利用耦合动态植被演化模型，有望减少未来中国土壤侵蚀现象，从而缓解植被恢复带来的积极影响

《Environmental Impact Assessment Review》：The potential alleviation of vegetation restoration on future soil erosion in China using a coupled dynamic vegetation evolution model

　　摘要：中国的土壤侵蚀模式正在受到气候变化和植被动态相互作用的影响而发生改变，然而大多数研究仅关注单一驱动因素，忽视了植被动态与侵蚀之间的反馈机制。本研究使用动态植被模型LPJ-GUESS模拟了2021年至2050年中国潜在自然植被（PNV）的演变，并将这些预测结果整合到中国土壤流失方程（CSLE）中，以估算未来降雨条件下的土壤侵蚀情况。该框架能够识别气候驱动的植被动态和降水变化对侵蚀模式的综合影响，同时量化生态恢复区内植被系统在气候变化背景下减缓侵蚀的潜力。预计降水量增加将导致平均侵蚀率上升0.011 τ·hA^-1·yr^-1，而气候驱动的植被增长则使大多数地区的PNV叶面积指数增加，从而减轻了0.001 τ·hA^-1·yr^-1的侵蚀。在生态恢复区内，气候变化和气候驱动的PNV增长的综合效应使得侵蚀率降低了0.007 τ·hA^-1·yr^-1。侵蚀热点区域从传统的高风险区向新兴风险区转移，新的热点集中在长江中下游盆地、湖北-安徽山区以及成都-重庆都市圈，而在西北山区和部分东北地区，随着PNV的恢复，侵蚀热点有所减弱。通过量化潜在植被恢复所驱动的侵蚀减少程度及其空间动态，本研究为优先考虑区域土壤保护战略提供了基于过程的定量依据，并支持在气候变化下的主动管理。

引言：土壤侵蚀是对全球生态安全的主要威胁，会导致土地退化，损害生态系统服务和粮食安全（Amundson等，2015；Li等，2026）。每年全球有超过750亿吨表土流失，大约30%的耕地遭受不同程度的退化，这对农业可持续性和人类福祉构成风险（Pimentel和Burgess，2013）。作为一种广泛实施的基于自然的侵蚀控制措施，植被恢复已被证明在区域和流域尺度上具有显著效益（García-Ruiz等，2015）。植被通过拦截降雨、减少地表径流和改善土壤结构来减少侵蚀，从而增强水文调节和土壤水资源保护（Li等，2021a）。来自中国的证据表明，植被恢复显著减少了土壤侵蚀：2000年至2019年间，国家项目避免了约7.29±1.01Pg的土壤流失，带来了2430亿至259亿美元的经济效益；其中约85%的土壤保持效益来自两个旗舰项目（Zong等，2025）。植被恢复还带来了碳汇的附加效益：2001年至2010年间，项目区域平均每年产生132 Tg碳汇，其中56%归因于六个国家级植被恢复项目（Lu等，2018）。在撒哈拉以南非洲，结合恢复的植被带和传统保护措施可以减少13-71%的地表径流和39-83%的土壤流失，同时提高作物产量（Mekuria和Aynekulu，2013）。这些证据表明植被恢复在侵蚀控制中起着重要作用。因此，需要定量评估恢复效果，以支持选址、投资决策和生态工程中的效益核算。尽管植被恢复在减轻土壤侵蚀方面的有效性已有充分记录（Wu等，2020；Deng等，2014），但气候变化——包括降水量增加、极端事件频发和气候变暖——正在重塑植被物候、群落组成和空间分布，从而导致侵蚀控制潜力的空间异质性和不确定性（Reichstein等，2013；Bejagam等，2024）。不同的气候区和植被类型对变暖、降水重新分布和极端事件的响应方式和敏感度各不相同（Breshears等，2009；Anderegg等，2016；Keenan等，2023；Zhu等，2016）。一项全球综合研究指出，植被-气候耦合存在显著的空间差异：在温暖干燥的气候中，水分可用性限制了植被生长和生产力（如NPP、LAI），而在寒冷气候中，温度起主要控制作用——这一发现与其他研究一致（Higgins等，2023；Li等，2022）。这种复杂且空间变异的植被-气候响应挑战了统计或基于回归的经验方法，这些方法往往无法捕捉到大尺度上的异质性和非线性相互作用。植被动态的不确定性可能会削弱大规模土壤侵蚀模拟和预测的准确性（Schürz等，2020；Zhuang等，2021；Richardson等，2011）。对于计划中的恢复项目而言，这种不确定性尤为重要。由于许多恢复区受到法律保护且受到较少的人为干扰，它们的气候驱动轨迹可能会主导生态系统结果（Monzón等，2011；Monzón等，2011；Hogan等，2024）。因此，评估气候变化下大规模恢复方案的演替轨迹及其对土壤侵蚀的加剧或缓解程度仍然是一个重要的理论和方法学挑战。近期研究评估了植被（Li等，2022）、降水（Luo等，2023）和土地利用/土地覆盖（LULC）变化（Ma等，2024；Wang等，2023）在水蚀中的作用。在过程层面，实验和机制研究阐明了植被如何通过冠层拦截、根系增强、改善土壤结构和增强渗透作用来减轻侵蚀，这些研究为大规模模型提供了关键参数和校准目标（Li等，2022；Thompson等，2010）。在更广泛的尺度上，实证和半实证模型——如CSLE、RUSLE和USLE——结合遥感和气候数据，已被用来量化时空植被变化如何调节区域土壤侵蚀动态（Xiong等，2023；Li等，2023；Borrelli等，2017；Almagro等，2019；Zong等，2025）。同时，预计气候变暖将增加降雨侵蚀性并改变未来的侵蚀模式（Panagos等，2022；Borrelli等，2020）。到2050年，欧盟和英国的土壤流失预计将增加约13-22.5%，这主要是由于气候驱动的降雨侵蚀性增强（Panagos等，2021）。在中国，最近的分析区分了“普通”降水和“极端”降水在塑造未来侵蚀风险中的作用（Yin等，2025），对山区水库地区的评估表明，退耕还林项目对于稳定风险越来越重要，尽管预测结果受R因子参数化的影响（Luo等，2023）。然而，许多前瞻性研究仍然将气候和植被作为独立变量进行建模，忽略了气候驱动的植被动态和反馈机制。为了解决这个问题，最近的研究通过建立统计或回归模型来预测未来的植被因素，然后使用这些预测因素来驱动未来土壤流失情景的预测模型（Pinson和AuBuchon，2023；Lai等，2024；Qiao等，2024）。尽管这些实证-统计方法适用于大规模评估，但它们未能捕捉到气候变化下植被的复杂演替动态，从而在完全量化未来恢复的侵蚀缓解潜力方面存在实质性差距。总之，气候驱动的植被时空分布变化在全球（Xiong等，2023；Borrelli等，2017）、区域（Li等，2023；Zong等，2025）和局部尺度（Almagro等，2019）上已有充分记录。然而，大规模恢复项目中植被的气候响应性及其可能对土壤侵蚀的缓解或加剧作用尚未得到充分量化。这种量化的一个主要挑战是，实际恢复结果常常受到复杂人为干预和管理强度的干扰。为了解决这一差距，我们将潜在自然植被（PNV）纳入Lund-Potsdam-Jena通用生态系统模拟器（LPJ-GUESS）动态植被建模框架，模拟 China 的未来PNV轨迹，从而量化植被动态如何在变化的气候下调节侵蚀。然而，LPJ-GUESS框架——与大多数DGVMs一样——主要设计用于模拟植被对预设气候强迫的响应；它并不动态地表示植被对区域降水模式的反馈（Franks等，2024）。因此，我们将LULC视为常数，并将预测的侵蚀变化归因于气候强迫和模拟的PNV动态。PNV表示在没有长期人为干扰的情况下，在当前气候、土壤和地形条件下可以达到的“自然成熟”植被状态（Küchler，1964；Ramankutty和Foley，1999；Hengl等，2018）；在这里，我们采用PNV作为植被恢复演替潜力的代理。我们专注于SSP2-4.5气候情景下的中国，将LPJ-GUESS与CSLE结合，创建了一个综合框架，系统地评估植被恢复中的PNV及其减缓土壤侵蚀的潜力。我们特别关注中国的三个主要国家级生态保护区，包括退耕还林项目。这些项目代表了旗舰生态保护区，其长期的受保护状态减少了直接人为干扰，使其成为考察气候驱动的PNV轨迹和相关生态系统效益的理想对象。需要明确的是，本研究评估的是在没有人为干扰条件下通过自然植被演替可实现的最大潜在效益，而不是预测实际工程项目在面临实际管理限制时的有效性。它们的空间范围已在多个先前的评估研究中得到成功应用（Liu等，2018；Fu等，2023）。通过将基于过程的植被动态与CSLE相结合，本研究为区域尺度上的气候-植被-土壤耦合提供了机制洞察，并为气候适应性生态工程和有针对性的土壤水资源保护策略提供了定量证据。

研究区域：中国位于欧亚大陆的东缘和太平洋的西边，总面积为9.60×10^6平方公里。该国涵盖了从寒冷温带和温带到亚热带和热带的各种气候带，并具有多样的地形，包括高原、高山、丘陵、平原和盆地。这种复杂性导致了生态系统类型的镶嵌和强烈的空间异质性，从干旱和半干旱的沙漠-草原系统到...

方法：我们对LPJ-GUESS v4.1进行了参数化，以适应中国的情况，并扩展了植物功能类型（PFTs）的集合。该模型使用2001-2020年的MODIS-LAI数据进行了验证，然后用于模拟2021-2050年SSP2-4.5情景下的PNV-LAI时间序列和空间模式。我们使用冠层辐射传输方法将PNV-LAI输出转换为植被覆盖分数（FVC），并从FVC计算出B因子（CSLE中使用的与植被相关的因子）。利用这些输出，我们实施了...

植被恢复及其在中国2001至2020年土壤侵蚀减缓中的作用：从2001年到2020年，中国的全国植被覆盖率呈上升趋势。MODIS观测显示，大多数地区的LAI有所增加（见图2a中的绿色区域）。全国平均年增长率为0.0072 yr^-1，累计增加了约0.14（见图2b，其中绿色三角形代表年平均变化率）。实施大规模生态恢复项目的地区通常表现出更明显的植被恢复趋势（见图2...）

植被恢复项目实施中的不确定性：本研究在全国尺度上整合了气候-植被-侵蚀耦合，并提出了一个模拟和预测未来情景下土壤侵蚀的框架。结果表明，在预计降水量增加的情况下，植被系统可能会继续绿化（更高的PNV-LAI），其在侵蚀控制中的作用可能会增强。然而，中国的气候和地形结构意味着不同地区的植被恢复适宜性存在差异...

结论：在全球气候变化和植被系统耦合动态的背景下，土壤侵蚀风险的空间时间模式正在发生变化。总体而言，尽管未来降水量预计会增加，从而加剧土壤侵蚀，但气候驱动的植被增长显著提高了中国大部分地区的PNV-LAI。这种增长提供了对增强降雨侵蚀性的生态缓冲作用，并推动了侵蚀风险从传统高风险区的迁移...

利益声明：作者声明没有利益冲突。

致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金（U2240222）和湖北省自然科学基金联合计划（2026AFC1126和2025AFD385）的支持。

作者：Luhan Yang | Wenyu Chu | Wenting Zhang | Lele Zhang | Bo Huang | Zhen Wang | Tianwei Wang | Xihua Yang | Yulun Wu
华中农业大学资源与环境学院，武汉430070，中国