10 年,全球水土保持学科研究进展!

gexiaofeng 通知公告 2018-11-05 290 0

水和土是人类赖以生存的物质基础,是发展工农业生产的重要因素。然而,世界各国在发展工农业生产和基本建设时对于自然的破坏,给人类生存留下两大难题:环境污染与水土流失。 据联合国 《世界土壤资源状况》(2015)报告,世界上大多数土地资源状况仅为一般、较差或很差。更多实例显示,土壤恶化的速度远超其改善的速度,全球土壤整体面临着土壤侵蚀、土壤有机碳丧失、土壤生物多样性丧失等 10 大威胁。威胁土壤的主要原因是人口增长、城市化和气候变化,而这些因素预计将在未来几 10 年里继续存在。 需要特别强调的是,报告中出现的 “土壤威胁” “土壤安全”等名词很少在目前的土壤学教科书中介绍,因而,当下乃至今后的若干年,10 大“土壤威胁”将是全球水土保持研究工作者的重要研究内容。

水土保持学科研究主要内容

01

全球气候变化、人类活动、

荒漠化及相互关系研究

全球气候变化、人类活动、荒漠化,相互间及三者之间的关系,以及随之引起的环境变化、生态影响与管理措施研究,是近 10 年水土保持学科研究的重点、热点内容之一。来自全球不同国家与地区的研究表明,在全球环境和气候多变的背景下,全球人口、自然资源、植被格局、土壤属性、耕作系统、农业生产、粮食安全和生态系统都会难以避免受到影响,并逐渐发生一系列适应性改变。

1.1 气候变化对荒漠化影响

气候变化对荒漠化的影响体现在多个方面。基于气候变化的荒漠化脆弱性研究表明,干旱加剧使荒漠化的脆弱性日益严重; 气候变化可能会加速沿海地区的沙漠化、增加潜在的侵蚀率并使农业生产力下降 10%至 20%(极端情况下更多)、导致某些地区温度升高、蒸散和降水减少、增加某些地区地下水水位下降和持续的荒漠化趋势。不难看出,气候变化使土壤潜在侵蚀率增加,荒漠化加剧。这些都对现有水土保持策略理念和实践提出挑战。

1.2 人类活动对荒漠化影响 

人类活动对于全球荒漠化的影响是多重的。例如,人类活动的干扰可能会使石漠化恢复过程缓慢,甚至可能会扩大;人类不正确的旱地耕作技术增加了土壤可蚀性而致使土地趋于干旱,干旱既减少了土壤的内聚力使土壤更加易受侵蚀,又减少了土地覆盖,使土壤易受风动而缺乏保护,最终导致水土流失并可能致使沙尘暴发生。造林是人类活动在地球上最伟大的生态工程,但造林工程对于防治沙漠化的效果或作用研究未达成共识。来自中国三北防护林的研究发现,尽管中国三北防护林从四期工程开始就明确提出以防沙治沙作为主攻方向,以抗击荒漠化为目的,然而鲜有报告评估其成功,造林的低存活率实际上加剧了干旱和半干旱地区的环境退化,生态系统恶化,认为三北防护林项目的真正意义应该重新评估。针对性的研究认为,荒漠化是地球生物物理学过程、地球生物化学循环和地理生物社会关系的复杂组合,必须用综合旱地发展范式(DDP)加以控制。由于旱地生态系统的复原力薄弱,造林不是唯一的,而是促进生态系统恢复的一项有效措施。尽管由于种种原因而造成不佳结果,但森林生态项目无疑为防治荒漠化作出了巨大贡献,因此已成为旱地可持续发展的重点。上述研究表明,人类不正确的土地利用方法与耕作技术加剧了水土流失,农业和畜牧业规模扩张增加了土壤可蚀性并导致大量土壤侵蚀,土壤保护措施的松懈还可能进一步阻碍经济发展。尽管防护林防治荒漠化的效果有必要进一步进行研究以达成共识,但造林工程对于防治沙漠化与保护生态系统的贡献有目共睹,不能因为个别原因以偏概全。必须承认,先进的土地管理技术与有效的土壤侵蚀防治方案相结合,有利于控制土壤侵蚀与防治水土流失,促进经济复苏与发展。

1.3 气候变化和人类活动对荒漠化

发展的共同影响 

无论是气候变化与荒漠化之间,还是人类活动与荒漠化之间的关系研究,都是单向或双向的因果研究与分析,毫无疑问,这将为今后水土保持研究中荒漠化治理提供理论依据与方法借鉴。对 WOS 中相关国际论文的分析可以发现,研究气候变化与人类活动在荒漠化中的共同影响与作用,并进而研究荒漠化动态及其驱动机制、荒漠化的潜在逆转、生态影响、管理措施和治理方法, 是这 10 年研究的重点与热点。 相关研究方法包括:

1)建立关系模型。基于生态系统变化因素和荒漠化原因,建立模拟植物群落关键参数的单元过程模型、具有综合时空特征的统计植被-气候关系模型等。前者考察在仅考虑气候条件下,植被群落的模拟 NPP 和 FPC 变化趋势、分析气候变化与人类活动在荒漠化进程中的影响与作用,并基于此提出可持续环境管理措施。后者则对气候变化与人类活动在沙漠化动态中的相对作用进行网格尺度的定量判别,以此研究地区沙化空间格局。

2)定量评估。目的是多尺度定量评估气候变化和人类活动在荒漠化中的相对作用以澄清荒漠化原因。净初级生产力( NPP)作为一种定量研究指标,被选择作为衡量气候变化和人类活动在荒漠化中相对作用的共同指标,作为分析荒漠化动态及其影响因素的指标。

3)多学科研究与综合管理。研究认为,气候变化、干旱和荒漠化是密切相关的,而且主要依赖自然资源的人口最强烈地感受到这些影响。在荒漠化背景下应对气候变化的新方法,有必要思考与联合国环境公约有关的内容以确保政策支持,需要改进综合的生物物理和社会科学方法,侧重于多重协同作用和跨部门战略,以及加强在科学政策方面的交流,并在此基础上研究气候变化与沙漠化之间的双向互动,研究并评估国际和国家政策在国家支持地方这一层面的战略适应程度,研究区域气候、生态系统、水文系统和社会结构的不稳定对邻近土地和全球社会产生的影响,以及需要采取的干预措施。

4)旱地发展范式研究与实践。针对千年来全球旱地面临的大量问题,以及由这些问题带来的艰苦研究、管理和政策挑战,十多个国家的科学家在回顾了有关旱地生态系统功能和居民生活系统的最新经验后,引入了一个新的,包含概念和实践模板在内的综合框架—旱地发展范式(Drylands Development Paradigm,DDP)。有证据表明,DDP 帮助解决了荒漠化和旱地开发固有的复杂性,确定并综合了那些与研究、管理和政策相关的重要因素。旱地发展范式随之被应用于多个国家、不同研究方法和管理政策框架、不同可持续发展系统与学科领域。研究人员基于 DDP 研究牧场的退化和恢复过程;基于 DDP、联合国粮农组织旱地退化评估方法、世界养护方法与技术,提出了一个包含 4 个一般主题的混合方法框架,以确保土地退化监测和评估(M&A)准确并使可持续土地管理(SLM)有效;将 DDP 范式与 Holling’s 自适应周期隐喻和弹性理论结合,以研究评估半干旱地区社会生态系统(DSES); 在 DDP 五项原则背景下, 评估不同时期的quesungual 农林复合系统(qsmas);利用 DDP 对墨西哥立法的可持续性概念进行分析等。可以看出,DDP 的研究与提出,不仅仅是给全球荒漠化研究与治理提供了一个整体概念和一个实践模板,它还可以是其它模型或方法的组成单元,延伸拓展到其它学科领域的研究等。研究规划人员利用这个综合全球监测和评估方案,帮助执行相关政策,以期有效解决全球荒漠化问题。

02

土壤侵蚀建模(包括经验模型

和物理模型)研究


土壤侵蚀的产生是多种自然和社会因素相互作用、相互制约的结果。由上述二者构成的自然地理环境,直接和间接地影响到侵蚀类型和类型分异的复杂性。土壤侵蚀因素的多面,给水土保持工作带来巨大挑战,研究工作者也因此从多角度对水土流失治理进行研究,如水保工作亟待解决的问题和详细建议、采取多学科综合方法研究并解决水侵蚀和营养运输研究中的理论、方法和实际问题、研究植物根系对边坡稳定性和土壤侵蚀控制的贡献度、建立植被覆盖层治理退化土壤、基于碳汇理论研究长期放牧与碳汇以及降水量关系以完善牧场陆地碳储存等等。其中土壤侵蚀建模是水土流失治理主要的研究内容之一。

1)气候模型。

如上文提到的利用多个关键参数建立研究气候变化与人类活动在沙漠化过程中相对作用的模型,在遭受严重土壤侵蚀的半干旱生态系统中,为分析生态系统对土壤侵蚀和气候变化的影响应用的仿真模型。

2)水侵蚀模型。

水侵蚀对世界各地农业生产、基础设施和水质造成的影响巨大。研究认为,基于各种水侵蚀的研究模型,应考虑水蚀不同诱因(例如灌溉或雨水),针对不同流域土壤侵蚀进行。水蚀预报项目 (WEPP) 是美国 1985 年开发的一个基于经验的侵蚀预测技术,是渗透、径流、降雨、小流域坡面等常见应用模型。随着水蚀研究的深入与技术发展,WEPP功能不断得到增强及改进 。 采用 GIS 技术处理区域尺度上的合理空间分辨率数据并应用于 RUSLE 模型,也是研究土壤水蚀的常用方法。

3)风蚀方程。

风蚀方程(weq)是美国农业领域模拟风力侵蚀的风蚀预测模型,对风力侵蚀预测系统(WEPS)的持续研究,改进了早期的风蚀预测模型,集成了许多基于流程的特性和其他任何风蚀模拟模型中无法提供的功能。

4)泥石流模型。

泥石流是一种具有突然性、流速快、流量大和破坏力强等特点的土壤侵蚀类型,因此,泥石流研究模型通常基于物理方法,以比较研究泥石流敏感性、或通过降雨类型预测泥石流、利用二维泥石流及新改进的广义二相泥石流模型,描述泥石流动力学、 颗粒和分散的流量, 泥沙及相关现象。

5)植被覆盖-土壤侵蚀关系模型。

植被在控制土壤侵蚀中起着重要作用, 对土壤风蚀也有着强烈的影响。对植被与土壤侵蚀的动态模拟及其相互作用研究,有助于更好地了解植被与土壤侵蚀之间的关系, 指导土壤和水资源保护规划。相关研究模型有植被覆盖度和土壤侵蚀量估算模型、分布式土壤侵蚀模型、植被覆盖和不同耕作措施对土壤侵蚀影响模型、植被存在下新的非平衡风蚀模型。

6)多模型结合。

如 watem - sedem 模型。为更好量化侵蚀率和全球变化对侵蚀的影响,该模型基于经验修正的通用土壤流失方程( RUSLE),结合了多个独立模型建立, 以预测区域尺度的土壤侵蚀和/或沉积物产量。

综上所述,建模是各种土壤侵蚀研究预测及治理的重要方法,不仅研究模型多,而且涵盖面广,主要采用 RUSLE、WEPP、分布式、二维模型方法或综合方法等, 有经验模型也有物理模型。 相对而言, 与气候、水力、风成、泥石流、植被覆盖相关的模型又是其中的主要研究模型。

03

土壤侵蚀所造成

的环境与生态影响评估

土壤侵蚀所造成的危害众所周知,最直接就是对环境与生态的破坏与影响,因此,基于土壤侵蚀治理进行环境与生态影响评估,有利于科学、有针对性地开展水土保持工作。

3.1 基于模型与指标的评估方法

修正的通用土壤流失方程模型( RUSLE)被广泛应用于估算土壤流失。分布式土壤侵蚀模型、分布式生态水文模型分别用于评估植被覆盖和不同耕作措施对土壤侵蚀的影响,模拟和评价水土保持生态水文的影响。研究表明,评估土壤监测的基线和阈值需要精确的土壤损失和土壤发生的空间数据;森林大火会引起一系列侵蚀以及后续对人类景观的影响,需要将森林大火后土壤肥力、植被影响、土地退化等过程和影响进行综合评估; 在半干旱地区评价区域荒漠化或恢复度及对土壤侵蚀的影响需依据气候和人为因素(如人口规模、降雨量), 因此,常基于指标监测土壤侵蚀以评估环境与生态影响。另外,监测评价土壤侵蚀的示踪方法对于农业生产具有重要意义,而研究发现,稀土元素(REEs)被证明是土壤侵蚀和聚集的理想示踪物。

3.2 基于现代化技术与设备的评估方法

为观测并尽早发现土地退化与荒漠化问题,遥感监测方法成为发展监测系统的一个重要选择,这将有助于今后基于植被指数数据评估土地退化和荒漠化。卫星遥感技术的应用使得研究人员可以通过卫星提供的空间数据来进行区域尺度的水侵蚀评估及卫星影像判读,基于 MODIS 卫星影像的荒漠化模糊数学模型评价与监测土地覆被变化。研究表明,应用地理信息系统(GIS),或者综合运用 RUSLE、GIS 和 RS 技术,是对浅层滑坡/泥石流敏感性进行评价或对流域丘陵区的土壤侵蚀进行评估研究的重要技术手段。放射性核素(FRNs) 137Cs,210Pbex 和 7Be 正越来越多地被用作获取农业景观内土壤侵蚀和沉积物再分配速率定量信息的一种手段,基于放射性核素技术评估土壤保护措施对侵蚀控制和土壤质量的影响,表明该技术是评价土壤侵蚀/沉积在不同时空尺度范围内的有力工具。

3.3 其他评估方法

为比较 EWS(Early Warning Systems)与替代降低风险措施的效果并优化他们的设计和运行,提出一种基于阈值的自然灾害 EWS 评估框架方法;针对农业土地上土壤侵蚀对土壤质量和土壤提供环境服务能力所构成的威胁,引入了风险评估程序;对泥石流流动性预测或沟壑侵蚀敏感性进行实证分析;进行流域土壤侵蚀过程模拟、水土保持生态水文模拟等。

结 语


近 10 年来全球水土保持研究文献产出相对集中在美、中这两个学科研究发达的国家,全球研究主要集中在环境科学与生态学、农业、水资源、地质学、工程和自然地理 6 个研究领域。


全球气候变化、人类活动、荒漠化及相互关系研究,土壤侵蚀建模,土壤侵蚀所造成的环境与生态影响评估是近 10 年水土保持学科研究的热点内容,中国黄土高原是近 10 年水土保持研究的区域重点热点。

近 10 年全球水土保持研究表明,荒漠化是全球气候变化、人类活动共同影响的结果;土壤侵蚀建模是各种土壤侵蚀研究预测及治理的重要方法,而与气候、水力、风成、泥石流、植被覆盖相关的模型是其中的主要研究模型;模型、指标阈值、现代化技术与设备是土壤侵蚀所造成的环境与生态影响评估的主要方法。一个新的、帮助驾驭了解荒漠化和旱地开发固有复杂性的、包含概念和实践模板在内的综合框架——旱地发展范式(DDP)正在兴起,并正在成为全球荒漠化研究与治理的标杆,同时为其它学科领域的研究提供示范模板。尽管中国近 10 年水土保持学科研究广泛且深入,论文总量与美国持平且有超越之势,但有关 DDP的研究与实践尚未开展,三北防护林防治荒漠化的效果也有必要进一步进行研究以达成共识。黄土高原是中国水土保持研究的活跃点,但相关研究论文占中国全部论文的比重偏大。一方面,黄土高原水土保持研究的持续发热有助于中国水土保持的研究与深入,但另一方面也反映了中国水土保持学科研究的局限。相对而言,南方山区、北方荒漠地区的研究文献较少。


文章来源: 《南京林业大学学报 (自然科学版)》期刊第 42 卷第 3 期 论文《近 10 年全球水土保持学科研究进展》

作者:

陈茁新 1,张金池 2*
(1.南京林业大学图书馆,南京林业大学林学院,江苏 南京 210037;2.南京林业大学林学院,江苏 南京 210037)

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