地貌依赖性与时间不稳定性：中国西南喀斯特地区农田弃耕的土壤保持效应并非单调正向

《Environmental and Sustainability Indicators》：Geomorphic Dependence and Temporal Instability: Soil Conservation Effects of Cropland Abandonment Are Not Monotonically Positive in Southwest China Karst

　　

以中国西南喀斯特地区为研究区，本研究利用2000–2023年中国土地覆盖数据集（CLCD）识别2000–2020年农田撂荒起始时间。研究人员采用土地利用轨迹追踪法识别农田撂荒过程，并运用InVEST模型模拟土壤保持功能。随后，研究人员对比撂荒与非撂荒农田，以评估不同地貌背景下土壤保持的空间异质性与时间不稳定性。结果表明：（1）2000–2020年，年新增撂荒农田面积介于273,227.49–2,584,205.28 hm²之间，年撂荒率为0.889%–8.415%；两者均于2018年达到最小值、2020年达到最大值。空间上，撂荒集中于贵州、滇东和桂西北的山地丘陵区；（2）研究期间，区域平均土壤保持量由11.48 t·km^-2·a^-1降至8.32 t·km^-2·a^-1，总体下降约27.5%；最低值区面积由9.4%增至26.9%；（3）2001–2018年间，撂荒农田的土壤保持量普遍高于非撂荒农田，差值介于3.66–15.47 t·km^-2·a^-1；然而在2019–2020年，该趋势发生逆转，差值分别降至?1.20和?0.33 t·km^-2·a^-1；（4）撂荒效应随地貌背景存在显著差异：在低海拔冲洪积平原（LAAP）差值最高（6.83 t·km^-2·a^-1），而中高海拔高起伏地形（MHHRT）表现出负效应（?1.10 t·km^-2·a^-1）。这些发现表明，中国西南喀斯特地区农田撂荒的土壤保持效应高度依赖于地貌条件，且具有时间不稳定性；撂荒面积增加并不一定带来生态效益增加。本研究有助于深入认识复杂地貌背景下生态效应的变异性，并为喀斯特地区生态修复与土地利用优化提供科学参考。

论文解读

随着城市化推进、农村劳动力转移以及农业比较效益下降，农田撂荒已成为全球土地利用变化的重要现象，并持续影响区域生态系统结构与功能。已有研究多认为撂荒通过减少人为干扰和促进植被恢复而改善生态系统服务，但越来越多的证据表明，撂荒的生态效应在方向和强度上均受区域环境条件制约，并非总是稳定或正向。中国西南喀斯特地区作为世界最大且最典型的湿润亚热带喀斯特集中分布区，地形破碎、土层浅薄、基岩裸露，具有显著的地表-地下双重水文结构，生态系统高度敏感。近年来，受劳动力外流和政策驱动，该区撂荒面积大幅增加，而复杂的地貌条件可能进一步调节撂荒后生态恢复向土壤保持效益的转化过程。然而，现有区域尺度研究较少关注复杂地貌背景下撂荒对土壤保持功能的长期动态影响，尤其缺乏对不同地貌类型下撂荒效应空间分异和时间稳定性的系统评估。为此，研究人员以中国西南喀斯特地区为研究区，利用2000–2023年中国土地覆盖数据集（CLCD）识别2000–2020年撂荒起始时间，结合土地利用轨迹追踪法和InVEST模型模拟土壤保持功能，对比撂荒与非撂荒农田的差异，并进一步分析不同地貌类型下该差异的时空变化，以检验撂荒效应是否具有地貌依赖性和时间不稳定性。

研究发表于《Environmental and Sustainability Indicators》。其核心发现是：撂荒的土壤保持效应并非单调正向，而是强烈依赖于地貌条件，且随时间发生波动甚至逆转；撂荒面积增加并不必然带来生态效益增加。这一结论为喀斯特地区差异化的生态修复和土地利用管理提供了科学依据。

在技术方法上，研究人员使用CLCD数据集（30 m空间分辨率）和土地利用轨迹追踪法，将连续三年由耕地转为非耕地的像元判定为撂荒；基于InVEST模型的泥沙输移比（SDR）模块，应用修正通用土壤流失方程（RUSLE）模拟2001–2020年逐年土壤保持量，关键因子包括降雨侵蚀力（R）、土壤可蚀性（K）、坡度坡长（LS）、植被覆盖与管理（C）和水土保持措施（P）。模型验证采用中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站和普定喀斯特生态系统观测研究站的径流小区实测数据，整体决定系数R²为0.78。地貌类型数据用于分层统计不同地貌单元下撂荒与非撂荒农田的土壤保持差异。

研究结果包括以下几方面：

（1）2000–2020年中国西南喀斯特地区农田撂荒时空特征。通过逐年像元轨迹识别和撂荒率计算发现，年新增撂荒面积介于273,227.49–2,584,205.28 hm²，年撂荒率介于0.889%–8.415%，两者在2018年最低、2020年最高。2015–2020年是撂荒事件最集中时期，占总撂荒面积的41.1%。空间上，撂荒呈带状和斑块状镶嵌分布，集中分布于贵州、滇东和桂西北的山地丘陵带及其过渡区。

（2）2000–2020年土壤保持功能的时空演变。基于InVEST模拟和等级转移矩阵分析，区域平均土壤保持量从2000年的11.48 t·km^-2·a^-1降至2020年的8.32 t·km^-2·a^-1，降幅约27.5%，Sen斜率为?0.172 t·km^-2·a^-2。最低值区面积从9.4%增至26.9%，高值区面积从28.4%降至14.1%。等级转移分析显示，低等级和高等级区域稳定性较高，而中高等级区域整体向低等级转移，表明土壤保持功能呈退化趋势。

（3）撂荒与非撂荒农田土壤保持差异的时序变化。通过逐年提取两类农田的土壤保持值并计算单位面积差值（ΔSC），发现2001–2018年撂荒农田土壤保持均值始终高于非撂荒农田，ΔSC为3.66–15.47 t·km^-2·a^-1；但2019和2020年ΔSC转为负值（分别为?1.20和?0.33 t·km^-2·a^-1），指示后期撂荒组平均土壤保持低于非撂荒组。分布对比显示，2001年和2010年撂荒农田分布整体更高更宽，而2020年两组中位数和四分位距趋于重叠。

（4）不同地貌条件下撂荒土壤保持效应的空间分异与时间波动。对11种地貌类型进行空间叠加统计，大多数地貌类型中撂荒农田平均土壤保持量高于非撂荒农田，低海拔冲洪积平原（LAAP）、低海拔低起伏山地（LALM）和低海拔中起伏山地（LAMM）的ΔSC较高，分别为6.83、5.87和6.27 t·km^-2·a^-1；而中高海拔高起伏地形（MHHRT）是唯一呈现负效应的类型，ΔSC为?1.10 t·km^-2·a^-1。时间上，2000–2018年多数地貌类型ΔSC以正值为主，但2018–2020年多种中高海拔类型接近零或转为负值，表明撂荒效应在后期出现普遍减弱或逆转。

讨论部分指出，撂荒土壤保持效应的地貌分异与地形条件、地表稳定性和生态恢复背景密切相关。低海拔低起伏区域地形平缓、土壤连续性好，植被恢复易形成稳定覆盖，因而正向效应较强；而中高海拔高起伏区域坡陡、土浅、基岩裸露，径流和侵蚀力可能超过早期植被恢复的保护作用，导致效应减弱甚至为负。2019–2020年ΔSC的逆转与异常水文气候条件及新增撂荒地块的组成变化有关，但尚不能归因为撂荒直接降低了土壤保持。与以往研究相比，本研究强调撂荒效应不是稳定正向过程，而是受地貌背景和时间阶段共同调节。政策上建议将撂荒纳入国土空间规划和生态修复框架，结合永久基本农田保护、生态保护红线和“三区三线”管控，实行差异化策略：低海拔低起伏区域在确保粮食生产前提下可优先自然恢复；高海拔高起伏敏感区则需辅以人工干预的综合治理。

研究结论部分翻译如下：基于CLCD和InVEST模型对2000–2020年的分析，本研究系统揭示了中国西南喀斯特地区农田撂荒过程及其土壤保持效应，并进一步阐明了不同地貌类型下撂荒生态效应的空间异质性与时间不稳定性。年新增撂荒面积波动剧烈，集中于山地丘陵区；区域平均土壤保持量呈波动下降趋势，由2001年的11.48 t·km^-2·a^-1降至2020年的8.32 t·km^-2·a^-1。2001–2018年撂荒农田平均土壤保持量总体高于非撂荒农田，但2019–2020年ΔSC转为负值。然而，撂荒的生态效益并非在所有地貌类型中稳定一致：不同地貌类型间的土壤保持效应差异显著，低海拔低起伏区域通常具有较高ΔSC，而部分中高海拔高起伏区域表现出较弱甚至负效应；研究后期部分地貌类型的ΔSC进一步下降甚至转为负值，表明撂荒相关生态效应存在显著的时间不稳定性。总体而言，中国西南喀斯特地区农田撂荒的土壤保持效应具有强烈的地貌依赖性和动态变异性，撂荒面积增加并不必然对应生态效益增加。因此，未来喀斯特地区的生态治理和土地利用优化应更加重视不同地貌条件下撂荒效应的差异，并实施更精细、差异化的生态管理策略。