气候变化下鼠兔对张北草原的影响

2023/5/21 来源:不详

摘要鼠兔主要通过采食牧草、挖掘洞穴、排泄粪便等活动方式,来改变地上地下的生物量及土壤理化性质,在草原生态系统中发挥着巨大作用。张北坝上主要是指河北张北县中都草原,是锡林郭勒草原的一部分。坝上草原总面积约平方公里,属内蒙古大草原的一部分;平均海拔在米左右,最高海拔约米;滦河、潮河的发源地置身其中,纬度41-42度之间。坝上旅游季节平均气温在18℃左右,年平均气温约1.4-6度。坝上的风景漂亮,夏季天蓝欲滴,碧草如翠,云花清秀,野芳琼香;金秋时节,万山红遍,野果飘香;冬季,白雪皑皑,玉树琼花,这里就如一首首优美的诗,一幅幅优美的画。本文从草原植被与气候要素的关系、草原植被与气候变化的关系、草原植被与鼠兔密度关系、鼠兔与气候变化关系四个方面综合分析前人的研究成果,从气候变化-植被-鼠兔角度分析鼠兔在气候变化背景下对我国北方草原的潜在影响。我国北方草原呈现气候暖干化趋势,由此可能带来的草地植被生长期提前并延长、土壤含水量下降,以及日益频发的极端天气及其引发的火灾、洪涝、瘟疫等突发灾害,都会对鼠兔种群产生不利影响,可能造成草原生态系统生物多样性降低、植被丰度减少、土壤湿度下降等负面影响,最后危害草原生态系统的稳定。

关键词∶气候变化鼠兔张北草原植被影响

引言

鼠兔作为生态系统的重要组成部分,是初级生产者与次级消费者之间的关系纽带。近年来,由于气候变化影响,我国北方温带草原气候呈现暖干化趋势。然而在气候变化背景下,针对我国北方草原生态系统中鼠兔种群的演替变化及其影响的研究尚为缺乏,鼠兔对气候变化的响应机制尚不明确。

鼠兔种群结构组成、行为形态、生殖繁衍等受到各种环境因子影响,但植被作为鼠兔的栖息地和主要食物来源,在诸多影响鼠兔的环境因子中,由于它直接决定着鼠兔的种群状况,在鼠类栖息地适合度的构成要素中占有更高权重。所以,研究草原生态系统中植被与气候因子的响应关系对分析气候变化下鼠兔对草原的影响有着重要意义。

在草原上空的鹰等鼠兔天敌保持一定数量时,鼠兔数目保持在较小范围内,不会对草场形成严重危害。但当生态失衡,天敌们大量减少时,鼠兔泛滥自然造成草原“失色”。而且,即使鼠兔在一定程度上威胁到草原生态平衡,但也只是造成草场退化的原因之一。无序过度放牧造成草场不堪负荷、土地沙化等,则是更重要的原因。

本文以整理气候变化下鼠兔与环境的相互作用关系为出发点,在草原植被与气候要素的关系、草原植被与气候变化的关系、草原植被与鼠兔密度关系、鼠兔与气候变化关系四个方面总结前人学者的研究进展,以张北草原为研究区域,着重探讨植被因素对鼠兔种群变化的影响,试图预测鼠兔在当前背景下对草原生态系统产生的影响,并为进一步保护我国北方草原提出控制鼠害的对策与建议。

一、研究背景

从上世纪初至今,全球气候变化明显,总体呈持续变暖趋势。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告指出,-年地表平均温度升高0.85℃m,处于北半球中高纬度的温带草原区域气候变化情况尤为强烈。草原作为陆地上面积最大的生态系统,是维持农牧业发展最重要的物质根基,也是农牧民的生产生活资料来源,但由干草原的脆弱性利敏感性,也极易受到气候变化的影响。鼠兔作为草原生态系统的重要组成部分,其形态特征、生殖能力和种群动态等都会受到气候变化的直接影响或间接影响。

(一)张北草原概况

张北草原鼠兔终生营家族式生活,穴居,多在草地上挖密集的洞群,洞口常有光秃的跑道相连,地下也有洞道相通,洞系分临时洞和冬季洞。张北县地处河北省张家口市,位于河北省西北部,内蒙古高原南缘的坝上地区,毗邻华北平原,其地势险要,气候独特。由中都和安固里两大草原组成,曾经是清帝秋游巡猎的地方。这里空气纯净,污染极少,是一处保存完整的天然草原。

图1张北县草原旅游示意图

张家口市的草原类型分为坝上草原和坝下草原2种,坝上草原位于张家口市的北部,内蒙古锡林郭勒盟草原的南缘(包括:张北、尚义、康保、沽源、崇礼区一部分),草原面积36.15万hm2,其中天然草原30.万hm2,人工草地5.3万hm2;坝下草原位于张北县以南,保定市北部以北(包括:张家口市桥东区、桥西区、万全区、崇礼区一部分、宣化区、下花园区、怀安、阳原、蔚县、涿鹿、怀来和赤诚),草原面积70.21万hm2,其中天然草原70.06万hm2,人工草地0.万hm2。坝上草原以草甸草原为主,兼有山地草甸、暖性灌草丛和低湿草甸;坝下草原以草山、草坡类型为主;由于坝下地区自然条件及降水量较好,植被盖度及产草量较好,坝上地区降水量少、常年干旱,植被盖度及产草量较差。

全市草原“三化”(退化、沙化和盐碱化)面积48.万hm2,其中坝上草原27.51万hm2,占全市退化面积57.23%,占坝上草原面积的76%;坝下草原退化20.56万hm2,占全市退化面积42.77%,占坝下草原面积的29.28%;盐碱化面积4.01万hm2,占全市草原面积的3.77%,占草原退化面积的8.33%。

(二)研究区近年来气候变化趋势

张北草原地处我国北方半湿润、半干旱和干旱地区,受气候变化影响强烈。李云鹏[1]等基于遥感数据和实地调查分析认为,气候变化背景下张北草原正朝向气温升高、降水量减少的方向发展,整体上暖干化趋势明显。同时,近年来,受全球气候变暖的影响,该地区地表温度逐年升高,地表蒸发量随之急剧增加,为了与蒸发相平衡,大气中的水分含量持续增加,强降雨频率增加,降水呈集中化趋势。同时,观测表明,近年来张北地区原来"雨热同期"特征正在改变,秋冬及早春期间降水量增加,春夏季节降水量减少。气候变化给张北草原带来的具体危害可表现在三方面∶由气温上升和降水减少引发的森林火灾频率升高∶草原干旱化、沙漠化加剧以及地上、地下水资源加速流失;降水的时空分布差异日益加大。

二、鼠兔与气候变化的关系研究进展

气候变化会对生物造成显著影响,除了带来气温、降水量、CO。浓度等方面变化,也会伴随着极端高温、极端干旱、突发降水自然灾害。这些变化会对啮齿动物的形态特征、生殖能力和种群动态等产生巨大影响,并由此给啮齿动物的生存带来更大考验。

(一)极端高温对鼠兔的影响

多年观测表明,张北地区每年从五月份开始明显回温,且最高气温维持在30C以上。持续高温会造成近地空气受热膨胀,导致对流层底层流动紊乱。异常增暖的大气为地面气旋和沙尘的发展提供了充分的热能条件,也加剧了当地干旱程度。

气温对啮齿动物的生殖情况会造成一定影响,尤其是在极端高温条件下。前人研究表明,在持续高温(40℃)情况下,鼠兔的精子活力与高温持续时间呈反比关系,总体呈线性下降趋势。同时,精子顶体结构也会随着持续时间的延长而变性。最终导致繁殖畸开率明显提高。持续高温还会增加怀孕雌鼠的流产率。同时,鼠兔对冷热环境的抵抗能力与其幼年期生长的环境温度有密切联系。出生在在高温环境下的鼠兔幼崽,明显体重高于低温对照组,对高温环境的耐受能力更强,但对寒冷环境的耐受能力减弱。这可以通过伯格曼法则解释∶动物为适应环境变化,自身体型会发生变化,以改变体表面积来更好的散发或者维持身体热量。因此鼠兔在极端高温的情况下为适应高温环境,可能会增大自身体型以释放热量,从而造成体重增长。当然,这也可能是由于在高温条件下鼠兔的可用食物资源也发生了改变。因此,气候变暖带来的可能的持续极端高温天气。可能使张北地区鼠兔生殖效率降低,同时影响鼠兔对环境温度的抵抗能力,并改变其性状特点。

(二)极端干旱对鼠兔的影响

气温是影响生物生存的主要因素之一,尤其是在极端干旱的情况下。同其他啮齿动物一样,鼠兔为适应干早的环境条件,生理特征上会做出适应性变化。

之前研究表明,跳鼠可加强对排泄物的重吸收作用来减少水分流失,即通过调节白身排泄来应对干旱环境。金花鼠则可降低新陈代谢速率上克服干旱条件,并在环境得以改善时恢复正常状态。但并非所有鼠种都能够耐受高温环境,例如小白鼠在高温下代谢速度明显下升。并很快溯临死亡。今后可对张北地区的鼠群进行高温耐受能力测试,以更好地分析研究极端干旱对本地区鼠兔的影响。

此外,极端干旱条件下,环境中可提供的食物物资减少,在可用资源匮乏的情况下,雌性啮齿动物分娩后可能杀死较弱幼体,出现"杀婴"行为,有些鼠种甚至会出现吃掉幼鼠的现象。

(三)极端降水对鼠兔的影响

在气候暖干化背景下,张北地区的降水过程也呈现集中化趋势,暴雨、暴雪增多,气象灾害以及气象衍生灾害频发,由此产生的极端降水也可能对本地区鼠兔造成不利影响。

极端降水可能导致鼠兔群落的结构重组。尤其是荒漠地区,啮齿动物生态位相互重叠,食物资源竞争异常激烈。例如,在奇瓦瓦荒漠,经过极端降雨后当地优势鼠群发生改变,由更格卢鼠变为水性更好的小囊鼠。鼠种的习性不同,在应对突发的洪涝灾害时的差异性发展会改变当地鼠群的优势种构成,从而对整个生态系统造成影响。

除此之外,极端降水还可能引发严重的鼠疫。在荒漠地区,夏季强降雨可能带来植被的迅猛增长,在繁殖期间鼠兔因为可用食物资源增多会大量繁殖:与此同时,潮湿的环境为跳蚤等寄生生物提供了适宜的生存空间,致使两者同期出现爆发性增长,最终引起鼠疫爆发。此外,王大伟[8]等的研究表明,相对于非繁殖季节,在繁殖季节鼠兔的免疫力相对较弱,这也为疾病的快速传播提供更多的可能。

(四)草原植被与气候要素的关系研究进展

目前,国内外有关气候变化对陆地生态系统影响与系统响应的研究主要集中于森林和农田生态系统。对于中国而言,草原是面积最大的绿色生态屏障,坚守着森林、农田等其他植被难以延伸的干旱、高寒等自然环境最为严酷、生态环境最为脆弱的广阔地域,中国草原占国土面积的比重和其特殊的地理分布,彰显了其极其重要的国家生态安全战略地位,同时也赋予草原在应对气候变化作用方面的重要性和不可替代性。

植被的年际变化和季节变化特征十分突出,所以在一定程度上可以通过监测植被的动态变化来反映一个地区的气候变化对植物影响的变化趋势。归一化差值植被指数(normalizeddifferentialvegetationindex)NDVI则是最常使用的监测植被的遥感指数。MDVI指数能够反映出研究区域植被的代谢强度,并能够直观表现出植被的年际变化和季节变化。

影响植被生长的气候因子中,气温和降水是最重要的两方面。国外研究表明,在降水量的一定范围内,NDVI与降水量之间存在着明显的线性关系或对数关系。但当降水量超过一定阈值,降水不再是植被生长的限制因子,而温度的增加对NDVI仍有显著影响。但不同学者对究竟温度与降水两者谁为主要影响因素仍存在分歧。

但无论温度、降水两者与植被生长的相关性孰高孰低,前人研究均表现出植被对全球变暖响应显著,因此通过植被来研究鼠兔对气候变化的响应情况具备合理的科学依据。

(五)草原植被与气候变化的关系研究进展

植被覆盖度(FractionalVegetationCover,FVC)能很好地表征陆地地表植被群体的生长情况,对区域生态系统的环境变化起到很好的指示性作用,是衡量地表植被覆盖状况的重要指标,其变化深刻影响着生态系统的植被生产能力、土壤理化性质、产汇流过程和生态系统功能,从而影响着土壤流失等地表物质的运输和平衡,植被覆盖和土地退化之间的关系非常密切,比如各种形式的毁坏森林植被、开垦荒地、过度放牧等破坏植被覆盖的行为都能直接造成土地退化的发生,而土地退化引起的各种环境问题又将会严重阻碍社会经济的进步,植被覆盖是土壤侵蚀评价中的重要影响因素。作为地球陆地生态系统的重要组成部分,植被对气候变化极为敏感,植被与气候变化的关系成为全球变化研究中的热点。温度和降水及其组合形式通过改变植物光合作用、呼吸作用以及土壤肥力状况进而影响植被生长和分布,从而影响植被覆盖度的变化。

在全球变暖的背景下,张北地区气温较过去明显升高,且冬季气温增幅较大候变化和人类活动交互影响,张北草原整体退化情况十分严重,区内原本高而密的植被群落逐步演变为矮而疏的植被群落。气候变化对草地的影响一方面表现为草原植被面积的减少,另一方面则表现为各类型植被地域分布的迁移。

气候变化也会给植被的生产力带来影响。温度升高、降水更变、CO浓度升高都会显著影响植物生产力。不同的水热条件组合会对植被带来不同的影响。总体说来,暖干型的气候会使草原生产力降低。

随后其研究通过分析草地植被生长期间与气候要素季节变化和月变化的关系,整体来看,张北地区草地植被生长对水热条件变化的敏感性具有季节差异,表现为夏季的植被变化受降水影响更加明显,而春季的植被变化受气温变化影响更为明显。从植被生长季来看,在植物萌芽期间,植被变化主要受气温影响。有数据显示,近年来随着张北地区暖干化进一步发展,该地区植被表现为萌芽提前,生长期长度呈显著延长趋势。同时,植被生长对水热条件变化的响应情况也有明显的滞后性。

三、草原植被与鼠兔密度的关系研究进展

影响鼠兔密度的因素分为非生物因素与生物因素,非生物因素包括气候条件、土壤理化性质、栖息地地形等要素,生物因素包括植被丰富度、植物群落结构、植被地表覆盖度、鼠兔种内种间关系等要素。鼠兔作为生态系统中的初级消费者对植被产生直接影响,本文从植被归一化系数和植被生物量、盖度两方面整理前人研究。

(一)植被归一化系数NDVI与鼠兔密度的关系

植被归一化系数NDVT值除了通过表征植被对气候变化的响应程度以外,与鼠兔密度也存在着直接联系。马波[5]等人的研究显示,MDVI和鼠兔洞穴密度之间存在显著的正相关的线性关。同时,鼠兔有选择地倾向选择植被较好的栖息地,这种利用方式在客观上防止了栖息地植被的过度破坏。

(二)植被生物量及盖度与鼠兔密度的关系

研究显示,啮齿动物密度与植物群落的高度与密度直接密切相关。例如,达乌尔鼠兔倾向于选择具有较高植株的栖息地,高原鼠兔则倾向于选择具有较低植株的栖息地。

同时,植被生物量及盖度与鼠兔密度的关系也是众多学者研究的热点。刘菊梅[6]在青海隆宝滩国家级自然保护区进行的研究显示,在高寒草甸地区,鼠兔密度与植被生物量、盖度均存在显著的线性相关性。当草场植被生物量和盖度处于高位时,会抑制鼠兔数量进一步增加;反过来,适当的鼠兔种群密度降低有毒杂草的数量,从而提高草场优质牧草的比例。

然而,也有学者认为鼠兔密度与植物生物量与盖度呈非线性关系。孙飞达[7]的研究认为,鼠洞密度与植被盖度、多样性指数指数之间的关系可用二次函数表示。秦娇等对鼠兔与植被的模拟研究则进一步证实了这一观点。植被生物量与鼠兔密度之间关系呈现了"低——高——低"的变化趋势,鼠兔密度较低时植被生物量呈显著增加趋势。随鼠密度的增加,植被生物量会逐步下降,草场逐步呈现退化演替,优质牧草的比例降低,杂草比例增高;同时,频繁的鼠兔啃食会促进茎叶枯萎,加速草场退化演替。植物的补偿生长量也与鼠兔密度呈单峰型曲线性相关。至于植物地下部分,植被根系生物量与鼠兔密度关系呈现"高——低——高"的变化趋势。

总之,鼠兔密度的变化能够切实影响到植物群落的地上和地下生物量、植物多样性、植被盖度,但这种响应机制会随着鼠兔种群和生境的改变发生变化。在

未退化草场上,当鼠兔密度处于合理区间时,有利于增加植被丰度,改善草场植被生物多样性。这一是因为鼠兔挖掘活动会增加植物对土壤养分资源和光的可利用性;二是因为鼠兔的挖掘活动产生地表植被斑块,有利于减少植物在资源和空间竞争中的相互抑制作;三是因为鼠兔活动使草地土壤异质性增加,抑制优势种植物的扩张,为其他植物提供更多的生长机会。

四、结果与讨论

图2气候变化背景下鼠兔对张北草原的影响

随着全球气候变化愈演愈烈,目前我国北方草原呈现气候暖干化趋势。以张北草原为例,在当前背景下,冬春季节降水呈增多趋势,而夏秋季节则呈降水减少趋势。在此基础上,冬季和夏季暖干化更为明显。这对草场的影响表现为植被的萌芽期提前,生长期也因此延长。

鼠兔作为我国北方草原上广泛分布的小型穴居植食性哺乳动物,其植食性特点和挖掘活动对温带草地植被有重要作用。气候对鼠兔的影响表现为直接影响与间接影响两方面。一方面气候变化可能会直接景响鼠兔生存,促使种群发生迁徙以寻求更适宜的生境,从而改变鼠兔的分布情况。另一方面气候变化引发的极端天气会间接对鼠兔种群的生存产生负面影响。极端高温可能阻碍鼠兔正常繁殖,并对鼠兔外观性状、环境耐受能力造成影响;极端干旱可能使鼠兔生理特征与行为模式发生调整;极端降水则可能造成鼠兔群落的结构重组,同时增加鼠疫发生的概率。

由于在退化、弃耕草场上,鼠兔可长期保持较高的种群密度,加之其与家畜有部分生态位重叠,在很长时期内鼠兔被认为有害生物被大量灭杀。但实际上当种群数量处于合理水平时,鼠兔反而起到保护生物多样性,维持草原生态系统稳定的作用。一方面,鼠兔可提高栖息地植被的丰度,为高级消费者提供食物资源;另一方面,中等密度高原鼠兔的活动可显著增加表层土壤的湿度。其原因是鼠兔的掘洞活动可以疏松十质,增强毛细管持水量,提高表层壤保水能力。从而增加表层土壤的湿度。

但当鼠兔数量超过正常阈值时,特别是在退化草场上,会破坏植物根系和土壤结构,鼠类自身啃食及群居鼠挖掘活动形成的斑块化植被或次生裸地均可加速草原退化,加快土壤侵蚀速度,降低栖息地的植被质量,并和家畜争夺食物资源,使草原生态系统植被丰度减少、土壤湿度下降,从而危害整个草原生态系统的稳定。当然,这种危害的影响程度不仅仅取决于鼠的种类和数量,还取决于土壤、地表植被及当地水热条件等自然因素的综合作用。另外,人类活动也会对鼠兔的影响程度产生作用。所以无法简单依据现有研究结论预测当前背景下鼠兔对草原的影响结果,但可以肯定的是,气候变化会改变鼠兔的分布情况,并从植被、土壤等多方面来影响鼠兔种群数量,最终加剧退化草场的退化程度。

针对这一可能趋势,建议根据气候变化对张北地区植被物候期的影响情况调整草场放牧的方式与时间,加强春季草场的鼠害治理,采取休牧、轮牧、轮封等方法控制放牧强度;其次,增加草原灌溉,保持土壤含水量,积极建设人工草场,减少退化草场面积;最后,建议在预测未来气候变化结果的同时,系统分析张北草原生态系统的敏感性和脆弱性,加强对当地生态系统的综合研究,以降低研究结果的不确定性。

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