研究发现用于放牧的土地会恶化或助长气候变化

根据一项新的研究，当涉及到全球气候变化时，牲畜放牧既可能是祝福，也可能是诅咒，该研究为如何区分气候变化提供了线索。

研究表明，如果管理得当，放牧实际上可以增加空气中储存在地下并长期封存的碳量。但如果放牧过多，就会导致水土流失，而净效应是造成更多的碳损失，使土地成为净碳源，而不是碳汇。研究发现，后者在当今世界更为普遍。

这项新工作今天发表在《自然气候变化》杂志上，提供了确定两者之间的临界点的方法，用于给定气候区和土壤类型的牧场。它还提供了过去几十年因牲畜放牧而损失的碳总量的估计，以及如果实施放牧优化管理可以从大气中去除多少碳。该研究由麻省理工学院土木与环境工程助理教授塞萨尔·特雷尔（Cesar Terrer）进行;任帅，中国科学院博士生，其论文由Terrer共同指导;和其他四个。

“长期以来，这一直是科学文献中争论不休的问题，”Terrer说。“在一般实验中，放牧会减少土壤碳储量，但令人惊讶的是，有时放牧会增加土壤碳储量，这就是为什么它一直令人费解。

他解释说，“放牧可以通过缓解光照和养分等资源限制来刺激植被生长，从而增加土壤的根系碳输入，碳可以在那里停留数百年或数千年。

但研究小组在仔细分析了来自世界各地不同放牧研究的1,473个土壤碳观测数据后发现，这只能在一定程度上起作用。“当你越过放牧强度的阈值，或者在那里放牧的动物数量时，你就会开始看到一个临界点 – 土壤中碳含量的大幅减少，”Terrer解释说。

人们认为，这种损失主要是由于裸露土地上的土壤侵蚀加剧。Terrer说，随着这种侵蚀，“基本上你会失去很多你已经锁定了几个世纪的碳。

该团队汇编的各种研究，尽管它们有些不同，但基本上使用了类似的方法，即用栅栏围住一部分土地，使牲畜无法进入它，然后在一段时间后从围栏内采集土壤样本，并从附近被放牧的可比地区采集土壤样本，并比较碳化合物的含量。

“除了对照地块和放牧地块的土壤碳数据外，”他说，“我们还收集了一堆其他信息，例如场地的年平均温度、年平均降水量、植物生物量和土壤特性，如pH值和氮含量。然后，当然，我们估计放牧强度 – 消耗的地上生物量，因为事实证明这是关键参数。

通过人工智能模型，作者量化了这些参数中的每一个的重要性，这些强度的驱动因素 – 温度，降水，土壤特性 – 在调节放牧对土壤碳储量影响的符号（正或负）和大小方面。“有趣的是，我们发现土壤碳储量随着放牧强度的增加而增加然后减少，而不是预期的线性响应，”任说。

通过人工智能方法开发并验证了模型，包括将其预测与基于基本物理原理的预测进行比较，然后他们可以应用该模型来估计过去和未来的影响。“在这种情况下，”Terrer说，“我们使用该模型来量化放牧造成的土壤碳储量的历史损失。我们发现，在过去的几十年里，由于放牧，已经损失了46拍克（十亿公吨）的土壤碳，深度为一米。

相比之下，所有化石燃料每年的温室气体排放总量约为10拍克，因此放牧造成的损失相当于世界所有化石燃料排放量的四年多。

他们发现“土壤碳储量总体下降，但变化很大。Terrer说。分析表明，放牧强度与温度等环境条件之间的相互作用可以解释其变异性，放牧强度越高，气候越热，碳损失越大。“这意味着政策制定者应该考虑当地的非生物和生物因素，以有效地管理牧场，”任指出。“通过忽略这种复杂的相互作用，我们发现使用IPCC（政府间气候变化专门委员会）的指导方针将低估全球放牧引起的土壤碳损失三倍。

该团队使用结合当地环境条件的方法，制作了最佳放牧强度和碳开始迅速减少的强度阈值的全球高分辨率地图。这些地图有望成为评估现有放牧做法的重要基准，并为当地农民提供如何有效管理其牧场的指导。

然后，使用该地图，该团队估计了如果所有放牧地都限制在其最佳放牧强度，可以捕获多少碳。目前，作者发现，大约20%的牧场已经越过了阈值，导致严重的碳损失。然而，他们发现，在最佳水平下，全球牧场将封存63拍克的碳。“这太神奇了，”任说。“这个值大致相当于全球天然林再生30年的碳积累量。

当然，这绝非易事。为了达到最佳水平，研究小组发现大约75%的放牧区需要降低放牧强度。总的来说，如果世界严重减少放牧量，“你必须减少人们可以获得的肉类数量，”特雷尔说。

“另一种选择是将牛群从受放牧强度影响更严重的地区转移到受放牧强度影响较小的地区。有人认为，这些轮换是一个机会，可以避免碳储量的急剧下降，而不必减少肉类的供应。

Terrer说，这项研究没有深入研究这些社会和经济影响。“我们的角色只是指出这里的机会是什么。它表明，饮食的转变可以成为缓解气候变化的有力方法。

“这是一项严谨而仔细的分析，为我们提供了迄今为止对全球牲畜放牧导致的土壤碳变化的最佳观察，”太平洋西北国家实验室的陆地生态系统研究科学家Ben Bond-Lamberty说，他没有参与这项工作。“作者的分析为我们提供了对放牧造成的土壤碳损失的独特估计，有趣的是，这一过程可能在何处以及如何逆转。

他补充说：“这项工作的一个有趣的方面是其结果与IPCC目前使用的指导方针之间存在差异 – 影响各国承诺，碳市场定价和政策的指导方针。然而，他说，“正如作者所指出的，相对于持续的人类排放，历史上放牧的土壤可能能够吸收的碳量很小。但每一点都有帮助！

“改善工作用地的管理可以成为应对气候变化的有力工具，”马萨诸塞州法尔茅斯伍德韦尔气候研究中心的碳项目主任乔纳森桑德曼说，他没有参与这项工作。他补充说：“这项工作表明，虽然从历史上看，放牧是导致气候变化的重要因素，但通过优化放牧强度以重建失去的土壤碳，减少牲畜对气候的影响具有巨大潜力。

Terrer表示，目前，“我们已经开始了一项新的研究，以评估饮食变化对碳储量的影响。我认为这是一个价值百万美元的问题：如果饮食转向纯素或素食，与往常相比，你能封存多少碳？答案并不简单，因为转向更多以蔬菜为基础的饮食将需要更多的耕地，这也会产生不同的环境影响。牧场比农作物占用更多的土地，但会产生不同种类的排放物。“对气候变化的总体影响是什么？这是我们感兴趣的问题，“他说。

研究团队包括中国科学院的李娟、曹英发、杨佘山和刘丹。该工作得到了第二次青藏高原科学考察和研究计划，以及中国西藏自治区科技重大专项的支持。