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青海大学高寒草地适应性管理研究团队在放牧生态系统研究方面取得系列进展

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   董全民研究员带领的高寒草地适应性管理团队国家自然科学基金—区域创新发展联合基金“基于草畜平衡的高寒草地放牧系统界面调控机制研究”和青海省基础研究计划—创新团队项目“基于生态系统多功能性的高寒草地放牧管理研究”等项目支持下,广泛吸收国内外科学家对草地管理概念和内涵的探索及认识,将适应性管理(adaptive management)的理念应用到高寒草地的管理中,提出了高寒草地适应性管理的概念,即基于高寒草地类型及当前状态,遵循土壤-植物-生物系统内各界面的结构、过程以及规律等特征,充分考虑环境要素(气候变化和人类活动)的复杂性和多变性,以结构稳定、生态系统服务和功能持续输出为目标实现高寒草地可持续发展和动态管理过程(图1),并在近年内取得一系列研究进展,相关成果发表在《科学通报》《生态学报》《植物生态学报》《应用生态学报》《草业学报》和Catena, Agriculture Ecosystems & Environment, Journal of Integrative Agriculture, Plant and Soil, Science of the Total Environment, Frontiers in Plant Science, Frontiers in Microbiology, Ecology and Evolution国内外主流期刊上。

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图1 高寒草地适应性管理概念图

放牧家畜主要通过其选择性采食、践踏和排泄物返还等途径直接或间接影响高寒草地植物、土壤、微生物特征变化,进而调控高寒草地生态系统的结构和功能稳定性。鉴于此,团队基于青海大学高寒草地-家畜系统适应性管理技术平台https://ghcd.agiot.cn/分别设置了放牧方式(牦牛单独放牧、藏羊单独放牧、牦牛和藏羊分别以1:2、1:4、1:6比例混合放牧)和放牧强度(不放牧、轻度放牧、中度放牧、重度放牧)的控制试验,系统探讨了放牧活动调控高寒草地生态系统结构和功能变化的主要机制。

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2 青海大学高寒草地-家畜系统适应性管理技术平台定位和目标

通过研究发现,相较于牦?;蛘卟匮虻ザ婪拍?,中等放牧强度下二者混合放牧对于高寒草地生态系统具有显著的生态优化效应,特别是牦牛和藏羊以1:2的比例混合放牧时。具体而言,牦牛和藏羊以1:2混合放牧不仅能够提高高寒草地地上净初级生产力和放牧家畜单位面积增重,还能通过重塑植被-土壤-微生物互作网络维持生态系统稳定性。其作用机制主要体现在三个方面

(1)在植被系统中,放牧活动会显著驱动高寒草地优势种矮嵩草的生态适应策略。中等放牧强度下不同放牧方式会激活优势种的资源分配模式,促进有性繁殖器官(有性茎数量、种子产量及大小)的生物量投入,而单条生殖枝质量是调控种子数量-大小权衡分配的关键性状。此外,资源分配模式的改变也会通过调节物种个体间距使种内关系由竞争关系转向协作关系,从而形成利于种群延续的生态策略。长期不同放牧家畜放牧虽会导致植物小型化趋势并改变高寒草地的关键种类型,但牦牛与藏羊混合放牧却可以促进小型化植物群体的功能补偿效应进而显著提升植物群落功能多样性和群落稳定性,以优化植被群落结构?;旌戏拍料赂吆莸鼐怀跫渡Υ锏椒逯?,较单牧系统提升显著,进一步验证了高寒草地地上、地下生物量的最优分配理论。相关成果发表在《生态学报》《植物生态学报》和Catena, Journal of Integrative Agriculture, Frontiers in Plant Science。

(2)在土壤系统中,放牧能够通过改变土壤理化性质深刻影响生态系统功能。藏羊单牧虽然能够显著提高高寒草地速效氮、磷含量,但伴随固氮菌丰度下降和氮代谢功能基因衰减,长期进行藏羊单独放牧利用会在一定程度上加剧生态系统氮限制风险。相较之下,牦牛和藏羊混合放牧处理,尤其是以1:2的比例混合放牧能够显著提升微生物碳库并降低植物群落碳库,从而有效维系土壤碳、氮磷含量的动态平衡,并通过土壤质量分数与植被功能性状协同调控作用提升高寒草地的生态系统多功能性。此外,轻度放牧能够显著促进土壤节肢动物群落的稳定性,而中等强度下的混牧能够通过优化土壤湿度、pH值等关键参数,形成对微生物多样性更友好的微生境。相关成果发表在《植物生态学报》《应用生态学报》和Agriculture Ecosystems & Environment, Science of the Total Environment, Frontiers in Plant Science, Frontiers in Microbiology。

(3)在微生物系统中,放牧活动会对微生物群落的调控呈现出菌群特异性。具体而言,细菌群落β-多样性会在放牧干扰下呈现出上升趋势,而真菌群落β-多样性则反之,但真菌群落对放牧干扰更为敏感。藏羊单独放牧会显著提升真菌群落中麦角菌科丰度,但会降低线菌门丰度,而混合放牧则能有效维持微生物群落的结构稳定性。根际微生物研究进一步揭示,混牧能够通过调控土壤碳氮循环关键酶活性,以减少反硝化基因丰度损失,并强化根系-微生物互作对碳封存的促进作用。宏基因组分析表明,混牧条件下变形菌门、子囊菌门等功能菌群占比优化,能够有效支撑氮代谢、有机质分解等核心生态过程。此外,混牧处理也能有效优化高寒草地土壤节肢动物群落结构。相关成果发表在《应用生态学报》《草业学报》和Plant and Soil, Science of the Total Environment, Ecology and Evolution, Frontiers in Plant ScienceFrontiers in Microbiology上。

通过植被-土壤-微生物系统的协同调控,中等放牧强度下牦牛与藏羊1:2混合放牧模式以优化植物群落结构、维系土壤养分动态平衡、维持微生物功能稳态的三维联动机制,对如何提升高寒草地生态系统的多功能性与可持续性,以及高寒草地适应性管理策略的制定提供了科学依据。