2000—2016年《自然》和《科学》期刊土地科学相关研究重点进展评述

俞振宁，张晓滨，吴次芳

（浙江大学土地与国家发展研究院， 浙江 杭州 310058）

2000—2016年《自然》和《科学》期刊土地科学相关研究重点进展评述

俞振宁，张晓滨，吴次芳

（浙江大学土地与国家发展研究院， 浙江 杭州 310058）

研究目的：总结2000—2016年《自然》和《科学》期刊土地科学相关研究的重点进展，为把握两大期刊土地科学研究的前沿态势提供参考。研究方法：文献调研法。研究结果：（1）土地资源保护、土地生态、土地碳排放、城市化及其效应、农地集约利用和土地管理策略是两大期刊土地科学相关研究关注重点；（2）两大期刊相关文献主要关注全球性土地问题，涉及多元化数据和多学科研究方法，具有创新性、重要性、交叉性等特征。研究结论：全球自然资源图谱与核算、全球土地变化制图与监测、全球农地利用方案、土地—社会生态动态系统、新型土地管理策略体系等可能是未来10—20年两大期刊土地科学领域重点研究方向。

土地科学；土地利用；综述；《自然》；《科学》；全球

土地问题日益突显出跨国界性、超国家性和全球性。粮食安全、能源危机、生态环境保护、可持续发展等全球议题都与土地息息相关[1]。可以认为地球已经进入需要集全人类的智慧和资源，来共同解决土地问题的时代。

《自然》和《科学》是国际公认的全球顶尖的综合性的学术期刊。土地作为一个问题领域，也有部分研究成果在两大期刊发表。随着土地科学学科的不断发展，更多的重要和前沿的土地问题研究成果也会在两大期刊发表。基于此，总结《自然》和《科学》已发表的土地科学相关研究成果能够更好地把握两大期刊土地问题研究的前沿动态，助力土地科学学科建设。

本文基于Web of Science数据库，采用文献调研法，以2000—2016年为研究期间，通过检索“land resources”、“land protection”、“land ecology”、“land use”、“urbanization”、“land engineering”等关键词，筛选出两大期刊刊载的土地科学相关的研究文献150余篇，参考“土地科学年度重点进展及展望研究”课题组的相关研究成果[2]，根据所筛选文献研究内容的集中程度，确定了“土地资源保护”、“土地生态”、“土地碳排放”“城市化及其效应”、“农地集约利用”和“土地管理策略”6个两大期刊重点关注的研究领域。同时结合文献的引用率、类型和研究内容的重复性及全面性等，进一步筛选出69篇代表性文献作重点评述，并对未来10—20年两大期刊土地科学研究领域可能的重点问题进行展望，以期为土地问题研究提供一定的借鉴。

1 土地科学相关文献总况

1.1 文献年份、引用率及核心作者统计分析

从文献来源看，《自然》37篇，略高于《科学》的32篇。69篇文献主要分布在2010年以后，达40篇，占57.97%。此外，截至2016年10月31日，69篇文献被引频次达17577次，篇均被引达254.74次。共涉及第一作者（包括共同一作）和通讯作者74人次。从核心作者的学科背景来看，67.57%的作者具有生态、环境、气候或相互交叉的学科背景，14.86%的作者具有地理、水文地质学科背景。从核心作者所在第一机构来看，美国明尼苏达大学最高，达5篇。其次为美国马里兰大学，有3篇。从机构所属国别看，美国达33篇，远高于其他国家，其次为英国有10篇。

1.2 文献类型统计分析

《自然》和《科学》的栏目设置稍有不同，为了便于比较，本文按照文献的内容、篇幅等特征，结合两大期刊的栏目设置，将文献类型归纳为“文章”、“快报”、“综述”、“短信”、“述评”、“短评”和“社论”（表1）。两大期刊的每期版面只允许发表2—3篇“文章”和15篇左右“快报”，其他类型数量较不确定。本文筛选出的文献“快报”类达34篇，占比最高（49.28%），“社论”类仅有2篇，占比最低（2.90%），其他类较为均衡。

2 土地科学相关重点问题研究进展

2.1 土地资源保护

土地资源退化不仅影响生物多样性，扰乱全球碳循环[3-4]，还严重影响人类的健康[5]。因此，土地资源的保护措施、退化土地资源的修复以及未来土地资源将面临的挑战成为近年来的研究重点之一。

发展中国家的耕地资源现状及保护措施受到两大期刊的密切关注。中国的耕地资源从数量上看似乎是安全的，但是质量问题不容乐观。中国应该重新考量耕地保护政策，实行区域差异化的政策，重点提高低、中等的耕地质量[6]；针对全球的研究表明通过耕地休养能够有效改善土壤质地和结构，增加土壤碳库[7]。同时，有研究发现使用某些植物的膜转运蛋白可以增加作物的营养含量，并且增强作物抵抗盐渍化、病原体和铝中毒的能力，从而有效扩展农地资源[8]，为退化土地的修复提供了一定的借鉴。此外，对退化土地的直接利用也是缓解土地资源紧张性的有效措施，研究表明，通过在退化土地上种植生物燃料作物可以最大限度地减少与粮食作物的竞争，并改善土壤理化性质[9]。

表1 2000—2016年《自然》和《科学》期刊土地科学相关研究文献类型分布Tab.1 The types of land science related research in Nature and Science from 2000 to 2016

在亚马孙地区等生态脆弱区的综合性的情景模拟和政策仿真模拟研究也表明，随着经济的增长，土地资源的恶化并非是必然的，重视自然资源资产的价值是实现经济发展与土地资源保护双赢的重要途径[10]。

2.2 土地生态

土地生态对人类的福祉是至关重要的，并且对人类的影响正在不断地升级[11]。土地生态系统是一个动态的开放系统，人类活动（包括土地利用/覆被变化）对其影响的程度是土地生态相关研究的重点。

以亚马孙流域为代表的生态热点地区研究表明，土地生态系统对于人类活动干预的抵抗力因逐渐受到毁林、火灾以及干旱的影响而减弱[12-13]。人类活动会导致土地生态系统服务价值产生较大变化，这些变化可能是积极的，但是普遍增加了土地生态系统的脆弱性[14]。例如，在全球尺度下，研究表明，耕地和牧草地的扩张会造成物种丰度平均下降8.1%[15]。若延续目前的土地利用模式，将会造成1000种濒危物种的数量减少50%，且主要集中于物种丰富而经济落后的国家[16-17]。也有研究显示，虽然生物栖息地的改变对物种丰度的改变不大，但是食物网结构的变化会影响生态系统服务价值[18]。即使人类干扰消失后，生物栖息地有所恢复，其生物多样性仍明显低于原始状态[19]。针对热带草原的研究发现，人类干预也可能增强应对外来物种入侵的抵抗能力，但是其负面效应是失去了生物多样性提供的缓冲能力，一旦发生火灾等，草地仅能在那些原始物种集聚地继续存在[20]。此外，也有学者对中国多个山区城市的平山造地工程生态环境风险展开了讨论[21-22]。

设立自然保护区是保护全球，尤其是亚马孙、马达加斯加等生态热点和脆弱性地区生态多样性的重要途径[23]。自然保护区面积增加至全球土地面积的17%能够对物种范围和陆地生态区域的保护增加3倍，但这有赖于对自然保护区的有效管理、国际间充分合作以及基于高分辨率空间数据，建构更精细保护区选择方法[24-26]。对澳大利亚自然保护区的保护效果的研究表明，如果对澳大利亚6990个严格保护区最低效的1%进行替代，能够在增加15%保护区面积的基础上，增加18到54种植被类型，并且不会带来成本的增加[27]。此外，单纯的自然保护区设立是不够的，综合性的土地政策和健全的土地管理也是保护生物多样性的重点[28]。

2.3 土地碳排放

人类的土地利用活动强烈地影响着土地碳排放与碳封存之间的动态平衡，造成碳排放季节性振幅的增加[29]，进而改变区域和全球气候系统[30]。

使用高分辨率的全球森林覆盖变化图谱[31]、自下而上（包括库存理论、区域生物通量测算统计外推法以及基于过程的模型等）、自上而下（大气反演法等）等方法可以对人类活动（包括土地利用变化、农业活动以及垃圾管理等）引起的全球净温室气体（CO2、CH4、N2O）进行有效定量测算[32]。结果表明，森林生态系统目前仍是全球碳循环中的重要碳汇/源，尤其是原始森林，在碳汇方面具有次生森林不可比拟的效果[33]。全球森林覆盖变化对全球碳循环具有重要影响，森林砍伐导致了大量的碳储量损失[34]，进而导致了昼夜温差扩大，尤其是在干旱区[35]。而通过造林等措施进行植被恢复则是增加土地碳库的重要途径[36-37]。不过也有研究显示，造林在碳排放方面的积极效果仅限于热带与温带地区，在寒带地区，地表植被覆盖增加由于提高了地面的反照率，反而会加剧温室效应[38]。另外，有研究显示半干旱生态系统对全球碳循环起着越来越重要的作用，而热带雨林的作用正逐渐减弱[39-40]。也有中国学者研究了中国的碳排放对全球气候变化的影响[41]。

2.4 城市化及其效应

伴随着全球化进程的加快，中国的城市化问题受到了较多关注，而国外学者则对城市化与生态环境的响应关系进行了深入探讨。

中国的城市化速度和规模是人类历史上少有的[42]。2010年，中国的人口城市化率已经达到了49.7%，比2000年增长了13%[43]。与此同时，中国也面临着土地、人口和环境三大挑战：土地城镇化速度远高于人口城镇化进程，可能引发粮食安全等问题；城市中有大量的流动人口，可能会造成诸多社会问题；环境和健康问题也伴随着城市化，例如，大约2/3的城市缺水，大量的地下水、空气污染等问题[42-45]。为了给予决策者有用的科学建议，研究人员仍需细化数据、改进研究方法[46]，因此以中国为代表的发展中国家的城市化研究仍需积极探索。

在城市化效应研究方面，美国近50年来的城市化和其他类型的土地利用变化造成了昼夜温差减小，估测为每世纪平均上升0.27 ℃[47]。进一步的气候模型显示，城市热岛效应的日温差主要取决于底层大气的热量对流，美国东部湿润地区城市热岛效应要强于西部干旱地区[48]。近年来的城市化进程也使得城市污染的危害已经远远超出了城市核心区[49]，城市和乡村的生态环境都转入了恶性循环，最终会影响资源的可持续利用[50]。此外，也有学者对运用复杂学理论解决全球城市问题进行了探讨[51]。

2.5 农地集约利用

土地可持续利用要求土地利用与生态环境是有机结合的，如何以最小的生态代价满足日益增长的粮食需求是目前全球面临的挑战，也是研究的重点。

两大期刊关于是否应该进行农地集约利用的争论主要基于两个概念：土地分离（Land Sparing）是指划出部分土地不予耕作而专用于生态系统保育和自然保护，并采用高效集约的利用方式提高剩余土地单产。土地共享（Land Sharing）与土地“多功能利用”的概念相近，是指对土地进行综合利用，不划分禁耕区，采用低强度的土地生产方式，在农业生产的同时实现生物多样性保护。有研究通过加纳西南和印度北部的不同农业强度梯度对鸟类、树木等物种丰度的影响观测，发现农用地对生物多样性的破坏主要在于用地类型的转换，而利用强度的改变影响较弱，因此土地分离利用的生物多样性保护效果优于土地共享[52]。然而，研究区域的特性以及所选物种等相关因素都对结果产生明显的影响，真正有效的农业管理实践由于区域性因素的不同必然是千差万别的[53]，而目前实证研究数量的缺乏致使难以得出对二者效果评判的一般性结论[54]。

集约农业为满足日益增长的人口的粮食需求做出了巨大贡献，以美国为例，1945—1997年，在农用地面积几乎没有增加的同时，粮食产出却扩大了2倍[55]，然而不可否认的是，集约农业对化肥的使用也使粮食生产付出了沉重的环境代价[56]。因此有学者提出限制农用地扩张，改变传统的农业集约经营方式，转而向有机农业和精细农业发展[57-58]。但有研究结果显示，环境友好型农业不仅使产量减小，从而增加人类对土地资源的需求[59]，并且也没有起到明显的保护生物多样性的作用[60]。因此，有机农业实践需要针对产量提高与环境保护进行技术改善，而针对农业用地利用方式的争论，仍将成为今后一段时间的研究热点。

2.6 土地管理策略

土地资源可持续利用也有赖于科学的土地管理方式和机制。土地管理策略与机制设计也应当因地制宜。而“欠发达地区”和“生态环境”是两大期刊土地管理领域相关文献的两个重要标签。

目前，减少集体所有，明晰产权被认为是提高非洲地区土地利用效率的有效措施[61]。同时，社会资本可以降低交易成本，促进公共投资，因而越来越受到学者以及政府机构的重视[62]。

人类环境足迹的不可持续已成为一个全球性的问题[63]。为此，Ostrom[64]提出了一个社会—生态系统（SESs）可持续发展的总体性分析框架，Liu等[65]提出了整合的人与自然耦合系统，他们认为为实现全球的可持续发展，必须考量生态系统、社会系统及其构成要素之间的内在交互机理。因此，改变现阶段以经济发展为单一目标的土地利用决策模式，是改善生态环境，提高生态系统服务价值的有效措施[66]，而打破地缘政治，加强国际合作，尤其是全球范围环境协议的建立与遵守对于实现这一系列目标具有重要意义[67]。此外，系统性数据的缺乏也制约了土地政策合理性，因而应当加强土地相关各方面的数据基础建设[68]。总之，可持续发展是与土地资源、生物多样性、水资源和气候变化密切相关，但很多研究只针对其中的一项或几项作单独研究，两大期刊为我们提供了一个系统集成的视角，以了解全球社会经济和资源环境之间的相互关系，并建立可持续发展的解决方案[69-70]。

3 土地科学相关重点问题研究评论

3.1 从研究尺度角度

两大期刊土地科学相关研究大多依赖于不同空间和时间尺度上的生态与地理系统过程，并呈现典型的大空间尺度与长时间跨度的特征。

在空间尺度上，42篇文献以全球为研究区域，占比高达60.87%，主要的研究议题是土地生态和土地碳排放。其中有文献还涉及发达国家与发展中国家、热带地区与寒带地区、全球几个国家之间的比较研究，体现了两大期刊文献研究内容的创新性、重要性等特征。目前，从土地角度，对于土地—生态系统的认识已达到一定的深度，但是地区差异性机理仍值得继续深入研究，并且未来还需要更多地纳入社会要素，更完整地考察各系统的运行过程及其效应。

美国、欧洲、澳大利亚等发达国家和地区，也是其中14篇文献的研究区。这些研究主要集中于土地资源保护和农地集约利用。因为基础数据的完善，这些研究不仅能够清楚地阐释过去的变化规律，还可以对未来发展进行一定的模拟，因此多数文献的时间跨度也较大。但发展中国家和地区的研究较为缺乏，也难以形成全球性的研究成果，因此全球性的土地利用变化系统数据集和自然资源数据库的建立可能是未来研究的基础。

此外，8篇文献以中国为研究区，5篇文献以亚马孙、非洲等全球生态热点地区为研究区。主要涉及发展中国家和地区的土地资源保护、土地生态、土地碳排放、城市化及其效应等问题。这些研究既是对全球性土地问题研究的一个补充，也为区域差异比较提供了基础。未来的研究除了更全面地建立这些地区的研究数据库，还需要注重整合全球视野下的土地问题和挖掘地区差异性的影响机制。

在时间尺度上，24篇文献同时涉及过去、现在和未来，时间跨度较大。在不涉及未来状况的研究中，10篇文献的跨度在30年以上，16篇文献的跨度在10—30年。表明较长时段的研究比较受两大期刊的青睐。而基于全球性和长时段的研究则需要更完备的数据，且往往数据量较大、获取难度较高。这也表明未来全球性土地问题研究亟需全球性的长时段系统数据库，尤其是对于发展中国家而言，研究人员还需细化数据，积极探索。

3.2 从研究方法角度

研究方法是论文的重要基石。被广泛接受的实验技术或理论模型以及多学科研究方法的集成应用是两大期刊论文的重要特征。

在土地资源保护和农地集约利用研究领域，多数文献偏重于实验设计或模型建立。实验技术主要涉及生态学和环境学被广泛接受的实验方法，而模型往往是集成的多模型框架，主要包括生物学、生态学和环境学等学科的较为成熟的理论模型。总体而言，多数研究方法属于自然科学范畴的研究，但与制度、政策的结合较为欠缺，以至于提出的管理策略还难以成体系。

在土地生态、土地碳排放和城市化及其效应研究领域，多数文献偏重于数据获取及应用。主要通过观测、遥感、调查和统计等多种方式获取多元数据，形成系统的数据库，为之后指标或模型设计，进行对比、实证或预测模拟研究建立了良好的研究基础。数据获取的难度也决定了除土地碳排放之外的多数文献的研究区域仅限于局部，这也表明全球性的研究数据库的缺乏制约了全球性土地问题研究，研究人员仍需改进研究方法，建立更有效的数据获取方式和更全面的数据库。

在土地管理策略研究领域，两大期刊主要为读者提供了一个系统集成的整合视角，学科交叉特征明显。例如从社会—生态系统或人与自然耦合的角度，能够更充分地考察相关要素的内在交互机理。这是对孤立研究某一系统的超越。但目前在人地关系的研究方法上，仍然多是单向的，即强调人类对于土地系统的影响，而关于这种影响反作用于人类决策并进一步形成的社会与土地系统之间的循环往复的关系研究较少。同时，由于系统性数据和相关实证研究的缺乏，研究成果还难以形成可持续发展的解决方案，甚至也难以解决大部分土地管理问题。

4 两大期刊土地问题研究展望

两大期刊土地科学相关研究旨在揭示全球性土地问题的内在机理，为提出切实可行的解决方案提供科学基础。目前系统性数据的缺乏、研究方法的集成应用是制约全球性土地问题研究的主要因素。例如，数据缺乏严重制约着土地生态、土地碳排放等领域进行有效的全球性研究。土地资源保护和土地管理策略领域则需改进研究方法，推动土地资源利用和管理实践。城市化及其效应、农地集约利用等领域则仍需强化过程机理研究的系统性。总体而言，未来研究仍需在数据基础、过程机理、管理策略等全过程深化和发展。

（1）数据基础。全球自然资源图谱与核算和全球土地变化制图与监测主要是基于数据基础的针对全球自然资源利用与保护的两项研究展望。20世纪80年代以来，国际社会就展开了自然资源核算体系研究。同时，现代化技术在不同时空尺度的土地变化制图与监测应用中已取得一定的成果。在未来一段时期内，关于自然资源利用与保护的研究范围将扩大，研究时段将加长，研究层次将深入。这两项研究旨在整合现有研究成果，建立全球性、长期性的系统数据集和技术体系，为资源、环境与生态安全及可持续发展提供支撑。

（2）过程机理。在全球视野下审视农地集约利用和城市化及其效用研究，可以进一步上升归纳为全球农地利用方案和土地—社会生态动态系统研究。农地集约利用、耕地休养等不同的利用方式有其自然的演化过程和适应地区。关注土地未来50—100年的变化，应改变农业集约化生产对土地资源及生态环境造成的损害。全球农地利用方案旨在认识不同时空下粮食、人口、环境等要素的相互作用过程，为农地集约利用、耕地休养等政策、技术和管理提供科学知识；土地—社会生态动态系统则是对土地利用/覆被变化研究的一次超越，将研究对象从土地上升为以土地为主要媒介的整个社会生态系统，意味着研究视角和研究方法的多元深化。从土地—社会生态动态系统的角度量测、模拟和理解土地利用与变化，识别并量化系统内部各种变化的相互作用和影响，为生物多样性保护、气候变暖问题、可持续发展等全球议题提供科学基础。

（3）管理策略。土地利用及其影响要素之间具有非线性的复杂系统的特点，应对这种特征的自然资源治理，需要能够整合一系列不断演进、符合地方实际、可以回应反馈、可持续发展的策略体系。这一系列研究可以归纳为新型土地管理策略体系，其旨在认识土地复杂系统的基本运行规律，突破传统土地管理的线性思维，推动不同时空下人与自然的全面和谐。

囿于能力和视野的限制，本文仅以《自然》和《科学》为例，进行两大期刊全球性土地问题研究的总结和展望。事实上，所有期刊对研究土地问题论文的发表都可能存在一定的局限性和有偏性。例如，两大期刊鲜有土地经济领域相关文献。为进一步总结全球性土地问题研究进展，后续研究可以采用文献计量方法，面向更多的国际高水平期刊进行分析，同时以具体问题为主题，更深入地进行评述。

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Review on Land Science Related Research in Nature and Science from 2000 to 2016

YU Zhen-ning, ZHANG Xiao-bin, WU Ci-fang
（Land Academy for National Development, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China）

The purpose of this study is to summarize the underlined progress of land science related research published in Nature and Science from 2000 to 2016, and to provide the outlook for the leading edge of land science in these two magazines. The method of literature review is applied in this paper. The results show that 1）land resource protection, ecological effects of land use, land carbon emissions, effects of urbanization, farmland intensive utilization and land management strategies are the major concerns on land science related topics of Nature and Science; 2）These two magazines mainly devote to the global land issues, involving diversified data and multidisciplinary research methods characterized by originality, importance and crossing. It is concluded that global natural resource mapping and accounting, global land change mapping and monitoring, global farmland use program, interrelationship between land and social-ecologic system and novel strategic system for land administration should be the underlined direction for land science in nearly future.

land science; land use; review; Nature; Science; global

F301.2

：A

1001-8158（2017）05-0089-08

10.11994/zgtdkx.20170519.142026

2016-11-15；

2017-03-23

国家社会科学基金重大项目（14ZDA039）。

俞振宁（1992-），男，浙江宁海人，博士研究生。主要研究方向为土地规划与空间分析。E-mail： yuzhenning@zju.edu.cn

张晓滨（1992-），男，内蒙古乌兰察布人，博士研究生。主要研究方向为土地整治与土地产权。E-mail： zhangxiaobin@zju.edu.cn