放牧通过减轻斑块效应导致的产量损失和提升土壤的多功能性，增强了混合耕作草地的可持续性

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Grazing enhances the sustainability of mixed cultivated grassland by alleviating patch-induced yield losses and improving soil multifunctionality

　　

李腾飞|张晓云|桑亚娟|侯富江

中国-哈萨克斯坦共建的草原生态恢复“一带一路”联合实验室，隶属于农业农村部、国家林业和草原局西北退化草原生态恢复与利用工程技术研究中心、兰州大学畜牧农业科学与技术学院，地址：中国甘肃省兰州市730020

摘要

土地利用方式和斑块化程度是影响人工草地生产力和土壤生态功能的关键因素。本研究在西北内陆干旱地区开展了为期四年的野外实验，研究对象为紫花苜蓿（Medicago sativa L.）和光叶 Bromegrass（Bromus inermis Leyss.）混播草地。实验探讨了不同草地利用方式（放牧和割草）以及斑块面积（P0，0–10%；P30，25–35%；P60，55–65%，例如：P0表示裸地面积与总面积的比例，范围从0%到10%）对牧草产量、土壤物理化学性质及草地多功能性的影响。与割草相比，放牧在所有斑块面积下均提高了4.76–34.65%的牧草产量，并提升了产量可持续性，但这种积极效应的程度随斑块面积的变化而异。在高斑块面积（P60）条件下，放牧相比割草可减少4.40–9.13%的产量损失，尤其是在湿润年份（2024–2025年）；而在低斑块面积（P0）条件下，放牧主要通过提高资源利用效率来增加产量。在不同草地利用方式下，高斑块面积（P60）显著降低了牧草质量，中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量增加了18.44–24.43%，同时降低了粗蛋白和醚提取物含量。放牧增加了土壤有机质（13.45–45.02%）、碱解氮（8.33–33.14%）和总氮（10.30–58.45%），并提升了土壤的多功能性。与割草相比，放牧显著提高了0–30厘米土层中的土壤多功能性（SMF，%）（P?P?

引言

草地覆盖了全球陆地表面的30%，占陆地生物量的10%以上，是陆地生态系统的重要组成部分。除了在畜牧业生产中发挥关键作用外，草地还在维持土壤健康、调节气候和保护生物多样性方面发挥着重要作用（Bardgett等，2021）。随着全球气候变化的加剧和人类活动的增加，草地退化已成为一个严重问题。人工草地（尤其是草豆混播草地）被视为一种重要策略，因为它可以将 biomass 生产量提高30–50%，粗蛋白含量提高15–25%（Li等，2025）。在西北内陆干旱地区，紫花苜蓿和光叶 Bromegrass 是两种广泛种植的牧草品种（Kamran等，2022；Kamran等，2023）。紫花苜蓿因其高粗蛋白含量、较强的耐旱性和固氮能力而被广泛栽培；光叶 Bromegrass 则是一种多年生草本植物，以其高适口性、较高的 biomass 产量以及与紫花苜蓿的共生能力而受到重视（Ning等，2024）。紫花苜蓿-光叶 Bromegrass 混播系统在河西走廊及周边干旱地区得到了广泛推荐和应用。因此，这种混播草地系统成为研究土地利用方式和斑块化程度对人工草地生产力及土壤功能影响的典型模型。然而，人工草地的可持续管理面临诸多挑战，尤其是草地利用方式（放牧和割草）与植被斑块空间格局之间的复杂相互作用尚未得到系统分析。

放牧和割草是主要的草地利用方式，它们以不同的方式影响草地生态系统的结构和功能。放牧通过牲畜进食、践踏和排泄直接或间接影响土壤养分循环和微生物活动，进而影响生产力和生态系统稳定性（Bestelmeyer，2006；Sheng等，2023）。相比之下，割草通过移除地上生物质改变了凋落物回归路径，长期割草会导致土壤总氮含量下降并加剧土壤结构退化（Li等，2022；Kamran等，2023）。研究表明，适度放牧可以促进植物补偿性生长，从而增加土壤有机质和氮含量，提升生态系统韧性（Zhu等，2024）。过度放牧则会降低植被覆盖度并增加土壤容重（Teague等，2011）。然而，放牧和割草在不同斑块面积条件下对混播草地生产力、营养质量和土壤多功能性的综合影响机制仍不明确。

植被斑块化是草地退化的重要指标。这种现象的形成和扩大通常会导致牧草产量下降、土壤资源空间异质性增加以及土壤多功能性和整体生态系统功能下降（Tilman等，2006）。斑块面积是评估植被空间分布的关键指标，它影响光照、水分和养分的重新分配，进而调节植物生长和资源利用效率（L?c?tu?u等，2024；Kamran等，2022）。近期研究主要关注斑块化对草地生态系统多功能性的影响，但多数集中在天然草地上。此外，人们对人工草地中斑块面积与利用方式之间的协同调控机制了解不足。

此外，气候因素（如温度和降水）是驱动草地生态系统过程的重要环境变量，它们与植被斑块化和管理方式的相互作用至关重要（Crowther等，2016）。在全球气候变化背景下，极端气候事件频发，降水模式和温度的波动对草地生产力和养分循环的影响日益显著（Harrison等，2020）。研究表明，气候变暖和降水变化将显著影响植物群落组成和土壤养分循环（Wang等，2023），以及牧草的营养价值。少数研究探讨了气候因素如何通过斑块面积与草地利用方式的相互作用影响牧草的营养价值和土壤物理化学性质（Qu等，2024）。因此，有必要系统研究不同草地利用方式（放牧、割草）在不同斑块面积条件下的相互作用，以了解其对牧草产量、营养价值和土壤多功能性的影响。

然而，放牧和割草在不同斑块面积条件下对混播草地生产力、营养质量和土壤多功能性的综合影响机制仍不清楚。我们假设，与割草相比，放牧通过调节年际气候变异性，能够在高斑块面积条件下缓解斑块引起的产量损失并维持土壤多功能性。这项为期四年的研究（2022–2025年）旨在系统探讨不同草地利用方式（放牧和割草）及斑块强度（P0、P30、P60）对紫花苜蓿（Medicago sativa L.）和光叶 Bromegrass（Bromus inermis Leyss.）混播草地牧草产量、营养价值、土壤物理化学性质及多功能性的影响。本研究评估了：（1）放牧和割草在不同斑块面积下对草地生产力和稳定性的调控作用；（2）斑块面积对牧草营养价值的影响及其与利用方式的相互作用机制；（3）土壤养分和多功能性对管理措施和斑块结构的响应特征；（4）气候因素与斑块面积在调节牧草质量和土壤性质中的相互作用。研究结果为理解人工草地生态系统的结构和功能调控机制提供了实证依据，也为优化草地管理和缓解草地退化提供了实践启示。

章节摘录

试验地点

本研究在临泽草业研究站（100°3′25″E，39°14′30″N）进行（图1），该地点位于祁连山-黑河绿洲-沙漠系统的核心区域。该地区属于大陆性温带干旱气候，气候干燥多风，降水量少且分布不均，蒸发率高，海拔1400米。年均降水量和温度情况见图2。试验用地的土壤为盐碱化草甸土。

草地利用方式和斑块强度对产量及实际产量损失的影响

结果显示，斑块面积（PA）和利用方式（GU）均显著影响牧草产量（P?P?=?0.003）（表1）。与割草相比，放牧在不同斑块面积下均显著提高了产量（P?

草地利用方式和斑块化对草地生产力和稳定性的影响

本研究发现，草地利用方式和斑块化显著影响了混播草地的牧草产量。放牧草地的牧草产量明显高于割草草地，这与放牧动物引发的生态过程有关。适度放牧可以去除衰老组织，改善冠层光照条件，并刺激植物的补偿性生长（Li等，2025）。动物通过排泄直接为土壤提供了养分。

结论

本研究阐明了草地利用方式和斑块面积对混播草地的协同调控机制。结果表明，与割草处理相比，放牧显著提高了牧草产量和可持续性，尤其在降雨量较大的2024年和2025年，有效缓解了实际产量损失。同时，放牧显著提升了牧草的粗蛋白含量和醚提取物含量。

作者贡献声明

侯富江：负责撰写、审稿与编辑、资金申请、数据分析。李腾飞：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据分析。张晓云：数据分析。桑亚娟：数据分析。

作者声明不存在可能影响本文研究的已知利益冲突或个人关系。

本研究得到了国家重点研发计划（2025YFE0212000）、甘肃省创新平台计划（26JDWA001）和教育部创新研究团队计划（IRT_17R50）的支持。

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