Comammox 在长期施肥的稻田中，Nitrospira菌类主导了自养硝化作用的过程

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Comammox Nitrospira dominates autotrophic nitrification in paddy fields under long-term fertilization

土壤碳封存与轮牧管理效果研究。采用连续放牧与轮牧（15/30分区，56/112天休息期）对比试验，发现轮牧系统使0-30cm土层SOC增加1.7t C/ha，且植被覆盖与产量显著提高。

　　土壤碳封存为减少大气中的二氧化碳（CO?）浓度和缓解畜牧业温室气体排放对气候变化的影响提供了潜在途径。然而，为了实现广泛的实施，需要低成本且能迅速提高土壤有机碳（SOC）的管理措施。放牧管理作为一种可以在大面积牧场系统中应用的策略，通常被推荐以提升SOC含量。为此，一项放牧试验于2012年建立，旨在探讨放牧密度、休牧期长度以及轮牧中牧场数量对SOC储量的影响。试验中定期对牧草组成和生物量进行采样，并大约每三年对SOC进行一次采样，采样深度达到30厘米。结果显示，所有处理措施都提高了SOC含量，主要反映的是在试验开始前三年从耕作向永久牧场转变的土地利用变化。此外，不同放牧处理之间也存在差异。持续放牧的处理相比轮牧处理，SOC储量较低。但值得注意的是，在轮牧处理中，无论是15个还是30个牧场，以及不同的休牧期（56天或112天之间），SOC储量并没有显示出一致的差异。轮牧处理的牧场还表现出更高的地面覆盖率和牧草产量。这些结果表明，通过增加牧场数量和休牧期来允许牧草从放牧中恢复，可能提高了牧草生产力，从而相对于持续放牧，实现了边际更高的SOC储量。尽管土地利用变化从耕作到牧场是影响SOC储量的主要因素，但轮牧管理提供了额外的碳储存潜力。

全球范围内，畜牧业被认为在约3700万平方公里的土地上放牧，占全球总土地面积的32%（Ritchie和Roser，2019）。畜牧业不仅满足了人类约三分之一的能量和蛋白质需求（Ritchie和Roser，2019），还支持了大约8亿人口的生计（Piipponen等，2022）。畜牧业相关的温室气体排放中，反刍动物产生的甲烷（CH?）约占全球CH?排放量的37%，而动物排泄物则贡献了约65%的全球氧化亚氮（N?O）排放（Steinfeld和Wassenaar，2007）。在澳大利亚红肉生产中，从排放强度来看，反刍动物产生的甲烷是温室气体（GHG）的主要来源（Wiedemann等，2015）。虽然有减少与红肉生产相关的GHG排放的需求，但目前唯一可行的方法是通过提供更高质量的饲料来提高排放强度，因为诸如3-NOP、Asparagopsis、油脂和酚类物质等补充剂难以以低成本、准确性和可持续性的方式推广（Eugène等，2021；Badgery等，2023）。因此，在这些技术进一步发展之前，实现畜牧业领域的GHG减排目标将依赖于土壤和植被中的碳封存，以抵消与畜牧业生产相关的GHG排放（Reay等，2018）。

土壤中的碳封存发生在有机碳输入大于损失的情况下。有机碳输入包括植物根系释放的分泌物、死亡的根系、落叶以及分解的微生物和无脊椎动物（Kuzyakov和Domanski，2000；Bai和Cotrufo，2022）。有机碳主要通过异养土壤呼吸（如微生物呼吸）和侵蚀损失（Zhang等，2022）。土壤水分和温度是植物生长、土壤有机质矿化和土壤呼吸的关键驱动因素，季节性条件的变化将对土壤有机碳（SOC）的变化起到重要作用（Pi?eiro等，2010）。此外，土壤封存SOC的能力还取决于SOC浓度与土壤碳饱和度之间的关系（Stewart等，2007）。SOC浓度显著低于碳饱和度的土壤具有更高的碳封存潜力，而接近碳饱和度的土壤则封存能力有限（Stewart等，2007；Arndt等，2022）。

管理实践可以通过解决养分缺乏和提高牧草生产力来增加SOC。这些实践包括使用豆科植物和肥料改善土壤肥力（Mortenson等，2004；Conant等，2017），通过土壤改良剂去除化学或物理上的生长限制（Holland等，2018），减少土壤压实（Lai和Kumar，2020）以及实施放牧管理措施（Allen等，2013）。良好管理的放牧系统可能通过增加生物量生产并维持具有生产力的多年生和/或豆科植物物种来提高SOC储量，而持续或重放牧则会降低生产力并导致物种组成向低生产力的植物转移（Culvenor和Simpson，2016；Derner和Hart，2007；McDonald等，2023；Hayes等，2019）。将耕地转化为永久牧场也能通过豆科植物提高土壤氮（N）含量，从而提升整体土壤肥力，促进植物生长和根系发育，同时减少耕作带来的土壤扰动，降低矿化率（Badgery等，2014；Conant等，2017；Holland等，2018）。尽管SOC的增加可能需要时间才能显现（Mortenson等，2004），并且不一定能持续（Badgery等，2020），但这些措施的成本可能被更高牧草数量和质量带来的产量提升所覆盖（Mortenson等，2005）。

通过控制放牧的时间、频率和强度来管理放牧，通常能够提高牧草产量（Badgery和Michalk，2017；Badgery等，2017）。然而，其对SOC封存的影响却不一致。元分析发现，放牧对SOC的影响可能是正面的（Conant等，2017）、负面的（Zhou等，2017；Abdalla等，2018；Jiang等，2020；Ren等，2024）、混合的（Derner和Schuman，2007；Pi?eiro等，2010；Byrnes等，2018；Lai和Kumar，2020）或没有影响（McDonald等，2023）。这种不一致性可能反映了决定SOC封存的特定地点因素，例如初始SOC储量、土壤质地、气候、土壤物理特性（如容重和砾石含量）、肥力、植物种类组成、微生物群落、土壤侵蚀及其相互作用。总体而言，回顾研究普遍显示低强度放牧比高强度放牧能增加SOC，而中等强度放牧有时则促进SOC封存（Zhou等，2017；Abdalla等，2018；Jiang等，2020；Lai和Kumar，2020；Ren等，2024）。然而，放牧强度的描述往往是主观的，因此在不同条件下，某些处理可能被归类为“低强度”、“中等强度”或“高强度”。

为了分离出放牧管理措施对SOC、牧草组成、饲料质量和牲畜表现的长期影响，一项试验在澳大利亚新南威尔士州（NSW）的中心地区建立，研究对象是一片主要由人工种植多年生牧草组成的牧场。该研究探讨了休牧期（0、56或112天）、轮牧中使用的牧场数量（1、15或30个）以及放牧密度（低：8.8干羊当量[DSE]/公顷，或高：13.6 DSE/公顷）对SOC的影响。研究假设，较低的放牧密度、较短的休牧期以及较高的牧场数量将导致更高的SOC储量，因为这些系统能够支持更高的牧草生产力和更理想的牧草组成。

试验地点位于Orange农业研究所（33°19’24” S，149°5’4” E），于2012年1月启动。试验地点的土壤属于红铁土（Red Ferrosol），来源于橄榄玄武岩母质（Colquhoun等，2023），具有从壤土到黏壤土的表面质地。在试验开始前的2011年12月首次进行土壤采样时，该地区正处于从耕作向永久牧场转变的阶段。这种转变对SOC储量的增加起到了重要作用，尤其是在试验期间，土壤中的碳储量得到了显著提升。试验还观察到，随着放牧管理的优化，SOC储量的变化呈现出一定的规律性，即轮牧系统相较于持续放牧系统能够更有效地提升SOC储量。这一发现对于指导畜牧业可持续发展具有重要意义，表明通过合理的放牧管理，可以在不增加额外成本的前提下，提高土壤碳封存能力，从而在一定程度上缓解畜牧业对气候变化的负面影响。

试验期间，澳大利亚经历了严重的干旱，特别是在2017年5月至2020年1月之间，导致P3时期的降雨量明显低于P2和P1时期。P1时期的降雨量低于平均水平，主要原因是春季降雨量远低于长期平均值，而冬季降雨量也有所下降（见图2和表2）。春季降雨量的减少对SOC储量的变化产生了重要影响，因为春季是植物生长的关键时期，降雨量的不足会限制植物的生长和碳固定能力。因此，尽管试验期间的总体降雨量较低，但轮牧系统的实施仍然在一定程度上缓解了这一不利条件，促进了SOC的积累。

研究还发现，轮牧系统中使用更多的牧场和较长的休牧期有助于提高SOC储量，但额外的牧场数量或更长的休牧期对SOC的积累并没有产生显著影响。这意味着，尽管增加牧场数量和休牧期可以提高牧草产量和地面覆盖率，但SOC的增加主要依赖于放牧密度的降低和放牧频率的调整。试验结果显示，低密度放牧和轮牧系统能够更有效地提高SOC储量，这可能是因为较低的放牧密度减少了对土壤的扰动，从而促进了碳的固定和储存。同时，轮牧系统能够更好地维持牧草的多样性，提高牧草的生产力，从而间接促进SOC的增加。

此外，试验还发现，轮牧系统能够显著提高地面覆盖率和牧草产量，这表明轮牧不仅有助于SOC的增加，还能改善牧场的生态功能。地面覆盖率的提高有助于减少土壤侵蚀，保持土壤结构，提高水分保持能力，从而进一步促进碳的封存。牧草产量的增加则意味着更多的植物生物量，这些生物量在分解过程中会向土壤中释放有机碳，增加SOC的储量。因此，轮牧系统在提高SOC储量的同时，还能够增强牧场的生态稳定性和生产力，为畜牧业的可持续发展提供支持。

研究结果表明，放牧管理对SOC的影响并非单一因素决定，而是多种因素综合作用的结果。除了放牧密度、休牧期和牧场数量外，土壤的初始碳储量、质地、气候条件以及管理实践的具体实施方式都会对SOC的变化产生影响。因此，在制定放牧管理策略时，需要综合考虑这些因素，以确保在不同环境下都能实现有效的碳封存。例如，在初始SOC储量较低的地区，轮牧系统的实施可能更为重要，因为它能够更有效地促进SOC的积累。而在初始SOC储量较高的地区，可能需要更精细的管理措施来维持或进一步提高SOC储量。

试验还发现，放牧管理对SOC的影响具有一定的滞后性。SOC的增加通常需要较长的时间才能显现，尤其是在土壤碳饱和度接近极限的情况下。因此，在评估放牧管理措施的效果时，需要考虑到时间因素，避免过早得出结论。此外，SOC的积累可能并不总是可持续的，因此需要长期监测和评估，以确保放牧管理措施能够持续发挥作用。这提示我们，在实施放牧管理措施时，应结合长期的生态和经济评估，以确保其在实际应用中的可行性和有效性。

研究还强调了土地利用变化对SOC储量的重要影响。从耕作向永久牧场的转变是SOC增加的主要驱动力，这表明在某些情况下，土地利用的调整可能比放牧管理本身更为关键。然而，轮牧管理仍然提供了额外的碳储存潜力，这表明通过优化放牧管理，可以在土地利用变化的基础上进一步提高SOC储量。这种双重作用机制为畜牧业的碳减排提供了新的思路，即通过土地利用的调整和放牧管理的优化，共同促进碳的封存和减少温室气体排放。

总之，这项研究揭示了放牧管理对SOC储量的积极影响，特别是在轮牧系统中。试验结果表明，轮牧系统相较于持续放牧系统能够更有效地提高SOC储量，这可能与更高的牧草生产力和更理想的牧草组成有关。此外，试验还发现，土地利用变化是SOC增加的主要因素，而轮牧管理则提供了额外的碳储存潜力。这些发现对于指导畜牧业的可持续发展具有重要意义，表明通过合理的放牧管理，可以在不增加额外成本的前提下，提高土壤碳封存能力，从而缓解畜牧业对气候变化的负面影响。未来的研究应进一步探讨不同放牧管理措施在不同环境条件下的适用性，以确保其在更广泛范围内的有效性和可行性。