放牧强度与饲养方式对作物-牲畜系统温室气体排放的影响：全球变暖潜势与排放强度的权衡分析

《Journal of Agriculture and Food Research》：Grazing intensity versus stocking methods: implications for greenhouse gas emissions in integrated crop-livestock systems

为应对全球变暖挑战，研究人员开展了一项关于放牧强度与饲养方式如何影响作物-牲畜系统温室气体排放的研究。该研究通过量化系统尺度的全球变暖潜势和排放强度，发现低放牧强度可降低温室气体排放强度，而连续饲养方式有助于减少反刍动物肠道甲烷排放。研究结果为优化农业管理策略以实现粮食生产与气候减缓的双重目标提供了重要科学依据。

　　

全球气温预计到本世纪末将上升2.7°C，这一严峻现实对《巴黎协定》的控温目标构成了直接威胁。在此背景下，重新构建关键经济部门、特别是粮食生产体系的温室气体排放强度显得尤为紧迫。农业和畜牧业作为人为温室气体排放的主要来源之一，约占全球总量的三分之一。随着人口增长驱动的粮食需求上升，传统高度专业化的生产系统（即作物和牲畜活动在空间和功能上分离）进一步加剧了温室气体排放和环境退化。面对这一挑战，作物-牲畜系统作为一种气候智能型替代方案应运而生，它能够在维持高水平粮食生产的同时减少环境影响。

尽管作物-牲畜系统因反刍动物肠道甲烷排放通常会增加温室气体排放，但研究表明这些系统可以通过土壤、植物和动物之间的协同相互作用增强碳固存，从而在短期内降低净全球变暖潜势。然而，关于二氧化碳清除与甲烷和氧化亚氮排放之间平衡的重要不确定性仍然存在，特别是放牧管理策略如何调节这些系统的温室气体平衡尚不清楚。为此，研究人员在巴西南部开展了一项深入研究，评估了饲养方式（连续与轮牧）和放牧强度（中度与低度）如何影响作物-牲畜系统的全球变暖潜势和温室气体排放强度。

该研究发表在《Journal of Agriculture and Food Research》上，通过在巴西南部农牧业试验站进行长期实验，将大豆和玉米与羊群放牧的多花黑麦草轮作，系统比较了不同管理策略下的温室气体排放效应。研究人员采用了静态箱法测量土壤N₂O和CH₄通量，结合色谱分析技术，连续三年监测了温室气体排放动态。同时，通过测定土壤有机碳含量和计算碳储量变化，评估了系统的碳汇功能。动物排放部分则通过实测肠道发酵甲烷和排泄物氧化亚氮排放来完成。所有数据均按照IPCC指南转换为二氧化碳当量，从而实现了系统尺度的全面温室气体核算。

2.1. 一氧化二氮和甲烷排放及相关土壤变量

土壤N₂O通量在所有处理的三年实验期内变化显著。未放牧区的N₂O通量变化范围为0至287.4 μg N-N₂O m^-2h^-1，而作物-牲畜系统下的通量范围更广。低放牧强度下的N₂O排放普遍高于中度强度，特别是在牧场氮肥施用后出现排放峰值。土壤CH₄通量主要为负值，表明土壤主要充当大气CH₄的吸收汇。土壤水分含量（以水填充孔隙度表示）是调控N₂O和CH₄通量的关键因素，解释了40%的气体通量变异。

2.2. 土壤碳储量和二氧化碳固存

土壤有机碳含量随土层深度增加而降低，0-5 cm土层平均值为19.15 g kg^-1土壤，至20-30 cm土层降至5.47 g kg^-1土壤。各处理间在0-30 cm土层的土壤有机碳储量无显著差异，但作物-牲畜系统显示出更高的碳固存趋势。基于12年实验期计算，作物-牲畜系统区域的年土壤碳积累率高于未放牧区，转化为CO₂当量后表现为净碳汇。

2.3. 全球变暖潜势

所有处理均表现为温室气体的净排放源，排放范围从2727.3至5832.2 kg CO₂-eq ha^-1yr^-1。作物-牲畜系统的平均全球变暖潜势为4497.3 kg CO₂-eq ha^-1yr^-1，比未放牧区高64%，主要归因于羊群肠道CH₄排放，约占系统全球变暖潜势的49%。连续饲养方式与较低的全球变暖潜势值相关，而中度放牧强度通常导致更高的全球变暖潜势。

2.4. 温室气体排放强度

放牧强度和饲养方式对温室气体排放强度有显著影响，且存在交互作用。从低到中度放牧强度，温室气体排放强度在两个饲养方式下均增加。在中等放牧强度下，轮牧的温室气体排放强度高于连续饲养。平均而言，放牧强度对温室气体排放强度的影响大于饲养方式。未放牧区的温室气体排放强度为4.66 kg CO₂-eq kg CP_Y^-1yr^-1，而作物-牲畜系统为5.33 kg CO₂-eq kg CP_Y^-1yr^-1。

研究结论表明，在亚热带环境中采用作物-牲畜系统会导致全球变暖潜势比未放牧耕作系统增加64%，这主要反映了羊群肠道甲烷排放的贡献。然而，当以单位产出表示温室气体排放时，年度土壤CO₂-eq固存和粗蛋白产量增加44%的综合效应显著降低了温室气体排放强度，突出了基于生产力的指标在评估集成系统气候绩效中的重要性。

放牧管理策略中，放牧强度是调节作物-牲畜系统全球变暖潜势和温室气体排放强度的主要杠杆。将牧草补贴从10增加到20 kg DM 100 kg LW^-1day^-1可使温室气体排放强度降低1.73 kg CO₂-eq kg^-1粗蛋白 yr^-1，表明维持适当调整的牧草补贴应作为气候智能型放牧策略优先考虑。虽然放牧强度解释了温室气体排放强度的大部分变异，但饲养方式也影响排放结果。连续饲养方式持续显示出比轮牧更低的肠道CH₄排放和温室气体排放强度，表明在适当控制放牧压力的情况下，连续饲养方法在亚热带作物-牲畜系统中提供了额外的减排效益。

这项研究的重要意义在于为设计气候智能型农业系统提供了实证依据，表明通过优化放牧管理策略，可以在维持粮食生产的同时实现温室气体减排。作物-牲畜系统不仅提供了粮食安全保障，还通过土壤碳固存为气候减缓做出贡献。研究结果对制定可持续农业发展政策和实践具有重要指导价值，特别是在面临气候变化挑战的亚热带地区。