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从1982年到2016年期间的全球土地变化

引言

土地变化是全球环境变化的原因和结果^1，2，土地利用和土地覆盖的变化相当程度的改变了地表能量平衡和生物地球化学循环，这促成了气候变化而且反过来影响地表性质和生态系统供给服务^1-4，但量化土地变化量化是缺乏的。在这里我们分析了35年来的卫星数据，提供了一个详实的从1982年到2016年间关于全球土地变化动力学报告。我们表明这与普遍看法-森林区域全球性的衰退了⁵-相反，森林覆盖增长了224万平方米（相较于1982年的标准问下增长了7.1%）。这个整体性的增长是因为在热带地区的减少被热带以外地区的增幅所抵消。全球裸土面积减少116万平方公里（减少了3.1%），尤其是在亚洲的农业地区。在所有土地变化中，60%与人类直接活动有关，40%与气候变化等间接驱动因素有关。土地利用变化显示出区域优势，包括热带森林砍伐和农业扩张、温带重新造林或造林、农田集中和城市化。在所有气候领域中，山地系统都获得了林地覆盖，许多干旱和半干旱生态系统失去了植被覆盖.地图上的土地变化和驱动力属性反映了人类主导的地球系统。我们开发的数据集可以用来改进土地利用变化、生物地球化学循环的建模，以促进我们对全球环境变化的理解^1-4，6。

正文

人类依靠土地获取食物、能源、生存空间和发展。传统上，土地利用变化是一种局部规模的人类活动，它正日益影响着地球系统的进程，包括地表能量平衡、碳循环、水循环和物种多样性^1-4。据估计，自工业化³以来，土地使用的变化已造成大气中累积碳排放量的四分之一。随着人口和人均消费持续增长，对粮食、自然资源的需求以及由此对生态系统造成的压力也在增加。

由于卫星检测的天气学视野和对地球表面的频繁监测，卫星观测对我们目前对全球土地覆盖和土地使用的范围和变化的理解有很大的贡献。以前的全球范围的研究主要集中在 2000年⁷后一段时期的森林覆盖年度变化 (阻止更替的干扰)，或集中在稀疏的时间间隔⁸。未受到干扰的森林的长期渐进变化以及农田、草地和其他非森林土地的面积变化没有得到很好的量化。

我们创建了一个年度性的全球植被连续领域产品⁹为从1982至2016年间，包括了高植被 (ge; 5 米的高度; 以下简称树冠覆盖(TC（译者备注：类似于乔木，拥有冠层的高大树木）) ）, 短植被(SV（译者备注：低矮的没有明显冠层的灌木，草地等）)覆盖和裸土覆盖 (BG)，空间分辨率为0.05°times;0.05°(定义的详细信息，请参见补充方法)。每一年，每个土地像素的特征是其百分比覆盖的TC，SV和BG，代表了植被组成在当地高峰期的增长季节。该数据集是结合来自多个卫星传感器的光学观测，包括先进的高分辨辐射计 (AVHRR)，中等分辨率成像光谱仪（译者备注：modis）, landsat增强专题制图仪（译者备注：landsat）加上各种具有高空间分辨率的传感器。我们使用非参数化趋势分析来检测和量化在像素 (0.05°times;0.05°) 、区域和全球尺度上全时间内树冠、短植被和裸地的变化。根据全球概率样本和对谷歌地球高分辨率图像的解译结果来看，观测到的变化归因于人类直接活动或间接驱动力作用。

从 1982年到 2016年，林木覆盖总面积增加了224万平方公里 (0.9置信区间 (CI):0.93，342万平方公里), 这代表了相对于 1982年林地覆盖 (扩展数据表1) 的增加了7.1%。BG减少116万平方公里 (90% CI:-1.78、-34万平方公里)，与1982年相比减少了3.1%。SV总面积由88万平方公里 (90% CI:-2.20，52万平方公里)，这表明与1982年的SV有着1.4%的减幅。全球树冠净增加与目前对长期森林面积变化的认识相矛盾;联合国粮食及农业组织 (FAO）报告称从1990年至2015 (5) 期间森林净减少了。然而，我们的树冠损失总值估计 (-133百万平方公里，-4.2%，扩展数据表1) 同意联合国粮食及农业组织估计的森林净面积变化情况(-129万平方公里，-3%)，尽管不同的时期周期森林覆盖和定义不同(联合国粮食及农业组织将 “森林” 定义为林地覆盖ge;10%; 细节请见补充方法)。

地图上的土地变化 (图 1) 包括所有由自然或人为驱动因素引起的土地覆盖和土地利用变化。土地变化的主题本质上也与TC-SV-BG的联系相关。例如，农业扩张引起的森林砍伐通常表现为TC减少和SV增加，而土地退化可能同时导致SV减少和BG增加。TC (Delta;TC)、SV (Delta;SV)和BG(Delta;BG)的变化对在变化方向上表现出强耦合和对称性，但在空间上变化很大 (图1b和扩展数据图1)。也就是说,在全球处于主导地位，耦合的土地变化Delta;TC与Delta;SV共存，和Delta;SV与Delta;BG共存。

TC的整体净增加是由于热带地区的净减少被亚热带、温带和北寒带气候区的净增加所抵消 (扩展数据表2)。在林地覆盖中，TC维度南（减少）北（增加）变化非常明显 (图2a)。相反，SV的热带净增长大于了温带净减少。Delta;SV 的纬度图像与Delta;tc近似，最明显的是北部中高纬度 (45°N-75°N) 和低纬度地区(30°S-10°N) (图 2b)。对于BG，亚热带净增长的部分抵消了所有其他气候区域的减少情况。在北部中低纬度地区 (10° N-45°N)，BG减少图像 (图2c)与SV增加图像密切相关 (图2b)。

变化在生物群落间分布不均匀 分布(图3、扩展数据图2和扩展数据表 2)。最大的净TC面积减少发生在热带干旱森林生态群落 (- 95,000平方公里,-8%)(扩展数据图2a)，紧随其后的是热带潮湿落叶森林 (- 84,000 平方公里,-2%) (图3c) (所有净变化百分比为表示相对于1982年面积覆盖的基准)。热带以外主要森林生物群落的TC在过去的35年中增加: 温带大陆森林增长最大( 726,000平方公里， 33%) (图3), 相当于接下来的两个生物群落：北方针叶林 ( 463,000平方公里， 12%)和亚热带潮湿森林( 280,000平方公里, 18%相对比(扩展数据图 2e，m)。

SV损失反应了树木覆盖增长情况，但幅度较小:温带大陆森林(-61万平方公里,-14%)，北方针叶林 (-43万平方公里,-10%) 和亚热带湿润森林(-2.49万平方公里,-9%)。相比之下，热带森林生物群落里SV都增长了，其中，热带灌丛面积增长最大( 41.7,万方公里， 10%) (图3e)，是两倍热带干旱森林( 24.6万平方公里, 5%)的两倍。热带灌丛也经历了最大的BG减少(-面积40.8万平方公里,-10%)。亚热带沙漠-地球上第二大旱地生物群落-在BG ( 10.7万平方公里， 5%) (图 3f) 上增长最多，其次是亚热带草原 ( 15.4万平方公里， 5%) (扩展数据图2h)。

在所有气候领域中，山地系统都经历了BG损失、SV被损失和TC增加 (扩展数据图2c，f，i，n和扩展数据表2)。在高纬度寒带苔原林地和极地生态区(扩展数据图2o，p），两个生物群落BG减少，TC增加，苔原林地SV减少，极地生态区增加。

根据来自全球概率样本的数据，估计60%的变化与人类的直接土地利用活动有关，40%与间接驱动因素如气候变化有关 (扩展数据图3,4;见补充方法)。人为直接影响从36%的BG增长到70%的TC减少等。在大陆范围内，在欧洲 (86%) 、南美洲(50%)、亚洲(62%) 和非洲(66%)观察到的土地变化中，土地利用活动占据大多数, 但在北美(35%)和大洋洲(47%)的作用较小。具体的土地变化驱动因素是多样的，多尺度的和多尺度的，下面将详细讨论。然而，由全球范围内各种驱动力共同引起的变化似乎是渐变的(图5)。

农业边界扩张是热带雨林砍伐的主要驱动力¹⁰。从1982年到2016年净森林覆盖率减少最大的三个国家都位于南美洲:巴西(-38.5万平方公里,-8%)、阿根廷(-11.3万平方公里,-25%) 和巴拉圭(-79万平方公里,-34%) (补充表1)。沿着亚马逊东南边缘的“森林砍伐弧”已经被很好的记录下来了（7.10)。在赛多拉(图4a)和格兰查科(图4b)出口导向型工农业也导致了自然植被的被砍伐。在昆士兰、澳大利亚和东南亚 (包括缅甸、越南、柬埔寨和印度尼西亚)，森林砍伐的空间聚集热点也在减少该区域已经稀缺的原始森林¹¹。在撒哈拉以南的非洲，刚果雨林和Miombo林地林地覆盖率普遍下降(图4c)，这在历史上与小农农业有关，越来越多地与大宗商品作物种植有关¹²。加拿大北部、阿拉斯加东部和西伯利亚中部的森林呈现出大片的TC减少和SV增加，类似于热带(图1b)。然而，这些都是野火持续干扰和随后自然植被恢复的结果¹³。

气候变化对植被变化的影响也体现在区域尺度上。在美国西部(图4d)，由于地区变暖¹⁴，森林正受到越来越多的昆虫、野火、高温和干旱压力。但在温度有限的北极地区，气候变暖促进了东北地区木本植物的生长。在西伯利亚、阿拉斯加西部和魁北克北部¹⁵(图4e)，土地利用活动在这些北部苔原和极地生态系统中非常罕见,对观察到的土地变化贡献不到1% (扩展数据图3e)。在非洲中部和西部缺水的大草原上(图4f)，从空间和实地观测¹⁶到的森林扩张和木质侵蚀可能是由降水和大气中二氧化碳增加造成的¹⁷。极端高降雨量异常也有助于 荒漠草原的绿化 (图4f)¹⁷。随着气候变化，生物群落的海拔分布也在变化。由于气候变暖，自公元1900年以来，全球的树木林线位置一直在上升。上述全球山地系统BG减少，SV减少和TC增加进一步表明,山地植被的分布、结构和组成正在发生持久的转变¹⁸。

政治、社会、经济等因素影响与气候因素一起共同影响植被。欧洲的TC，包括欧洲的俄罗斯，增长了35%-在所有国家中涨幅最大(扩展数据表1)。在欧洲俄罗斯和喀尔巴阡山地森林中发现了TC增长的空间连续热点(图4g)。在苏联解体后的东欧，废弃农地的自然造林是一个普遍的过程1⁹。我们的卫星记录证实了中国大规模造林和造林计划的有效性，特别是在黄土高原和秦岭大巴山²⁰(图4h)。中国东南部种植面积的增加也导致了中国TC的增加(增加34%)。美国的TC也增加了15%，与美国西部森林覆盖率下降不同(图4d)，东南部森林正在从历史的干扰中恢复或处于集体林业管理之下²¹

世界干旱和半干旱旱地的SV大量减少，BG大量增加，表明土地长期退化。植被损失的热点地区包括美国西南部、阿根廷南部、哈萨克斯坦、蒙古 (图4i) 、内蒙古、中国、阿富汗 (图4j) 和澳大利亚的大片地区。澳大利亚东部SV覆盖的减少可能是当地生长季节长期降水减少的结果²²。地表温度的升高、降雨量的减少和过度放牧导致蒙古草原的大面积退化²³。美国一项全国性的地面调查揭示了土壤和植被的退化与在西部地区入侵物种的优势不断增强有关²⁴。

人类活动无疑在农业和城市景观中发挥了主导作用，在人类历史上，土地一直在不断地被修改。在所有国家中，印度和中国的裸露土地损失最大(印度，-27万平方公里，34%;中国，-25万平方公里，7%)。印度在SV增长方面也排名第二( 19.5万平方公里， 9%)，仅次于巴西( 39.6万平方公里， 12%)。虽然巴西SV的增加主要是由于农业边界向自然生态系统的拓展, 印度SV的增加主要是由于现有农田集约化--这是“绿色革命”（25）的延续。一些观察到的BG增加可以归因于资源开采和城市扩张，最明显的是在中国东部(图4 h)。然而，在全球范围内，城市地区的增长只占所有土地变化的一小部分。

以前基于卫星植被特性 (例如，叶面积指数) 趋势的研究已经发现了一个正在变绿的地球²⁵并将这种绿化趋势与一些气候和生态因素^20，27-29联系起来。最近一项使用生态系统模型的研究²⁹表明，全球叶面积指数70%的增长归因于二氧化碳施肥效应，4%归因于土地利用变化。全球裸地覆盖在过去 35 年中有所减少，表明植被覆盖净增加，因而与绿化趋势相一致。然而，通过量化土地利用在全球植被变化中的突出作用，我们的研究结果不同于以往的研究。使用一个基于全球概率的样本，我们将观察到的60%的土地变化归因于土地利用活动 (扩展数据图3)。我们的经验方法是基于高分辨率卫星数据(扩展数据图4)的观测，避免了建模土地变化的潜在驱动力的影响¹。此外，我们的TC-SV-BG土地覆盖产品在主题上比植被指数更先进。例如，将树木覆盖的长期变化与其他植被区分开来，可以促进对水、碳和能源⁹的全球通量的更好理解。我们的研究提供了北部大陆树木覆盖增加的观测证据-这可能构成了碳汇³的缺失。相比之下，热带树木的覆被减少与森林生物量的增加有关，并对森林砍伐^3，5造成的碳排放

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