中国北方农牧交错带生态系统敏感脆弱、不稳定,其健康状况受多种因素影响,其中以放牧为代表的人类经济活动影响显著.高强度放牧是造成草地退化的重要原因,草地退化又是影响草原生态系统健康的关键因素.利用归一化植被指数和牲畜量量化放牧压力,并选取合理的模型探究放牧对于中国北方农牧交错带生态健康的影响,确定合理的放牧强度和策略,以实现草畜平衡和区域可持续发展.基于"活力-组织力-弹性-生态服务"(VORS)模型,构建起包括自然、社会等多方面的指标体系,评估了 2000-2015年北方农牧交错带的生态健康系统水平,并采用Moran's I探讨放牧压力和生态系统健康指数的空间相关性,并从普通最小二乘法、地理加权回归模型、时间加权回归模型和时空地理加权回归模型选择最优回归模型,揭示放牧压力对于生态系统健康的影响机制.结果表明:(1)2000-2015年放牧强度格局高值区域主要为内蒙古草原地区,低值区域主要为陕西高原地区.(2)2000-2015年中国北方农牧交错带的生态系统健康指数呈现上升趋势,区域整体处于亚健康状态和一般健康状态.(3)全局双变量Moran's I结果显示在2000-2015年呈现负相关影响关系,但影响力度在变小.(4)多种回归模型相比较,GTWR模型表现最优.2000-2015年,正向驱动空间集中在内蒙古、辽宁以及山西省区县;负向驱动空间集中在陕西省、甘肃等区域,同时影响强度持续增强.研究通过不同区县、不同的草原的反应状况,提出放牧政策的不同实施建议,致力于实现草原资源的可持续利用和生态系统的持续健康.

由于气候变化与人类活动的共同作用,青藏高原草地不断退化,草畜矛盾日趋严重,限制着高原畜牧业的可持续发展.夏季补饲可以加快牦牛生产速率、提高出栏率,减小草地放牧压力,是实现草地可持续发展的重要措施之一,但夏季补饲如何影响草地生态系统功能仍不明晰.以高寒草甸为研究对象,以牦牛为放牧实验家畜,设置夏季补饲放牧(FG)、传统重度放牧(TG)和禁牧(NG)3个放牧处理,每个处理设置3个重复.两年补饲试验后的结果表明:夏季补饲减缓传统放牧降低植物群落α多样性的趋势;夏季补饲与传统放牧均降低了植物群落生物量;传统放牧表层土壤pH和硝态氮均显著小于禁牧,但夏季补饲减弱了这些变化;夏季补饲显著降低了 20-30 cm 土层有机碳;夏季补饲增加了土壤表层磷含量.本研究表明夏季补饲放牧具有降低传统放牧压力的潜力,为保护和管理青藏高原高寒草甸生态系统提供重要的科学依据,并为改善牦牛的夏季饲养管理提供参考.

土壤微生物群落可以指示土壤质量变化,是土壤生态系统变化的预警及敏感指标.采用磷脂脂肪酸(PLFA)分析方法研究了高寒杜鹃灌丛草地不同强度放牧及围封后,土壤微生物群落结构特征的变化规律和响应.结果显示,高寒杜鹃灌丛草地土壤总PLFA量、细菌生物量、真菌生物量和放线菌生物量均随着放牧强度的增大而显著降低(P＜0.05).重牧灌丛草地,围封后的土壤总PLFA量、细菌生物量、放线菌生物量、G+/G-和压力指数显著高于放牧处理,而细菌/真菌比显著低于放牧处理;中牧灌丛草地,围封后的土壤总PLFA量、细菌生物量、细菌/真菌比显著高于放牧处理,而真菌生物量和压力指数显著低于放牧处理;轻牧灌丛草地,围封处理的土壤各生物量和生物量比值与放牧处理无显著差异.PLFA主成分分析表明:主成分一(PC1)主要包括14:0、15:0、10Me16:0和18:1ω9c等直链饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸,占PC1的53.68％;主成分二(PC2)主要包括由i16:0、16:1ω7c、i17:0、cy17:0、17:0、18:1ω9t、18:0和cy19:0等支链饱和脂肪酸和环丙烷脂肪酸组成,占PC2的51.34％;各处理样地土壤微生物群落结构相似;围封处理的响应程度大于放牧处理.相关性分析表明,土壤总PLFA量、细菌生物量、真菌生物量和放线菌生物量与土壤有机碳、全氮均呈极显著正相关,细菌/真菌比值与土壤有机碳、全氮呈极显著负相关.以上表明过度放牧降低了高寒灌丛草地土壤微生物活性,显著降低了土壤微生物生物量,适度放牧和围封可维持土壤微生物群落结构的稳定,围封有利于过度放牧草地土壤微生物的恢复.

高寒荒漠草地是青藏高原天然牧场的重要组成部分,对气候变化的响应敏感,且受放牧活动干扰较大,然而,目前仍缺乏数据解释气候变化与放牧对高寒荒漠草地生长的相对影响.西藏阿里地区的日土县,处于季风带和西风带的过渡区,形成以高寒荒漠草原为主的植被类型.基于西藏日土县2000-2016年间的MODIS遥感植被指数(NDVI),以牲畜存栏数(LN)作为放牧的关键指标,以气温、降水和标准化降水蒸散指数(SPEI)数据作为气候变化的指标,分析了研究区草地NDVI的时空变化格局以及气候变化与放牧对NDVI变化的相对影响,据此评估已实施的退牧还草生态建设工程效应.主要研究结果如下:1)2000-2016年间NDVI先减后增,总体呈现增加趋势,这与温度、降水、SPEI以及LN的变化密切相关,其中,LN对NDVI变化的影响相对更大;2)偏相关分析结果表明,退牧还草工程实施前(2000-2007),LN对NDVI变化的影响更大,而工程实施后(2008-2016),表现为SPEI对NDVI变化的影响更大.研究结果表明,高寒荒漠草地生态系统十分脆弱,在不同空间以及时间尺度受到气候变化和放牧活动的影响也有所不同.退牧还草工程通过控制牲畜数量,减轻放牧压力,在很大程度上遏制了该地区植被尤其是草原和湿地NDVI的降低趋势.

以绢蒿荒漠草地的优势种绢蒿、羊茅(针茅)、苔草为研究材料,探究其根际AM真菌和根系侵染率及季节性动态变化对放牧的响应.结果 表明:随放牧压力的增大,AM真菌孢子密度、物种丰富度和根系侵染率显著降低(P＜0.05),多样性指数在过度放牧的条件下显著(P＜0.05)降低;在同一放牧条件下,0～10 cm土壤层的孢子密度、物种丰富度和根系侵染率均显著(P＜0.05)高于10～ 20 cm和20～ 30 cm土壤层,多样性指数随土壤深度的增大差异性不显著(P＞0.05);不同的宿主植物对AM真菌的依赖性不同,即侵染率高低依次为绢蒿＞羊茅＞苔草;AM真菌孢子密度、物种丰富度和植物根系侵染率随季节的变化表现出一定的变化规律,三者均呈现“双峰”现象,在6月和9月分别达到峰值,与绢蒿荒漠草地植被的生长节律几乎同步;温度对AM真菌孢子密度、丰富度和侵染率的影响不显著,但降雨量对植物根系的侵染率有极显著(P＜0.01)的影响,随降雨量的增加侵染率极显著升高.

在宿主的寄生防御压力下,鸟类巢寄生者通常会进化出一系列有效的寄生行为以提高其自身的繁殖适合度.以往研究发现,部分巢寄生者可能具有类似人类的“放牧”行为,即通过破坏或捕食不适合寄生的宿主巢,促使其重新筑巢以获取新的寄生机会.然而,对于其野外行为事件的报道并不多见.2018年5至8月,在贵州六枝地区,通过对宿主北红尾鸲(Phoenicurus auroreus)的巢进行录像监控,首次记录到大杜鹃(Cuculus canorus)对正在孵卵的北红尾鸲的放牧行为.进一步查阅了大杜鹃寄生系统中已有的放牧案例,说明放牧行为很可能是大杜鹃普遍采用的一种寄生策略.

放牧压力在时间和空间的不均衡分布导致局部土地过度利用和生态退化,然而当前对放牧强度的量化多采用替代性指标或对照试验,缺乏直接监测数据,也缺乏不同草地类型对放牧强度变化的响应差异性研究.以西藏自治区那曲市为研究区,利用佩戴式GPS牛羊定位器构建高精度放牧轨迹数据集模拟放牧强度,构建栅格尺度放牧强度空间分布和划分方法,结合草地群落样方调查,通过Duncan法(Duncan's multiple comparative analysis)进行多重比较分析,探究自由放牧模式下高寒草甸和高寒草原两类区域植被和土壤对不同放牧强度的响应方式及差异性.本研究可为放牧行为环境效应监测提供新思路,并根据不同草地状况因地制宜提出放牧优化管理策略,助力高寒传统牧区的可持续发展.主要结论有:1)随着放牧强度的增大,高寒草原地上生物量先升高后降低,高强度放牧对高寒草原植被的影响大于高寒草甸.2)高放牧强度下,高寒草原土壤水分显著高于中低强度,高寒草甸土壤容重显著低于低强度.可能原因是放牧压力多集聚于水源附近.高寒草原区土壤的砂粒含量随放牧强度的增大而增加.放牧强度的增大导致草甸上层土壤有机质增加,草甸下层、草原上层、草原下层土壤有机质先增加后减小.草甸上下层土壤全磷含量在低放牧强度下显著低于中高强度.3)植被土壤变化受到自然因子和放牧活动的共同影响.高寒草甸更加耐牧,高强度放牧对高寒草原的负面影响更大,而中度放牧有利于草地尤其是高寒草原的放牧利用.4)放牧生态系统是一个环境-植物-家畜自适应系统.在放牧管理中不能仅通过控制载畜量缓解草地超载,还需要综合考虑生态系统的弹性及各营养级的适应性,合理配置放牧强度,控制季节性超载和局部超载.

放牧是草原的主要利用方式,但对牧草造成了一定的生物胁迫.面对生存压力,牧草会通过调节初级与次级代谢过程启动防御机制.该研究以内蒙古温带典型草原优势种植物为研究对象,通过测定其在5个放牧水平下不同营养器官中的次级代谢产物及木质素等含量,探讨大针茅(Stipa grandis)和羊草(Leymus chinensis)的各营养器官在防御机制中的角色及其碳氮权衡策略.结果表明:面对放牧胁迫,大针茅和羊草会产生大量的单宁、总黄酮、酚类以及生物碱等次级代谢产物,并以叶片为主要的合成及储存器官.中度放牧使羊草的化学防御机制得到较充分的诱导及表达.但二者地上部分木质素含量并无显著增加,因此,二者在避牧性机制上更倾向于化学防御而非机械防御.由于羊草有更高的氮利用效率,这使得羊草可以通过碳氮两种代谢途径进行防御,但大针茅在生长初期并不能将氮高效地分配到化学防御中.大针茅和羊草在生长初期面对轻度放牧胁迫,较多的资源仍然用于初级代谢,增加了植物耐牧性.因此,轻度放牧有利于提高牧草的碳氮资源利用效率、提高生态系统生产力及稳定性.

广泛分布在北疆的绢蒿荒漠作为重要的春秋牧场,承担着两季的放牧压力.由于该区域气候干燥,放牧家畜的粪便分解强烈依赖于各类粪甲虫.为确定绢蒿荒漠中粪甲虫数量的季节性变化及物种多样性特征,进行了野外调查和取样.结果 表明:在石河子紫泥泉种羊场典型绢蒿荒漠放牧地家畜粪便中采集到粪甲虫14797头;其中,捕获的金龟子分属3科19种,蜉金龟科10种,金龟科8种,粪金龟科1种;4-6月物种丰富度逐渐上升,6月物种丰富度最高,优势种为黄缘蜉金龟(Aphodius sublimbatus);春秋放牧季(4-5、9-10月)个体数量多于夏季(7-8月);其中,10月物种丰富度最低,但优势种直蜉金龟(Aphodius rectus)个体数量显著多于其他时间所有物种个体数量;对捕获到的19种金龟子进行DNA的提取及目的基因的扩增和测序结果表明,基于16S rRNA的分类结果与形态学分类结果一致;构建的进化树呈现2个明显分支:第一分支包含蜉金龟科10个物种,均属D型生态功能类群,物种的粪便处理方式在种间具有明显趋同性;第二分支包含了金龟亚科和粪金龟科的9个物种,从生态功能类群上看,存在7个T型物种和2个R型物种,Onthophagus gibbulus、Onthophagus nuchicornis、Gymnopleurus mopsus、Gymnopleurus flayellates虽然亲缘关系接近,但分属两个生态功能类群,在粪便处理方式上表现出种间趋异.

呼伦湖作为我国北方寒冷干旱地区内陆湖泊的典型代表,在涵养水源、调节气候、防风固沙及维系呼伦贝尔草原生态系统平衡乃至我国北方生态安全屏障等方面发挥着不可替代的作用.准确识别呼伦湖流域主要生态安全问题、完善其生态安全评价指标体系对于科学研判呼伦湖生态环境状况、维持区域可持续发展及精准实施底线管控政策具有重要意义.在遥感影像、地面调查、实验模拟等多尺度数据分析基础上,结合历史资料收集、专家咨询、部门访谈等方式分析识别了呼伦湖区域生态安全问题及成因:(1)气候暖干化及超载放牧等因素使得草地退化显著,土地沙化、盐碱化面积扩大;(2)草原退化增加了干草入湖、大气干湿沉降及水土流失等水环境污染负荷;(3)气候暖干化造成湿地萎缩,加之长期的过度捕捞等人类活动使得渔业资源枯竭、鱼类小型化特征显著,水生生态系统稳定性下降,蓝藻水华频发.在全面诊断分析区域生态安全问题的基础上,以山水林田湖草系统方法论为理论指导,以改善呼伦湖流域生态环境质量为核心目标,依据评价指标的针对性、科学性、可操作性及系统性原则,采用压力-状态-响应(Pressure-State-Response,PSR)模型,以气象条件、人口、水资源、水环境压力及人类活动等5个一级指标构成的压力子系统,以水环境状况、水生态状况、陆域生态状况、生态系统服务功能和敏感性、景观格局及生态风险等6个指标构成的状态子系统,以生态治理措施及生态治理投入等2个指标构成的响应子系统,共同组成了一套包含13个一级指标38个二级指标的天空地一体、陆湖统筹的生态安全评价指标体系,以期为呼伦湖及北方寒冷干旱区类似湖泊的生态安全评价研究提供借鉴.