《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Global-to-regional variations in the effects of grassland management on soil carbon
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禁牧措施对全球及中国内蒙古草原土壤有机碳和植被特性的多尺度影响分析表明，长期禁牧（>30年）显著提升土壤有机碳（平均增加23.4%），促进植被生物量、覆盖度及土壤水分等指标恢复，但物种丰富度仅在适度禁牧（10-30年）时显著增加。研究揭示禁牧效应存在尺度依赖性，全球尺度以气候和土壤交互作用主导，而内蒙古局部尺度显示植被响应与土壤碳固存分离。本研究为精准化草原管理策略提供科学依据。
作者列表：习林 | 张胜伟 | 阿尔弗雷多·韦特 | 陈汉义华 | 赵洪斌 | 何秦西 | 吕胜伟 | 张倩 | 张晓朵 | 张晓峰
内蒙古农业大学水利与土木工程学院，中国呼和浩特 010018
摘要
全球气候变化正在改变陆地生态系统中的碳循环，并对草原的碳储存能力构成挑战。作为关键管理策略的禁牧措施及其背后的尺度依赖性机制值得进一步研究。我们构建了一个多尺度嵌套分析框架，用于中国-内蒙古地区及全球范围，系统评估在不同环境条件下禁牧对土壤碳含量和植被特性的影响。基于元分析，我们发现与持续放牧相比，禁牧使土壤有机碳含量平均增加了23.4%；长期禁牧（>30年）对土壤有机碳的正面影响最为显著。禁牧显著促进了全球草原植物生物量、覆盖度以及土壤特性（包括土壤有机碳、总氮、有效磷、土壤含水量和容重）的持续恢复。然而，物种丰富度呈现出明显的时间规律，在适度禁牧期间（10-30年）出现显著增长。在全球和中国范围内，短期禁牧（0-10年）期间，土壤有机碳（SOC）和土壤含水量（SWC）均对植被丰富度有积极影响。在内蒙古，详细分析显示土壤和植被响应存在脱钩现象：禁牧显著改善了植被恢复，但并未显著改变SOC，这凸显了局部尺度上的复杂生态过程。总体而言，我们的发现表明禁牧效应具有全球普遍性，并揭示了其尺度依赖性机制，为制定适当的适应性草原管理策略提供了科学依据。
引言
作为重要的土壤碳库，草原由于其独特的植被特征和根系分布模式，在土壤碳储存和循环中发挥着关键作用（Bardgett等人，2021年；Liang等人，2025年）。然而，草原生态系统的退化现象普遍存在且日益严重，全球高达49%的草原面积遭受了不同程度的破坏（Zhang等人，2025年）。禁牧可以为全球退化草原的生物多样性恢复提供一种低成本的解决方案，同时也是增加草原土壤有机碳的关键管理策略（Bai和Cotrufo，2022年；Bar-On等人，2025年）。目前，关于禁牧对土壤有机碳和生态系统功能影响的研究已在不同生态环境中展开（Huang等人，2025年；Spohn等人，2025年）。然而，人们对禁牧对土壤有机碳响应的全球模式及其变化来源仍缺乏深入理解，这限制了我们在不同环境条件下预测禁牧管理效果的能力。尽管已有研究揭示了禁牧的复杂且有时矛盾的结果（Huang等人，2025年；Kinsbergen等人，2025年；Orefice等人，2025年），但经典草原管理理论认为适度放牧有助于维持草原稳定（Zhan等人，2020年），而实验研究表明禁牧可以有效促进植被恢复和地上生物量积累（Cao等人，2024年）。例如，适度放牧可使土壤有机碳含量比重度放牧增加13-18%（Mcsherry和Ritchie，2013年）。然而，对内蒙古草原的长期观察发现，虽然短期禁牧（0-10年）能迅速改善植被群落结构，但其对土壤碳含量的长期影响仍存在争议（Lin等人，2024年；Zheng等人，2023年）。这些研究结果的差异性凸显了进行全球范围综合分析的迫切需求。尽管在揭示草原管理对土壤碳动态影响方面取得了显著进展，现有研究仍存在局限性，大多数研究仅限于单一空间尺度，缺乏跨尺度的系统比较分析，难以揭示不同尺度下的管理响应和调节机制差异（Borer等人，2017年；Mishra等人，2021年）。此外，现有研究往往忽略了生态系统异质性对管理效果的调节作用，特别是在不同气候区、草原类型和土壤条件下，相同的管理措施可能产生截然不同的结果（McGranahan等人，2018年；Wu等人，2025年）。最重要的是，目前尚缺乏统一的分析框架来整合不同空间尺度的研究结果（Shi等人，2024年；Sun等人，2025年），这阻碍了针对性草原碳管理策略的制定。为了系统揭示草原管理模式对土壤碳储存影响的尺度差异，我们采用元分析方法整合了全球和中国不同尺度的草原研究数据，并结合内蒙古草原的观测数据，构建了一个跨尺度分析框架。我们关注以下科学问题：（1）禁牧、气候因素、植被特性（如土壤质地、pH值）和地形因素在不同空间尺度（全球尺度、中国区域尺度和内蒙古局部尺度）对土壤碳含量的影响是否存在显著差异？（2）是否存在普遍的控制模式和特定于尺度的机制？（3）禁牧如何改变土壤碳和植被群落的组成与功能？哪些土壤功能受到最广泛土壤和气候类型的影响？我们假设草原管理对土壤碳含量的影响具有尺度依赖性的层次控制机制：在较大尺度上，气候因素、气候与土壤母质、质地和地形的相互作用在调节禁牧响应中起主导作用；而在局部尺度上，特定环境条件和管理措施的直接影响更为显著。与以往的单尺度研究不同，我们的综合跨尺度框架首次量化了这些控制因素的相对重要性在不同尺度上的变化，并确定了尺度转换的关键阈值。我们的研究将为全球变化背景下的草原生态系统可持续管理提供重要科学依据，并为实现碳中和目标下的草原碳汇功能优化提供决策支持。
数据收集与筛选
我们进行了文献元分析，使用Web of Science、Google Scholar和中国国家知识基础设施（CNKI）检索了1990年至2025年3月的相关同行评审文章和论文，关键词组合包括：TS = （放牧* AND （植被* OR 植物*） AND （土壤物理和化学性质* OR 土壤水分* OR 土壤有机碳* OR 土壤总氮* OR 土壤容重* OR 土壤质地* OR 土壤
禁牧对全球草原土壤和植被的综合影响
禁牧在全球范围内对草原生态系统产生了系统性正面影响，但影响强度在不同指标间存在显著差异，反映了生态系统恢复的复杂性和阶段性特征。地上生物量（AGB）的反应最为强烈（平均增加54.03%，95%置信区间：36.56–71.51%），这一结果超出了传统生态学的预期，因为通常认为地下过程恢复速度较慢
禁牧下全球范围内土壤有机碳和生物量恢复的尺度模式
我们的综合分析表明，禁牧在全球、国家和区域尺度上有效促进了草原生态系统的恢复。然而，其效益的大小及其背后的机制因空间背景和禁牧持续时间而异。这些发现表明，虽然禁牧是恢复土壤碳、水分可用性和植被结构的有效策略，但其对生物多样性的影响仍需进一步研究
结论
本研究通过元分析探讨了全球禁牧对土壤碳封存的多尺度影响。我们发现禁牧显著促进了土壤有机碳的积累，但存在明显的尺度依赖性效应。长期禁牧对土壤碳的影响最为显著（33.1%），且影响随禁牧时间的延长而增强。全球范围内的效应最为一致和显著。
作者贡献声明
张倩： 数据整理。
吕胜伟： 数据整理。
张晓峰： 数据整理。
张晓朵： 数据整理。
习林： 写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法论设计、调查、数据分析、概念构建。
阿尔弗雷多·韦特： 写作 – 审稿与编辑、监督、概念构建。
张胜伟： 写作 – 审稿与编辑、监督、资源获取、方法论设计、资金申请、概念构建。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了内蒙古自治区自然科学基金（2024ZD08、2025MS03032、2025YQ029）、国家自然科学基金（52279017、32360025）、内蒙古自治区科技计划项目（2025YFDZ0008、2025YFDZ0037）、内蒙古自治区水资源科技项目（NSK202405）以及内蒙古自治区高校创新研究团队计划的支持。
