内蒙古农业大学韩国栋、张圣微教授团队合作在国际土壤学权威期刊CATENA发表最新研究成果--揭示放牧管理影响草地近地表水热环境的驱动机制

我校韩国栋教授、张圣微教授团队合作在国际土壤学权威期刊《CATENA》发表了题为“From seasonal variation to grazing management: Aerodynamic and radiative controls on air heat and moisture distribution in grasslands ”的研究论文。我校草业学院博士后李瑞燊为第一作者，韩国栋教授、张圣微教授为通讯作者。

草地生态系统是我国北方重要的生态屏障，其近地表水热环境直接影响植被生长、土壤水分保持及陆气能量交换过程。禁牧围封作为退化草地恢复的重要管理措施，能够显著改变植被结构、地表粗糙度、近地面风速和辐射收支，进而影响空气热量与水分的垂直分布。然而，在不同季节和不同放牧管理情景下，空气动力过程与辐射过程如何共同调控近地表温湿梯度，仍缺乏清晰认识。

针对这一科学问题，研究团队依托半干旱草原放牧管理试验样地，设置重度放牧地块及相邻围封禁牧地块，利用两个近地表高度的气温和湿度观测数据，系统分析了放牧与禁牧条件下气温梯度（ΔT）、湿度梯度（ΔRH）、净辐射（Rn）和风速梯度（ΔV）之间的关系。研究通过偏相关分析和分段结构方程模型，进一步解析了辐射过程、空气动力过程及空气湿度在近地表水热环境形成过程中的直接和间接作用。

图1 研究区域位置、实验样地设计及放牧区和禁牧区植被群落景观

研究发现，放牧管理显著改变了近地表气温和湿度的垂直分布格局。总体上，气温梯度在生长季较高，在非生长季较低；非生长季放牧区和禁牧区均表现出较强的不规则波动。进一步分析表明，禁牧区湿度梯度整体高于放牧区，说明围封禁牧改变了近地表空气水分的垂直分布，并可能增强近地表空气湿度的累积效应。

图2 不同时间尺度下气温梯度和湿度梯度的变化特征

结构方程模型进一步揭示了近地表水热环境变化的调控机制。结果表明，当近地表空气温度高于上层空气温度时，气温梯度与净辐射变化之间的关系更为紧密；而当近地表空气温度低于上层空气温度时，气温梯度与风速梯度之间的关系更强。生长季期间，湿度梯度是连接气温梯度、净辐射和风速梯度的重要中介变量，说明空气湿度在辐射过程和空气动力过程影响近地表热环境的过程中发挥了关键调节作用。

图3 气温梯度、湿度梯度、风速梯度和净辐射之间关系的结构方程模型

研究进一步从时间变化角度分析了辐射和风速梯度对气温梯度转变过程的影响。结果显示，在生长季气温梯度由正值转为负值前，净辐射的影响更为显著；随后风速梯度逐渐成为主导因素，并在一定时间后再次转向辐射过程主导。这一结果表明，近地表水热环境的形成并非由单一因子控制，而是受辐射收支、空气动力条件、空气湿度及季节变化共同调控。

图4 辐射和风速梯度对气温梯度影响的时间变化特征

该研究系统阐明了放牧管理影响半干旱草原近地表空气热量和水分分布的空气动力与辐射机制，揭示了禁牧围封后草地近地表水热环境驱动过程的变化规律。研究成果有助于深化对草地管理措施影响陆气相互作用过程的认识，也为退化草地恢复、放牧制度优化及半干旱草原生态系统水热调控提供了重要科学依据。

该研究得到了内蒙古自然科学基金项目（2025QN03137、2024ZD08）、国家自然科学基金项目（32192463、52279017）、内蒙古自治区高等学校创新研究团队发展计划（NMGIRT2313）及“草原英才”创新团队等项目的联合资助。