在气候变化背景下，实现土壤保护与草地利用平衡的可持续放牧策略

《European Journal of Agronomy》：Sustainable grazing strategies for balancing soil conservation and grassland utilization under climate change

草原生态系统退化与气候变化背景下，基于Biome-BGCMuSo模型构建土壤保持约束的可持续放牧策略框架，通过模拟2001-2100年陕西地区不同放牧强度与气候情景下的土壤侵蚀风险，提出北部干旱区每2-3年轮牧、其他区域年放牧强度0.99-3.24单位/公顷的优化方案，实现生态保护与资源利用的平衡。

　　

刘乐|陈云明|彭守章|韩庆功|吴阳

中国科学院水土保持与沙漠化防治研究所、水利部水土保持国家重点实验室，中国陕西省杨陵市，712100

摘要

由于气候变化和不可持续的放牧方式，草原生态系统正面临退化问题。然而，现有的策略未能解决未来气候情景下的土壤侵蚀风险。因此，我们提出了一个基于Biome-BGCMuSo模型的草原利用框架，以在土壤保护（SC）约束下制定可持续的放牧策略。该框架量化了不同放牧和气候情景下草原利用与土壤保护之间的权衡，以确定能够将土壤侵蚀控制在可接受范围内的最佳策略。应用于中国的一个代表性地区后，结果显示，从2001年到2100年，在自然条件下（无放牧），土壤保护程度在南方较高，而在北方较低。与当前时期（2001-2020年）相比，未来时期（2081-2100年），预计土壤保护程度将增加，同时土壤侵蚀强度将下降，这主要受降水影响。我们建议大多数子地区的年放牧强度应在0.99到3.24畜单位·公顷?2之间。然而，对于北部干旱地区的子区域1，在低排放和中等排放情景下，每2-3年放牧一次是可持续的。本研究提供了一个可转移的框架，可以在气候变化的同时实现草原的可持续利用和土壤保护。我们的发现为全球退化草原的可持续放牧策略制定提供了指导。

引言

草原是全球分布最广的植被类型之一，对自然和人类的福祉至关重要（White等人，2000年）。然而，加速的气候变化和加剧的人类活动，特别是过度放牧，已经严重改变了草原生态系统，导致广泛的土壤侵蚀、碳损失和生物多样性减少（Bardgett等人，2021年；Gibbs和Salmon，2015年）。全球变暖通过改变极端天气条件的强度和频率（如极高温度、强降水和干旱）加剧了这些影响，从而破坏了草原的生产力和土壤保护功能（Hou等人，2022年；Nandintsetseg等人，2024年）。同时，对畜产品需求的增加加剧了草原利用与生态保护之间的冲突（Maestre等人，2022年）。这些压力使得在气候变化不确定性下优化草原利用以满足社会经济需求与维护生态系统服务之间产生了紧张关系。迫切需要制定能够适应未来气候变化条件的可持续放牧策略。

许多研究表明，草原利用，尤其是过度放牧，会引发覆盖度减少、土壤侵蚀和养分流失的恶性循环，从而导致进一步的草原退化（Breidenbach等人，2022年；Peng等人，2018年）。然而，适度的放牧可以通过刺激补偿性植物生长来维持草原健康，从而最大化植物生产力，有利于实现可用草原的经济和环境效益之间的最佳平衡（Dastgheyb Shirazi等人，2021年；Wang等人，2022年）。然而，由于放牧管理实践与生态系统在气候变化下的长期复杂相互作用，以往关于放牧策略的研究主要包含了几种短期处理方式（放牧或非放牧），或者仅关注单一生态系统功能。在全面量化草原利用与关键生态系统服务（如土壤保护）之间的权衡方面存在相当大的知识空白，这可能导致放牧策略的建议存在缺陷（Dong等人，2021年；Maestre等人，2022年；Zanella等人，2021年）。因此，我们旨在开发一个草原利用框架，以促进气候变化下的草原生态系统的可持续发展。基于这一框架，我们提出了考虑未来气候变化情景和土壤保护约束的放牧策略，以实现草原的可持续利用与保护之间的平衡。

以往关于气候变化下放牧策略的研究面临资金限制，限制了不同放牧处理的时间和空间范围（Amorim等人，2020年；Lima等人，2024年）。这类研究可能无法准确捕捉不同时间和空间尺度上生态系统的长期变化，从而导致不合理的放牧策略的制定。此外，基于过程的建模可以通过基于不同管理目标在大空间和时间尺度上建立多个管理假设来帮助克服放牧研究中的成本限制。这些模型可以为提出考虑多目标权衡的可持续放牧策略提供基础，通过对气候变化下不同放牧策略对生态系统的动态影响进行长期评估（Zhu等人，2023年）。为了解决以往研究的局限性，并进行长期多情景分析以量化草原利用与土壤保护之间的权衡，我们采用了基于过程的建模方法。然而，必须使用实地数据来验证模型输出并确保模拟结果的可靠性（Peng等人，2019年；Teague和Kreuter，2020年）。此外，使用遗传算法等方法校准参数（Wang，1997年）可以提高模型模拟的准确性（Liu等人，2021年；Liu等人，2024年；Wang等人，2023年）。最近，基于过程的模型，如反硝化-分解模型（Wang等人，2022年）、CENTURY模型（Liu等人，2024年）和Biome-BGCMuSo模型（Wang等人，2025年），已在放牧研究中得到广泛应用。Biome-BGCMuSo模型包括八个管理模块，用于管理农田、草原和森林，可以用来分析不同管理陆地生态系统对环境变化的响应（Hidy等人，2022年）。尽管该模型已在关注碳通量的放牧研究中得到验证（Huang等人，2021年；Li等人，2022年），但草原利用与土壤保护之间的多目标权衡尚未得到探索。因此，我们旨在利用Biome-BGCMuSo模型构建一个明确量化这些关键权衡的框架，从而支持制定平衡生产力和环境保护的可持续放牧策略。

在中国，草原退化在20世纪60年代加速，到20世纪末，中国西北部、北部和东北部的90%的草原已经退化（Liu和Diamond，2005年）。陕西省位于中国西北部，草原面积约占全省面积的11%（Gao等人，2022年）。该地区经历了严重的土壤侵蚀（Li和Wang，2020年）。自从中国政府颁布相关法律法规并实施生态恢复项目（例如退耕还林计划）来保护和管理草原以来，陕西省的草原面积显著增加，草原退化的趋势得到了有效遏制（Wang等人，2023年）。然而，草原生态系统的质量和稳定性在不同地区存在差异，某些地区的退化仍然持续（Hou等人，2022年）。此外，随着经济和社会发展的加速，草原保护与利用之间的冲突变得越来越突出（Yu等人，2023年）。因此，在本研究中，我们选择陕西省作为一个代表性地区，使用Biome-BGCMuSo模型提出一个草原利用框架。我们的主要目标是提供考虑气候变化下土壤保护的可持续放牧策略。为此，我们首先校准了Biome-BGCMuSo中的敏感参数，并通过模拟碳和水通量来验证模型准确性。随后，我们模拟了草原土壤保护功能对当前和未来气候变化条件的响应，并分析了影响因素。最后，我们提出了一个草原利用框架，以量化利用与保护之间的权衡。基于这一框架，我们确定了能够在保持土壤保护的同时最大化草原利用的可持续放牧策略。该框架为未来关于气候变化下草原保护和利用策略的研究提供了参考。

研究区域

研究区域

陕西省位于中国内陆（东经105°29′–111°15′，北纬31°42′–39°35′；图1），由于其较大的纬度跨度，其北部和南部的气候存在显著差异。从北到南，气候从温带半干旱和湿润逐渐转变为暖温带半湿润，再到北亚热带湿润。草原面积约为221万公顷，在中国草原覆盖率中排名第八。草原类型主要为

参数校准和验证

我们选择了40个最敏感的参数进行校准。如表3所示，与原始参数相比，校准后的参数集在模拟关键变量（LAI、GPP和ET）时显著提高了模型性能。具体来说，所有变量的RMSE和PBIAS值都有显著降低，而r和NSE值则显著增加。此外，校准后三个模拟结果的决定系数（R2）也有所提高

讨论

我们的研究表明，从2001年到2100年，在自然条件下（无放牧）的草原土壤保护功能表现出显著的空间异质性，南部的土壤保护程度较高，而北部较低（图4），这与陕西省地形延伸造成的水热梯度一致（Han等人，2022年；Wang等人，2022年）。与当前时期相比，我们在大多数气候情景下发现未来的土壤保护程度总体呈上升趋势（图5）。

结论

草原生态系统的可持续发展面临着气候变化和过度放牧带来的挑战，草原保护与利用之间的冲突也变得越来越突出。在本研究中，我们选择了中国西北部的典型半干旱地区陕西省作为一个代表性地区，并使用基于过程的生物地球化学模型（Biome-BGCMuSo）提供了一个可靠的框架，用于制定考虑土壤保护约束的可持续放牧策略

作者贡献声明

吴阳：方法论、数据管理、概念化。刘乐：写作——审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、方法论、调查、数据管理、概念化。陈云明：写作——审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念化。彭守章：写作——审稿与编辑、项目管理、方法论、资金获取、概念化。韩庆功：方法论、数据管理、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们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

本工作得到了国家自然科学基金（U2243226，42077451）的支持。