一种多维会计框架，用于解决青藏高原上的草地-畜牧业矛盾问题

《Global and Planetary Change》：A multi-dimensional accounting framework to resolve the grassland-livestock paradox on the Qinghai-Tibetan Plateau

　　张静|纳伊姆·艾哈迈德|穆罕默德·比拉尔·哈菲兹|穆罕默德·乌斯曼|周庆萍|侯福江|南志彪
中国-哈萨克斯坦草原生态 restoration Belt and Road 联合实验室；农业部与农业农村部草原畜牧业创新重点实验室，国家林业和草原管理局西北退化草地生态恢复与利用工程技术研究中心，兰州大学畜牧科技学院，甘肃兰州730020。

摘要
青藏高原的畜牧系统面临着自然草地容量有限与区域需求不断增加之间的关键矛盾。为了解决这一问题，我们开发了一个多尺度、逐步演进的核算框架，该框架整合了三种方法层次：基于基准的结构分析（天然草地与人工草地比例）、供需参数建模（牲畜饲料需求）以及能量流情景模拟（在不同体重损失下的总能量和可消化能量），以确定人工草地发展的合理规模。利用16年的轮牧数据和3年的刈割试验，我们首先根据10:1的天然草地与人工草地比例建立了保守的扩展基准，并根据当地生态和社会约束进行了调整。其次，我们基于长期的摄入量测量数据量化了牦牛和藏羊的冬季饲料需求，并将这些数据与人工草地试验的多次收获产量数据结合起来，计算出必要的扩展比例（1.05–2.31倍）。第三，我们使用饲料的总能量（GE）和可消化能量（DE）构建了能量平衡模型，并结合牲畜体重损失情景（从30%到0%），从能量代谢的角度评估了补充需求。结果表明，要达到更高的平衡水平，需要分别扩大2.19–8.57倍和2.92–10.75倍的人工草地。三种方法得出的结果一致，证实了需要多次扩展的必要性，这促使我们提出了一个以人工草地为中心、支持天然草地的同心空间布局。这一逐步量化的框架既为科学草地管理提供了实证支持，也为畜牧业向质量驱动的发展和未来“智能牧场”建设提供了理论基础。

引言
作为世界最高和最大的高原，青藏高原的草地生态系统是古北生态区的重要组成部分（Wesche等人，2016年）。它在维护区域生态安全、保持碳汇功能以及促进畜牧业可持续发展方面具有不可替代的战略地位（张等人，2025a年）。草地覆盖了青藏高原陆地总面积的60%以上（李等人，2024b年），使其成为对全球气候变化最敏感和响应最强烈的高山草地地区之一（孙等人，2024a年，孙等人，2024b年）。然而，目前草地与牲畜关系中的不平衡已成为制约该区域生态系统健康和畜牧业可持续性的核心瓶颈（张等人，2025b年）。历史上，青藏高原适应其脆弱环境形成了低强度的放牧模式，形成了相对稳定的草地-牲畜耦合系统（杨等人，2025a年）。然而，在过去几十年中，这种传统平衡被全球气候变化和人类活动加剧的双重压力所打破（杨等人，2025b年）。一方面，作为气候变化的“敏感放大器”，高原经历了显著的气候变化，表现为“变暖和湿润”，这直接改变了饲料物候、生长速度和群落结构，从而影响了整个草地生态系统的生产力和稳定性（王等人，2023年）。另一方面，长期存在的过度放牧问题日益严重，导致大约90%的草地出现不同程度的退化（贾等人，2023年）。这种退化表现为生态功能下降（如水分保持、生物多样性维持）和生产潜力降低，加剧了草地-牲畜冲突到前所未有的程度（杨等人，2023a年）。这种不平衡的直接后果是牲畜陷入了恶性循环，表现为“夏季肥壮、秋季肥胖、冬季消瘦、春季死亡”（黄和侯，2024年）。由于季节性饲料短缺，牦牛和藏羊的体重损失和死亡率极为严重，“饲料不足”成为生态保护、提高牲畜生产力和改善牧民生计的关键限制因素（李等人，2024a年）。最终，过度放牧是草地退化的首要人为因素，其根本原因与人口增长压力和资源使用的加剧密切相关。这种不可持续的消费方式加速了草地植被的破坏和土壤侵蚀，削弱了生态系统的服务功能（魏等人，2022年）。

面对严重的草地退化，传统的生态恢复措施（如表面刻痕、重新播种、施肥、灌溉）往往受到周期长和效果慢的限制，导致恢复速度落后于退化速度（黄和侯，2024年）。鉴于前述分析已确定草地-牲畜不平衡——由气候变化和过度放牧驱动——确定有效的干预策略变得至关重要。在这种情况下，发展人工草地成为打破这一僵局的关键途径。其核心功能是创建一个稳定、高产的饲料生产系统，从而“减压”并允许天然草地“恢复”，为自然生态系统的恢复创造必要条件（韩等人，2025年）。因此，人工草地的战略作用已从补充措施演变为协调生态保护和畜牧业发展的核心枢纽（葛等人，2024年）。关于人工草地作为治理工具的有效性的共识日益增强，这一趋势在宏观层面上得到了体现。在过去四十年中，青藏高原上人工草地与天然草地的面积比例从76.84:1显著优化为54.06:1（见补充材料中的图S1），相对于人工草地面积，对天然草地的压力减少了约30%。这一趋势由韩等人（2025年）使用30米分辨率的卫星数据记录下来，提供了人工草地在区域土地利用策略中作用扩大的定量证据。人工草地的多维效益已在生态、经济和社会层面得到了系统性验证，每个方面都直接解决了之前发现的草地-牲畜悖论的特定方面。从生态角度来看，人工草地直接缓解了过度放牧造成的退化。通过引入和选择耐逆境的饲料品种以及实施科学管理措施（如混合播种和轮牧），它们可以快速恢复退化地区的植被覆盖。韩等人（2025年）报告称，管理良好的人工草地可以减少30–50%的土壤和水资源损失。此外，孙等人（2024年）表明，人工草地可以提高20–40%的土壤碳封存效率，有助于减缓气候变化——鉴于青藏高原作为碳汇的角色，这是一个重要的协同效益。宁等人（2025年）进一步表明，将人工饲料整合到牲畜系统中可以将单位牲畜产品的甲烷排放量减少30%，解决了畜牧业的温室气体足迹问题。从经济角度来看，人工草地解决了导致冬季牲畜体重下降的饲料短缺问题——这是草地-牲畜悖论的关键体现。通过推广高产物种（如Elymus nutans）和采用多次收获管理，张等人（2025b年）表明，人工草地可以将饲料产量提高2–3倍。结合C:N:P营养调节技术，这种提高的生产力显著缓解了季节性饲料短缺问题。葛等人（2024年）量化了人工饲料的战略使用可以将牧民的冬季补充成本减少约30%，直接改善了牧民的生计，同时减轻了对天然草地的压力。从社会角度来看，人工草地的建设与旨在解决过度放牧的主要国家生态项目相辅相成。例如，“退耕还草”计划就将人工草地发展作为核心组成部分。裴等人（2025年）记录表明，这种整合通过生态保护岗位创造了就业机会，并促进了基于社区的参与式管理，同时为现代牧业文化的传承提供了物质基础。这些社会效益对于确保旨在解决草地-牲畜冲突的干预措施的长期可持续性至关重要。来自三江源地区的案例研究展示了人工草地的大规模转型潜力。2006年至2018年间，这个生态关键地区实施了大约569.84万公顷的草地恢复项目。董等人（2024年）进行了全面的成本效益分析，发现净效益——即生态系统服务的经济价值减去生态恢复支出——约为143.43亿美元。该案例表明，在综合政策框架内大规模实施人工草地，可以同时实现生态恢复和经济效益，直接解决了青藏高原畜牧系统的生态-生产悖论。总体而言，这些证据表明人工草地是实现青藏高原“生态安全”和“畜牧业振兴”的双赢策略。通过直接针对导致冬季牲畜体重下降的饲料短缺问题，同时提供生态和社会效益，人工草地为全球其他高山生态系统的可持续发展提供了一个可转移的科学范式和实际模型。

然而，青藏高原人工草地的当前发展仍面临一系列严重的科学和技术挑战。首先，适宜的饲料物种短缺是一个根本性限制，因为生态恢复工作长期以来一直受到“没有可用物种、建立困难、存活率低”的难题困扰（杨等人，2023b年）。尽管现有的种质库保存了超过8000个品种，但由于极端的高山环境，针对耐逆境品种的定向育种和基因调控技术仍然存在重大空白，导致商用种子的存活率较低（葛等人，2024年）。其次，广泛的耕作实践导致生态功能低下。研究表明，青藏高原现有的传统重新播种模型的能量转化效率低于典型草原的40%，远低于理想的生态模型（米等人，2025年），其土壤碳封存率仅为自然恢复草地的三分之一，因此未能充分发挥其碳汇潜力（米等人，2025年）。鉴于此，本研究旨在通过优化饲料物种选择，探索高效的人工草地建立模型，以最大化其对退化生态系统的恢复功能，从而为确定区域发展的合理规模提供科学依据。为了实现这些目标，本研究利用了青藏高原东南边缘一个研究站进行的16年控制轮牧试验，以及在相邻牧场进行的人工草地多物种刈割试验。这种设计使我们能够系统地获取天然草地和人工草地生态系统的第一手数据，以及实验牲畜（牦牛和藏羊）的生产性能。在此基础上，并以青藏高原当前的人工草地发展状况为基础，本研究首次从三个维度全面计算了人工草地的理论需求面积：草地面积比例、牲畜营养需求和系统层面的能量平衡，从而为其建立提供了指导原则。本研究通过关注人工草地建立的关键环节，旨在提供坚实的定量数据支持和一个高度可行的实际切入点，以缓解青藏高原上的草地-牲畜冲突。

研究地点
本研究在兰州大学玛曲草原农业实验站进行。该站点位于甘肃省甘南藏族自治州玛曲县，处于青藏高原的东缘（北纬33°40′，东经101°52′；海拔3700米）。该地区气候大陆性、寒冷且湿润，夏季多雨，冬季严酷，典型的高山草地特征。每年的无霜期很短，仅持续约115天。

探索青藏高原人工草地的建立和草地-牲畜平衡
为了在青藏高原实现平衡的草地-牲畜系统，首先需要确定人工草地与天然草地之间的理想面积比例。国际公认的可持续畜牧系统通常将这一比例维持在大约10:1。以这一基准，并考虑到当前高原约1:54的比例（见图3a），本研究构建了两个理论调节模型，以探索实现这一理想目标的途径。模型I（区域扩张）
建立人工草场对于缓解青藏高原上的草地-畜牧业失衡问题至关重要。青藏高原的畜牧业长期以来一直面临着一个核心悖论：自然草地的有限承载能力与区域粮食安全需求的不断增加以及牧民收入提升之间的尖锐冲突（Li等人，2024b）。传统的、依赖自然草原的广泛放牧模式极易导致过度放牧，进而引发一系列生态问题，包括草地退化、土壤和水资源流失以及生物多样性的丧失。

**结论**
本研究建立了一个全面的多维度核算框架，以应对青藏高原实现草地-畜牧业平衡这一长期存在的挑战。我们的研究超越了简单的单因素评估方法，将结构（区域比例）、物质（畜牧业需求）和能量（能量平衡）方面结合起来，形成一个完整的体系。主要研究结果及其含义如下：首先，我们的分析提供了有力的量化依据……

**作者贡献声明**
Jing Zhang：撰写——审稿与编辑、撰写——原始稿件、软件使用、项目管理、方法论、数据分析、概念化。
Naeem Ahmad：撰写——审稿与编辑、撰写——原始稿件、监督工作、方法论、调查研究、数据分析。
Muhammad Bilal Hafeez：撰写——审稿与编辑、撰写——原始稿件、软件使用、方法论、数据分析。
Muhammad Usman：撰写——审稿与编辑、撰写——原始稿件、项目管理、利益冲突声明。
作者们没有需要声明的利益冲突。

**致谢**
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2021YFD1300504）、国家自然科学基金（项目编号：2025YFE0212000）以及大学创新研究团队的支持（项目编号：IRT_17R50）。同时，我们也感谢Editage（www.editage.com）在英语语言编辑方面的帮助。