放牧草地对温室气体排放及全球增温潜势评估的影响：以美国欧扎克高地为例

《Climate》：Grazed Pasture Effects on Greenhouse Gas Emissions and Global Warming Potential Estimates in the Ozark Highlands, USA

　　

放牧地是美国（US）畜牧业的基础。在阿肯色州，牧场对于轮牧和乳品生产至关重要。由于人为活动促进了温室气体（GHG）排放，气候变化在农业领域日益受到关注，这部分源于动物粪便添加引起的养分再循环。本研究的目的是在阿肯色州西北部的欧扎克高地地区，量化并评估连续两个生长季（即2024年和2025年）内，放牧方式（即增强放牧（EG）和最少放牧（MG））对二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）通量、全生长季排放量以及全球增温潜势（GWP）的潜在影响。在2024年，随时间平均，EG处理下的CO₂通量（880 mg m^?2 h^?1）显著高于（p ≤ 0.05）MG处理（687 mg m^?2 h^?1）。跨放牧处理平均，2025年的全生长季CO₂排放量和GWP至少是2024年的1.8倍（p ≤ 0.05），而2024年的全生长季CH₄排放量是2025年的4.6倍（p ≤ 0.05）。跨年份平均，EG处理下的全生长季N₂O排放量（1.6 kg ha^?1）显著高于（p ≤ 0.05）MG处理（0.38 kg ha^?1）。与MG处理相比，EG处理下仅由CH₄和N₂O产生的两年累积、全生长季CH₄和N₂O排放量及GWP更高（p ≤ 0.05）。考虑到美国各地用于各种农业放牧作业的广大土地面积，了解不同放牧策略产生的温室气体排放量将有助于改善管理的放牧地的温室气体减排工作。

在美国，放牧地是畜牧业的基础，但在欧扎克高地等关键区域，不同放牧方式对温室气体（GHG）排放的量化影响研究不足，尤其是在连续生长季内同时评估二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）排放及全球增温潜势（GWP）方面存在空白。研究人员在阿肯色州西北部欧扎克高地的私人奶牛场，选取增强放牧（EG）和最少放牧（MG）两种牧场，于2024和2025两个生长季（5月至9月），通过每周测量GHG通量，量化了放牧方式对GHG排放和GWP的影响。结论表明，与MG处理相比，EG处理增加了CH₄和N₂O的两年累积排放量以及仅由这两种气体计算的GWP，但CO₂排放量和总GWP无显著差异；研究还发现年际气候差异对排放影响显著。本论文发表在《Climate》期刊，首次为该区域不同放牧方式对气候变化的贡献提供了基线数据。

研究人员开展本研究主要采用了以下关键方法：（1）**野外GHG通量测定**：使用Li-Cor痕量气体测量系统（包括LI-7810 CO₂/CH₄分析仪和LI-7820 N₂O分析仪）与智能室，在5个基座上每周测量GHG通量；（2）**土壤属性分析**：采集0-10 cm土壤样本，测定容重、pH、电导率（EC）、土壤有机质（SOM）、总碳（TC）和总氮（TN）等；（3）**数据计算与统计**：通过线性回归计算气体通量，线性插值法计算全生长季排放量，使用100年GWP因子（CH₄:28, N₂O:265）计算GWP及仅基于CH₄和N₂O的缩减GWP（GWP*）。研究地点位于阿肯色州迪凯特附近的一个私人奶牛场（属于阿肯色发现农场计划），其土地利用类型为MLRA 116A——欧扎克高地。

**3.1. 初始土壤性质**
研究人员于2024年和2025年生长季初，分别对两种放牧处理（EG和MG）0-10 cm土层进行土壤理化性质测定。结果显示，2024年，18项指标在两种处理间存在显著差异：EG处理的粉粒含量、EC、pH、土壤测试P、K、Ca、Mg、Mn、Zn、B、SOM、TC、TN及硝态氮/亚硝态氮均高于MG处理；而MG处理的砂粒、黏粒含量及容重更高。尽管存在这些初始差异，研究人员认为多数差异较小或农业影响不大，故将后续GHG效应归因于处理本身。2025年，部分差异延续或变化，如EC和大量元素仍以EG为高，但SOM、TC和TN在两处理间无显著差异。

**3.2. 温室气体通量**
**3.2.1. 2024生长季**
- **CO₂**：EG处理的CO₂通量（平均880 mg m^?2 h^?1）显著高于MG处理（687 mg m^?2 h^?1），且随时间变化显著。通量峰值出现在生长季初（DOY 151），随后因土壤含水量（SWC）降低而下降。
- **CH₄**：CH₄通量在处理间表现出显著的时间交互效应。生长季初（DOY 151）通量达到最大值，EG处理数值上高于MG处理。在14次测量中，有10次日EG处理的CH₄通量显著高于MG处理，但数值很小。
- **N₂O**：N₂O通量同样存在显著的时间交互效应。生长季初通量最大，EG处理高于MG处理。在4次测量中差异显著，可能与EG处理施肥后降雨导致的反硝化作用增强有关。总体而言，2024年干热条件不有利于N₂O产生。

**3.2.2. 2025生长季**
- **CO₂**：CO₂通量不受放牧处理影响，但随时间变化显著。通量从生长季初增加至峰值（DOY 170），随后因SWC降低而下降。
- **CH₄**：CH₄通量在处理间存在显著的时间交互效应。在16次测量中，有12次日差异显著。EG处理通量高于MG处理10次，MG处理高于EG处理2次。EG处理在生长季早期（DOY 141）和晚期（DOY 238）出现通量峰值，可能与放牧、粪便沉积及较高的SWC有关。
- **N₂O**：N₂O通量在处理间存在显著的时间交互效应。在6次测量中差异显著，其中5次日EG处理通量高于MG处理。生长季初（DOY 134）EG处理达到整个生长季的最大通量，与近期大量粪便沉积有关。

**3.3. 温室气体排放与全球增温潜势**
- **CO₂排放**：年际间差异显著，2025年全生长季CO₂排放量平均为2024年的1.8倍，与当年更高的降水量有关，但处理间无显著差异。
- **CH₄排放**：年际和处理间差异均显著。跨处理平均，2024年CH₄排放量是2025年的4.6倍。跨年份平均，EG处理的CH₄排放量是MG处理的8.4倍。
- **N₂O排放**：处理间差异显著，但年际间不显著。跨年份平均，EG处理的N₂O排放量是MG处理的4.2倍。
- **GWP**：年际间差异显著，2025年GWP是2024年的1.9倍，但处理间无显著差异，这主要因为GWP计算中CO₂占主导地位。
- **GWP***：处理间差异显著，跨年份平均，EG处理的GWP*是MG处理的4.3倍。

**3.4. 两年累积指标**
- **CO₂**：EG处理的两年累积CO₂排放量在数值上比MG处理高1.2倍，但未达显著水平。
- **CH₄和N₂O**：EG处理的两年累积CH₄和N₂O排放量均显著高于MG处理，分别为MG处理的8.1倍和4.2倍。
- **GWP和GWP***：两年累积总GWP在处理间无显著差异；但排除CO₂的GWP*在EG处理下显著高于MG处理达4.3倍。
研究人员认为，EG处理更高的土壤EC、养分、SOM、TC和TN等属性，共同导致了多数GHG排放指标的增强。

**3.5. 研究局限性**
研究指出了若干局限性，包括：研究在一个运营中的奶牛场进行导致实验设计受限，如两个处理区被绘图为不同土壤类型；使用5个空间重复可能偏少；每日测量时间（上午EG、随后MG）可能导致温度差异，影响通量比较；研究仅考虑了温室气体释放通量（effluxes），而未计算净生态系统交换量（NEE）；以及将原始负通量重新赋值为小的正值可能影响了季节排放估计。

**3.6. 启示**
研究结果表明，增加放牧强度可能增加GHG排放，特别是CH₄和N₂O。尽管EG处理的CH₄和N₂O及GWP*更高，但其地上植物生产力也更高，暗示额外的土壤健康益处可能抵消了更高的GHG排放。年际气候差异（如2024年干热、2025年冷湿）对GHG排放的影响与管理措施同等重要。研究人员建议需进一步研究更多样化的放牧系统。

**4. 研究结论**
评估放牧方式对土壤健康和温室气体排放的影响对于长期可持续性日益重要。本研究检验了增强放牧（EG）和最少放牧（MG）两种牧场，在阿肯色州西北部欧扎克高地区域粉壤土上，对CO₂、CH₄和N₂O通量随时间的变化、全生长季排放量及全球增温潜势（GWP）的影响。结果部分支持了研究假设，即与最少放牧牧场相比，增强放牧牧场会表现出更高的CO₂、CH₄和N₂O排放量及GWP，原因是持续性的牲畜活动增加了有机质（即粪便和尿液）输入，从而引发了产生GHG的微生物活动。尽管EG处理下的CH₄和N₂O排放量以及缩减的全球增温潜势（GWP*）高于MG处理，但CO₂排放量和总GWP并未表现出差异。然而，EG处理下的CO₂和GWP在数值上仍高于MG处理。据研究人员所知，在阿肯色州西北部的欧扎克高地，尚无研究在私人管理的、生产规模水平的牧场上评估CO₂、CH₄、N₂O排放量及GWP，这突显了本研究项目的重要性。因此，本研究的结果为在地理和气候独特的欧扎克高地及其以外地区的放牧草地上，开展未来关于气候变化影响的研究提供了基线。