评估残茬覆盖对美国中西部山坡土壤流失的影响：来自“每日侵蚀项目”建模框架的见解

《International Soil and Water Conservation Research》：Assessing the impact of residue cover on hillslope soil loss in the Midwest US: insights from the Daily Erosion Project modeling framework

本研究基于Daily Erosion Project（DEP）模型，分析不同耕作强度（T1至T6）对中西部美国土壤侵蚀率的影响，发现耕作强度增加（残茬覆盖减少）显著提高侵蚀率，且存在显著时空异质性。结果显示，高强度耕作（T6）导致部分区域侵蚀率超过17.9 Mg/ha/yr，而低强度耕作（T1）在多数区域保持可持续水平。敏感性分析表明，残茬覆盖变化对侵蚀率影响极敏感，尤其在坡地地区。研究强调残茬覆盖管理的重要性，并揭示景观与管理交互作用对侵蚀空间分异的关键作用。

　　### 土壤侵蚀与耕作方式的关系：区域尺度上的影响分析

在农业领域，土壤侵蚀是一个影响全球农业可持续性的关键问题。它不仅破坏土壤健康，还对水质和生态系统稳定性造成负面影响。土壤侵蚀的发生受到多种因素的影响，包括降雨模式、作物种类、土地管理方式、地形特征以及土壤类型。在自然条件下，土壤侵蚀是不可避免的，但人类活动，如减少土壤覆盖（如耕作、过度放牧、条播种植和森林砍伐）或破坏土壤结构，会显著加速土壤侵蚀过程，使其超出可持续的范围。因此，理解耕作方式对土壤侵蚀的影响，对于制定有效的土壤保护策略至关重要。

为了更好地评估土壤侵蚀的区域影响，研究人员利用了“每日土壤侵蚀项目”（Daily Erosion Project, DEP）这一模拟框架。DEP通过高分辨率的遥感数据，结合物理模型，对农业景观进行模拟，以评估不同耕作管理方式对土壤侵蚀的影响。该研究重点探讨了耕作强度（即减少田间残余物覆盖）如何影响不同区域的土壤侵蚀率，尤其是在区域尺度上。研究还分析了不同田间残余物覆盖情况对土壤侵蚀的敏感性，特别是在从无耕作（no-till）转向有耕作系统的过程中，土壤侵蚀对残余物覆盖的微小变化表现出高度敏感性。

### 区域尺度上的土壤侵蚀趋势

研究发现，耕作强度与土壤侵蚀率之间存在直接的正相关关系。随着耕作强度的增加，田间残余物覆盖减少，土壤侵蚀率显著上升。这种趋势在不同空间尺度上都得到了验证，包括整个州、主要土地资源区域（Major Land Resource Areas, MLRA）以及DEP的HUC12流域。例如，在整个美国中西部地区，随着耕作强度从T1（无耕作）逐渐增加到T6（深翻耕作），土壤侵蚀率也随之升高。在一些关键区域，如密苏里河沿岸和爱荷华州东部，土壤侵蚀率在多个耕作场景中超过了17.9 Mg/ha/yr，这表明这些地区特别容易受到耕作强度增加的影响。

然而，并非所有区域都表现出相同的侵蚀趋势。一些地区对耕作强度的变化并不敏感，甚至在某些耕作场景下，土壤侵蚀率几乎没有变化。这些区域通常具有较高的土壤覆盖度，或者其地形、土壤类型和气候条件能够有效抑制侵蚀。例如，某些地区的土壤侵蚀率在T1至T6之间仅增加了不到1%。这种差异强调了局部因素（如地形、土壤类型、土地利用和气候）在影响土壤侵蚀方面的重要性。因此，在制定土壤保护措施时，必须考虑到这些局部条件的复杂性。

### 耕作管理场景对土壤侵蚀的影响

DEP框架将耕作管理分为六个场景（T1至T6），其中T1代表无耕作，T6代表最强烈的耕作。这些场景分别对应不同的田间残余物覆盖水平，从T1的75%残余物覆盖到T6的1%残余物覆盖。研究通过模拟这些场景，分析了它们对土壤侵蚀率的影响。结果表明，从T1到T2（非常高的覆盖物），土壤侵蚀率显著上升，而在T4到T6之间，侵蚀率的增幅逐渐减小，甚至在某些情况下，T4和T5之间的差异并不显著。这表明，当田间残余物覆盖低于一定阈值时，进一步增加耕作强度对土壤侵蚀的影响可能趋于稳定。

此外，研究还发现，土壤侵蚀对田间残余物覆盖的变化极为敏感，尤其是在坡度较高的流域中。这种敏感性意味着，即使是非常小的残余物覆盖变化，也可能导致土壤侵蚀率的显著增加。因此，在高侵蚀风险区域，应优先考虑保留较高残余物覆盖的耕作方式，以减少土壤流失。

### 不同空间尺度上的土壤侵蚀差异

研究采用了三种空间尺度来分析土壤侵蚀的变化：州级、MLRA级和HUC12流域级。在州级尺度上，爱荷华州的土壤侵蚀率明显高于内布拉斯加州和明尼苏达州，这可能与爱荷华州的耕作强度和土地利用模式有关。在MLRA尺度上，某些区域如MLRA 107（爱荷华州和密苏里州的深沉积土丘陵）表现出极高的侵蚀率，而其他区域如MLRA 65（内布拉斯加州的沙丘地）则几乎不受耕作强度变化的影响。这表明，不同区域对耕作方式的响应存在显著差异，需要针对特定区域采取不同的土壤保护策略。

在HUC12流域尺度上，研究发现，某些流域对耕作强度的变化极为敏感，而在其他流域则几乎没有响应。例如，在爱荷华州东部和密苏里河沿岸的流域中，土壤侵蚀率在不同耕作场景下显著增加，而在内布拉斯加州中部的某些流域，侵蚀率几乎没有变化。这种空间异质性强调了在进行土壤保护规划时，需要结合具体流域的特征，采取针对性的措施。

### 土壤侵蚀与土地管理的互动

研究还探讨了土壤侵蚀与土地管理之间的互动关系。例如，在某些区域，尽管耕作强度较高，但由于地形较为平缓或土壤结构较为稳定，土壤侵蚀率并没有显著增加。这表明，土地管理措施的有效性不仅取决于耕作方式本身，还受到其他因素的影响。因此，在制定土壤保护策略时，必须综合考虑地形、土壤类型、土地利用和气候条件等因素。

此外，研究发现，某些土地管理方式，如覆盖作物（cover crops）和缓冲带（buffer strips），可以有效减少土壤侵蚀。这些措施能够增加田间残余物覆盖，从而降低侵蚀风险。然而，当前的DEP框架主要关注耕作强度和残余物覆盖的变化，尚未充分考虑这些辅助措施的影响。因此，未来的研究可以进一步探索这些措施在不同区域的适用性，以提高土壤保护策略的有效性。

### 结论与建议

本研究揭示了耕作强度与土壤侵蚀率之间的直接关系，并强调了田间残余物管理在减少土壤侵蚀中的关键作用。无耕作（T1）系统在减少土壤流失方面表现最佳，但其效果在不同地形条件下有所差异。研究还发现，某些区域对耕作强度的变化极为敏感，而在其他区域则几乎没有响应。因此，制定土壤保护策略时，必须考虑到区域的特定条件，采取针对性的措施。

未来的研究可以进一步探索不同耕作方式对土壤侵蚀的长期影响，以及气候变化对侵蚀动态的潜在影响。此外，DEP框架可以用于评估不同气候情景下的土壤侵蚀变化，以支持更全面的农业可持续发展策略。通过结合高分辨率数据和物理模型，DEP能够为政策制定者和农业管理者提供有价值的工具，以减少土壤侵蚀，保护农业生态系统。