(完整版)土地利用土地覆被變化的環(huán)境效應(yīng)研究

1、7.3土地利用/土地覆被變化的環(huán)境效應(yīng)研究一、土地利用/土地覆被變化的生態(tài)環(huán)境影響對(duì)區(qū)域氣候及大氣質(zhì)量的影響1. 對(duì)區(qū)域氣候的影響土地表面性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)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(duì)流層溫度增加，大氣的穩(wěn)定性增強(qiáng)并減少對(duì)流雨。如西非的沙化。土地利用/土地覆被變化對(duì)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(lái)源。人類大規(guī)模地破壞植被，還可能引起更嚴(yán)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20億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(xiàn)后才產(chǎn)生

2、了游離氧。而綠色植物愈發(fā)展，則通過(guò)光合作用產(chǎn)生的游離氧也愈益增多，并逐步達(dá)到占大氣圈總?cè)莘e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(méi)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(duì)大氣質(zhì)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(zhì)量。人類活動(dòng)對(duì)化學(xué)元素遷移的影響，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是大大加速了地表化學(xué)元素遷移規(guī)模。人類從地殼開(kāi)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(zhì)（化肥、農(nóng)藥以及“三廢”等），并把它們散布到地球表面，又通過(guò)種植各種農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)果木等從土壤中直接取走各種元素（

3、碳、氮、鉀、鈣等等）。每年隨生物物質(zhì)一道從土壤取走的各種礦物質(zhì)有幾千萬(wàn)噸。每公頃收獲物一年從土壤中取走的基本物質(zhì)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(jīng)過(guò)1520年，礦物養(yǎng)分就會(huì)喪失殆盡。礦物質(zhì)平衡最不穩(wěn)定的是濕潤(rùn)氣候和強(qiáng)烈風(fēng)化條件下形成的灰化土和磚紅壤。這類土壤在開(kāi)墾之后養(yǎng)分喪失更快。此外，由于人類通過(guò)各種途徑增強(qiáng)了物質(zhì)的重力遷移和機(jī)械搬遷，所以更擴(kuò)大了化學(xué)元素的遷移量。二是增加了元素遷移中的有害物質(zhì)，如硫化物、氟、

4、一氧化碳、二氧化碳等。這些物質(zhì)比自然狀態(tài)下的循環(huán)速度加快。進(jìn)入人為循壞系統(tǒng)中的元素的遷移是非常復(fù)雜的。其中有許多元素在循環(huán)系統(tǒng)的各個(gè)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(dòng)性大，人為的拋出物大多擴(kuò)散到廣大的空間因而逐漸改變著大氣的組成。監(jiān)測(cè)結(jié)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(dá)7%。參與大氣循環(huán)的某些化學(xué)元素，又隨降水落到土壤里，滲入到地表水和地下水之中，進(jìn)人食物鏈，特別是那些對(duì)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(jī)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(chǎn)品等廢液）由各自的排水道排

5、放出來(lái)，大部分肥料和有毒化合物也進(jìn)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(kù)等）往往成為這類物質(zhì)的天然聚集地。對(duì)土壤的影響1. 對(duì)有關(guān)土壤生態(tài)過(guò)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(chǎn)。土地利用/土地覆被變化可以加速或延緩這種循環(huán)。2. 對(duì)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(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的滯留和轉(zhuǎn)化有不同的作用，N、P等重要營(yíng)養(yǎng)成分在景觀中的轉(zhuǎn)化途徑也不同。土壤營(yíng)養(yǎng)成分的在遷移在很大程度上依賴于土

6、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(dòng)中，大量破壞了地表的植被，因而使固體物質(zhì)的重力遷移和機(jī)械搬遷比自然狀態(tài)下要增大幾十倍至上千倍。據(jù)美國(guó)東部地區(qū)某流域的實(shí)測(cè)資料，在農(nóng)業(yè)發(fā)展之前，該河流泥沙含量?jī)H為50mg/l，而在擴(kuò)大耕地期間，上升為600mg/l,在進(jìn)行工程建設(shè)期間，進(jìn)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(rùn)森林草原地區(qū)，由于人類在進(jìn)行各種工程建設(shè)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)時(shí)，往往對(duì)維護(hù)這些地區(qū)地理系統(tǒng)脆弱平衡的主要因素植被進(jìn)行了大規(guī)模的破壞，因而導(dǎo)致地表沖刷，水蝕和風(fēng)蝕作用急劇發(fā)展，固體物質(zhì)的機(jī)械搬遷作用比自然狀態(tài)下增大更多。目前全世界已開(kāi)墾的土地約占全

7、球總面積的10，即大約1500萬(wàn)km2，而遭受侵蝕的面積不低于600一700km2。多年來(lái)因遭受強(qiáng)烈侵蝕而棄耕的面積超過(guò)了全部新墾的土地。特別是在一些耕作技術(shù)粗放的地區(qū)（如我國(guó)的黃土高原）每年每公頃土地?fù)p失的泥土竟達(dá)30一37噸之多。甚至象美國(guó)這樣農(nóng)業(yè)高度發(fā)達(dá)的國(guó)家，從30年代就廣泛采取各種措施同土地侵蝕作斗爭(zhēng)，但到60年代未土地侵蝕的面積仍有7200萬(wàn)hm2,約占耕地的13%。人類活動(dòng)加劇了地表固體物質(zhì)的機(jī)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(chǎng)、溝道、廢石場(chǎng)、錐形石堆、土堤等中、小型人工地貌，其伴生的后果是出現(xiàn)陷坑、滑坡以及引起地表和地下水位的變化。在農(nóng)業(yè)活動(dòng)區(qū)常形成

8、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(nóng)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(chǎng)，大量肥沃表土被沖走等不良后果?？傊谌祟悘?qiáng)烈影響的區(qū)域內(nèi)，常形成一系列新的不穩(wěn)定的低級(jí)的自然綜合體，并使其結(jié)構(gòu)和功能不可避免地發(fā)生變化。對(duì)水量和水質(zhì)的影響1. 對(duì)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(chǎn)者，是動(dòng)物的基本食物資源。據(jù)推測(cè)，原始陸地表面大約有近2/3為森林所覆蓋。人類的長(zhǎng)期活動(dòng)，使40以上森林被砍伐（10開(kāi)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(wàn)km2）是

9、最近300年以來(lái)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(yán)重失調(diào)。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(chǎn)生有害結(jié)果。例如人類在廣大平原、河谷地區(qū)建立的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，多數(shù)并沒(méi)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(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)大多數(shù)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(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題的地區(qū)，主要是由于人類在開(kāi)發(fā)利用自然時(shí)，忽視了地理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的整體聯(lián)系。例如，人類在山區(qū)大規(guī)模毀林開(kāi)荒，引起嚴(yán)重的水土流失；在

10、森林草原地帶大規(guī)模毀林開(kāi)荒引起土地沙漠化：在半草原半荒漠地區(qū)過(guò)度放牧，引起沙漠入侵、草原退化等等，都屬于這類性質(zhì)的問(wèn)題。草地變化的影響耕種的影響聚居地和其他非農(nóng)業(yè)土地利用影響。2. 引起水資源短缺3. 對(duì)水質(zhì)的影響4. 對(duì)濕地的影響對(duì)土地生產(chǎn)力的影響土地利用/土地覆被變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。NPP是衡量生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力最重要的指標(biāo)。NPP的變化與氣候、土壤、水分、植被和人類活動(dòng)密切相關(guān)，利用NPP評(píng)估土地利用/土地覆被對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響的研究工作依然是本世紀(jì)初期人類活動(dòng)效應(yīng)研究的重要領(lǐng)域。5. 對(duì)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(zhuǎn)變?yōu)槲幕坝^的過(guò)

11、程。土地利用使景觀的結(jié)構(gòu)和功能趨于單一化，導(dǎo)致生物多樣性的大量喪失。由于人類的作用，已導(dǎo)致地球上許多動(dòng)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(dòng)物；有的是由于人類改變了自然環(huán)境，促使某些動(dòng)物的生態(tài)條件突變而就地絕滅，或者是由一個(gè)景觀區(qū)向另一個(gè)景觀區(qū)冒險(xiǎn)遷徙中絕滅。本世紀(jì)以來(lái)，人類活動(dòng)至少已導(dǎo)致120種哺乳動(dòng)物和大約150種鳥(niǎo)類絕滅。另外還有一些動(dòng)物瀕于絕滅。動(dòng)物的大量絕滅和數(shù)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(guó)由于大量捕殺黃鼠狼、野貓和蛇，使近年來(lái)鼠害相當(dāng)嚴(yán)重，這就是生態(tài)平衡遭受破壞的一個(gè)實(shí)例。地球上的植物，尤其是綠色植物，是第一性生產(chǎn)者，是動(dòng)物的基本食

12、物資源。據(jù)推測(cè)，原始陸地表面大約有近2/3為森林所覆蓋。人類的長(zhǎng)期活動(dòng)，使40以上森林被砍伐（10開(kāi)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(wàn)km2）是最近300年以來(lái)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(yán)重失調(diào)。農(nóng)業(yè)區(qū)城市化是在農(nóng)業(yè)活動(dòng)已經(jīng)嚴(yán)重破壞自然生態(tài)系統(tǒng)的情況下，城市化對(duì)生物多樣性又進(jìn)一步產(chǎn)生影響。因此，保護(hù)和恢復(fù)農(nóng)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(shí)際意義，亟待深入研究。7.4從土地利用/

13、土地覆被變化研究到土地變化科學(xué)一、土地利用/土地覆被變化研究的綜合動(dòng)向1. 論題的綜合土地利用體現(xiàn)了人類改造自然的能動(dòng)作用，土地覆被作為土地利用的結(jié)果在田塊直至全球尺度上發(fā)生顯著地變化，進(jìn)而對(duì)諸如土地退化、陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)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(wèn)題做出貢獻(xiàn)，這些枚關(guān)人類命運(yùn)的環(huán)境變化以及由此產(chǎn)生的社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及倫理等諸多問(wèn)題會(huì)對(duì)人類的土地利用決策和行為產(chǎn)生制約。土地利用和土地覆被之間復(fù)雜的作用機(jī)制、土地利用/覆被變化的長(zhǎng)時(shí)效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(duì)地球表層系統(tǒng)影響的多維度特征以及土地變化科學(xué)領(lǐng)域研究對(duì)于多學(xué)科綜合的必然要求，使土地利

14、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(yīng)從LUCC研究計(jì)劃制定開(kāi)始,LUCC驅(qū)動(dòng)機(jī)制（驅(qū)動(dòng)力）的研究始終是一個(gè)熱點(diǎn)。LUCC的驅(qū)動(dòng)力構(gòu)成主要來(lái)自于生物自然、氣候、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人口5個(gè)方面。也有在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步抽象和細(xì)分，如1HDP將LUCC的驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)因子。另一方面，由于LUCC研究格外重視空間尺度，因此LUCC驅(qū)動(dòng)力的研究或者在某一個(gè)具體空間尺度上討論驅(qū)動(dòng)力的構(gòu)成及權(quán)重大小,或者在此基礎(chǔ)上隨著尺度的上推，探索驅(qū)動(dòng)力的變化情況。然而，對(duì)于土地利用/覆被變化驅(qū)動(dòng)力的研究也存在一些問(wèn)題，正如Lambin所指

15、出的“對(duì)于決定地方尺度土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力因子，來(lái)自于全球尺度上的驅(qū)動(dòng)力要么對(duì)它們進(jìn)行替換，要么使它們發(fā)生重組，從而在地方上產(chǎn)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(xiàn)有的一些工作“在對(duì)土地利用/覆被變化的原因進(jìn)行解釋時(shí)，往往基于一些過(guò)于簡(jiǎn)化的假設(shè)”，以至于得到的結(jié)果往往出現(xiàn)矛盾。他認(rèn)為對(duì)于LUCC驅(qū)動(dòng)機(jī)制（驅(qū)動(dòng)力）的認(rèn)識(shí)要“始自于簡(jiǎn)化，逐漸重視復(fù)雜性，最后達(dá)到普遍性3. 方法的綜合在上述分類的基礎(chǔ)上，Lambin等呼吁LUCC的綜合建模方法，即在充分考慮LUCC復(fù)雜作用因素的基礎(chǔ)上，綜合不同模型具有的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建LUCC的過(guò)程動(dòng)態(tài)模型。致力于建立綜合的土地利用/覆被變化模

16、型丄UCC系列報(bào)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-basedmodelsofLand-useandland-cover,ABM/LUCC),ABM/LUCC由兩部分構(gòu)成，分別是基于智能體的模型(ABM)和元胞自動(dòng)機(jī)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(jù)輸人的一系列規(guī)則來(lái)模擬土地管理者做出土地利用決策，元胞自動(dòng)機(jī)模型用來(lái)實(shí)現(xiàn)將決策帶來(lái)的后果反映到模擬的景觀上。目前LUCC建模方面的工作同樣存在有待改進(jìn)的地方。由于土地利用系統(tǒng)的復(fù)雜性，LUCC模型中通常要有所限定，如限定于單一過(guò)程、單一領(lǐng)域和有限面積上。大尺度的LUCC建模要同時(shí)整

17、合數(shù)量龐大的作用因子，因此模型不得不過(guò)分簡(jiǎn)化土地利用系統(tǒng)。這些限定將導(dǎo)致模擬結(jié)果的不確定性。CLUE模型著重探討了尺度的重要性，其本質(zhì)上屬于統(tǒng)計(jì)模型，“統(tǒng)計(jì)上的顯著聯(lián)系無(wú)法確保存在因果關(guān)系”，另外模型不具有空間明確特征。ABM/LUCC的CA模型具有空間明確和尺度特征，但是ABM模型是否能夠正確模擬土地利用決策過(guò)程(包括根據(jù)反饋的結(jié)果調(diào)整土地利用決策)還有很大疑問(wèn)。同樣因?yàn)橥恋乩孟到y(tǒng)的復(fù)雜性，構(gòu)建真正意義上的綜合土地利用/覆被變化模型還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。目前的工作還是應(yīng)該通過(guò)案例區(qū)的研究盡可能地發(fā)現(xiàn)土地利用/覆被變化的機(jī)理，完善現(xiàn)有模型;另外一點(diǎn)有待嘗試的就是將復(fù)雜的土地利用變化過(guò)程分解成相

18、對(duì)簡(jiǎn)單的子過(guò)程，利用現(xiàn)有模型對(duì)子過(guò)程分別建模，然后再實(shí)現(xiàn)模型的松散集成，如將CLUE模型與ABM/LUCC模型集成等。4. 理論的綜合IGBPII提出的土地變化科學(xué)將人類對(duì)土地資源的利用置于整個(gè)地球系統(tǒng)這樣一個(gè)框架內(nèi)來(lái)考慮其變化的原因和影響。土地變化科學(xué)的研究目標(biāo)是在綜合LUCC和GCTE兩個(gè)研究領(lǐng)域工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)人類與環(huán)境系統(tǒng)之間各種反饋?zhàn)饔玫木C合理解，實(shí)現(xiàn)人類與環(huán)境系統(tǒng)的可持續(xù)性。土地變化科學(xué)包括3個(gè)研究焦點(diǎn):(1)土地系統(tǒng)變化的原因和本質(zhì)強(qiáng)調(diào)對(duì)人類活動(dòng)，尤其是對(duì)土地利用活動(dòng)產(chǎn)生的影響;(2)土地系統(tǒng)變化的影響強(qiáng)調(diào)不同程度的上地利用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響;(3)綜合分析和建模強(qiáng)調(diào)復(fù)雜系

19、統(tǒng)的突變性質(zhì)和非線性特征，構(gòu)建適應(yīng)系統(tǒng)復(fù)雜性的一組時(shí)空模型。IGBPILUCC計(jì)劃的開(kāi)展構(gòu)建了一個(gè)能夠更加透徹認(rèn)識(shí)地球系統(tǒng)復(fù)雜性的平臺(tái)，使人們認(rèn)識(shí)到僅僅把研究對(duì)象限定在土地利用/覆被變化這一現(xiàn)象的發(fā)展變化規(guī)律上已經(jīng)不再符合可持續(xù)性科學(xué)的要求?；谶@一點(diǎn)，到2003年IGBPII提出了土地變化科學(xué)，正是適應(yīng)了這一要求，也是對(duì)LUCC計(jì)劃自身的一種超越。這種超越體現(xiàn)在兩方面，首先就是研究對(duì)象和研究目標(biāo)的徹底改變，研究對(duì)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(biāo)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(duì)全球變化的脆弱性，實(shí)現(xiàn)它們的可持續(xù)性”。其次在方法論上，土地變化科學(xué)的本質(zhì)是綜合和深化。綜合體現(xiàn)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