放牧对牧场生态系统CO2交换的短期影响：基于八年涡度协方差观测的季节性动态量化

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Quantifying the impact of grazing on ecosystem CO 2 exchange in intensively managed pastures

本研究针对集约化管理牧场中放牧对生态系统CO2交换（NEP）的短期直接影响尚不明确的问题，通过分析新西兰乳业牧场八年的涡度协方差数据，量化了放牧、收割和土壤践踏（pugging）对净生态系统生产力（NEP）的影响。研究发现放牧后NEP显著降低，且这种影响存在明显的季节性差异，其中10月是关键调控窗口。该研究为通过优化放牧时机提升牧场碳汇功能、构建气候韧性牧场系统提供了重要科学依据。

　　

在全球气候变化背景下， grasslands（草地）作为覆盖地球约40%无冰表面的重要生态系统，其在全球碳循环中的作用备受关注。它们储存了约三分之一的陆地碳，并具有封存大气二氧化碳（CO₂）的潜力，对减缓气候变化具有重要意义。然而，受管理的草地究竟是扮演碳“汇”还是碳“源”的角色，很大程度上取决于气候条件、土地利用方式以及具体的管理实践。其中，放牧作为草地最主要的管理方式之一，通过改变植被的光合作用和生态系统呼吸，直接影响着净生态系统生产力（Net Ecosystem Production, NEP），即CO₂净吸收的关键指标。尽管已有研究探讨了放牧对地上生物量的影响，但对其引起的生态系统CO₂交换，特别是事件尺度的短期动态响应，仍然缺乏充分的量化，尤其是在实行轮牧的温带集约化牧场系统中。厘清放牧活动如何以及在何时影响CO₂交换，对于制定既能保障农业生产又能增强生态系统碳汇功能的管理策略至关重要。

为了填补这一知识空白，一项发表在国际期刊《Agriculture, Ecosystems and Environment》上的研究，由M. KC、A.M. Wall、J.P. Goodrich和L.A. Schipper共同完成，他们对新西兰怀卡托地区一个集约化管理的奶牛场进行了长达八年（2012–2019年）的连续观测。研究人员利用架设在两个轮牧围栏之间的涡度协方差（Eddy Covariance, EC）系统，高频监测了生态系统的CO₂通量，从而精确计算NEP。这项研究独特地聚焦于168次独立的放牧和/或收割事件，旨在量化每次事件前后短期内NEP的变化，并探究这种响应如何随季节变化。此外，研究还对比了牲畜放牧、机械收割以及冬季湿软条件下的土壤践踏（pugging）对CO₂交换的不同影响。

本研究主要依赖于涡度协方差技术来直接测量生态系统的CO₂通量，从而计算NEP。辅助数据包括常规气象观测（温度、湿度、辐射、降雨、土壤水分）以及通过围栏内剪草称重法估算的地上生物量（Aboveground Dry Matter, ADM）。数据分析采用了配对比较（比较每次事件前7天和后7天的平均日NEP）、线性混合效应模型（LMM）以考虑数据的时间自相关性，以及基于欧几里得距离的匹配算法来对比不同干扰类型（如收割 vs. 放牧，践踏 vs. 非践踏）在相似气候条件下的NEP响应。

3.1. 放牧对生态系统CO₂交换的影响

通过对168次事件的分析，研究发现放牧对NEP产生了立竿见影且显著的抑制效应。在放牧前的7天，牧场平均每日净吸收1.5 ± 0.4克碳每平方米（g C m^-2 d^-1），表现为碳汇；而在放牧后的7天，NEP急剧转变为-0.6 ± 0.3 g C m^-2 d^-1，意味着生态系统成为了碳源。这种由放牧引起的NEP下降幅度呈现出强烈的季节性规律。在植物生长旺季，特别是10月至12月（中春至早夏），NEP的降低最为剧烈，日均减少量可达约3 g C m^-2 d^-1。这是因为此时牧场光合作用潜力最高，放牧移除大量光合组织导致CO₂吸收能力骤降。相反，在冬季（6-7月），由于生长本身受限，放牧前后的NEP差异较小（约-1 g C m^-2 d^-1）。研究还发现，在8月至10月（晚冬至中春），两次放牧事件之间积累的NEP甚至超过了通过收割移走的地上生物量所含的碳，暗示着在此期间固定的部分碳可能被分配到了地下部分（如根系）或未被收割的残留物中。

3.2. 收割与土壤践踏对CO₂交换的比较影响

研究还对其他干扰方式进行了探索性比较。有限的案例比较（各3次事件）表明，在春季进行的机械收割，有时比放牧支持更快的短期NEP恢复，这可能是因为收割避免了牲畜践踏对土壤和植被的物理损伤。然而，在冬季湿润土壤上进行放牧导致的土壤践踏（pugging），则一致地表现出对NEP的强烈抑制作用，显著延缓了生态系统的CO₂吸收恢复。

该研究的结论强调了将牧场管理与季节性碳动态相结合的重要性。放牧对生态系统CO₂交换的影响是即时且季节依赖的，其核心机制在于放牧通过移除光合组织直接削弱了生态系统的CO₂吸收能力（总初级生产力，GPP）。10月被确定为一个关键月份，此时牧场不仅具有高的碳吸收潜力，而且对放牧时间的调整也最为敏感。这意味着，在生长旺季（如春季），即使对放牧时机进行微小的调整（例如适当延长轮牧间隔），也可能显著增强牧场的CO₂吸收，从而为气候韧性牧场系统的构建做出贡献。反之，在环境条件不利时（如冬季潮湿易发生践踏），则应采取保护性措施（如使用站立式饲喂台）以最小化碳损失。总之，这项基于长期、高分辨率通量观测的研究，深刻揭示了集约化管理牧场中碳循环的短期动态，为通过优化管理实践以协同实现农业生产和气候变化减缓目标提供了宝贵的科学见解。需要注意的是，NEP仅反映了生态系统与大气之间的净气体CO₂交换，要评估长期的碳封存，还需要结合考虑碳的输入（如饲料）和输出（如牛奶、肉类）等非气体通量的全碳平衡（NECB）分析。