(完整版)土地利用土地覆被變化的環(huán)境效應研究

1、7.3 土地利用 /土地覆被變化的環(huán)境效應研究一、土地利用/土地覆被變化的生態(tài)環(huán)境影響對區(qū)域氣候及大氣質量的影響1 .對區(qū)域氣候的影響土地表面性質發(fā)生變化時引起能量的重新分配，從而影響氣候的變化。土地利用/土地覆被變化改變了地表反射率，從而影響溫度和濕度的變化。增加反射率，使更多的能量返回到大氣中，使對流層溫度增加，大氣的穩(wěn)定性增強并減少對流雨。如西非的沙化。土地利用/土地覆被變化對氣候的影響還在于土地表面是溫室氣體和痕量氣體的重要來源。人類大規(guī)模地破壞植被，還可能引起更嚴重的后果，即它有可能破壞全球大氣中的氧循環(huán)。人們知道，在距今2 0億年以前的原始大氣中是缺乏游離氧的，只是在綠色植物出現后

2、才產生了游離氧。而綠色植物愈發(fā)展，則通過光合作用產生的游離氧也愈益增多，并逐步達到占大氣圈總容積的21。由于綠色植物特別是森林在氧循環(huán)中起著舉足輕重的作用，因此如果沒有森林大量造氧，則大氣中氧的循環(huán)就可能遭到破壞。2 .對大氣質量的影響土地利用/土地覆被變化可以改變大氣中氣體的含量和組成，從而影響大氣質量。人類活動對化學元素遷移的影響，主要表現在以下兩個方面：一是大大加速了地表化學元素遷移規(guī)模。人類從地殼開采出許多礦物元素（最多的是碳，其次是鈣、鐵、鋁、氯、硫、氮、磷等），制造許多新的物質（化肥、農藥以及“三廢”等） ，并把它們散布到地球表面，又通過種植各種農作物和經濟果木等從土壤中直接取走各

3、種元素（碳、氮、鉀、鈣等等）。每年隨生物物質一道從土壤取走的各種礦物質有幾千萬噸。每公頃收獲物一年從土壤中取走的基本物質約為300 一 700kg， 其中每公頃小麥平均從土壤中取走的氮為70kg;磷為30kg;鉀為50kg;鈣為30kg;每公頃玉米從土壤中取走 氮為90kg;磷為30kg;鉀為160kg;鈣為76kg。一般中等肥力的土壤，大約 經過15 20 年，礦物養(yǎng)分就會喪失殆盡。礦物質平衡最不穩(wěn)定的是濕潤氣候和強烈風化條件下形成的灰化土和磚紅壤。這類土壤在開墾之后養(yǎng)分喪失更快。 此外， 由于人類通過各種途徑增強了物質的重力遷移和機械搬遷，所以更擴大了化學元素的遷移量。二是增加了元素遷移中

4、的有害物質，如硫化物、氟、一氧化碳、二氧化碳等。這些物質比自然狀態(tài)下的循環(huán)速度加快。進入人為循壞系統(tǒng)中的元素的遷移是非常復雜的。其中有許多元素在循環(huán)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)中逐漸消失，主要是逸散到大氣中去了。氣態(tài)環(huán)境的流動性大，人為的拋出物大多擴散到廣大的空間因而逐漸改變著大氣的組成。監(jiān)測結果表明，大氣中的二氧化碳、甲烷、氟氯烴、氮氧化合物和一氧化碳等氣體正在逐年增加，有的地區(qū)每年增加竟高達7%。參與大氣循環(huán)的某些化學元素，又隨降水落到土壤里，滲入到地表水和地下水之中，進人食物鏈，特別是那些對某些有害元素（包括放射性同位素）具有選擇吸收能力的有機體，大量吸收有害元素。有許多人工排出物（包括各種酸、石油產

5、品等廢液）由各自的排水道排放出來，大部分肥料和有毒化合物也進入水中，最后向低洼地方集中。所以地表的積水洼地（包括湖泊、沼澤、水庫等）往往成為這類物質的天然聚集地。對土壤的影響1 .對有關土壤生態(tài)過程的影響能量交換。水交換。土地利用/土地覆被變化可以改變水在地表的分配。侵蝕與堆積。土地利用 / 土地覆被變化大大影響了其發(fā)生的速率和空間分布。生物循環(huán)和作物生產。土地利用/土地覆被變化可以加速或延緩這種循環(huán)。2 .對土壤養(yǎng)分遷移的影響土地利用方式和土地覆被類型的空間組合影響著土壤養(yǎng)分的遷移規(guī)律，不同的土地單元對營養(yǎng)成分的滯留和轉化有不同的作用，N、 P 等重要營養(yǎng)成分在景觀中的轉化途徑也不同。土壤營

6、養(yǎng)成分的在遷移在很大程度上依賴于土地利用格局及其變化。3 .造成的土壤侵蝕和土壤沙化人類在上述活動中，大量破壞了地表的植被，因而使固體物質的重力遷移和機械搬遷比自然狀態(tài)下要增大幾十倍至上千倍。據美國東部地區(qū)某流域的實測資料，在農業(yè)發(fā)展之前，該河流泥沙含量僅為50mg/l, 而在擴大耕地期間，上升為600mg/l ，在進行工程建設期間，進一步上升至2000mg/l 。特別是在一些松軟巖組成的山地和半濕潤森林草原地區(qū)，由于人類在進行各種工程建設和農業(yè)活動時，往往對維護這些地區(qū)地理系統(tǒng)脆弱平衡的主要因素植被進行了大規(guī)模的破壞， 因而導致地表沖刷，水蝕和風蝕作用急劇發(fā)展，固體物質的機械搬遷作用比自然狀

7、態(tài)下增大更多。目前全世界已開墾的土地約占全球總面積的10，即大約1500 萬km2,而遭受侵蝕的面積不低于600 700 km2。多年來因遭受強烈侵蝕而棄耕的面積超過了全部新墾的土地。特別是在一些耕作技術粗放的地區(qū)（如我國的黃土高原）每年每公頃土地損失的泥土竟達30 一 37 噸之多。 甚至象美國這樣農業(yè)高度發(fā)達的國家，從30 年代就廣泛采取各種措施同土地侵蝕作斗爭， 但到 60 年代未土地侵蝕的面積仍有7200 萬 hm2， 約占耕地的13。人類活動加劇了地表固體物質的機械搬遷，造成的直接后果是使地表形態(tài)發(fā)生改變。在采礦區(qū)形成采石場、溝道、廢石場、錐形石堆、土堤等中、小型人工地貌，其伴生的后

8、果是出現陷坑、滑坡以及引起地表和地下水位的變化。在農業(yè)活動區(qū)常形成地上河、落河田、沖溝、劣地、沙丘、吹蝕洼地等中小型人工地貌，并且常常伴隨著發(fā)生植被遭毀滅，農田和道路遭掩埋，河道、湖泊和人工水域遭受掩埋，沙石滲入土壤和牧場，大量肥沃表土被沖走等不良后果?？傊?， 在人類強烈影響的區(qū)域內，常形成一系列新的不穩(wěn)定的低級的自然綜合體，并使其結構和功能不可避免地發(fā)生變化。對水量和水質的影響1 .對水分循環(huán)的影響森林變化的影響。地球上的植物，尤其是綠色植物，是第一性生產者，是動物的基本食物資源。 據推測， 原始陸地表面大約有近2/3 為森林所覆蓋。人類的長期活動，使 40以上森林被砍伐（10開墾成耕地，3

9、0以上為輪耕、畜牧、砍柴等所破壞）。 其中20的森林（約 3100 萬 km2） 是最近 300 年以來被破壞的。森林和其它植被遭受大規(guī)模破壞，不僅使人類喪失了寶貴的資源，而且由于破壞了地理系統(tǒng)主要的穩(wěn)定因素，削弱了地表保持水土和抗蝕的能力，因而引起許多地區(qū)生態(tài)嚴重失調。但是必須指出，人類建立的人工生態(tài)系統(tǒng)取代天然生態(tài)系統(tǒng)并不都是產生有害結果。例如人類在廣大平原、河谷地區(qū)建立的農田生態(tài)系統(tǒng)，多數并沒有使自然界的平衡遭受破壞；在草原地區(qū)建立的人工牧場生態(tài)系統(tǒng)大多數也是卓有成效的；在山地建立的以林業(yè)為主的生態(tài)系統(tǒng)也不乏成功的例子。 而那些失敗或出現嚴重問題的地區(qū)，主要是由于人類在開發(fā)利用自然時，忽

10、視了地理系統(tǒng)的結構和功能的整體聯(lián)系。例如， 人類在山區(qū)大規(guī)模毀林開荒， 引起嚴重的水土流失；在森林草原地帶大規(guī)模毀林開荒引起土地沙漠化：在半草原半荒漠地區(qū)過度放牧，引起沙漠入侵、草原退化等等，都屬于這類性質的問題。草地變化的影響耕種的影響聚居地和其他非農業(yè)土地利用影響。2 .引起水資源短缺3 .對水質的影響4 .對濕地的影響對土地生產力的影響土地利用/土地覆被變化對生態(tài)系統(tǒng)產生深遠的影響。NPP 是衡量生態(tài)系統(tǒng)生產力最重要的指標。NPP 的變化與氣候、土壤、水分、植被和人類活動密切相關，利用NPP 評估土地利用/土地覆被對生態(tài)系統(tǒng)生產力影響的研究工作依然是本世紀初期人類活動效應研究的重要領域。

11、5 .對生物多樣性的影響生物多樣性取決于自然環(huán)境的豐富性，以及人類影響下的自然景觀轉變?yōu)槲幕坝^的過程。土地利用使景觀的結構和功能趨于單一化，導致生物多樣性的大量喪失。由于人類的作用，已導致地球上許多動物絕滅或趨于絕滅。其中有的是人類直接消滅的，如一些珍貴的野生動物；有的是由于人類改變了自然環(huán)境，促使某些動物的生態(tài)條件突變而就地絕滅，或者是由一個景觀區(qū)向另一個景觀區(qū)冒險遷徙中絕滅。本世紀以來，人類活動至少已導致120 種哺乳動物和大約 150 種鳥類絕滅。另外還有一些動物瀕于絕滅。動物的大量絕滅和數量上的劇減，也破壞了生物界的自然平衡和食物聯(lián)系。如在我國由于大量捕殺黃鼠狼、野貓和蛇，使近年來鼠

12、害相當嚴重，這就是生態(tài)平衡遭受破壞的一個實例。地球上的植物，尤其是綠色植物，是第一性生產者，是動物的基本食物資源。 據推測， 原始陸地表面大約有近2/3 為森林所覆蓋。人類的長期活動，使 40以上森林被砍伐（10開墾成耕地，30以上為輪耕、畜牧、砍柴等所破壞）。 其中 20的森林 （約 3100 萬 km2） 是最近 300 年以來被破壞的。森林和其它植被遭受大規(guī)模破壞，不僅使人類喪失了寶貴的資源，而且由于破壞了地理系統(tǒng)主要的穩(wěn)定因素，削弱了地表保持水土和抗蝕的能力，因而引起許多地區(qū)生態(tài)嚴重失調。農業(yè)區(qū)城市化是在農業(yè)活動已經嚴重破壞自然生態(tài)系統(tǒng)的情況下，城市化對生物多樣性又進一步產生影響。因此

13、， 保護和恢復農業(yè)區(qū)和城市化地區(qū)的生物多樣性是生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理必不可少的步驟，具有重要的實際意義，亟待深入研究。6 .4 從土地利用/土地覆被變化研究到土地變化科學一、土地利用/土地覆被變化研究的綜合動向1 .論題的綜合土地利用體現了人類改造自然的能動作用，土地覆被作為土地利用的結果在田塊直至全球尺度上發(fā)生顯著地變化，進而對諸如土地退化、陸地生態(tài)系統(tǒng)生產力的變化、溫室氣體的排放 、生物多樣性的減少等全球環(huán)境變化問題做出貢獻，這些枚關人類命運的環(huán)境變化以及由此產生的社會經濟以及倫理等諸多問題會對人類的土地利用決策和行為產生制約。土地利用和土地覆被之間復雜的作用機制、土地利用/ 覆被變化的長時效

14、性及其存在于泛空間尺度上的普遍性、土地利用/ 覆被變化對地球表層系統(tǒng)影響的多維度特征以及土地變化科學領域研究對于多學科綜合的必然要求，使土地利用/覆被變化成為全球變化研究的核心議題之一。2 .尺度的綜合應從LUCCF究計劃制定開始，LUCC區(qū)動機制（驅動力）的研究始終是一個 熱點。LUCC勺驅動力構成主要來自于生物自然、氣候、經濟、社會、人口 5 個方面。也有在此基礎上進一步抽象和細分，如1HD將LUCC勺驅動因子分為直接因子和間接因子，并給出了直接因子和間接因子所包含的一些具體的驅動因子。另一方面，由于LUCCF究格外重視空間尺度，因此LUCC區(qū)動力的研究或者在某一個具體空間尺度上討論驅動力

15、的構成及權重大小，或者在此基礎上隨著尺度的上推，探索驅動力的變化情況。然而，對于土地利用/覆被變化驅動力的研究也存在一些問題，正如Lambin所指出的“對于決定地方尺度土地利用變化的驅動力因子，來自于全球尺度上的驅動力要么對它們進行替換， 要么使它們發(fā)生重組，從而在地方上產生新的、與全球上的某些原因相聯(lián)系的土地利用/ 覆被變化格局”，而現有的一些工作“在對土地利用/覆被變化的原因進行解釋時，往往基于一些過于簡化的假設”， 以至于得到的結果往往出現矛盾。 他認為對于LUCC區(qū)動機制（驅動力）的認識要“始自于 簡化，逐漸重視復雜性，最后達到普遍性3 .方法的綜合在上述分類白基礎上，Lambin等呼

16、吁LUCC勺綜合建模方法，即在充分考 慮LUCCM雜作用因素的基礎上，綜合不同模型具有的優(yōu)勢，構建LUCC勺過程 動態(tài)模型。致力于建立綜合的土地利用/覆被變化模型，LUCC(列報告的第6輯 專 門 討 論 了 基 于 智 能 體 的 土 地 利 用 / 覆 被 變 化 模 型 (Agent-based modelsof Land-use andland-cover, ABM/LUCC),ABM/LUCC 由兩部分構成， 分別是基于智能體的模型(ABM)和元胞自動機模型(CA)。智能體代表制定土 地利用決策的土地管理者，而智能體模型根據輸人的一系列規(guī)則來模擬土地管理者做出土地利用決策，元胞自動機

17、模型用來實現將決策帶來的后果反映到模擬的景觀上。目前LUCC!模方面的工作同樣存在有待改進的地方。由于土地利用系統(tǒng)的復雜性，LUCCI型中通常要有所限定，如限定于單一過程、 單一領域和有限面積上。大尺度的LUCC!模要同時整合數量龐大的作用因子，因此模型不得不過分簡化土地利用系統(tǒng)。這些限定將導致模擬結果的不確定性。CLUE模型著重探討了尺度的重要性，其本質上屬于統(tǒng)計模型， “統(tǒng)計上的顯著聯(lián)系無法確保存在因果關系”，另外模型不具有空間明確特征。ABM/LUC的CA模型具有空間明確和尺度特征，但是ABMI型是否能夠正確模擬土地利用決策過程 ( 包括根據反饋的結果調整土地利用決策) 還有很大疑問。同

18、樣因為土地利用系統(tǒng)的復雜性，構建真正意義上的綜合土地利用/ 覆被變化模型還有相當長的路要走。目前的工作還是應該通過案例區(qū)的研究盡可能地發(fā)現土地利用/ 覆被變化的機理，完善現有模型; 另外一點有待嘗試的就是將復雜的土地利用變化過程分解成相對簡單的子過程，利用現有模型對子過程分別建模，然后再實現模型的松散集成，如將CLUE莫型與ABM/LUCC模型集成等。4 .理論的綜合IGBPII提出的土地變化科學將人類對土地資源的利用置于整個地球系統(tǒng)這樣一個框架內來考慮其變化的原因和影響。土地變化科學的研究目標是在綜合LUCC口 GCT的個研究領域工作的基礎上，通過對人類與環(huán)境系統(tǒng)之間各種反饋作用的綜合理解，

19、實現人類與環(huán)境系統(tǒng)的可持續(xù)性。土地變化科學包括3個研究焦點:(1) 土地系統(tǒng)變化的原因和本質強調對人類活動，尤其是對土地利用活動產生的影響;(2) 土地系統(tǒng)變化的影響強調不同程度的上地利用對生態(tài)系統(tǒng)產生的影響;(3) 綜合分析和建模強調復雜系統(tǒng)的突變性質和非線性特征，構建適應系統(tǒng)復雜性的一組時空模型。IGBPI LUCCt劃的開展構建了一個能夠更加透徹認識地球系統(tǒng)復雜性的平臺，使人們認識到僅僅把研究對象限定在土地利用/ 覆被變化這一現象的發(fā)展變化規(guī)律上已經不再符合可持續(xù)性科學的要求。基于這一點，到 2003年IGBPn提出了土地變化科學，正是適應了這一要求， 也是對LUCCt劃自身的一種超越。這種超越體現在兩方面，首先就是研究對象和研究目標的徹底改變，研究對象由“土地利用 / 覆被變化”上升到“陸地人類與環(huán)境系統(tǒng)”； 研究目標由“了解土地利用 / 覆被變化的途徑和規(guī)律”變?yōu)椤皽p小人類與環(huán) 境系統(tǒng)面對全球變化的脆弱性，實現它們的可持續(xù)性”。其次在方法論上，土地變化科學的本質是綜合和深化。綜合體現在: 視角的綜合在全球生態(tài)系統(tǒng)的視角下研究土地利用 /覆被變化；研究領域