生态系统服务功能价值评估—以锡林河流域天然草地生态系统为例

时空尺度和生态系统的健康状况是影响生态系统服务功能的重要因素。锡林河流域天然草地关键的地理位置和独特的生境条件使其具有十分重要的生态意义和经济价值。评估锡林河流域天然草地在不同时空尺度及生态系统健康状况的生态系统服务功能的价值，不仅能够全面客观的评价该流域天然草地的生态服务功能，而且还能够为当地经济政策的制定，经济的建设发展提供科学依据。 本研究以锡林河流域天然草地为例，通过对草地生态系统服务功能价值评估和计算机情景模拟，研究了不同空间尺度及放牧影响锡林河流域天然草地生态系统服务功能价值。对于不同空间尺度下草地生态系统服务价值的研究，根据草地的产草量和退化程度将锡林河流域天然草地划分成5个级别，利用Costanza等的基本思路和方法，进行了价值评估。结果表明锡林河流域草地生态系统每年的服务价值为76.154×108元。受各级草场的生产量和放牧强度的综合影响，健康程度不同的各等级天然草地的单位面积生态系统服务功能的价值存在着很大差异，从1级草地到5级草地，单位面积服务价值比重从38.1%下降到4.8%。参考国际、国内和锡林浩特当地三种不同的生态系统服务单价，计算得出这三种不同空间尺度下锡林河流域天然草场生态系统服务价值分别为：88.199×108元/年、76.154×108元/年、14.236×108元/年，并且各项服务功能在总价值中所占的比例也随空间尺度变化。以气体调节为例，服务价值的比重分别占3.7%、11.0%和7.9%，这说明生态系统服务功能的价值与空间尺度有关。 通过草地生态系统服务功能当量因子得到不同类型草地生态系统单位面积服务价值，研究放牧影响下各类型草地生态系统单位面积服务价值以及年平均累积服务价值。草地生态系统服务功能当量因子说明生态系统各项服务功能不仅与生态系统的生物量有关，同时受到生态系统内环境因子、生物因子、生态系统过程多方面因素的共同作用。最大直接经济价值放牧率大于生态系统服务功能最大时的放牧率，但是获得经济利润小于生态系统服务功能最大时的价值。同时，在各类草地生态系统中单位面积服务价值以贝加尔针茅草原最高为2242.347元/公顷，克氏针茅草原最低为1655.413元/公顷。草地生态系统的累积服务价值在时间范围一定时随放牧率变化明显，并且时间范围越大变化越大。重牧状态下的草地生态系统累积服务价值最低，且随时间的增加而减少;无牧、轻牧和中牧状态下草地生态系统的累积服务价值则随时间的延续而增长。以上结果说明放牧对草地生态系统服务功能有显著影响，以经济利益为目的获得最大利润的放牧方式带来的经济价值是短期的，从长远看，只有科学管理，合理放牧，才能使草地生态系统长期稳定的提供最佳的生态系统服务功能。

游牧文化、草地利用方式变迁与现代生态系统管理 — 以内蒙古锡林河流域为例

锡林郭勒草原位于内蒙古自治区中部，草地面积居我国11片重点牧区之首，是我国温带典型草原的核心分布区和重要的草地畜牧业生产基地。长期以来，锡林郭勒草原作为我国北方地区的一道重要的绿色生态屏障，有效地阻止了草原腹地的土壤侵蚀、沙化以及来自中亚和我国西部的沙尘侵害，对于维持整个华北地区，特别是京、津大都市的生态环境安全起着极其重要的作用。然而，近几十年来，由于人类活动的强度干扰锡林郭勒草原发生了严重退化，生产力显著降低，草原的生态服务功能日益衰减。本文以锡林郭勒草原传统的游牧文化和草地利用方式的变迁作为切入点，以锡林河流域为案例，深入分析了社会驱动力在草地退化过程中的主导作用，目的在于揭示土地利用方式的变化、农牧业人口的剧增和牲畜数量在时间和空间分布的变化趋势与锡林河流域草地退化的关系，进而探求锡林河流域草地畜牧业的可持续发展途径。同时，近年来由于草地退化速度的加剧和草地退化面积的不断扩张，以及世界许多资源保护计划和可持续发展项目的失败，人类原始的土著文化对当地生态环境的保护和维持作用，引起了自然和社会科学界共同的关注，本文应用草地调查和社会调查的方法以及GIS技术对锡林河流域草地退化时空分布规律及其成因进行了研究。 原始游牧是锡林郭勒草原历史悠久的草地利用方式，而草原游牧文化则是蒙古族传统文化的重要组成部分。随着人类社会不断地走向文明和现代化，传统的游牧逐渐地被半定居和定居定牧的方式所取代，蒙古族传统的草原游牧文化也随之走向衰落。本文采用社会调查方法对锡林河流域已经结束了50多年的游牧利用方式进行考察，探讨了不同土地利用方式时空格局，以及土地利用方式变迁对草地退化格局的影响，进而强调了传统的草原游牧文化对于人类的行为规范、价值观念、环境保护和维持生态系统功能的重要意义。 以1984年和2004年开展的大量草地调查数据为基础，结合同期的TM数据，分析了20年来锡林河流域草地退化程度及其空间分布，结果发现锡林河流域草地退化面积达到70％之多，从东南向西北草地退化程度明显加剧。同上世纪80年代中期相比，锡林河流域植被在近20余年来的变化状况表现为：局部恢复，部分地区变化不明显，总体上呈现出不断恶化的发展势头。通过对位于 锡林河流域的锡林浩特市及其邻近地区的社会驱动因子的分析，并应用统计学和GIS空间分析的方法，对锡林河流域土地利用、牧业人口和牲畜数量等因子在近35年来的变化过程进行了系统研究，发现土地利用变化、人口的急剧增加、以及过度放牧是导致锡林河流域草地退化加剧的主要原因。 在上述分析的基础上，以适应性生态系统管理和可持续性科学的基本理论为指导，对锡林河流域的生态环境保护和草地畜牧业的可持续发展提出了一些具体的建议和措施。

基于生态系统服务理论的草地可持续利用评价

草地退化不仅仅是今天中国才发生的事情。历史上曾经发生“黑尘暴”的美国North Dakota州，现在仍然有62.7％土地被用作耕作，林地所占面积仅仅占1％。私有制和种植业较畜牧业的高的利润率，是该州种植业比重高于畜牧业的重要原因。草原保护项目（CRP）得到了美国政府财政的大力支持， 在North Dakota州采用了以草地恢复为主的措施。美国发达的教育体系带来的高流动率，使得North Dakota州自30年代后居住人口稳定在60－70万成为可能，从而避免了我国出现的草原地区不断增加的人口压力。由此可见：草地作为重要的自然资源，不可能完全保护起来;没有其他配套措施，私有制可能会带来新一轮垦殖;草地畜牧业仍然是畜牧业的重要组成部分，畜牧业发展需要结合种植业尤其需要与饲料生产相结合。 依据生态系统服务的理念，首次发展了生态系统服务指数（ESI），试图通过对生态系统服务功能的综合考虑，提出科学的适宜放牧率的评价方法。本文利用美国北达科他州立大学中部草原研究站17年长期放牧试验数据，选取植物多样性Shannon-Wiener指数、地上净初级生产力、土壤表层含水量和单位面积家畜增重等四个指标，通过对不同指标分别赋予不同的权重，计算不同管理目标下ESI及其稳定性，并对单目标管理与多目标管理进行了比较研究。结果表明，对于北美混合普列里(Prairie)草地，围封不利用或建立自然保护区，虽然生态系统比较稳定，但既不能有效的提高植物多样性、初级生产力和土壤水分含量等生态功能，又没有畜产品产出;而在重牧或极重牧处理下虽然获得了较大的畜产品生产，但导致了草地生态系统的退化和较大的系统不稳定性。因此，这两种管理方式在实践中都是不可取的。应用生态系统服务指数综合考虑，认为应该权衡各项生态功能和生产功能，此时轻牧或中牧是最适宜的。因此，ESI的建立避免了单项指标的评价偏差，使得适宜放牧率的确定更加合理。 利用前面构建的多目标权重评价体系，结合内蒙古草原生态系统定位站放牧试验样地的数据，探讨了锡林郭勒盟定位站附近的适宜放牧率为2.67羊/ha，低于单目标条件下的每公顷绵羊4羊/ha。同时在经济学和生态系统系统服务理论的基础上，依据谢高地等人（2001年）的研究，并提出了环境税和生态补偿的标准，分别是每公顷15元和90元。

典型草原优势植物养分回收特性对养分和水分梯度变化的响应

养分回收是植物衰老时，养分从衰老组织向活的组织体转移的一种过程。该过程延长了养分在植物体内的滞留时间，提高了植物保持养分的能力，因此是植物适应养分贫瘠生境的策略之一。全球气候变化，包括降水格局改变和氮（N）沉降增加，改变了生态系统正常的生物地球化学循环，因此可能会对植物的养分回收特性产生影响。研究不同N、磷（P）、水梯度上，植物物种养分回收特性的响应格局，对于预测N沉降增加和降水格局改变对物种养分利用策略的潜在影响，具有一定的理论与实践意义。本研究以中国科学院植物研究所多伦恢复生态学实验站长期施N肥实验（0，1，2，4，8，16，32，64 g N m-2 yr-1等8个水平）为研究平台研究了克氏针茅（Stipa krylovii）群落中优势植物养分回收随N素添加梯度的变化，同时结合三个盆栽控制实验（施N肥实验：0，0.5，1，2，4，8，16，32，64，128 g N m-2等10个水平;施P肥实验：梯度同施N肥实验;控水实验：3600，4000，4500，5143，6000，7200，9000，12000，18000，36000 mL pot-1等10个水平），主要探讨了羊草（Leymus chinensis）养分回收效率（从衰老组织中回收转移的养分百分数，RE）和养分回收度（以枯叶中养分浓度衡量，RP）以及其它叶片养分特性(绿叶养分浓度和比叶面积SLA)对环境因子改变的响应格局。同时，我们还调查了枯叶C:N比和C:P比等参数，研究环境因子改变对凋落物分解的影响。 1）连续4年施N肥显著降低了五个物种叶片N素回收度（NRP），对P素回收度（PRP）的影响在各物种间差异较大，但低N提高了多数物种的PRP;物种间，冷蒿（Artemisia frigida）RP（枯叶N和P浓度分别为14.3±2.0 mg g-1和0.68±0.09 mg g-1）最低，砂韭（Allium bidentatum）（N：5.2±0.2 mg g-1，P：0.12±0.01 mg g-1）最高。沿施N梯度，N素回收效率（NRE）的变化趋势在物种间差异较小但在方法间（叶干重水平，叶面积水平和单株水平）差异较大，而P素回收效率（PRE）的变化在物种间和方法间差别都较大。叶干重水平和叶面积水平上，NRE在四个物种中表现出显著降低的趋势，PRE只在糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）和星毛委陵菜（Potentilla acaulis）中显著降低，其它三个物种变化不显著。单株水平上，所有物种NRE（除了克氏针茅）和PRE均与施N量梯度无显著性关系。物种间，砂韭的RE最高（＞80.0%），冷蒿和星毛委陵菜最低（＜60.0%）。方法间，叶片水平上的RE均高于单株水平上。沿施N肥梯度，两个禾本科物种SLA无显著变化规律，而其它三个物种SLA表现出先增加后变化不大的趋势。物种间，最高和最低的SLA分别表现在冷蒿和克氏针茅。沿施N肥梯度，五个物种C:N比呈先显著降低后缓慢降低的趋势。物种间，最大和最小的C:N比分别出现在砂韭和冷蒿。 2）盆栽施N肥实验中，一定范围内，施N肥显著提高了羊草地上地下生物量、SLA和绿叶N浓度，显著降低了C:N比、NRP、NRE和PRE，但对绿叶P浓度、叶片PRP和C:P比无明显影响。平均枯叶N浓度和枯叶P浓度分别为16.2 mg g-1和1.01 mg g-1，平均NRE和PRE分别为46.1﹪和58.1﹪。10月时，地下生物量和养分积累均高于地上部分。 3）盆栽施P肥实验中，一定范围内，施P肥显著地提高了羊草地上地下生物量、SLA、绿叶N浓度和绿叶P浓度，显著降低了C:N比、C:P比、NRP、PRP和PRE，但对NRE无显著影响。平均枯叶N浓度和枯叶P浓度分别为9.9 mg g-1和7.43 mg g-1，平均NRE和PRE分别为58.2﹪，平均PRE为56.1﹪。10月时地下部分生物量和N库积累均高于地上部分，而P库在两个部分间差别不大。 4）盆栽控水实验中，一定范围内，供水量增加显著增加了羊草地上地下生物量、SLA、NRP、PRP、PRE、C:N比和C:P比，显著降低了绿叶N浓度，但对绿叶P浓度和NRE无显著性影响。平均枯叶N浓度和枯叶P浓度分别为10.4 mg g-1和0.32 mg g-1，平均NRE和PRE分别为54.4﹪和76.8﹪。10月时，地下部分生物量和养分积累均高于地上部分。 以上结果表明，N、P和水分因子的改变影响了植物生物量和养分分配、叶片养分特性、养分回收能力以及枯叶分解质量等，且不同梯度影响程度也不同。因此，未来全球变化包括N沉降增加和降水格局改变可能影响植物养分利用策略和凋落物分解特性，进而可能对植被-土壤系统养分循环产生影响。

内蒙古典型温带草原植物功能群去除对土壤氮矿化的影响

由于人为因素导致的全球范围内的第六次物种大灭绝已经成为不争的事实，但人类还不清楚这种现象对生态系统功能的影响。在回答生物多样性与生态系统功能关系的问题上，补偿作用是一个争论的热点。为了阐明生物多样性对生态系统功能的影响，于2005年夏开始，在内蒙古温带典型草原开展了一个研究生物多样性与生态系统功能的物种去除试验。本研究是该项目的一部分。 元素循环是生态系统的重要功能之一，而氮素是限制草地生态系统生产力的主要因素，氮矿化是氮循环的关键步骤，因此，本研究重点讨论植物功能群对土壤氮矿化作用的影响，提出3点假设：1. 不同植物功能群对土壤氮矿化速率影响不同；2. 植物功能群去除前后氮矿化速率不同；3.植物功能群之间存在补偿效应。为了证明这些假设，于2006年9月、2007年6月和2007年8月份分别进行了室内培养（温度25℃，湿度60％田间最大持水量）用于测量氮矿化速率，同时于2007年6月和2007年8月份进行野外培养用于测量野外条件下的氮矿化速率，并在去除处理2年后得到以下主要结果： 1.　植物功能群去除数与土壤氮矿化速率呈单峰曲线关系（P<0.05），去除少量植物功能群氮矿化速率上升，去除更多的植物功能群后氮矿化速率下降； 2.　植物功能群去除数与土壤硝态氮含量呈线性正相关关系（P<0.0001），植物功能群的丧失加剧了土壤NO3--N的流失； 3.　多年生非禾草（PF）比其他植物功能群显著降低了氮矿化速率（P<0.05）； 4.　短期内（去除处理1年内）在凋落物回填的情况下，去除0个植物功能群与去除全部植物功能群的氮矿化速率无显著差异（P>0.05）； 5.　内蒙古温带典型草原在近3年内（2005、2006、2007）土壤碳库、氮库变化较小。