导 读
土壤侵蚀是由自然扰动或人类活动引起的土地退化过程，影响生态可持续性、农业发展以及全球碳循环。土壤侵蚀受到诸多复杂因素影响，包括自然因素（如降雨、温度、地形）和人为因素（如森林砍伐、耕作和放牧）。多数研究认为气候和环境因素（如降雨、植被覆盖和坡度）是控制侵蚀的主要因素。地球系统模型预测，未来全球变暖和水文循环将加剧，从而改变世界各地降水的频率和强度。因此，一些地区将经历更多的极端降雨事件，这将威胁陆地生态系统的生物多样性和稳定性，并加速侵蚀。在过去的一个世纪里，人类活动极大地改变了土地的利用，对土壤的扰动也大幅增加。尽管土地利用对土壤侵蚀的影响备受关注，但关于土地利用和气候对土壤侵蚀的影响程度仍存在争议。
来自中国科学院土壤研究所和中国科学院南京地理与湖泊研究所的Yamin Chen、Xiaodong Song、Feng Liu、Yue Dong、Chu Zhang、Mingliang Ye和Ganlin Zhang等学者，采用137Cs方法对已发表研究中的1380个测量值进行荟萃分析（Meta analysis），以研究中国陆地生态系统中土壤侵蚀对土地利用和气候因素的响应。结果表明，土地利用对土壤侵蚀速率有显著影响，其中天然林和竹林的侵蚀速率最低，农田的侵蚀速率最高。从森林和草地到农田的土地利用变化显著增加了土壤侵蚀。在不同土地利用类型中，侵蚀速率对气候变量的响应显著但不同。侵蚀速率与年平均气温和降水量的相关关系在森林生态系统中呈负相关，在农田生态系统中呈正相关，在草地生态系统中不显著。方差分解分析表明，在大的地理尺度上，土地利用类型比环境变量（如气候）更能解释侵蚀速率的变化。这项研究强调了土地利用在影响侵蚀速率中的重要性，将这些证据纳入全球侵蚀模型可以改善长期土壤动力学的模拟。研究成果以“Effect of Land Use on Water Erosion Override Impacts Associated with Climate”为题，在Science合作刊物Ecosystem Health and Sustainability（2023，9：Article 0070）发表。
研究背景
研究范围涵盖北纬24.73—48.93°、东经86.20—127.55°，海拔高度为15—4800m，研究区域平均气温-7.4—22.8℃，年平均降雨量28.2—2370mm，主要土地利用类型包括农田、森林、草地、荒地和裸地。采用137Cs方法测量土壤再分布率（正值为侵蚀率、负值为沉积率）。以“中国/东南亚+侵蚀/沉积/土壤再分布/土壤分布+137Cs”为关键词，检索获得1987—2019年间发表的87篇文章和16篇学位论文，汇编数据集共1380个观测值。其中，森林、草地、农田和其他土地利用类型观测值分别为386、228、598和45个。该研究通过R软件中“nlme、lsmeans”软件包分析土地利用类型对土壤侵蚀的影响；采用Hedge等人的荟萃分析方法评估侵蚀率对土地利用类型的响应；方差分解分析土地利用类型和环境因素对土壤侵蚀变化的影响（图1）。
图1 研究区域与整体实验设计
主要结论
1、土地利用类型对土壤侵蚀的影响
分析表明，80%以上的采样点处于侵蚀状态，平均侵蚀率超过3000t·km-2·y-1（图2A）。“绿色粮食计划”减少了黄土高原地区的土壤侵蚀。土壤侵蚀速率因土地利用类型而异（图3和图4）。
图2 不同土地利用类型的土壤侵蚀速率（再分布负值）（A）、沉积速率（再分布正值）（B）以及土壤再分布值（C）
图3 不同土地利用类型下不同土地利用的土壤侵蚀速率（再分布负值）（A、D和G）、沉积速率（再分布正值）（B、E和H）以及土壤再分布值（C、F和I）
图4 非耕地与耕地的土壤侵蚀平均差异
荟萃分析发现，农业用地显著增加了土壤侵蚀（P<0.05，图4）。首先，与自然生态系统相比，农田受到人为干扰更强，许多活动都会破坏土壤结构，加剧土壤侵蚀。其次，农田的地上生物量和植物叶片覆盖率通常低于其他土地利用类型（森林和草地），导致缺乏有效的屏障来缓冲雨滴对土壤表面的侵蚀。农田的根系生物量也低于其他土地利用类型，由于缺乏根系固定，土壤抗侵蚀能力降低。第三，农田土壤有机碳含量普遍较低，导致有机质固结不足，土壤物理结构稳定性差，易受水侵蚀影响。
2、土地利用和气候对土壤侵蚀的综合影响
天然林土壤侵蚀速率较低，50%以上的天然林处于土壤沉积状态（图2）。这可能是由于天然林地上生物量高且根系庞大，有利于水土保持。相比之下，人工林和灌木林的土壤侵蚀速率明显高于天然林（图2）。除了地上和地下生物量影响外，人为的强烈干扰也是人工林土壤侵蚀严重的重要原因。竹林与天然林的土壤侵蚀速率没有明显差异。尽管竹林属于禾本科植物，但其根部生物量很高。对于草地而言，降雨引起的侵蚀程度取决于植被覆盖率。植物密度低的灌丛草原、典型放牧草原和荒漠草原的侵蚀速率高于森林草原和高山草原（P < 0.05，图3）。不同类型森林和草地之间的侵蚀速率差异显著，最高可达3倍或4倍（图3）。不同类型农田之间的侵蚀速率则没有显著差异（图3和图4）。
3、土地利用和环境因素对侵蚀速率变化的相对影响及启示
荟萃分析表明（图5），中国季风区土地利用类型对土壤侵蚀的影响（16%）大于气候和环境因素的影响（4%）。这与传统经验模型的假设相反，传统模型中，气候和环境因素通常被认为是决定土壤侵蚀速率的最重要因素。这种矛盾可能是缺乏大尺度研究的结果，因为传统经验模型通常基于流域或点位尺度。结果表明，气候和环境因素对土壤侵蚀的影响在大尺度范围具有显著的相关性，而且这些关系随土地利用类型的不同而变化（图6）。例如，在森林生态系统中，年平均气温和降水量与土壤侵蚀之间呈负相关，但在农田生态系统中则呈正相关（图6）。因此，在大范围内，环境因素对水土流失变化的影响较小。
图5 土地利用类型和环境因素对土壤侵蚀速率变化的影响
图6 不同生态系统土壤侵蚀与气候和环境因素的关系
土地利用类型和环境因素对侵蚀的影响因生物群落而异（图5）。环境因素对森林生物群落的侵蚀速率影响高于土地利用类型的影响，可能由于森林生态系统中的人为干扰较少，因此气候和环境因素在侵蚀中起着主导作用。
研究展望
土壤侵蚀威胁着生态系统健康和农业可持续性。在中国的生态系统中，从大的地理尺度来看，土地利用对土壤侵蚀的推动作用大于气候因素。土地利用类型对土壤侵蚀有显著影响。同时，不同土地利用类型的侵蚀速率对气候因素的响应显著不同。该研究可能是最早量化大尺度土地利用类型和环境因素对土壤侵蚀影响的研究之一，为了解中国季风区生态系统对土壤侵蚀的生物地理控制提供了新视角。研究结果可以为改进农业管理、实验设计和全球侵蚀模型提供参考。尤其是全球侵蚀模型应纳入土地利用类型的影响，以改进对长期土壤动态的模拟。
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https://spj.science.org/doi/10.34133/ehs.0070
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