Geoderma丨长期综合作物-牲畜放牧刺激土壤生态系统碳通量，增加加利福尼亚多年生农业生态系统的底土碳储量

论文内容

研究背景：

农业资源保护激励措施为探索未充分利用的耕作方法提供了新的机会，使其具有潜在的农艺和环境效益。其中一项激励措施就是利用耕地来封存更多的土壤碳。另一种激励措施包括减少使用杀虫剂、合成矿物肥料和其他使用大量石油和其他化石燃料生产的投入品，众所周知，这些物质会大大增加全球温室气体的排放量（Walling 和 Vaneeckhaute，2020 年；Woods 等人，2010 年）。增加全球耕地的土壤有机碳（SOC）可带来温室气体减排的复合效益，如果采用较少依赖机械化和大量使用这些石化投入品的耕作方法，则会起到促进作用（Minasny 等人，2017 年）。一个具有历史基础、但在科学上未得到充分研究的管理策略是将动物和作物整合到同一生产系统中（Brewer 和 Gaudin，2020 年；Garrett 等人，2017 年；Russelle 等人，2007 年）。作物-牲畜（ICL）综合管理的实践者依赖于广泛发展的地方和本土知识体系，这些知识体系具有地区特殊性和复杂性（Altieri，1992 年；Altieri 等人，2012 年；Garrett 等人，2020 年；Sekaran 等人，2021b）。世界上大部分作物和畜牧业仍然是协调管理的，动物为作物生产提供各种基于放牧的服务，而美国农业的集约化已导致农场规模的作物和畜牧业高度专业化和去耦合化（Baur 和 Iles，2022 年；Entz 等人，2005 年；Garrett 等人，2020 年；Sanderson 等人，2013 年）。

虽然有必要进行更严格的调查，但目前的理解是，作物-牲畜脱钩会导致农业生产内部和之间的养分循环不良，并增加作物和牲畜生产的环境足迹（Garrett 等人，2017 年；Lemaire 等人，2014 年）。因此，人们提出将作物和畜牧系统重新整合，作为改善农业景观的环境保护和资源效率的一种策略（Russelle 等人，2007 年）。常年的 ICL 管理，即反刍家畜在植被生长的较长时期内以林下植物群落为饲料，提供了一种可行的农业生态学替代方法，以取代目前管理林下植物群落的石油化学密集型做法（如除草、除草剂和耕作）。当前和发展中的 ICL 系统模式采用了多样化、适应性强且可行的管理方法，可在不同规模和作物生产系统中战略性地实施（Bell 等人，2014 年；Garrett 等人，2020 年；Garrett 等人，2017 年；Lemaire 等人，2014 年）。然而，这种重新整合的潜力，以及这种农业生态方法相对于传统做法的比较效益和/或权衡，在很大程度上尚未得到充分探索（Garrett 等人，2017 年），尤其是在高度工业化的农业背景下（即大规模生产的现代集约化农作物和动物养殖方法）。加利福尼亚州的农业景观极其多样化，为科学探索这种重新整合的潜力提供了一个独特的机会。

生态农业耕作模式的一个核心主张是，通过农业生态系统设计中内生的保留和（再）循环过程，提高外部应用资源的利用效率，从而实现内部调节（Altieri等人，2015年；Garcia-Franco等人，2018年；Lipper等人，2014年；Lovell等人，2010年；Snapp，2017年；Wagg等人，2020年）。农业生态系统的这种内部调节--即能量和养分（再）循环的紧密耦合能力（King 和 Hofmockel，2017 年；Prommer 等人，2020 年；Tamburini 等人，2020 年）--取决于许多复杂的能量和养分转化过程的动态运作（Lal，2016 年；Power，2010 年；Snapp，2017 年；Tamburini 等人，2020 年；Xu 等人，2020 年）。土壤在农业生态系统的内部调节中发挥着至关重要的作用--尤其是与土壤碳（能量）和养分的流动以及土壤有机碳（SOC）的最终形成和稳定有关。

放牧将影响与养分利用相关的多个生态系统过程以及调节 SOC 通量和储存的途径（图 1A）（Brewer 和 Gaudin，2020 年；de Faccio Carvalho 等人，2010 年；Jarvis，2009 年；Lemaire 等人，2014 年；Rumpel 等人，2015 年）。具体而言，动物重新融入耕地可通过以下方式直接改变碳和养分流：（1）将地上残留物转化为可溶性、富含养分且易腐烂的粪尿，在此过程中，碳和养分在化学计量上更加分离（Jarvis，2009 年；Jung 和 Allen，1995 年；Rumpel 等，2015 年）；（2）将地上残留物转化为可溶性、富含养分且易腐烂的粪尿，在此过程中，碳和养分在化学计量上更加分离（Jarvis，2009 年；Jung 和 Allen，1995 年；Rumpel 等，2015 年）、2015）；(2) 生物量清除会引发牧草生产率的变化以及地上和地下资源的重新分配（Dawson 等人，2009 年）；(3) 由于动物交通的践踏效应和马蹄作用，残留物会沉积和融入土壤（Acosta-Martínez 等人，2004 年；Greenwood 和 McKenzie，2001 年；Wei 等人，2021 年）（图 1）。它还可能通过以下途径间接改变碳和养分流：（4）植物群落组成的季节间和季节内变化（Chen 等人，2018 年）；（5）土壤结构的变化，这种变化会改变土壤碳和养分的运输和空间分布，并通过聚集体中的闭塞作用使其免受持续降解的物理保护（Erktan 等人，2020 年；Lavallee 等人，2020 年；Six 等人，2000 年）。

研究内容：

2018 年 1 月至 3 月期间，在北加州沿海山麓的三个地点和 2021 年的一个地点对成对葡萄园进行了土壤调查（图 2）。2021 年增加的成对采样点是为了加强和验证 2018 年采样的初步结果。每个取样地点的配对葡萄园由一个 "非综合 "葡萄园（通过割草管理行间植被；CONV）和一个相邻的 "综合 "葡萄园（通过放牧管理行间植被 10 多年；ISV）--一个采样点位于索诺玛县（瓦普和帕特温原住民的故乡），两个采样点位于莱克县（波莫、米沃克湖和帕特温原住民的故乡），一个采样点位于门多西诺县南部（波莫和尤基原住民的故乡）（4 个采样点共 8 个配对葡萄园）（图 2）。2).这种地中海气候被归类为半干旱柯本型 Csc（贝克等人，2018 年）。其特点是冬季温和凉爽，夏季温暖干燥，季节平均年降水量低于区域蒸散（ET）潜力。2017 年和 2020 年各站点的区域年降水量分别为 739 毫米和 368 毫米。2017 年的平均最高气温和最低气温分别为 21.9 ℃ 和 5.7 ℃，2020 年分别为 25.8 ℃ 和 5.3 ℃。这导致年潜在蒸散量（ETo）分别为 1145 毫米（2017 年）和 1406 毫米（2020 年），因此，潜在需水量是地区降水量的 1.5 倍（2017 年）和 3.8 倍（2020 年）。与本研究中所有葡萄园的情况一样，北加州地区绝大多数葡萄园系统都使用微灌，尤其是地表滴灌系统（Tindula 等人，2013 年），以满足温暖、干燥的葡萄生长季节中葡萄的蒸散发需求（Prichard，2000 年）。根据葡萄品种的不同，这一生长期一般从 3 月（萌芽期）开始，一直持续到 8 月至 10 月（收获期）。灌溉没有应用于主要发生 ISV 放牧的行间空间（Niles 等人，2018 年；Ryschawy 等人，2021 年）。林下植被的生长季节仅限于持续降水期，通常在 11 月至次年 4 月之间，在过去 20 年中，91% 的区域降水量都发生在这一时期（https://www.cimis.water.ca.gov/）。这也是该地区葡萄园中绝大多数羊群放牧的时期，包括本研究中使用的 ISV 地点。

最典型的情况是，在这一地区，葡萄园放牧羊群被用作底层植物生长终止方法，与刈割的应用类似，并且最常在葡萄树新芽破土前立即实施（Niles 等人，2018 年；Ryschawy 等人，2021 年）。尽管不太常见，但有时会在林下生长（藤本植物休眠期）和藤本植物生长季节多次放牧绵羊，有策略地进行放牧，以实现额外的管理效益，如疏剪藤本植物叶片和移除吸吮树干（Niles 等人，2018 年；Ryschawy 等人，2021 年）。本研究中所有四个综合葡萄园的放牧策略都具有高密度、短时间轮牧管理的特点（de Faccio Carvalho 等人，2010 年）。这种轮牧策略结合了高密度放牧的小围场，并在整体景观的较大区域之间频繁轮牧。这种策略有利于延长休息时间，增加反刍动物之间的竞争（Teague 等人，2008 年）。研究发现，这会降低单位土地面积的放牧时间，减少放牧选择性和放牧压力的空间异质性（Teague 等人，2008 年；Teague 和 Dowhower，2003 年）。简而言之，通过架设临时电围栏，建立 1 英亩大小的放牧围场，在每个围场内放牧 250 ∼ 只母羊 1-2 天，然后轮换到下一个临时围场。放牧一般在葡萄休眠期进行一次。放牧的时间随降水量和林下植物生长速度的变化而变化，但一般发生在 3 月初至 4 月下旬的某个时间段，即葡萄树萌芽之前，同时也是地区降水量减少的时间段。每次放牧的目的是清除葡萄园中约 80% 的林下生物量，作为葡萄园林下植物群落的季节性 "终结"，这些植物在温暖干燥的葡萄园生长季节中一直处于休眠状态。在休眠期（11 月至次年 4 月），有时会进行两次或多次放牧，此时牧草生产率非常高。在改用绵羊放牧下层植被之前，葡萄园采用割草和除草剂混合管理的方式，通常与放牧同时进行。所有四个割草葡萄园（CONV）和一个放牧葡萄园（ISV；地点 3）的葡萄树下行都使用了合成除草剂（表 1）。地点 1 的 ISV 和 CONV 葡萄园均采用保护性耕作，隔行浅耕（深度小于 10 厘米），隔年进行（表 1）。

研究结论：

对多年生综合循环系统的关注极少，对这些系统中表层土壤和底层土壤的不同动态关注更少。因此，本研究首次深入探讨了与多年生耕地放牧相关的潜在 SOC 储存效益，尤其是在底土中。我们的研究结果提供了早期证据，证明在多年生农田中进行高密度、短时间的轮牧管理具有增加 SOC 储量的巨大潜力。我们认为，微生物碳累积率和效率的提高是解释观察到的 SOC 增加的基本机制。然而，这些结果因土壤深度而异，并受到放牧活动的强度和周期性（季节性和频率）以及特定地点的土壤和气候限制的强烈影响。因此，在不同的农业生态系统和放牧管理制度下，土壤生物地球化学结果可能会有很大差异，它们在时间和空间上的同步性也可能不同。共同管理策略的考虑因素（如林下物种组成和耕作制度）将部分决定土壤生境和资源条件。要优化潜在的土壤效益，可能需要与知识渊博的牧民从业者协调，战略性地应用放牧。常年耕地农业生态系统的设计和管理可以很容易地改变，以促进牲畜在空间和时间上的重新整合，而更好地了解放牧干扰和耕地 SOC 循环之间的机理途径将有助于战略性地改善土壤功能的内部调节，增加 SOC 的长期储存。因此，我们旨在强调在农业应用研究中使用最新的土壤碳概念框架将 SOC 通量和储存指标联系起来的某些益处。然而，土壤碳通量的测量在时间和空间上都极具动态性。未来的研究应侧重于监测试验和在较短时间内采集多个采样点，以更好地了解耕地土壤对放牧干扰事件的具体反应。

期刊信息

期刊：Geoderma

影响因子（2022）：6.1

中科院分区：农林科学一区

转自：“农科学术圈”微信公众号

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