气候变化对乌克兰黑钙土带土壤侵蚀速率的影响

《Land Degradation & Development》：The Impact of Climate Change on Soil Erosion Rates in the Chernozem Zone of Ukraine

　　

由加速的水蚀驱动的土壤退化威胁着全球粮食安全。土壤侵蚀损失的定量估算能够识别风险区域并监测土壤管理计划的成效。然而，在变化的气候条件下估算土壤侵蚀损失具有挑战性，特别是在与土壤保持方案相关的尺度上。研究人员通过在乌克兰研究土壤侵蚀来解决这一问题。该研究在两个空间尺度上进行：（1）大（区域）尺度——揭示气候变化对土壤侵蚀的总体影响；（2）小（集水区）尺度——突出土壤损失的空间变异性。研究人员的大尺度研究通过计算现代（1991–2020）和基线（1946–1990）时期的基于气候的水文气象因子，评估了乌克兰草原（Steppe）和森林草原（Forest-Steppe）带（黑钙土(Chernozem)带）的水蚀强度。研究人员使用数学模型评估了小尺度变化的土壤损失。研究人员的结果表明，由于气候变化导致的土壤损失轻微增加（3%–5%），因为强降雨事件导致的侵蚀增加在很大程度上被春季融雪损失的减少所抵消。在小尺度研究中，高地位置模拟的土壤损失平均为22.6 t ha?1 year?1，而低地位置的数值为2.42 t ha?1 year?1。两个站点均包含大面积易受土壤退化影响的区域（分别为57.8%和38.6%）。气候变化对土壤侵蚀损失相对较小的影响并未削弱乌克兰水蚀问题的严重性，因为大部分领土仍处于高侵蚀风险中。

研究背景与意义

土壤加速侵蚀由气候变化和农业用地需求增长驱动，是导致土壤生产力下降及地球土壤覆盖破坏的最重要因素之一，威胁可持续发展与全球粮食安全，甚至被视为古代文明崩溃的关键诱因。土壤侵蚀控制是土壤科学家、农学家和农民的首要任务，研究人员需要土壤侵蚀损失的定量估算以识别风险区域并监测管理计划成效。现有当前及未来土壤侵蚀速率估算的不确定性往往较高，尤其在小空间尺度上难以识别趋势与因果因素；大尺度估算对地方尺度减缓策略制定常无实用价值。乌克兰作为世界市场主要粮食供应国，耕地广阔且纬度跨度大，利于研究不同气候体制对土壤侵蚀的影响，但其近几十年气候变化使先前估算不可靠。全球土壤侵蚀速率似乎正在加速，耕地尤为脆弱，损失速率超过自然侵蚀15–20倍。研究聚焦水蚀（water erosion），即雨滴和流水直接剥离土壤颗粒并随后将产物搬运出发生区域的剥蚀过程的一部分。当代气候变化导致降雨机制、风暴强度及侵蚀性降雨空间分布改变，结合地形、土壤性质与土地利用，造成难以预测的土地退化速率变化。侵蚀损失估算方法差异显著，不同区域受地形、气候与农业条件影响，年损失及受影响面积差异大，多项评估提出过去20年及未来因耕地扩张与气候变化侵蚀退化增加，也有研究显示因农地重组、保护性耕作及气候变化损失减少。乌克兰土壤侵蚀潜在严重，54.3%国土为耕地，2010年报告称38.4%农地已侵蚀且年增约1%，主要机制为地表水移动（水蚀），在草原与森林草原物理地理带最强烈，该区含约2780万公顷最具价值的黑钙土（Chernozem），进行集约化农业生产。晚期1980年代至1990年代初估算乌克兰耕地侵蚀强度为低地5–8 t ha^?1 year^?1、高地12–30 t ha^?1 year^?1，但基于1946–1990气候数据，1980年代始第二波气候变暖可能使早期估算不可靠。降水与温度均影响侵蚀率，暖季降雨频次强度增加可能加剧侵蚀，冬季温度影响春季融雪时间与规模。上述损失数字代表较大面积（10²–10³ km²）耕地平均速率，所用集总参数模型（lumped parameter models）以大面积平均输入变量与参数运作，无法捕捉土壤侵蚀典型的高小尺度空间变异性。随地理信息技术普及，现已能在坡面、轮作区甚至单田内评估土壤侵蚀损失空间变异性，考虑当前水蚀水文气象条件与农业活动细节。本研究目的首先是评估乌克兰黑钙土带现代土壤水蚀速率变化，比较历史数据以评估近期气候变化影响，在大（区域）尺度关注气候变化、小（集水区）尺度突出当前土壤侵蚀空间变异性。本研究发表于《Land Degradation》。

主要关键技术方法

研究在两大空间尺度开展。大尺度通过比较“现代”（1991–2020）与“基线”（1946–1990）期平均长期水文气象因子值评估气候因子驱动的水蚀强度变化，水文气象因子反映纯气象条件在坡面产沙量，变量含气温、前期土壤湿度、降水层深度与降雨强度，研究覆盖西、中、东、南四区（主要属乌克兰黑钙土带）。小尺度使用物理统计空间分布土壤损失-累积数学模型（PSSEM, physical-statistical spatially distributed mathematical model of soil losses-accumulation）量化当前气候下可比单农场的微小区域侵蚀损失。PSSEM基于“侵蚀因子”乘法，考虑降水（水文气象因子）、土壤抗蚀性、地形（坡度坡长）、轮作与土壤保护措施，水文气象因子分降雨诱导（5–9月）K_HM与春季融雪诱导（2–3月）K_HMS。小尺度研究区为典型森林草原高地（关键站点1，275公顷，坡长690–900 m，坡度1°–2°至6°–8°，典型黑钙土，67.5%面积已侵蚀，全耕种植冬小麦、玉米、大麦、向日葵）与草原低地（关键站点2，3350公顷，77.02%为农地，80.8%为耕地，南方黑钙土，53.8%退化土，51.4%谷物、30.9%向日葵等行作物），基于1:10,000地形、土壤与土地利用图数字化创建30 m栅格像元数字空间数据库。

研究结果

3.1 Large-Scale Changes in Soil Erosion: Changes in Hydrometeorological Conditions for Soil Washout

计算乌克兰各区基线（1946–1990）与现代（1991–2020）期降雨诱导土壤损失水文气象因子（K_HM，公式1）平均长期值。比较显示现代所有区降雨诱导土壤损失强度略超基线期，增幅较小——西与中部9%–10%，东与南部5%。春季土壤损失水文气象因子（K_HMS）直接依赖气温（公式3–5），现代气候期黑钙土带各区均更暖，西、中、东年均温升1.2°C，南部升1.1°C；现代气温升高致西、中、东春季土壤冲刷水文气象因子平均降42%–43%，南部降72%，因水文气象因子与土壤侵蚀损失线性关系，此数值亦表征气候驱动的土壤损失变化。此前乌克兰黑钙土带春季土壤冲刷水文气象因子值为降雨诱导值的10%–30%，现代期变为西12%、中10%、东18%、南3%。综上，现代气候期各区降雨诱导土壤冲刷微增（5%–10%）而春季大幅减（42%–72%）。

3.2 Small-Scale Study of Soil Erosion: Quantitative Spatially Distributed Assessment of Modern Soil Erosion Losses at Key Sites Using PSSEM

使用基于最近气象站1991–2020观测的降雨与春季冲刷水文气象因子值，站点1分别为0.0065与0.0005，站点2为0.0035与0.00007，并考虑现代种植结构与几乎无抗蚀措施，用PSSEM评估。站点1平均土壤损失率22.6 t ha^?1 year^?1，站点2为2.42 t ha^?1 year^?1。按土壤损失等级分布，站点1与2不同等级面积占比各异。依可接受土壤侵蚀速率概念，黑钙土不超2.0 t ha^?1 year^?1不致退化或可补偿，属无侵蚀危险土地。依侵蚀危险分类，站点1无侵蚀危险占42.2%、低15.9%、中12.3%、高10.3%、极高19.3%；站点2无侵蚀危险占61.4%、低23.0%、中9.9%、高4.3%、极高1.3%。

讨论与结论总结

现代气候期（1991–2020）乌克兰降水与气温明显变化，年均温升超1°C，但研究指出这些变化未导致水蚀土壤损失显著变化，因夏季降雨增加损失被春季融雪减少损失大致抵消；大尺度概括须置于小尺度研究揭示的高空间变异性背景下理解。大尺度研究显示降雨与融雪土壤损失变化呈相反趋势：黑钙土带降雨诱导土壤冲刷水文气象因子微增（5%–10%）归因于暖季降水微增（2%–5%），西与中增9%–10%，东与南增5%；反之春季土壤冲刷因显著变暖（均增1.2°C）降42%–72%，但因前期融雪冲刷占总比不超15%–30%，其减少对总损失影响不显著，南乌春季融雪占比降至3%可忽略。大区内春季土壤冲刷现代变化差异大，如南区南北延约220 km，平均降72%，北部降50%–60%，南部约80%；降雨诱导冲刷区内强度变异微（±5%–10%）无明显地带分量。考量降雨与春季损失因子相对权重，年总水文气象侵蚀因子及相较基线的土壤侵蚀损失总年变化为：西与中近零，东降8%、南降1%；此微小变化可比计算误差，现代损失估算中或可不计。小尺度研究显示景观内水蚀高度可变，忽略空间变异性致土地管理结论错误；高地站点1均冲刷22.6 t ha^?1 year^?1，57.8%属极高侵蚀风险，约40%微易感；低地站点2均冲刷2.42 t ha^?1 year^?1，仅38.6%倾向高侵蚀危险，即便如此均值仍超可接受阈值2 t ha^?1 year^?1且局部更高，需重新考量土地管理或退出农耕。结论为：气候变化致土壤侵蚀损失微增甚至微减未削弱乌克兰水蚀问题严重性；关键站点空间分布模型计算显示研究区平均侵蚀速率信息不足，考虑土壤侵蚀损失空间结构对设计坡地侵蚀控制措施至关重要，即使平均冲刷率接近容许水平，大部分领土仍可能处高侵蚀风险。

研究结论翻译：气候变化对土壤侵蚀损失的微小影响（甚至部分地区轻微减少）并未削弱乌克兰水蚀问题的严重性。使用关键站点的土壤侵蚀损失空间分布数学模型计算表明，研究区域的平均土壤侵蚀速率信息量不足。在设计和实施坡地侵蚀控制措施时，考虑土壤侵蚀损失的空间结构至关重要，因为即使平均土壤冲刷速率接近容许水平，大部分领土仍可能处于高侵蚀风险之中。

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