地中海一年生饲草系统中轮牧与连续放牧下土壤CO?和N?O通量的昼夜与季节变化

《Agriculture》：Diurnal and Seasonal Variation of Soil CO2 and N2O Fluxes Under Rotational and Continuous Grazing in a Mediterranean Annual Forage System

　　

地中海草原可对土壤温室气体排放有所贡献，但其通量动态因强烈的时空、季节及管理相关变异性而仍未得到充分约束。本研究比较了轮牧（rotational grazing, RG）与连续放牧（continuous grazing, CG）下放牧管理、季节阶段性变化及昼夜变异性对土壤二氧化碳（CO?）和一氧化二氮（N?O）通量的影响。高频监测捕捉了春季黑麦草–三叶草和夏季画眉草试验中非放牧期与放牧期的通量模式。广义线性模型（generalized linear models, GLMs）识别出土壤温度是与CO?和N?O通量变异性关联最强且最一致的环境变量（p < 0.001）。分段回归（segmented regression）显示，两种放牧制度下CO?均存在显著的温度断点（约32–34 °C），而N?O仅在CG下表现出约30 °C的显著阈值。春季试验全程中，RG下土壤CO?通量显著高于CG（p < 0.05）。夏季试验中，CG在试验初期表现出高于RG的CO?和N?O通量（两者均p < 0.001），至试验结束时差异消失。春季试验大部分时段内，两种制度间N?O无显著差异。两种气体的下午通量普遍高于上午通量（p < 0.05）。上述结果为单站点、单年比较中特定阶段、依赖情境的瞬时通量，而非累积季节预算。总体而言，轮牧与连续放牧对土壤CO?和N?O通量的相对影响随采样阶段而变化，表明该地中海饲草系统中与放牧相关的土壤温室气体动态主要受情境依赖所支配，而非由某种一贯优越的放牧策略所决定。

地中海一年生饲草系统中轮牧与连续放牧下土壤CO?与N?O通量的季节及昼夜变化规律解读

一、研究背景与科学问题

近百年来，人类活动导致大气温室气体（greenhouse gas, GHG）浓度显著上升，畜牧业生产是重要贡献源之一。在全球尺度上，农业、林业及其他土地利用（AFOLU）部门在2019年贡献了约22%的净全球温室气体排放，相当于13 Gt CO?当量。在欧盟，2021年农业占N?O总排放的73.6%。畜牧业放牧系统不仅通过肠道发酵，还通过土壤与大气间的CO?和N?O交换贡献农业温室气体排放。然而，与肠道源相比，放牧管理下土壤—大气温室气体交换的研究仍十分有限。地中海地区以一年生饲草为基础的放牧系统面临显著的温度和干旱季节极端变化，使土壤温室气体通量极具动态性且难以约束，但该环境下放牧土壤温室气体排放的可靠实证证据仍然匮乏。

轮牧（rotational grazing, RG）因具有改善饲草生产和根系周转的潜力，被广泛推荐为连续放牧（continuous grazing, CG）的可持续替代方案。然而，关于其对土壤温室气体排放影响的实证证据并不一致。已有研究在干旱半干旱草原和温带草原中发现CG较RG增加土壤N?O通量，而净生态系统CO?交换在两种策略间相当。在放牧管理对土壤CO?通量的影响方面，研究结果强烈依赖于土壤湿度、作物发育阶段及相关环境条件。此外，N?O通量具有高度脉冲性和快速波动特征，静态箱采样通常依赖单次上午至中午测量来近似日均通量，可能忽略放牧、恢复及昼夜波动期间的短期动态。自动化智能箱虽能减少操作误差并实现高频采样，但鲜少用于对比不同季节饲草作物下轮牧与连续放牧的差异。

本研究旨在填补的核心研究空白是：在地中海一年生饲草系统中，RG与CG如何影响不同季节阶段土壤CO?和N?O通量。研究将高频直接对比轮牧与连续放牧、跨越对比鲜明的季节/饲草阶段、同时涵盖两种主要土壤温室气体（CO?和N?O）及日内时间变异性，整合于单一实验框架中。这种整合而非孤立地开展放牧相关土壤温室气体研究或高频监测，构成本工作的核心创新点。

二、研究设计与主要技术方法

研究于2024年10月至2025年10月在意大利维泰博图西亚大学实验农场（42.4250° N, 12.0792° E，海拔约301 m）开展。供试土壤为饱和始成土（Eutric Cambisol），0–20 cm土层为壤土质地，pH 6.9，全氮0.12%，总有机碳0.85%。研究区属典型地中海气候。

实验采用36只两岁未产羔的Sopravissana母羊，按初始体重均分为两组各18只。RG系统将0.1836 ha划分为6个围栏（RG1–RG6），每个围栏再分为3个子围栏（共18个，每个102 m2），放牧期间每个子围栏同时由6只羊采食；CG系统将等面积划分为3个围栏（CG1–CG3），每个612 m2，全程由6只羊持续采食。两系统总载畜率相同（98只羊/ha），但瞬时放牧密度不同：RG为588只羊/ha，CG为98只羊/ha。

春季试验前，研究区于2024年11月17–18日深耕25–30 cm，11月19日播种60%意大利黑麦草与40%三叶草混合饲草；夏季试验于2025年6月4–5日圆盘耙整地后于6月5日播种画眉草。春季允许两个放牧周期（间隔4天），夏季仅一个周期（间隔7天）。羊仅在上午放牧，春季每天2小时，夏季每天4小时。

气体通量测量采用LI-COR自动化智能箱系统：LI-7810分析仪监测CO?，LI-7820监测N?O。箱体为圆形，内径20 cm，总体积4843 cm3，置于预埋PVC底座上。每个自动化箱配备独立Soil Hydra探头，同步测量5 cm深度土壤温度、湿度和电导率。每阶段设18个采样点（RG和CG各9个），在上午（06:00–10:00）和下午（14:00–18:00）连续两天测量。每个测量周期90 s（60 s闭合测量+30 s冲洗）。CO?通量以μmol CO? m?2 s?1表示，N?O通量以nmol N?O m?2 s?1表示。

数据筛选与统计分析在Python 3.12中完成。采用IQR方法识别异常值，Kruskal–Wallis检验和Dunn事后检验比较阶段差异，Mann–Whitney U检验进行RG与CG配对比较，Spearman相关分析评估通量与土壤环境变量的关系，广义线性模型评估土壤温度、湿度和电导率的独立效应，Type-II协方差分析（ANCOVA）在控制土壤温度后检验处理效应，分段（两阶段）回归通过网格搜索确定温度断点，并采用非参数bootstrap（2000次重采样）评估断点稳健性。

三、主要研究结果

3.1 阶段间温室气体通量变化与环境驱动因子

CO?通量在各阶段间差异显著（Kruskal–Wallis H = 967.11, p < 0.001），最高通量出现在夏前阶段和较暖时期，生长季和休耕期通量较低。N?O通量同样存在显著阶段差异（H = 228.57, p < 0.001），在夏前阶段达到峰值。土壤温度是与两种气体关联最强的环境变量：CO?与土壤温度正相关（ρ = 0.45, p < 0.001），N?O同样正相关（ρ = 0.40, p < 0.001）。

3.2 春季放牧管理对CO?和N?O通量的影响

春季各阶段RG下CO?通量均高于CG。N?O仅在春前阶段RG高于CG（p < 0.05），此后无处理差异。控制土壤温度后，两种气体的RG–CG差异仍显著（CO?: F = 10.23, p = 0.002；N?O: F = 9.22, p = 0.003），且均存在显著的处理×阶段交互作用。基线相对对比显示，CO?的RG–CG差异从春前到春中或春后无显著变化，而N?O的RG–CG差异相对春前基线在春中和春后均显著变化。

3.3 夏季放牧管理对CO?和N?O通量的影响

夏前阶段，CG下CO?和N?O通量均显著高于RG（CO?: 15.17 ± 0.442 vs. 10.01 ± 0.257 μmol m?2 s?1, p < 0.001），夏后阶段两气体均无系统间差异。控制土壤温度后，两种气体的RG–CG差异在夏季各阶段仍显著（CO?: F = 189.00, p < 0.001；N?O: F = 94.17, p < 0.001），模型解释方差比例高于春季（CO? R2 = 0.65，N?O R2 = 0.34）。

3.4 CO?和N?O通量的昼夜及试验相关变化

两种放牧制度下，两种气体均表现出明显的昼夜和试验相关差异。夏季两种气体的下午通量均高于上午；春季CO?和RG-N?O也呈现下午高于上午的模式，但CG-N?O在春季上午与下午无显著差异。夏季试验的CO?和N?O通量显著高于春季，与夏季较高的土壤温度相关。

3.5 CO?和N?O通量的环境驱动因子

土壤温度是两种气体通量变异的最强关联变量（p < 0.001），独立于土壤湿度和电导率。CO?在两种放牧制度下均存在约32–34 °C的显著温度断点（ΔAIC ≥ 13.6），断点以上通量随温度急剧增加。N?O仅在CG下表现出约30 °C的显著阈值响应（ΔAIC = 26.28），RG下分段模型未显著优于单一线性拟合（ΔAIC = 0.72），其N?O响应在观测温度范围内近似线性。Bootstrap分析确认了CO?断点在RG（34 °C, 95% CI: 32–35 °C）和CG（32 °C, 95% CI: 30–32 °C）下的稳健性，以及CG-N?O断点（30 °C, 95% CI: 29–33 °C）的稳健性；RG-N?O的标称断点（29 °C, 95% CI: 12–35 °C）仅在14%的重采样中获得支持，不构成真实阈值证据。

四、讨论与结论

讨论部分指出，土壤温度上升可通过加速酶活性和底物周转增强异养呼吸，从而提高CO?通量；较高土壤温度也可在水分和底物条件适宜时加速硝化和反硝化相关微生物过程。土壤温度与两种气体的强关联符合地中海和半干旱饲草系统的典型特征，即温度通常是暖季土壤温室气体通量的主要控制因素。但温度与水分的作用具有情境依赖性：在最干燥的夏末阶段，水分限制抑制了微生物活性，即使温度仍较高，N?O通量也受到抑制。春季RG下较高的CO?通量在动物进入前即已存在，可能反映空间异质性而非放牧的直接效应；而N?O的RG–CG差异在放牧开始后相对基线显著变化，表明初始氮通量差异随放牧推进而演变。夏季CG在夏前阶段较高的通量可能与其在春季逐渐积累或重新分配残体和排泄物有关，这些底物库在初夏土壤升温时快速矿化。至夏后阶段，土壤水分降至放牧阶段最低值，水分限制抑制微生物活性，系统间差异消失。RG–CG差异的方向在春季与夏前之间发生反转，表明两种系统可能通过不同途径积累和释放底物：RG通过短时扰动关联脉冲，CG通过残体和排泄物的渐进积累与再分配。

研究结论指出，放牧管理对土壤CO?和N?O通量的影响具有强烈阶段依赖性，RG与CG的相对响应随饲草季节变化而改变。RG在春季表现出较高的CO?通量，而CG在初夏表现出较高的CO?和N?O通量；因此，没有任何一种放牧策略能在所有测量阶段持续降低土壤温室气体通量。土壤温度是两种气体最强的实测环境关联变量，但其与通量的关系随放牧系统和采样条件而变化，包括两种制度下CO?的非线性响应以及仅CG下N?O的阈值响应。显著的阶段和日内变异性表明，充分的时间分辨率对于表征放牧相关土壤温室气体动态至关重要。由于土壤CO?代表呼吸性碳释放而非净生态系统碳损失，而N?O构成直接温室气体和活性氮损失，更全面的放牧效应评估需要结合事件基测量与土壤碳氮循环直接指标的长期、独立重复研究。