天山北坡主要草地生态系统净初级生产力对放牧响应的模拟与实证研究

There are significant differences in the natural environment, type, grazing management, and research methods of grasslands, which may results in broad controversies about whether grazing improves grassland productivity. There is lack understanding that under what natural environment and management grazing may improve grassland production. The project, therefore, plans to investigate the effect of grazing on grass ecosystems with a uniform process-based ecological model in the northern slope of Tianshan Mountains, where there are distinct differences in the climate and landform, grassland types, and grazing systems. Firstly we will improve representation of modeling about the grazing process and grazing effect and add them to Biome-BGC to develop a process-based model of Biome-BGC grazing. The model will be validated by the data from field observation and experiments inside and outside of enclosures. These data will be also used to validate the hypothesis that moderate grazing can promote above-ground primary production of grassland under water stress. The process-based model will be used to analyze the relationship between the compensatory growth of grass ecosystem and grazing system as well as mostly environmental factors based on the scenario simulations. Finally, the sustainable grazing systems will be put forward based on the analysis above. The study will promote the development in the field of biogeography and grassland ecology.

由于草地自然环境条件、草地类型、放牧管理和研究手段等方面的显著差异，科学家对于"放牧是否促进草地生产力"的观点存在很大争议，对在什么环境和管理条件下"放牧可提高草地生产力"缺乏认识。因此，本项目拟选择具有显著气候和地形差异、草地类型和放牧制度多样的天山北坡为研究区，基于野外观测试验，借助耦合了放牧过程的生态系统模型，研究放牧对草地生态系统初级生产力的影响。首先通过不同放牧强度下的生物量、叶面积指数和蒸散等生理生态指标的野外观测，检验"适度放牧可提高受水分胁迫草地的初级生产力"的观点是否成立；再将放牧过程与Biome-BGC模型耦合，构建Biome-BGC Grazing放牧机理模型，并校验模型对放牧生态效应模拟的精度；基于验证的放牧模型的多情景模拟，分析干旱草地生态系统补偿性生长与放牧制度和主要环境因子之间的关系，并提出草地可持续利用的放牧制度。本项研究将促进草地生态学和生物地理学的发展。

摘要：由于草地自然环境条件、草地类型、放牧管理和研究手段等方面的显著差异，科学家对于“放牧是否促进草地生产力”的观点存在很大争议，对在什么环境和管理条件下“放牧可提高草地生产力”缺乏认识。本项目以天山北坡为研究区，通过野外试验观测初步论证“适度放牧提高受水分胁迫的草地生态系统初级生产力”的假设是成立的。通过增加动物排泄物对草地土壤营养循环和植被碳循环的正面效应模块，进一步发展Biome-BGC grazing草地生态系统放牧机理模型，并验证了模型的有效性和精度。基于校验后的模型，模拟分析了放牧对干旱区草地碳水通量的影响，并提出适宜的放牧强度。主要研究成果包如下：.（1）利用2013-2016年天山北坡低山丘陵干草原乌鲁木齐永丰乡和2016年中山森林草甸菊花台刈割模拟放牧的实验观测数据，可初步验证立项时提出的“适度放牧可提高受水分胁迫草地的初级生产力”的假设，但放牧对不受水分胁迫的草地生态系统基本没有出现补偿性生长的现象。拟在2017年继续实验观测，进一步加强对结果的验证。利用低山丘陵的观测数据分析了天山北坡低山丘陵干草原生长季陆气水热交换特征。.（2）通过增加动物排泄物对草地土壤营养循环和植被碳循环的正面效应的内容，发展了的Biome-BGC grazing模型，新发展的Biome-BGC grazing模型对草地净初级生产力（NPP）、净生态系统碳交换量、土壤碳、植被碳、蒸散（ET）和土壤水含量具有较高的模拟精度。.（3）利用Biome-BGC grazing模型的分析了放牧对天山北坡不同海拔高度草地生态系统NPP、ET和水分利用效率（WUE）的影响。历史真实的放牧强度总体降低了草地NPP、ET和WUE。.（4）放牧导致新疆及中亚草地呈现碳释放的过程。情景模拟分析表明新疆合理的放牧强度为0.24头标准羊/公顷，中亚合理的放牧强度为0.23头标准羊/公顷。.本项研究深化了对干旱区放牧与草地生态系统相互作用机理的认识，丰富了草地生态学的内容，并对实现草地可持续发展具有重要的现实意义。