干旱区土地利用/覆被变化（LUCC）的生态水文效应研究进展

2014-12-09张飞周梅阿尔达克·克里木

天津农业科学 2014年11期

张飞　周梅　阿尔达克·克里木

摘要：土地利用/覆被变化（LUCC）的生态水文效应是当前全球变化研究中的热点问题之一。其中LUCC对水文的影响主要表现在对水量和水质两个方面，对生态的影响主要是通过降低生态系统服务功能价值、使景观破碎化等途径。本文以生态水文学为指导思想，综述了LUCC与生态过程和水文过程的研究现状与进展，认为关于这方面的研究仍缺乏统一的指标体系，研究不够系统全面，不够深入，未来发展应当结合高新技术完善模型和指标体系的构建。

关键词：干旱区；土地利用/覆被变化；生态水文效应

中图分类号：P343 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.11.017

目前，人类面临的许多环境问题都与土地利用及土地覆被变化（LUCC）有关。随着社会的快速发展，土地利用格局与土地覆被从流域到全球的多种尺度上都发生了显著变化，并由此不断改变着地球表面的生物、能量和水分等多种过程[1-2]。而生态水文学作为水文过程与生态过程耦合研究的一门学科，已成为水文学科最为活跃的前沿领域，为恢复和建立健康生态水文环境提供理论依据[3]。图1表明了生态水文学在可持续管理中的重要性。探讨LUCC与生态系统和水文过程耦合关系及水文机理是当今水科学的前沿问题。在流域尺度上，LUCC对生态水文过程影响的结果，就是直接导致水资源空间和时间分布格局发生变化，从而对流域生态、环境以及经济发展等多方面产生深刻影响，因此，对LUCC如何驱动流域水循环过程的认识和掌握，就成为广泛涉及流域水资源规划、生态环境保护以及区域可持续发展的核心问题。在中国，特别是在西北干旱内陆河地区，LUCC所引起的生态水文效应问题，显著影响流域生态环境以及流域生态系统的稳定性和服务功能，严重制约了社会经济的可持续发展。

过去100年来，土地利用/覆被以前所未有的速度在全球、国家、区域和流域等尺度上发生了显著变化，改变了水资源的空间配置和循环过程[5-7]。以生态和水问题为主线，研究LUCC对区域生态及水资源的影响已成为目前研究的重要研究方向[8]。西部干旱区农业自然资源、能源和矿产资源极为丰富，是中国21世纪重要的资源接替区，而新疆作为国家西部重要的生态屏障，其塔里木河流域周边地区又是新疆特别是南疆的生态屏障。其典型的干旱荒漠绿洲生态环境十分脆弱，且难以恢复，环境承载能力十分有限，土地利用诱发的土地荒漠化、土地盐渍化、水质恶化等一系列生态环境问题日趋严重，直接影响到我国西部以资源基地建设为中心的经济发展格局。人类对自然资源，特别是水资源的不合理利用，加剧了脆弱生态环境的演变过程，影响了干旱区的生态安全。章光新[9]指出：在实践应用方面，应该首先在我国干旱、半干旱地区和盐渍土区开展生态水文学的研究，因为那里的水循环和生态环境都比较脆弱。故本研究以生态水文学为指导思想，综述了LUCC与生态过程和水文过程的相互作用关系，以进一步加深对干旱区LUCC生态过程与水文过程相互作用内在机制的认知，为其保护恢复和后续研究提供依据。

1 国内外研究现状

在广泛关注的全球变化研究中，水文过程—生态过程耦合研究成为水文科学最为活跃的领域。正是由于水文循环是联系地球系统的纽带，使得水文循环过程的变化成为相关生态环境变化交叉研究的核心[10]。20世纪90年代以来，LUCC问题引起国际组织和世界各国普遍关注。随着全球范围内国际地圈—生物圈计划（IGBP）和土地利用/覆被变化（LUCC）科学研究计划的推行，有关流域LUCC对流域生态和水资源的影响问题的研究成为焦点，但目前国际上的研究大多注重于对全球变化的影响，尤其对气候变化的影响，而缺乏对区域生态环境和自然地理过程的研究。国内外研究结果反映出LUCC对流域生态以及水资源分布格局的影响在不同地带由于其不同的地域特性和水资源特性而不同。针对干旱地区内陆河流域水资源严重不足的特点，开展区域实例研究和不断深入总结经验和理论探索，可以认识LUCC对流域生态和水资源影响的一些事实和规律，揭示土地利用变化对生态环境安全和水资源分布格局的影响。因此，在区域尺度上继续深入揭示LUCC与生态环境、水资源之间的关系，探索由于LUCC导致的生态环境退化、水资源空间分配与循环过程的耦合机制，不仅对丰富其研究具有重要的理论意义，同时还对生态环境的保护与恢复并建立水资源的优化利用方案具有现实的指导意义。国内外已有不少学者对LUCC及其对生态与水资源的影响展开了深入研究。

1.1 国外研究现状

LUCC是研究自然和人文过程的理想入口，已成为全球生态环境变化研究的热点领域[11-12]。20世纪90年代，全球变化人文领域计划（IHDP）第一次学术会议就把LUCC 确定为六大研究方向之一，并且，国际上与全球变化有关的各个科学组织和各类科学计划纷纷将LUCC作为研究重点。美国、日本等都分别建立了不同层次的LUCC研究项目，探讨从全球气候变化效应延生到不同时空尺度的LUCC过程、驱动机制。LUCC除了在检测技术、驱动力、生态环境效应等不同方面取得了丰硕的研究成果外，LUCC研究在理论上也有了卓越突破[13]，2007年Turner等[14]指出土地变化科学重在全球的土地变化的观测和监测、人与环境耦合系统、土地变化的空间解释模型以及对土地系统的脆弱性和可持续性进行评价。LUCC研究的近年成果主要表现在以下两个方面：

（1） LUCC对水文方面的影响主要表现在水量和水质。土地利用特别是绿洲用水对水资源的影响突出[15]。不适合的土地利用方式往往会造成面源污染，这将会导致水质下降，农业生产已经成为内陆水域和沿海岸带N、P过剩的最大来源[16-17]，此结果会导致水质恶化、蓝藻繁盛和氧气耗竭[18]。Weatherhead[19]和David[20]分别研究了土地利用和地下水、地表水之间的相互关系。Bosch等[21]对全球94个流域试验数据进行分析，得出林地的清除基本均使径流量增加，而空旷地的造林一般会使径流总量减少[22]。另外，土地利用也是导致湿地面积和生态功能变化的最重要的因素。Dimitriou等[23]对希腊Trichonis湖周围湿地的研究表明，气候因素对湿地变化的影响很小，而土地利用变化和水利工程建设的影响起主导作用。在生态水文效应的研究方法上，检测、取样与模拟试验是获取数据的基本途径，Onstad等[24]于1970年最先尝试运用水文模型预测土地利用变化对径流的影响。由于LUCC对水量、水质的影响研究起步早、发展快，目前的研究模型已经十分完备和成熟，如基于GIS技术的具有物理基础的分布式模型、基于水文响应单元（HRU）的经验性模型以及半分布式的地形指数模型等[25-27]。

（2）LUCC对生态的影响主要是通过降低生态系统服务功能价值、景观破碎化等途径。Daily[28]认为生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成的人类赖以生存的自然环境条件，它不仅给人类提供生存必需的食物及工农业生产的原料，而且维持了人类赖以生存和发展的生命支持系统。Costanza等[29]首先对全球生态系统服务功能进行了价值分析评估。Loomis等[30]运用条件价值法对恢复受损河流生态系统服务的经济价值进行了估算，Bjorklund等[31]研究了瑞典不同生产压力下农业生态系统服务功能价值的关联性，Bolund 等[32]通过对城市生态系统服务功能进行研究，指出了生态系统服务功能对人类生活的重要性，建议人类要合理利用土地，Kreuter等[33]以美国德克萨斯州圣安东尼奥附近面积约1.4×105 hm2的3个主要流域为例，运用遥感数据研究快速发展城市区的土地利用变化。

1.2 国内研究现状

国内学者关于LUCC对生态与水资源的影响也做了大量的研究工作[34-39]。土地利用变化在大气环境、土壤环境、生态环境、物种多样性[40-43]等多个方面产生着不同程度的影响，然而对于水资源的影响显得格外突出。土地利用变化通过影响流域的蒸发机制以及其土地覆被的类型与程度影响地表径流的初始条件，从而对流域的水文过程产生直接的影响[44]。LUCC在流域范围内水文效应的研究方法有多种。早期的研究大都采用试验流域的方法[45]，试验流域研究通常在小流域进行，研究周期长，可对比性差。根据我国学者王根绪和王凌河的研究成果[46-47]，整理了目前用于生态水文过程研究的生态水文模型，结果见表1。

邓慧平等[48]应用TOPMODEL模型对流域水量平衡进行逐日模拟，定量分析气候波动与流域植被覆盖变化的水文效应，并进行了不同植被覆盖情景下地表覆被变化流域的水文响应模拟。高俊峰等[49]研究了太湖流域土地覆被变化对流域产水量的影响。史培军等[50]应用SCS模型对深圳市部分流域进行了径流过程的模拟。虽然干旱区植被覆盖变化对水文的影响因流域面积、气候和植被类型等因素的不同而有差异，但就流域内不合理土地利用引起的植被减少而造成的河流沉积增加、流域蓄水能力损失、水质下降等[51]。周海丽等[52]利用深圳多年的统计数据、环境数据以及影像的解译数据，进行回归和主成分分析，建立了城市化水平与城市水环境质量变化之间的回归模型。贾亚南等[53]的研究表明：贵州水城盆地水质污染区分布与土地利用分布具有一致性；LUCC是本地区水质变化的主要原因。随着土地开发利用范围的扩大与强度的增加，造成对水资源需求量的急剧增加，使得我国许多地方的水资源的供给都变得非常紧张。水资源短缺不仅严重影响居民的日常生活，还造成河水断流等严重的生态环境问题，增加了地表径流量，并加剧了潜在洪水的威胁[54]。

LUCC对生态系统的影响主要有3个方面：（1）在生物群落水平上，LUCC造成的景观的破碎化、土壤养分的改变以及物种的入侵，使得大面积的植物群落的组成发生很大的变化，同时也使得自然群落的发展演替过程受到极大的干扰[55-56]；（2）在生态系统水平上，土地利用方式的改变必然会对生态系统的结构和功能产生极大的影响；（3）在景观水平上，LUCC会引起景观类型、结构及其功能发生改变[57-58]。

2 结论与展望

由于经济利益或政策原因的驱动，人类活动导致了土地利用方式的剧烈变化，这些土地利用变化在改变地表景观格局的同时也改变了地表的各种地理过程。干旱区面临着生态环境脆弱的问题，尤其是水资源短缺问题严重，因此，LUCC的生态水文效应研究更是决策者在土地利用规划中应当考虑的问题。

目前，LUCC的生态水文效应研究尚处于初步探讨过程中，首先，对水循环的影响研究局限于个别小区域的水文变化影响研究，未能得出普遍的规律性认识和结果；其次，对水资源效应的研究主要集中在水资源量的变化上，对于水资源分布格局影响以及LUCC与生态水文相互作用和耦合机制的研究较少，还需要开展大量的典型区域的个例分析，如在塔里木河中游渭干河-库车河三角洲绿洲、克里雅河于田绿洲以及艾比湖流域博尔塔拉蒙古自治州等典型区域开展深入的研究。因此，本文以长时间尺度的LUCC特征和变化过程研究为切入点，围绕LUCC导致的生态和水文效应两条主线，从现状、过去变化、未来趋势方面，系统论述了区域LUCC过程及其生态和水资源的影响：考虑经济发展、绿洲扩张、人口增加、流域发展目标以及政策等因素，系统分析干旱区LUCC的生态水文效应，揭示干旱区土地利用类型时空变化规律，探讨LUCC-生态过程-水文过程的相互作用及其耦合机制，提出适合干旱区流域的生态水文模型，为西北干旱区内陆河流域水资源保护和利用夯实发展基础。

总之，有关LUCC对生态环境的影响，尤其是对生态水文效应的研究，将逐步得到人们的重视，在今后的研究中，应当加强LUCC对水资源影响过程、机制的模拟和研究，并结合高新技术定量地确定由此造成的对生态安全的影响，以促进LUCC生态水文效应研究的精度和深度，为决策者提供更加直接有效的依据。

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