Nature Sustainability：全球土壤侵蚀的“国家效应”|研究

导  读

土壤侵蚀是粮食安全和生态系统的一个主要威胁，当前的侵蚀速率要比土壤的自然形成速率高出一个数量级。世界各国政府都在努力解决土壤侵蚀的问题。然而，我们不知道国家本身是否对其土壤侵蚀有着实际的影响。对此，研究人员利用一个高分辨率的全球数据集——该数据集的特点是有着空间回归不连续性的设计，并有超过3500万个观测数据——来确定全球土壤侵蚀率实际上有多少是受到了国家本身的影响，并探索了哪些影响因素与此相关。研究发现，仅仅是相邻两国的边境区域的平均土壤侵蚀速率就相差约1.4 t ha-1 yr-1，表现出了令人惊讶的“国家效应”。不同国家间农业活动的差异可能是导致这一现象的主要原因。

编译丨JinTao.Li

来源：生态学家公号（2020年1月31日）

原文信息

标题：Countries and the global rate of soil erosion

期刊：Nature Sustainability

类型：Analysis

作者：一作&通讯：David Wuepper【Agricultural Economics and Policy Group, ETH Zurich】

时间：2019-12-2

DOI：https://doi.org/10.1038/s41893-019-0438-4

研究背景

人口和收入的增加使得满足世界对农产品和生态系统服务的需求变得越来越困难。我们必须生产更多的粮食和能源，并提高生态系统服务的供给。在这种背景下，保护土壤和防止土壤侵蚀显得尤为重要。然而，尽管许多国家试图解决这一问题，但全球土壤侵蚀目前仍在加剧。在下文中，研究人员定量评估了各国对全球土壤侵蚀率的影响，并分析了潜在的原因。这一问题的主要挑战在于，国家领土上的自然侵蚀速率本身也会表现出独特性，并且“超国家”和“亚国家”特征往往与国家特征相关。因此，不能简单地比较各国的平均侵蚀速率来了解各国的影响。而研究人员感兴趣的是：当一个边境地区属于一个国家而非另一个国家时的土壤侵蚀表现，也即国家对全球土壤侵蚀率的因果影响。

一个例子

为了更加明确地说明这一挑战，研究人员接下来以海地为例子来说明（详见Fig. 1 题注）。海地的土壤侵蚀速率远远高于芬兰。这种差异不可能仅仅是这些国家的因果效应。具体而言，除国家效应外，还有社会经济影响和地理差异的影响，而这些影响因素之间的相对贡献还不清楚。为了找出这一点并确定世界上所有其他国家的影响，研究人员使用一个高分辨率、全球网格化数据集（分辨率: 1 km2；参考年: 2012；观测次数: >3500万），该数据具有空间回归不连续性的设计。一个主要发现是，全球大多数国际边界主要是“政治性的”（即，它们与土壤侵蚀率的自然间断几乎没有重叠）。因此，土壤侵蚀率中的实际边界不连续性可以与自然边界不连续性区分开来。

Fig.1 |海地和多米尼加共和国的边界。a: 如果没有人类，伊斯帕尼奥拉岛（Hispaniola）将会有一个由森林组成的均匀的自然土壤覆盖层。b: 结合气象、地理和自然植被的数据，研究人员对潜在的自然土壤侵蚀速率进行建模，模型显示自然的土壤侵蚀速率很低，而且在边界上分布非常连续。c: 相比之下，由于历史上不同的毁林率，从空间上可以看出，两国之间的实际土壤覆盖率存在明显的不连续性。边界的一部分显示为黄线，左边是海地，右边是多米尼加共和国。d: 与自然土壤侵蚀率相比，实际土壤侵蚀率要高得多，且在边界处呈现出明显的不连续性。由于没有自然侵蚀不连续性，实际侵蚀的不连续性揭示了国家的影响。

海地和多米尼加共和国同在一个岛屿（伊斯帕尼奥拉），环境相当（尤其边境区域），但它们的土地利用轨迹不同。有研究展示，如果没有人类的存在，整个伊斯帕尼奥拉岛将被致密的自然土壤覆盖（Fig.1a）。结合相关研究数据，研究人员模拟了在不存在人类的情况，该岛上的自然土壤侵蚀率，可以看出土壤侵蚀的自然速率显示出了跨越边界的连续性（因此可以将实际上的边界将被归类为纯粹的政治边界）（Fig.1b）。然而，在卫星图像上可以看到，实际的土壤覆盖在边界处是不连续的，多米尼加共和国的植被密度（更多的森林）高于海地（更多的裸地）（Fig.1c）。这使得实际的土壤侵蚀率（Fig.1d）在边境上出现明显的不连续性，两个边境的差异完全是由人为活动造成的（也即本文所指的国家效应）。

区分政治边界和环境边界

为了正式验证土壤侵蚀边界的不连续性不只是反映自然不连续性（还有可能反映出人类活动/国家的影响）的假设，研究人员结合降雨、地形、土壤特性和自然植被数据，对全球土壤侵蚀自然速率（分辨率1km2）进行了建模。结果显示，大约40%的国家边界是“自然形成的”，即土壤侵蚀的自然速率存在显著的不连续性。然而，这些自然侵蚀不连续性的绝对变化量很小，平均值约为0.03 t ha-1 yr-1。相比之下，国家边界上土壤侵蚀的实际速率的不连续性较大，所有土地的平均值约为1.4 t ha-1 yr-1，耕地的平均值约为1.8 t ha-1 yr-1。这些数值反映了一个边境地区在一个国家而不在另一个国家的平均影响。而在某些地区，不连续性要大得多。例如，巴西平均造成的土壤侵蚀比邻国多4 t ha-1 yr-1，而德国造成的土壤侵蚀要比邻国少0.2 t ha-1 yr-1。海地和多米尼加共和国之间的土壤侵蚀差异为50 t ha-1 yr-1。

定量边界土壤侵蚀的不连续性

对于边界不连续性的估计，研究人员只使用边界统计上最佳距离内的观测值。研究发现，越是将数据限制在边界上（离边界越近），观测结果就越具有可比性（因为两国边境区域的地形、降雨量、土壤和自然植被非常类似），但估计值会失去精度。因此，存在一个最大的并且也是统计最优的边界距离，在本研究中，这个值为17公里。研究人员进行了多个鲁棒性检验，还分别在40%个“自然”和60%个“政治”边界上估计边界不连续性，并在每个边界侧尝试一个非常宽的70 km最大距离。最后，研究人员还人为地将所有边界移离实际位置8公里来评估“安慰剂效应”。研究发现这些“安慰剂”边界没有不连续性，因而反映出只有实际的政治边界才是重要的。

农业活动的突出影响

接下来，研究人员分析与边界不连续性相关的国家特征（Fig.2）。应当指出，这些都是描述性的统计相关，而不是明确的因果解释，因为许多国家的特点是多种多样的。

研究人员接下来对土壤侵蚀机制的进行了探索，发现，土壤侵蚀不连续性变异的50%可以通过农业特征的差异（例如，农业GDP、农业就业份额和农业强度）来解释。相比之下，各国的总体环境政策表现、人口密度或总体国内生产总值都无法解释为什么国际边界的侵蚀率存在不连续性。这并不意味着这些因素与土壤侵蚀基本无关。相反，这表明它们可能在其他层面上运作。可以解释剩下的50%的因素可能包括特定的土地使用目标政策或文化差异。

Fig.2 | 农业活动是最好的解释变量。该图系数是基于单独回归不连续性估计得来的，根据这些估计值，各国按不同特征进行排序。左侧的独立变量是耕地的土壤覆盖效应，它反映了在每一个网格单元中，最大潜在土壤侵蚀的百分比是多少。菱形是点估计，条形显示90%、95%和99%的置信区间。图中的不连续性的平均值是2%。国家对农业的经济依赖（即农业GDP份额）解释了总体不连续性的一半（农业更重要=土壤侵蚀增加1%），一个国家的农业强度（按每公顷化肥使用量衡量）也是如此（更高强度=土壤侵蚀减少1%）和国家农业就业份额（同样，农业更重要=土壤侵蚀增加1%）。一个国家的初级生产（农业、林业和渔业）也是一个很好的解释因子，但是其统计显著性较低，只有在10%的水平上才具有统计意义。相比之下，GDP差异并没有产生显著的不连续性，一般环境政策绩效的各种衡量指标（包括环境绩效指数、报告的环境政策严格性和执行指数/可持续发展目标指数）的影响均不显著。

全球土壤侵蚀的“国家效应”的异质性

图3展示了“国家效应”的全球分布，并揭示了缓解全球土壤侵蚀的巨大潜力，特别是在亚洲和拉丁美洲的一些大的国家（如巴西和中国）。由于土壤是一种日益退化的全球宝贵资源，许多国家有相当大的潜力缓解这一问题，这就突出了国际合作项目的价值，例如粮食及农业组织（粮农组织）的全球土壤伙伴关系项目(http://www.fao.org/global-soil-partnership)。 

Fig.3 | 各国土壤侵蚀表现。该地图基于每个国家与其所有邻国（未加权）之间的土壤侵蚀不连续性。深绿色表示一个国家对全球土壤侵蚀率的影响比其邻国更为积极（即具有抑制作用），深红色表示一个国家对全球土壤侵蚀率的影响更为消极（即侵蚀速率更高）。对于所有表现比邻国更差的国家，地图显示，只要和邻国处在同一水平，它们可以减轻多少土壤侵蚀（每公顷每年）。即使是表现较好的国家也可能进一步改善其影响，因此，这张地图可能为各国减缓土壤侵蚀的潜力提供了一个下限，特别是在土壤侵蚀严重的地区。作为参考，该研究估计的全球平均土壤侵蚀速率为2.4 t ha-1 yr-1，平均国家不连续性为1.4 t ha-1 yr-1。

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