羅益仙

（佛山市德良水保環(huán)境工程有限公司，廣東 佛山 528000）

土壤是一種有限資源，對(duì)糧食生產(chǎn)、碳固存、水凈化和養(yǎng)分循環(huán)、污染物過(guò)濾、生物多樣性增加和氣候調(diào)節(jié)等至關(guān)重要[1]。由于人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和氣候變化，全球土壤正在不斷退化。土壤侵蝕是土壤退化的一種主要形式，全球有超過(guò)10億公頃的土地受到某種形式侵蝕(如水、風(fēng)和溝壑)影響[2]。其中降雨是引起土壤侵蝕的主要?jiǎng)右蛑唬ㄟ^(guò)徑流沖刷和雨滴擊濺對(duì)土壤顆粒進(jìn)行分離和轉(zhuǎn)移[3]。人類活動(dòng)和相關(guān)的土地利用變化(森林砍伐和耕地增加)是2001 年至2012 年間水土流失增加2.5%的主要原因[4]。

《世界土壤資源狀況報(bào)告》[5]指出，土壤侵蝕是對(duì)土壤功能的最大威脅[6]，其威脅糧食安全、水質(zhì)和氣候變化緩解。據(jù)預(yù)測(cè)，由于水土流失，全球GDP 每年損失約80 億美元，糧食減產(chǎn)3 370 萬(wàn)噸，抽水量增加480 億立方米[7]。 政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(IPCC)在其最近的政策報(bào)告中強(qiáng)調(diào)了全球平均氣溫上升對(duì)荒漠化、土地退化(土壤侵蝕、植被流失)和糧食安全的影響[8]。

土地利用方式變化和全球氣候變暖加劇了水土流失[4,9]。隨著城市的發(fā)展和擴(kuò)張，森林、灌木林和草地面積逐漸減少，裸地和荒地面積增加，使得水土流失加劇。另外，隨著氣候變化加劇，全球平均氣溫不斷攀升，極端天氣（干旱和洪澇）變得越來(lái)越頻繁。據(jù)預(yù)測(cè)，2080-2100 年間，全球平均氣溫將上升0.3-4.8℃[10]。氣溫上升將會(huì)導(dǎo)致病蟲(chóng)害爆發(fā)、植被退化、生物多樣性降低，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能退化[11]。

中國(guó)作為世界人口第一大國(guó)，用占世界9%的耕地養(yǎng)活了占世界22%的人口。然而，隨著城市化的發(fā)展，我國(guó)耕地面積逐漸減少，水土流失日益嚴(yán)重[12]。盡管現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道了中國(guó)降雨侵蝕力R 值的計(jì)算和分布，但基于未來(lái)預(yù)測(cè)氣象數(shù)據(jù)模擬的水土流失分布及特征仍不清楚，本研究基于歷史氣象數(shù)據(jù)、未來(lái)模擬氣象數(shù)據(jù)和土地利用方式數(shù)據(jù)分析了由于降雨引起的水土流失量，并對(duì)比了不同模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的水土流失分布特征。

1 材料與方法

本研究采用數(shù)據(jù)來(lái)源于European Soil Data Centre （ESDAC）, esdac.jrc.ec.europa.eu, European Commission, Joint Research Centre 已公開(kāi)發(fā)表的數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）。其中2001～2012 年水土流失數(shù)據(jù)來(lái)源于 Borrelli, Robinson[4]。其具體數(shù)據(jù)及處理方法如下：2001 年和2012 年構(gòu)成了在全球尺度上評(píng)估21 世紀(jì)人類活動(dòng)引起的水土流失的參考期。對(duì)于21 世紀(jì)人類活動(dòng)引起的土壤侵蝕，本研究特指土地利用、土地覆蓋變化引起的影響。模型方案考慮了全球耕地、森林和半自然草地植被的永久損益，同時(shí)反映了放牧和建立新牧場(chǎng)對(duì)水土流失的影響。本模型未考慮土地利用、土地覆蓋變化（即森林、牧場(chǎng)火災(zāi)和木材采伐）及過(guò)度放牧的短期影響，也未考慮氣候變化和人為因素對(duì)氣候的影響。通過(guò)使用一種改進(jìn)的大規(guī)模的地理信息系統(tǒng)（GIS）版本的修正通用土壤流失方程（RUSLE），計(jì)算兩種不同的土地覆蓋類型的長(zhǎng)期土壤侵蝕率。Detachment-limited RUSLE 模型的土壤侵蝕 （指一個(gè)細(xì)溝間和細(xì)溝侵蝕過(guò)程造成的單位面積和單位時(shí)間的土壤流失量Mg ha-1yr-1） 由六個(gè)影響因子相乘得到。與模型的預(yù)測(cè)能力一致，本研究數(shù)據(jù)未考慮由于溝壑和耕作侵蝕等過(guò)程造成的土壤流失。

2015～2070 年土壤侵蝕數(shù)據(jù)來(lái)源于 Borrelli,Robinson[9]。根據(jù)IPCC 采用的新SSP-RCP，全球土壤侵蝕模型平臺(tái)(GloSEM)建立了一個(gè)更全面的模型框架，可以動(dòng)態(tài)整合氣候和土地利用變化情景，預(yù)測(cè)未來(lái)全球土壤侵蝕情況。在此，GloSEM結(jié)合了土地利用協(xié)同(LUH2)預(yù)測(cè)未來(lái)(2070 年)土地利用發(fā)展的多種備選方案。其中250 m 像素的分辨率反映了實(shí)地尺度上的土地覆蓋，捕捉了促進(jìn)或減輕侵蝕過(guò)程的土地利用導(dǎo)致的馬賽克。本研究選取了3 個(gè)代表性的未來(lái)模擬氣象數(shù)據(jù)濃度路徑(IMAGE SSP1-RCP2.6、MESSAGE-GLOBIOM SSP2- RCP4.5 和REMIND-MAGPIE SSP5-RCP8.5)，其數(shù)字（2.6，4.5 和8.5）與2100 年的溫室氣體的輻射強(qiáng)度（W·m-2）增加有關(guān)。使用ArcGIS Map 10.8.1 處理獲取的柵格數(shù)據(jù)。

表 1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2 結(jié)果與討論

2.1 降雨侵蝕力R 值分布

降雨侵蝕力R 值是表征由降雨和徑流引起侵蝕的潛在能力大小的指標(biāo)。1980～2010 年歷史降雨數(shù)據(jù)表明，我國(guó)降雨侵蝕力R 值分布區(qū)間為0-16 039 MJ mm ha-1yr-1（見(jiàn)圖1）。從整體看，降雨侵蝕力R 值隨緯度增加而自東向西遞減。其中海南、廣東、廣西、四川盆地、重慶和臺(tái)灣等地降雨侵蝕力R 值較大（3 775-16 039 MJ mm ha-1yr-1），內(nèi)蒙古、甘肅和新疆降雨侵蝕力R 值較小（0-1 447 MJ mm ha-1yr-1）。降雨侵蝕力R 值的大小與分布不僅受降雨頻次和強(qiáng)度的影響，同時(shí)還與季節(jié)、土壤類型、坡度及植被覆蓋類型等密切相關(guān)。張建國(guó)等[13]研究表明，重慶市降雨侵蝕力R 值的分布在不同區(qū)域差異明顯,且月R 值的年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化顯著；年R 值在年際變化上具有兩端低中間高，在空間分布上有東高西低的特點(diǎn)。Ochoa-Cueva,Fries[14]研究及模型預(yù)測(cè)表明，在天然森林植被覆蓋條件下，土壤侵蝕速率是可忽略的 (15～40 mg ha-1y-1) 。然而，當(dāng)整個(gè)流域在2040 年經(jīng)歷了大量的森林砍伐后，土壤侵蝕達(dá)到2 021 Mg ha-1y-1。降雨侵蝕力R 值隨緯度增加遞減，主要受降雨頻次和降雨強(qiáng)度影響。例如，降雨侵蝕力R 值較大值主要分布在華南地區(qū)：海南、廣東、廣西、四川盆地、重慶和臺(tái)灣等地表現(xiàn)為降雨量較大，年平均降雨量約1 700 mm。隨著緯度增加，降雨量逐漸減少，降雨侵蝕力R 值也隨之降低。華南地區(qū)降雨侵蝕力R 值較我國(guó)其他地區(qū)大主要與降雨頻次和強(qiáng)度有關(guān)。

圖1 華南地區(qū)降雨侵蝕力R 值分布

2.2 2001～2012 年土壤侵蝕及其分布特征

2001～2012 年我國(guó)土壤侵蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)樗拇ㄅ璧兀渫寥狼治g范圍為：4-277 Mg ha-1yr-1。期間，除華南地區(qū)，我國(guó)大部分地區(qū)土壤侵蝕保持不變或有所改善（見(jiàn)圖2），其中四川盆地和重慶市土壤侵蝕改善較大（最大減少183 Mg ha-1yr-1），但福建、廣東和廣西土壤侵蝕增加2-28 Mg ha-1yr-1。該現(xiàn)象的產(chǎn)生可能主要源于土地利用方式的改變。土地利用可以通過(guò)改變植被覆蓋、土壤性質(zhì)、徑流速率等影響土壤侵蝕[15]。

圖2 2001～2012 華南地區(qū)土壤侵蝕

2.3 2015～2070 土壤侵蝕及其分布特征

2015 年我國(guó)土壤侵蝕主要發(fā)生在新疆、四川盆地、重慶和廣西等地，其中較為嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)樾陆貐^(qū)，土壤侵蝕量達(dá)60-150 Mg ha-1yr-1。四川盆地、重慶和廣西的土壤侵蝕量為21-60 Mg ha-1yr-1（見(jiàn)圖3）。

模擬未來(lái)氣候情景數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：不同模擬情景下，我國(guó)土壤侵蝕呈加劇趨勢(shì)（見(jiàn)圖3）。SSP1-RCP2.6 和SSP1-RCP4.5 模擬情景下，其土壤侵蝕模式與2015 年相似，主要表現(xiàn)為：土壤侵蝕較為嚴(yán)重區(qū)域?yàn)樾陆?、四川盆地、重慶和廣西，土壤侵蝕范圍為21-150 Mg ha-1yr-1。在SSP1-RCP2.6 情景下，2015-2070 年土壤侵蝕凈增量為-67-63 Mg ha-1yr-1。其中負(fù)凈增量主要發(fā)生在廣東、新疆、青海、西藏和廣西；正凈增量發(fā)生在新疆部分地區(qū)，四川、重慶和湖北交界區(qū)，貴州、云南和廣西交界區(qū)及福建部分區(qū)域。在SSP1-RCP4.5情景下，我國(guó)中部、東部和南部地區(qū)土壤侵蝕加劇（增加4-133 Mg ha-1yr-1），西部地區(qū)土壤侵蝕有所緩解（減少6-95 Mg ha-1yr-1）。華南地區(qū)土壤侵蝕對(duì)未來(lái)不同模擬情景氣候的相應(yīng)結(jié)果如圖4 所示，SSPRCP8.5 和SSP-RCP82.6 模擬情景下，華南地區(qū)土壤侵蝕呈負(fù)增長(zhǎng)，即土壤侵蝕得到改善，土壤侵蝕將減少1-20 Mg ha-1yr-1。然而在SSP-RCP4.5 模擬情景條件下，華南地區(qū)土壤侵蝕將進(jìn)一步加劇，土壤侵蝕量將增加-6 至133 Mg ha-1yr-1。該現(xiàn)象的發(fā)生主要因?yàn)榻涤晔芪磥?lái)氣候變化過(guò)程中溫室氣體的影響，即SSP-RCP8.5 情景下部分干旱地區(qū)將變得更加干旱，降雨頻次高的地區(qū)降雨將進(jìn)一步增加。

SSP1-RCP8.5 模擬情景下，我國(guó)土壤侵蝕表現(xiàn)趨勢(shì)與SSP1-RCP2.6 和SSP1-RCP4.5 表現(xiàn)趨勢(shì)相反，即隨著氣候變化，我國(guó)西部地區(qū)土壤侵蝕加?。ㄔ黾?-116 Mg ha-1yr-1），其他地區(qū)土壤侵蝕有所緩解（減少2-60 Mg ha-1yr-1）（見(jiàn)圖3）。在此情景下，2015～2070 年土壤侵蝕凈增量為-60-116 Mg ha-1yr-1。其中負(fù)凈增量主要在四川盆地及重慶、甘肅、陜西、山西、貴州、云南和華南地區(qū)；正凈增量主要在西藏、青海和新疆地區(qū)（見(jiàn)圖4）。

圖4 2015～2070 年中國(guó)土壤侵蝕變化

未來(lái)情景分析表明，到2070 年，土地利用變化的影響可能降低（SSP1-RCP2.6） 或 增 加（SSP2-RCP4.5、SSP5-RCP8.5）土壤侵蝕。 不同的趨勢(shì)是三個(gè)模擬情景下所描述的不同的人類發(fā)展和社會(huì)選擇的結(jié)果。IMAGE SSP1-RCP2.6 情景表明，到2070 年，主要農(nóng)業(yè)用地可能會(huì)縮減。該情景顯示了一個(gè)路徑，目標(biāo)是到2100 年將全球平均氣溫升幅限制在2° C 以內(nèi)。在GloSEM 中模擬這一土地利用情景可使水土流失減少10%[9]。減少全球土壤侵蝕模擬（4.5～Pg yr-1）是全球重組的結(jié)果。根據(jù)圖像SSP1-RCP2.6，未來(lái)的土地將傾向于整體減少農(nóng)業(yè)種植面積，增加森林和半自然植被區(qū)域面積。多情景比較表明，盡管未來(lái)土地利用變化可通過(guò)擴(kuò)大或縮小耕地顯著影響全球土壤侵蝕過(guò)程，但全球氣候可能朝著更活躍的水循環(huán)方向發(fā)展，這將成為未來(lái)土壤侵蝕增加的主要驅(qū)動(dòng)因素[9]。

土壤侵蝕的發(fā)生主要受風(fēng)力、降雨侵蝕，森林砍伐、放牧、農(nóng)業(yè)耕作和氣候變化等影響。其中長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)開(kāi)荒耕作是水土流失加劇的主要原因之一[15]。因此，為緩解土壤侵蝕，亟需采取行之有效的保護(hù)措施?？梢岳每沙掷m(xù)的土地管理技術(shù)和適當(dāng)?shù)恼擢?jiǎng)勵(lì)來(lái)減輕土壤侵蝕。開(kāi)展和實(shí)施保護(hù)性農(nóng)業(yè)是一項(xiàng)潛在的緩解土壤侵蝕的有效措施[16]。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織定義，保護(hù)性農(nóng)業(yè)是一種耕作系統(tǒng)，它能將對(duì)土壤的干擾降至最低(即免耕)，保持永久的土壤覆蓋，并使植物種類多樣化。保護(hù)性農(nóng)業(yè)能增強(qiáng)生物多樣性和地表上下的自然生物過(guò)程，有助于提高水和養(yǎng)分的利用效率，改善并進(jìn)行持續(xù)的作物生產(chǎn)。據(jù)推算，全球保護(hù)性農(nóng)業(yè)的耕地面積約占11%～14%，約為14.2 億公頃。據(jù)估算，與沒(méi)有任何土壤保持措施的基線情景相比，在保持措施下，全球土壤侵蝕總體可減少約7.1%[4]。然而，人口增長(zhǎng)（預(yù)計(jì)2070 年將達(dá)到94 億的峰值）、肉類密集型飲食趨勢(shì)及全球氣候趨向于更加活躍的水循環(huán)等問(wèn)題都將影響保護(hù)性農(nóng)業(yè)的政策制定和方案實(shí)施[9]。隨著全球不斷變暖，極端降雨和惡劣天氣將更加頻繁，部分地區(qū)土壤侵蝕將進(jìn)一步加劇。因此，為緩解土壤侵蝕，需采取有效的碳中和手段，減少二氧化碳等溫室氣體排放，并采取如植樹(shù)造林等有效的碳固定方案，以減少大氣中的二氧化碳濃度。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)降雨侵蝕力R 值分布由南向北逐漸減小，華南地區(qū)降雨侵蝕力較其他地區(qū)大。2001～2012 年，土壤侵蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)樗拇ā①F州、山東和西藏，水土流失范圍0-277 Mg ha-1yr-1。華南地區(qū)（如福建、廣東和廣西）水土流失加劇，凈增量為2-28 Mg ha-1yr-1。2015～2070 年觀測(cè)及模擬數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：隨著氣候及土地利用方式的變化，未來(lái)我國(guó)水土流失將主要發(fā)生在山西、陜西、四川、貴州、云南、廣西等省區(qū)及西藏與新疆交界處，其中最嚴(yán)重區(qū)域?yàn)槲鞑嘏c新疆交界處 （121-150 Mg ha-1yr-1）。不同未來(lái)氣候模擬情景分析表明，未來(lái)氣候變化將顯著影響土壤侵蝕，其中SSP1-RCP8.情景下華南地區(qū)土壤侵蝕將進(jìn)一步加劇。因此，為了應(yīng)對(duì)未來(lái)氣候變化，緩解土壤侵蝕，我國(guó)亟須制定和實(shí)施切實(shí)有效的水土保持和碳中和方案。