五个世纪的城市扩张对土壤功能与粮食安全的影响：以智利圣地亚哥为例

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Five centuries of Urban Growth: Impacts on Food Security and Soil Functionality

本研究针对城市扩张威胁全球土壤与粮食安全的问题，以智利圣地亚哥1541-2017年的城市增长为案例，通过解聚产量因子(Yield Factor)和生物承载力(Biocapacity)评估方法，揭示了城市化对高生产力土壤的侵占导致每年减少250万人口粮食供给能力的严峻现实。研究成果发表于《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》，为将土壤安全视角纳入城市规划提供了关键科学依据。

　　

当全球城市化浪潮以不可阻挡之势席卷而来，越来越多的肥沃农田被钢筋混凝土吞噬，一个严峻的问题浮出水面：我们正在以牺牲未来粮食安全为代价换取城市空间扩张。智利圣地亚哥这座拥有近五百年历史的城市，正是观察这一全球性问题的绝佳窗口。研究人员通过追溯其1541年建城至2017年的城市发展轨迹，开展了一项关于土壤功能与粮食安全的深度研究。

研究团队发现，圣地亚哥的城市扩张并非随机分布，而是有选择性地占据了最肥沃的农业用地。令人震惊的是，被城市化覆盖的土壤中，92%的土壤系列生产力超过世界平均水平，64%更是达到全球平均值的两倍以上。这种"择优而居"的城市化模式，导致该地区潜在粮食供给能力大幅削弱——足以每年养活250万人的农业生产能力永久消失。

为了精准量化土壤功能损失，研究人员创新性地将产量因子从区域尺度解聚到土壤系列级别。他们选择小麦和玉米作为代表性作物，基于物候学和纹理图像分析进行作物制图，野外验证显示小麦和玉米的制图准确率分别达到69%和81%。通过重建不同历史时期被城市化影响的土壤，团队建立了土壤生产力与粮食供给能力之间的定量关系。

历史演变分析揭示了令人担忧的趋势：94.5%的土壤生产力损失发生在1930年至2017年间，而1985-2002年期间的年度损失速率几乎是1930-1985年的三倍。更近期（2002-2007年）的损失速率也达到早期阶段的两倍半，表明土壤资源流失正在加速。

研究还关注了另一个重要现象：近年来果园在剩余农业用地上的扩张。数据显示，如果这些高生产力土地用于种植主粮作物，本可额外满足160万人的年粮食需求。这一发现凸显了土地利用决策中存在的严峻权衡问题。

该研究的创新之处在于将生物承载力概念应用于土壤安全性评估。生物承载力通常用于生态足迹计算，表示生态系统生产有用生物材料的能力，以全球公顷(GHA)为单位。传统方法在国家尺度估算产量因子，但在智利这样高度多样化的国家，国家层面的估计难以捕捉农业生产力的空间变异性。本研究通过土壤系列级别的精细评估，为区域土地规划提供了更精准的科学依据。

研究方法上，团队综合运用了历史地图数字化、地理土壤学相关分析、遥感影像处理等多种技术手段。他们利用Landsat 5卫星数据计算归一化植被指数(NDVI)，通过分析物候变化特征识别作物分布；采用灰度共生矩阵(GLCM)进行纹理特征分析，提升作物分类精度；并基于地震响应图和土壤基础图，重建了城市化区域的土壤系列分布。

主要研究结果体现在三个维度：

土壤侵占特征方面：圣地亚哥城市扩张呈现出明显的阶段性特征。1541年建城时仅占102公顷Maipo系列土壤，到2017年已覆盖94,716公顷，影响76个土壤系列。其中42.06%的城市区域位于生产力倍增的Maipo系列土壤上。

土壤生产力评估方面：研究区域土壤表现出显著的高生产力特征，小麦和玉米的产量因子平均值分别达到1.67和1.99。土壤系列级别的评估显示，大多数土壤具有远超全球平均的生产潜力，这使城市化带来的土壤功能损失尤为严重。

粮食安全影响方面：基于2018年全球平均产量和成人日均2400kcal热量需求计算，土壤功能损失相当于每年减少2.47百万人的粮食供给能力。不同时期的损失速率分析表明，近几十年来土壤资源流失呈现加速态势。

在讨论环节，研究人员指出作物制图是本研究的最大挑战之一。圣地亚哥大区冬季和春季的高云量覆盖，加上训练样本的缺乏，限制了更先进制图技术的应用。尽管如此，野外调查和农户访谈验证了制图结果的可靠性，同时凸显了对准确、可获取的国土信息系统的迫切需求。

研究还深入探讨了果园扩张与粮食安全之间的复杂关系。智利的水果出口为国家带来经济利益，但优质土壤被用于出口导向的果园种植，与保障国内粮食供应之间存在潜在冲突。这种土地利用的权衡需要更加科学的规划和政策引导。

该研究的现实意义在于警示我们：城市扩张对土壤资源的侵占不仅是理论上的生产力损失，更是实际农业区域的消失。在全球气候变化影响作物生产力的背景下，保护高产土壤显得尤为重要。研究人员强调，将土壤安全视角纳入城市规划至关重要，应当优先保护高质量土壤，将城市发展引导至较低生产力的土壤区域。

这项发表于《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》的研究，通过历史视角和定量方法，为理解城市扩张与粮食安全的关系提供了重要科学依据。其方法论创新和实证发现，不仅对智利的土地规划具有指导意义，也为全球快速城市化地区的可持续发展提供了重要参考。随着气候变化的加剧和粮食安全挑战的日益严峻，这种基于土壤功能的土地管理思路将变得越来越重要。