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土壤质量关乎粮食生产与陆地生态系统可持续性。为探究全球农田土壤暴露及受极端气候影响情况，研究人员绘制 2001 - 2022 年全球农田土壤暴露图。结果显示部分地区土壤暴露时长有变化，且 86% 的农田受极端气候影响增加。该研究为可持续农业提供依据。
土壤，作为地球生命的根基，不仅是粮食生产的 “幕后英雄”，更是陆地生态系统可持续发展的关键支撑。然而，在人类活动的持续影响下，土壤质量正面临严峻挑战。近几十年来，不合理的农业耕作方式，如传统的翻耕作业，让大量农田土壤在作物生长初期、收获后以及休耕期间直接暴露在阳光和空气中。这不仅增加了土壤中有机物质的损失，还使得土壤侵蚀风险急剧上升。尤其是在极端气候事件频发的当下，土壤所承受的压力愈发沉重。极端高温、暴雨、强风等气候现象，如同一场场 “生态灾难”，不断冲击着脆弱的土壤生态系统，严重威胁着全球粮食安全和生态平衡。
在此背景下，来自武汉大学、宁波大学、哥本哈根大学等多个研究机构的科研人员，开启了一场探索之旅，旨在深入了解全球农田土壤暴露的真实状况，以及极端气候对其产生的影响。他们的研究成果发表在《Nature Communications》杂志上，为我们揭示了许多关键信息。
研究人员运用了一系列先进的技术方法来开展此项研究。首先，他们利用了中分辨率成像光谱仪（MODIS）和哨兵 - 2（Sentinel - 2）卫星的观测数据，这些数据犹如一双双 “太空慧眼”，能够获取全球范围内的农田信息。通过线性光谱混合分析（LSMA）技术，结合归一化植被指数（NDVI）、归一化耕作指数（NDTI）等多种指数，研究人员成功计算出全球农田每日的裸土比例。同时，为了排除积雪和水体的干扰，他们借助归一化积雪指数（NDSI）和自动水体提取指数（AWEI）进行筛选。此外，研究人员还运用了谐波分析时间序列（HANTS）算法，对卫星观测数据进行处理，以确保数据的时空连续性。在分析过程中，他们将土壤有机碳（SOC）作为衡量土壤质量的重要指标，结合全球土地覆盖数据，对不同土壤暴露条件下的土壤质量变化进行评估。
全球农田土壤暴露持续时间的格局
从 2001 年到 2022 年，全球农田土壤平均每年大约有 147 天处于暴露状态。不同地区的土壤暴露时长差异显著，在非洲萨赫勒地区和印度大沙漠等地，部分农田土壤暴露时间超过 8 个月，其中尼日尔和苏丹的土壤暴露时长最长，分别达到 251 天和 224 天。而在美洲、欧洲、东南亚和南亚东北部等地区，约 12% 的全球农田每年暴露时间不足 3 个月，菲律宾和印度尼西亚的农田土壤暴露期最短，平均分别为 68 天和 76 天。在 2022 年全球耕地面积前十的国家中，尼日利亚的平均土壤暴露时间最长，为 189 天，加拿大最短，为 97 天。研究发现，土壤暴露时长的分布与当地气候条件密切相关，干旱和半干旱气候区的农田土壤暴露时间往往较长，而湿润气候区则较短。高纬度地区由于长时间的积雪覆盖，土壤暴露时间也相对较短。此外，研究还发现农田土壤暴露持续时间与粮食及农业组织（FAO）报告的生长周期长度呈明显负相关，但在保护性农业和高纬度地区，这种相关性并不明显。
土壤暴露持续时间的趋势
在 2001 - 2022 年期间，约 57% 的农田年土壤暴露持续时间有所减少，其中 23% 的减少具有统计学意义（p < 0.05） 。印度、北美和中国是土壤暴露持续时间减少最为显著的地区，这些地区的变化占全球农田暴露减少的一半以上。印度尤为突出，其 92% 的稳定农田区域土壤暴露持续时间缩短，其中 65% 在 p < 0.05 水平上显著减少，占全球土壤暴露缩短农田面积的 20% 以上。亚洲地区的农田土壤暴露持续时间相对稳定下降，2001 - 2022 年期间减少了约 13 天（相对变化 = - 8.31%） ，印度的减少幅度最大，达到 25 天（相对变化 = 14.44%） 。另一方面，约 43% 的农田年土壤暴露持续时间增加，其中 11% 具有统计学意义（p < 0.05） 。东欧地区的农田暴露呈现出显著增加的趋势，约占全球土壤暴露延长农田面积的 20%。在非洲，农田土壤暴露也明显增加，累计增加了 8 天，相对变化为 4.62% ，乌干达、塞内加尔、乍得和尼日利亚等国家的大部分农田（超过 80%）土壤暴露持续时间都有所增加，其中乌干达的平均增加幅度最大，达到 28 天（相对变化 = 26.20%） 。研究还发现，积雪和作物 / 作物残茬覆盖的变化对土壤暴露持续时间有重要影响。在中国东北，积雪和作物 / 作物残茬覆盖的增加都有助于减少农田土壤暴露；在加拿大，积雪覆盖增加但作物 / 作物残茬覆盖减少，积雪覆盖变化的影响更为明显，导致该地区农田暴露显著减少；在美国中部的内布拉斯加州和堪萨斯州，积雪覆盖减少而作物 / 作物残茬覆盖增加，作物 / 作物残茬的影响更为突出，使得大部分地区土壤暴露时间减少。此外，在湿润地区，农田土壤暴露减少的面积远远超过增加的面积，而在其他干旱条件下，两者差异不明显。
全球农田土壤暴露于极端气候的增加
研究人员通过计算暴露土壤条件下极端气候事件（高温、高太阳辐射、强降雨和强风）的数量来量化土壤退化风险。从 2001 年到 2022 年，全球约 86% 的农田面积因各类极端气候事件导致土壤暴露增加，其中 17% 的地区面临着所有四种极端气候事件暴露风险的增加，受影响最严重的地区位于美国和欧洲。只有 14% 的全球农田面积对所有四种极端气候的暴露有所减少，主要集中在印度北部、中国东北和加拿大。在各类极端气候事件中，全球 73% 的暴露土壤经历了高温事件频率的增加，平均增加了约 4 天极端高温暴露时间，减少的区域主要集中在印度、中国东北和加拿大。在太阳辐射方面，暴露减少的区域比增加的区域多 6%，欧洲、南美洲以及美国和加拿大边境地区有明显增加。极端降雨暴露减少的区域比增加的区域多 10%，强风暴露在增加和减少之间相对平衡，俄罗斯 - 乌克兰边境和非洲苏丹等地有显著增加。
高 SOC 含量农田土壤对极端气候的更高暴露
土壤有机碳（SOC）与土壤肥力、持水能力和结构密切相关，研究人员用它来代表土壤质量。全球农田 SOC 含量通常在 2 - 9 kg/m2 之间，平均值为 4.8 kg/m2 。研究结果表明，土壤暴露持续时间较短的农田 SOC 含量较高。值得注意的是，2001 - 2022 年期间土壤暴露增加的农田，其 SOC 含量显著高于土壤暴露减少的农田。尽管两者之间的平均差异相对较低（0.46 kg/m2 ，Glass's Delta = 0.28） ，但即使是 SOC 的微小变化（0.1 kg/m2/ 年）也与粮食产量的增加（320 亿 kg / 年）相关 。此外，除强降雨外，暴露于极端气候条件增加的农田土壤 SOC 水平显著高于暴露减少的土壤。这表明，虽然全球更多农田的土壤暴露持续时间减少，但这并不一定意味着 SOC 损失风险降低。在考虑暴露诱导风险趋势显著的地区时，高太阳辐射和强风导致的土壤暴露增加和减少区域之间的 SOC 差异更大。因此，过去二十年全球农田土壤可能因暴露于极端气候的增加而经历了更多的 SOC 损失。
研究人员绘制的全球农田土壤暴露地图，为我们提供了前所未有的时空信息，让我们清晰地看到全球范围内农田土壤暴露的变化趋势以及极端气候对其产生的影响。这不仅有助于我们更好地理解土壤生态系统的变化规律，也为制定更加科学有效的可持续农业政策和土地管理策略提供了坚实的依据。通过这些研究成果，我们能够更加精准地评估不同地区土壤的健康状况，有针对性地采取措施保护和改善土壤质量，从而保障全球粮食安全，促进陆地生态系统的可持续发展。在未来的研究中，还需要进一步探究农田土壤暴露减少的具体驱动因素，全面评估农田土壤面临的风险，为实现可持续农业的目标不断努力。
