土壤圈对全球变化的响应和反馈

一、土壤圈对全球变化的响应和反馈

土地覆盖/土地利用变化(LUCC)是土壤圈和全球环境变化的综合反映与标志。所谓土地覆盖是指地球陆地表面土地景观类型组成、空间构型、分布与面积。如冰川、沙漠、植被、气候、土壤、地貌等，同时，它们也代表着影响全球气候系统的陆地下垫面。而土地利用现状是人类对土地的各种经济利用现状，包括农业用地和非农业用地现状。两者不可分割地全面地反映了土壤圈的现实状态，即土壤圈内部及与地表其他圈层之间物质与能量迁移转化的平衡状态。而土地覆盖/土地利用的变化，包括其类型、数量(面积)及其空间位置变化，都深刻地反映了自然环境变化、人为活动对土壤圈发展变化的影响。因此，研究和监测土地覆盖/土地利用类型的划分及其动态变化，也成为研究与监测土壤圈动态变化的重要方法。

(一)土壤圈的全球变化

土地利用是人类活动对土壤圈改变的主要形式，也是影响土壤圈和全球变化的重要原因。

1.土地利用类型划分

土地资源是最重要的自然资源之一，是人类生存和生产的基本条件。土地资源是有限的，适合于生活和生产的土地资源则更少。土地利用是人类根据自身需要和土地的特性，对土地资源进行的多种形式的利用，是在自然、经济和技术条件下的综合影响下，经过人类的劳动所形成的产物。土地利用现状是土地资源的自然属性和经济属性的深刻反映。我国有几千年的土地开发利用历史，形成了具有多种多样的土地利用类型。土地分类是国家为掌握土地资源现状、制定土地政策、合理利用土地的重要基础工作之一。2007年9月发布的《土地利用现状分类》，标志着我国土地利用现状分类第一次拥有了全国统一的国家标准。

《土地利用现状分类》国家标准是严格按照管理需要和分类学的要求，对土地利用现状类型进行的归纳和划分，它采用一级、二级两个层次的分类体系，共分12个一级类、56个二级类。其中一级类包括：耕地、园地、林地、草地、商服用地、工矿仓储用地、住宅用地、公共管理与公共服务用地、特殊用地、交通运输用地、水域及水利设施用地、其他用地。《土地利用现状分类》国家标准对于科学划分土地利用类型、掌握真实可靠的土地基础数据，实施全国土地和城乡地政统一管理乃至国家宏观管理和决策具有重大意义。

2.不同土地利用对土壤圈的影响

(1)农业用地的影响。以1985～1987年的世界土地资源统计为例，世界土地资源总面积为130.77×10⁶km²(约占世界总土地面积的11.26％)，永久牧场为32.16×10⁶km²(约占世界总土地面积的24.59％)，森林40.47×10⁶km²(约占世界总土地面积的31.15％)，其他用地43.14×10⁶km²(约占世界总土地面积的32.99％)，未开发地50.89×10⁶km²(约占世界总土地面积的38.99％)。我国是农业历史悠久的农业大国。据全国土地利用现状，已开发的土地面积已高达68.71％，待开发土地仅占7.8％，难以利用的土地高达23.49％。其中耕地12.518×10⁴km²(约占世界总土地面积的13.20％)。耕地是在完全去除自然植被之后加以利用的，因而它改变了土壤的自然形成过程。代之以人工种植、经营和管理系统，从而改变了土壤的水分和温度状态以及营养元素的物质循环和平衡。在种植制度、经营、管理系统合理的情况下，不但满足了社会经济发展对农产品的需要，而且维护并提高了土壤的肥力水平和生产性能，保持了土壤良好的性状，物质与能量获得了平衡，使耕地土壤资源得以持续利用。由于人们对耕地土壤的不合理利用、经营和管理，导致了耕种土壤(或土地)的退化，如有机质N、P、K含量下降，营养元素失衡等；对林地和牧草地的利用来讲，由于人们的过度砍伐，自然植被同样遭到退化，导致土壤随之发生不同程度的退化，这也是影响土壤圈功能和作用变化的重要原因。

(2)非农业用地的影响。据国家统计局资料，我国非农业用地2707.7×10⁴hm²，约占全国总土地面积的2.86％。1986～1995年10年间我国耕地被非农业用地侵占达1.97×10⁶hm²，平均每年为1.97×10⁵km²，而实际数据可能是这一数字的2.5倍。随着社会经济现代化的发展非农业用地正常的扩大是必需的。但对于土壤圈的影响，无疑这部分土壤圈永久性地或准永久性地丧失了它的生产、环境和生态功能与作用，若想恢复它的自然功能就需要花很大精力和财力进行修复和整理，所以有的也将其列为土地退化形式之一。

非农业用地区又往往是人类生产和生活最为集中的地区，现代化和城市化发展过程中产生的“三废物质”的源地，也是环境污染最为突出的地区，其结果必然造成的土壤污染又是土地退化的另一种重要表现形式。

(二)土壤圈变化的反馈与响应

上述土壤圈的变化，一方面满足了人类社会发展的需要，提高了土壤的生产潜力，是其正面效应；另一方面则是利用不当而致的负效应，即土壤或土地的退化。土壤或土地退化，已成为除全球增暖之外，全球变化研究的另一个“热点”。从理论上讲，土壤和土地是两个不完全相同的概念，但土壤退化是土地退化的核心内容，构成土地的其他重要因素，如因气候和植被变化而导致的土壤退化，大部分也通过对土壤的影响与作用体现出来。因此，实质上土壤退化是土地退化的同义语，至今，还没有公认的或统一的土壤退化指标和定量化评价方法。

1.土壤(或土地)退化的概念

土壤退化一般是指在人类经济活动和各种自然因素的长期作用下，土壤(或土地)生态平衡遭到破坏，从而导致土壤(或土地)质量变劣，土地生产力降低，土地承载力变弱的过程。土壤退化是自然因素和人为因素综合影响的结果，自然因素是土壤退化的基础和潜在因子，而人类活动才是土壤退化的诱发因子。

张桃林(1999)提出，土壤退化是指在各种自然，特别是人为因素影响下所发生的，导致土壤的农业生产能力或土地利用和环境调控潜力，即土壤质量及其可持续性的降低(包括暂时的和永久的)，甚至完全丧失。土壤物理的、化学的、生物的退化过程，是土壤退化的核心部分。并提出依据土壤退化的表现形式可分为显型退化和隐型退化两大类型，前者系指退化过程(甚至是短暂的)即可导致明显的退化后果；后者是指退化过程已经开始或已经进行较长时间，但尚未导致明显的退化结果。主张应从土壤圈与地球表层系统其他圈层间相互作用的角度，特别是人类因素诱导的土壤退化的发生机制与演变过程，时空分布规律来研究土壤退化、未来预测与恢复重建土壤质量和生态系统的对策、途径和方法。

2.土壤退化现状

据统计，全球土壤退化面积达19.6×10⁶km²。其中以地处热带、亚热带的亚洲、非洲地区土壤最为突出(Oldeman等，1990)。

(1)土壤侵蚀。世界土壤侵蚀面积已达陆地总面积的16.8％，占总耕地面积的2.7％。从土壤退化类型来看，土壤侵蚀退化面积占总退化土壤面积的84％，而且以中度、严重和极严重退化为主。可见土壤侵蚀是最重要的土壤退化形式。其中水蚀占56％，风蚀占28％。至于水蚀的动因，43％是由于森林的破坏，29％是由于过度放牧，24％是由于不合理的农业管理；风蚀的动因，60％是由于过度放牧，16％是由于自然植被的过度开发，8％由于森林破坏(Oldeman等，1994)。我国水土流失面积已达3.67×10⁶km²，约占国土陆地总面积的38.2％。按Sabolics(1990)的估算，世界每年因土壤侵蚀所流失的土壤养分几乎等于世界肥料的生产量。全球每年因土壤侵蚀造成的经济损失相当于4000亿美元。而土壤侵蚀对地球陆地生态环境系统所造成的损失(流域河湖淤塞，洪涝灾害的发生等)则是无法估量的。

(2)土壤化学退化。包括土壤养分衰减、盐碱化(包括次生盐碱化)、酸化、污染等。其中主要原因是农业生产的不合理利用(56％)和森林破坏(28％)。

以土壤养分含量及保蓄能力下降为特征的土壤退化，面积达1.35×10⁶km²，占化学退化面积的57％，占全球退化土地总面积的7％。其中包含土壤有机质含量的下降和养分失衡问题。缺N、P的耕地占59.1％，缺K的占22.9％；土壤有机质小于6g/kg的耕地约占10.6％。

土壤盐渍化和次生盐碱化形式的土壤退化，主要分布于干旱和半干旱地区，部分发生于半湿润和滨海地区。受其影响的面积约占76×10⁶hm²，分别占土壤退化总面积和化学退化面积的4％和32％。1989年约2.25×10⁶hm²的灌溉土地中，50％以上的面积遭受土壤次生性盐碱化，每年约12×10⁴km²土地发生次生盐碱化。我国盐碱面积约3.76×10⁷hm²。

土壤酸化，受其影响的面积约5.7×10⁶hm²，分别占退化总面积和化学退化面积的0.3％和2％。包括西欧、北美洲、南美洲和亚洲等地，亚洲有扩大之势。我国受酸化影响的土壤面积有日益扩大之势，受酸雨危害的耕地已达266.67×10⁴hm²。

(3)土壤物理退化。全球土壤物理退化面积约0.83×10⁶km²。主要集中于温带地区。其中受压实、黏闭和结壳等土壤结构变坏的面积为68×10⁶hm²，是物理退化的主要形式。因此导致欧美地区减产为25％～50％；西部非洲减产为40％～90％。其他因土壤排水不畅而发生涝害(或沼泽化)的土壤面积约10.40×10⁶hm²；因过度排水而致有机质因加速分解而含量下降的土壤面积为4.5×10⁶hm²。

(4)土壤荒漠化。1993年和1994年国际防止荒漠化公约政府商谈委员会(INCD)多次讨论，逐步明确了土地荒漠化的概念，即“由于气候变化和人类不合理活动的多种因素作用，干旱、半干旱和具有干旱灾害的亚湿润区的土地退化”。1997年联合国荒漠化会议提出修正，土地荒漠化的定义更明确为“土地生产潜力下降和破坏，并最终导致类似荒漠化景观条件的出现”。可见土地荒漠化是一个全球性含义很广泛的土地退化形式，土地荒漠化的驱动因素，除气候外，水土流失、土壤盐碱化、沙化均是导致荒漠化的重要因素。

土地荒漠化是土壤退化的重要形式，是当今人类面临的重大资源环境问题之一。全球约有41％的陆地、100多个国家、10亿人口的土地受到土地荒漠化的威胁，每年有7×10⁴km²土地荒漠化。中国是土地荒漠化分布较广泛的国家之一。其中土地沙化，即干旱、半干旱及半湿润多风和疏松沙质地表条件下的生态脆弱区，由于人类不合理的土地利用，使原有的非沙质荒漠地区出现风沙活动为主要标志，形成类似沙质荒漠景观的土地退化过程。我国已沙漠化的土地面积为3.71×10⁵km²，潜在沙漠化危险和易变沙漠化的土地为5.35×10⁵km²，两者共9.06×10⁵km²，占国土面积的9.4％。我国土地荒漠化的发展速度惊人，20世纪50～70年代每年均增加约1560km²，至80年代则每年以2100km²的速度增加。按土地沙化的区域特点差异可分为干旱荒漠地区的沙化，半干旱地区的沙化、半湿润地区的沙化。土地沙化不仅使耕地肥沃表土丧失，植物种子或根系裸露，沙粒移动堆积，埋压牧场、居民点和道路，并在空中飞扬形成沙尘暴影响周边和遥远地区的生态环境，使环境质量下降。近年来北京地区受到来源于西北干旱和半干旱地区的沙尘暴的袭击日益频繁，已引起政府和公众的重视与关注，因而不但花费巨资启动了沙尘暴起源、形成与发展规律研究的科研项目，并同时兴起重视环境保护的意识和植树造林植草等大规模活动。

(5)非农业占用土地。随着社会经济的发展和人口增长，特别是城市化、开发区的发展，非农业用地随之增大。有鉴于地球陆地土地面积的有限性，而农业用地和非农业用地两者之间的竞争，非农业用地扩张侵占的主要是耕地，是以牺牲农业用地为代价的。因此，为保护宝贵的耕地资源，扩大非农业用地时，应慎之又慎，并应争取保护肥沃的表层资源。

3.土地退化研究进展与方向

自1971年FAO提出土壤退化问题并出版《土壤退化》专著以来，联合国环境署(UNEP)资助Oldeman等(1991，1994)和Dregne等(1994)开展全球土壤退化评价研究，并编制全球土壤退化图和干旱区土壤退化(即荒漠化)评估项目的工作。此后，陆续对亚太湿润地区土地退化评估，热带亚热带的土壤退化问题，土壤退化的概念、退化动态数据库、退化指标及评价模型与地理信息系统、退化的遥感与定位动态监测、模拟建模及预测、退化系统的恢复重建的专家决策系统开展了研究。其内容如下：

①从土壤退化的内在动因和外部影响因子(自然的和社会经济的)的综合角度，研究土壤退化的评价指标，分级标准与评价方法体系。

②从土壤物理、化学与生物过程及其相互作用入手，研究土壤退化过程的本质与机理。

③从历史过程出发，结合定位动态监测，研究各类土壤退化的演变过程、速率及其发展趋势，并对其进行模拟和预测。

④侧重人类活动(土地利用与土壤经营管理)对土壤退化和土壤质量影响的研究，并将土壤退化理论的研究与退化土壤的治理和开发利用相结合，进行土壤更新技术和土壤生态功能的恢复与保护研究的示范和推广。

⑤研究方法注重传统技术与高新技术(如3S技术)的应用相结合。

我国对土壤退化的研究，始于近10年来对热带、亚热带的土壤退化的研究，如南方富铁土退化机制及防治措施研究。初步提出了土壤退化的概念、基本过程、土壤肥力的评价指标和分级标准，并通过数学模型和地理信息系统技术，编制了土壤养分贫瘠评价图，尤其是土壤可蚀性，富铁土养分退化过程的评价指标体系，富铁土酸敏感性指标，酸化预测及作物耐铝快速评估等方面取得了重要成果。

土壤退化是一个非常综合的概念，具有时间上的动态性，空间上的分异性和高度非线性特征的过程。因此，土壤退化研究涉及土壤、农学、生态、环境、气候和水文及社会经济学等众多领域。今后研究方向应从以下几个方面入手：

①土壤退化评价方法论及评价方法指标体系的定量化、动态化、综合性和实用性，评价建模方向。

②重点区域和国家的土壤退化状况评价以及土壤退化图的编制，为退化土壤的整治提供科学依据。

③主要土壤退化形式的退化过程机理及影响因素的研究(如土壤侵蚀、土壤肥力衰减、土壤酸化等)。

④土壤退化动态监测与动态数据库及其管理信息系统的研究。

⑤退化土壤生态系统的恢复与重建的研究。

⑥土壤退化经济评价研究。