《Field Crops Research》：Rotational grazing modifies the yield-quality trade-off by stabilizing productivity of the mixed annual-perennial pasture system in inland arid region in China
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作者：Shanning Lou, Jiao Ning, Yarong Guo, Wanhe Zhu, Fujiang Hou
中国-哈萨克斯坦草地生态修复“一带一路”联合实验室，农业农村部草地畜牧业创新重点实验室，国家林业和草原管理局西北退化草地生态修复与利用工程技术研究中心，兰
作者：Shanning Lou, Jiao Ning, Yarong Guo, Wanhe Zhu, Fujiang Hou
中国-哈萨克斯坦草地生态修复“一带一路”联合实验室，农业农村部草地畜牧业创新重点实验室，国家林业和草原管理局西北退化草地生态修复与利用工程技术研究中心，兰州大学畜牧农业科技学院，甘肃兰州 730020
摘要
背景
在综合作物-畜牧系统中实现稳定的饲料生产十分困难，尤其是随着气候变率的增加。
目的
本研究测试了轮牧是否可以通过稳定饲料的生产力和质量来提高综合牧场的恢复力，并探讨了其背后的机制。
方法
在为期六年的田间试验中，我们比较了轮牧与收割干草的效果，该试验结合了年度作物和多年生草本植物混合物。我们测量了干物质产量、粗蛋白、可代谢能量和食物当量的稳定性、异步性以及整合效应。
结果
轮牧显著提高了系统的生产力和质量稳定性。综合系统表现出协同稳定性，在放牧条件下，空间稳定性的整合效应在4%到29%之间，时间稳定性的整合效应在7%到16%之间。这种协同作用与放牧引起的两种牧草类型之间的补偿耦合有关，增强了它们的功能互补性。结构方程模型表明，放牧主要通过由组分异步性和补偿耦合介导的间接途径来提高稳定性。放牧还改变了传统的产量-质量权衡，在收割干草的情况下存在二次关系（与稀释效应一致），而在放牧条件下则不存在这种关系。
结论
轮牧通过促进组分互补性来稳定综合系统的生产力。这一机制提高了抗旱能力，解决了产量-质量权衡问题，并产生了超出组分预期的协同稳定性。我们的结果为设计具有恢复力的放牧系统提供了定量基础，并支持将轮牧作为适应气候变化的可持续饲料生产实践。
引言
全球人口增长和对动物蛋白需求的增加迫使农业在减少环境危害的同时生产更多的食物。单一作物种植和大量使用农用化学品虽然提高了短期产量，但代价高昂，包括生物多样性丧失、土壤和水资源退化、营养污染以及温室气体排放（Tamburini等，2020年；Qiu等，2024年）。城市化和更严格的土地使用政策限制了新的可耕地，使得进一步扩张或投入密集型集约化变得不可持续（Lemaire等，2015年）。这种依赖资源且生态同质的模式缺乏长期粮食安全所需的多样性和恢复力（Garnett等，2013年）。因此，向农业多样化转变至关重要。
综合作物-畜牧系统（ICLS）可以提高生态系统服务和气候恢复力。轮牧提供了一种将作物和牲畜联系起来、平衡各种权衡并提高系统效率和可持续性的方法（Maestre等，2022年）。ICLS支持了大部分小型反刍动物的生产，对粮食安全做出了贡献，尤其是在发展中国家（FAO，2019年；Sekaran等，2021年；Shanmugam等，2024年）。然而，这些系统面临着气候波动、土地退化和蛋白质需求增加的日益严峻的压力（Smith等，2020年；R??s等，2017年）。在中国西北等干旱和半干旱地区，这些挑战尤为严重，因此可持续集约化ICLS对于区域粮食供应是必要的（Hou等，2021年；Hou等，2008年）。
在气候变化背景下，生态系统功能的稳定性（如饲料生产）与平均生产力同样重要（Mahaut等，2023年；Ives和Carpenter，2007年）。生态理论认为，生物多样性通过物种异步性和功能互补性等机制增强稳定性（Tilman等，2006年；Su等，2022年；Wagg等，2022年）。将这一理论应用于农业实践，即通过空间多样化整合年度和多年生牧草，可以缓解环境波动并维持长期生产（Dumont等，2020年）。
除了植物组成之外，管理实践，尤其是放牧，对生态系统动态有着强烈的调节作用（Maestre等，2022年）。尽管轮牧有利于土壤健康和植物生产力（Kim等，2023年；Byrnes等，2018年），但它作为多样化牧草组分之间相互作用驱动力的作用尚不清楚。大多数研究集中在单一作物上，忽视了放牧管理如何积极协调年度和多年生牧草之间的功能耦合，从而同时提高生产力、质量和稳定性（Macedo等，2022年；De Albuquerque Nunes等，2021年；Kaine和Tozer，2005年）。因此，目前尚不清楚轮牧如何在多样化的ICLS中定量调节关键农业生态系统属性的空间和时间稳定性。缺乏关于放牧如何通过系统组分的补偿耦合来诱导稳定性的机制理解。
为了填补这一空白，我们测试了三个假设（图1）：（1）轮牧提高了综合系统中饲料生产力和营养质量的时间稳定性。（2）综合系统的稳定性超过了其组成单一作物的面积加权平均稳定性，表明存在非加性的协同效应。（3）年度和多年生组分之间的稳定机制不同：年度牧草的稳定性由植物补偿性特征驱动，而多年生牧草的稳定性则由放牧引起的土壤性质变化驱动。我们的目标是开发一个用于设计适应气候变化的草地系统的机制框架。我们量化了各个组分的贡献并明确了其背后的机制。我们的发现为放牧管理提供了实际见解，表明放牧管理不仅是一种收获方法，更是一种增强空间协同性和确保脆弱ICLS长期可持续性的策略。
部分摘录
研究地点的情况
田间试验于2014年至2019年在兰州大学临泽牧草作物研究站（北纬39°15′，东经100°02′）进行，位于中国甘肃省张掖市。该地区属于干旱的西北内陆地带，具有温带大陆性气候。该地区有超过1000年的饲料种植和畜牧业历史。年均气温和降水量分别为9.1°C和106.1毫米（图2）。
放牧对饲料生产力的影响
放牧和牧草类型显著影响了饲料产量（图3a）。它们分别解释了饲料产量变化的46.2%和48.0%（P<0.001，图3f）。放牧、牧草类型及其相互作用显著影响了蛋白质产量（图3b）。放牧、牧草类型和年份解释了蛋白质产量变化的47.1%（P<0.001）、41.8%（P<0.001）和11.1%（P<0.05）（图3f）。放牧和牧草类型显著影响了ME产量（图3c），解释了38.0%的变化
放牧对饲料生产力的影响
我们的六年研究表明，放牧一致地提高了所有牧草类型的生产力（图3）。放牧解释了蛋白质产量变化的47.1%，以及不同牧草类型之间ME产量变化的61.9%（图3f），表明饲料营养质量具有显著影响。这些发现与全球关于综合作物-畜牧系统作为可持续集约化策略的评估一致（Baiyeri等，2019年；Farias等，2020年；Carvalho等，2018年）。
结论
轮牧提高了耕作草地的生产力和稳定性。综合的年度-多年生系统始终优于其组成单一作物，显示出明显的协同效益。这种协同作用在放牧条件下尤为明显。
决定稳定性的机制是有层次且系统特定的。在年度牧草中，植物性状如高度和分蘖密度对稳定性起主导作用，而在多年生系统中，放牧管理则至关重要。
作者贡献声明
Shanning Lou：概念构思、数据整理、正式分析、资金争取、研究设计、方法论、项目管理、软件使用、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。Jiao Ning：研究工作。Yarong Guo：研究工作。Wanhe Zhu：资源调配。Fujiang Hou：概念构思、数据整理、资金争取、方法论、项目管理、资源调配、监督、初稿撰写、审稿与编辑。
本研究得到了国家重点研发计划（2025YFE0212000）、甘肃省创新平台计划（26JDWA001）、甘肃省青年科学基金（23JRRA1108）、国家自然科学基金（32402765）以及教育部创新研究团队（IRT_17R50）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢编辑和审稿人的建设性评论和建议，这些意见显著提高了论文的质量。我们还要感谢野外站工作人员以及NOGAYEV Adilbek在实验过程中的支持。
