放牧作为全球农业用地中占比最高的土地利用方式，其涉及的土地约占全球农业用地总面积的77%。大量研究表明，放牧活动对于土壤碳循环过程有着不容忽视的影响，适度放牧能够促进土壤碳积累，但过度放牧会造成土地退化，导致严重的土壤碳损失。《联合国防治荒漠化公约》将过度放牧列为导致旱区土地退化的主要驱动因素之一。据估计全球约有2.6亿公顷的土地因过度放牧而发生了不同程度的退化。然而，放牧活动对全球土壤碳储量的影响尚未得到可靠评估，放牧优化管理在减缓气候变化方面的潜力仍不清楚。
为此，实验室高寒生态变化与生态安全研究方向构建了覆盖37个国家和地区，包含1473对放牧-未放牧样地土壤碳储量数据的全球放牧实验土壤碳数据库（图1），并据此评估了放牧对全球土壤碳储量的影响。结果显示，全球放牧导致土壤碳库的变化表现出较大的异质性（图2a-b）。土壤碳损失严重的地区集中在放牧强度较高的亚洲南部、非洲中部、北美东部等地区；其他放牧压力较小的地区土壤碳损失也相对较少；甚至在西伯利亚南部等地区，轻度放牧提高了土壤碳储量。除了放牧强度这一主导因素以外，放牧对土壤碳库的影响受到气候调控：同等放牧强度下，相较于高纬度寒冷地区，热带干旱地区的放牧活动对土壤碳的影响更显著。政府间气候变化专门委员会第六次评估报告（ IPCC AR6）中采用全球恒定的碳库变化因子来评估放牧对土壤碳库的影响，由于忽略了放牧对土壤碳影响的空间异质性，该方法低估了全球放牧导致的土壤碳损失，其估计结果不足数据驱动评估结果的三分之一（图2c）。
图1 全球放牧实验的空间分布
通过综合考虑气候、植被和土壤等因素，作者绘制了全球最优放牧强度和放牧强度阈值空间分布图。最优放牧强度表示碳储量达到最大值的放牧强度，放牧阈值表示当放牧强度超过这一阈值，土壤碳储量开始急剧下降。研究表明，目前全球约有20%的区域放牧强度已超过其放牧阈值，导致生态系统退化并造成土壤碳损失。若在全球实施放牧优化管理，在最优情景下，放牧地的理论最大累计固碳潜力约为630亿吨碳（图3）。
本研究评估了全球优化放牧管理的固碳潜力，修正了IPCC报告关于放牧固碳潜力的评估结果。研究表明优化放牧管理具有较大的气候减缓潜力，为相关政策制定提供了科学支撑。
图2 基于全球放牧实验土壤碳数据库和深度学习预测的不同生态区放牧对土壤碳库的影响
a, 不同土层碳库的相对变化量。b, 不同土层碳库的绝对变化量。c, 本研究结果与IPCC基于固定碳库变化因子估计结果比较。
图3 最优放牧强度情景下全球放牧地的固碳潜力
a-b,全球最优放牧强度的空间分布。c-d，最优情景下放牧地的固碳潜力大小。e, 当前放牧强度与最优放牧强度之间的差异。f，全球需要增加或降低放牧强度以达到最优放牧强度的放牧地面积。
上述研究成果以“Historical impacts of grazing on carbon stocks and climate mitigation opportunities”为题，发表于国际权威期刊《自然-气候变化》（Nature Climate Change）。高寒生态变化与生态安全研究方向博士生任帅为论文第一作者和共同通讯作者，美国麻省理工学院César Terrer副教授和高寒生态变化与生态安全研究方向刘丹副研究员为共同通讯作者。本研究获得第二次青藏高原综合科学考察等资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41558-024-01957-9
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