东非牧场与耕地中碳和水通量动态的对比

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Contrasting Carbon and Water Flux Dynamics in an East African Rangeland and Cropland

东非干旱区草原放牧地和雨养农田的碳-水动态研究表明，两者总碳收支相近但时空分布差异显著。草原呼吸稳定但长期呈碳源（+14gC/m2），水利用效率（WUE）全周期为2.43gC·kg?1H?O；农田在高峰生长期WUE达4.42gC·kg?1H?O且碳封存效率（CUE）更高（0.51），但收获导致碳流失使全周期仍为源（+6gC/m2）。氮限制使草原CUE（-0.03）低于农田（0.15），而水分胁迫下草原WUE更稳定。研究强调需考虑 lateral C fluxes和水分波动对生态系统功能的影响，提出整合水土管理策略以提升碳汇效能。

　　本研究聚焦于东非干旱地区两种典型生态系统——受牲畜和野生动物放牧的草原放牧地，以及采用免耕管理的雨养农田，探讨了它们在碳（C）和水分动态上的差异。研究历时185天，结果表明，尽管这两种生态系统在整体碳排放量上相似，但它们的碳交换模式在时间分布上存在显著差异。草原放牧地的碳交换表现出波动性，其碳损失通常发生在干旱期，而在降雨后碳吸收会显著增加。这种动态反映了草原生态系统长期适应半干旱环境的特征。相比之下，雨养农田在初期表现为碳汇，但随着作物收获过程中碳的横向输出被纳入考量，整体碳平衡逐渐转变为碳源。这一现象凸显了农业系统在碳循环中的复杂性，以及管理实践对碳动态的重要影响。

研究还发现，雨养农田的碳利用效率（CUE）显著高于草原放牧地，这主要得益于高效的碳分配策略和现代农业管理手段的支持。例如，肥料和农药的使用提升了作物的生长效率，而免耕技术则有助于保持土壤结构和水分。在生长高峰期，农田表现出更高的水分利用效率（WUE），这可能是由于在适宜的水分条件下优化了农业管理。然而，整个研究期间，草原放牧地的WUE显著高于农田，这可能归因于其更一致的植被覆盖和植物的适应性特征，如高效水分利用和在水分胁迫下维持光合作用的能力。这些差异表明，草原和农田在碳和水分循环中扮演了不同的角色，且其动态受到不同环境和管理因素的影响。

草原放牧地和农田在碳和水分动态上都受到水和氮的共同限制。植物通过适应干旱和短暂降水的策略，如提高水分利用效率和在水分胁迫下维持光合作用，从而在一定程度上缓解了这些限制。这种适应性对于肯尼亚半干旱草原尤为重要，因为已有研究表明这些生态系统存在氮限制。因此，综合考虑水和氮的管理策略对于提升草原和农田的净碳生产（NEP）和增强其对气候变化的适应能力至关重要。此外，水分和营养之间的相互作用也影响了CUE，氮丰富的土壤有助于植物维持较高的光合效率并增强其对水分胁迫的抵抗力，从而在干旱条件下提升NEP。

在研究方法上，本研究利用涡度协方差（EC）技术对两个东非地点进行了长期观测，以获取碳和水分交换数据。这两个地点分别是位于肯尼亚马查科斯县的Kapiti研究站和相邻的Ausquest Ltd.农场。Kapiti研究站主要由国际畜牧研究所（ILRI）管理，是一个结合放牧和科研的综合区域，而Ausquest农场则是一个商业农业用地，于2011年从草原转变为干旱农业。研究团队通过安装EC设备，收集了2019年3月13日至9月14日之间的数据，涵盖了作物生长期和非生长期。

研究过程中，数据处理采用了一系列标准化方法，包括对数据缺失部分进行填补，以及通过分段模型分析碳和水分通量。在处理过程中，使用了Marginal Distribution Sampling（MDS）方法填补数据空白，并采用两种不同的模型来分析GPP与NEP、GPP与ET之间的关系。对于农田，采用线性回归模型；而草原放牧地则采用指数上升至最大值的函数模型，以反映其在高生产力条件下呼吸作用的部分解耦现象。这些方法确保了数据的完整性和可靠性，同时也为后续的统计分析提供了坚实的基础。

研究结果表明，尽管两个生态系统在整体碳交换上表现出相似的规模，但其时间模式和对极端降雨事件的响应存在显著差异。草原放牧地在降雨事件中表现出较高的碳释放速率，尤其是在降雨量超过95百分位的极端降雨条件下，其碳释放速率可达3.9 ± 1.3 g C m?2 d?1。而农田在初始阶段由于缺乏植被覆盖，其碳释放速率较低，直到作物生长阶段才显著增加。这说明农田的碳动态在很大程度上受到作物生长周期的影响，而草原的碳动态则更受季节性降水模式和植被覆盖的持续性影响。

在碳利用效率（CUE）方面，草原放牧地在整个研究期间表现出负的平均CUE，表明其整体上是一个碳源。然而，这一结果并不意味着草原始终无法作为碳汇，而是反映出其在不同季节表现出较大的波动性。尤其是在生长高峰期，草原放牧地的CUE为正值（0.36 ± 0.02），这与增加的光合活动密切相关。相比之下，农田在整个研究期间保持正的CUE，且在生长高峰期达到更高的值（0.51 ± 0.01），这表明农田在农业管理优化下能够更有效地将碳转化为生物量。然而，农田的CUE也包含了非生长阶段的碳释放，如播种前和收获后的阶段，这些阶段的碳固定较少，导致整体CUE值相对较低。

水分利用效率（WUE）的比较则揭示了两种生态系统在水资源管理上的差异。草原放牧地在整个研究期间表现出显著更高的WUE，这可能是由于其持续的植被覆盖和植物适应性策略，如深根系和形态适应，以减少水分流失。然而，在生长高峰期，农田的WUE显著高于草原，这反映了其在作物生长过程中对水分的高效利用。这种差异可能源于农田中作物的生长阶段和降水模式的匹配，以及农业实践如肥料施用和免耕技术对水分利用效率的提升。

研究还探讨了水分需求（VPD）对碳和水分通量的影响。结果表明，在生长季节，随着VPD的升高，草原和农田的GPP和WUE均呈现下降趋势。这表明，在水分受限的半干旱环境中，较高的VPD往往抑制了GPP，而对ET的影响相对较小，从而降低了WUE。这一发现与许多温带湿润地区的观测结果不同，后者通常显示WUE随VPD升高而增加。这进一步说明了不同生态系统在碳和水分循环中的独特性，以及其对环境变化的响应机制。

本研究的结果对于制定可持续的土地管理策略具有重要意义。它强调了在碳平衡评估中纳入横向碳通量和年内碳平衡变化的必要性，以准确反映农业系统的碳汇潜力。同时，研究也指出，草原和农田的碳和水分动态受到水和氮的共同限制，而植物的适应性策略在维持碳利用效率和水分利用效率方面发挥了关键作用。这些发现不仅有助于理解东非干旱地区的生态系统功能，也为在气候变化背景下提升这些地区的碳储存能力和生态韧性提供了科学依据。

研究还提到，农业用地的碳平衡可能受到土地转换过程中碳损失的影响，尤其是在初始阶段由于土壤扰动和生物量移除而导致的碳释放。因此，在评估长期碳动态和碳汇潜力时，必须考虑到这些历史因素。此外，研究指出，农业系统的碳汇能力可能被低估，因为未考虑甲烷（CH?）和氧化亚氮（N?O）等温室气体的排放。这提醒我们在制定碳预算和气候缓解策略时，应全面考虑所有可能的碳通量来源。

最后，本研究的结论强调了不同土地利用方式和管理策略对半干旱生态系统碳和水分交换的深远影响。草原放牧地和农田在碳利用效率和水分利用效率上的差异，反映了它们在资源利用和生态系统功能上的不同特征。这些发现为制定兼顾生产力、生态韧性和气候变化缓解的可持续土地管理策略提供了重要参考。研究还建议，未来的碳和水分动态研究应考虑更长的时间跨度，以捕捉更全面的生态系统变化趋势。