《Journal of Hydrology》：A dual-scale optimization framework linking annual assessment with event-based erosion risk for watershed conservation
编辑推荐：
•多目标框架优化了流域尺度的保护配置。•基于事件的侵蚀约束提高了在水文变化条件下的鲁棒性。•明确量化了土壤、水、碳和成本之间的权衡。•通过增加4%的碳储存，将土壤侵蚀率降低到了13.34%。引言土壤侵蚀对土壤健康、农业生产和生态系统服务构成了根本威胁（Wuepper等人，2020
- •
多目标框架优化了流域尺度的保护配置。
- •
基于事件的侵蚀约束提高了在水文变化条件下的鲁棒性。
- •
明确量化了土壤、水、碳和成本之间的权衡。
- •
通过增加4%的碳储存，将土壤侵蚀率降低到了13.34%。
引言
土壤侵蚀对土壤健康、农业生产和生态系统服务构成了根本威胁（Wuepper等人，2020年）。它导致土壤颗粒和养分的流失，破坏了作物和自然植被的生长环境，并导致大量的土壤碳损失（Alewell等人，2020年；Chappell等人，2016年；Quinton等人，2010年）。全球范围内，严重的土壤侵蚀（>10吨/公顷/年）影响了大约1000万平方公里的地表，占地球陆地表面的7%（Borrelli等人，2017年；Pravalie，2021年）。此外，全球气候变化下极端降雨事件的频率增加，给现有的土壤保护系统带来了严峻挑战。这类事件可能引发灾难性的侵蚀，使长期的生态恢复工作付诸东流。由于自然条件和发展目标的差异，不同地区的土壤侵蚀驱动因素各不相同。因此，预防措施和管理策略也存在显著差异。
为了减轻土壤侵蚀，已经实施了多种土壤保护措施，主要包括植被、工程和农业实践。研究表明，植被通过冠层截留、根系稳定和地表枯落物保护来减弱降雨影响和土壤侵蚀（Guzman等人，2019年；Poesen，2018年；Soriano等人，2023年）。工程措施可以改变地表形态，消散径流能量，并阻碍沉积物运输（Chen等人，2017年）。农业实践通过适当的土地管理和支持措施有效降低了侵蚀率（Panagos等人，2015年）。目前，土壤保护措施的配置遵循三个主要原则：（1）空间布局应满足土壤侵蚀控制的基本要求；（2）植被、工程和农业措施应充分整合；（3）流域内的坡地保护措施和沟壑水力措施应协调一致，形成一个统一的系统。此外，土壤保护措施还提供了多重效益。例如，在减轻侵蚀的同时，这些措施还能改变径流速度和产量（Xiao等人，2010年）。植被措施的实施增强了区域碳封存（Lu等人，2018年；Yang等人，2024年），其土壤保护功能进一步减少了土壤碳损失（Gharibreza等人，2020年）。然而，在关于土壤保护措施配置的研究中，尚未充分结合这些多重效益。
土壤侵蚀模型的建立，如通用土壤流失方程（USLE）和修订后的通用土壤流失方程（RUSLE）（Wischmeier和Smith，1978年；Renard等人，1997年），为量化土壤流失程度提供了坚实的科学基础。在降雨事件尺度上，基于物理的模型（如水蚀预测项目（WEPP）模型）能够预测复杂坡地上的沉积物沉积和产量（Tu等人，2025年）。此外，区域土壤侵蚀回归模型通常基于当地观察或特定地区的综合研究得出（Zhang等人，2025a；Zhao等人，2019年）。生态系统服务与权衡综合评估（InVEST）模型是生态系统服务评估的强大工具（Hu等人，2019年；Huang等人，2022年；Zhao等人，2025年）。该模型的土壤保持模块基于USLE的原则，框架还包括其他服务模块，如水分产量和碳储存。总体而言，大多数研究仍处于评估阶段，对土壤保护措施的空间设计和实施提供的指导有限。
多目标优化是一种平衡多种冲突目标的规划策略，已广泛应用于农业资源利用（Kropp等人，2022年；Pontes等人，2024年；Yue等人，2021年）和流域管理实践（Deng等人，2026年；Wu等人，2025年）。一些研究将多目标问题转化为加权综合得分的优化，从而在约束条件下最大化资源利用效率和整体效益（Zhang等人，2021年）。此外，0-1整数多目标编程在农业种植结构优化中可以解决目标之间的复杂权衡，同时明确推导出流域尺度上的优化措施配置（Hao等人，2025年）。先前的研究已经探讨了土壤保护措施分配的优化。然而，大多数研究主要集中在减少土壤流失上，而对相关的生态系统服务效益（如水分产量和碳储存）的考虑有限（Barneveld等人，2019年；Deng等人，2026年）。此外，使用多目标遗传算法的研究通常以小流域为优化单位来优化坡地上的土壤保护措施（Himanshu等人，2019年；Naseri等人，2021年）。然而，这些方法往往忽略了各个流域内保护措施的空间配置。其他研究采用了GIS辅助的土地利用重新分配（Gao等人，2010年）。然而，这些方法严重依赖于主观的土地利用调整，并未直接优化土壤保护措施的配置。
中国黄土高原是一个理想的试验场，用于应对这些挑战。作为全球侵蚀最严重的地区之一，这里资源开发与环境保护之间存在尖锐冲突。该地区以广泛的侵蚀区、高侵蚀强度和大量的沉积物损失为特征（Shi等人，2018年）。为了控制土壤侵蚀，政府推广了小流域（通常面积小于50平方公里）管理，并实施了大规模生态恢复计划，包括“ Grain for Green Program”和“Three-North Shelterbelt Program”（Fu等人，2017年）。近几十年来，这些干预措施在该地区的土壤保护、植被恢复和生态系统服务提供方面取得了显著改善（Bai等人，2026年；Fu等人，2022年）。然而，极端降雨事件引发的局部生态系统服务不平衡和严重侵蚀仍然是该地区持续存在的挑战，这也反映了全球脆弱生态系统普遍面临的问题。
为了进一步提高关键生态恢复流域中土壤保护措施的设计效率和多功能效益，本研究整合了RUSLE、InVEST模型、0-1整数多目标编程方法、AHP-TOPSIS方法和二次元元分析，提出并应用了一种新的多目标优化框架。所提出的方法通过以下方式改进了现有方法：（1）在高分辨率网格尺度上明确解决土壤保持、水分产量、碳储存、土壤碳损失和实施成本之间的空间不匹配和权衡；（2）通过引入基于事件的土壤流失模型，建立了一种新的年度-事件双重验证机制，提供独立验证和补充优化，确保极端降雨下的侵蚀严格低于容忍阈值。该研究主要包括三个部分：（1）土壤保护措施效益的评估；（2）配置的多目标优化；（3）优化框架的性能评估。
章节片段
研究区域
作为研究区域的 Zhujiayu 流域是晋中黄土高原 Xinshui 河流域的一个子流域（图1）。Xinshui 河是黄河的一级支流，其流域位于山西省吕梁山脉的南端，面积为4326平方公里。该地区的年平均降水量为526毫米，降雨主要集中在7月至10月之间。海拔范围从682米到2005米不等。
土壤保护措施的现状
图2展示了黄土高原 Zhujiaju 流域目前土壤保护措施的效益状况。该流域的平均土壤侵蚀模数为4,885.73吨/平方公里/年，表明侵蚀严重。土壤损失严重的区域主要集中在流域的东北部和沟壑的西侧。森林、草地和耕地的平均土壤侵蚀率分别为77.51吨/平方公里/年、6,286.56吨/平方公里/年。
Zhujiayu 流域的现状
本研究指出，Zhujiayu 流域遭受严重的土壤侵蚀。具体而言，48.66%的面积年土壤流失量超过1000吨/平方公里/年；在一年中最大的降雨事件下，18.30%的面积超过了降雨事件的容许土壤流失阈值，突显了该小流域土壤侵蚀的严重性。土壤侵蚀主要集中在草地和耕地上，而森林地的侵蚀率相对较低。
结论
本研究提出了一个用于流域尺度上土壤和水资源保护措施配置的多目标优化框架。通过整合RUSLE、InVEST、0-1整数编程和基于事件的侵蚀风险约束，该框架能够确定平衡土壤保持、水分产量、碳储存和经济效益的保护配置。我们在黄土高原一个严重侵蚀的流域中的应用取得了一些重要的科学成果。
CRediT 作者贡献声明
Xinyu Zhang：撰写——初稿编写、可视化、验证、数据分析、概念化。Fan Zhang：撰写——审稿与编辑、监督、软件开发、项目管理、方法论。Shouhong Zhang：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金筹集。Yufei Ren：撰写——审稿与编辑、监督。
未引用文献
Terrer等人，2021年；Xu等人，2018年。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（编号：2023YFF1305101）的支持。
Xinyu Zhang|Fan Zhang|Shouhong Zhang|Yufei Ren
