综述：气候变化背景下山区沉积物产量的研究：一项系统性综述

《CATENA》：Sediment yield in mountain regions in the context of climate change: A systematic review

气候变化对山区泥沙输移的影响及建模研究：系统综述分析2011-2024年间72项研究，发现概念模型占主导（69.4%），地理分布偏亚洲和欧洲（84.7% catchment尺度），模型验证不足（60%），建议采用高分辨率气候数据和多样化模型。

　　

M.A. Ayele|K. Kaffas|P. Borrelli|N. Evelpidou|D. Penna|M. Righetti

可持续发展与气候变化，意大利帕维亚高等研究院（IUSS）

摘要

气候变化显著影响了降雨模式、温度制度、植被动态和土壤稳定性，这些因素又直接或间接地影响了土壤侵蚀和沉积物产量。本系统综述旨在评估当前对山区环境因气候变化导致的沉积物产量的理解和建模实践。在Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses (PRISMA)框架的指导下，根据预定义的纳入标准，选取了2011年至2024年间发表的72篇经过同行评审的研究。开发了一个包含12个部分和56个子部分的多层次数据库，以系统地从这些研究中提取相关信息。综述显示，概念模型（约69%）和经验模型（约25%）被广泛使用，这些模型通常基于分辨率较低的气候数据。大多数研究在流域尺度上进行，地理上偏向亚洲和欧洲，而在大洋洲和南美洲的研究较少。河流沉积物输送方法是估算沉积物产量的最常用方法，而沉积物输送比率和等级曲线则较少应用，这限制了对沉积物沉积和连通性的了解。尽管许多研究表明气候变化会导致沉积物产量增加（69.4%），但也有研究报道产量减少或呈现混合趋势，这些趋势受到植被、土地利用和保护措施等区域因素的影响。研究结果强调了改进模型验证（只有约60%的研究报告了任何形式的验证）、提高地理代表性以及更广泛采用高分辨率、基于集合的方法的必要性。本综述指出，气候变化既是山区环境沉积物产量变化的直接驱动因素，也是间接驱动因素，解决当前的建模和数据限制对于制定可靠的未来预测以指导沉积物管理和气候适应策略至关重要。

引言

气候变化显著影响水文过程、降雨模式、温度、极端天气事件、植被覆盖和土壤稳定性（Furtak和Wolińska，2023；Psarropoulos等人，2024）。因此，它会影响山区的土壤侵蚀和沉积物产量——这些地区通常具有陡峭的地形、明显的高程梯度以及复杂的气候和地貌条件，这些条件放大了径流响应（Chen等人，2020；Hirschberg等人，2021；Mani等人，2024）。在山区，陡坡加速了径流；薄弱的土壤对土壤侵蚀的抵抗力较低；气候条件影响降水类型（雨或雪）；地貌因素决定了地表排水、径流生成和侵蚀潜力（Li等人，2025；Mani等人，2023）。这些因素共同增加了径流的速度和体积，从而加剧了沉积物的产生（Gao等人，2024）。降雨强度和极端事件是流域尺度上严重土壤侵蚀、山洪暴发和极端沉积物产量的主要原因（Evelpidou等人，2022；Kaffas等人，2022；Piacentini等人，2018）。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的第六次评估报告（AR6，2023），21世纪前二十年（2001至2020年）的全球表面温度比1850至1900年的平均温度高出0.99°C。持续的温室气体（GHG）排放导致全球变暖加剧，显著改变了降雨和温度等气候变量（Abbass等人，2022）。这些气候变化不仅通过降雨直接引发土壤侵蚀，而且温度升高还会影响植物生长，减少植被覆盖，当降雨恢复时，这会加速裸露土壤的侵蚀（Borrelli等人，2020；Guerra等人，2020；Karmakar等人，2016）。由温暖温度和强烈阳光引发的冰川和季节性融雪事件是阿尔卑斯山区最常见的水文过程之一，对沉积物产量有显著贡献（Sk?lev?g等人，2024）。此外，受气候变化加剧的野火会破坏保护性植被，从而加剧火灾后的侵蚀和沉积物产量（Evelpidou等人，2021；Gould等人，2016）。

土壤侵蚀的现场影响包括土壤性质和结构的恶化、蓄水能力下降（Lal等人，2000；Lin等人，2023）、肥力和生产力降低（Novara等人，2018）、滑坡风险增加（Huang等人，2020）、下坡坡度上的沉积物堆积以及景观变化（Hubbard等人，2014）。土壤侵蚀的场外影响包括河流和水库的淤积、洪水风险增加、水污染和水生栖息地的丧失（Fitzpatrick等人，2025；Folegot等人，2021）。山区通常建有密集的水库和水力发电设施。沉积物堆积被认为是对水库性能的主要威胁，不仅影响能源生产，还会通过减少蓄水能力阻碍多用途水库的整体功能（Kaffas等人，2024）。据估计，欧盟河流系统的年沉积物输送量约为1.64（±13）亿吨（Borrelli等人，2018），导致欧洲水库每年的平均沉积物清除成本约为23（±0.2）亿欧元（Panagos等人，2024）。除了基础设施问题外，沉积物输送还会将金属、农药和化肥等污染物带入水体，对水质和水生生态系统构成威胁（Adil等人，2023）。

预计干旱和温度的增加将进一步威胁全球的植被和生态系统生产力（Bao等人，2021）。气候变化还改变了农业动态，导致种植和收获日期的变化（Routschek等人，2014）以及作物成本的波动（Mahfoud和Adjizian-Gerard，2021），所有这些都会影响径流和沉积物产量（Walthall等人，2012）。沉积物产量对气候变化的响应可能因地形、降雨特征、河道动态和土地管理实践而异（Borrelli等人，2020）。IPCC（2012）预测，由于气候变化，阿尔卑斯山区的径流速率和沉积物质量将增加。Stoffel和Huggel（2012）的研究报告称，阿尔卑斯山的冰川退缩加剧、永久冻土退化以及水库淤积增加。建模研究进一步说明了这些影响：Khatri等人（2019）使用Hydrological Simulation Program-Fortran（HSPF）模型发现，在未来的气候情景下，犹他州山区的径流和沉积物负荷增加；Szalińska等人（2024）使用波兰喀尔巴阡山脉的山地流域的Soil and Water Assessment Tool（SWAT）模型发现，降雨量增加会加速土壤侵蚀和水库淤积。

过去几十年中，开发了多种模型来模拟土壤侵蚀和沉积物产量，包括经验模型、概念模型、基于物理的模型和混合模型。这些模型在数据需求、空间和时间分辨率以及输出精度方面存在差异（Andualem等人，2023；Hajigholizadeh等人，2018）。这些模型已在山区广泛应用于评估气候变化的影响。例如，Hirschberg等人（2021）在瑞士Illgraben阿尔卑斯山区应用了Sediment Cascade概念模型（SedCas）；Azim等人（2016）在巴基斯坦Naran陡峭山区应用了基于物理的Systeme Hydrologique European Transport（SHETRAN）模型；Chuenchum等人（2020）在澜沧-湄公河流域应用了经验RUSLE（Revised Universal Soil Loss Equation）模型。

为了捕捉气候变化的影响，沉积物产量模型越来越多地与气候模型（如全球环流模型（GCMs）、区域气候模型（RCMs）和对流允许模型（CPMs）相结合（Chapman等人，2021；Ma等人，2024）。气候情景已从早期的假设性构建发展到更全面的框架，如代表性浓度路径（RCPs）和共享社会经济路径（SSPs）（IPCC，2013；Riahi等人，2017）。在未来的气候条件下进行准确的沉积物产量建模通常需要降尺度处理粗分辨率的气候输出，并应用偏差校正方法以使预测与当地流域特征相匹配（Ambrizzi等人，2019；Jahangir等人，2022）。鉴于模型输出的多样性，集合建模越来越多地被采用以提高气候影响评估的可靠性和稳健性（Polykretis等人，2023）。

许多研究人员通过水文和侵蚀模型回顾了现有的土壤侵蚀、沉积物输送和沉积物产量研究。Borrelli等人（2021）分析了1994年至2017年间发表的1697篇关于土壤侵蚀模型的文章。他们创建了Global Applications of Soil Erosion Modeling Tracker（GASEMT）来识别全球模型趋势和区域差距，并支持全球土壤侵蚀评估和未来研究重点。Nasir Ahmad等人（2020）进行的系统综述专注于亚洲农业用地的土壤侵蚀控制实践。通过分析39篇相关文章，该综述旨在确定减少土壤侵蚀的最有效和高效方法。Gonzalez Rodriguez等人（2023）进行了系统综述，分析了33篇文章，收集和描述了水库和天然湖泊中沉积物速率和近期沉积物趋势的证据，重点研究了其对水分储存损失的影响。Andualem等人（2023）回顾了112篇文章，以确定适用于流域尺度土壤侵蚀和沉积物输送的模型。Eekhout和de Vente（2022）回顾了气候变化对土壤侵蚀的影响以及通过土地利用变化和土壤保护进行的适应潜力。他们的研究不专注于山区沉积物产量，而是基于224篇出版物的数据研究土壤侵蚀。此外，Hajigholizadeh等人（2018）回顾了浅水区侵蚀和沉积物输送建模的方法、模型和应用，对其优势进行了分类，并定义了其主要适用范围。然而，关于气候变化对未来沉积物产量变化和趋势的全球影响的评估实施情况，尤其是山区环境方面的透明和全面证据仍然不足。

然而，这些综述都没有系统地探讨气候变化、土壤侵蚀和山区沉积物产量之间的联系，在这些地区，侵蚀过程对气候变异性特别敏感。目前仍缺乏关于气候变化评估如何应用于这些环境中沉积物产量趋势的全面证据。本系统综述通过深入理解气候变化、土壤侵蚀和沉积物产量之间的关系来填补这一空白，特别关注山区环境。具体目标包括：a）更清晰地了解1959年至2024年间气候变化下山区土壤侵蚀和沉积物产量的国际应用情况；b）评估气候变化对不同地区沉积物产量变化和趋势的影响；c）为改进气候变化下的山区流域沉积物产量建模和监测提供建议。

部分摘录

信息来源和搜索策略

本系统综述的识别、筛选和纳入相关文章采用了Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses (PRISMA) 2020声明（Page等人，2021）。从Scopus和Web of Science数据库中收集了已发表的文献。Scopus数据库的搜索在“文章标题”、“摘要”和“关键词”字段（“TITLE-ABS-KEY”）中进行，涵盖了1959年至今的出版物。此外，Web of Science数据库的搜索也进行了类似的操作。

地理概况和时空趋势

图2展示了一张全面的空间地图，显示了六大洲上建模应用的分布情况。研究规模各异——包括流域尺度、区域尺度、国家尺度和跨国尺度，其中流域尺度研究最为普遍（84.7%），其次是跨国尺度（8.3%）和国家尺度研究（4.2%）。流域尺度研究的优势反映了人们对局部沉积物动态的关注，以及这些研究能够获得更好的数据支持。

结论

本系统综述综合了全球关于气候变化对山区沉积物产量影响的研究。由于山区地形陡峭、土壤层薄，其侵蚀响应与其他环境明显不同。分析表明，尽管应用了多种建模方法，但大多数研究仍依赖于概念模型和分辨率较低的气候预测。基于物理的、以事件为导向的模型结合

资金和致谢

本研究是作为意大利国家可持续发展与气候变化跨大学博士项目（www.phd-sdc.it）的一部分进行的。该研究得到了帕维亚高等研究院（IUSS Pavia）的奖学金支持（第XXXIX周期），该奖学金由2022年4月9日的部长令第351号资助。该奖学金属于意大利的国家恢复和韧性计划（PNRR），由欧盟——NextGenerationEU的“教育与研究”任务资助。

CRediT作者贡献声明

M.A. Ayele：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、方法论、调查、数据分析、概念化。K. Kaffas：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、监督、方法论、调查、数据分析、概念化。P. Borrelli：撰写——审阅与编辑、可视化、验证。N. Evelpidou：撰写——审阅与编辑、可视化、验证。D. Penna：撰写——审阅与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。