土地利用_覆被变化的环境效应研究进展与动向

2004年10月SCIENTIAGEOGRAPHICASINICAOct.,2004

土地利用/覆被变化的环境效应研究进展与动向

于兴修1,2,杨桂山2,王　瑶1

(1.临沂师范学院地理与旅游学院,山东临沂276005;2.中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏南京210008)

摘要:土地利用/覆被变化产生的环境问题已引起人类社会的广泛关注,深入研究这些问题具有重要的理论和实践意义。在简要回顾土地利用/覆被变化对大气环境、土壤环境和水环境影响已有研究的基础上,结合中国研究的实际,分析了中国土地利用/覆被变化的环境效应研究中存在的问题,并对今后的研究趋势做了讨论。关　键　词:土地利用/覆被变化;环境效应;土壤环境;水环境

中图分类号:F301.24　　文献标识码:A　　文章编号:1000-0690(2004)05-0627-07

　　全球变化中人的行为非常复杂,但从对地球表层系统的动态影响来看,土地利用/覆被变化(LUCC)最能表达这一过程[1]。LUCC直接反映了当今全球变化的主导因子———人类活动[2],土地利用通过土地覆被的变化影响全球和区域环境,土地覆被对气候、生物地球化学循环、土地质量及陆地-海洋的相互作用等有重要影响。为了加强全球变化中人类活动机制的研究,国际地圈-生物圈计划(IGBP)和全球环境变化中的人文因素计划(IHDP)于1995年联合提出了“LUCC”研究计划,使之成为全球变化研究领域的前沿和热点。许多参与全球变化研究的国际组织和国家纷纷启动了各自的LUCC研究项目,在LUCC过程、驱动力及变化趋势预测等方面进行了大量研究[3～6]。近年来,与人类社会可持续发展密切相关的LUCC环境效应研究也逐步得到加强[7,8],并将成为该领域今后的研究重点。本文简要回顾LUCC环境效应研究的进展,重点对LUCC的土壤和水环境效应研究趋势进行分析,以期对今后的研究工作起到借鉴和启示作用。

导致了越来越严重的洪涝、干旱等自然灾害,人类活动导致温室气体的增加是气候变暖的主要原因。其中,LUCC通过对局地生态系统的强烈影响,改变了温室气体的全球收支平衡[9]。研究表明:在过去的150年中,LUCC导致了大约相当于同期化石燃料向大气中净释放的CO2净通量,成为导致全球CO2释放仅次于化石燃料燃烧的第二个主要原因[10],同时使CH4的浓度增加一倍多[11];大气中N2O的浓度也有所增长,可能与热带的土地利用变化及农业活动有关[12]。另外,与LUCC有关的生物燃烧使得CO、NO等化学性质活泼的微量气体进入大气[13～17],也对大气环境造成一定的影响。在这方面,LUCC对碳循环影响的研究是难点和热点。

LUCC除影响大气的成分外,还通过改变大气

的下垫面来影响气候[11]。LUCC对小气候影响的研究较为深入且有较多的共识,如城市用地的扩展与城市热岛效应的关系等[11,18,19]。LUCC对区域或全球气候变化影响的研究内容主要集中在植被尤其是热带森林面积减少对温度、降水的影响等方面[20],认为植被变化对温度的影响较大,森林等植被的减少以及沙漠化将使温度升高,但对降水影响研究的具体结论不尽一致,SkuklaJ.等人[21～23]通过对亚马逊森林的研究认为森林面积的减少将严重减少当地的降水量,而张新时等[19,20]通过对中国陆地生态系统的研究认为,植被对降水的作用不大。可见,LUCC气候效应的机理研究尚需加强。

1　LUCC环境效应研究的主要方向

与进展

1.1　大气环境效应1.1.1　研究内容

目前,LUCC大气环境效应的研究主要集中在对大气成分和区域气候的影响两方面。全球变暖

收稿日期:2003-09-29;修订日期:2004-02-10

基金项目:国家自然科学基金资助项目(40371111)。

作者简介:于兴修(1967-),男,山东莒县人,教授,博士,主要从事土地利用/覆被变化研究。E2mail:xxy2000@126.com

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1.1.2　研究方法

LUCC对大气成分影响的研究主要是采用物

质循环法。就当前的研究热点碳循环而言,还没有通用的定量方法,模型模拟便成为一种主要的途径。国外研究碳循环的模型已由静态转向动态并综合考虑了动力学的特点,主要模型有E2manuel[15]创建的动力学模型、Poter和Klooster[16]的过程模型及Qi[17]等建立的空间模型;国内研究LUCC对碳循环影响的模型基本上以静态为主,如李忠佩和王效举[17]的双组分模型等。上述过程模型虽然可以较精确的估计特定区域的结果,但由于参数较多,外推到其它地区其结果往往与实际的情况有较大差异。

LUCC对区域气候影响的定量研究也是通过模型模拟进行的,如研究城市热岛效应的Yamada2Mellor闭合模型[18]及其修正模型[19]、研究森林大低,进而影响区域社会的安全。土壤质量下降主要

表现为不同形式的土壤退化,主要包括土壤侵蚀(水蚀、风蚀)、土壤化学退化(土壤污染、盐碱化、水浸、酸化等)、土壤物理退化如土壤紧实等(表1)。国际上LUCC对土壤退化影响的研究内容主要有:从土壤退化的内在和外部影响因子的综合角度,确定土壤退化的评价指标及分级标准体系[25～28];结合土壤的性状,研究LUCC引起的土壤退化的过程、机理及发展趋向和速率,并对其进行模拟和预测;从社会经济学的角度研究土壤退化对土壤质量及其生产力的影响[29]。国内则主要围绕下列内容进行了研究:LUCC对土壤性状尤其是土壤肥力性状的影响[30～34];单一土地利用或土地覆被类型下的土壤退化的基本过程、作用机理及调控对策等[27,34];对土壤污染的影响也进行了一定的统计分析。1.2.2　研究方法

土壤质量退化的动态评价方法国际上多采用多变量指标克立格法和土壤质量动力学方法[35];国内主要采用对比不同时间相对土壤质量指数的

]

方法评价[34。在土壤退化机理及预测研究方面,主要是建模及模拟。由于土壤侵蚀尤其水蚀是最

面积变化对降水、温度影响的热量平衡和水量平衡原理模型[21～24]等。1.2　土壤环境效应1.2.1　研究内容

LUCC可引起不同程度土壤质量的下降,导致

土地功能与生产力的下降,从而导致粮食产量的降

表1　LUCC对土壤退化影响比较[25～27]

Table1　Impactsoflanduse/coverchangeonsoildegradation

全球(严重退化面积)

总面积(104km2)水蚀面积风蚀面积化学退化面积物理退化面积

30056%28%12%4%

中国(104km2)

196.716315171.7

中国红黄壤区(104km2)

8062-19-

退化动因

人类过度的经济活动:森林破坏、过度放牧、土地不合理利用、不合理灌溉、化肥农药的不合理使用、采矿破坏及农业机械的压实等;土地生态系统的脆弱性。

主要的土壤退化形式(如表1),因而国内外均非常

重视土壤侵蚀模型的研究。目前,国内外已建立了

]

很多土壤侵蚀模型[36,但应用最广泛的是通用土壤侵蚀模型(USLE)及其修正模型(RUSLE)等,模型较为全面地考虑了影响土壤侵蚀的自然因素,结合降雨侵蚀力(R)、土壤可蚀性(K)、坡长坡度(LS)、作物覆盖与管理(C)和水土保持措施(P)五大因子进行土壤侵蚀量的计算。国内土壤侵蚀统计模型的建立主要受ULSE模型的影响,重点是根据区域特点对其参数进行修正;李钜章等人[37]根据黄河中游土壤侵蚀的特点,建立了侵蚀变权模型,可以宏观计算多沙粗沙流域的侵蚀量。近年来,地球化学方法在土壤侵蚀的定量研究中得到了

广泛应用[38～40],如稀土元素(REE)示踪法、放射性核素法等,其中放射性元素137Cs作为示踪剂运用于土壤侵蚀研究在理论和技术上较为成熟。随着人们对土壤侵蚀机理认识的深入,土壤侵蚀理论模型相继问世。美国的WEPP模型是目前国际上最为完整的土壤侵蚀理论模型,包括了降雨截留、击溅、入渗、产流、分离、泥沙输移和泥沙沉积等子过程[36]。其它土壤侵蚀理论模型如欧洲的EU2ROSEM模型[41]等,其基本结构与WEPP模型基本相同。国内土壤侵蚀理论模型主要是在借鉴国外经验的基础上发展起来的,较具代表性的是汤立群[42]根据黄土地区侵蚀产沙的垂直分带性规律建立的水沙、泥沙输移及沉积推算模型。

5期　　　　　　　　　　　　于兴修等:土地利用/覆被变化的环境效应研究进展与动向　　　　　　　　　　　　629

1.3　水环境效应1.3.1　研究内容

水资源问题已成为许多国家和地区社会、经济发展的重要制约因素,LUCC对水质、水量、水循环的影响以及可持续发展对策已成为该领域的重要研究课题。土地利用方式及其程度的改变(如化学肥料、农药及杀虫剂的大量使用)和土地覆被的变化(尤其是城镇用地的扩展),会增加营养元素及悬浮物的入河通量,造成水体富营养化和水污染。国外的许多研究表明[43～47]:不同土地利用类型对水质变化的作用不同,总氮和总磷的比率在林地径流中最高,农田中次之,城市中最少,但二者的总量林地中最少。LUCC对土壤侵蚀有重要影响,进而影响水体中悬浮物和沉积物的含量。LUCC对水质的影响越来越受到重视,在点污染源逐步得到控制和治理后,水体的富营养化及污染状况并没有明显改善,促使人们加强对非点源污染的研究。LUCC尤其是农业用地强度增加产生的非点源后果是近年来国外研究的重点[48～57];GIS在识别重点污染源中得到了应用[58～60],为建立流域营养元素管理系统提供了基础[61]。国内则在非点源发生机理[62～68]、水污染与土地利用的关系[69～74]及其污染负荷总量的估算[75～77]等方面进行了大量研究。

由于不同的土地利用与土地覆被类型对降水的截留、阻挡、蒸腾及下渗作用不同,因而LUCC不但导致地表或地下水量的变化,而且会改变区域水循环的方式[78,79]。不同的土地利用类型会产生不同的水分循环特征,城市用地的扩展会减少水分存留和下渗,加大了径流量,甚至增加洪灾的频率;森林土地利用对水循环的影响已有大量研究,森林对截留、阻挡、下渗和土壤侵蚀的影响已有较一致的认识,但在对降水、径流及洪峰等要素的影响方面有较大分歧《自然资源学报》,15卷5期刊载了各方的研究结果和观点。1.3.2　研究方法在研究方法上,监测、取样与模拟试验是获取数据的基本途径。相比较而言,国际上在监测与取样方面比较系统,野外模拟试验的精度趋高(多采用计算机控制边界条件),Webb[80]研究了河流监测与取样方法对河流通量计算的影响。USLE模型是W.Wischmeier和D.Smith在对美国东部地区30个州10000多个径流小区近30年的观测资

料进行系统分析的基础上建立起来的[41]。国内的水文监测与试验过去在黄土高原较多[81],但测定的项目比较少、时段较短,而且径流观测不注重水文过程,获取的资料不利于水文过程的模拟,仅部分室内模拟试验系统向计算机控制发展,野外模拟试验尚由人工控制,影响了数据的精度。

为了定量解释、模拟和预测LUCC对水循环各个环节的影响,流域水文模型的研究倍受重视。水文模型经历了由经验统计模型到集总式物理机制模型发展的过程,呈现出向分布式物理机制模型发展的趋向。在欧洲较著名的分布式水文模型是SHE模型(SystemHydrologicalEuropeanModel),但它包含了众多难以确定的参数和不能完全用数学方程式表达的过程,因而应用不太广泛;美国学者Beven等[82]设计的TOPMODEL是一个半分布式模型,得到了一定的应用;国内在新安江和黄河流域也试尝性地建立了具有分布式概念的水文模型[81]。然而,LUCC对水文过程的影响十分复杂,时空差异大,计算机水文模拟便显示出巨大的优越性,并在国外得到了较为广泛的应用。RolandE.Schulze[83]应用ACRU模型模拟了非洲南部几个

不同尺度流域不同季节间及同一季节内的LUCC水文效应。结果表明:土地利用变化加剧了水文对气候变化的响应;在区域尺度上,快速土地利用变化比渐变的土地利用的水文效应更加显著。国内研究LUCC水文效应的模型,主要侧重于水循环的单个过程,如水量平衡、径流量、洪水等[78,79,84]。应用上述国内外的水文模型需要有较长时间序列的资料,而缺乏资料是较为普遍的问题,因而应用遥感和地理信息系统技术建立分布式水文模型是一新的趋势。

2　LUCC环境效应研究中存在的主

要问题

　　纵观国内外已有的研究可以看出,由于受研究资料和方法等因素的限制,中国LUCC的环境效应研究还存在许多问题,主要表现在以下几方面。2.1　缺乏统一的指标体系

目前对LUCC环境效应的研究,主要是研究者从不同的学科角度、在特定地域上进行的,如不同研究者在研究LUCC对水质、土地退化等影响时,应用的指标往往会有较大差别,因而难以对不同区域进行对比。虽然国际上在一些大的方面对

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建立指标体系有一些倡议和探索(如世界银行1994年倡议的建立衡量土壤质量变化的指标体系LQIS项目、澳大利亚联邦科学和工业研究组织建立的流域“健康”诊断指标等),但过于粗略,有些指标难以定量表达和动态评价。2.2　单要素静态研究为主

LUCC环境效应非常复杂,涉及自然、社会的

已有研究尽管建立了许多模型,但多针对单因

素或单一过程,如径流量、洪水、单一土地利用类型的退化等。RS与GIS在建模与模拟中仅起到数据源及海量数据管理的作用,很少与环境过程模型联结起来,它们的优越性远没有发挥出来。

3　讨　论

LUCC是当今全球环境变化的主要原因之一,

诸多方面,以往的研究多为对某一环境要素或某些

指标的影响,因而不能说明区域整体环境的变化。由于多注重对现状与结果的统计分析,对环境效应过程与机理的研究不够,导致研究结果往往有较大差异,因而出现了前面所述的土地覆被变化对降水等影响存在重要分歧以及多凭经验确定USLE模型中C和P因子值的现象。对环境效应过程与机理研究的欠缺,必然影响模型的建立及其模拟与预测的精度。2.3　研究区域、时空尺度单一LUCC环境效应是一个复杂的动态变化系统过程,迄今为止,大多数研究偏重于“生态环境脆弱区”的土地利用或覆被类型的环境效应,如黄土高原的土壤侵蚀、干旱半干旱地区的荒漠化和热带森林退化对碳循环的影响等,而对“热点地区”的环境效应研究较少。在空间尺度上,LUCC环境效应模型大多适用于小尺度区域,难以外推应用到大中尺度区域上,集总式模型虽然在一定程度上解决了较大尺度的建模问题,但它忽略了区域内部的差异,因而降低了研究结果的精度。长时间序列观测或实验数据资料对确定、校正模型参数至关重要,受客观条件的限制,目前建立模型使用的多为短期观测数据资料,如水文观测数据大多在30年以内,限制了对较长时期变化趋势的模拟预测。2.4　实验研究薄弱

实验研究是取得数据、确定模型参数最重要的方法之一,是LUCC环境效应机制、机理和预测研究的重要基础。目前实验研究中存在的主要问题有:室内外实验结合不够;野外观测站少、观测项目单调且不注重过程;野外试验场没有统一的标准,如野外径流、土壤侵蚀等模拟试验多在坡度较小的坡耕地上进行的,而在陡坡、多种土地利用类型上的模拟试验较少;实验技术落后,除部分室内实验由计算机控制外,野外模拟试验的边界条件仍由人工控制。2.5　动态模拟不够

在全球变化和可持续发展研究中占有重要地位,因

而LUCC的环境效应是今后一二十年该领域的研究重点。针对中国目前此项研究的现状和存在的问题,除加强跨学科综合研究、改进综合评价方法与评价模型、积极开展国际合作与交流外,今后应着重开展下列几方面的研究工作。3.1　深入研究LUCC环境效应的过程与机理认识LUCC环境效应的过程与机理是预测环境变化的基础。应在不同区域深入研究多种土地利用与覆被类型的环境效应机制,以提高模型的精度,如对碳循环的研究除注重森林覆被的影响外,深入研究其它各种土地利用与覆被类型对碳源与汇的作用机理可为解决“漏失汇”问题提供依据等。另外,研究LUCC环境效应的过程与机理可为模型在空间上外推、同3S相集成建立分布式模型奠定基础。3.2　开展服务于决策和管理的应用研究

环境问题越来越受到政府和社会的重视,资源保护、环境建设和灾害防治等问题成为地理学应用研究的热点,它们均与LUCC密切相关,选择典型区域深入研究LUCC的环境效应可为解决这些问题作出重要贡献。如在农牧交错区应重点研究LUCC的生态环境效应,在三峡库区等生态脆弱区重点研究LUCC的土壤环境效应,在长江三角洲等中国东部人口稠密、工业化和城市化程度高的地区应重点研究LUCC的水环境效应等。此外,还可联系食物安全、自然灾害和水土资源的可持续利用与规划开展研究。3.3　以流域为单元模拟LUCC水环境效应

LUCC环境效应的研究将由单过程向过程的综合分析、由小尺度向大中尺度、由认识和恢复环境过程向预测预报其动态趋势等微观深化和宏观综合两个方向发展,高度定量化研究是其研究趋势的集中体现。由于每一级流域都可以看作是一个完整的生态系统并且流域具有下列特征:(1)流域是一个相对封闭的区域;(2)水系将整个流域连为一个整体;(3)水是物质和能量循环与相互作用的

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最重要的介质;(4)流域的界限容易划定且易于认同。因而,以流域为地域单元,以3S技术集成为基础的地学建模与计算机模拟是实现LUCC环境效应高度定量化研究的有力途径。太湖流域地处中国经济最发达的长江三角洲地区,LUCC剧烈,环境问题突出,应优先开展LUCC水环境效应的模拟研究。

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AdvancesinResearchesonEnvironmentalEffects

ofLandUse/CoverChange

YUXing2Xiu1,2,YANGGui2Shan2,WANGYao1

(1.Departmentofgeographyandtourism,Liyiteacher’sUniversity,Liyi,Shangdong276005;2.NanjingInstituteof

GeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing,Jiangsu210008.)

Abstract:Itisveryimportantbothtotheoriesandpracticestostudytheenvironmentaleffectsoflanduse/cov2erchange,whichhasbeenpayingmoreandmoreattentionsbyhuman.Abouttheimpactsoflanduse/coverchangeonatmosphere,soil,waterandbiodiversity,progressesarereviewedandinadequaciesinpaststudiesarealsodiscussed.Inthepasttime,lackofunitedindicatorsystemforestimate,poorprecisionofexperi2ments,singlefactororsingleprocessstaticstudiesaremainproblemsofresearchesontheenvironmentalef2fectsoflanduse/coverchange.Basedonthem,thispaperpresentssomecontents,especiallysoilandwaterenvironmentaleffectsshouldbefurtherstudied,suchasprocessesandmechanism,differenttemporalandspa2tialscaleandsoon.Furthermore,itispointedoutthatdynamicmethodologyshouldbeusedtoconductinte2gratedimpactsassessmentoflanduse/coverchangeonenvironments.Toevaluatingthoseeffects,itisneces2sarytodevelopaphysically2baseddistributedmodel,whichshouldintegrateremotesensingandgeographicalinformationsystemswithmechanismofhydrologicalcycleandsoilerosionmodels.Moreover,interdisciplinarycooperationandexchangesshouldbeenhancedinordertoimprovetheunderstandingofthelanduseandlandcoverchangedynamicsandtheirrelationshipswiththeenvironmentalchange.

Keywords:landuse/coverchange;environmentaleffect;soilenvironment;waterenvironment