《Journal of Environmental Management》：Grazing thresholds based on mean Net Primary Productivity (NPP) and NPP trends support region-specific grazing management in Xinjiang grasslands
编辑推荐：
摘要干旱和半干旱草原为畜牧业提供生存条件，同时在区域生态系统中发挥着重要作用。然而，日益严重的干旱状况以及持续的放牧压力给草原生产力带来了巨大挑战。现有研究多依据生产力（净初级生产力）水平来确定放牧阈值，却较少考虑长期生产力变化趋势下阈值可能出现的差异。以新疆草原为研究对象，我们
摘要
干旱和半干旱草原为畜牧业提供生存条件，同时在区域生态系统中发挥着重要作用。然而，日益严重的干旱状况以及持续的放牧压力给草原生产力带来了巨大挑战。现有研究多依据生产力（净初级生产力）水平来确定放牧阈值，却较少考虑长期生产力变化趋势下阈值可能出现的差异。以新疆草原为研究对象，我们根据放牧强度与净初级生产力的共同变化情况，将草原划分为四个不同的放牧-生产力区域。通过非线性阈值模型，以平均净初级生产力和其变化趋势为依据确定了放牧阈值。随后，我们将这些分析结果与实地观测数据相结合，探讨放牧与干旱状况如何影响土壤湿度、土壤养分状况、根系养分状况、地下生物量以及净初级生产力。研究结果表明，在新疆草原中，放牧强度增加而生产力上升的区域占比最大，为49.7％；其次是放牧强度增加但生产力下降的区域，占比24.5％；放牧强度下降但生产力上升的区域占比16.7％；最后是放牧强度下降且生产力也下降的区域，占比9.1％。这四个区域的放牧阈值存在显著差异。总体而言，基于净初级生产力变化趋势得出的放牧阈值范围为0.09–1.35 SU ha?1，而基于平均净初级生产力得出的阈值范围为0.09–0.19 SU ha?1，二者反映了草原生产力响应的不同方面。实地分析进一步表明，放牧与干旱既会直接影响净初级生产力，也会通过土壤湿度、土壤养分状况、根系养分状况及地下生物量等间接因素对其产生影响。这些研究结果为理解本研究中发现的区域生产力响应特征及阈值规律提供了生态学依据。基于平均净初级生产力及其变化趋势确定的阈值在不同区域具有不同的意义，将二者结合使用能为干旱地区草原的差异化、针对性放牧管理提供更可靠的依据。
引言
草原覆盖了地球陆地表面的40％以上，为人类提供着重要的生态系统服务，包括碳封存以及为超过10亿人提供食物来源（Delgado-Baquerizo等人，2025；Sandoval-Calderon等人，2024）。在干旱和半干旱地区，草原系统的发育受到水资源可用性的严格限制，因此对气候变率、蒸发需求增加以及土地利用强度提升极为敏感（Mei和Zhenjia，2022；Zhang等人，2025）。在各类压力因素中，持续不断的放牧是全球干旱地区草原退化的主因，它会降低牧草产量，削弱碳吸收能力、土壤保护功能以及生态系统的稳定性（Chen等人，2026；Wu等人，2022）。先前的研究表明，放牧压力与植被生产力之间的关系往往是非线性的，一旦超出特定限度，即便放牧强度仅略有增加，也可能导致生态系统功能迅速衰退（Tai等人，2021）。这说明，在生产力状况和长期变化趋势存在差异的草原上，其放牧阈值也会有所不同（Abel等人，2024）。尽管放牧阈值已成为干旱地区生态学研究中的重要课题，但目前对于生产力状况不同的草原之间阈值存在的差异，以及造成这些差异的生态学因素，仍知之甚少。因此，明确这些阈值差异对于实现草原的可持续管理具有重要意义。
近期有一些研究试图利用遥感获取的净初级生产力数据来估算放牧阈值（Hou等人，2022；Ma等人，2022）。虽然这些研究为放牧管理提供了有益的参考，但大多数研究都是基于放牧强度与平均净初级生产力的关系来确定阈值，很少关注生产力状况和变化趋势存在差异的草原之间的阈值差异（Liu等人，2019；Yang等人，2023b）。在实际情况下，即便放牧强度的变化相似，不同区域的草原生产力响应也可能存在很大差异，有些区域的净初级生产力能够保持稳定甚至上升，而另一些区域则会出现明显下降（Ao等人，2025；Li等人，2025a；Yang等人，2023a）。此外，仅依靠平均净初级生产力无法全面反映草原生产力的变化，因为相同的生产力水平可能对应着不同的长期变化趋势（Ji等人，2022；Yang等人，2016）。因此，平均净初级生产力与净初级生产力的变化趋势分别反映了草原对放牧响应的不同方面。在本研究中，我们根据放牧强度与净初级生产力的长期变化情况，将新疆草原划分为四个不同的放牧-生产力区域，并比较了这些区域内基于平均净初级生产力与净初级生产力变化趋势所确定的放牧阈值。
不同区域之间放牧阈值的差异表明，放牧压力会与其他环境因素相互作用，共同影响草原的生产力响应（Yan等人，2024）。遥感数据虽能有效识别植被变化的长期空间格局，但却无法直接揭示放牧压力与生产力变化之间的生态学机制（Arif和MacNeil，2023；Wang等人，2015）。因此，实地观测能够提供关于土壤条件以及植被特征的补充信息，有助于了解放牧是如何影响生产力的（Zhu等人，2024）。在干旱地区，还必须考虑气候条件，因为干旱程度会显著影响植物生长、牲畜分布以及土壤资源的可用性（Hoover等人，2022）。为此，我们引入了以干旱指数表示的气候干旱程度，以此体现背景气候的差异。随后，我们结合卫星观测数据、实地指标以及路径分析方法，探究了放牧强度与干旱状况通过土壤湿度、土壤养分状况、根系养分状况以及地下生物量等途径，与净初级生产力之间可能存在的直接和间接关联。这些分析为理解区域生产力响应特征及阈值规律提供了额外的生态学依据（Chen等人，2023）。
本研究以世界上最大的干旱地区牧业区之一——新疆为研究对象，旨在探讨放牧阈值及其相关的生态学作用机制。我们利用2000年至2024年的长期遥感数据，以及来自104个采样点的实地测量数据，其中包括312份实地样本和18项指标，具体研究目标如下：（1）分析放牧强度与净初级生产力的空间分布格局与变化趋势，根据这两个变量的变化方向将草原划分为四个不同的区域；（2）通过分段回归分析法，基于每个区域内的平均净初级生产力及其变化趋势来估算放牧阈值；（3）确定与放牧强度及净初级生产力相关的关键实地指标，并运用结构方程模型，分析放牧强度与干旱状况通过土壤湿度、土壤养分状况、根系养分状况以及地下生物量等途径，与净初级生产力之间的关联机制。这些分析结果将为干旱地区草原的差异化放牧管理提供理论依据，也有助于深入理解放牧与干旱如何影响草原的生产力响应。
章节节选
研究区域
新疆维吾尔自治区位于中国西北部，处于中亚的干旱和半干旱地带（北纬34.25°–49.17°，东经73.33°–96.42°；见图1）。新疆的面积约为1.66×106平方公里，其地形特点为“三山两盆”，即阿尔泰山脉、天山山脉和昆仑山-阿勒泰山山脉，这两组山脉之间被准噶尔盆地和塔里木盆地隔开（Bi等人，2020；Zhang等人，2022a）。这种地形差异导致了显著的海拔梯度，
草原生产力与放牧强度的空间格局
2000年至2024年间，新疆草原的生产力存在明显的空间异质性（见图3a）。总体来看，新疆北部的生产力高于南部地区。阿尔泰山区和伊犁河谷等区域的生产力通常超过500克/平方米·年。而塔克拉玛干沙漠边缘以及新疆南部的山前地带，其生产力则低于200克/平方米·年。趋势分析显示，有32.8%的草原区域出现了
新疆草原生产力与放牧强度的时空格局
新疆草原的生产力存在明显的空间异质性，北部地区的净初级生产力通常较高，而南部地区的数值则相对较低。这种格局主要源于该地区水资源可用性的显著区域差异（Erd?s等人，2022）。新疆北部降水量较多，且能得到山间流水的补给，尤其是伊犁河谷、阿尔泰山山脚以及天山北坡地区，这些地方的湿润条件相对较好
结论
2000年至2024年间，新疆草原的放牧强度与净初级生产力呈现出不同的空间分布格局。根据放牧强度与净初级生产力变化方向的共同特征，我们将草原划分为四个区域，其中放牧强度增加且生产力上升的区域占总面积的49.7％，放牧强度下降但生产力上升的区域占比16.7％，放牧强度增加但生产力下降的区域占比24.5％，而放牧强度下降且生产力也下降的区域占比为9.1％。
在这四个区域中，基于平均净初级生产力及其变化趋势确定的放牧阈值存在较大差异，这反映出不同区域在生产力响应方面的差异
CRediT作者贡献说明
李佳欣：概念构建、数据整理、定量分析、研究方法设计、结果验证、可视化处理、初稿撰写、论文修订。 赵文武：实地调查、项目管理工作协调、资源保障、研究过程监督、论文修订。 丁静怡：数据整理、科研经费申请、实地调查、项目管理工作协调、论文修订。 牛伟玲：数据整理、定量分析、研究方法设计、结果验证。 刘一音：数据整理、定量分析，
资金支持
本研究得到了新疆第三次科考计划（编号：2022xjkk0405）、“111计划”以及中国中央高校基本科研业务费的支持。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
Jiaxin Li|Wenwu Zhao|Jingyi Ding|Weiling Niu|Yiyin Liu|Weiwei Zhu|Paulo Pereira
中国北京师范大学地理科学学院，地表过程与灾害风险减控国家重点实验室，北京，100875
