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全球耕地多重退化过程的压力：空间分析与环境影响
Environmental Research 194 (2021) 110697
作者与机构
本研究由来自多个国家的跨学科团队完成，主要作者包括：
- Remus Prăvălie（罗马尼亚布加勒斯特大学地理学院、布加勒斯特大学研究院）
- Cristian Patriche（罗马尼亚科学院雅西分院）
- Pasquale Borrelli（意大利帕维亚大学、韩国江原国立大学）
- Panos Panagos（欧盟委员会联合研究中心）等共10位研究者。
研究于2021年1月发表于环境科学领域期刊 *Environmental Research*。
学术背景
研究领域：本研究属于全球变化生态学与土壤科学交叉领域，聚焦耕地（arable land degradation）的全球评估。
研究动机：耕地占全球陆地面积的10%，承载着99%的粮食生产，但其生产力正受多种退化过程威胁。尽管已有研究关注单一退化过程（如土壤侵蚀、干旱），但缺乏对多重退化过程协同作用的系统性评估，阻碍了针对性治理政策的制定。
科学问题：
1. 全球耕地中五种主要退化过程（干旱、植被衰退、土壤侵蚀、土壤盐渍化、土壤有机碳下降）的单独及协同分布特征如何？
2. 哪些国家和地区是耕地退化的热点区域？
3. 多维退化对粮食安全的潜在影响是什么？
研究流程与方法
数据获取与预处理
- 耕地数据：基于MODIS土地覆盖数据（2012年）与FAO统计数据校准，空间分辨率1 km。
- 退化过程数据：
- 干旱（aridity）：采用CGIAR的干旱指数（AI<0.65），反映土壤水分亏缺。
- 植被衰退（vegetation decline）：基于1982–2011年FPAR（光合有效辐射吸收率）与SPEI（标准化降水蒸散发指数）的负相关性识别干旱导致的生物量下降。
- 土壤侵蚀（soil erosion）：使用RUSLE模型（修正通用土壤流失方程）计算水蚀速率>10 t/ha/yr的区域。
- 土壤盐渍化（soil salinization）：提取FAO-UNESCO全球土壤图中的盐渍土（Solonchaks/Solonetzs）。
- 土壤有机碳下降（SOC decline）：基于2001–2015年土壤碳储量数据，通过Mann-Kendall检验识别显著下降趋势。
空间分析与统计
- 退化过程叠加：使用ArcGIS 10.5将五种退化过程数据与耕地图层叠加，采用1 km网格分辨率，通过二值化（存在=1，缺失=0）量化各过程的单独与协同影响。
- 协同作用评估：
- 计算单一退化（uni-degradation）与多重退化（multi-degradation）的面积占比。
- 定义组合编码（如”AE”表示干旱与侵蚀协同发生）。
- 国家尺度统计：在196个UN成员国中，分别计算退化过程的绝对面积与相对比例。
主要结果
全局退化格局：
- 单一退化主导：全球62%的耕地（约880万km²）受至少一种退化过程影响。干旱是最大单一压力源，影响40%的耕地（约550万km²）；土壤侵蚀次之（20%，约270万km²）。
- 多重退化热点：7%的耕地（约100万km²）同时受干旱与侵蚀双重压力，是协同效应的主要形式。三重及以上退化占比不足1%。
区域异质性：
- 绝对面积：印度、美国、中国、巴西四国是退化耕地面积最大的国家（合计占全球1/4），其中印度耕地退化面积达130万km²（70%国内耕地）。
- 比例分布：非洲国家（如撒哈拉以南地区）耕地受退化影响比例最高（>90%），欧洲最低。
关键组合：
- 干旱-侵蚀协同在亚洲（如印度恒河流域）与南美（巴西高原）最显著；干旱-盐渍化在澳大利亚干旱区占主导。
结论与意义
科学价值：
1 首次量化了全球耕地中多重退化过程的共现模式，填补了从单一过程评估向多维综合评估的空白。
2. 揭示了干旱与侵蚀的协同效应是耕地退化的核心机制，为优先治理策略提供依据。
应用价值：
1. 政策指导：建议在UNCCD（联合国防治荒漠化公约）框架下，针对热点国家（如印度、非洲）制定“土地退化零增长”（LDN）目标，重点实施水土保持措施（如减少耕作、植被恢复）。
2. 粮食安全：研究表明多重退化可能加剧2050年全球粮食缺口，需通过可持续农业管理（如碳封存技术）缓解生产力下降。
研究亮点
- 方法创新：整合多源高分辨率数据（如GLOSEM侵蚀模型、WAD干旱指数），开发了全球耕地退化的协同评估框架。
- 跨尺度验证：结合国家统计与空间显式分析，证实了非洲国家在绝对比例上的高脆弱性。
- 政策关联性：直接响应SDG 15.3（土地退化零增长）目标，为IPCC土地报告提供了实证支持。
局限与展望：
研究未包含风蚀、土壤生物多样性丧失等过程，未来需通过更高分辨率数据（如Sentinel-2）完善评估体系。
全文通过严谨的空间分析方法，为全球耕地可持续管理提供了数据支撑与理论框架，是土地系统科学领域的重要进展。