧草消化率后饲草食物当量计算的能量和蛋白质系数,对原始模型进行了修正。以1 kg苜蓿(标准食部100%,含水量10%,总能14.267 MJ·kg^-1,蛋白质含量229 g·kg^-1,干物质消化率65.48%)作为标准饲草,计算并比较了天然草地、栽培牧草、青贮饲料与粮食秸秆等草地资源的食物当量,对不同地域、不同空间尺度、不同利用方式的土地资源的生产力进行了统一量纲上的对比。结果表明,我国牧草的饲草食物当量总体在0.2~1.2 FEU·kg^-1,其中豆科牧草的饲草食物当量在0.4~1.2 FEU·kg^-1,其中能量与蛋白兼优、消化率高的银合欢嫩叶为1.2 FEU·kg^-1;禾本科牧草的饲草食物当量在0.2~1.0 FEU·kg^-1,暖季型牧草多年生黑麦草为1.0 FEU·kg^-1;青贮饲草(包括青贮秸秆)的食物当量为0.1~0.7 FEU·kg^-1;秸秆的食物当量约为0.2 FEU·kg^-1。夏季21个主要天然草地类型(如荒漠草原和高寒草甸)的FEU生产能力为142~2739 FEU·hm^-2,玛曲的高寒草甸及河北草甸草原约在1300 FEU·hm^-2以上。FEU作为一种快速、易于计算和解释的牧草、畜牧饲料和饲料作物的饲料价值的测量管理单位,打破了单纯以谷物为粮食的传统食物观,统一了食物的标准,即将各个地域、农业系统、饲草和家畜种类、饲草加工和利用方式的食物按统一的标准计算,可以对居民的饮食结构和区域农业结构起指导作用,可为推动我国农业供给侧改革提供决策依据。

北方农牧交错带草地土壤微生物量碳空间格局及驱动因素

为探究我国北方农牧交错带草地表层(0~10 cm)和次表层(10~20 cm)土壤微生物量碳的空间格局及其环境驱动力,选择蒙辽平原、京北坝上、阴山北麓和宁陕黄土高原4个区域总计456个土壤样品(两个土层,57个样点,每个样点4个样方)进行调查。结果表明,表层与次表层土壤微生物量碳的空间格局具有一致性,均随纬度增加而增加,随经度和海拔增加无显著变化。随着草地退化程度加剧,次表层土壤微生物量碳的降低幅度小于表层土壤。两层土壤pH值的差异随草地退化程度的加剧而缩小,表层与次表层土壤微生物量碳的差异受土壤pH值调控,两个土层的pH值差异越小,微生物量碳的差异越小。气候、植被和土壤因素均会影响微生物量碳的空间变异,其中土壤因素为区域尺度微生物量碳的主要驱动力,表层土壤微生物量碳的主要影响因素为土壤总碳,次表层土壤微生物量碳受土壤总氮的影响最大。在气候变化和人类活动影响加剧的背景下,研究结果对预测区域尺度土壤微生物的响应规律及退化草地生态功能的维持和修复有重要意义。