美国东南部典型牧场养牛生产系统中的碳和甲烷通量

《Science of The Total Environment》：Carbon and methane fluxes from typical pasture-based beef cattle production systems in the Southeastern USA

本研究对比分析美国东南部低强度管理的原生草场与高强度管理的种植草场（以狗尾草为主）在三年间的净生态系统碳交换（NEP）特征，考虑干旱与飓风事件影响。结果表明，种植草场NEP（-4.91 Mg C ha?1 yr?1）显著高于原生草场（-1.75 Mg C ha?1 yr?1），但甲烷排放量前者（2.43 Mg C-CO?eqv ha?1）远高于后者（0.16 Mg C-CO?eqv ha?1）。然而，原生草场在极端气候下表现出更高的稳定性，维持更优的碳汇功能。研究强调需平衡管理强度与气候适应性，构建多样化牧场系统以提升碳汇效能。

　　在地球生态系统中，草地占据了全球约四分之一的陆地面积，是重要的碳汇之一。草地不仅为人类提供了丰富的食物资源，还承担着维持生态平衡、保护土壤、提供清洁水源、促进生物多样性等多重功能。在这些生态系统中，碳循环是其核心过程之一，直接关系到全球气候变化的应对能力。碳循环涉及碳的固定、储存和释放，其中碳固定主要通过植物的光合作用完成，而碳释放则与土壤微生物活动、动物呼吸以及人为管理措施密切相关。草地的碳汇能力不仅受到植物种类和生长条件的影响，还与管理方式、气候条件以及生态系统本身的稳定性息息相关。

在研究草地碳循环的过程中，科学家们特别关注了两种典型草地系统：天然草地（低强度管理）和人工草地（高强度管理）。天然草地通常由自然生长的植物群落构成，其管理方式较为温和，例如定期进行计划性燃烧、控制灌木生长以及在冬季进行低密度放牧。而人工草地则通常由经过改良的牧草，如百脉根草（*Paspalum notatum* Flügge），组成，管理方式更为复杂，包括全年放牧、较高的放牧密度、施肥以及杂草控制等。这两种系统在碳循环方面表现出显著差异，尤其是在气候变化的背景下。

全球范围内，草地土壤具有重要的碳储存潜力，能够从大气中吸收约0.7 Pg（十亿吨）的二氧化碳（CO?），占全球土壤碳储存潜力的25%。这一数据表明，草地在碳循环中扮演着关键角色。然而，草地的碳汇能力并非一成不变，其变化受到多种因素的影响，包括管理强度、气候条件以及生态系统内部的生物过程。在某些情况下，草地甚至可能成为温室气体（GHG）的排放源，尤其是在高密度放牧和频繁的人为干预下，可能会导致土壤微生物活动增强，从而增加甲烷（CH?）的排放。甲烷是一种比二氧化碳更强的温室气体，其全球变暖潜力约为28倍，因此对草地碳循环的研究不仅有助于理解碳储存机制，还对制定有效的温室气体减排策略具有重要意义。

在美国，草地占据了约2.12亿公顷的面积，具有显著的碳储存潜力。然而，研究显示，与牛肉生产相关的草地活动每年释放约45 Tg（十亿吨）的二氧化碳当量（C-CO?eqv）温室气体。这一数据表明，尽管草地在碳储存方面具有潜力，但其温室气体排放问题也不容忽视。特别是在美国东南部地区，由于其优越的气候条件，包括较高的降水量和温暖的年均气温，该地区的草地在碳储存方面表现出更高的潜力。研究发现，该地区的草地每年能够吸收高达110 Gg（十亿克）的碳当量，这为当地碳管理提供了重要依据。

在佛罗里达州，天然草地和人工草地共同构成了约180万公顷的草地生态系统，用于牛肉生产。天然草地通常通过计划性燃烧和低密度放牧进行管理，而人工草地则依赖于更密集的管理措施，如施肥和杂草控制。研究指出，天然草地在长期管理下能够吸收平均每年3.2 Mg（兆克）的碳，而百脉根草人工草地则能够吸收2.0 Mg的碳。这些数据表明，尽管天然草地的碳吸收能力相对较低，但其在温室气体排放方面表现出更好的平衡能力。天然草地能够吸收约0.5至1.0 Mg的甲烷当量，而百脉根草人工草地则成为甲烷排放源，每年释放约2.6 Mg的甲烷当量。这种差异主要是由于草地管理方式的不同所导致的。

在气候变化的背景下，草地的碳循环动态变得更加复杂。降水是影响甲烷排放的关键因素，特别是在湿季和夏季，甲烷排放量显著增加。而在干季和冬季，草地则倾向于吸收甲烷，形成碳汇。这种季节性的变化表明，草地的碳循环不仅受到植物生长周期的影响，还与气候条件密切相关。此外，研究还发现，将天然草地转化为人工草地后，土壤中的碳储量在20年内增加了约45%，平均每年积累1.5 Mg的碳。这一现象表明，虽然人工草地在短期内可能具有更高的碳吸收能力，但其长期稳定性不如天然草地。

本研究的目的是评估美国东南部地区两种典型的草地系统——天然草地和人工草地——在碳循环方面的动态变化。研究持续了三年，期间经历了显著的气候变化，包括长期干旱后的一次强烈飓风事件，导致降雨量显著增加。这一极端天气事件为研究提供了独特的条件，使得科学家能够评估不同管理强度下的草地系统如何应对气候波动，并进一步探讨其碳循环动态。

研究结果表明，人工草地在碳吸收方面表现更为显著，其年均净生态系统生产力（NEP）达到-4.91 ± 1.16 Mg C ha?1 yr?1，而天然草地的年均净生态系统生产力仅为-1.75 ± 0.26 Mg C ha?1 yr?1。尽管人工草地的甲烷排放量远高于天然草地（2.43 vs. 0.16 Mg C-CO?eqv ha?1），但其更高的碳吸收能力使得整体碳平衡更加有利。在三年的累积数据中，人工草地的净生态系统生产力为-14.74 Mg C ha?1，而天然草地仅为-5.25 Mg C ha?1。这表明，虽然人工草地在碳吸收方面更具优势，但其甲烷排放问题仍然需要关注。

相比之下，天然草地在极端气候条件下表现出更高的稳定性。无论是干旱还是飓风等极端天气事件，天然草地都能够维持相对稳定的碳吸收能力。这种稳定性可能与其较低的管理强度和自然的生态适应能力有关。天然草地的植物群落通常具有较强的抗逆性，能够在不利的气候条件下继续进行光合作用，从而维持碳吸收的连续性。此外，天然草地的土壤微生物活动也相对稳定，能够在较长的时间尺度上储存碳，减少碳释放的风险。

本研究的结果对于制定有效的碳管理策略具有重要意义。尽管人工草地在短期内能够提供更高的碳吸收能力，但其在极端气候条件下的稳定性较差，可能面临较大的碳释放风险。因此，在制定碳管理计划时，需要综合考虑草地的管理强度和气候条件，以确保碳储存的长期可持续性。同时，天然草地的碳储存能力虽然较低，但其在极端气候条件下的稳定性使其成为一种更为可靠的碳汇。因此，在可能的情况下，应优先保护和管理天然草地，以增强其碳储存能力并减少碳释放的风险。

此外，本研究还强调了草地管理与碳循环之间的复杂关系。不同的管理措施，如施肥、放牧密度和植物种类的选择，都会对草地的碳吸收和排放产生深远影响。例如，人工草地通常需要更多的管理投入，包括施肥和杂草控制，这些措施虽然能够提高草地的生产力，但也可能增加土壤微生物活动，从而导致更多的甲烷排放。而天然草地由于管理强度较低，其土壤微生物活动相对稳定，能够更好地维持碳平衡。因此，在草地管理实践中，需要权衡管理强度与碳储存能力之间的关系，以实现最佳的碳管理效果。

研究还指出，草地的碳循环动态不仅受到当前管理措施的影响，还受到历史管理活动的长期影响。例如，将天然草地转化为人工草地后，土壤中的碳储量在20年内增加了约45%，这表明草地的碳储存能力具有一定的恢复潜力。然而，这种恢复过程需要较长的时间，并且可能受到多种因素的制约，如土壤类型、气候条件以及管理措施的持续性。因此，在制定草地管理策略时，需要考虑到这些长期因素，以确保碳储存的可持续性。

在应对气候变化的过程中，草地的碳管理不仅需要关注其当前的碳吸收能力，还需要评估其长期的碳储存潜力。通过合理的管理措施，可以提高草地的碳吸收能力，减少碳释放的风险，从而增强其作为碳汇的功能。同时，也需要认识到不同草地系统在应对气候变化方面的差异，例如天然草地在极端气候条件下的稳定性更高，而人工草地在碳吸收方面更具优势。因此，在制定碳管理策略时，应结合不同草地系统的特性，采取综合性的管理措施，以实现最佳的碳管理效果。

本研究的结论为草地碳管理提供了重要的科学依据。通过比较天然草地和人工草地在碳循环方面的差异，科学家们能够更好地理解不同管理强度对草地碳储存能力的影响。此外，研究还强调了气候变化对草地碳循环的深远影响，特别是在极端天气事件发生时，草地的碳吸收和排放能力可能会发生显著变化。因此，在未来的碳管理研究中，需要更加关注草地系统对气候变化的适应能力，以及如何通过科学的管理措施增强其碳储存能力。

在实际应用中，草地碳管理需要结合当地的气候条件、土壤类型和管理实践，以制定最适合的管理策略。例如，在气候条件较为稳定的地区，可以优先发展人工草地，以提高其碳吸收能力；而在气候条件较为极端的地区，则应更多地依赖天然草地的稳定性，以减少碳释放的风险。此外，还需要加强对草地碳循环动态的研究，特别是在不同季节和不同气候条件下的变化，以便更准确地评估草地的碳储存潜力。

总之，草地在碳循环中扮演着重要的角色，其碳储存能力受到多种因素的影响，包括管理强度、气候条件以及生态系统本身的特性。通过科学的管理和研究，可以提高草地的碳储存能力，减少碳释放的风险，从而为应对气候变化提供有效的解决方案。同时，还需要认识到不同草地系统在应对气候变化方面的差异，以制定更加合理的碳管理策略。