基于土地潜力的风蚀与沙尘暴源区减缓框架

《Land Degradation & Development》：A Land Potential-Based Framework for Wind Erosion and Sand and Dust Storm Source Mitigation

　　

风蚀和沙尘暴是全球性挑战。尽管已有大量关于减缓风蚀和沙尘暴源区的管理实践被记录，但现有指南主要侧重于有哪些可用措施，而关于在何处以及何种生态条件下应用这些措施的信息有限。因此，当减缓措施在不考虑当地生态背景的情况下实施时，可能无效甚至加剧侵蚀。土地潜力（Land Potential），即土地支持植被、土壤稳定性和生产力的固有容量，为将减缓措施与场地对侵蚀的抗性和恢复力相匹配提供了基础。本文提出一个基于土地潜力的框架，用于改善跨不同景观的风蚀和沙尘暴源区减缓措施的选择、实施和评估。该框架利用土地潜力评估与农业生态状态（Agroecological State）概念，通过以下步骤指导决策：（1）通过土壤、地形和气候表征土地潜力，以识别对侵蚀的抗性和恢复力；（2）识别决定侵蚀动态的植被-土壤配置、阈值和反馈的农业生态状态；（3）识别并监测风蚀风险及沙尘暴源区；（4）定义指导决策的减缓目标和基准；（5）识别并实施避免、减少、逆转或接受风蚀的措施；（6）评估减缓效果并调整管理。通过将局地尺度的土地评估与减缓措施联系起来，本框架提高了成功减缓的可能性，并为推进土地退化零增长（Land Degradation Neutrality）和可持续土地管理提供了可扩展的决策支持。

论文主体内容总结

2 风蚀监测与减缓框架

2.1 表征土地潜力（Characterize Land Potential）

理解土地潜力是为风蚀和沙尘暴选择合适减缓措施的基础步骤，也用于确定农业生态状态、指标和基准，以实现监测和数据驱动的管理。土地潜力是指土地基于生物物理特征（包括土壤质地和深度、气候和地形）支持生态功能和服务（如土壤稳定性、植被覆盖度、生物结皮覆盖度以及农业或牧草生产力）的固有容量。这些特征影响着潜在抗性（Resistance），即土地在遭受干扰时维持土壤稳定性和避免侵蚀的能力，以及恢复力（Resilience），即土地在干扰后恢复土壤功能、植被覆盖度和/或生物结皮覆盖度的能力。例如，在干旱地区，深砂质土壤由于团聚作用较弱且有机质含量较低，其抗风蚀能力低于相同气候条件下的细质地土壤。了解这种对风蚀敏感性的粗略等级有助于将相似的土地区域划分为管理单元，并可指导哪些区域应优先进行风蚀监测和干预。当前景观上的植被不被用于定义土地潜力，因为它是一种动态属性，会随管理、干扰和恢复而变化；这些植被动态将在下一节描述的农业生态状态中捕获。确定土地潜力可从使用已有的土地分类系统开始，这些系统根据相似属性对景观进行分组。诸如美国土地资源层级（US Land Resource Hierarchy）、土地能力分级系统（Land Capability Classification system）以及联合国粮农组织（FAO）的土壤单元等框架提供了描述土地潜力的结构化方法。例如，FAO的全球农业生态区划（Global Agro-Ecological Zones, GAEZ）提供了土壤和气候的定量评估以预测农业生产率，而生态土地分类系统（包括生态位点和位点组）则整合了塑造潜在植被和生态功能的土壤属性、地貌、景观位置和气候变量。目前，FAO的农业生态区划基于潜在生产力，但尚未明确考虑退化抗性和恢复力。重要的是，这些资源大多与空间信息相关联，允许对分类后的土地区域进行制图。在未开发土地分类系统和后续地图的地区，可以使用移动应用程序（如土地潜力知识系统（Land Potential Knowledge System, LandPKS）的SoilID应用程序）收集带有地理定位的土壤和景观数据。这种方法将本地知识与土壤地图相结合，以识别土壤并生成特定场地的土地潜力解释，从而实时共享，提高了实地土地潜力评估的覆盖面、准确性和相关性。

2.2 识别农业生态状态（Identify Agroecological States）

一旦理解了土地潜力，就可以将景观分类为农业生态状态。农业生态状态由自然和栽培植物物种群落、土壤条件以及生态系统结构和功能定义，这些特征与在具有相同潜力的土地上可能出现的其他状态不同。状态描述了反映动态土壤属性、植物群落组成、覆盖度和结构以及对管理响应的农业生态系统的生物和非生物属性的独特组合。状态概念常用于描述多平衡系统，其中管理、正反馈机制和阈值变化决定了维管植物和生物结皮群落的稳定性以及从一个状态向另一个状态转变的动态。状态对于风蚀和沙尘暴减缓有两个主要原因。首先，植被结构、土壤表面属性和动态土壤属性在不同状态间存在差异，影响土壤可蚀性和风侵蚀力，导致不同程度的风蚀风险。状态通过响应管理的动态植被和土壤表面条件来描述土地潜力的当前表现。其次，状态之间的转变由反馈驱动，这些反馈决定了植被和土壤属性变化的可逆程度，或者是否需要主动修复或恢复。这些反馈影响了哪些管理行动可能有效避免、减少、逆转或接受一定程度的风蚀，以及为什么在某些状态下成功的措施可能在另一种状态下失败。状态可以首先在现有的土地分类框架内定义，这些框架整合了塑造潜在植被的土壤、气候、地貌和地形属性。概念模型（如状态与转换模型（State-and-Transition Models, STMs））组织这些信息，描述关键状态、维持这些状态的过程以及驱动状态间转变的干扰或管理投入。这些模型可以扩展以纳入风蚀率和沙尘排放的估计值，从而增强其与沙尘暴源区减缓的相关性。虽然状态可以利用现有知识定义，但可以通过监测使用本地数据进行验证和完善。现场指标、模拟侵蚀估算和遥感可用于评估某个状态是否正在接近风蚀阈值、识别侵蚀风险增加的早期迹象，或确认已发生向更具侵蚀性的状态的转变。

2.3 识别并监测风蚀风险及沙尘暴源区（Identify and Monitor Wind Erosion Risk and Sand and Dust Storm Source Areas）

监测风蚀风险和沙尘暴源区对于将本文所述的基于土地潜力的框架付诸实践以及在发生大规模沙尘排放之前检测变化至关重要。早期发现风蚀脆弱性增加至关重要，因为防止导致风蚀的状态变化比在风蚀发生后减少风蚀更有效。理解土地潜力和不同农业生态状态对风蚀的敏感性可以识别出侵蚀可能发生的地点。然而，导致风蚀加剧的变化（如植被结构和土壤表面属性的变化）通常发生在沙尘排放变得可见之前。持续监测使从业者能够检测到这些早期变化，追踪状态间的转变，并评估土地是否正朝着更易侵蚀的条件发展或远离这些条件。通过在更广泛的土地潜力框架内进行监测，风蚀评估超越了记录沙尘排放地点，而是解释其原因以及如何通过有针对性的管理和政策干预来改变这些过程。标准化的土壤和植被指标为评估风蚀是否增加、减少或保持稳定提供了基础，同时也支持对土地健康和土地退化的补充评估。为了监测这些指标，可根据景观需求应用多种监测方法。常用的方法包括样线测量（如线点截距法、植被和生物结皮冠层间隙法以及植被高度协议），这些方法共同捕捉风剪切应力的一阶决定因素，可用于表征不同农业生态状态下的侵蚀力和抗性。成本较低的田间方法（如LandPKS的“棍棒法”）可产生互补的、可扩展的数据，使土地管理者和牧民社区能够检测到侵蚀风险或沙尘暴活动何时何地在增加。这些数据可以支持基于过程的模型，以评估侵蚀严重程度并识别整个景观中沙尘排放的驱动因素，也有助于结合定量和定性指标的混合方法，以支持可重复的土地健康评估。遥感的最新进展可以扩大指标监测的空间和时间覆盖范围。全球植被覆盖度分数产品越来越多地被纳入风蚀评估，而从卫星数据得出的新结构指标有望提高模型精度和源区归因。来自监测网络和卫星图像的大气沙尘观测为沙尘浓度和大气负荷提供了额外背景，尽管大气浓度并不总是代表地表的具体变化或特定排放位置，因此不应作为唯一的监测依据。

2.4 定义减缓目标和基准（Define Mitigation Targets and Benchmarks）

该框架的下一步是建立指导管理行动的减缓目标和基准。目标和基准是给定指标的数值，它们标志着某个地点是否在期望的侵蚀范围内运行，或者是否正在接近向更高或更低风蚀或沙尘暴风险状态的转变。源自指标的目标和基准值以监测数据可检验的方式正式化了侵蚀减缓行动，并实现了客观、可重复和透明的决策。由于侵蚀敏感性随土地潜力和农业生态状态而变化，建立清晰的、针对具体情境的目标和基准支持的管理方法能够反映景观和季节间的变异性，而不是依赖一刀切的阈值。一系列互补的方法可用于建立风蚀和沙尘减缓的目标和基准。一种方法是利用土地潜力和状态信息来确定与理想和不理想状态相关的指标值范围。第二种方法从管理区域内指标分布的百分位数推导基准，允许用户比较不同地点或随时间跟踪变化。第三种方法识别临界阈值，例如作物残留覆盖度值，超过该值时沉积物输送速率急剧增加，表明侵蚀可能对生态系统、农业或空气质量产生影响。这些方法可根据管理目标、数据可用性以及目标是维持理想状态、避免越过侵蚀阈值、确定干预优先级、证明接受某个状态的合理性还是评估减缓成功与否来选择。目标和基准可以由多样化的数据来源提供信息，包括全球遥感植被覆盖度分数数据集、具有更高精度的区域产品、空气质量监测网络以及使用低成本方法（如LandPKS支持的）收集的本地现场数据。在线工具（如景观数据共享平台（Landscape Data Commons））提供了存储、可视化和分析大规模监测数据的平台，并允许基于标准生态和风蚀指标应用基准。

2.5 识别并实施避免、减少、逆转或接受风蚀的措施（Identify and Implement Practices to Avoid, Reduce, Reverse, or Accept Wind Erosion）

在完成土地潜力表征、农业生态状态识别、侵蚀风险监测以及减缓目标和基准定义之后，下一步是决定减缓措施。与土地退化零增长和自然资源管理框架一致，减缓措施可分为四类：避免向更易侵蚀状态的转变；在侵蚀加剧条件出现的地方降低侵蚀风险；在阈值已被跨越且修复可行的情况下逆转持续性侵蚀；以及在干预因非生物、生态或社会经济限制而不可行时接受侵蚀。第4步建立的基准可作为在这些类别之间移动的明确决策点。

避免：在侵蚀风险增加前维持土壤稳定性 适用于基于土地潜力的属性具有足够抗风蚀能力且当前农业生态状态仍处于土壤稳定性和植被结构的理想范围内的地点。这些区域可通过监测指标保持在目标值内且未越过预示侵蚀风险增加的预警基准来识别。减缓措施可侧重于维持稳定当前状态的反馈，从而防止向更难或更昂贵逆转的易侵蚀状态转变。避免措施通常是管理慢性压力，如放牧强度和时机、耕作方式或车辆/机械干扰的频率和程度，这些会影响植被覆盖度和土壤表面状况。由于避免旨在维持侵蚀较少的状态，而非恢复活跃侵蚀的状态，它通常是最具成本效益的长期策略，尤其是在恢复力低的土地上。

减少：在阈值被跨越前应对新兴侵蚀 通常适用于监测指标超过预警基准但仍处于恢复可行范围内的条件。这些条件反映了农业生态状态，其中稳定反馈（如土壤团聚和植被覆盖度与结构）正在减弱，但尚未被自我强化的侵蚀反馈所取代。有效的减少措施通过针对特定状态和土地潜力背景下导致侵蚀性增加或风剪切应力增加的过程，来减缓朝向更严重侵蚀状态的轨迹。适当的减少措施取决于诊断哪些驱动因素导致了给定状态内的侵蚀加剧。例如，在灌木入侵的状态下，增加木本植物优势度可能会减少草本覆盖度并扩大冠层间隙，将指标推向侵蚀基准。在这种情况下，减少木本植物优势度并支持多年生禾草恢复可能稳定系统。然而，在没有成功建立稳定植被的情况下清除灌木会增加侵蚀风险，这强调了需要将干预措施与土地潜力对齐，并将处理时间安排在有利的气候条件下。

逆转：在持续侵蚀状态中恢复植被和土壤功能 可能需要在基准指示侵蚀阈值已被跨越且系统已转变为一个具有自我强化反馈的农业生态状态时实施，该状态维持着高风蚀风险。在这些状态下，没有干预则自然恢复不太可能，而修复的可行性在很大程度上取决于土地潜力，特别是土壤属性、气候以及重新建立稳定植被、生物结皮或土壤表面特性的能力。在具有恢复力的土地上，完全停止或移除强化压力源（如放牧或耕作）可能允许自然恢复过程发生。在固有恢复力较低的系统中，仅靠土地利用变化不足以逆转侵蚀主导的状态，可能需要主动的土壤稳定化措施（如使用草方格）才能让自然植被和生物结皮得以建立。当自然生物恢复不太可能时，逆转将越来越依赖于主动播种、种植或生物结皮接种，通常与土壤稳定措施相结合。在土壤结构恢复力较差的地方，有机改良剂（如堆肥）可能增强团聚作用和有机质，支持长期恢复。在需要立即抑制沙尘的地方，快速稳定剂可能是合适的，但其长期生态影响应仔细权衡。

接受：管理不可避免的侵蚀和场外影响 适用于抗性和恢复力低、基准持续超过可接受的侵蚀阈值，并且尽管进行了干预，状态也不太可能转变为侵蚀性较小状态的地区。在这些情况下，继续尝试就地修复可能在生态上无效、经济上成本高昂或社会上不可行。与其进行修复，不如将管理重点放在尽量减少侵蚀和沙尘暴的场外后果上。相关的场外方法包括有针对性的空气质量监测、公共卫生干预、基础设施保护、早期预警系统或减少暴露的政策机制，而不是专注于减少泥沙供应。接受风蚀的决定不应等同于放弃，而应被视为一项基于可行性、风险和权衡的战略决策。将“接受”置于基于土地潜力和状态的背景下，有助于解释为何修复不可行，并有助于将资源优先用于减少风险和危害的行动，而非反复的修复失败。

2.6 评估减缓效果并调整管理（Evaluate Mitigation Outcomes and Adapt Management）

基于土地潜力的框架的最后一步是评估第5步实施的减缓措施是否达到了预期效果，并利用这一证据来调整管理、完善基准并改进未来的决策。此评估依赖于与第3步相同的监测方法，并在土地潜力、农业生态状态以及第4步建立的减缓目标和基准的背景下进行解释。评估应侧重于已实施的措施是否在与风蚀和沙尘暴风险有机制关联的指标上产生了可测量的变化。所需的确信水平将取决于现场和下游影响的严重程度以及进一步管理或政策决策的需求。将观察到的指标轨迹与特定状态和土地潜力的目标及基准进行比较，可以使从业者以一致的方式对结果进行分类，量化源区减缓目标是否达成、部分达成或未达成。随着时间的推移，这些信息可用于更新状态与转换模型、完善基准，并揭示哪些土地潜力、状态和措施的组合最有可能实现风蚀风险的持续降低。评估还提供了场地级管理与更广泛政策目标（如建设抗旱能力、土地退化零增长目标和可持续发展目标）之间的桥梁。当监测数据使用共享平台和标准指标进行存储和综合时，它们可以为国家报告提供信息，支持风蚀模型的校准和验证，并有助于全球范围的沙尘暴风险评估和减缓效果评估。