《Agriculture, Ecosystems & Environment》：From local management to global patterns: How soil-climate coupling dictates greenhouse gas responses to management practices in grazing grasslands
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土壤管理措施对放牧草地碳储存与温室气体排放的影响及环境调节机制研究。全球元分析结合随机森林算法，揭示放牧导致土壤有机碳（SOC）平均损失8%，其空间差异主要由土壤容重和初始SOC含量调控；甲烷（CH4）氧化率降低277%-449%，而一氧化二氮（N2O）排放无显著整体效应，但受年均温和黏土含量主导。施肥显著增加CH4和N2O排放，而抑制剂平均减少N2O排放38%，其效果与施肥量和年降水量相关。
李彤|郑聚峰|李连青|程坤
南京农业大学资源、生态系统与农业环境研究所，中国江苏省南京市滨江大道666号，211800
摘要
人类管理对放牧草地的影响在不同地区存在显著差异，识别这些地区差异背后的关键调节因素对于制定针对特定地区的气候变化缓解策略至关重要。本研究利用包含1355对观测数据的综合数据库，通过全球元分析方法研究了管理措施对土壤有机碳（SOC）变化、甲烷（CH?）和氧化亚氮（N?O）排放的影响。此外，还使用随机森林（Random Forest）算法来识别这些影响背后的关键调节因素。研究结果表明，由于放牧导致全球范围内普遍存在SOC损失，平均损失率为8%；影响放牧对SOC影响程度的空间变化的主要变量是土壤容重和初始SOC含量。放牧对N?O排放的影响在统计上不显著，但在不同地点之间变化较大，年平均温度和粘土含量是影响排放模式的主要环境因素。施肥会导致CH?和N?O排放增加，分别增加了277%、449%和19%；土壤粘土含量和pH值是解释施肥对N?O排放和CH?通量影响空间变化的主要调节因素。使用抑制剂可显著减少N?O排放，平均减少38%，其效果主要取决于施肥量和年平均降水量。本研究强调了适度放牧对减少草地温室气体的积极作用，同时也表明，通过清除牲畜粪便或施用抑制剂等策略可以有效降低土壤中的非二氧化碳温室气体排放。
引言
由于人类活动导致的大气温室气体（GHG）浓度上升，对全球气候构成了严重威胁，其中二氧化碳（CO?）、甲烷（CH?）和氧化亚氮（N?O）是主要的贡献者（IPCC等，2021年）。应对这些排放并促进土壤碳封存是实现碳中和的关键，这在各个行业中都至关重要，尤其是在农业领域。草地覆盖了地球陆地表面的大约40%，在陆地生态系统中发挥着重要作用，不仅提供了经济价值，还提供了多种生态系统服务（Bardgett等，2021年）。然而，由于人类活动和气候变化，这些生态系统已经发生了改变和退化，特别是在被转化为牧场或受到不可持续放牧影响的地区（Abberton等，2010年；Chang等，2021年）。
放牧草地对畜牧业至关重要，为牛、羊等草食动物提供了天然且低成本的饲料来源，从而在全球肉类和乳制品生产中发挥着关键作用。然而，放牧及相关土壤管理措施显著增加了温室气体排放，因为畜牧业系统约占农业CH?排放的37%和N?O排放的65%（Steinfeld和Wassenaar，2007年）。草地也是重要的碳汇，储存了全球陆地碳的约34%，其中近90%储存在土壤中（White等，2000年；Bardgett等，2021年）。由于放牧草地贡献了全球土壤有机碳（SOC）的10%–30%，其管理对全球碳循环和气候结果有着重要影响（Dlamini等，2016年；Deng等，2023年）。
放牧通过改变植被覆盖和土壤性质直接影响SOC和温室气体动态。虽然重度放牧对SOC的影响在短期内可能会有所不同，有些研究甚至报告在五年内SOC有所增加，但全球综合研究表明，持续的重度放牧会导致SOC大量损失，通常损失幅度在10%到27%之间（Byrnes等，2018年；Dlamini等，2016年；Eze等，2018年；Reinhart等，2022年）。相反，轻度放牧对SOC的影响不一，有些研究报道SOC储量增加，也有研究报道SOC储量减少（Zhou等，2017年；McSherry和Ritchie，2013年；Byrnes等，2018年；Eze等，2018年）。植物残余物、根系分解和微生物产物是SOC的主要来源；然而，在过度放牧的情况下，这些来源会因生物量损失而大大减少（Zuo等，2018年）。此外，过度放牧导致的土壤容重和水分变化创造了不利于微生物活动的条件。虽然微生物活动减少可能会减缓分解过程，但也限制了微生物衍生有机物的形成和稳定，而这对于长期SOC持久性至关重要（Dijkstra等，2021年；Abdalla等，2018年）。
CH?和N?O通量的变化与受土壤物理和化学条件调节的微生物过程密切相关，而这些条件又受到放牧措施的影响。过度放牧会减少总生物量和养分可用性，从而限制参与CH?和N?O排放的微生物功能（Zhou等，2017年）。土壤温度和水分——影响气体通量的关键因素——调节微生物和根系活动，过度放牧会导致土壤压实，限制与大气的气体交换（Tang等，2019年）。此外，牲畜粪便会产生富含氮的斑块，成为温室气体排放的热点，因为额外的氮会增强微生物活动，特别是在硝化和反硝化过程中增加N?O排放（Widdig等，2020年）。
尽管已有大量研究，但放牧和其他管理措施对SOC和温室气体排放的影响仍存在很大变异性，这种变异性受到土壤和气候异质性的调节。例如，在中国内蒙古的研究中，不同类型的草地对管理措施的响应不同，草地类型的CH?O排放量有所增加，而其他类型的草地变化不大（Shi等，2017年）。同样，在美国两个草地上长期禁止放牧后，SOC积累的结果也因土壤和气候条件而异（Wilson等，2018年；Shrestha和Stahl，2008年）。
为了解决研究中多样且经常矛盾的结果，元分析提供了一种有价值的统计方法来综合SOC变化和温室气体排放的数据。然而，即使使用元分析方法，要理清温室气体排放和SOC响应的空间变异性的驱动因素仍然具有挑战性。最近的研究使用了随机森林（RF）模型——一种强大的集成机器学习方法——来识别影响管理措施对GHG和SOC响应的主要因素（Feng等，2022年；Xu等，2024年）。与传统元回归模型不同，RF模型能够捕捉复杂的非线性生态模式，因为它不需要预先定义的参数假设。Feng等（2022年）采用元分析和RF回归相结合的方法研究了土地利用变化对土壤温室气体排放的影响。他们的分析表明，总氮含量、硝酸盐氮含量和年平均温度是影响土地利用转换和恢复过程对N?O和CH?排放变化的主要因素。Xu等（2024年）开发了一个RF模型来阐明生物炭添加对温室气体排放的影响，将温室气体响应作为因变量，将环境和管理变量作为自变量。关键发现表明，生物炭对N?O排放效果的空间变化主要受氮肥施用量和土壤pH值的影响。相反，CH?排放效果显著受到土壤容重和生物炭施用率的影响。这些研究表明，RF回归在深入分析元分析结果和识别关键驱动因素方面具有关键价值。
本研究采用全球元分析方法评估了草地管理对SOC、CH?和N?O动态的影响。此外，还使用RF模型来识别影响这些响应的主要因素，从而加深了对不同放牧制度下SOC动态和温室气体排放的理解。
数据收集
通过中国国家知识基础设施和Web of Science使用以下公式进行文献检索：{TI = (“放牧”或“草地”) AND (“CH?”或“N?O”或“SOC”)。检索时间截止到2023年5月。选择标准如下：(i) 仅包括田间试验，排除培养箱、盆栽和温室试验；(ii) 报告了放牧和未放牧草地的SOC含量、累积CH?排放量或N?O排放量；(iii) 需要
放牧强度对温室气体排放的影响
放牧活动导致SOC含量减少了8%（95%置信区间：-12%至-4%）（图2a）。随着放牧强度的增加，SOC含量呈现下降趋势。值得注意的是，中等和重度放牧强度导致的SOC下降幅度相似，约为10%，这与轻度放牧下的模式明显不同。此外，还根据气候区进行了亚组分析。值得注意的是，在温带地区，SOC含量分别减少了14%
草地管理措施对温室气体排放的影响
草地管理，特别是放牧，显著影响了SOC变化、CH?和N?O通量。放牧是SOC动态的关键决定因素。与Zhou等（2017年）和Owensby和Auen（2020年）的研究结果一致，本研究发现长期放牧减少了SOC储量。这种减少可以归因于地上生物量和植物多样性的减少，从而限制了根系产生的SOC输入和微生物活动（Jiang等，2020年）。尽管已有广泛记录，但SOC损失的程度仍存在差异
结论
本元分析发现，放牧活动导致SOC损失和CH?吸收量略有减少，同时有效减少了放牧草地中的N?O排放。施肥增加了放牧草地土壤的温室气体排放，而抑制剂显著减少了N?O排放。机器学习模型表明，气候和土壤变量显著影响了草地管理措施对SOC和温室气体排放的影响。
作者贡献声明
李彤：撰写——原始草稿、方法论、调查、数据整理。程坤：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化。李连青：撰写——审稿与编辑、资源准备。郑聚峰：撰写——审稿与编辑、监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：42277020）的财政支持。本研究还得到了江苏省二氧化碳排放峰值和碳中和技术创新专项基金（BE2022423）的支持。
