在全球气候变化、人口增长和生物多样性丧失的背景下，土地管理者面临着前所未有的挑战：他们需要在生产更多食物的同时，保护生物多样性、增强碳固存、维持经济可行性并减少温室气体排放。然而，实现这些目标的农业实践往往难以兼顾，甚至存在相互冲突的风险。澳大利亚的农业生产者尤其感受到来自市场、立法和消费者偏好的压力，迫切需要采用既能可持续减少温室气体排放，又能保持盈利能力的创新方法。
为了应对这一复杂挑战，由Ganesh Bhattarai、Karen M. Christie-Whitehead和Matthew Tom Harrison等研究人员组成的团队在《Nature Communications》上发表了一项开创性研究。他们采用跨学科参与式方法，与澳大利亚南部多个羊场合作，共同设计了旨在减少温室气体排放同时改善生物多样性、生产力和盈利能力的干预措施。
研究人员发现，种植本地树木具有最大的减排潜力，可使净温室气体排放减少高达120%。其次是使用反甲烷饲料补充剂，如红藻（Asparagopsis taxiformis）和3-硝基氧丙醇（3-NOP），可减少19-32%的排放。然而，碳固存在植被和土壤中会随时间推移而减少，而通过避免甲烷产生的排放减少则是持续和永久的。
值得注意的是，很少有干预措施能够同时减少净温室气体排放并提高盈利能力和生物多样性。抗甲烷牧草物种成为最有前景的选择之一，在提供适度减排的同时带来经济收益。研究还表明，干预措施的效果高度依赖于基线条件，且组合多种干预措施比单一实践更能放大效益或减轻负面影响。
为开展这项研究，研究人员主要运用了几个关键技术方法：使用GrassGo版本3.4.3进行牧场和牲畜生产率的生物物理建模，模拟每日牧场生长、土壤水分平衡和牲畜生长动态；采用绵羊和牛肉温室气体核算框架（SB-GAF）量化范围1、2和3的温室气体排放；通过FLINTpro模拟空间明确的林地碳储量；应用景观选项和机会计算器（LOOC-B）评估生物多样性；研究还涉及七个真实农场案例（来自西澳大利亚州、南澳大利亚州、塔斯马尼亚州、维多利亚州和新南威尔士州）的参与式共同设计过程。
基线生产和温室气体排放
研究涵盖了七个具有不同气候、土壤和生产系统的农场。农场S7（南澳大利亚州）的蛋白质销售量最高（153公斤/公顷），而农场S5（西澳大利亚州）最低（12公斤/公顷）。排放强度在不同农场间相对稳定（36-56公斤CO2 当量/公斤蛋白质）。农场S4（新南威尔士州）实现了最高的单位蛋白质毛利和最低的排放强度。
基线二氧化碳减少和清除
总排放量与每个农场的蛋白质产量密切相关。净农场排放还受到农场植被程度的影响。历史碳固存变化范围从S1（塔斯马尼亚州）的-950吨CO2 当量/年到C3（维多利亚州）的+71吨CO2 当量/年。
基线毛利
除S4外，所有农场的平均毛利都遵循降雨梯度，年降雨量较高的地区生产和单位面积毛利也较高。农场S4生产最细的羊毛（最低微米），导致每单位销售重量收入最高。
干预措施引起的温室气体排放、生产、生物多样性和利润之间的协同效益和权衡
在所有干预措施中，没有单一实践能够同时减少温室气体排放并提高利润、生产和生物多样性。普遍应用的干预措施使温室气体排放减少<−1%至−120%，而农场特定情景引起净温室气体排放−16%至+19%的变化。普遍干预措施对毛利影响最小，而农场特定干预措施通常增加毛利。
种植本地树木增加了碳固存并提供生物多样性栖息地，尽管效益因区域而异。温室气体减少最小的是S7（15%），最大的是S5（120%），反映了基线净排放、放牧面积和饲养密度的差异。
即使考虑生物多样性和温室气体减少带来的利润，植树成本也很高，在低碳和牲畜价格下，毛利减少9-32%。但在高碳价格下，五个农场实现了更高的毛利。
反甲烷饲料补充剂导致温室气体排放大幅减少。当使用红藻作为反甲烷饲料添加剂时，农场S2实现最低减少（19%），而S4实现最高减少（32%）。红藻的高成本在低碳和牲畜价格下使毛利减少63-115%。
用抗甲烷物种改造牧场产生适度的净温室气体减少和 modest 的利润增长。净农场排放减少14-25%，在低碳和牲畜价格下毛利增加2-5%，在高价格下增加5-9%。
将幼畜活重增加50%在大多数情况下是有害的。例如，S4的羊毛产量因幼羊在剪毛前提前出售而下降28%。净农场温室气体减排通常<9%，而毛利下降1-36%。
一半的农场特定、需求驱动的情景增加了净排放（高达20%）。七个情景将生产力提高5-14%，而十五个情景未减少生产。十四个情景增加毛利（高达38%），而九个减少毛利（1-27%损失）。
将母羊繁殖力降低以产生更多单胎羔羊而非双胎或三胎，结合降低羊毛微米，是最有前景的需求驱动干预措施之一。在S4，较少羔羊使净农场温室气体减少2%，蛋白质生产减少4%，而毛利增加30-38%，主要由于更细羊毛的更高收入。
围栏隔离100公顷河岸区并在原生植被附近创建额外牧场，结合增加断奶率或饲养密度，是对S1最有效的干预措施。除最初的100公顷减少外，堆叠此干预措施的情景减少排放14-16%，增加蛋白质生产4-7%，改善毛利9-12%。
在S3和S7进行30天轮作的高饲养密度细胞放牧使净温室气体增加12%和19%，导致S3毛利小幅减少，而S7实现名义毛利增益。
在S6用有机堆肥替代无机肥料对减排、生产和毛利产生负面影响。
增加生产的干预措施更可能降低排放强度
当干预后生产增加时，排放强度通常降低，反之亦然，植树除外。在S2购买4.5岁母羊并在9月淘汰使生产和温室气体排放以相似比例增加，导致排放强度变化可忽略。在S7，长轮作细胞放牧由于蛋白质生产下降12%而使排放强度增加8%。与净温室气体相比，植树导致排放强度偏差较小。
种植本地树种后生物多样性改善
植树改善了S4、S5和S7的有效栖息地，而在S3和S6受威胁物种栖息地增益最大。农场S4的有效栖息地相对变化最大（37%），从16公顷种植中获得5.9公顷，尽管高质量栖息地影响最小。高质量栖息地增益在S1和S2最大。
受威胁物种栖息地在植树后30年内增加43-353%。物种持久性的最高相对增益发生在S7（9%），而其他农场的受威胁物种栖息地变化极小（0-3%）。
讨论与结论
本研究的关键结论是，当针对根本缺陷时，可能实现温室气体减排、利润、生物多样性和生产力的最大增益。那些缺陷可能是环境性、经济性或管理相关的。我们的研究表明，单一干预措施可通用应用并产生广泛效益的概念是站不住脚的。
研究强调了使用广泛跨学科指标评估任何农业系统干预措施效益的重要性，因为一个领域的改进可能被另一个领域的意外损失所抵消。分析还表明，由于形成企业绩效的特殊生态、经济和管理条件，干预措施最适当地针对每个农场自身的历史轨迹进行评估，而非跨农场比较。
植树在10%的放牧土地上减少净温室气体排放高达120%，改善受威胁物种栖息地高达300%。但即使考虑生物多样性和温室气体减少带来的利润，植树在低碳和生物多样性价格下因围栏、维护和生产损失而成本高昂。然而，与饲料添加剂相比，树木建立和使用抗甲烷豆科植物的排放减少通常成本更低。
引入抗甲烷豆科植物在减少温室气体排放的同时提高盈利能力，使其成为评估中最有利的干预措施之一。与饲料添加剂相比，豆科植物作为常规放牧的一部分被消耗，虽然单位质量的抗甲烷效力通常较低，但通过牧草摄入消耗的较大量可产生 substantial 排放减少。
反甲烷饲料添加剂（红藻和3-NOP）的采用主要障碍是其成本。建模表明，即使考虑碳价格的潜在未来上涨，采用红藻或3-NOP可使毛利减少至少45%。现场效能可能低于通常报道的。
干预措施可以放大效益或减轻负面影响，如果它们针对根本系统约束。单个干预措施通常产生协同效益和权衡；组合多种干预措施可以放大效益或减轻负面影响，如果它们针对根本系统约束。
农民在本研究中相对较低优先考虑增加生产，突出了以生计安全和可持续性为中心的生产者动机与粮食安全、温室气体减排和生物多样性保护的社会目标之间的紧张关系。因此，在农场上实现 substantial 碳储存或生物多样性增益可能需要这些生态系统服务的市场价格与常规农业食品商品相当或超过。
最终，研究表明最大效益出现在干预措施针对情境化经济、环境、心理和制度约束时，而堆叠互补创新比孤立实践变化产生更有利结果，特别是当干预措施针对表现不佳的指标时。这些发现为政策制定者、农民和研究人员设计更可持续和富有韧性的农业系统提供了重要见解。
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