期刊： PNAS
题目： 土地利用和气候变化对全球水土流失的影响（2015-2070）
作者： Pasquale Borrelli, David A. Robinson, Panos Panagos, Emanuele Lugato, Jae E. Yang, Christine Alewell, David Wuepper, Luca Montanarella, Cristiano Ballabio
摘 要 ：
土壤侵蚀是威胁土地、淡水和海洋的主要全球土壤退化问题。除沟蚀和河岸侵蚀之外的水力侵蚀和风蚀是土壤侵蚀的主要驱动因素。对于参与土地使用决策的决策者和寻求减少全球预测不确定性的地球系统建模者来说，提高对人类活动加速未来土壤侵蚀速率的了解非常重要。在这里，我们通过使用三种可供选择的共享社会经济路径（2.6、4.5和8.5）和代表性浓度路径（SSP-RCP）情景模拟潜在的全球土壤侵蚀变化来预测未来的侵蚀率。全球预测依靠高空间分辨率修订通用土壤流失方程（RUSLE）为基础的半经验建模方法（GloSEM）。基线模型（2015年）预测全球潜在的土壤侵蚀速率为Pg yr?1，目前的保护性农业（CA）措施可减少约5%。我们预测未来的情景表明，到2070年，影响土地利用的社会经济发展将减少（SSP1-RCP 2.6-10%）或增加（SSP2-RCP 4.5 +2%，SSP5-RCP 8.5 +10%）水力侵蚀。气候对所有全球动态情景的预测都显示出一种趋势，即朝着更加活跃的水文循环发展，这可能会增加全球水力侵蚀（+30至+66%）。我们使用全球一致的方法进行研究，在一定程度上，我们的发现阐述了关于未来社会经济发展将如何影响水土流失的见解。这一初步证据旨在为联合国等评估全球土壤侵蚀的工作提供信息，并为决策者制定国家土壤保护战略提供信息。
研究背景：
当代社会生活在一个耕作的星球上，农业覆盖了约38%的陆地表面。人类强烈依赖土壤的能力来维持农业生产和牲畜养殖，这占全球粮食生产的95%以上。同时，基本的农业系统是土壤和环境退化的主要驱动因素，也是主要生物源温室气体排放的重要来源。联合国最新的全球土壤资源状况报告强调“······世界上大部分土壤资源仅处于一般、贫瘠或非常贫瘠的状况”，并强调土壤侵蚀仍然是世界范围内的一个主要环境和农业威胁。耕作、不恰当的农业措施、森林砍伐和过度放牧，是人为引起土壤侵蚀的主要原因。这会触发生态系统内的一系列连锁效应，例如养分流失、碳储存减少、生物多样性以及土壤和生态系统稳定性下降。预测气候和土地利用变化对土壤影响的建模工作正在发展，但在全球范围内受到限制。这项工作的目的是提高我们在考虑到这些驱动因素情况下预测侵蚀的能力。尽管我们目前将范围限制在水力侵蚀，不包括风力侵蚀、沟蚀和河岸侵蚀，但它为政策制定者提供了一个有价值的资源，可以根据他们的决策需求定制规模。
政策制定者强调需要一种基于证据的方法。这项建模工作是通过联合国协调的更广泛工作计划的一部分，旨在为国家决策者提供依据。土壤侵蚀与国内生产总值（GDP）密切相关，较贫穷的国家往往受到的影响最大。因此，这项工作旨在提供全球一致的评估，以帮助制定政策目标。它将通知各国，特别是那些往往最不能识别风险的国家，集中资源以最有效率和有成效地减缓侵蚀造成的退化。此外，联合国批准了世界保护方法和技术概览（WOCAT）数据库，其中包含关于可持续土地管理（SLM）实践的免费信息。通过将模型产出与WOCAT SLMS相结合，这两种资源为决策者提供了一套强大的国家尺度工具，以确定适当尺度的水蚀热点，并通过干预当地规划缓解这些热点。虽然过去的研究从土地利用和气候变化的角度对全球水土壤侵蚀未来可能的趋势提供了见解，但它们没有提供指导政策干预的解决办法。我们研究的独特之处在于尝试使用根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）通过的新的SSP-RCP开发的一套最新的土地利用和气候协调情景集，预测全球一级土壤侵蚀的未来变化。本文综合了联合国为应对这一重要的社会经济和环境挑战所做的合作努力；为即将到来的联合国生态系统恢复十年（2021年至2030年）提供依据。我们希望这一贡献与其他贡献一起，将为全球决策者提供信息并赋予他们应对土壤威胁的能力，并制定协调一致的全球和国家土壤监测、保护和恢复战略。
研究结果：
（1）全球水土流失格局
图1 通过GloSEM预测的土壤侵蚀估算
注： （A）显示了欧洲土壤局将土壤侵蚀率分为七类。（B-D）说明了2015年至2070年间三个不同RCP温室气体轨迹的年平均土壤侵蚀变化，这些变化仅指土地利用变化的影响。对于这些模拟，使用了2015年的气候。
（2）未来土地利用和气候预测的综合影响
图2 2015-2070年土壤侵蚀变化
注： 两个观测周期之间的三角洲[（RCP）温室气体轨迹SSP1-RCP2.6和SSP5RCP8.5]取决于土地利用和土地覆盖变化以及气候变化的影响。
图3 降雨侵蚀力估算
注： （A）根据Panagos等人提出的探地雷达绘制了30弧秒（赤道处大约1公里）的全球侵蚀力图。（B-D）说明了2015年与2070 SSP1-RCP2.6（B）、2070 SSP2-RCP4.5和2070 SSP1-RCP2.6（C）、2070 SSP5-RCP8.5和2070 SSP2-RCP4.5（D）之间的年降雨侵蚀力变化。对于2070年的降雨侵蚀力情景，考虑了WorldClim数据库1.4版的14个GCM的平均值。
图4 预计的土地利用和气候变化流程图
注： （A-C）显示了SSP1-RCP2.6（A)、SSP2-RCP4.5（B）和SSP5-RCP8.5（C）的地表（million km2）、气候和土壤侵蚀（Pg Yr-1)的预计净变化。
未来土地利用和气候变化综合预测的显著增加可能会在全球、区域和国家各级产生负面影响。气候变化引起的土壤侵蚀增加，伴随着土地退化和关键生态系统服务的丧失，将对实现联合国战略与可持续发展目标确构成严重威胁。
（3）土壤侵蚀的影响通过生态系统传播
保持土壤健康是农民首要关切的问题，但土壤侵蚀的影响不仅仅是肥沃土地的损失。
联合国生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台（IPBES）认识到侵蚀与生物多样性和生态系统服务供应趋势之间的联系，呼吁为了解全球范围内自然景观提供的土壤保持服务作出贡献。尽管GloSEM缺乏解释沉积的能力，但根据Grill等人提供的发现，我们认为，坡面土壤侵蚀量的增加导致泥沙输移量增加，进而造成河网和水库的生态干扰。这些沉积物在水库中的积累可能导致储存能力和饮用水质量下降。这一挑战已经影响到几个低收入热带国家，这些国家容易遭受严重的土壤侵蚀，水源不安全导致的死亡占总死亡人数的6%不安全的水源占死亡人数的6%。在河流流入海洋的地方，沉积物的增加会加剧珊瑚礁的覆盖，进一步损害这一脆弱生态系统。在这方面，GloSEM的空间明确的像素结构使其成为一个强大的工具，既可以绘制可能的全球土壤水侵蚀状况，也可以作为整个景观中泥沙滞留的过程代理指标。目前的GloSEM能够解释65%的大陆变化和64%的全球变化。
（4）受冲击的经济体
预测未来土壤侵蚀格局的分布表明，高收入国家，一般在温带纬度，侵蚀增加的幅度可能较小；而低收入和中等收入的热带和亚热带国家可能最容易受到侵蚀量大幅度增加的影响。图5中的结果证实了这些观点。在国家尺度，将2015年至2070年期间的人均国内生产总值、化肥消费量和土壤侵蚀的预测增加进行关联（SSP5-RCP8.5假设情况）。除了亚洲表现出异质的情况外，其他大陆都形成了可见的集群。2070年人均国内生产总值和化肥消费量较低的非洲国家可能会经历较高的土壤侵蚀增长，其幅度用圆圈直径表示。一些亚洲国家也可以看到类似的情况，一些南美国家也可以看到较小程度的情况。相比之下，欧洲、北美和大洋洲的富裕国家化肥消费量较高，预计未来侵蚀的增加要低得多。秘鲁、巴西、西非若干国家、喀麦隆、埃塞俄比亚、索马里、肯尼亚、也门、巴基斯坦南部、印度、缅甸、中国东南部、菲律宾和印度尼西亚等热带国家可能受到土壤侵蚀加剧的严重影响。目前，大约有25亿人生活在这些国家，撒哈拉以南非洲的一些地区显示出人口大幅增长的迹象，出现了净移徙流动。
图5化肥消费量与GDP的关系
注： 2015年至2070年期间，每公顷化肥消费量（2015年）与人均国内生产总值（2011年，以美元表示）以及2015年至2070年期间土壤侵蚀的增加（%）。土壤侵蚀增加的幅度由圆圈的大小表示，圆圈的颜色指的是大洲。
研究讨论：
由于存在一定程度的不确定性，GloSEM可以预测土壤侵蚀的状态和变化，凭借其高分辨率（250×250m）确定热点，并根据土地利用、土壤保护实践和气候变化来预测未来的变化。估算提供了一个有用的知识库，支持决策者考虑发展更具弹性的农业系统，如农林业、再生农业或其他能够超越当前CA战略的新兴技术。这些需要考虑到我们可能需要应对现在和未来几十年气候的重要变化。SSP1RCP2.6和SSP5-RCP8.5情景都提供了未来可能需要适应剧烈气候变化条件的当地条件的线索。这些似乎主要位于人口稠密的热带国家。GloSEM在全球范围内确定热点和关注领域的能力为指导地方监测/建模的更具战略性的方法提供了基础。此外，该模型的动态性使其既适用于事前的政策评估，也适用于事后的政策评估。在科学上，GloSEM的前进方向是提供免费且易于获取的有关全球土壤侵蚀动态的知识，以便与邻近学科共享。本研究中提出的建模框架采用适当格式的标准化数据来与相邻学科进行交流，并推动我们走向稳健、可重复和开放的数据科学。它旨在促进在IPCC的下一次评估报告中考虑土壤侵蚀过程并得出土地退化影响。
