德克萨斯州放牧对日温度变化贡献的研究

《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Contribution of Grazing in Diurnal Temperature Change at Texas

　　

全球温度变化扰乱生态系统并对植被产生负面影响。放牧是温度变化的成因之一，本研究侧重于微气候(Microclimate)中的连续数据采集（数据记录仪(data logger)）。研究问题包括：放牧是否影响微气候(Microclimate)中的温度和湿度？研究人员评估了植物生物量(Biomass)与其他参数之间的相互作用。研究在德克萨斯州的10个实验样地（位于草地处）进行。研究期间连续监测与温度和水分相关的数据。分析土壤样品以记录土壤属性(Soil attributes)。利用t检验评估平均值和显著性水平。研究人员观察到植被覆盖导致温度（降低）和湿度（增加）波动，而未放牧样地仅出现雾。放牧使空气温度(Air temperature)升高1 °C，同时使露点温度(Dew point temperature)降低0.35 °C。放牧与未放牧样地的平均值在生物量重量和质量含水量（分别减少85%和15%）方面显示出显著差异（p<0.05）。线性回归揭示空气温度(Air temperature)和生物量重量在放牧与未放牧样地中与其他参数表现出相互作用。本研究的新颖之处在于在自然环境中空气温度(Air temperature)和生物量(Biomass)与实验样地土壤和空气属性的相互作用。本研究结果表明放牧显著影响温度、湿度和土壤属性(Soil attributes)。因此，草地保护(Grassland conservation)对于生态系统管理和生态系统的可持续发展至关重要。

研究背景方面，全球草地占据陆地表面积的41%（除南极洲和格陵兰岛外），在生态系统净初级生产力中占25%份额，承担着养分与水循环、碳固存、生物多样性保护及牧草生产等功能。永久性植被覆盖改善入渗并减少土壤侵蚀，未受干扰的草地具有高有机质含量、高持水量及低容重，维持着温湿度平衡。植被凋落物与冠层拦截光照，维持土壤水分与温度，草本植物作为土壤隔热材料发挥作用。已有文献报道放牧可使土壤温度升高2.6 °C，是变暖效应的3.7倍，且长期放牧引发干燥效应导致荒漠化。放牧影响植物生物量(Biomass)与土壤有机质，改变土壤机械、水力及热属性，降低土壤含水量、入渗率并破坏结构，影响根系生长、结构性团聚体、渗透率、容重(Bulk density)及土壤通气性。过度连续放牧压迫生物多样性，导致植被斑块化与景观功能紊乱，增强土壤粗化，减少有机质、养分及持水能力。目前诸多研究报道放牧对温度及土壤属性影响不一（正向、负向或中性），可能源于数据采集不足或局地微气候(Microclimate)差异，仍需在特定区域实时记录温湿度变化以解答放牧是否在样地尺度上影响微气候（温度、湿度、生物量、含水量及土壤属性）耦合的问题，理解植被生长对温湿循环的贡献及其对天气格局的影响至关重要。为此，研究人员在德克萨斯州开展实验，通过连续监测样地尺度微气候条件评估放牧对温湿度的影响，并评估植被移除（放牧）对土壤与空气属性的作用，验证放牧升高温度并影响土壤属性的假设。该研究发表于《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》。

关键技术方法方面，研究在美利坚合众国德克萨斯州凯尔市（29°59′21″N，97°52′33″W）开展，设置放牧与未放牧样地各5个，每样地面积0.5英亩，间距30米。放牧样地载畜量为每样地20000磅，每周放牧1天。使用Kestrel DROP 2设备采集空气温度(Air temperature)、相对湿度(Relative humidity)及露点温度(Dew point temperature)，连续采集8.1周（57天），其余样品每周采集分析。土壤质量含水量(Mass water content)、容重(Bulk density)、孔隙度(Porosity)通过分析每样地6个土样减少变异；质量含水量采用105 °C烘箱烘干24小时称重计算；容重用已知体积岩芯提取器取样烘干后依颗粒密度2.65 g/cm³计算；孔隙度由容重与颗粒密度公式计算。植物生物量(Biomass)采用样方(Quadrats)法随机放置样方框剪取植物材料，65 °C烘干48小时后称重。统计上采用t检验分析放牧与未放牧样地均值差异（显著性p<0.05），采用简单线性回归解释空气温度、生物量与其它参数的相关性（y＝mx＋b，m为趋势线斜率，b为y截距，R²为x变异引起的y变异），使用R软件分析变量间相关性并绘制热图。

研究结果部分，首先总体结果显示放牧与未放牧样地在质量含水量、相对湿度、温度及生物量重量上均值存在显著差异（p<0.05）。未受干扰土壤维持含水量，影响孔隙度、温度、容重及植物生长。放牧样地相对湿度较未放牧样地下降6%，因植被覆盖蒸腾水分维持湿度，放牧样地相对湿度均低于未放牧样地。露点温度(Dew point temperature)在两组间波动，未放牧样地整体较高，高露点温度利于结露，放牧样地较低露点与植被移除相关；未放牧样地植被覆盖防止剧烈温度波动并降低空气温度，本研究中放牧样地1最高空气温度16 °C，未放牧样地5最低12 °C，放牧样地均值空气温度较未放牧样地升高约7%。土壤结构提供生态系统服务，动物践踏影响孔隙度(Porosity)，放牧与未放牧样地平均孔隙度差异不显著，但未放牧样地孔隙空间相对较多，动物移动压实土壤减少孔隙；放牧样地质量含水量(Mass water content)较未放牧样地下降15%，未放牧样地3最高0.31 cm³，放牧样地2最高0.26 cm³；土壤容重(Bulk density)与孔隙度反比，未放牧样地容重较低，放牧样地2最高，未放牧样地3最低。生物量重量两组间显著差异（p<0.05），未放牧样地所有值均高于放牧样地，生物量增加土壤肥力、维持pH与含水量及微生物多样性，放牧样地生物量重量较未放牧样地显著下降85%。

在温度与其它属性在放牧与未放牧样地中的相互作用部分，回归分析显示温度升高导致相对湿度下降反之亦然；未放牧样地温度解释相对湿度变异52%，放牧样地达99%，表明放牧样地温度波动强烈影响相对湿度。露点温度(Dew point temperature)方面，未放牧样地与空气温度关系极弱（1%变异），数据点分散无趋势；放牧样地变异90%，空气温度变化影响露点温度。孔隙度(Porosity)与空气温度在两组均呈弱正相关，未放牧R²＝0.10，放牧略高。质量含水量(Mass water content)与温度关系显示温度升高影响质量含水量，回归分析表明两组均受影响。容重(Bulk density)与空气温度无直接关系，未放牧关系极弱，放牧容重26%变异可由温度升高解释，因放牧裸露土壤受日照积热且动物压缩土壤。

在生物量重量与其它属性在放牧与未放牧样地中的相互作用部分，生物量重量与相对湿度：未放牧呈正趋势（生物量增加提高相对湿度），放牧呈负趋势。生物量与露点温度(Dew point temperature)：单位生物量增加在未放牧与放牧样地分别提高露点温度0.01 °C与0.05 °C。生物量与孔隙度(Porosity)关系均弱，放牧37%孔隙度变异源于生物量变化。生物量与质量含水量(Mass water content)在未放牧虽二者增加但无显著交互。生物量与容重(Bulk density)：未放牧呈负相关（生物量增加降低容重），放牧呈正相关（可能因践踏压实）。生物量与空气温度(Air temperature)：未放牧呈负相关（生物量增加降低气温），植被覆盖隔热降温。

变量间相关性通过热图展示，统计显著（p＜0.05），空气温度升高降低相对湿度与质量含水量，高温干燥土壤；容重与其它变量负相关；空气温度升高提高露点温度意味着较少结露。

讨论部分总结，放牧显著影响其微气候(Microclimate)土壤温度、空气温度、风速及湿度水平，植被覆盖显著降低温度，放牧区土壤变暖因植被移除、土壤压实增加辐射直接接触及表层热传导，升温促进蒸发影响养分循环、微生物活性及种子萌发。效应依赖气候：湿润半湿润区降雨高温度低利于草再生，干旱半干旱区高温少水负面效应强；还与 abiotic 或 biotic 胁迫有关，极端温湿环境易受放牧破坏。连续采食、践踏及缺水致土壤退化，增加压实降低团聚稳定性，裸地易侵蚀流失有机质，表层高温影响微生物活性、养分保持及蒸发。集约放牧影响土壤水分温度进而改变有机质分解率，减少蒸腾面积增加土壤水分损失；生物量移除提高土壤温度尤其暖季，重度放牧土壤增温效应为全球变暖3.7倍，引发草地干燥促进荒漠化。禁牧降低土温提高含水量尤其生长期；植物冠层是降温主因，减少辐照面降低蒸发，微气候低温与植被覆盖减少地表加热，空气保水夜间高露点高湿结露供植物利用维持湿润微气候支持生长；露为土壤水源参与植物密度、生长及分布，植物可自叶片吸收露水，植被覆盖调节近地露温。相对湿度是蒸散失水驱动因子，升温气孔关闭蒸腾减相对湿度降；表面传导取决于水文（土壤水分、水位、质地）与生物物理状态（植被结构、气孔导度、叶面积），湿热通量调节温湿度，升温增强蒸散冷却稳定温度。植被显著转换热辐射形成微气候，低植被区低温高湿。土壤为生态系统组成部分，含水量限制生产力，蒸散率依赖植被覆盖，放牧践踏影响植被多样性、根系分布及土壤物理属性，植被移除升温加速蒸发；本研究未放牧样地质量含水量均值高于放牧样地且正相关，放牧有效减少表层水，植被移除增蒸发限入渗，践踏降吸湿率。动物践踏、采食及排泄影响土壤属性：压实抑制根系、降入渗渗滤通气，加速有机质分解降质减量影响微生物；降覆盖、空隙、水力传导及持水。物理属性较化学属性变化明显，放牧土容重、pH及机械阻力较高，适度载畜损害较小。放牧增容重降体积含水量，因孔隙减少阻入渗致径流，含水量下降抑根发育及生长与有机质积累。本研究容重与生物量相关，未放牧容重低、放牧高，因未放牧高有机质、根系发育好、孔隙佳；植物生长添有机质改养分降侵蚀，增矿物可及性与阳离子保持。土壤有机质为健康单一指标，调物理化学生物属性，含60%土壤有机碳(SOC)提高持水、阳离子交换、稳结构及pH。放牧与过牧影响丰富度、凋落物量、地上地下生物量、覆盖等，降物种多样致退化与入侵种增加；减放牧强度可提高密度、盖度、高度、地上生物量与凋落物，未放牧区土壤与植被更优。土壤生物组分重要，放牧影响植物与土壤生物群落关系，减植物源资源影响真菌线虫细菌组成多样丰度；干旱少雨区放牧减生物量效应大于湿地，正面效应关联气候、承载力与时长，常被忽视致退化。放牧减地表植被增粗砂比例，重度放牧有机质分别较轻度、中度、未放牧降11%、11.5%、14%；总体放牧负向影响土壤与温度，致生态退化荒漠化，故应避免放牧以维持温湿与植被改善土壤健康与生态功能。

结论部分翻译：温度是影响土壤功能与植物生长的重要因素之一。高日间温度加热空气，近地表空气夜间未冷却至露点(Dew point)。植物面临热应激并向大气散失更多水分。本研究中，未放牧样地空气温度较低而露点温度较高，利于更多结露，植物利用该水分进行生物量生产。变量相关性明显显示空气温度升高降低相对湿度与质量含水量，随之植物生长下降并走向荒漠化。植被生长提高相对湿度与质量含水量，因此排除放牧以保护生态系统至关重要。放牧导致的植被移除引起热应激并对土壤与植物产生负面影响。

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