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在中西部地区，多年生牧场不断被转化为一年生作物，引发诸多生态问题。研究人员向 Agro-IBIS 模型添加冷季牧场和放牧管理功能，并与观测数据对比。结果显示模型输出与观测相符，这有助于探索农业景观的多功能管理。
在全球的农业版图中，牧场生态系统占据着举足轻重的地位。多年生草原支撑着畜牧业的发展，其覆盖面积超过地球陆地表面的三分之一，远超目前用于种植行栽作物的草原面积。然而，在世界的不同角落，牧场正经历着截然不同的命运。在亚马逊地区，森林砍伐促使热带森林不断转变为牧场和农田，牧场面积大幅增加；但在美国中西部的高草草原（如今常被称为玉米带），情况却恰恰相反，多年生牧场日益被转化为一年生的农田，这些农田的产出大多用于圈养牲畜或供应乙醇精炼厂。
这种农业集约化虽然在一定程度上提高了作物产量，却带来了一系列令人头疼的问题。土壤碳大量流失，使得土地肥力下降；栖息地遭到严重破坏，许多生物失去了赖以生存的家园；水质恶化，影响了人类和其他生物的用水安全；洪水频发，威胁着周边居民的生命财产安全。不仅如此，还引发了诸如抗微生物耐药性、抗农药性以及生物多样性减少等一系列连锁反应，对整个生态系统的稳定和平衡造成了巨大冲击。
为了扭转这一局面，许多研究呼吁在美国中西部地区维持并扩大草原面积。但大家逐渐意识到，草原的类型及其相关管理方式对于生态系统服务的提供至关重要。不同的放牧管理方式，会对生态系统产生天壤之别。连续放牧可能会导致土壤碳和氮含量降低，而轮牧则有助于降低土壤容重和压实度，增加土壤碳含量，甚至能达到与未放牧草原相当的水平。轮牧还能提高地上生物多样性，在一些环境中，轮牧系统的牧草质量和产量也更高。不过，在干旱地区，由于水分对生产的强烈限制，轮牧相较于连续放牧的生产优势往往会消失。由此可见，深入了解不同放牧管理方式下生态系统功能的变化规律，对于实现农业的可持续发展意义重大。
在此背景下，来自国外的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们聚焦于将冷季牧场和放牧管理功能添加到基于过程的农业生态系统模型（Agro-IBIS）中，并将模型输出结果与美国威斯康星州南部的观测数据进行对比分析 。该研究成果发表在《Agricultural Systems》上，为农业生态领域提供了重要的参考依据。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，对 Agro-IBIS 模型进行适应性拓展，在模型中精确地模拟冷季牧场的物候变化和生长过程，涵盖了未放牧、轮牧（牲畜每 2 天移动一次）和连续放牧这三种常见的放牧管理方式。在模拟过程中，将牧场的物候、生长以及碳（C）分配设定为以日为时间步长的关联过程。通过动态反馈机制和碳分配策略，依据物候阶段、环境条件以及放牧管理方式的不同，每天对植物功能类型（PFT）的碳库（包括根、茎、叶、生殖器官等部分）进行更新。之后，将模型输出的结果与在威斯康星州南部进行的为期两年的田间实验所观测到的植物生长（地上生物量）和物候（叶面积指数；LAI）数据进行详细对比。
Agro-IBIS 模型评估
研究人员对 Agro-IBIS 模型进行了全面评估。在模拟叶面积指数（LAI）和地上生物量的变化趋势方面，连续放牧模型表现较为突出，其决定系数（R2）在所有模型中最高，未放牧模型次之，轮牧模型相对较低。然而，当模拟的放牧日期与实际场地情况相匹配时，轮牧模型的性能与连续放牧模型逐渐接近。这一结果表明，模型对放牧时间的准确模拟对于评估不同放牧管理方式下的生态系统功能变化至关重要。
Agro-IBIS 对放牧影响植物生长模式的精准呈现
经过更新后的 Agro-IBIS 模型，能够较为准确地再现美国威斯康星州南部放牧和未放牧冷季牧场中观测到的植物生长一般模式。不过，在模拟过程中也发现了一些问题，该模型在估算轮牧条件下的地上生物量时，普遍存在比连续放牧更大的低估情况。研究人员推测，这可能是由于连续放牧导致土壤容重增加和压实度增大，进而增加了地表径流，影响了植物的生长和生物量积累，而模型在模拟这一过程时存在一定的局限性。
研究结论
研究人员成功地对 Agro-IBIS 农业生态系统模拟模型进行了适应性改进，将轮牧和连续放牧这两种冷季牧场放牧管理方式纳入其中。通过模拟不同的牧场管理策略，得到了多样化的生产力结果，并且这些结果与实际观测数据具有良好的匹配度。这一研究成果意义非凡，一方面，Agro-IBIS 模型对牧场物候、生长以及放牧管理响应的准确呈现，极大地提升了研究人员探索在气候变化背景下，如何构建、配置和管理农业景观以实现多功能目标的能力；另一方面，该模型输出的数据即将被整合到决策支持工具 GrazeScape 和 SmartScape 中，这将为土地管理者提供有力的支持，帮助他们在不同管理策略下，全面评估潜在的经济和环境影响及其相互作用，从而做出更加科学合理的决策。
这项研究为农业生态系统的可持续发展提供了新的思路和方法，通过优化牧场管理模型，研究人员可以更深入地了解不同管理方式对生态系统的影响，为制定科学的农业政策和管理方案提供坚实的理论依据。未来，随着研究的不断深入和模型的进一步完善，有望在全球范围内推动农业生态系统的可持续发展，实现生态效益、经济效益和社会效益的多赢局面。
