尚占環(huán)， 董全民， 施建軍， 周華坤， 董世魁， 邵新慶， 李世雄， 王彥龍，馬玉壽， 丁路明， 曹廣民， 龍瑞軍

(1. 蘭州大學生命科學學院，草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000； 2. 青海大學(青海省)畜牧獸醫(yī)科學院草原研究所，青海 西寧 810016； 3. 中國科學院西北高原生物研究所，青海省寒區(qū)恢復生態(tài)學重點實驗室，青海 西寧 810008； 4. 北京師范大學環(huán)境學院，北京 100875； 5. 中國農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，北京 10083)

青藏高原“黑土灘”退化草地的治理工作在近10年得到了前所未有的人力、物力投入。盡管大范圍的黑土灘治理很早就得到了開展，并列入政府的重點工程[1]，但仍沒有遏制 “黑土灘”退化草地的擴張態(tài)勢。黑土灘造成了青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)大量水土流失，畜牧業(yè)生產(chǎn)功能喪失，因此“黑土灘”退化草地治理的巨大挑戰(zhàn)一直擺在科技、管理、政府，以及當?shù)剞r(nóng)牧民面前[2]。近10年來，從青海省三江源自然保護區(qū)，到國家三江源公園等一系列實質(zhì)性生態(tài)建設(shè)行動，其中每個工程、科技任務的重要內(nèi)容都有“黑土灘”治理工作，也取得了前所未有的成效[3-5]。根據(jù)2005年，國務院批準《青海三江源自然保護區(qū)生態(tài)保護和建設(shè)總體規(guī)劃》，在第一期工程(2005-2013年)、第二期工程(2014-)中，黑土灘依然是生態(tài)治理的重點任務。近10年國家自然科學基金委也在專門針對黑土灘基礎(chǔ)研究立項8個，總經(jīng)費達到422萬元(包括1個重點基金)。從青海省、國家科技部十一五、十二五科技支撐、十三五重點研發(fā)計劃的重點內(nèi)容看，黑土灘治理也是重中之重。同時，國家生態(tài)補償工程在三江源區(qū)的一個重要目標就是要逆轉(zhuǎn)“黑土灘”的擴張趨勢。以青海大學(包括青海省畜牧獸醫(yī)科學院)、中國科學院西北高原生物研究所、蘭州大學、北京師范大學、中國科學院地理與資源科學研究所等科研團隊，在近10中關(guān)于黑土灘研究、治理工程中，進行了大量的人力投入和平臺建設(shè)。

10年前大量關(guān)于黑土灘的研究與治理工作很多處于探索階段。黑土灘治理工作的探索性很強，成功與失敗都為后續(xù)工作提供了豐富經(jīng)驗[6]。近10年中在諸多科技項目、生態(tài)工程支持下，黑土灘的研究產(chǎn)生了大量有用成果、技術(shù)模式、推廣示范基地，并且給農(nóng)牧民畜牧業(yè)經(jīng)營理念、產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了很大改變[7-8]。這些工作及研究成果有力的支持了青藏高原生態(tài)屏障建設(shè)和高寒牧區(qū)和諧發(fā)展。在關(guān)于“黑土灘”概念與范圍的理解上，目前基本上同意研究人員最初的詮釋，即“黑土灘”是高寒植被極度退化一種體現(xiàn)形式，是植被表層剝離后的次生裸地，在植被學上不具有發(fā)生學意義[9-14]。因此“黑土灘”只是形象性的稱謂和名稱，但由于“黑土灘”的典型性和嚴重性，近10年來這種稱謂被固化下來，成為退化草地治理工程的典型代表，也推動了退化草地恢復與治理工作在青藏高原生態(tài)建設(shè)中的主流化[15-16]。

作者在10年前關(guān)于“黑土灘”的進展報告中，對2006年以前的黑土灘發(fā)生學、治理工作進行了較系統(tǒng)總結(jié)[12-14]。但在國家人力、物力投入黑土灘治理的近10年高峰期，“黑土灘”研究與治理工作究竟得到了哪些進展，需要再次進行梳理。從文獻報道看，近10年(2006-2016年)中文文獻大量涌現(xiàn)約400篇，是2006年以前(40年間，100多篇)的4倍，英文文獻大約有40多篇專門針對黑土灘研究。本文主要根據(jù)近10年相關(guān)科研人員的研究經(jīng)歷、文獻報道、項目報告以及實地調(diào)查，總結(jié)10年來“黑土灘”研究與治理工作情況，為繼續(xù)開展青藏高原三江源區(qū)生態(tài)恢復工作提供更多參考。

1 青藏高原"黑土灘"退化草地分布、面積近10年變化

1.1 分布區(qū)域

由于“黑土灘”是高寒植被極度退化后的一種稱謂，不具備類型學、發(fā)生學含義[9,12]。在具體概念定義，類型、生態(tài)學、生物學界定時候較難，因此其具體分布區(qū)域也難以確定。關(guān)于黑土灘最全面的本底調(diào)查是2006年完成的《三江源區(qū)“黑土灘”退化草地本底調(diào)查》項目，目前政府指導性文件、工程參考基本都根據(jù)該研究結(jié)果[17]。除了該次調(diào)查，其他研究工作提及了很多關(guān)于黑土灘問題，也代表了黑土灘在這些地區(qū)的分布。目前黑土灘全面分布在整個青海省高寒草地區(qū)域，除了三江源區(qū)外，青海湖、祁連山區(qū)也都有分布[18-19]。在甘肅省甘南地區(qū)[20-25]、四川省西北部、西藏地區(qū)等地區(qū)也都有分布。根據(jù)實際調(diào)查，川西北石渠縣，青海祁連縣等地，更是黑土灘的集中分布區(qū)。因此，在青藏高原黑土灘治理工作中，在除三江源外，其他嚴重發(fā)生區(qū)也應該受到重視。

要確切獲得近10年黑土灘分布變化缺乏詳細調(diào)查依據(jù)，但是可以根據(jù)最近完成三江源生態(tài)工程評估結(jié)果，以及已有的報告推測黑土灘分布[4,17,26-27]。黑土灘最典型表現(xiàn)是禿斑化，且在高寒草地退化呈中、重度以上，分布的草甸區(qū)一般都屬于黑土灘，且也是鼠洞密度非常高的地區(qū)[28-29]。黑土灘另外一個特征是土壤侵蝕嚴重區(qū)域，基本上在草甸分布區(qū)，土壤侵蝕嚴重區(qū)域都是屬于黑土灘區(qū)域[30-32]。況且，近些年黑土灘在山體上擴張趨勢較嚴重。從海拔范圍講，總體上黑土灘的分布已經(jīng)超越了以前認為的海拔區(qū)域(3 700～4 500 m)，在海拔3 000～5 000 m的草地退化區(qū)域都出現(xiàn)了黑土灘。更詳細的調(diào)查工作，應該結(jié)合遙感、光譜及地面植被調(diào)查建立精確的模型，為能夠精準的遙感普查黑土灘提供技術(shù)支持，這樣就可以快速、全面的監(jiān)測黑土灘分布。禿斑化的體現(xiàn)在冷季更加明顯，因此應該進一步加強冷季的黑土灘調(diào)查，建立冷季黑土灘遙感的精確模型。

1.2 面積變化

青海省重大專項《2005-2012 年三江源自然保護區(qū)生態(tài)保護和建設(shè)工程生態(tài)成效綜合評估》的結(jié)果表明[4]，在2005-2012年間，三江源區(qū)高寒荒漠生態(tài)系統(tǒng)局部向草地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，也就是在實際保護區(qū)域高寒荒漠植被覆蓋度得到一定提高。三江源區(qū)的荒漠面積減少了492.61 km2，但總草地面積只增加了123.70 km2[4]。張穎等[33]對2001-2012年三江源區(qū)草地面積變化分析，也認為總體上草地面增加了6 749 km2，主要由荒漠轉(zhuǎn)化來。徐新良等[5]認為三江源退化草地面積整體上已經(jīng)降低，特別是中度退化草地減少幅度較大?？傮w上三江源區(qū)植被覆蓋度提高是主要是因為溫性草原明顯增加，三江源區(qū)的溫性草原區(qū)域一般不分布黑土灘，因此黑土灘主要分布區(qū)域(高寒草甸區(qū))并沒有多大變化。這也證實了早期研究結(jié)論：“黑土灘確實難以恢復，短期內(nèi)難以實現(xiàn)其恢復的狀態(tài)，但是其退化蔓延卻速度很快”[12-13,34]。到2012年黑土灘治理了1.85×105hm2，按照2006年黑土灘本底調(diào)查的面積核算(49.089×105hm2)[17]，治理的面積非常小，況且實際中，治理后黑土灘二次發(fā)生也較多[35]。三江源保護區(qū)外草地面積是逐漸減少的[3]。黃麟等在2009年的報告中，認為長江源區(qū)的草地狀態(tài)到2004年是一直退化加劇[36]。劉紀遠等在2013年關(guān)于三江源生態(tài)工程的評估報告中認為，三江源區(qū)并沒有提高該地區(qū)的土壤保持功能[37]，這種功能依賴于植被覆蓋度，并且土壤維持主要在草甸、草原區(qū)，土壤流失亦主要是這些區(qū)域。黑土灘是三江源區(qū)土壤流失重要區(qū)域，可見黑土灘確實難以恢復。這種趨勢估計難以在國家實施三江源保護區(qū)后很快得到逆轉(zhuǎn)，況且黑土灘退化草地并非一般草地退化問題。因此，我們推測青藏高原的黑土灘退化草地總體上有一定增加，這除了在其他地區(qū)新發(fā)現(xiàn)的黑土灘外，僅在三江源區(qū)應該處于增加態(tài)勢。

目前在三江源區(qū)一直使用《三江源區(qū)“黑土灘”退化草地本底調(diào)查》的研究結(jié)果表述“黑土灘”面積及分布區(qū)域，主要作為三江源退化草地治理相關(guān)工程的規(guī)劃依據(jù)[17]。朱霞等[38]通過遙感對2000年、2007年、2011年達日縣的三江源保護區(qū)核心區(qū)的黑土灘面積分析，發(fā)現(xiàn)2007年以前黑土灘是擴張態(tài)勢，2011年以后是逐漸減少。安如等[39]利用2008-2009年的遙感信息判斷瑪多縣的黑土灘面積為1 592 km2。徐劍波[40]利用遙感分析了瑪多縣草地變化，認為從1994年到2009年草地退化面積逐漸增加，2006年到2009年只不過退化速度降低，并認為是由于退牧還草和生態(tài)保護工程減輕了草地退化趨勢。魏衛(wèi)東和李希來[41]通過在甘德縣固定研究區(qū)發(fā)現(xiàn)從2009年到2011退化草地侵蝕面積是增加的，說明草地退化越來越嚴重。姜沖等[42]分析了三江源區(qū)1956-2010年水土流失變化，發(fā)現(xiàn)2005-2010年間長江源區(qū)、瀾滄江源區(qū)輸沙量增加，黃河源區(qū)減少；但黃河源區(qū)土壤水蝕增加，說明荒漠化草地植被有所恢復，但退化草甸并沒有得到恢復，也說明在2010年前草地退化情況肯定沒有得到改善。劉曉東等[43]對2000-2008年三江源區(qū)草地覆蓋度變化進行了分析，認為總體植被覆蓋度降低，但低覆蓋度草地(60%以下)有減少趨勢，并認為是由于《青海三江源自然保護區(qū)生態(tài)保護和建設(shè)總體規(guī)劃》實施的作用。很顯然該研究沒有詳細分析該規(guī)劃實施情況，該規(guī)劃的實施實際上是2005年，起作用應該在2008年以后。上述直接或間接的研究證據(jù)表明，黑土灘退化草地面積近10年來應該沒有減少，應該仍然處于擴張態(tài)勢[44]。因此，三江源黑土灘治理工程難度越來越大，鑒于此我們建議盡快展開第二次“黑土灘”本底調(diào)查，應該特別重視“黑土灘二次發(fā)生”的新問題。

1.3 黑土灘退化草地帶來生態(tài)負面作用

黑土灘退化草地給區(qū)域生態(tài)、生產(chǎn)、社會經(jīng)濟等都帶來負面效應。關(guān)于黑土灘退化草地產(chǎn)生的生態(tài)問題，近10年的研究，基本上延續(xù)了以前的研究路線和內(nèi)容。主要包括造成水土流失、毒雜草擴張、畜牧業(yè)生產(chǎn)功能喪失、區(qū)域性社會經(jīng)濟系統(tǒng)紊亂，甚至造成生態(tài)難民，鑒于此“黑土灘”治理一直是三江源區(qū)生態(tài)建設(shè)的重點工作[45-48]。高寒草地的黑土灘化總是伴隨著毒雜草侵入和蔓延[48-49]，并且毒雜草蔓延產(chǎn)生一系列負作用，諸如通過釋放有毒物質(zhì)改變生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能[50]。黑土灘造成土壤表層有機碳損失在60%以上[51-54]。三江源區(qū)高寒草甸黑土灘土壤水源涵養(yǎng)量比未退化草地損失121.28×107t[55]。研究標明，隨著禿斑塊的面積擴大，水土流失、毒雜草擴張及鼠害活動增加同時互相促進[28]。

有關(guān)黑土灘的作用，一些新的研究內(nèi)容在近10年也出現(xiàn)。黑土灘由于失去植被覆蓋作用，與未退化草地相比，地表溫差大，溫度變化速率大，造成水熱散失及土壤可侵蝕性增加[56-57]。在黑土灘發(fā)生區(qū)，由于植被消失、草皮層剝離、毒雜草蔓延，對生物多樣性的影響很大[58]。例如，苔蘚類、菌斑、地衣在草地退化過程逐漸減少[從嵩草(Kobresiaspp.)階段開始]，到黑土灘階段已經(jīng)很少(苔蘚)，甚至消失(黑斑、菌斑、地衣)[59]。高寒草地的“黑土灘化”也減少了土壤動物種類和數(shù)量[60]，以及土壤微生物[61-62]。高寒草甸退化成黑土灘后，使得高寒草甸系統(tǒng)從碳匯轉(zhuǎn)變成了碳源(全年CO2凈交換值從-120.9 gCm-2變成了+11.6 gCm-2)[63]。

2 關(guān)于黑土灘研究的方法

2.1 常規(guī)的植被、土壤等方法技術(shù)

常規(guī)生態(tài)學研究方法依然是近10年的主流方法，主要包括植被、土壤、微生物、鼠害等方面的研究[64-66]。常規(guī)的方法是野外確定研究地點、植被基本特征描述[48,67]、實驗室測試土壤、水文等基本信息[4,68]。其他方法也都以常規(guī)方法為基礎(chǔ)信息獲取手段[32]，而且現(xiàn)在掌握的最有效的黑土灘基本信息也是以最常規(guī)方法獲得的，例如三江源區(qū)黑土灘的本底調(diào)查、分類、分級體系的確立[64]。梁海東[69]采用植物和土壤脂肪酸對退化草地進行分類，是一種新嘗試。在常規(guī)方法中，存在主要植被調(diào)查和野外取樣的設(shè)計問題，目前在關(guān)于“黑土灘”的研究報道中，大多是以假重復的樣地設(shè)計為主，盡管這種設(shè)計有些時候難以避免，比如大樣區(qū)的多重復設(shè)計在實際研究中十分困難[70-72]。但是，我們?nèi)詰M可能多設(shè)計重復，并盡可能的遠距離隔離重復，例如縣域基礎(chǔ)上的重復樣地設(shè)計[48]，并且盡可能多獲取樣本量[73]，這樣獲得的結(jié)果更可靠。必須避免“黑土灘”研究中只用3個50 cm×50 cm小樣方就能代表一個樣地的植被調(diào)查，取3個土鉆的土壤就能代表整個樣地的土壤情況”。董世魁等[74]認為高寒草甸、高寒草原退化草地調(diào)查的最小樣地面積應該分別82 m2和81 m2，才能獲取較完全的代表性植被物種信息。

2.2 遙感及信息化技術(shù)

遙感信息化技術(shù)在以前也應用較多，近10年開始大范圍在黑土灘的研究中廣泛應用，最具代表性的是《三江源區(qū)“黑土灘”退化草地本底調(diào)查》中也采用了遙感技術(shù)[17]。三江源區(qū)“黑土灘”退化草地遙感調(diào)查中，將全部調(diào)查的植被分為4大類，11小類，其中“黑土灘”退化草地類有3小類(輕度、中度和重度黑土灘，都為天然草地草皮層消失，植被覆蓋度覆被小于60 %以下的草地)，并建議使用秋季或深秋的影像[75-77]。劉曉玲[78]采用了1997-2000及2004年的Landsat7 ETM+30米多光譜數(shù)據(jù)，1999、2002衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)(Spot)輔助資料(DEM、DRC和土地利用圖等)研究了黑土灘遙感調(diào)查的技術(shù)問題。黃麟等[36,30]、蘆清水等[44]、徐新良等[79]、劉紀遠等[80]、邴龍飛等[81]用TM/ETM影像分析了三江源生態(tài)系統(tǒng)及其退化草地變化，分別用了70年代、90年代和2004年的各28幅，MSS空間分辨率為80 m，其中能夠判斷出退化草地為裸土地是三江源區(qū)草地變化的一個重要方面。張小詠等[82]認為上述遙感信息沒有提取毒雜草型退化草地信息，可能會掩蓋毒雜草型退化草地，并建議把毒雜草型退化草地的信息化作為今后工作重點。屈冉等[83]認為雜草遙感監(jiān)測應該采用高光譜技術(shù)，借助物種的微弱光譜差異做定量分析，識別雜草。

采用信息技術(shù)單獨評估三江源區(qū)“黑土灘”變化的研究報道較少，通過三江源區(qū)整體性評估研究，可以得到關(guān)于三江源區(qū)草地植被變化信息[33,84-87]。李輝霞等[84]用NDVI、氣候資料評估了三江源區(qū)2001-2010年植被變化認為，氣候變化貢獻該區(qū)域植被覆蓋度增加達79.32%，而人類活動(主要為生態(tài)建設(shè)工程)貢獻了21.68%的植被覆蓋度增加。李曉雪等[88]采用改進多端元混合像元分解方法提取三江源區(qū)植被覆蓋度信息，經(jīng)預處理的地表類型中將黑土灘歸為土壤類型。李永花和王蓮玉[89]利用2.5 m或5.0 m分辨率的遙感影像進行三江源本底數(shù)據(jù)高分辨率調(diào)查，將黑土灘綜合在三江源生態(tài)環(huán)境信息系統(tǒng)中。喻小勇等[90]利用ASD FieldSpec HandHeld手持便攜式光譜測量儀分析高寒草地光譜特征，發(fā)現(xiàn)退化草地在近紅外760 nm反射率差別較大，可以作為退化草地分類的光譜依據(jù)。安如等[91]利用改進的MESMA模型(多端元混合像元分解模型)判別黑土灘，夏季判別精度達到82.81%，并建議再利用秋季或深秋的數(shù)據(jù)分析，提高判別精度。安如等[39]進一步利用一階微分法、連續(xù)統(tǒng)去除法和歸一化微分比的方法對“黑土灘”草地植被光譜反射曲線進行了處理，但其結(jié)果對藏嵩草(Koeleriatibetica)、小嵩草(Kobresiapygmaea)識別精度較高，對毒雜草的識別精度較低。李作偉等[92]采用GIMMS和MODIS，結(jié)合三江源18個氣象臺站30多年的資料，分析三江源區(qū)植被變化，表明2000年以后人類對植被影響正面效應突出，但到了2010年以后正面效應減弱，且在某些區(qū)域(達日、澤庫、河南等縣)人類活動造成植被減少的作用加劇。這3個縣(達日、澤庫、河南)也是黑土灘發(fā)生的集中地區(qū)，尤其是達日縣，根據(jù)筆者每年實地調(diào)查情況看，黑土灘在該縣擴大趨勢很明顯。王雪璐[32]采用遙感及侵蝕模型分析了三江源區(qū)不同植被、土地利用情況下侵蝕程度。盡管上述遙感技術(shù)的研究沒有專門針對黑土灘，但是這些研究都涵蓋了黑土灘這個退化狀態(tài)，并著重指出黑土灘退化草地變化較顯著。

2.3 數(shù)量生態(tài)學及模型

專門應用數(shù)量生態(tài)模型研究黑土灘的報道，近10年也出現(xiàn)了很多，主要集中于分類、恢復模擬，以及變化機制方面[34,93-104]。數(shù)量模型方法能夠獲得更多信息和機制解釋，例如在黑土灘毒雜草擴展與更新機制尺度效應方面，毒雜草成體植株與幼苗在地表分布的尺度效應不同[93]。任國華等[98-99]主要采用數(shù)量方法建立黑土灘形成過程的植被與土壤變化過程關(guān)聯(lián)模型。李媛媛等[102]，張勇等[103-104]主要研究黑土灘形成過程的植被、土壤變化。尚占環(huán)等[73-72]、李媛媛等[96]主要利用數(shù)量方法分析黑土灘形成與恢復過程中植被與土壤種子庫關(guān)系。

近10年有一些采用典型數(shù)量生態(tài)學方法研究“黑土灘”的工作。例如，李希來采用非度量多維尺度(Non-metric multidimensional scaling，nMDS)和層級分類模型(hierarchical classification)，以及分類和回歸樹(classification and regression tree，CART)方法研究三江源區(qū)175個黑土灘樣地植被資料，分析黑土灘形成、恢復的模型[34, 97]。李學玲和林慧龍[105]采用元胞自動機模型研究黑土灘禿斑變化趨勢。魏茂宏和林慧龍[106]采用了分形維數(shù)模型研究了黑土灘形成過程的土壤粒徑(質(zhì)地)、土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系。李慧梅和張安錄[107]則采用結(jié)構(gòu)方程模型分析了三江源區(qū)牧戶對草地退化的認知。

2.4 同位素技術(shù)應用

目前同位素技術(shù)在黑土灘研究中主要側(cè)重于對黑土灘形成和恢復的機制研究，包括土壤侵蝕方面。張蕊[108]采用15N同位素標記方法分析了黑土灘幾種主要植物對氮素利用率的差異性，表明細葉亞菊(Ajaniatenuifolia)比其他禾本科、嵩草等植物對氮素利用效率高。王雪璐[32]采用137Cs自然豐度方法結(jié)合遙感、氣候數(shù)據(jù)，分析了三江源區(qū)土壤侵蝕度，其中涵蓋了黑土灘，表明草地土壤侵蝕度比其他類型植被高。肖桐等[109]也采用了137Cs方法評估了退化草地土壤侵蝕模數(shù)變化，表明三江源區(qū)高寒草甸退化程度加劇了土壤侵蝕。英文文獻沒有關(guān)于黑土灘同位素方面的研究，建議在黑土灘毒雜草對土壤環(huán)境、微生物的影響方面可以開展同位素精確定量分析。

2.5 現(xiàn)代生物技術(shù)

現(xiàn)代生物技術(shù)中，分子生物學主要集中于土壤微生物方面的研究工作，關(guān)于黑土灘研究中分子生物學的應用目前較少。胡雷等[61]，楊希智等[110]采用了磷脂肪酸方法分析了三江源退化草地及黑土灘人工草地土壤微生物結(jié)構(gòu)，表明隨著人工草地年限增加土壤微生物多樣性逐漸提高。更加微觀技術(shù)研究很少在黑土灘研究領(lǐng)域被應用，分子生物學技術(shù)在黑土灘恢復中應該更有發(fā)揮作用的方面，比如功能性土壤微生物研究方面。

3 黑土灘本底調(diào)查及分類、分級

在三江源區(qū)自然保護區(qū)一期工程支持下，2005年開展了第一次“黑土灘”退化草地的本底調(diào)查[17]，也是近10年來黑土灘治理、研究中常用的依據(jù)。在前文關(guān)于黑土灘分布、面積，以及其負面作用中，總結(jié)了黑土灘變化情況，大部分研究工作沒有直接涉及到黑土灘，而是將“黑土灘”作為一種草地退化狀態(tài)，體現(xiàn)在整個三江源區(qū)，以及青藏高原植被、生態(tài)系統(tǒng)變化中[4,32]。

在關(guān)于“黑土灘”的進一步評估中，主要涉及到黑土灘分級確定，以及形成、恢復閾值、指標等方面。李學玲和林慧龍[105]采用元胞自動機模型研究黑土灘禿斑變化趨勢，認為黑土灘禿斑在逐漸擴大的第7年已經(jīng)開始進入不可逆轉(zhuǎn)變化發(fā)展態(tài)勢。魏茂宏和林慧龍[106]采用了分形維數(shù)模型研究了黑土灘形成過程的土壤粒徑(質(zhì)地)、土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系，認為土壤粒徑分形維數(shù)為2.81時是黑土灘可自然恢復的閾值。李希來研究三江源區(qū)175個黑土灘樣地植被資料，分析黑土灘形成恢復的模型[34,97]，認為黑土灘禿斑塊在當前中度放牧率(60%)以下不會形成，而大于60%的放牧率是其形成黑土灘的外在條件，完全去除干擾的情況下可能需要50年才能恢復，但在放牧干擾情況恢復可能需要100多年時間。李慧梅和張安錄[107]則采用了結(jié)構(gòu)方程模型分析了三江源區(qū)牧戶對草地退化的認知，發(fā)現(xiàn)黑土灘在選擇8個指標中(植被覆蓋度降低、生物多樣性低、鼠害猖獗、黑土灘、毒雜草增加、草地生產(chǎn)力下降、草地群落演替、植株矮化)認知程度較高，說明黑土灘問題得到農(nóng)牧民的普遍認識。

“黑土灘”的分類、分級是有效治理“黑土灘”的重要基礎(chǔ)，近10年在黑土灘分級、分類方面基本上沿用過去的思路和方法[91]。在《三江源區(qū)“黑土灘”退化草地本底調(diào)查》基礎(chǔ)上，參與工作的相關(guān)研究人員利用該次數(shù)據(jù)將黑土灘分類、分級進行了細致的研究[64,91,111]。楊文才等[94]將植被覆蓋度、優(yōu)良牧草比例、毒雜草比例、地上生物量、土壤有機質(zhì)含量作為參數(shù)，分析三江源區(qū)稱多縣的退化草地分類及等級，建議分為5個等級(未退化、輕度、中度、重度、極度)。朱秀蓮[95]通過聚類分析，發(fā)現(xiàn)三江源退化草地分類中“坡度”與退化草地類型關(guān)系緊密。張靜等[112]根據(jù)三江源退化草地調(diào)查結(jié)果進行聚類分析，認為一共有9種退化草地，但在具體描述中沒將黑土灘作為一種退化類型，而是以重度、極度退化草地形式表述。董全民等[64]，馬玉壽等[111]、潘多峰[113]根據(jù)《三江源區(qū)“黑土灘”退化草地本底調(diào)查》數(shù)據(jù)資料，認為優(yōu)良牧草比例、可食牧草比例、原生植被覆蓋度、退化指示種比例、禿斑地蓋度、嚙齒類動物的危害，以及土壤0～10 cm有機質(zhì)含量等指標，能夠?qū)⑷磪^(qū)退化程度分為5級(未退化、輕度退化、中度退化、重度退化和極度退化)，并認為黑土灘的界定范圍是禿斑地覆蓋度大于40%，按地形分為0～7°坡度，7～25°坡度和大于25°坡度，黑土灘可為分為3個亞等級(輕度黑土灘、中度黑土灘、重度黑土灘)。尚占環(huán)[114]根據(jù)黑土灘植被表觀外貌分為‘較高大型雜草群落’，‘低矮型雜草群落’和‘禿斑型’，這3類同時存在于生長季節(jié)，而非一般認為的禿斑型就是冬季景觀，并在三江源區(qū)，一共調(diào)查到了36個群落類型(次生毒雜草群落)。黑土灘分類分級除了在學術(shù)和生態(tài)工程方面發(fā)展外，還應該制定使農(nóng)牧民容易掌握的方案。

4 黑土灘形成過程與機制

4.1 幾種新假說

近10年間，在黑土灘形成過程與機制方面研究也較多，基本上都圍繞黑土灘形成過程開展一系列生物學、非生物學的動力機制，重點探明黑土灘形成過程生物、物理、生態(tài)等變化，為黑土灘的治理提供了有價值的參考[114-115]。尚占環(huán)等[93,114]提出了黑土灘形成的“三階段”觀點，及雜草主動侵入、被動侵入機制，毒雜草穩(wěn)定維持機制，分析了鼠類活動異化草地植被繁殖體庫和土壤養(yǎng)分的作用機制。并以禿斑塊變化為核心提出了從禿斑塊到草氈層孤島化、干化的過程機制(圖1)。尚占環(huán)等[116]提出黑土灘禿斑塊的“水熱空洞效應”假說，并在2016年獲得國家自然科學基金資助進一步深入開展機制性研究(圖2)。韓立輝等[28]提出禿斑塊在黑土灘形成過程中的“負肥力島”機制，也就是土壤養(yǎng)分流失集中區(qū)，并認為禿斑塊達到5 m2小大時，會造成與周邊其他景觀異質(zhì)性降低。林慧龍等[29]提出禿斑塊的“熱島”效應機制。尚占環(huán)[117, 35]提出“黑土灘二次發(fā)生”問題，并研究了發(fā)生機制面臨問題，指出“黑土灘二次發(fā)生”是青藏高原黑土灘治理的重大問題，必須得到重視，才能有效的實施“黑土灘”治理工作(圖3)。曹廣民等以草氈層變化為核心提出高寒草甸主動、被動退化的兩種動力，并在整體上將矮嵩草高寒草甸退化分為4個時期[異針茅(Stipaaliena)+羊茅(Festucaspp.)-矮嵩草(Kobresiahumilis)群落、矮嵩草群落、小嵩草(Kobresiapygmaea)群落、雜類草“黑土型”次生裸地]，3個階段(被動退化階段、主動退化階段、過渡階段)，同時根據(jù)草氈層碳儲量分析出高寒草甸系統(tǒng)穩(wěn)定的核心在于草氈層[52,118-127]。曹廣民研究團隊上述研究是以草氈層為核心，但是該理論體系是跨生態(tài)、氣候區(qū)的調(diào)查基礎(chǔ)上形成的，因此是否具有普適性，也就是說任何青藏高原區(qū)域的矮嵩草草甸的退化是否都遵循這一過程,特別是草氈層的變化過程，需要更多實證。

圖1 禿斑塊擴張與“黑土灘”退化草地的形成過程示意圖Fig.1 Dilatation of plaques and the formation process of degraded grassland in black soil land注: a1是a2草甸區(qū)域開始出現(xiàn)的禿斑塊，在草地退化初始較少。b1和b2是禿斑塊在草地退化過程中逐漸增加、連通(b1)，使得草甸草氈層成為干化的“孤島”(b2)，最后草氈層徹底消失(c2)。c1和c2是高寒草甸的草氈層幾乎全部消失，毒雜草占據(jù)生境，形成“黑土灘”退化草地，c1為暖季景觀(毒雜草滋生的群落)，c2為冷季景觀(植被枯黃，黑色土壤裸露，故名“黑土灘”)。

因此認為黑土灘的禿斑塊存在“水熱空洞效應”，并有加速草地退化的作用[128]。即在高寒草地中禿斑塊是在地表形成了水熱空洞，大量水熱通過禿斑散失，引起禿斑區(qū)域、周邊區(qū)域“根系-土壤-凍土”系統(tǒng)逐漸不穩(wěn)定，進一步加速更多的草氈層干化、剝離，同時造成毒雜草侵入、蔓延 (圖2)。黑土灘禿斑塊在致密的草甸內(nèi)產(chǎn)生后，會導致草地退化速度加快，至“黑土灘”退化草地的形成。致密的草甸退化后，水熱異常是引起草甸下墊面的“土壤-凍土”系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素[129-133]。禿斑塊的水熱空洞效應主要應包括地表和土壤水分通過禿斑塊的異常流動現(xiàn)象，熱量在禿斑塊裸露土壤中的異常收支(吸附、散失)。這兩方面與禿斑塊面積、形狀、連通性，以及氣象因素、土壤質(zhì)地、禿斑周邊鼠洞密度等變量都有密切關(guān)系，需要與周邊草甸覆蓋區(qū)域進行對比，才能更多的詮釋禿斑塊的水熱空洞效應。禿斑塊亦給嚙齒動物在禿斑周邊打洞、攻擊草甸覆蓋區(qū)域提供了有利條件，更加速了禿斑塊的擴張[34,100-101,115,122,134-136]。

圖2 禿斑塊的水熱空洞效應及對“黑土灘”形成作用的假設(shè)示意圖Fig.2 The hudrothermal-hole effect of bare patches and the assumption of the for,ation of black formation of black soil land注：藍色和紅色虛線表示水熱運動，線條的粗細模擬通量值。A表示高寒草甸未產(chǎn)生禿斑塊的水熱收支狀態(tài)。B表示禿斑塊增加了水熱散失的空洞作用、毒雜草侵入，造成“草甸-土壤-凍土”系統(tǒng)不穩(wěn)定。C表示隨著禿斑塊逐漸擴張，更多的草甸草氈層干化、剝離，毒雜草群落增加，逐漸形成大面積的“黑土灘”退化草地。

4.2 植被與土壤養(yǎng)分互作

很多研究認為黑土灘土壤養(yǎng)分降低是植被減少的一個重要原因[53-54,101,137-139]。事實上，在高寒草甸未退化植被去除草皮層(0～30 cm)后下墊面土壤情況與黑土灘相似，也就是說，草皮層大量根系及植被凋落物形成腐殖質(zhì)與土壤的混合體，消失后其下墊面部分與黑土灘土壤是相當?shù)腫6]。同時需要回答，未退化草甸草皮層下墊面土壤到底對上部植被有多少養(yǎng)分維持作用？為什么毒雜草能夠在黑土灘生長[28,93]？或許根本上以嵩草植物、禾草植物為主的群落難以很快的在黑土灘禿斑塊上生長、發(fā)育，其原因應該是生境或水熱環(huán)境的改變，而非養(yǎng)分問題，因為從現(xiàn)有的研究證實毒雜草對養(yǎng)分的需求并不比禾草、嵩草等優(yōu)良牧草低[65,67]。

4.3 與凍土退化之間關(guān)系

近10年對高寒草甸與凍土之間關(guān)系的研究較多，也逐漸理清了凍土與草地植被間互相依存關(guān)系的水熱機制[128-133,140-145]，但其中針對黑土灘與凍土之間關(guān)系的研究并不多。凍土與草地退化之間互相作用以及引發(fā)的一系列生態(tài)問題已經(jīng)得到重視，以王根緒為代表的研究團隊在該領(lǐng)域從水熱物理學、碳循環(huán)等角度開展了深入研究[129,141]。從這個角度來看，黑土灘禿斑出現(xiàn)與凍土退化可能會互相激蕩，擴大負面效應。但能夠?qū)⒍吆芎媒Y(jié)合起來的研究設(shè)計，需要擁有足夠兩方面專業(yè)知識同時能對二者有很好的理解。一般觸及二者的研究人員都從一個方面推測另一方面的問題，但需要詳細的實驗證據(jù)，例如黑土灘禿斑塊引起的熱量散失對凍土的影響[57]。黑土灘禿斑塊土壤水分入滲速率高達52.86 mm·min-1，而有草氈層的草甸僅為3.19 mm·min-1[146]，這對凍土下墊面水循環(huán)肯定有非常大的影響。早期研究認為凍土退化是黑土灘形成重要原因，這在作者10年前的綜述論文中專門討論過[12-13]，目前眾多相關(guān)研究直接或間接的證明這一推測。梁四海等[147]根據(jù)實驗測定建立了黃河源區(qū)植被覆蓋率與多年凍土埋深的關(guān)系，植被覆蓋度在60%以下，凍土埋深急劇下降，而高寒草甸60%覆蓋率基本上是黑土灘禿斑塊進一步擴大開始。高植被覆蓋度的土壤能夠起到絕熱作用，在凍融季節(jié)能夠保護凍土減少受水熱劇烈變化的影響，保護凍土穩(wěn)定性[148]。尤全剛等研究證實[149]，高寒草甸植被退化，土壤持水量、飽和導水率降低和導熱率增加將加速地表水熱交換，對高寒草甸草地退化和下伏多年凍土消融都可能是正反饋。王一博等[56]研究證實高寒草甸在10～20 cm土層的土壤含水量流失對高寒草甸土壤環(huán)境影響最大，這個土層恰恰就是黑土灘形成過程中的草氈層的剝離層。胡宏昌等[150]研究發(fā)現(xiàn)多年凍土與季節(jié)凍土土壤水分對植被退化的響應不一樣，多年凍土活動層20～60 cm的土壤含水量隨著植被覆蓋度減少而降低，而60～80 cm的土壤含水量增加；季節(jié)凍土0～120 cm的土壤含水量則都降低。就目前的研究結(jié)果來看，一般認為凍土區(qū)域的草地植被及草氈層有著隔熱作用[151-153]，但黑土灘呈現(xiàn)斑塊狀的植被和草氈層剝離在不同尺度上與凍土水熱關(guān)系，以及不同凍土類型的水熱作用機制值得進一步深入研究。

4.4 毒雜草與鼠害

土壤侵蝕、毒雜草蔓延、鼠害增加等在一定程度上與禿斑塊面積和空間態(tài)勢有很大關(guān)系[57,32,154]。毒雜草的作用在黑土灘形成過程中十分明顯，同時也是影響黑土灘治理的重要問題。關(guān)于毒雜草的研究集中于毒雜草繁殖擴散及化感作用較多，延續(xù)了上個世紀80年代以來研究基礎(chǔ)。近10年已經(jīng)發(fā)表的研究報告表明，毒雜草土壤種子庫、毒雜草引起土壤養(yǎng)分變化，以及化感作用有效的促進了毒雜草在黑土灘生境中滋生與迅速擴散[50,70,73,87]。例如，土壤可萌發(fā)種子庫在未退化草地，輕度，中度退化草地中都相對較少，但是在黑土灘中卻迅速增加，但大部分組成是毒雜草種子庫[72]，這與毒雜草種子主要都為小型種子有關(guān)[67]。同時也支持了地上毒雜草更新幼苗的高密度發(fā)生[71]，這種毒雜草植物更新模式與毒雜草種子高效繁殖有密切關(guān)系[70,155]。但是沒有十分明確的量化證據(jù)證明毒雜草土壤種子庫在黑土灘形成與恢復過程中扮演著重要角色，這與研究過程樣品采集方法和種子庫分析方法差別有關(guān)[70,96]，但是這些研究給出的對策則十分重要，也就是在黑土灘治理過程中要消耗毒雜草種子庫，盡可能降低毒雜草種子庫造成毒雜草再次爆發(fā)，引起黑土灘二次發(fā)生[70-73,93]。

毒雜草化感作用是黑土灘初次形成及二次發(fā)生的重要生態(tài)學機制[35]。近10年來，該方面主要集中于黑土灘毒雜草的化感物質(zhì)分析，化感測試等，但在野外的實證研究仍需加強[156-160]。垂穗披堿草(Elymusnutans)對主要黑土灘毒雜草(黃花棘豆(Oxytropisochrocephala)，秦艽(Gentianamacrophylla)，南山蒿(Artemisiananschanica)，黃帚橐吾(Ligulariavirgaurea)，瑞香狼毒(Stellerachamaejasme)，密花香薷(Elsholtziadensa)，白苞筋骨草(Ajugalupulina)，鐵棒錘(Aconitumpendulum))的化感抑制作用的反應比較明顯，其中黃花棘豆化感抑制性最強[161-163]。甘肅馬先蒿(Pediculariskansuensis)對垂穗披堿草的化感抑制作用比對其他禾草如青海冷地早熟禾(Poacrymophila‘Qinghai’)，同德老芒麥(Elymussibiricus‘Tongde’)，青海中華羊茅(Festucasinensis‘Qinghai’)強烈[164]，這也是甘肅馬先蒿容易在垂穗披堿草人工草地爆發(fā)的重要原因[158,165-166]。甘肅馬先蒿的防治可以采用化感抑制劑，后源等[167]發(fā)現(xiàn)黃花棘豆、南山蒿等黑土灘本地毒草的植物體化學提取物對甘肅馬先蒿有較強的抑制作用，并發(fā)現(xiàn)有效抑制物：倍半萜類化合物(香橙烯環(huán)氧化物(C15H24O)、異香橙烯環(huán)氧化物(C15H24O)和6-(2-(3-羥基-1-丙烯)基)-4,8a-二甲基-1,2,4a,5,6,7,8,8a-八氫-2-萘醇(C15H24O2))。任元丁[50]證實了黑土灘主要毒雜草[南山蒿，細葉亞菊(Ajaniatenuifolia)，黃帚橐吾]殘體在土壤中釋放化感物質(zhì)，是毒雜草向土壤中釋放化感物質(zhì)的重要途徑。

圖3 青藏高原“黑土灘”二次發(fā)生現(xiàn)象示意圖Fig.3 A schematic diagram of the phenmenon of ‘black soil land’ second emergence in Qinghai-Tibetan Platean

嚙齒動物活動是禿斑塊逐漸擴大的重要推動力，這在黑土灘形成過程中的作用十分明顯[168-169]。對于嚙齒動物、鼠類動物活動與黑土灘的形成，基本上沒有獲得更多的進展。較多研究還是集中于鼠類動物活動與植被、土壤關(guān)系，而且研究方法也還是采用鼠洞密度方法調(diào)查草地植被與土壤變化[154,170-173]，來證實高強度的鼠類活動嚴重造成了草地退化，特別是在鼠類活動區(qū)域首先形成黑土灘[103,175]。賈婷婷研究認為，高寒草甸有效鼠洞在320-624 ha-1時候，高寒草甸土壤、植被能很好的協(xié)調(diào)發(fā)展，過高和過低的密度對高寒草甸植被和土壤的耦合協(xié)調(diào)度會降低[175]。

4.5 草氈層的作用

草氈層是維系青藏高原高寒草甸的根本，草氈層的穩(wěn)定是高寒草甸區(qū)域植被、凍土、碳庫以及草甸生物多樣性、生產(chǎn)性能維持核心[10,12,14,59]。草氈層剝離、消失是黑土灘發(fā)生的重要標志和最終體現(xiàn)形式，因此關(guān)于草氈層與黑土灘關(guān)系科研人員關(guān)注了很久，但是系統(tǒng)性的研究并沒有開展。以曹廣民課題組為代表研究團隊在近10年對草氈層與黑土灘發(fā)生之間的關(guān)系開展了深入研究[52,118-127,146,176]，并以草氈層為核心，將碳庫穩(wěn)定性，水熱變化，植被，土壤結(jié)皮，根系等與草甸演變進行了詳細的實證分析。草氈層干化是草地退化的重要內(nèi)在因素[2,115,122,146,176-177]。野外觀測表明，禿斑塊周邊草氈層都出現(xiàn)干化現(xiàn)象(圖1 a1,a2,b1,b2)。這種草氈層的干化使得土壤與草氈層之間固有的水熱關(guān)系減弱，加之草氈層水分減少，最終禿斑塊周邊的草氈層死亡、逐漸剝離，禿斑擴散(圖1 b1)，使得草甸孤島化(圖1 b2)。

5 黑土灘退化草地生態(tài)恢復理論和技術(shù)

5.1 恢復的理論與應用

黑土灘退化草地生態(tài)恢復最初指導性理論來源于退化分級，針對不同退化等級采用不同技術(shù)，隨著退化程度加劇，越需要更多人工輔助恢復，以至于后來提出采用“人工草地改建”的技術(shù)恢復“黑土灘”，其根據(jù)是“黑土灘”已經(jīng)失去自我恢復能力[1,17,111]?！案慕ā边@個詞是作者在12年前進行博士研究論證會中，由胡自治教授提出的，后面逐漸出現(xiàn)相關(guān)報告中，現(xiàn)在逐漸得到學界認可。為了證實“人工草地改建”在恢復黑土灘中的作用，很多人開展了相關(guān)研究，并大量產(chǎn)生了“黑土灘人工草地”，作為一種人工植被出現(xiàn)在三江源區(qū)，以至于三江源區(qū)后續(xù)大量生態(tài)建設(shè)工作都圍繞“黑土灘人工草地”開展[178-181]。

采用高強度的農(nóng)藝學措施建植人工草地的方式恢復黑土灘，目前仍然存在很大爭論[182]。主要問題在于改建的人工草地迅速退化問題[183]，為此國家自然基金委資助了一個自然基金項目《青藏高原三江源區(qū)“黑土灘”二次發(fā)生的地下過程及其內(nèi)部驅(qū)動機制研究(編號：41171417)》，分析人工改建后黑土灘二次發(fā)生問題。其研究結(jié)果證實了改建人工草地迅速退化會確實引起黑土灘二次發(fā)生[184]；但在管理水平較高的情況下能夠引導人工草地逐漸演替到較穩(wěn)定的多年生植被階段，促進其自我恢復，但這種管理投入較大，技術(shù)要求也較高[15,108,182,185-186]。

針對黑土灘人工草地改建技術(shù)存在的問題，馬玉壽課題組開展了種質(zhì)資源選育、馴化，以及管理技術(shù)等一系列研究，最終獲得了較理想的根莖型禾草作為黑土灘人工草地建植的較適宜牧草植物-青海草地早熟禾(Poapratensis‘Qinghai’)、青海冷地早熟禾(Poacrymophila‘Qinghai’)，并進行了大范圍推廣[187-189]。黑土灘治理不能一刀切，在這種指導思想下，馬玉壽等2008年提出分級、分類治理思想，并且在三江源區(qū)黑土灘本地調(diào)查結(jié)果支持下，其團隊成員制定了一系列詳細的技術(shù)規(guī)程，有力的支撐三江源區(qū)草地恢復工程的實施[19,64,111,183,190-194]。

董全民等在實踐中發(fā)現(xiàn)黑土灘人工草地3～5年期間暫穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象對于人工草地以后穩(wěn)定性具有重要作用，提出了采用人工干擾維持其暫穩(wěn)態(tài)的理論，提出混播黑土灘人工草地冬季利用率在40～60%，并采用施肥、毒雜草防除和鼠害防除方法能夠維持人工草地穩(wěn)定性[183]。很多關(guān)于黑土灘人工草地穩(wěn)定性的研究都基于在青海省瑪沁縣大武灘試驗地的工作基礎(chǔ)[195-198]。該示范地已經(jīng)進行了近20年的研究工作，在較好的管理下已經(jīng)演替到很好的階段，并且已經(jīng)形成致密的草皮層，在試驗地的很多區(qū)域原生植被已經(jīng)逐漸恢復[199-200]。李以康等調(diào)查發(fā)現(xiàn)黑土灘人工草地在11年后經(jīng)歷雜草侵入，嵩草草甸斑塊化發(fā)展，逐漸向頂級群落-禾草矮嵩草群落恢復演替[121]。王彥龍根據(jù)青海省瑪沁縣大武灘試驗地的人工草地植物營養(yǎng)型分析結(jié)果，認為黑土灘人工草地夏季屬于碳氮營養(yǎng)型，冬季草地屬于碳營養(yǎng)型[200]。很多不同年限黑土灘人工草地土壤養(yǎng)分變化趨勢都顯示出’V’形，這說明隨著人工草地年限增加，能夠使土壤得到一定恢復，盡管在短期內(nèi)出現(xiàn)下降趨勢，也表明人工草地短期內(nèi)高生產(chǎn)力是以消耗地力為代價的，但合理的管理能逐漸促進草地恢復[196,201-204]。

李希來基于大規(guī)模的樣地調(diào)查采用數(shù)量模型方法研究了黑土灘退化草地恢復問題[97]。在其一系列研究報告中，李希來指出黑土灘退化草地也能夠恢復，但是對于不同退化程度的黑土灘恢復要求差異較大，通過模型模擬認為黑土灘退化草地在高強度放牧情況下21年后就能形成，而恢復需要在50年以上，而在一般放牧條件下，黑土灘的恢復則需要在115～500年之間，因此他建議盡量降低干擾以提高黑土灘恢復速度[100-101,34]。尚占環(huán)2007年提出辯證的看待黑土灘次生雜草群落，認為黑土灘也可能是高寒草甸正向演替的起始[116]，是高寒生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)過程，這種觀點在野外實地觀察中有一定的證據(jù)，例如實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)很多禿斑塊能逐漸恢復成逐漸嵩草草甸。因此，我們可能嚴重低估了嵩草群落和草氈層在黑土灘自我恢復過程中的恢復力，這方面需要更加詳細研究論證。

5.2 生態(tài)恢復的種質(zhì)資源

從上個世紀80年代開始，黑土灘治理的研究人員不斷探索能夠適用于黑土灘生態(tài)恢復的植物種質(zhì)資源，這期間開展了大量實驗工作，其中莎草、禾草，甚至豆科植物都被廣泛應用于科研和實踐中[13,205-207]。但是最后逐漸放棄了莎草科、豆科植物，原因在于他們很難應用到黑土灘恢復中，豆科優(yōu)良牧草難以在海拔3700 m以上高寒區(qū)域很好的生長繁殖，而莎草科植物在黑土灘條件下難以定植，種質(zhì)材料難以獲得。后來黑土灘人工草地的植物種質(zhì)研究和開發(fā)的工作都集中于禾草植物。早期研究認為，禾草能夠作為黑土灘恢復成嵩草植被的先鋒植物[207]。近10年來，在經(jīng)過大量草種馴化，篩選之后，一系列適用于黑土灘的優(yōu)良種質(zhì)資源及其利用技術(shù)被大量的研究出來。生態(tài)功能應該作為黑土灘生態(tài)恢復種質(zhì)資源篩選的重要指標，例如植物根系結(jié)構(gòu)(根生物量、須根條數(shù)、根長等)與形成的土草混合體抗侵蝕性、穩(wěn)定性關(guān)系十分緊密[208]。

最具代表性的新種質(zhì)資源是青海冷地早熟禾、青海草地早熟禾，應用時間長、最廣泛的植物是垂穗披堿草[187,188,209-212]。圍繞著這些牧草的適應性、實用技術(shù)研究被廣泛開展。青海畜牧獸醫(yī)科學院在黑土灘治理種質(zhì)資源馴化與適應性評價方面做了大量工作，先后對50多種本地植物及引進植物行了評估和應用示范[185,213]。近幾年更集中于生態(tài)型牧草植物馴化和應用，如梭羅草(Roegneriathoroldiana)、疏花針茅(Stipapenicillata)、麥薲草(Elymustangutorum)、異針茅(Stipaaliena)、洽草(Koeleriacristata)、發(fā)草(Deschampsiacaespitosa)、堿茅(Puccinelliadistans)[191,212-219]。馬玉壽團隊經(jīng)過多年攻關(guān)研究，最終成功馴化成黑土灘治理優(yōu)良生態(tài)型牧草-青海草地早熟禾[220,212]。青海草地早熟禾、青海冷地早熟禾的馴化試驗和示范的成功為黑土灘生態(tài)恢復工程提供了充足、有效的種質(zhì)資源[185,187-188,211-212]。

披堿草屬3種主要牧草[(垂穗披堿草，多葉老芒麥(Elymussibiricus‘Duoye’)，短芒老芒麥(Elymussibiricus‘Duanmang’)]人工種植的生長高峰期都在第2～4年，每平方米地上干物質(zhì)都能達到1000 g左右，返青季節(jié)基本都在4月下旬[215]。在瑪沁縣黑土灘中種植的10種早熟禾品種中[波伐早熟禾(Poaalbertiisubsp.poophagorum)，青海扁莖早熟禾(Poapratensis‘Qinghai’)，冷地早熟禾(Poacrymophila)，草地早熟禾(Poapratensis)，高山早熟禾(Poaalpina)，高寒肯塔基早熟禾(Poapratensis‘Kentucky’)，草地早熟禾巴林(Poapratensis‘Balin’)，康尼(Poapratensis‘Conni’)，肯塔基，超優(yōu)異(Poapratensis‘Merit’)]，有6種從加拿大引入的不能越冬(高山早熟禾，高寒肯塔基早熟禾，草地早熟禾巴林，康尼，肯塔基，超優(yōu)異)，其他4種本地馴化的早熟禾都能很好的在黑土灘生長[214]。評估的8種羊茅屬牧草[(中華羊茅(Festucasinensis)，西北羊茅(Festucakryloviana)(原文拉丁文有誤，且根據(jù)拉丁文應該為‘寒生羊茅’)，毛稃羊茅(Festucakirilovii)，紫羊茅(同德)(Festucarubra)，卡斯爾迪硬羊茅(Festucaovrina‘Carsrd’)，羊茅(Festucaovrina)(根據(jù)原文拉丁文應該為‘羊茅’非‘寒生羊茅’)，蠱羊茅(Festucafascinata)]中，后4種不能越冬，中華羊茅表現(xiàn)最好，適合作為黑土灘人工草地種植[216]。經(jīng)4年監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn)，星星草(Puccinelliatenuiflora)，洽草，發(fā)草等也能和羊茅、早熟禾等一樣作為黑土灘改建人工草地的理想植物[219]。異針茅也能作為黑土灘人工草地種植植物，適合作為生態(tài)草恢復黑土灘[217]。在玉樹地區(qū)黑土灘人工草地研究中，引入15種高寒地區(qū)的牧草都能正常生長，并能完成越冬和完整生育期，其中同德老芒麥和同德短芒披堿草表現(xiàn)最好[222]。

不同牧草植物混合作為黑土灘人工草地建植材料應用較多，混播一般比單播穩(wěn)定[221]。在2～6種牧草混合播種中，4種混合效果較好[223]，但是這個研究基于1年生長觀測[223]。馬玉壽等[179]報道了3年年限的黑土灘人工草地混播群落穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)較多物種組合建植的人工草地越來越表現(xiàn)出穩(wěn)定性，5～6種組合穩(wěn)定性十分明顯，推薦“垂穗披堿草+冷地早熟禾+中華羊茅+波伐早熟禾+西北羊茅+短芒老芒麥”作為黑土灘人工草地混播組合，同時4年的觀測實驗也證實了這一點[197]。施建軍等[185]推薦6種牧草混播用來建植黑土灘人工草地(垂穗披堿草+青海草地早熟禾+青海中華羊茅+青海冷地早熟禾+堿茅+西北羊茅)。黑土灘恢復技術(shù)中，單播牧草植物應該在工程實施中被禁止，至少應該有兩種牧草以上的混播。

5.3 人工輔助技術(shù)

在“黑土灘”恢復技術(shù)分類、分級為指導下，一共發(fā)展了3類技術(shù)，第1類是圍欄封育，去除干擾依靠其自然恢復，適用于輕度退化草地；第2類是人工補播，除雜草，滅除鼠害，適用于中度退化草地；第3類是難以恢復極度退化黑土灘，采用人工改建成人工草地，并輔助圍欄封育[6,19,111,180]。事實上，這3類技術(shù)都需要人工幫助草地恢復，以促進其恢復演替。因此黑土灘生態(tài)恢復工程必須投入人力因素，才能達到目的[64]。近10年中，人工恢復技術(shù)在前人的基礎(chǔ)上越來越成熟，并且更加走向標準化，在大量研發(fā)項目支持下，與黑土灘治理有關(guān)的一系列專利、標準被發(fā)展起來，成為黑土灘治理技術(shù)體系的重要組成部分。

肥料一般在黑土灘人工草地建植和管理中廣泛使用，為了滿足人工草地短期積累大量生物量和根系對養(yǎng)分需求，也必須提供足夠的肥料[108]。黑土灘人工草地一般3年后土壤硝態(tài)氮下降50%，應重視更有效的施肥技術(shù)，比如目前使用的N肥，很大比例并沒有被植物吸收[65-66]。腐熟羊糞作為底肥在黑土灘人工草地中效果好，一般使用量為每公頃2 000 kg[194]。施建軍等[224]推薦在黑土灘人工草地最佳施用化肥(N、P)時間在分蘗至7月上旬。

基于農(nóng)藝耕作措施在改建和補播恢復黑土灘過程中，存在草地土表層高強度的人為干擾問題。馬玉壽研究團隊提出了采用免耕措施改建或補播恢復黑土灘，在黑河上游黑土灘治理中，免耕技術(shù)雖然在恢復植被方面效果差一些，但對于土壤的保護效果較好[18-19]。黑土灘恢復技術(shù)體系中，免耕技術(shù)應該進一步深入研究，特別是關(guān)于較長年限的免耕技術(shù)效果研究。

恢復黑土灘的牧草植物種子丸?；夹g(shù)近幾年被應用，主要由青海大學李希來團隊實施[225]。研究結(jié)果表明采用保水劑的青海冷地早熟禾、青海中華羊茅的丸粒種子在幼苗生長能力方面比裸種子效果好[225]。采用羊糞和粘土(比例為35%∶65%效果最好)作為種子丸?；牧显谝欢ǔ潭壬咸岣吒吆貐^(qū)人工種植的牧草種子萌發(fā)率[226-227]和生長狀況，例如植株葉片數(shù)、株高和根長都有提高[228-229]。高寒草地土壤也可以作為種子的包衣劑[230]。種子微藻包衣可以提高幼苗植物根際土壤微生物活性和植物生長，改善植物生長環(huán)境[231-232]。

用于改建黑土灘的人工草地采用一定灌溉措施能夠降低雜草發(fā)生，同時能夠提高優(yōu)良牧草生物量[233-236]。封育措施不論在哪種退化等級草地，都必不可少，在恢復過程中更需要一定的封育保護措施，免遭過度干擾[237-239]。黑土灘人工草地可以采用一定程度上的放牧管理，提高物種多樣性，促進植被更好發(fā)育[186,193,198,240-244]。董全民等[245]推薦在垂穗披堿草/星星草混播黑土灘人工草地上放牧強度為9.97頭·ha-1牦牛，對草地植被穩(wěn)定和家畜生產(chǎn)都適宜。適當?shù)呢赘畈粌H能加速草地物質(zhì)循環(huán)，還能減弱因繁殖生長帶來的植株老化問題，提高黑土灘人工草地群落活力，并獲得一定的飼草生產(chǎn)[246-247]。

一般以黑土灘人工草地穩(wěn)定性為目的的草地管理技術(shù)，包括毒雜草防除，鼠害防除，肥料使用，這些是最基本的農(nóng)藝學調(diào)控措施[185,248-250]。和其他技術(shù)相比，鼠害防控技術(shù)應該很好研發(fā)，以獲得可持續(xù)的鼠害防控效果[251-252]。雜草防除方面一直推薦的是化學防除，對于草地牧草而言化學藥物選擇性較差[253]。對比黑土灘人工草地生產(chǎn)與生態(tài)功能效益，投入一定人工調(diào)控是雙贏的投入，以9年的管理投入為例，隨著年限延長投入產(chǎn)出比也增加，這是因為隨著黑土灘人工草地逐漸穩(wěn)定，投入逐漸降低，但對管理人員技術(shù)水平要求較高[254-256]。

5.4 近自然恢復與適應性調(diào)控

近自然恢復在三江源區(qū)生態(tài)恢復工作中已經(jīng)被納入國家十三五項目中[257]，并將作為重點發(fā)展技術(shù)體系，支持黑土灘退化草地的恢復和治理。近自然恢復強調(diào)遵循自然規(guī)律前提，人工促進創(chuàng)造環(huán)境恢復到原生狀態(tài)，并在恢復過程中強調(diào)與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，消除過多的人工痕跡[258-259]。已有的研究結(jié)果表明，黑土灘退化草地使用圍欄封育自然恢復方法難以達到恢復目標，且最終形成了越來越穩(wěn)定的毒雜草群落[1]，李希來的研究表明，極度退化黑土灘自然恢復可能要近500年時間[97]。因此，人工干預的近自然恢復技術(shù)是解決黑土灘生態(tài)恢復問題重要途徑之一，那么黑土灘生態(tài)恢復中近自然恢復技術(shù)體系應至少包括以下幾個方面:(1)高豐富度的當?shù)夭莸刂参锓N子混合混播材料；(2)采用當?shù)卦系耐寥鲤B(yǎng)分添加材料；(3)使用當?shù)卦系牡乇砀采w、保持水土和種子材料；(4)可以采用移植當?shù)夭莸乇硗梁屯敛輰臃椒ㄟM行恢復。對于黑土灘而言，土壤種子庫捐贈技術(shù)(donor seedbanks)是其近自然恢復的重要方式，土壤種子庫捐贈技術(shù)實際上涵蓋了近自然恢復原則和技術(shù)途徑[178,260-262]。

適應性調(diào)控是黑土灘人工草地獲得恢復性演替的重要途徑，也是啟動和引導黑土灘自我恢復的重要措施，這也是近自然恢復生態(tài)學的重要方面[263]。從群落結(jié)構(gòu)和功能變化角度看，黑土灘人工草地是生態(tài)恢復技術(shù)使用后形成的雜合型群落[264]，雜合型群落屬于不穩(wěn)定的群落，勢必會不斷發(fā)生變化，其變化受多種因素、機制交叉作用，在不同演替階段主導機制不同[181,196,265-266]。長期性觀測研究是黑土灘人工草地可持續(xù)管理的重要基礎(chǔ)，例如基于中長期的一些黑土灘恢復研究結(jié)果表明，黑土灘不同恢復技術(shù)處理下地上群落有著趨同演變趨勢，且土壤系統(tǒng)也有恢復趨勢，盡管群落結(jié)構(gòu)有分層-分異現(xiàn)象[181,201-203,267]。因此，基于恢復生態(tài)學的長期性研究才能獲得有實踐指導意義的有效技術(shù)[268-269]。

5.5 黑土灘恢復效果的評估

近10年來，由于三江源生態(tài)工程實施，退化草地恢復工作迅速、大范圍開展，建立了不同地點、恢復技術(shù)、規(guī)模的試驗、示范實地樣地，針對這些工作開展了很多相應的監(jiān)測與評估，也包括三江源區(qū)的整體評估[4,25,110,270-273]。具體評估內(nèi)容主要包括種質(zhì)資源適宜性，土壤、植被變化趨勢，土壤微生物，經(jīng)濟效益，生物多樣性，碳匯等方面[32,65-66,87,108,219,274-275]。這些評估對生態(tài)恢復的技術(shù)標準，規(guī)程，技術(shù)體系的完善提供了強有力的數(shù)據(jù)和信息支持。正是在這些評估基礎(chǔ)上，才形成了今天較為完善的黑土灘恢復理論和技術(shù)體系，支撐推動著三江源區(qū)生態(tài)建設(shè)工程。根據(jù)現(xiàn)有的研究報告，就恢復技術(shù)而言，年限越長研究的從生態(tài)功能、生產(chǎn)功能恢復效果的評價越可靠，對技術(shù)的改進和完善越有參考價值[269]。因此，在黑土灘恢復中應該特別注重長期研究樣地的建立和持續(xù)性監(jiān)測研究。

經(jīng)濟效益評估是黑土灘恢復治理的重要方面。事實上黑土灘治理重要一個方面是牧民生計問題的解決，也涉及到國家生態(tài)工程的民生功能，但黑土灘經(jīng)濟效益相關(guān)評估目前較少[276]。陳敏等[277]認為三江源區(qū)生態(tài)經(jīng)濟收益將隨著風險因子值增加而減少，決策者所持風險態(tài)度對生態(tài)恢復方案的制定起著決定性影響。尹曉英和秦嘉龍[268]提出黑土灘治理的生態(tài)補償投入，直接從“基建支出”轉(zhuǎn)入“待核銷基建支出”，并未將其作為資產(chǎn)反映，既不能歸集生態(tài)效益補償?shù)某杀?，也不能體現(xiàn)政府履行受托責任情況。周毛措和鄭建宗[278]基于投入產(chǎn)出的經(jīng)濟核算方法研究認為，在高寒地區(qū)重度～中度退化草地恢復中人工恢復比自然恢復效益高，而在中度～輕度退化草地恢復中自然恢復效益比人工恢復效益高。董全民等[256]對比了黑土灘人工草地(混播，單播)及退化草地在9年間的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益，建議將人工草地生態(tài)系統(tǒng)的價值核算納入草地生態(tài)系統(tǒng)補償性保護和恢復的決策過程中。施建軍等[254]分析了6年的黑土灘人工草地投入產(chǎn)出，結(jié)果表明在持續(xù)一定投入維持下黑土灘人工草地能夠持續(xù)獲得較高產(chǎn)出，且產(chǎn)出效益逐漸增加，這種效益驅(qū)動下，應該加強黑土灘人工草地建設(shè)和管理，獲得生態(tài)、生產(chǎn)雙贏。從上述僅有幾個黑土灘恢復的經(jīng)濟效益分析案例可以看出，應該加強生態(tài)恢復的經(jīng)濟效益評估，特別是對不同技術(shù)、模式較長期的效益跟蹤評估，才能更有效的支持國家在黑土灘治理上的正確投入[128,279-280]。

6 研究展望與總結(jié)

恢復生態(tài)學的主流理論基本都應用到了黑土灘恢復治理工作中，并且已經(jīng)形成了較成熟的理論、技術(shù)體系。近自然的恢復理論目前逐漸成為主導生態(tài)恢復，特別是退化自然生態(tài)系統(tǒng)恢復工作的重要指導思想[268]，這對黑土灘人工干擾恢復提供了重要參考，在引導、協(xié)助黑土灘人工草地向恢復演替變化提供了明確目標。深入認識黑土灘在高寒草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能維持中的作用，特別是其自我恢復力的認識，促進受損植被自我恢復力提高，是以后三江源區(qū)生態(tài)修復的重要發(fā)展方向。特別應該加強對退化草地恢復技術(shù)實施對土壤功能影響的研究[281-284]。在美國加利福尼亞大學伯克利分校一個有關(guān)未來生態(tài)環(huán)境保護的研討會上，來自全球40多個生態(tài)、生物學家形成共識，提出面對全球變化和人口增長，環(huán)保主義者應該利用新形成的生態(tài)系統(tǒng)，注重維護生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的多樣化，增進生態(tài)系統(tǒng)的適應能力，而不應總是試圖讓生態(tài)系統(tǒng)維持過去的狀態(tài)[285]。把生態(tài)系統(tǒng)功能整合到生態(tài)恢復中，不能簡單的滿足于植被恢復[286]。因此把治理黑土灘工程放到三江源區(qū)高寒草地畜牧業(yè)的生態(tài)-生產(chǎn)系統(tǒng)中，作為調(diào)控天然-家畜體系生態(tài)平衡的角色，更有助于可持續(xù)性的黑土灘治理[13,279,287]。

黑土灘生態(tài)恢復技術(shù)已基本形成完善的體系，但在具體細節(jié)應該再進一步深入研究。例如，更多的種質(zhì)材料混合技術(shù)，目前很少有超過6種牧草植物種類種子混合的案例，應該加強生態(tài)恢復種質(zhì)資源開發(fā)和應用技術(shù)研究[288]。一般超過20種的植物物種混合能夠建立更加穩(wěn)定的植被，并且對后續(xù)植被演替有著更加顯著的積極作用[289]。因此我們建議針對黑土灘人工草地建植開發(fā)多種多樣的種質(zhì)配方材料。黑土灘在人工恢復過程中應該注重分段調(diào)控技術(shù)的使用，在整個三江源區(qū)應該在分區(qū)基礎(chǔ)上，建立分類、分級、分段的調(diào)控技術(shù)體系，完善 “分區(qū)-分類-分級-分段”技術(shù)模式。人工干擾引導植被逐漸恢復是較難的過程，人工組裝的群落很可能會出現(xiàn)意料之外的群落和演替方向，可控人工干擾是黑土灘生態(tài)恢復的研究重點[287]。加強生物源控制劑研發(fā)應用，研究生態(tài)型控制毒雜草技術(shù)[290]。就恢復成本而言，黑土灘恢復的人工改建技術(shù)成本還是較高，因此急需發(fā)展低成本的技術(shù)體系及模式，如發(fā)揮當?shù)剞r(nóng)牧民、企業(yè)的積極性是降低成本的重要機制[128,279]。在總結(jié)以前的技術(shù)基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展低成本的技術(shù)體系能夠更有效的促進生態(tài)恢復工程實施[291]。

綜觀近10年來，在國家三江源區(qū)自然保護區(qū)、國家公園等生態(tài)建設(shè)國家戰(zhàn)略實施中，黑土灘恢復和治理作為三江源區(qū)生態(tài)建設(shè)重點工程，相關(guān)研究工作得到了極大發(fā)展，不論從理論、技術(shù)、模式，還是從科技產(chǎn)出，人才培養(yǎng)都取得了前所未有的成績。黑土灘作為全球草地退化行為在青藏高原的特殊表現(xiàn)形式，代表著自然植被生態(tài)退化的極端案例，因此其研究價值對生態(tài)學理論、生態(tài)恢復技術(shù)、生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)管理等都有著極其重要的意義和參考價值。畢竟，目前三江源區(qū)7000多萬畝黑土灘不可能都采用人工改建方式來進行恢復(成本高、后續(xù)管理需求太大，以及生態(tài)風險也較高)，因此我們建議，將更多的科研平臺、資源納入到草地生態(tài)恢復行動中，發(fā)展多技術(shù)，多模式的生態(tài)恢復途徑，有效推進三江源區(qū)生態(tài)建設(shè)。