短期禁止放牧使得草地生态系统的稳定性从受非生物因素的限制转变为多种因素之间的协同作用

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Short-term grazing exclusion have driven the stability of grassland ecosystems to shift from abiotic constraints towards multi-factor synergistic interactions

内蒙古草原短期禁牧显著提升植被生物量（增加1.9-3.8倍）和土壤氮含量（增幅达2.9-3.5倍），生态系统稳定性驱动因素从气候主导转向植被生物量与多样性协同作用，根养分仍具关键阈值效应。

　　

李美瑞|冯玉超|陈继炎|韩凤鹏|罗朝毅

中国科学院与教育部水土保持与生态环境研究中心，中国陕西省杨陵市712100

摘要

在全球气候变化的背景下，维持草原生态稳定性对于支持草原的可持续发展至关重要。然而，我们对短期禁牧对草原生态稳定性影响的理解仍然有限。本研究在内蒙古草原的九个样地进行了短期禁牧实验，在禁牧期和禁牧结束后收集了土壤和植被样本，并同时进行了植被调查。通过将野外测量数据与放牧期（2011–2015年）和禁牧期（2016–2019年）的增强植被指数（EVI）数据相结合，我们研究了短期禁牧对草原生态稳定性的影响。研究结果表明，短期禁牧显著促进了植被生长和土壤养分积累：地上植被生物量增加了1.9–3.8倍，土壤氮含量增加了2.9–3.5倍。短期禁牧增强了植物多样性、根系养分积累与生态系统稳定性之间的正相关关系。随着放牧干扰的消除，生态系统稳定性的驱动因素发生了变化：在放牧期间，气候是主导因素，而根系养分起次要作用；禁牧后，气候的影响减弱，生物量和植物多样性的积极作用增强，尽管根系养分仍然至关重要。在内蒙古草原的放牧制度背景下，有利的气候是生态系统稳定性的主要驱动力，而根系养分构成了最关键的阈值。短期禁牧改变了之前由气候主导的生态系统稳定性框架。

引言

全球气候变化导致极端天气事件（如干旱、强降水）的频率和强度显著增加（IPCC, 2021）。这些事件扰乱了草原植被的生长周期，减少了光合有效辐射的吸收和水分利用效率，从而对草原发展造成持续的压力（Grime等，2000；Bai等，2004；Fu等，2021）。作为陆地生态系统中最重要的碳汇之一，草原在全球气候调节中发挥着关键作用（Bossio等，2020；Bai和Cotrufo，2022）。然而，草原植被的破坏直接降低了其碳封存能力，这是一种关键的自然生态系统服务（Bardgett等，2021）。在这种背景下，确保草原稳定性——即抵御压力并维持关键功能的能力——已成为草原管理的首要任务（Dey等，2024）。生态系统的时间稳定性是指其属性在时间序列中保持稳定的能力，通常通过初级生产力的时间稳定性来衡量（Tilman，1996；Craven等，2018；Zhang等，2022；S. Wang等，2024）。近年来，随着全球气候变化的加剧，草原生态系统的稳定性受到了越来越多的关注。研究表明，生物和非生物因素都是这一过程中的关键驱动因素（Wang和Loreau，2016；Hong等，2022；Kinsbergen等，2025）。研究证明，作为主要生产者的植物多样性通过影响能量流动和物质循环等关键生态过程来增强生态系统稳定性（Wang和Loreau，2016；Hong等，2022）。同样，气候条件和土壤性质等非生物因素对于维持生态系统稳定性也至关重要（Ren等，2023）。作为中国重要的生态屏障和主要牲畜生产区，内蒙古草原在维护区域生态安全和促进当地经济增长方面发挥着关键作用。

大约49%的全球草原经历了不同程度的退化（Bardgett等，2021）。同样，内蒙古草原在过去几十年中也经历了显著的退化，表现为植被覆盖减少、土壤侵蚀加剧和生物多样性下降（A等，2016；Huo等，2024；Jiang等，2025）。这种退化不仅损害了生态系统功能和服务，还影响了依赖草原的牧民生计和区域经济（Lyu等，2022；Zhu等，2021）。放牧是草原退化的主要人为因素，而全球气候变化进一步放大了放牧的影响，使草原生态系统对放牧压力更加敏感（Gong等，2022；Niu等，2025）。此外，草原生态系统对资源富集的反应随放牧强度而变化，过度放牧会降低生态系统稳定性和生产力（Jiang等，2024；Shen等，2025）。为应对这些挑战，全球各地探索了各种草原管理策略。其中，禁牧在许多国家（如中国、蒙古、阿根廷）成为首选措施，因为它操作简单且成本效益高，旨在减轻放牧压力并促进自然植被恢复（Liu等，2019；J. Cao等，2023；Hou等，2024；Miao等，2024）。然而，目前尚不清楚实际的草原管理变化是否会改变生物和非生物因素对生态系统稳定性的影响。

短期禁牧通常指持续时间较短的围栏措施（例如1–5年）。短期禁牧通过迅速增加草原植被的高度、覆盖度和地上生物量来提高植被群落的生产力和稳定性（Kouba等，2021）。它还改善了土壤的物理和化学性质，如增加土壤通气性、储水能力和土壤养分（Wang等，2021；W. Cao等，2023）。短期禁牧可以作为一种“压力测试”，帮助评估草原生态系统的恢复力和韧性，以便制定更科学的关闭措施（Hoover等，2014）。如果生态系统能够在短期禁牧后迅速恢复并保持稳定，那么它就具有很强的适应能力（Bathiany等，2024）。然而，大多数研究都集中在长期放牧或长期禁牧对草原生态系统的影响，以及短期和长期禁牧处理之间的差异上（Zhou等，2012；H. Wang等，2025）。相比之下，生态系统稳定性及其生物和非生物驱动因素对短期禁牧的即时和短期动态响应仍研究不足。尽管之前的研究已经探讨了单一因素或气候变化如何影响植被动态（Qiao等，2019；Yan等，2020），但我们仍然缺乏对生物多样性、土壤性质和气候条件如何在短期禁牧下共同驱动生态系统稳定性的详细了解。此外，这些驱动机制在从放牧到短期禁牧的过渡期间如何演变也不清楚。尽管遥感数据（如MODIS EVI）可以提供大尺度和长时间序列的生态系统生产力信息（Zhao等，2023），但大多数现有研究将其作为独立工具使用，很少与地面采样数据结合。

在这项研究中，2016年至2019年间，内蒙古草原的九个样地被围栏以实施禁牧，同时在放牧期和禁牧期间进行了植物和土壤调查及采样。结合卫星遥感的生态系统生产力指标，我们研究了短期禁牧对内蒙古草原生态系统稳定性的影响和机制。我们旨在回答以下问题：（a）内蒙古草原在短期禁牧下植物生长和土壤养分如何变化？（b）生物和非生物因素与内蒙古草原在短期禁牧下的生态稳定性之间有什么关系？（c）短期禁牧对生态系统稳定性有何影响，其背后的驱动机制是什么？

研究地点

研究地点

选择位于内蒙古自治区沿降水梯度分布的九块自然草原进行实验，涵盖了三种草原类型（DS：沙漠草原，TS：典型草原，MS：草甸草原）。每种草原类型包括三个研究地点（图1和表1），从西到东依次为杭锦旗、达尔汉茂明安联合旗、四子王旗、苏尼特左旗、锡林浩特、东五珠穆沁旗、鄂温克西旗、鄂温克南旗

短期禁牧对内蒙古草原植物和土壤的影响

短期禁牧后，地上和地下植物生物量显著增加，土壤和根系养分也有所增加（图2）。与放牧组相比，DS和TS的土壤有机碳含量在短期禁牧后变化不大，而MS的土壤有机碳含量有所增加（图2a）。短期禁牧后土壤总氮含量显著增加（DS：2.9倍；TS：3.5倍；MS：3.5倍）（图2b）

讨论

在全球气候变化的背景下，应该如何科学管理草原生态系统？为了探讨这个问题，了解生物和非生物因素如何影响草原管理实践下的草原植物生产力的时间稳定性至关重要。研究表明，短期禁牧增强了内蒙古草原的植物生物量、生物多样性、土壤养分和根系养分的可用性，具体变化如下

结论

本研究基于内蒙古草原九个样地的短期禁牧实验，结合了放牧期（2011–2015年）和禁牧期（2016–2019年）的增强植被指数（EVI）遥感数据。它阐明了短期禁牧影响草原生态稳定性的机制：禁牧促进了植物生长和根系养分积累，改变了支配生态系统稳定性的主导因素。

作者贡献声明

罗朝毅：撰写 – 审稿与编辑、资源准备、调查。冯玉超：验证、监督、调查、数据管理。李美瑞：撰写 – 初稿撰写、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理。韩凤鹏：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源准备、项目管理、资金获取。陈继炎：调查。

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

本研究得到了国家重点研发计划（2024YFF1308003）的支持。作者感谢审稿人和编辑们的评论和建议。