农牧交错区草地生物多样性研究进展:方法、挑战、不足与展望

土地利用变化是生物多样性丧失的主要驱动因素,农牧交错区耕地-草地界面变化对草地生物多样性有显著影响,系统梳理相关研究进展,对于区域可持续发展至关重要。本文首先从空间尺度、研究层次、研究方法和应用决策4个角度对农牧交错区草地生物多样性研究进展进行了系统阐述,然后分析了当前农牧交错区草地生物多样性保护面临的挑战和机遇,最后就目前已有研究的局限性和未来的发展方向进行了探讨。研究表明,当前农牧交错区“耕地-草地界面变化对生物多样性影响”的研究十分薄弱,研究层次有待扩展、跨尺度集成研究亟须加强。未来应当融入空天地一体化的遥感监测技术,系统推进农牧交错区草地生物多样性研究,在全面理解影响机制的基础上,探索耕地粮食生产和草地生物多样性保护的双赢方案,促进区域可持续发展。

赛罕乌拉林草交错区典型生态系统土壤理化性质对比

为分析退耕林地、自然草地、农田3种植被管理方式对土壤理化性质的影响,识别不同植被修复模式下土壤理化性质的差异,本研究以内蒙古赛罕乌拉林草交错区自然草地、退耕林地、农田3种典型植被类型为研究对象,通过对比分析3种植被类型下0 cm、10 cm、20 cm、40 cm、60 cm深度土壤容重、含水量、粒径比等物理属性以及全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾养分元素含量,结合元素含量之间的相关性分析,结果发现:1)农田土壤存在明显的犁底层,犁底层之下养分元素含量迅速下降;2)草地土壤pH值低、有机碳含量高,农田pH值最高、有机碳含量低,退耕林地浅层土壤有机碳含量少,其土壤理化性质呈现出居于农田与自然草地之间的特征;3)农田土壤除速效磷、全钾等指标高于自然草地外,其他养分含量均低于自然草地。本研究表明,自然草地、退耕林地和农田是在相同土壤母质基础上,因经营管理方式差异而产生的土壤理化性质差异,草地的有机质含量最高、农田最低,土壤有机碳含量对于其他养分元素含量具有关键作用。因此,林草交错区生态系统固碳功能对于防风固沙等其他生态功能发挥具有决定作用,退耕还草有利于土壤养分元素的恢复,退耕还林工程还应注重林冠下方草本灌木生物量及物种多样性的恢复。

锡林郭勒盟典型草原区草地开垦及退耕造林对土壤粒径分布和养分的影响

【目的】深入探讨锡林郭勒盟典型草原区天然草地在历经60年农业耕作后其土壤质地和养分的动态变化,以及评估实施退耕造林18年是否能有效消减长期开垦耕作对土壤粒径分布及养分造成的负面影响,旨在加深对该地区生态恢复进程中土壤质量演变规律的认识,为科学评估生态恢复措施的实际效果提供科学依据。【方法】选取研究区60 km2范围内的5个样点作为重复,调查4种土地利用类型,即天然草地(GL)、农田(CL)以及种植灌木柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii),行距分别为2 m(AL-2)和5 m(AL-5)的退耕造林地,0—30 cm土层中的粒径分布、容重和养分特征。【结果】(1)各用地类型土壤颗粒组成砂粒61%—82%、粉粒16%—35%、黏粒低于4%。农田和林地土壤粉粒(2—50μm)含量显著低于草地,砂粒(>50μm)含量则明显高于草地。相较于天然草地,开垦耕作导致≤120μm颗粒组分减少,>120μm颗粒组分增加,而退耕造林18年没有减轻因开垦导致细颗粒组分(≤120μm)减少的情况。(2)在0—30 cm的土层中,各土地利用类型的粒径分布垂直变化不显著,分选性较差,呈现出负偏至极负偏的粒径分布特征,且峰态尖窄。其中草地的平均粒径最小,分形维数最高。(3)土壤容重随土层深度的增加而增加。养分的变化主要集中在0—10 cm的浅层土壤,其中开垦活动显著降低了土壤有机碳、全氮、全磷含量。退耕造林后形成的灌木林地没有显著改变有机碳、全氮含量,但全磷含量却显著降低。(4)≤120μm的颗粒组分与土壤有机碳、全氮、全磷之间存在极显著的正相关关系,这表明土壤养分的衰减与土壤细颗粒的流失密切相关。【结论】草地开垦为农田后,长期耕作破坏了土壤物理结构,细颗粒组分及土壤养分显著下降,而退耕造林18年在改善土壤质地和恢复养分水平方面的效果不显著。

农业伦理视域下“藏粮于地”与“藏粮于草”的辩证关系——兼论《粮食安全保障法》第二章“耕地保护”

从农业伦理视角看“藏粮于地”与“藏粮于草”之间的互补共赢关系。聚焦2023年新颁布的《粮食安全保障法》第二章“耕地保护”,认为耕地保护不光是保面积,还要保水、保土、保肥、保多元种植模式、保农业系统多样性等。本研究采用了文献综述、实地调研、案例分析等方法,梳理了耕地面积和耕地质量等资源的刚性约束,种植业的结构性问题和粮食连增的不可持续性,粮草多元种植实现耕地改良和增加后备土地的科研成果、政策共识,并从黄河流域的6个调研县筛选了粮草轮作复种、套作间作、混播混贮等3个典型案例作为佐证。本研究认为种植业结构调整处于农业结构调整的首要位置,尤其是在粮食产量达到人年均400 kg口粮安全点之后,就不应该再制定过高的粮食生产目标,而应适时启动“藏粮于草”计划来保护耕地、增草增粮。“藏粮于草”更符合农业伦理学模式,是伦理学在植物生产层中的创新性应用。建议将口粮、饲粮、饲草种植分别统计,因地制宜开展粮草多元种植模式。

会泽县退耕还林持续发展研究

文章对曲靖市会泽县第三次全国国土调查数据与永久基本农田矢量数据进行融合分析,提取2014—2019年已实施退耕还林工程的林地范围,了解退耕还林现状。对全县实施退耕还林的25个乡镇、街道摸底调查和走访,了解农民对新一轮退耕还林的意愿,以期为会泽县退耕还林工作的持续发展提供建议和参考。

土地利用方式对陇中黄土高原土壤理化性状的影响

对陇中黄土高原至少50年传统耕作历史的农耕地和退耕20年的草地土壤理化性状进行了比较研究。结果表明，1）不同土地利用方式对土壤有机碳、全氮、速效磷、pH值和容重有显著影响。0～10cm土层土壤有机碳含量草地显著高于农田，全氮含量差异不显著，20～100cm土层有机碳和全氮农田高于草地（P〈0．05）；土壤全磷含量农田虽高于草地但无显著差异。土壤C／N除0～10cm土层外，农田高于草地。在整个土壤剖面上，草地土壤pH值显著高于农田（P〈0．05）；除10-20cm和底层土壤外，草地土壤容重也高于农田。2）草地土壤有机碳和全氮随土壤深度增加而降低，而农田土壤在0～30cm土层随土壤深度的增加而增加，在30cm土层以下与草地有相同趋势。草地土壤全磷含量各土层间没有显著差异，农田土壤全磷含量与土壤有机碳和全氮含量变化趋势一致；草地和农田土壤速效磷含量都呈减少趋势。土壤pH值随土壤深度的增加而增加。3）各样地土壤有机碳、全氮、全磷、速效磷与土壤容重和土壤pH值之间呈极显著负相关，土壤容重与土壤pH值呈极显著正相关，土壤有机碳、全氮、全磷和速效磷之间也呈极显著正相关关系。

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。

黄土高原不同降水类型区林地、草地与农田土壤干燥化效应比较

黄土高原人工林草地和旱作农田土壤干燥化问题十分突出,严重威胁着人工植被建设成效和旱作农业可持续发展。通过对黄土高原半湿润区、半干旱区和半干旱偏旱区53类林地、草地和农田深层土壤湿度的观测,分析比较了各类型区各类林地、草地和农田土壤湿度、土壤水分过耗量、土壤干燥化指数、土壤干层厚度等土壤干燥化效应指标。结果表明:(1)林地、草地和农田土壤湿度平均值依次为6.46%～12.57%、6.49%～11.52%和9.32%～16.00%,均以半湿润区最高,半干旱区居中,半干旱偏旱区最低,林地、草地和农田土壤水分过耗量平均值分别为521mm、491mm和30mm,林地土壤水分过耗量以半干旱区最高,草地以半湿润区和半干旱偏旱区最高,农田以半干旱偏旱区最高;(2)林地、草地和农田土壤干燥化指数平均值依次为39%、42%和96%,分别属于严重干燥化、严重干燥化和轻度干燥化强度,林地土壤干燥化程度以半干旱区和半干旱偏旱区最严重,草地以半湿润区和半干旱偏旱区最严重,农田以半干旱偏旱区最严重,林地、草地和农田土壤干层厚度平均值依次为881cm、836cm和336cm,林地土壤干层厚度以半干旱区和半干旱偏旱区最厚,草地和农田以半干旱偏旱区最厚。

宁夏黄土丘陵区植被恢复对土壤养分和微生物生物量的影响

本研究以宁夏固原天然草地、农地、撂荒地和不同年限的柠条林地为研究对象, 分析了不同植被类型下土壤养分和土壤微生物生物量碳、氮、磷的变化。研究结果表明： 土壤养分除速效磷和全氮外, 其他指标均为农地最低, 撂荒地次之, 并且随植被恢复年限的增加而增加; 不同植被类型条件下, 土壤微生物生物量有显著差异, 微生物量碳含量表现为撂荒地〈农地〈天然草地〈3年柠条林地〈13年柠条林地〈23年柠条林地, 微生物量氮以天然草地最低, 农地、撂荒地和不同年限柠条林地较大, 不同植被类型土壤微生物量磷差异显著, 在5～20 cm土层和20～40 cm土壤中表现尤为突出。土壤微生物量碳、氮、磷与植被类型和植被恢复年限关系密切。柠条林对土壤微生物生物量有明显促进作用, 并且随着植被恢复年限的增加改良效果越显著。

2001-2009年中国草地面积动态与人类活动的关系

利用2001―2009年全国MODIS土地覆盖类型数据集,研究了人类活动对草地、农田和潜在自然植被空间分布的影响。研究结果表明,我国农田和草地面积在2001―2009年期间总体呈减少趋势,其中农田面积由2001年的1.445×108 hm2减少到2009年的1.425×108 hm2,在2005年面积达到最大,为1.543×108 hm2,2008年面积最小,为1.363×108 hm2;草地面积在9年内由2003年的4.201×108 hm2减少为2009年的4.032×108 hm2;农田面积的减少幅度(13.49%)大于草地(3.29%)。草地转为农田的面积每年以4.96%的速率在减少,农田转为草地的面积基本保持不变;草地转为其它土地覆盖类型的面积以每年20.87%的速率增加,而农田面积则基本保持不变,为3.579 5×107 hm2;其它土地类型转为草地(15.43%)和农田(2.45%)的趋势总体上逐年减少。9年间潜在自然植被的人类占用强度总体呈增加趋势,其中人类对草地的影响强度平均为38.18%,对森林的影响强度平均为37.36%。

贵州喀斯特山区人工草地-农田景观土壤温度界面季节性变化

景观界面是生态交错区的重要组成部分,在生态系统的结构、过程和功能中发挥了重要的作用。以贵州喀斯特山区人工草地-农田景观界面为研究对象,对界面表层土壤(0—20 cm)温度进行季节性监测;采用移动窗口法、野外测定和室内统计相结合,对以土壤温度为参数的界面宽度的大小进行了判定;对研究区3个功能区土壤温度进行比较分析。结果表明:贵州人工草地-农田景观界面四季表层土壤的平均温度分别为9.8,26.5,15.4℃和4.8℃;人工草地-农田景观春、夏、秋、冬四季土壤温度界面宽度随土壤温度的变化而变化,表现为由宽变窄的变化规律,分别为37,32,27 m和24 m,土壤温度界面在人工草地系统的影响域变化与总界面宽度保持一致。研究区四季农田功能区系统、人工草地-农田复合功能区系统和人工草地功能区系统的平均土壤温度为14.0,14.1℃和13.9℃,春季、夏季和冬季研究区3个功能区的土壤温度均呈极显著差异,秋季农田功能区系统与人工草地-农田复合功能区系统的土壤温度差异不显著,二者与草地功能区系统差异极显著。建议对研究区采用12—18 m的宽度进行草田间作,为丰富界面理论及"退耕还草"工程提供理论参考和实践措施。

华北农牧交错带农田-草地景观镶嵌体土壤水分空间异质性

为揭示草地景观破碎化过程中产生的农田-草地镶嵌体内部土壤水分空间异质性、分布格局以及生态界面特征,本研究利用经典统计与地统计学方法对华北农牧交错带农田-草地镶嵌体不同采样粒度(0.5 m×0.5 m,1 m×1 m,2 m×2 m)土壤水分空间异质性进行分析。结果表明:农田-草地镶嵌体内部土壤水分含量差异显著表现为农田>农田-草地边界>草地(P<0.05);土壤水分变异系数(CV Coefficent of variation)差异显著表现为农田-草地边界>草地>农田(P<0.05),均属中等程度变异。在农田-草地镶嵌体尺度下,农田-草地边界土壤水分在3个采样粒度下均拟合为球状模型,空间异质性大小(MSH Magnitude of spatial heterogeneity)分别为0.814、0.763和0.883,变程为15.44、27.24和19.09 m,属强空间自相关;草地土壤水分空间异质性在3个采样粒度下拟合呈指数和球状模型,空间异质性大小分别为0.537、0.837和0.650,变程分别为6.009、12.74和30.99 m,属中到强空间自相关;农田土壤水分在采样粒度2 m×2 m下拟合成球状模型,空间异质性大小为0.706,变程27.28m,属中等空间自相关,而在较小采样粒度下均为纯金块效应(Nugget)呈完全随机分布,即不同采样粒度(0.5 m×0.5 m,1 m×1 m,2 m×2 m)的农田、农田-草地边界、草地的土壤水分空间异质性大小存在显著差异且表现为农田-草地边界>草地>农田(P<0.05),同时每种类型不同采样粒度间的空间异质性大小存在差异但无线性关系(P>0.05);农田-草地镶嵌体内部的农田-草地边界土壤水分分布格局异质程度高,呈明显斑块状,而农田内部土壤水分较草地更加破碎匀质化,同时土壤水分在农田-草地边界处表现为伴有突然升高随即降低剧烈变化的界面效应。

黄土高原农、林、草地水量平衡异同比较分析

水量平衡是说明生态系统功能和特征的重要指标之一。在黄土高原,降水通常是土壤水分的唯一来源,农、林、草地等不同土地利用类型在对土壤水分的利用时段、深度、利用率、水分的收支比以及土壤干燥化特征等方面存在着较大差异。水量平衡计算时,土壤深度农地通常需取到2m,多年生草地取到5m,林地则需到5m以下。

开垦草地对土壤有机碳库构成与来源的效应

以广西西北部喀斯特地区的开垦草地生态系为对象,研究了草地开垦变为不同农田后对土壤有机碳库的效应。结果表明,草地开垦为农田后,土壤可溶性有机碳、微生物生物量碳及总有机碳的含量显著下降。自然草地开垦后,柑桔地土壤有机碳含量高于农作用地土壤。玉米与甘蔗轮作土壤有机碳含量高于甘蔗连作。13C示踪结果表明,柑桔地土壤有机碳中来源于草地的含量高于农田土壤;农田土壤有机碳中来源于草地的随种植年限的增加而降低。在玉米与甘蔗轮作的农田中,土壤有机碳中来源于玉米的高于甘蔗连作土壤有机碳中来源于甘蔗的。

北方农牧交错带沽源农田-草地界面土壤水热空间特征

农田-草地景观界面是我国北方农牧交错带景观组成部分,研究该界面生态特征的格局和过程是完善北方农牧交错带研究的热点领域。首次采用地统计学方法中的半变异函数、克里格插值估计、空间分布图等方法研究北方农牧交错带河北沽源地区的农田-草地界面(CGB)土壤水热的空间异质性和界面空间效应。结果表明:根据不同尺度下的土壤水热空间异质性各参数的变化趋势确定较为合理的采样粒度为0.5m×0.5m;农田-草地界面0～20cm土层土壤含水量为中等变异,土壤温度为弱变异,不同采样粒度空间结构特征定量研究得到土壤水分变程范围(A0)为2.93～15.4m,且为中到强度的异质性程度(MSH),土壤温度变程为3.75～20.99m,表现为强空间异质性;验证在农田-草地边界向两侧的一定范围内土壤水热存在过渡型界面效应,且具不同的生态梯度。该研究结果是认识农田-草地界面和进一步开展该界面功能研究的基础,对深入研究北方农牧交错带农田-草地界面非生物水热界面具有重要意义。

喀斯特典型洼地土壤水分的垂直变异研究

利用2005年5月在桂西北喀斯特洼地10 m×10 m地块范围内的网格(2 m×2 m)采样数据,用地统计学方法分析了两种土地利用类型(耕地和牧草地)0—80 cm土壤水分的垂直变异结构及其分布格局。结果表明,耕地和牧草地土壤水分呈现弱变异特征,两者的垂直变异趋势大致随土层加深先减小后增大,其中牧草地土壤水分的变异程度相对较大;耕地和牧草地土壤水分在垂直层面均具有良好的半方差结构和较强的空间相关性,均可用球状模型拟合,变程分别是66.0 cm和49.1 cm。垂直变异还具有明显的各向异性,均用指数模型拟合;土壤水分的空间相关性及变程与土壤容重具有一定关系。研究显示,洼地退耕还草后土壤总体上朝着有利于水分保蓄和植被恢复的方向转变。

河北省坝上地区农业生态足迹计算与分析——以河北省尚义县为例

本研究以河北省尚义县为例对坝上地区农业发展的可持续程度进行分析,发现尚义县的农业发展仍处于一种较为严重的不可持续状态,2000年尚义县农业人均生态赤字为0.36hm2,从近6年的状况看,其农业发展已经开始出现好转趋向。

农牧交错带退耕还草对耕作层土壤磷、钾含量的影响

在农牧交错带以小麦为对照,研究退耕还草对土壤磷、钾含量的影响。结果表明,退耕还草后,土壤0～20cm速效磷、钾含量均高于小麦地。冰草和无芒雀麦能较好地提高土壤速效磷和速效钾的含量。老芒麦与无芒雀麦混播(3∶1)可以明显提高土壤速效磷含量。无芒雀麦与冰草混播(3∶1)可以较好地提高土壤速效钾含量。

黄土区农草混合利用坡面土壤水分空间变异性

通过对黄土区农草混合利用坡面的土壤水分分析,研究土地利用结构对土壤水分空间变异特性的影响。结果表明,研究区坡面土壤水分呈中等变异,且农草混合利用结构明显增加了土壤水分的空间变异强度,坡面土壤水分具有明显空间结构性。干湿条件下坡面0~60 cm土层平均含水率的半方差最优理论模型分别为高斯模型和球状模型,且干旱条件较湿润条件下保持较高的基台值和变程,而块金值/基台值相对较低。Kriging插值结果显示坡面土壤水分呈现差异显著的斑块状分布格局,与坡面的混合土地利用结构一致。研究区浅层土壤水分空间变异及其分布格局主要受地形、降水和土地利用方式及其结构等因素的影响。

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。