气候变化对内蒙古草原生态系统影响的研究进展

2011-03-31尹燕亭侯向阳运向军

草业科学 2011年6期

尹燕亭，侯向阳，运向军

(1.兰州大学草地农业科技学院,甘肃兰州 730020; 2.中国农业科学院草原研究所,内蒙古呼和浩特 010010)

全球气候变化是全球变化研究的核心内容之一。大量证据表明，由于大气中CO2等温室效应气体的增加，全球气候正在发生史无前例的急剧变化。Wigley和Raper[1]根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第3次评估报告的预测结果并结合其他有关资料，分析认为,气候变化条件下，1990-2100年，全球平均气温将升高1.7～4.9 ℃，降水格局也将发生±10%的变化[2]。但是，降水量增加并不意味干旱化特征的减缓，相反，由于温度上升,潜在蒸发量增加,一些地区将更加干燥[3-4]。温度、降水等是植物生长的重要影响因子,它们单独或复合的变化势必引起植物在不同尺度上的变化[5-6]，全球暖干化趋势已经并将继续给全球及我国的自然生态环境及社会经济发展带来不可忽视的影响，加之受人类活动的作用，全球环境变化显著，极端气候事件频繁、高强度发生,由此带来的草地环境问题也日益严重,而过度放牧、人口的急剧增加及开垦更加速了荒漠化进程[7-8]。

内蒙古草原作为我国重要的草原地区之一，自然条件严酷，属于气候变化高度敏感区，加之社会和经济条件复杂，该地区自然成为气候变化响应的脆弱带[9]。IPCC报告指出，在过去的几十年中，干旱半干旱区的草地生产力呈持续下降趋势，在温度升高2～4 ℃和降水减少的情况下，草地生产力将会降低40%～90%，因此，草地的可持续利用成为内蒙古地区十分关注且亟待解决的问题，探索全球气候变化对内蒙古草原自然生态系统的影响，将有利于正确认识内蒙古草地自然环境和资源的潜力，对合理利用和开发内蒙古草地自然资源、保障我国生态安全和可持续发展有着重要的意义和作用。

本研究概述了内蒙古草原的变迁，结合国内外相关研究成果综述了气候变化对内蒙古草原生态系统的影响，指出了目前研究存在的问题，深入探讨了内蒙古草原生态系统研究的重点任务，以期为推进气候变化对草原生态系统研究提供重要的参考依据。

1 内蒙古草原及其变迁

内蒙古处于欧亚大陆草原带的中部，是西北干旱区向东北湿润区和华北旱作农业区的过渡地带，受降水量递减、气温和太阳辐射量递增的影响，从东至西依次分布温带草甸草原、温带典型草原和温带荒漠草原[10]。内蒙古草原面积为8 666.7万hm2，占全区土地面积的67.5%[11-12]，占全国草地面积的1/4，在维护全区乃至全国生态环境稳定、提供畜牧产品以及内蒙古经济建设方面起着重要作用。

气候变化已经给内蒙古草原带来了巨大影响，加之该地区自然条件严酷、社会和经济条件复杂，使得该地区已经成为对全球气候变化响应的敏感带[9]。过去的50年中，随着全球气候变暖、人口增长和草地长期过载，草地退化、沙化形势愈发严峻[13-16]，内蒙古呼伦贝尔草原、锡林郭勒草原和荒漠草原退化面积分别达到23%、41%和68%。草地退化引发了一系列生态环境与社会问题，如草地生产力下降、生物多样性丧失、畜牧业生产效率与畜产品质量下降、荒漠化加剧、生态系统功能严重失调、生态屏障功能减弱甚至丧失、环境恶化引发生态难民、草原文化不断受到冲击等[17]，已经对该地区的社会经济发展带来了巨大冲击，因此，深入和全面研究气候变化对内蒙古草原生态系统的影响，以更好地为减缓、适应和应对气候变化提供理论参考和依据。

2 气候变化对内蒙古草原生态系统的影响

草原生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分,在全球气候变化中扮演着重要角色。在全球变暖的大背景下,内蒙古地区的年均气温呈普遍升高的趋势，其中以冬季升温幅度最大[18]，降水也有不同程度的增加，导致牧区干旱化加剧,草原旱灾的出现几率增大,持续时间变长,草地土壤侵蚀危害严重,土地肥力降低，在干旱气候与荒漠化、盐化的作用下,草地初级生产力下降，草地景观呈荒漠化趋势，退化草地面积已占全区可利用草地面积的45%左右[19]。此外，气候变化也会引起土地利用类型的变化，但是土地利用类型变化而引起的草地面积增加并不意味着可利用草地面积的增加。

2.1气候变化对内蒙古草原土壤的影响土壤是陆生生物赖以生存的物质基础，是陆地生态系统中物质与能量交换的重要场所；同时，它本身又是生态系统中生物与环境相互作用的产物。

2.1.1对土壤水分的影响温度通过影响蒸发而间接影响土壤水分。以内蒙古典型草原区为例，侯琼和乌兰巴特尔[20]根据40年气象资料分析发现,温度和蒸发呈明显的正相关,不同季节相关程度不同,以冬季蒸发为例,利用近20年的资料分析得出,冬季温度和蒸发呈指数关系变化,可见,温度越高蒸发越强烈。

研究表明[20]，近20年蒸发量和土壤水分的变化趋势则基本相反,蒸发量从1985年左右开始迅速增加,到20世纪80年代末达到最大,而土壤水分在此期间大幅度减少；90年代初蒸发量减少,土壤水分增加,1992年左右蒸发量降到最低值,土壤水分达到次高值；之后,蒸发量呈增加趋势,而土壤水分基本呈减少趋势。

气候变化改变着生态系统土壤水分的分布，势必改变着草地植被地上地下生产力的比值，以显示其所处生境水分关系的不同。土壤水分分布的改变，势必影响到草地植被的生长，水分本就是内蒙古大部分草地植被生长的限制因素，温性草地植被以中、旱生植物为主，在生长季节可以得到比较充分的水分供应，但水分分配节律变异较大，有时需经过自身的争取，才能保证植物正常的生长发育，因此植物需要较发达的根系来维持生存，它们的地上部与地下部分之比约为1∶1～1∶3[21]。

2.1.2对土壤有机碳含量的影响土壤有机碳和氮的含量与分布直接关系到生态系统的生产力和生态系统的规模，而气候变化和放牧、开垦等人类活动都会对草地生态系统的碳、氮储量产生影响[22]，气候变化和草地生态系统碳氮循环的相互影响与协同作用也已经成为目前研究的热点问题[23]。作为陆地生物圈的一部分，草原同林地一样，具有巨大的固碳潜力，草原自然生态系统的碳储量绝大部分集中在土壤中，是其明显区别于森林等其他类型生态系统的主要特点之一，而且草原生态系统碳循环的主要过程也在土壤中完成[23-24]。有研究表明[25]，我国草地生态系统的总碳储量约占全国陆地生态系统的16.7%，同时，许多资料还表明我国的草地植被为一个碳汇，而非碳源[26]。而草原退化会造成系统碳丢失，碳循环与碳平衡遭到破坏，草原碳库的蓄积能力削弱。

气候变化背景下，草地表层土壤有机碳含量受气温、降水变化的直接影响，土壤有机碳含量会随温度的升高而降低，但随着降水的变化和蒸发的影响，通过土壤含水量来影响土壤有机碳的收支[27-28]。气候变化对土壤有机碳储量的影响有以下2种方式:第一,通过影响植物生长，改变每年回归土壤的植物碎屑量;第二，改变植物碎屑的分解速率。在前一过程中，大气中CO2增加，其施肥效应和抗蒸腾效应将提高植物生产力，植物碎屑量相应增加，使土壤因此集聚更多的碳，若大气中CO2浓度加倍，这2种效应可提高30%甚至更多，温度升高也会加强这2种效应；后一过程中，则因气温升高，降水增加，而提高植物碎屑分解速率[29]。根据在内蒙古锡林郭勒草原区锡林河流域的研究表明[30]，受气候变化影响，锡林河流域未来的土壤碳储量会减少，固碳潜力呈下降趋势。草原作为碳汇的功能受到影响，已经得到学术界和政府的关注和重视。

2.1.3对土壤氮素的影响土壤养分的有效性，特别是氮素的有效性，常常限制着陆地生态系统植物群落的生产力[31-33]，并改变植物群落的组成[34-35]。已有众多研究结果证明：土壤氮素形态间的转化对温度变化十分敏感[36-38]。由于温度升高导致的土壤有效氮的增加将会通过提高陆地生态系统的净生产力而增加陆地生态系统CO2的同化量，从而有可能减小CO2对全球气候变暖的作用[39]。因此土壤氮循环很可能是决定生态系统对气候变暖响应的一个关键过程。

全球变暖已被广泛证实，这无疑将会对氮素循环产生很大影响，王其兵等[39]采用不同海拔间的比较和空间转移方法(将不同海拔的土壤交换位置)来研究气候变化(温度)对氮矿化的影响，结果表明，气候变暖将影响土壤养分的矿化释放，其影响程度的强弱不仅与温度有关，而且还取决于土壤基质的质量与数量、土壤水分等因素，对此，国内外很多学者[40-43]也进行了类似的研究，并反复证实了该论点。

目前,由于碳氮循环研究的不断深入,碳氮循环耦合特征的研究已逐渐成为人们关注的焦点。人类活动导致生态系统的氮含量增加,影响土壤和植物体中碳的积累与重新分配,对陆地生态系统不同的碳循环过程产生不同的影响[44]。人类扰动和气候变化已经引起了草地生态系统结构、功能的变化,但是关于草地碳氮循环过程的相互作用、相互影响，以及对人类扰动和气候变化的响应特征的研究较少。因此，深入研究上述内容变得更加重要而迫切。

2.2气候变化对内蒙古草原植被的影响气候对植被的影响研究最早始于20世纪30年代，如Kǒppen[45]提出的气候界限与植物生长、植被类型相关联的气候分类方案，尽管早期研究停留在定性阶段，但其中关于植被-气候关系的概念和定量分析的标准等方面，已为定量研究气候与植被的关系提供了重要的理论和参考[46]。

受气候变化和人类共同影响，内蒙古草原退化十分明显，20世纪80年代与50年代相比,草原区内50%～70%的高草群落和密草都变成了低矮而稀疏的植被[47]。人为和自然因素对草原生态系统的影响是多方面的。一方面，人类的生产活动，如放牧和开垦，改变着草地的覆盖状况，干扰着植物的生长和土壤养分流动，进而时时刻刻影响着草地生态系统的结构和功能，这些内部因素的变动，将可能放大或者缓和外部环境变化带来的影响[48-53]。另一方面，除水热条件的变化以外，CO2的倍增也将对草地生产力产生重要影响。有研究显示[54]，气候变化与CO2的综合作用，可以使草地生产力的下降幅度明显减少。

2.2.1气候变化对植被分布格局的影响气候因素，特别是温度、降水决定了草地的形态和发展，在一定的气候带内，必然发育着特定的草地类型，因此，气候变化势必对草地分布产生影响。

气候变化对草地的影响十分复杂，由于不同类型草地的空间分布受温度、降水影响，所以气候变化将会引起草地类型在景观上的迁移[55]。在气候变化背景下，内蒙古草原的总面积以及各类型草原的面积均明显减少，当气温升高2 ℃,降水增加20%时,内蒙古草原总面积减少近30%，其中草甸草原最为敏感，锐减90%以上,并随着温度的进一步升高而彻底消失，相比之下,荒漠草原的减少较缓慢。除面积减少外,各类型草地在地域分布上也发生了明显的变化,呈现出一定的迁移趋势，气候变暖使内蒙古的草地植被由东南向西北压缩,界线北移[56]。

2.2.2气候变化对草地生产力的影响温度的升高将改变生态系统中的一些过程，加之降水的变化和大气中CO2浓度的升高，将显著影响生物群落的生产力[49-50]，随着气候变化对生态系统影响研究的不断加深，草地生产力退化问题也已成为重要的环境问题，引起了学术界和政府的普遍关注。

草原地区绝大多数植物为C3植物,温度升高对其生长将产生不利影响，但是在不同草原区影响有所不同。研究表明[57]，已有的气候变化使内蒙古的草地生产力普遍下降。在年均温增加2 ℃、年均降水量增加20%和年均温增加4 ℃、年均降水量增加20%两种情景下，如不计草地类型空间迁移的影响，各类型草原减产幅度差别显著，其中荒漠草原的减产最大，达17.1%，若计入各类型空间分布的变化，各类草地生产力减少约30%。另外，受气候变化影响，仅在约10年时间内，锡林郭勒盟各旗县草地生产力平均下降近50%，原来产量较高的旗县下降特别明显，最高下降近70%[55,58]；1988-1995年间，荒漠草原区气温呈上升特征，而降水无明显变化，但其归一化差值植被指数(normalized differential vegetation index,NDVI)呈下降趋势，利用模型计算出的同期植被盖度和草地净初级生产力(net primary productivity，NPP)也呈下降趋势[10]；李镇清等[59]研究表明，1993年后，我国典型草原区羊草(Leymuschinensis)样地的地上生物量值出现明显下降趋势，而冬季增温也使该地区春季干旱进一步加剧，导致草地生产力下降。

而气候变化与CO2倍增的综合作用可以改变草地的地理分布和生物量，使草地生产力的下降幅度明显减小，一些草地群落的生产力甚至会略微增加。根据在内蒙古锡林郭勒草原区锡林河流域的研究表明，在气候变化背景下，预测内蒙古锡林郭勒草原区锡林河流域未来的草地生产力呈下降趋势[60]；根据对松嫩平原主要草原群落研究显示，在美国地球物理流体动力学实验室(GFDL)气候变化情景和CO2浓度加倍情况下，大针茅(Stipagrandis)草原的初级生产力将提高2%[60]。

2.3气候变化对放牧家畜的影响草原是牧区畜牧业得以存在和发展的基础，草地植被的生产力直接决定着草地的牧草生产,是草地载畜能力的基础；而气候变化作为草原畜牧业可持续发展的重要环境因素，对草原畜牧业的影响是多方面的，主要表现在影响牧草生产力、载畜量及幼畜成活率等方面。

2.3.1气候变化对放牧家畜载畜量的影响在气候变暖条件下,土壤蒸发量远大于降水补给量,植被地上净初级生产力受此气候环境影响,年际波动明显，冬季增温明显，春季干旱加剧[9]，使草地产草量和质量下降,劣等牧草、杂草和毒草的比例增大,并使草原牧草的生产力下降。有研究表明[61]，草地对气候变暖有明显响应，在未来气候变暖情景下,草地生产力将有所降低,相应的草地理论载畜量降低。气候暖干化所导致的草地生态系统退化，草地生物量减少、生物多样性降低、覆盖度下降、适口性好的草种减少甚至消失，直接影响草地产草量，导致草地生产力降低，草地理论载畜能力下降。

2.3.2气候变化对幼畜成活率的影响幼畜体质较弱，抵抗外界不良环境的能力较差，因此对外界环境条件尤为敏感,尤其是气象条件的变化对幼畜的影响更为明显。主要表现在：一方面，气候变暖，尤其冬季气温升高，降雪减少,雪灾次数发生减少,对牲畜越冬度春非常有利,牲畜死损率呈下降趋势；另一方面，暖冬气候给病原微生物的繁殖滋生提供了环境条件,病原微生物对幼畜的健康带来了一定威胁[62]。

2.4气候变化对以畜牧业为主的牧区社会经济的影响气候作为重要的外部环境因素，对草原生态系统的变化起着重要的作用，而草原正是牧区畜牧业得以存在和发展的基础，因此，气温、降水、极端事件等方面的气候变化势必影响到牧区畜牧业的发展，进而影响整个牧区社会经济的可持续发展。

2.4.1气候变化对畜牧业产值的影响相关研究发现[注]尹燕亭，侯向阳，丁勇，等.荒漠草原区畜牧业对气候变化的响应研究——以内蒙古苏尼特右旗为例[J].干旱区资源与环境(已接受)。，在不同的时期，气候变化对畜牧业产值的影响大小有所不同。在草地、牲畜等尚未承包到户时期，牧区生产方式落后，草原生产力并未从根本上得到激发，畜牧业“靠天吃饭”局面尚未得到改善，畜牧业产值提高几乎完全依赖降水、气温等气象因子的变化。降水增多，则畜牧业发展收益；相反，降水减少，出现旱灾，畜牧业受损。而随着草地、牲畜承包到户，牧区畜产品完全放开，牧户饲养牲畜的积极性彻底激发，气候变化对畜牧业产值的影响变弱，但一旦干旱、雪灾等气候事件发生，畜牧业又立即遭受重创。实际上，气候变化作为牧区畜牧业发展的主要外部环境因素，其对畜牧业产值的影响时时刻刻都存在，牧区畜牧业要实现可持续发展，气候变化不容忽视。

2.4.2气候变化对牲畜结构的影响从牲畜结构看，内蒙古牧区已经形成大畜数量减少、小畜增加的态势。有研究显示[63]，年均气温与牲畜结构的变化最为密切，气温的年际变化规律，在一定程度上决定着牲畜长膘期的长短等。牲畜是恒温动物，各种牲畜都有一定的适宜温度范围，且随着环境的变化而变化。一般以日平均气温稳定通过8～20 ℃、相对湿度为40%～70% 、风力在2～4级，作为牲畜的抓膘期适宜气候条件，因为这一时期气候适宜、牧草繁茂、营养丰富、对牲畜的采食、生长和抓膘都十分有利[64]。在内蒙古牧区，受气温上升、降水减少等影响，牧区干旱化趋势明显，势必影响到牧草生长，进而影响到牲畜的长膘等发育。与马、骆驼等大畜相比，小畜饲养期短，受益期短，市场效益高，因此小畜数量增多成为趋势。

2.4.3牧户对气候变化的感知与适应牧户是草原牧区生产与消费的基础单元，是牧区气候变化的直接感受者，研究牧户对气候变化的感知与适应自然成为草原牧区应对气候变化的重要内容。

经过笔者所在的“我国北方草原区气候变化适应性评价及其管理对策研究”课题组研究显示，在不同的草原类型区，牧户对极端气候事件的感知度亦不同，东部牧户对大雪事件的感知度较高，而西部牧户对干旱的记忆最深刻；同时，相对于长期气候变化的感知，牧户对短期气候变化趋势的感知更深刻、准确，并主要依据近10年气候变化的感知结果来判断较长期气候变化的总体趋势；牧户认为，气候变化在很大程度上影响了牲畜健康和草地产量[65]。

针对不同的气候极端事件，不同草原类型区牧户采取的应对措施亦有所差别，东部草甸草原区牧户主要通过购买草料来应对干旱，虽然冬季可能有雪灾，但其持续时间相对较短，而且目前在东部草原部分地区仍保留有冬夏营盘，这为牲畜渡过严寒提供了一定的条件，所以当地牧户更多的通过购买草料和圈养牲畜来保有牲畜，而较少处理牲畜；与东部草原区牧户不同，在干旱胁迫下，西部草原区牧户普遍采取处理牲畜、购买草料和走场的方式来降低损失。

总体而言，当前草原地区牧户受经济条件、信息缺乏等限制，对极端气候事件的适应多为被动适应，缺乏行之有效的主动适应。而且牧户比较关注当地主要的极端气候灾害的应对，对其他极端气候灾害的适应关注不够。因此，还需进一步探求形式多样、行之有效的主动适应行为。

3 目前研究存在的问题

综上所述，气候变化对生态系统的影响已经受到国内外学者的关注，关于气候变化对内蒙古草原生态系统的研究也已经取得了诸多成果，但仍然存在很多问题与不确定性，主要表现在以下几个方面：

1)尚未明晰草原退化的动因，学术界一直认为草原退化是人类活动和气候变化共同作用的结果，但气候变化对草原退化的影响内在机制究竟如何，其与人类活动的耦合效应将会对草原生态系统产生怎样的影响等问题仍属未知。

2)虽然学术界和政府已经意识到草原固碳潜力的巨大，但关于草原碳库功能与固碳潜力的研究目前还处于起步阶段，由于草原的复杂性，以及全方面的研究与数据积累有限，对草原生态系统的碳蓄积机理的认识、过程的描述和参数化还很不够[66]，以致目前对草原碳汇功能的判定与估算还缺乏足够的证据和说服力；对不同恢复技术实施效果的评价多见于对植被和土壤只要理化指标的分析研究上，从固碳维度的评价和潜力评估的研究还十分不足。

3)关于牧户气候变化的感知与适应研究仍然太少，牧户作为牧区生产的基础单元，是实施草原适应性管理的不可分割的主体，是牧区各项政策和气候变化适应措施的直接实践者，因此，深入研究和探讨牧户对气候变化的感知和适应是十分重要而迫切的，将为草原适应性管理在牧区更好实施奠定基础。

4)关于草原生态系统气候变化敏感性、适应性及脆弱性评价仍处于起步阶段，草原生态系统充满复杂性和不确定性，如不同群落、草种之间对温度变化的反馈有很大差异，如何在不同尺度上准确地衡量和测定草原生态系统气候变化的敏感性、适应性及脆弱性成为重要的研究内容，这也是实施草原适应性管理的前提。

对这些问题的探讨和完善，将为草原生态系统乃至整个人类更好地减缓、适应和应对气候变化奠定有效的理论基础。

4 展望

就目前研究来看，学术界尚未对气候变化如何影响内蒙古草原的内在机制达成一致的认识，但摆在眼前的现实是：1)内蒙古草原退化的确比较严重，草原退化将会引起土壤结构稳定性减弱，持水性下降，甚至出现沙化；2)土壤有机质及植物营养元素将会降低、肥力下降，势必对植物生长带来不利影响；3)自然灾害、虫灾、鼠灾及沙尘暴发频率增加。面对此情形，笔者认为应加强以下几个方面的研究：

4.1深入探究草原退化的动因关于草地退化的原因，主要认为是气候因素和人为因素共同作用的结果。在内蒙古牧区，放牧畜牧业无疑是而且将继续是内蒙古牧区的主要土地利用形式，家畜是生态系统中植被的主要控制者,系统内物流的出入失调和季节性的草-畜供求失衡和外界的气候变化都会引起草地退化，但这两者究竟孰是关键，其相互作用又如何，学术界还没有形成统一的认识。因此，面临退化的严峻形势，亟待从理论上探明上述问题，以为人们有效应对气候变化和人类活动的影响提供理论依据。

4.2加强对草原碳循环问题的研究人类扰动和气候变化的共同作用引起草地生态系统结构、功能的变化,草原生态系统的碳循环问题也已经成为研究的热点问题，但人们对此还没有形成完整、一致的认识，因此应积极开展关于草原固碳潜力、碳收支平衡、碳氮循环耦合特征等以及对气候变化和人类扰动响应的研究，以期从多方位、多尺度认识人类活动和气候变化对内蒙古草原的影响机制，明确不同类型草原对气候变化的响应机理，为人们更好地应对气候变化提供理论支撑和现实依据。

4.3深入研究人类活动对草原的影响，探索放牧利用优化调控机制放牧已是草地系统不可缺少的组成成分，是草与动物界面的关键活动，其对草地的作用是多方面、复杂的[67]。20世纪60年代，Ellison[68]在研究采食对草地的影响时就提出“采食有益于牧草和草地”的观点，直至80年代，Hilbert等[69]、Dyer等[70]、Edelstein-Keshet[71]通过理论和室内外试验，验证了优化响应的思想，即采食优化植物的生产，至此，放牧优化假说的观点逐渐形成。在内蒙古牧区，也需要积极地认识和掌握家畜与草地之间的相互作用规律，借助放牧利用优化调控理论，确定地区草地优化调控及利用的方法，充分利用第一性生产力(牧草生产)，提高第二性生产力(家畜生产)，制定并形成科学的放牧管理制度[72]，促进草原的可持续利用。

4.4深入对草原适应性管理的研究关于气候变化的科学研究，过去主要体现在气候变化的检测和预估方面。随着IPCC第四次评估报告的发表，如何有效减缓和适应即将发生的气候变化，将成为气候变化研究领域的重要议题之一[73]。对于内蒙古草原生态系统而言，适应气候变化则是一项现实、紧迫的任务。适应性管理自产生以来，受到了普遍关注和重视，应用领域越来越广，且近年来开始在草原领域得到应用，应重视和加快草原适应性管理在不同时空尺度的研究，为更好地应对气候变化，遏制草原退化，维持系统稳定并提高草原生产力水平奠定基础。

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