综述：欧洲土壤威胁与土壤相关生态系统服务地图关系研究综述

本综述系统分析了欧洲层面土壤威胁（STs）与土壤相关生态系统服务（SESs）的现有地图，探讨了将其结合以研究二者关系的可行性。文章指出，当前地图在概念界定、指标选择、评估方法和数据源上存在显著差异，限制了其联合应用的潜力。作者呼吁建立更统一的评估框架，并为未来研究提出了具体建议，以促进对土壤退化与生态系统服务供给关系的深入理解。

　　

摘要

土壤威胁（STs）和土壤相关生态系统服务（SESs）的科学概念在欧盟自然资源管理和决策中日益受到重视。文献报道了众多针对单个STs和SESs的欧洲尺度评估，但关于STs与SESs之间关系模式的全面概述仍然缺乏，这限制了遏制土壤退化及其对SESs影响的能力。本文对现有的三种STs（土壤有机碳流失、侵蚀和压实）和四种SESs（气候调节与碳汇、水文调控、生物质生产和侵蚀控制）的欧洲地图进行了深入分析，并探讨了将它们结合起来研究其关系的可行性。在欧盟层面，共发现了37幅关于这些STs的地图和17幅关于这些SESs的地图。除侵蚀外，这些地图在STs和SESs的概念化、以及用于评估它们的指标、方法和数据库方面存在显著差异。在当前情况下，将单独的STs和SESs地图结合起来研究它们的关系很少可行。除了这些限制，我们确定了可能的组合，并提出了旨在提高不同STs/SESs地图之间兼容性的建议。我们得出结论，需要一个更稳健的框架来概念化STs/SESs，并更系统、更精确地说明所选择的指标。

总结

• •
  分析ST/SES地图在组合研究其关系方面的潜力。
• •
  要组合ST/SES地图，它们需要共享相同的概念化、指标类型和数据。
• •
  在土壤ST/SES的概念化、指标、评估方法和数据源方面尚未达成共识。
• •
  选择STs/SESs指标的标准应得到更系统的解释。

引言

欧盟目前约有60%–70%的土壤处于不健康状态，每年造成的相关成本高达500亿欧元。土壤受到多种威胁（STs）的影响，这些威胁是“可能降解土壤功能及其提供服务的”过程。这些服务在文献中以大量重叠的术语进行讨论。本研究采用Paul等人提出的术语，将土壤相关生态系统服务（SESs）定义为由土壤及其化学、物理和生物特性、过程和功能所提供的生态系统服务的子集。

成本和效益等因素促使人们对STs和SESs的关注度日益增长。因此，在欧盟层面关于STs和SESs的研究显著增加，这体现在过去十年中众多绘图项目的资助上。这些工作产生了大量的地图，有时视角非常不同。此外，尽管已知STs和SESs之间存在复杂的关系，但大多数研究都是单独考虑STs和SESs。理解这些关系非常重要，因为在实施修复措施或设计管理策略以减少土壤退化并确保SESs的供给时，需要考虑这些关系。

本研究旨在理解现有欧洲ST/SES地图之间差异的原因，并评估基于现有单个地图构建多个STs或SESs地图的可行性。为此，我们选择了三种STs（土壤有机碳（SOC）流失、侵蚀和压实）和四种SESs（气候调节与碳汇、水文调控、生物质生产和侵蚀控制），它们被来自16个欧盟成员国的利益相关者认为是最重要的，并对它们的评估方式进行了系统的文献综述，特别关注：（i）为不同STs/SESs选择的指标；（ii）评估指标的方法；以及（iii）用于估算指标的数据库。基于我们的分析，我们提出了可用于确定ST/SES关系的偏好组合（概念和指标类型），并根据这些标准为所考虑的ST和SES确定了可能可组合的地图。

材料与方法

所选STs和SESs的定义

本研究包含的STs/SESs的定义基于STs和SESs的主要分类，并经过了来自16个不同欧盟国家的利益相关者（包括研究人员、从业者、政策制定者、农民和行业代表）的验证。

文献检索

我们按照ROSES框架进行了系统的文献检索。检索于2024年4月25日在Web of Science、Scopus和Google Scholar中进行，为每个考虑的ST/SES构建了检索式。最终，我们收集了37份关于STs的文献和17份关于SESs的文献。

信息提取与数据库构建

从每份文献中，我们提取了：（i）考虑的STs和/或SESs；（ii）用于不同STs或SESs的指标；（iii）评估这些指标的方法；以及（iv）用于估算指标的数据库。方法和数据库都进行了进一步分类。数据源根据数据性质（土壤、气候、地形、土地利用和土地覆盖（LULC）、农业实践、生物量和母质数据）进行分类，并区分为非空间穷尽性数据库和空间穷尽性数据库。

结果：对最重要的STs/SESs现有欧洲尺度评估的概览

用于估算欧洲尺度STs和SESs的指标

用于欧盟范围绘图的STs/SESs指标众多。对于大多数考虑的STs/SESs，关于使用何种指标没有共识，同一指标最多被两到五项研究使用。在最坏的情况下，每项研究都定义了自己的指标。侵蚀是一个明显的例外，因为61%的情况下是通过水蚀造成的土壤流失来估算的。这种缺乏共识反映了作者在以下至少五个方面的不同偏好：

1. 1.
   ST/SES用于绘图评估时，要么是潜在的（能力），要么是实际的（流量）。
2. 2.
   评估STs或SESs时考虑了生态系统的不同部分。这对于SESs非常明显。
3. 3.
   STs在DPSIR框架的不同步骤或SESs在级联框架的不同层次上进行评估。
4. 4.
   指标针对威胁（侵蚀）或SES（水文调控）的特定但不同的组成部分。
5. 5.
   ST指标要么表征构成威胁的过程，要么表征由此产生的土壤状况。

指标选择的偏好（如上所述）和相关的指标导致对给定ST/SES的评估和地图非常不同。

用于评估ST/SES指标的方法

指标可以基于点数据然后进行空间化（例如，通过空间插值）来计算，或者直接在空间化数据上计算。ST/SES指标主要通过建模（使用统计、基于规则和基于过程的模型）进行估算，在较小程度上使用专家知识或直接测量。SES指标主要通过建模方法获得。然而，不同评估方法的使用频率在STs/SESs之间差异很大。当使用不同的方法来评估相同的ST或SES时，它们通常用于估算不同的指标。

信息来源

使用的数据类型

所使用的数据类型取决于所考虑的ST/SES、指标以及选择的评估方法。土壤数据用于所有考虑的STs和SESs的大多数评估。气候和LULC数据也用于大多数ST/SES指标的计算。地形和农业实践数据主要用于估算侵蚀，其次用于气候调节和碳汇（农业实践）。生物量数据主要用于估算生物量生产。

数据来源

对于每种数据类型（土壤、气候、LULC、地形、农业实践和生物量），在ST/SES评估中使用了不同的来源。使用的大多数数据集是空间穷尽性的。对于土壤数据，空间穷尽性的ESDAC欧洲土壤数据库是评估所考虑STs和SESs最常用的数据库。对于气候数据，三个数据源最常用：JRC欧洲气候数据库（尤其是MARS）、欧洲气候评估和数据集（E-OBS）和气候研究单位（CRU）数据库。对于LULC，使用了11个数据库。CORINE土地覆盖数据库是使用最广泛的数据库之一。对于地形，六个已识别数据源中有四个更常用：SRTM、EU-DEM、GTOPO30及其衍生产品HYDRO1k。MAPSPAM、EUROSTAT和FAOSTAT数据库最常用于估算农业实践和生物量。

讨论：分析现有欧盟尺度ST/SES评估用于构建ST/SES关系的潜力

大多数现有工作单独考虑STs（≈85%）和SESs（≈60%），那些评估两个以上STs/SESs的研究并未检验它们之间的关系。基于现有ST和SES单独地图定义欧盟范围的ST/SES关系面临许多挑战和陷阱，这是由于文献中观察到的偏好的广泛多样性。

选择用于建立ST/SES关系的指标

生态指标长期以来被认为是边界对象。在建立ST/SES关系之前，必须仔细选择指标，以确保每个指标特有的偏好组合的兼容性。这种选择远非简单，因为与指标相关的偏好系统往往不够明确，甚至可能是错误的，并且其复杂性还取决于要构建的关系类型。

在多ST或多SES关系的情况下，每个特定的偏好组合都可能令人感兴趣。然而，对于给定的关系，所有指标必须共享相同的偏好组合。鉴于欧洲尺度的知识现状，对于SESs无法实现这种完全的偏好统一，对于STs，只有在考虑敏感性或实际土壤状况时才能实现。

在单个ST或SES的情况下，表征仅在上述一个偏好方面不同的指标之间的关系具有重大意义。

严格检查用于估算指标的方法

用于量化STs/SESs的不同方法通常与特定指标紧密相关，并具有特定的优势和局限性。虽然结合方法可能是增加纳入关系的STs/SESs多样性的有效方法，但它也带来了每种所用方法特有的额外局限性和不确定性。这种局限性和不确定性的组合是有问题的，因为可用方法表现良好的条件以及与此类方法相关的不确定性由于缺乏比较和验证研究而很少被了解。

对齐给定数据类型的数据集

与方法一样，所使用的输入数据的选择对ST/SES地图有显著影响。因此，在联合评估STs/SESs时，对于给定的数据类型，指标理想情况下应基于相同的数据库进行估算。我们对用于评估现有ST/SES指标的数据集的回顾表明，这种情况很少见，即使有，也只是部分情况。

近年来，人们进行了大量工作来比较现有的土壤数据库，并评估它们的使用对土壤指标评估的影响，以确定通过使用转换或评分函数来获得可比值的解决方案，从而管理这种多样性。虽然这项工作在提出数据来源对结果的影响问题并提供一些初步解决方案方面具有价值，但它仅涉及协调不同土壤数据库以评估未测量的土壤属性。这是一个比评估ST/SES指标简单得多的问题，后者需要组合不同类型的数据，每种数据都可能具有多个来源。

塑造欧盟尺度ST/SES相互作用研究的未来

尽管有限，但目前欧洲层面可用的ST/SES地图集提供了一些组合机会。其中一些已经被利用，例如将不同类型侵蚀造成的土壤流失简单相加以评估侵蚀造成的总土壤流失。其他机会仍有待探索，例如不同ST/SES组成部分的比较。

短期内，可以使用相似的输入数据重新计算欧洲ST/SES地图。

改进所用方法的一致性要复杂得多，因为目前没有集成土壤真实表示的模型可用于量化从森林到耕地的土地利用上的广泛SESs。根据要考虑的STs/SESs和土地利用的多样性，可以考虑两种互补且非排他性的方法。

最后，绘制新的欧盟范围ST/SES指标将允许基于共享一致表征（或偏好组合）的指标集进行ST/SES关系分析。

结论

本研究旨在评估重用现有欧盟范围ST或SES地图来表征被16个欧洲国家的利益相关者认为最重要的三种STs和四种SESs之间关系的可行性。尽管第一个欧盟范围ST或SES地图在几十年前就已发布，但通过组合现有地图来开展ST/SES关系研究的可能性受到可用欧盟范围地图数量的限制。它们还受到每个ST/SES概念化的异质性、用于定义不同指标的偏好组合、评估它们的方法和输入数据的限制，所有这些都影响ST/SES的水平及其空间分布。

尽管存在这些限制，当前可用的地图集提供了一些组合的可能性，特别是（i）对于SES，更系统地描述每个SES的能力和流量之间的相互作用，以评估每个SES摄取的（不可）持续性，以及（ii）对于STs，结合敏感性、过程和状态指标，以识别土壤同时敏感、受威胁或受特定威胁退化的情形。

表征多个SESs或STs之间的关系，需要几个发展阶段，从用相似的输入数据重新计算已存在的指标到开发和绘制新指标。尽管困难，提高输入数据、方法和指标的一致性对于限制ST/SES关系评估中的方法学偏差以及最终用于STs和SESs管理的决策至关重要。与此同时，我们敦促学术界系统说明每个指标所考虑的偏好组合，以确定开发新指标的需求，并促进选择一致的指标集。