模拟放牧率与气候变化对稀树草原草地生物量及牲畜体重动态的影响

《Rangeland Ecology & Management》：Simulated Impacts of Stocking Rate and Climate Change Impact on Biomass and Livestock Weight Dynamics in Savanna Grassland

气候变化与放牧管理对萨瓦纳草地生物量和牲畜体重的影响研究，采用SPACSYS模型分析不同放牧强度（无牧、适度牧、过牧）与RCP 2.6/4.5/8.5情景下干旱期（2020-2023）的交互作用，揭示放牧管理优化和适应性策略对生态系统可持续性的关键作用。

　　草地生态系统是全球范围内重要的自然生态系统之一，它们不仅为人类提供牧草资源，还维持着多样化的植被和野生动物栖息地。在本研究中，我们利用土壤-植物-大气连续系统（SPACSYS）模型，探讨了气候变化、放牧模式及其综合影响在草地生态系统中对牲畜体重和生物量动态的作用。研究采用三种放牧强度进行处理，分别是无放牧（NG）（0 TLU/ha/Y）、适度放牧（MG）（2 TLU/ha/Y）以及过度放牧（OG）（4 TLU/ha/Y及以上）。通过不同的放牧强度，我们预测了三种典型浓度路径（RCP）情景（RCP 2.6、RCP 4.5 和 RCP 8.5）下草地物种的地上生物量以及牲畜体重的变化，这些情景主要关注了2020年至2023年的严重干旱时期。研究结果强调了放牧管理技术在减轻气候变化对牲畜生产力和生物量产出的负面影响中的重要性。此外，我们还强调了在考虑社会经济和生态因素的基础上，采用适应性管理策略以确保草地生态系统的可持续性和韧性的重要性。

草地生态系统不仅是自然环境的重要组成部分，也是支撑人类社会经济活动的重要基础。全球约有41%的陆地表面被草地覆盖，而这些草地在气候变化和人类活动的影响下，经历了显著的退化、破碎化和功能转变（Buisson et al. 2021；Wang et al. 2024）。尽管这一比例在不同国家之间存在差异，但草地被认为是非洲土地面积的约56%（Eliengerasia et al. 2024）。良好的放牧实践不仅有助于直接提供动物饲料，还能促进草地生态系统提供的多种服务，如生物多样性保护和生态功能维持（Bai and Cotrufo 2022）。通过提供生物多样性和生态系统服务，草地生态系统对全球经济产生了重要贡献（Lemaire and Chabbi 2011）。然而，随着人类活动的增加以及不合理的放牧方式，草地上的可利用饲料资源正在减少，尤其是在半干旱和干旱地区，这对牲畜体重的变化产生了直接影响（Selemani et al. 2013）。

草地生态系统中，放牧管理策略对于维持可持续的饲料生产至关重要。开放放牧，尤其是牛羊的放牧，对生态系统的动态变化和景观形成具有深远影响。这种放牧方式在传统上被视为维持生计的重要手段，但近年来由于可能对土壤健康、植被覆盖和生态系统韧性产生负面影响，引起了越来越多的关注（Debela et al. 2019；Derege et al. 2020）。气候变化的严重威胁进一步加剧了这一生态系统的复杂性（Fenetahun et al. 2020）。过去几十年中，该地区在人类活动和自然变化的双重作用下发生了显著变化（Bekele and Kebede 2014）。温度和降水的变化会影响生态系统的整体功能和放牧区域的承载能力（Fenetahun et al. 2020）。另一方面，土地利用方式的改变会影响某些社会群体的韧性或脆弱性，同时也可能加剧或缓解气候变化的影响（Zikargae 2018）。草地生态系统中地上生物量（AGB）的变化是气候变化对放牧区域影响最明显的表现之一（Giridhar and Samiredddypalle 2015）。温度的变化不仅影响AGB，还通过影响氮循环和植物物候来间接改变AGB（Zegeye 2018）。牲畜可获得的饲料数量和质量也会影响其体重增长，尤其是在雨季前后短时间内的降雨量变化对牲畜体重变化具有显著影响（Wang et al. 2024）。根据Fiseha（2020）的研究，牲畜饲养者的行为和管理实践在动物体重增长与气候变化之间的关系中起到了调节作用（Zerga and Gebeyehu 2016；Zegeye 2017）。

牲畜的年龄、生态位类型、放牧动物的类别、AGB以及牲畜体重的变化，是评估适当放牧强度的关键指标（Wang et al. 2011）。根据先前研究，长期过度放牧导致半干旱和干旱地区草地的AGB减少了约22%（Wang et al. 2024）。这种下降可能由多种因素共同作用：1）由于大规模政府安置项目的确立，放牧区域和农作物种植已经取代了其他土地用途，牧民逐渐从游牧转向定居式畜牧（Zhang et al. 2018）。2）土地利用方式的改变不仅体现在耕地面积的变化，还伴随着温度和降水模式的显著变化。埃塞俄比亚低地地区的大部分牲畜生产依赖于雨养农业，而由于降雨量的波动性和偶尔的不规律性，农民面临维持日益增长的人口和牲畜数量的挑战（Zuo et al. 2018）。3）预计人类活动引发的气候变化会加剧这些趋势（Derege et al. 2020）。尽管已有研究记录了放牧、气候变化和降水变化对植物群落AGB的影响（Fan et al. 2021；Meresa et al. 2021），但大多数研究依赖于单一因素实验，这可能会引入不确定性（Mamo et al. 2016）。只有少数研究对气候变化和放牧对生态系统动态的综合影响进行了全面探讨，特别是在埃塞俄比亚南部草地生态系统中（Dalle et al. 2015；Kalisa et al. 2019；Bora et al. 2020；Fenetahun et al. 2020）。为了有效管理草地生态系统并实现可持续的畜牧业发展，理解开放放牧方式与气候变化之间的相互作用，以及这些因素如何影响AGB和牲畜体重变化，至关重要。本文旨在填补这一研究空白，通过研究开放放牧和气候变化对埃塞俄比亚南部草地生态系统中AGB和牲畜体重变化的相互作用，为政策制定者、土地管理者和当地社区提供有价值的见解，以制定适应性策略，减轻开放放牧和气候变化的负面影响，同时促进具有韧性的生计和可持续的土地利用实践。

本研究采用了多学科的方法，结合了生态学、气候学和畜牧业管理的观点，以深入理解影响这一关键生态系统运行的复杂关系（Jia et al. 2020；Wu et al. 2022）。我们尝试通过综合现场调查、遥感技术和统计模型，阐明放牧强度、气象变量、植被生产力和动物性能之间的复杂联系。为了评估模型的性能并量化不同放牧强度管理策略与气候变化情景之间相互作用对AGB和牲畜体重变化的影响，我们进行了为期三年（2020-2023）的现场实验，涵盖了雨季和旱季。本研究的具体目标包括：1）利用SPACSYS模型估算放牧强度和气候变化对草地生物量和牲畜体重变化的影响；2）评估生物量可用性变化与放牧系统之间的交互作用对牲畜体重变化的影响；3）评估当前畜牧业发展轨迹的长期可行性，特别是在气候变化日益不可预测和多变的背景下。本研究特别关注以下几个问题：1）在不同放牧持续时间下，开放放牧对AGB和牲畜体重有何影响？2）开放放牧对AGB和牛体重的影响如何与季节性气候变化相互作用？

研究区域位于埃塞俄比亚南部的Borana地区，该地区包括八个行政区（附录图1），总面积为45,435平方公里。其中，约31,805平方公里（或70%）的土地被草地覆盖（Billi et al. 2015；Wang et al. 2024）。Borana地区地理位置在北纬04°56′23″至东经37°41′51″之间，距离埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴以南约666公里。该地区被选为研究对象，是因为它在许多方面都具有代表性，尤其是在草地生态系统和畜牧业发展方面。该地区在气候、土壤和植被等方面具有独特的特征，使其成为研究放牧与气候变化相互作用的理想地点。

SPACSYS模型在计算草地地上生物量方面表现良好。该模型的低均方根误差（RMSE）值和高决定系数（R2）表明预测结果与观测数据高度吻合。这些发现与英国、中国、德国、意大利、瑞士、荷兰、以色列等国家的研究结果一致，这些研究也发现模拟值与观测值相符（Wu et al. 2015；Liang et al. 2019；Liu et al. 2022）。在本研究中，低系统误差表明模型在模拟草地生态系统中的表现较为准确。通过结合现场数据、遥感技术和统计模型，我们能够更全面地评估放牧强度和气候变化对AGB和牲畜体重变化的影响。这些研究结果不仅有助于理解草地生态系统的变化趋势，还为制定适应性管理策略提供了科学依据。

本研究采用的SPACSYS模型能够有效地模拟草地生态系统中的各种过程。通过分析不同放牧强度和气候变化情景下的模拟结果，我们能够评估这些因素对草地生态系统中AGB和牲畜体重变化的综合影响。模型的高效性体现在对土壤温度、土壤水分含量、牲畜体重和AGB的模拟精度上。通过使用统计指标（如R2、KGE、RMSE和PBIAS），我们能够评估模型在不同参数上的表现。研究结果表明，模型在牲畜体重和土壤水分含量方面的模拟效果较好，而在土壤温度方面的模拟效果则相对一般。这些发现表明，模型在不同生态参数上的表现存在差异，但总体上能够提供有价值的预测结果。

模型在模拟草地地上生物量方面表现良好，能够有效反映不同放牧强度和气候变化情景下的变化趋势。通过比较模拟值与观测值，我们发现模型的预测结果与实际数据高度一致。这表明模型在草地生态系统中的应用具有较高的可靠性。此外，模型的低系统误差表明其在模拟过程中能够较为准确地反映实际变化。通过结合多种数据来源，包括卫星数据、现场收集的样本和模型处理分析数据，我们能够更全面地评估模型的性能。这些研究结果不仅有助于理解草地生态系统的变化趋势，还为制定适应性管理策略提供了科学依据。

本研究的主要结论是，通过分析放牧模式和气候变化对草地生态系统中AGB和牲畜体重变化的影响，我们能够更好地理解草地生态系统的动态变化。SPACSYS模型为理解环境变量与放牧管理技术之间的复杂关系提供了重要的见解。研究结果表明，模型在模拟不同放牧强度和气候变化情景下的AGB和牲畜体重变化方面具有较高的可靠性。通过评估模型在不同参数上的表现，我们能够更全面地了解放牧与气候变化之间的相互作用。这些研究结果不仅有助于制定适应性管理策略，还为政策制定者、土地管理者和当地社区提供了重要的参考依据。

本研究还强调了适应性管理策略在草地生态系统可持续发展中的重要性。适应性管理策略需要综合考虑社会经济和生态因素，以确保草地生态系统的韧性。特别是在气候变化日益不可预测的背景下，这些策略显得尤为重要。研究结果表明，通过合理的放牧管理，可以有效减少气候变化对牲畜生产力和生物量产出的负面影响。同时，通过采用科学的模型和方法，我们能够更准确地预测草地生态系统的变化趋势，并为政策制定提供支持。这些研究结果不仅有助于改善当前的放牧实践，还为未来的草地管理提供了新的思路。

此外，本研究还关注了放牧强度对牲畜体重变化的影响。通过分析不同放牧强度下的牲畜体重变化，我们发现适度放牧有助于维持较高的牲畜体重，而过度放牧则可能导致牲畜体重的显著下降。这些结果表明，合理的放牧强度对于维持草地生态系统的健康和稳定至关重要。同时，研究还发现，牲畜体重的变化不仅受到放牧强度的影响，还受到气候变化、降水模式和土壤条件的影响。这些因素的综合影响需要通过多学科的方法进行深入研究，以确保草地生态系统的可持续发展。

本研究的另一个重要发现是，气候变化对草地生态系统的影响是复杂且多方面的。不仅温度和降水的变化会影响草地生态系统的功能，而且这些变化还可能通过影响土壤水分、植物生长和动物性能来间接改变AGB和牲畜体重。因此，理解气候变化与放牧之间的相互作用对于制定有效的草地管理策略至关重要。通过结合现场调查、遥感技术和统计模型，我们能够更全面地评估这些因素对草地生态系统的影响。这些研究结果不仅有助于改善当前的放牧实践，还为未来的草地管理提供了新的思路。

最后，本研究的成果对于政策制定者、土地管理者和当地社区具有重要意义。这些成果不仅提供了关于草地生态系统变化趋势的科学依据，还为制定适应性管理策略提供了支持。通过合理的放牧管理，可以有效减少气候变化对草地生态系统的影响，同时促进可持续的土地利用和具有韧性的生计。这些研究结果表明，草地生态系统的变化趋势与社会经济因素密切相关，因此在制定管理策略时，需要综合考虑这些因素。通过多学科的方法，我们能够更全面地理解草地生态系统的变化机制，并为未来的草地管理提供科学支持。