Cover crops do not increase soil organic carbon stocks as much as has been claimed: What is the way forward?

When compared to virgin land (forest and grassland), croplands store significantly lower amounts of organic carbon (OC), mainly as a result of soil tillage, and decreased plant inputs to the soil over the whole year. Doubts have been expressed over how much reduced and zero tillage agriculture can increase OC in soils when the whole soil profile is considered. Consequently, cover-crops that are grown in-between crops instead of leaving soils bare appear as the “last man standing” in our quest to enhance cropland OC stocks. Despite the claim by numerous meta-analyses of a mean carbon sequestration rate by cover crops to be as high as 0.32 ± 0.08 ton C ha⁻¹ year⁻¹, the present analysis showed that all of the 37 existing field studies worldwide only sampled to a depth of 30 cm or less and did not compare treatments on the basis of equivalent soil mass. Thirteen studies presented information on OC content only and not on OC stocks, had inappropriate controls (n = 14), had durations of 3 years or lower (n = 5), considered only one to two data points per treatment (n = 4), or used cover crops as cash crops (i.e., grown longer that in-between two crops) instead of catch crops (n = 2), which in all cases constitutes shortcomings. Of the remaining six trials, four showed non-significant trends, one study displayed a negative impact of cover crops, and one study displayed a positive impact, resulting in a mean OC storage of 0.03 ton ha⁻¹ year⁻¹. Models and policies should urgently adapt to such new figure. Finally, more is to be done not only to improve the design of cover-crop studies for reaching sound conclusions but also to understand the underlying reasons of the low efficiency of cover crops for improved carbon sequestration into soils, with possible strategies being suggested.     

Human appropriation of net primary production as driver of change in landscape-scale vertebrate richness

Aim

Land use is the most pervasive driver of biodiversity loss. Predicting its impact on species richness (SR) is often based on indicators of habitat loss. However, the degradation of habitats, especially through land-use intensification, also affects species. Here, we evaluate whether an integrative metric of land-use intensity, the human appropriation of net primary production, is correlated with the decline of SR in used landscapes across the globe.

Location

Global.

Time period

Present.

Major taxa studied

Birds, mammals and amphibians.

Methods

Based on species range maps (spatial resolution: 20 km × 20 km) and an area-of-habitat approach, we calibrated a “species–energy model” by correlating the SR of three groups of vertebrates with net primary production and biogeographical covariables in “wilderness” areas (i.e., those where available energy is assumed to be still at pristine levels). We used this model to project the difference between pristine SR and the SR corresponding to the energy remaining in used landscapes (i.e., SR loss expected owing to human energy extraction outside wilderness areas). We validated the projected species loss by comparison with the realized and impending loss reconstructed from habitat conversion and documented by national Red Lists.

Results

Species–energy models largely explained landscape-scale variation of mapped SR in wilderness areas (adjusted R²-values: 0.79–0.93). Model-based projections of SR loss were lower, on average, than reconstructed and documented ones, but the spatial patterns were correlated significantly, with stronger correlation in mammals (Pearson's r = 0.68) than in amphibians (r = 0.60) and birds (r = 0.57).

Main conclusions

Our results suggest that the human appropriation of net primary production is a useful indicator of heterotrophic species loss in used landscapes, hence we recommend its inclusion in models based on species–area relationships to improve predictions of land-use-driven biodiversity loss.     

融入生态安全的兰西城市群土地利用功能布局优化

区域生态安全对协调土地利用和生态环境的关系、促进资源的合理配置以及实现区域协调发展具有重要的意义。以兰西城市群作为典型地区,将形态空间格局分析(MPSA)应用到土地利用功能优化配置研究中,通过构建MSPA-GMOP-PLUS耦合模型,将生态安全纳入城市群土地利用功能和空间结构优化中,为区域布局优化提供了新思路。结果表明：(1)生态源地对区域生态安全具有重要意义,2020年兰西城市群共有20个生态源地,生态核心总面积为43355.5 km²。此外,在土地利用功能分区中,生态保护区面积占比仍为最大(30.7%),生态边缘区面积也占19.2%,为生态保护提供了缓冲地带。(2)基于MSPA的仿真模拟可以限制城市群不平衡的发展趋势,优于传统土地利用规划模式。新模式下的生产、生活、生态用地占比分别由传统模式的30.17%、11.25%、55.58%优化至31.92%、10.70%和57.38%。优化结果不仅保证了优质生产空间的稳定性,而且有效确保了生态空间的可持续性。此外,不同开发情景的下土地利用布局结果,可以作为提高土地资源利用率和制定土地利用空间规划的参考。     

基于土地利用变化与生态系统服务供需的中国野生亚洲象时空迁移特征分析

2021年4月,我国15头野生亚洲象(Elephas maximus)从西双版纳一路北迁至昆明市受到了全世界的关注,分析我国野生亚洲象分布区土地利用变化、生态系统服务供需关系如何影响野生亚洲象分布,对保护亚洲象与提高当地人类福祉具有重要的意义。利用生态系统服务价值当量因子法和生态系统服务需求模型计算中国野生亚洲象分布区1990、2005、2015年生态系统服务供给价值与需求指数,通过空间标准化匹配出四种生态系统服务供需模式,探究我国野生亚洲象偏好分布的供需模式。结果表明,林地、草地和耕地是最主要的土地利用类型,1990—2015年,林地、草地和耕地的面积变化率分别为1.09%、-4.82%、-4.86%。1990、2005、2015年生态系统供给总价值分别为6108.55亿元、7434.41亿元、13973.37亿元;生态系统服务需求不断提高,整体呈现中间高,四周低的分布格局。在研究的25年内,亚洲象分布于高供给-高需求与高供给-低需求区域,且有向高供给-高需求区域迁徙的趋势。     

宁夏银川平原沙化土地不同人工林土壤质量评价

沙化土地土壤贫瘠、生产力低,人工植被恢复是重要的土壤改良措施。为研究宁夏银川平原沙地不同人工林栽植对土壤的影响,以银川腹部沙地银川植物园沙化土壤恢复区的2017年3月种植的文冠果(Xanthoceras sorbifolium)和欧李(Cerasus humilis)人工林地为研究对象,以邻近的长期撂荒地为对照,对土壤质量进行了研究。2020年7—8月采集土样并测定了土壤物理、化学、生物学等20个指标作为土壤质量评价的总数据集,方差分析筛选出差异显著性的9个指标作为重要数据集指标,采用主成分分析法和Norm值建立土壤质量评价指标最小数据集(MDS),利用线性和非线性两种评分方法计算土壤质量指数(SQI)。结果表明：与长期撂荒地相比,银川平原沙化土壤恢复区人工文冠果、欧李林地的土壤理化性质较好,土壤砂粒百分比减少、粉粒和黏粒百分比有所增加,pH降低;有机质、全氮、全磷、全钾等主要养分指标提高,蔗糖酶、脲酶、纤维素酶等主要生物酶活性也高于撂荒地,筛选出的研究区土壤质量评价MDS指标为土壤粉粒百分比和全磷。2种评价方法下,文冠果和欧李人工恢复林地的SQI高于撂荒地,但提高不显著(P>0...     

低碳发展背景下北京市土地利用与生态系统服务多情景模拟研究

在全球气候变化的背景下,合理协调低碳减排与经济效益之间的关系,进而指导土地利用优化配置,对于推动经济社会低碳转型与生态系统服务价值的提升具有重要意义。通过耦合多目标规划(MOP)与斑块生成土地利用模拟模型(PLUS),针对北京市构建了自然演变、经济优先与低碳发展这3种未来发展情景,并对不同情景下2030年土地利用与生态系统服务价值进行模拟评估。在此基础上,进一步对北京市未来生态系统服务提升区域进行识别,将传统的多情景土地利用模拟研究进行了延伸与扩展。结果表明：(1)3种情景下的土地利用结构与空间布局存在差异,低碳发展情景下东南部平原区建设用地的扩张与耕地面积的减少趋势得到了有效控制,西北部山区的林地面积有较大幅度的增长。(2)低碳发展情景下的生态系统服务价值总量约为590亿元,高于另外两种情景,且从空间分布上来看,该情景下服务价值提升区域的面积也显著高于其他情景。(3)低碳发展情景下,北京市生态系统服务提升潜力较大的区域面积占比约7.98%、潜力中等区域的面积占比约26.57%,潜力较低区域的面积占比约65.45%。     

基于水足迹的山东省农业水土资源匹配特征及短缺压力分析

高强度农业开发引起的农业水土资源生态问题日益增多,探究粮食及蔬菜（粮蔬）生产中水土资源空间配置及短缺压力对农业资源的可持续利用具有重要意义。从水足迹视角出发,分析了山东省3种主要粮食作物（冬小麦、玉米及大豆）和两种不同种植模式蔬菜（设施蔬菜和露地蔬菜）的生产水足迹空间特征;同时将资源数量及资源质量的概念纳入研究框架,分析了农业水土资源数量及质量匹配格局差异,并进一步探究了农业水土资源短缺压力及其影响因素。研究结果表明：（1）2019年,山东省粮食和蔬菜的生产总水足迹为811亿m³,其中粮食生产总水足迹占比78.50%,蔬菜生产总水足迹占比21.50%;粮蔬生产水足迹受地势影响明显,鲁西北及鲁西南平原地区的粮蔬生产水足迹占比较大。（2）考虑资源数量的水土资源匹配系数均值为0.622×10⁴ m³/hm²,考虑资源质量的匹配系数均值为0.416×10⁴ m³/hm²;水土资源数量及质量匹配系数在空间上呈现出一致性,表明山东省农业生产水土资源空间配置水平高的地区同时面临着较大的农业面源污染压力。（3）整体上,土地资源短缺压力略高于水资源短缺压力;基于生产视角的水土资源短缺压力受生产环境因素制约显著,受经济发展因素的影响具有差异性,社会因素对水土资源短缺压力无显著影响。研究可为农业资源可持续管理提供数据基础,为全面理解粮蔬生产所产生的水土资源短缺提供案例参考。     

中国遥感干旱指数时空特征及其对气候和地表覆盖变化的响应

干旱严重影响植被生长,威胁粮食安全,基于遥感计算的植被状态指数（Vegetation Condition Index,VCI）、温度状态指数（Temperature Condition Index,TCI）和植被健康指数（Vegetation Health Index,VHI）是常用的干旱指数,被广泛应用于干旱监测。为了探究近年来我国干旱特征及其对气候和地表覆盖变化的响应,分析了2003-2016年期间VCI、TCI和VHI的时空变化特征;采用最小二乘（OLS）和偏相关分析方法分析了这些指数对气候和地表覆盖变化的响应。基于上述干旱指数计算的干旱频率表明,中温带中部和南温带等地区干旱发生频率高,干旱指数变化趋势表明在2003-2016年期间中国大部分地区干旱缓解,但在中温带、南温带和高原气候区等局部地区干旱加剧;总体而言,干旱指数随着年平均温度的上升和年降水量的降低而减小,VHI与温度和降水量的相关性在不同气候区的一致性优于VCI和TCI;裸土的减少和植被的增加导致干旱指数增大,树木转变为低矮植被干旱指数降低。     

基于土地多功能的黄土丘陵沟壑区生态保护与发展情景评估及多主体模拟

黄土高原丘陵沟壑区生态环境脆弱,近几十年生态保护工程的实施带来显著的生态恢复效果,也对农户的生计策略与区域粮食安全产生了影响。刻画生态脆弱区人-地系统复杂响应过程,可以为区域可持续的土地利用管理模式提供依据。研究从土地多功能出发,着眼于黄土丘陵沟壑区河谷川地、梁峁区域、黄土塬地、土石山地以及城郊区域等不同的典型地貌类型与代表区域,采用多层次利益相关者参与式的评估框架,以农户的耕地利用行为及生态工程影响与未来发展为切入点,设置惯性发展情景、发展优先兼顾生态情景、农业优先兼顾生态情景以及生态优先兼顾发展情景,构建多智能体模型对区域土地利用与土地多功能的时空变化开展模拟。主要结果表明：(1)生态优先兼顾发展情景综合影响最高且对各维度影响相对均衡,而农业优先兼顾生态情景对区域土地的经济维度的功能和社会维度具有更为明显的提升效应;(2)根据土地多功能空间变化模拟结果,区域土地利用破碎化明显且耕地的撂荒对全域土地多功能均表现出明显的限制作用,农业优先兼顾生态情景中土地功能发生下降的面积最少;(3)发生土地功能下降的区域主要分布在土地质量较差、坡度处于5—15°范围内、地形起伏度较大以及距离道路较远...     

长三角地区植被覆盖演变城乡差异及其原因

城市生态环境和城市化之间的关系是城市可持续发展的关键。研究不同城市化水平下植被覆盖的长时间演变趋势,对理解城市化过程对植被生长动态的影响,城市更新以及推进城市绿化的科学管理具有重要意义。然而,目前对城市内部沿城乡梯度植被生长趋势差异的认识还比较有限。以我国城市化发展最为强烈的长三角地区为研究对象,基于2000-2020年长三角归一化植被指数数据,采用趋势分析和地理探测器方法,探究了长三角地区城市内部植被覆盖演变城乡差异,并从土地利用/覆被变化和城市化发展的角度解析其成因。研究结果表明：（1）2000-2020年长三角地区植被总体呈绿化趋势,植被明显绿化占最大比例（52.06%）,轻微绿化与稳定不变地区占31.68%,零星分布的褐化区占6.82%。（2）城市老城区植被覆盖变化总体呈现返绿趋势（0.016/10 a）,新城区褐化明显（-0.019/10 a）,农郊区绿化突出（0.023/10 a）。在上海、南京和杭州等人口城市化水平较高的城市中,老城区土地利用变化强度最高,其绿化趋势也最高,体现了城市更新过程对绿地空间的促进作用;而在人口城市化水平相对较低的宣城、蚌埠和阜阳等城市,土地利用变化强度相对较低的农郊区也呈现明显的绿化趋势,更多的是受到区域生态保护的影响。（3）土地城市化是长三角地区老城区和新城区植被覆盖变化的主导因子,而城市化因子对农郊区解释程度总体不显著。从长三角总体区域看,城镇人口比重、不透水面积/总面积以及地区生产总值三者对植被覆盖演变存在显著影响,其中城镇人口比重影响最大。