第27卷 第2期2011年3月地理与地理信息科学
Geog ra phy and Geo-Infor matio n Science V ol. 27 N o. 2M arch 2011
土地变化的生态效应研究方法
马宗文, 许学工
*
(北京大学城市与环境学院, 地表过程分析与模拟教育部重点实验室, 北京100871)
摘要:土地变化研究是全球土地计划(GL P ) 的重要组成部分, 并逐渐演化成新的研究领域 土地变化科学(L CS) 。土地变化对陆地生态系统造成了深远影响, 其生态效应研究在全球和区域尺度上广泛开展。该文对土地变化的大气、水文、土壤、生物单要素效应及区域综合生态效应的主要研究方法和技术手段进行总结。结果表明, 在观测和试验基础上, 抽象出数理模型对土地变化的生态效应进行模拟以及定量评价是主要研究方法; 借助于多时空尺度模型, 土地变化的大气、水文效应研究已经相当深入, 但区域综合生态效应的研究还比较薄弱, 主要以影响评价为主; 建立多元素耦合、多尺度集成的机理模型和综合定量评价是今后发展的重要方向。关键词:土地变化; 生态效应; 研究方法
中图分类号:X171 文献标识码:A 文章编号:1672-0504(2011) 02-0080-07
0 引言
土地利用/覆被变化(LUCC) 是国际地圈生物圈计划(IGBP) 和全球环境变化人文因素计划(IH DP) 共同的核心计划
[1]
应和区域综合生态效应的主要研究方法、技术手段进行归纳总结, 以期为今后该领域的研究提供方法
借鉴。
, 20世纪90年代以来LUCC 研
究在全球范围内广泛开展。在此基础上2005年启动全球土地计划(GLP) , 强调陆地系统中人类-环境耦合系统的综合集成与模拟研究[2], 极大促进了土地变化科学(Land Change Science, LCS ) 的诞生和发展[3]。随着IGBP 工作的展开以及明确 LUCC 和全球变化与陆地生态系统(GCTE) 研究的综合是IGBP 的核心工作 , 土地变化的生态效应研究得到了更大程度的关注, 在全球和区域尺度上取得了一系列研究成果。据预测, 土地变化仍将是21世纪陆地生态系统的最主要影响因素[5]。土地变化生态效应的研究主要集中在全球和区域大气、水文、土壤效应以及对生态系统和生物多样性等方面的影响[6-9]。
土地变化的生态效应研究内容如图1所示。在基础理论层面, 通过观测、试验, 结合物理、化学、生物等学科已有的理论, 深入分析挖掘土地变化生态效应在不同时空尺度上的内在机理。研究的核心领域是对地学和生物学耦合过程的模拟、预测以及对土地变化所引起的生态效应进行评价评估。预测和评价结果为区域土地利用和生态保护等提供技术支
[4]
图1 土地变化的生态效应研究内容
Fig. 1 T he researches on ecological effects of land change
1 土地变化的单要素生态效应
1. 1 大气效应
土地变化大气效应的研究主要采用物质循环法。就研究热点碳循环而言, 由于缺乏历史实测CO 2浓度资料, 模型模拟便成为主要途径[10]。在土地变化与生态系统碳循环关系研究中, 基于经验数据建立的簿记模型(Bo okkeeping Mo del) 影响很大, 1983年H o ug hton 等[11]使用该模型估算了工业革命以来全球土地变化所引起的碳排放; 后来, 簿记模型又被多次修正与完善, 应用于热带、美国、中国等地区, 估算区域土地变化对陆地碳循环的影响[12, 13]。但该模型缺乏机理过程, 难以反映真实的土地变化
持, 土地利用实践又反馈于土地变化及其生态效应。过程对生态系统碳循环的动态影响。将生态系统过本文对土地变化的大气、水文、土壤、生物单要素效程模型与簿记法结合, 可以将土地变化信息与生态
收稿日期:2010-11-14; 修订日期:2011-01-24
基金项目:科技部创新方法工作资助项目(2007FY140800 1) ; 国家自然科学基金重点项目(40830746)
() , , , *mail:xxg@u rban. edu. cn
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过程结合, 从而提高对土地变化引起的碳循环动态变化的估算精度
[14]
地利用情景与水文模型耦合, Choi 等[31]综合元胞自动机、城市空间增长模型和半分布连续水文模型, 对美国Kishw aukee 河流域进行潜在土地变化的水文
影响评价; 陈莹等[32]将土地利用预测模型CLUE S 与半分布式水文模型H EC H M S 耦合, 分析西苕溪流域潜在土地变化对不同重现期暴雨情景下洪水过程的影响。在该研究领域, 除新安江模型外, 国内主要通过对国外模型的引进、消化、吸收和参数改进, 已取得相当多的研究成果
[24, 27, 30, 32]
。Defries 等
[15]
利用遥感数据获
得的植被分布信息, 结合具有生态学意义的CASA
(Car negie Am es Stanford Approach) 模型, 预测了土地变化造成的生态系统碳循环的变化。除了进一步加强长期定位研究以获得土地变化与生态系统碳循环过程的定量关系外, 土地变化模型与植被动态模型、生态系统过程模型三者的耦合也是今后发展的主要方向之一
[14, 16]
。。
土地变化对区域气候影响的定量研究主要也是通过模型模拟, 如研究城市热岛效应的Yamada 降水影响的热量平衡和水量平衡原理模型; 使用区域气候模式(RegCM3) 进行实际植被和理想植被情况下的数值模拟, 研究土地变化对气候的影响[19]等。国内有学者将遥感数据和气象观测数据结合, 使用统计分析研究城市化对温度的影响1. 2 水文效应
[20, 21]
[18]
1. 3 土壤效应
土壤质量的动态评价国际上多采用多变量指标理及预测研究方面, 主要是模型模拟。由于土壤侵蚀尤其是水蚀是最主要的土壤退化形式, 目前已建立了很多土壤侵蚀模型, 其中涉及土地利用定量模型的通常思路是把土地变化作为影响土壤侵蚀的一个因子, 从而计算不同土地利用方式下的土壤侵蚀量, 应用最广泛的是通用土壤侵蚀模型(USLE) 及其修正模型(RUSLE) 。USLE 是Wischmeier 等[34]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的, 是预测农耕土壤侵蚀的半经验模型, 不涉及土壤侵蚀的机理与侵蚀过程。为了完善U LSE, 美国农业部发布了基于侵蚀过程的预测模型WEPP, 该模型包括降雨截留、击溅、入渗、产流、分离、泥沙输移和泥沙沉积等子过程[35], 是迄今为止最为完整和复杂的土壤侵蚀理论模型。此外, 地球化学方法在土壤侵蚀的定量研究中应用较多, 如稀土元素示踪法、放射性核素法等, 其中放射性元素137Cs 作为示踪剂应用于土壤侵蚀研究在理论和技术上较为成熟[36]。但137Cs 测定费用较高, 耗时长, 因此限制了其在大尺度上的应用。土地变化土壤效应的另一重要研究内容是对土壤肥力的影响, 主要技术是野外采样化验与人工试验相结合, 分析土地变化对土壤微生物、养分(氮、磷、钾等) 、酶活性和物理性质等的影响。
随着全球碳循环研究的升温, 土地变化对土壤有机碳影响的研究受到更大关注, 研究手段主要是模型模拟、采样化验和人工试验等。由于土地变化对碳循环的影响具有很强的尺度依赖性, 美国地质勘探局(U SGS) 开发出一套从局地到区域可以进行空间尺度推绎、同时可以将不同时间分辨率的动态土地利用信息嵌入其中的GEM S (General Ensem ble biogeochemical M odeling System ) 模型[38], 在美[37]
Mellor 闭合模型[17]; 研究森林大面积变化对温度、克立格法和土壤质量动力学方法[33], 在土壤退化机
。
在研究方法上, 野外监测、采样化验、模拟试验是获取数据的基本途径。相比而言, 国外在监测与采样方面较系统, 野外模拟试验多由计算机自动控制, 精度较高。国内的水文监测与试验在黄土高原较多, 但测定项目较少、时段较短, 而且径流观测不太注重水文过程, 获取的资料不利于水文过程模拟[10]。
为了定量解释、模拟和预测土地变化对水循环的影响, 流域水文模型备受重视。Onstad 等
[22]
于
1970年最先尝试用水文模型预测土地变化对径流的影响。按照模型对空间特征的描述, 水文模型分为集总式和空间(半) 分布式两类。集总式模型将整个流域作为一个单元, 其弱点是不能处理土地利用类型和水文过程的区域差异及流域参数的空间变异性[23]。因此, 集总式模型适用于土地利用类型比较单一的小尺度流域, 此类模型如美国农业部水土保持局开发的SCS 模型。而(半) 分布式模型能反映空间异质性, 在解释和预测土地变化的水文效应上应用广泛, 如评价不同气候和土地利用组合的流域响应模型PRM S 、土地变化对暴雨-径流及洪水动态影响的模型LISFLOOD [26]、以地形为基础的半分布式小流域模型地形指数模型(T OPM OD EL)
[27]
[25]
[24]
等。遥感技术和GIS 在水文循环领域应用的
不断发展, 也为水文模拟提供了新的研究思路和技术方法, 出现了如MIKE SHE [28]、VIC [29]、SW AT [30],
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者杨玉盛等[39]用采样化验的方法研究了中亚热带山区土地变化对土壤有机碳储量和质量的影响。1. 4 对生物多样性的影响
土地变化对生物多样性的巨大影响超过了其他任何全球变化成分对其的影响[40]。其中, 热带地区的森林面积减少对全球生物多样性的威胁最大。
土地变化对生物多样性影响的研究方法主要有两类:一是通过历史生物资源(森林等) 清查资料, 结合多期土地利用数据, 通过多元统计分析探讨土地变化对生物多样性影响。二是以空间换时间方法, 选取从乡村到高密度人类活动区梯度上的典型生境, 采用野外样方调查获取生物多样性数据, 从而得到不同土地利用强度下生物多样性水平。通过序列分析等统计方法, 研究该梯度上物种多样性变化趋势。土地利用多用景观格局指数表征, 生物多样性用生态学中已有的多度、丰富度、均匀度等指数量化, 然后用统计方法建立两者的定量关系。该类研究如热带地区大面积原始森林被人工次生林取代对物种组成和多样性的影响[42], 快速城市化地区建设用地扩张对原有生态系统的干扰, 土地利用政策和管理策略对物种和群落的影响[44]等。
[43]
[41]
上生态质量指数还可以计算某种土地利用类型变化所导致的区域生态质量的改变, 李晓文等
[49]
将其定
义为区域土地利用转变类型生态贡献率, 它体现了生态价值流, 使得区域内某一局部的生态价值升高或降低。该方法已经应用于西北干旱区、北方农牧交错带、黄土高原等生态脆弱区土地变化的生态效应评价[50, 51]。
2. 1. 3 景观空间负荷对比指数 为了探究不同景观类型的空间格局对生态过程影响, 陈利顶等
[52]
提
出了 源 、 汇 景观概念和理论, 将生态过程的内涵融于景观格局分析中。该方法借用洛伦兹曲线理论, 从距离、相对高度和坡度三方面建立了不受尺度限制的景观空间负荷对比指数, 通过分析不同年份或不同区域景观空间负荷对比指数的变化, 定量研究景观格局时空变化对生态过程的影响。该方法可以应用于土地变化对水土(养分) 流失、非点源污染、城市热岛效应的影响研究。刘芳等基于 源-汇 生态过程研究长江上游农业非点源污染, 发现各区域景观空间负荷对比指数在研究时段内逐渐增大, 非点源污染风险增加。2. 2 生态服务价值法
生态系统服务功能的评估主要有三类方法:能值分析法、物质量评价法和价值量(货币) 评价法, 其中, 价值量评价法因操作简便、结果直观而被广泛使用。自1997年Costanza 等[54]提出全球生态系统服务功能评价模型以来, 区域性评价广泛开展。此后, 由联合国发起的千年生态系统评估(M illennium E
[55]
[53]
2 土地变化的区域综合生态效应
土地变化的区域综合生态效应研究以影响评价为主, 主要评价方法有指数评价法、生态服务价值法和生态足迹法, 其中指数评价法应用最多。2. 1 指数评价法
2. 1. 1 景观格局指数 景观格局指数作为分析景cosy stem A ssessment, MA) 为生态服务功能评价观特征的定量化工具, 能够高度浓缩景观格局信息、提供了新的指南。应用全球生态系统服务功能价值反映景观结构组成和空间配置某些方面的特征[45], 在土地变化生态效应的定量评价中应用较多。景观格局指数分为斑块水平、类型水平和景观水平3个层次, 常用美国俄勒冈州立大学开发的Fragstats 软件计算。基于景观格局指数的土地变化生态效应研究主要集中在典型流域、沙漠绿洲、自然保护区和城市化地区[46-48]。于兴修等[46]在西苕溪流域使用反映景观结构和异质性的指数, 研究认为流域土地变化产生了生境质量下降、边缘效应增强、土地退化、景观同化及生态系统结构简单化等明显的生态效应。2. 1. 2 生态环境指数 该方法首先通过专家评分对各土地利用类型所具有的生态环境质量进行模糊赋值, 以此为权重计算某一区域内生态环境质量的总体状况, 通过计算不同时段的区域生态环境指数, 比例关系, 结合研究区域实际进行调整, 定量、综合评价土地变化的生态服务价值变化, 从而反映土地变化的生态效应是主要研究思路。当前, 常用的生态服务价值评价方法有生产率变动法、人力资本法、机会成本法、有效成本法、防护费用法、置换成本法、旅行费用法、享受价值法和意愿评估法等。
谢高地等[57]在Costanza 等提出的评价模型的基础上, 对国内200多位生态学者进行问卷调查, 得出了 中国生态系统生态服务价值当量因子表 , 该表以生态系统服务功能之间相互贡献的大小和农田食物生产服务经济价值为基础, 评价区域生态系统服务功能经济价值。该方法比以往评价方法更全面, 而且更适用于中国的实际情况。其评价思路是:定义不同土地利用类型的相对生态价值, 以此为权[56]
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同年份单位面积生态系统服务功能(相对) 经济价值, 定量反映土地变化的生态效应。该方法在喀斯特地区、沙漠绿洲、黄土高原、快速城市化地区等应
[58, 59]
用较多, 取得了不少研究成果。2. 3 生态足迹法
生态足迹由加拿大生态经济学家William 于1992年提出, 经过其博士生Wackernag el 等[60]完善后, 成为一种衡量人类对自然资源利用程度以及自然界为人类提供生命支持服务功能的方法。该方法的评价思路是:将区域的资源和能源消费转化为提供这种物质流所必需的各种生物生产土地的面积(生态足迹需求) , 并同区域能提供的生物生产型土地面积(生态承载力或生态足迹供给) 进行比较, 确定生态赤字或生态盈余, 通过计算不同年份的变化情况, 评价人类活动对区域生态环境的影响。后来, 将生态足迹分析与物流/能流分析、产品生命周期分析、投入产出分析相结合不断改进生态足迹模型, 出现了可以应用于宏观和微观尺度的各种方法[61], 其中, 与投入产出分析结合最受推崇。
Lenzen 等应用单一地区部分封闭的投入产出框架, 以澳大利亚实际的土地利用面积和土地干扰为基础, 估算了生态足迹, 并引入了强调对CO 2和温室气体吸收的土地类型 排放土地(emission land) 。国内研究主要是针对快速城市化地区和生态脆弱区进行的, 贾铁飞等[63]以生态足迹法为基础, 构建了区域生态效应综合指数与弹性指数模型, 研究了上海城市边缘区土地利用变化的生态效应; 蒋依依等研究了滇西北生态脆弱区生态足迹的变化, 并结合生态承载力进行了预测。
[64]
[62]
境和生态恢复[65]。还有一些研究虽然对土地利用和区域生态环境变化都有定量分析, 但两者之间的定量关系却没有建立起来, 生态效应有多少是由土地变化引起的不得而知。
土地变化的区域综合生态效应研究很多是基于景观格局指数, 但景观格局指数存在一些缺陷, 还有些被研究者误用, Li 等[66]系统总结了景观格局分析中使用景观指数存在的问题(图2) 。此外, 土地利用类型划分对景观指数也有显著影响
[67]
。为了减少不
确定性、增强预测能力, 土地变化的生态效应分析中使用景观格局指数时, 一方面, 不要一味追求将景观格局用指数进行定量化表征, 而是要强调它与生态过程的关系; 另外, 由于景观格局指数自身存在一些缺陷, 需要对原有指数的生态学意义进行深入探讨。在此基础上综合使用影响各种生态过程的景观指数, 但要避免相同生态学意义指数的重复使用。
图2 使用景观指数分析景观格局存在的三类问题[66]
Fig. 2 Three types of problems in landscape analysis
with pattern metrics
多元素耦合、多尺度综合集成模拟是今后发展的重要趋势。国际上比较成功的案例如Costanza 等[68]在美国马里兰州Patuxent River 流域开发的一套集成了多时空尺度的综合性景观模型, 分析了历史上土地变化的生态效应, 并预测了不同土地利用情景下的生态响应。美国奥本大学ESRA 实验室依据生态系统基本原理构建和发展的开放式生态系统过程模型 陆地生态系统动态模型(Dy namic Land Ecosystem M odel, DLEM ) , 它综合考虑植被动态与生物地球化学过程, 定量模拟、分析自然因素和人类活动双重驱动下陆地生态系统过程和格局的变化, 可以同时估算多种温室气体的日通量, 并可根据用户需要从机理上模拟时间跨度从天到年、空间范围从几米到几千米、从区域到全球的环境变化事件以及由此引发的生态系统响应及反馈过程。近几年, 国外学者开始注重机理的研究以及以此为基础的多元素耦合、多尺度集成模型的开发, 但国内对土地变化生态效应的模拟主要借鉴国外已有的模型。
[69]
3 讨论
土地变化的生态效应研究中, 传统方法和技术手段日臻完善, 而且随着与相邻学科交叉和融合, 新方法不断涌现, 但既有研究方法也存在一些问题, 结合其他学者的观点, 本研究提出以下看法。
土地变化单要素生态效应的研究在某些领域已经相当深入, 但区域综合生态效应研究还比较薄弱, 客观、综合的定量评价是今后目标。由于生态和环境变化的驱动因素是多方面、多尺度的, 很难将土地变化因素从中剥离, 所以客观地定量评价存在一定难度, 土地变化的生态效应研究很多还没有完全定量化, 如农地利用环境效应的三大命题:农地面积扩张造成土地退化、优质土地的集约化间接促使生态
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由于一些客观原因, 如具有生态学意义的研究区域(流域等) 和行政区不匹配、社会经济统计资料的不确定性等, 土地变化生态效应的研究方法在实践中的操作性不强。Gibbons 等[70]在澳大利亚新南威尔士地区开发了一套可实际操作的评价软件, 基于当地 只有原生植被采伐能够帮助改善和维持环境产出 的政策, 通过在立地、景观和区域3个尺度上定量计算原生植被采伐对陆地系统生物多样性的影响能否被抵消, 从而制定采伐政策, 该评价方法实施的第一年收到了很好的效果。当前, 在区域尺度上对土地变化的生态效应已有大量研究, 研究方法和技术手段日渐成熟, 但操作性强的应用研究较少。
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[ , , , . 4 结语
通过对土地变化生态效应的研究方法进行总结发现, 在观测和试验基础上, 抽象出数理模型对土地变化的生态效应进行模拟以及定量评价是主要研究方法。土地变化的大气、水文单要素生态效应研究已经相当深入, 多时空尺度模型发挥了重要作用, 但区域综合生态效应的研究还比较薄弱, 主要以影响评价为主; 国外学者注重机理研究和模型开发, 国内以综合评价为主, 多借鉴国外已有模型进行本土研究, 原创性模型较少。从发展趋势看, 建立多元素耦合、多尺度集成的机理模型以及综合定量评价是今后发展的重要方向。随着对土地变化生态效应机理认识的深入, 今后模型模拟预测能力将不断提高, 多尺度综合模拟效果将更接近实际情况。在此基础上对土地变化的生态效应进行全面评价, 可以为决策者提供直接有效的方案, 指导科学合理的决策制定, 更多的研究成果将会应用于实际土地利用规划和生态保护工作中。
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Summary of Research Methods on Ecological Effects of Land Change
M A Zong-wen, XU X ue-g ong
(Coll ege of Ur ban and Envir onmental S ciences , Pek ing Univers ity ; K ey L abor ator y of A naly s is and S imulatio n of
Ear th Sur f ace Pr ocesses , Ministr y of E ducation, Beij ing 100871, China)
Abstract:L and chang e research, as one o f im po rtant com ponents of Global L and P ro ject (GL P ) , has g radually ev olv ed into a new research field named L and Change Science (L CS) . L and chang e has a far r eaching influence o n ter restrial eco systems. A se r ies of r esear ches on ecolo g ical effects o f land change at g lo bal and r eg io nal scale have been made. In this paper, the research met ho ds and technical appr oaches o n eco log ical effects of land chang e are summarized. T he eco lo gical effect s o f land chang e on atmospher e, hydro log y, soil, bio diversity and integr ated env ir onmental effects ar e included. T he r esults sho w that, simulat ion and influence assessment, which are based o n o bserv atio n, inv est igat ion and experiment, a re the main research metho ds; w ith the help o f multi tempor al and spatial sca le models, effects of land chang e on sing le element such as atmo sphere and hy dr olog y ar e deeply studied, w hile studies on integ rated env iro nmental effects ar e relat ively deficient; establishing multi element coupled and multi scale integ rated models and quantitative eva luation index system ar e the main develop dir ection in t he futur e. T he prob lems ex isted and prospective o f research metho ds in this study area are discussed at last. Key words:land chang e; ecolog ical effects; r esear ch methods
(上接第64页)
Evaluation on Intensive Utilization Potential of Rural Residential Land in Shijiazhuang
L IU Q iao -qin 1, L IA N Ji-ting 1, HU A N G Y an-mei 1, L I Zi-jun 2, G U O A i-qing 1
(1. Shij iaz huang Univ ers ity of Economics , Shij iaz huang 050031;
2. College of Pop ulation, Res our ces and Envir onment, Shandong N or mal Univ er sity , J inan 250014, China)
Abstract:Ov erg ro wth of rural residential land has become a serio us r est riction to sustainable land use, economic and so cial de v elo pment in recent y ea rs in Shijiazhuang. T herefor e, intensive use o f r ural r esidential land is im perat ive. Based on the definition of intensive ut ilization potential ev aluatio n and t he intensiv e utilizatio n divisio n of rur al residential land, the index system and the model of intensive use po tential evaluation w ere established. T he empirica l research o f potential ev aluatio n w as carr ied out based on rural resident ial land o f county in shijiazhuang. T he intensive ut ilization potential o f r ur al resident ial land w as divided into three g rades accor ding t o co mpr ehensive score, and the cor respo nding g rades w ere g r eat potential, potential, small po tent ial. T he effective appr oaches o f rural resident ial land intensive utilizat ion w ere proposed based o n the abov e research. Key words:rural residential land; intensive utilizatio n potentia l; intensiv e utilizatio n level; intensive utilization division
第27卷 第2期2011年3月地理与地理信息科学
Geog ra phy and Geo-Infor matio n Science V ol. 27 N o. 2M arch 2011
土地变化的生态效应研究方法
马宗文, 许学工
*
(北京大学城市与环境学院, 地表过程分析与模拟教育部重点实验室, 北京100871)
摘要:土地变化研究是全球土地计划(GL P ) 的重要组成部分, 并逐渐演化成新的研究领域 土地变化科学(L CS) 。土地变化对陆地生态系统造成了深远影响, 其生态效应研究在全球和区域尺度上广泛开展。该文对土地变化的大气、水文、土壤、生物单要素效应及区域综合生态效应的主要研究方法和技术手段进行总结。结果表明, 在观测和试验基础上, 抽象出数理模型对土地变化的生态效应进行模拟以及定量评价是主要研究方法; 借助于多时空尺度模型, 土地变化的大气、水文效应研究已经相当深入, 但区域综合生态效应的研究还比较薄弱, 主要以影响评价为主; 建立多元素耦合、多尺度集成的机理模型和综合定量评价是今后发展的重要方向。关键词:土地变化; 生态效应; 研究方法
中图分类号:X171 文献标识码:A 文章编号:1672-0504(2011) 02-0080-07
0 引言
土地利用/覆被变化(LUCC) 是国际地圈生物圈计划(IGBP) 和全球环境变化人文因素计划(IH DP) 共同的核心计划
[1]
应和区域综合生态效应的主要研究方法、技术手段进行归纳总结, 以期为今后该领域的研究提供方法
借鉴。
, 20世纪90年代以来LUCC 研
究在全球范围内广泛开展。在此基础上2005年启动全球土地计划(GLP) , 强调陆地系统中人类-环境耦合系统的综合集成与模拟研究[2], 极大促进了土地变化科学(Land Change Science, LCS ) 的诞生和发展[3]。随着IGBP 工作的展开以及明确 LUCC 和全球变化与陆地生态系统(GCTE) 研究的综合是IGBP 的核心工作 , 土地变化的生态效应研究得到了更大程度的关注, 在全球和区域尺度上取得了一系列研究成果。据预测, 土地变化仍将是21世纪陆地生态系统的最主要影响因素[5]。土地变化生态效应的研究主要集中在全球和区域大气、水文、土壤效应以及对生态系统和生物多样性等方面的影响[6-9]。
土地变化的生态效应研究内容如图1所示。在基础理论层面, 通过观测、试验, 结合物理、化学、生物等学科已有的理论, 深入分析挖掘土地变化生态效应在不同时空尺度上的内在机理。研究的核心领域是对地学和生物学耦合过程的模拟、预测以及对土地变化所引起的生态效应进行评价评估。预测和评价结果为区域土地利用和生态保护等提供技术支
[4]
图1 土地变化的生态效应研究内容
Fig. 1 T he researches on ecological effects of land change
1 土地变化的单要素生态效应
1. 1 大气效应
土地变化大气效应的研究主要采用物质循环法。就研究热点碳循环而言, 由于缺乏历史实测CO 2浓度资料, 模型模拟便成为主要途径[10]。在土地变化与生态系统碳循环关系研究中, 基于经验数据建立的簿记模型(Bo okkeeping Mo del) 影响很大, 1983年H o ug hton 等[11]使用该模型估算了工业革命以来全球土地变化所引起的碳排放; 后来, 簿记模型又被多次修正与完善, 应用于热带、美国、中国等地区, 估算区域土地变化对陆地碳循环的影响[12, 13]。但该模型缺乏机理过程, 难以反映真实的土地变化
持, 土地利用实践又反馈于土地变化及其生态效应。过程对生态系统碳循环的动态影响。将生态系统过本文对土地变化的大气、水文、土壤、生物单要素效程模型与簿记法结合, 可以将土地变化信息与生态
收稿日期:2010-11-14; 修订日期:2011-01-24
基金项目:科技部创新方法工作资助项目(2007FY140800 1) ; 国家自然科学基金重点项目(40830746)
() , , , *mail:xxg@u rban. edu. cn
第2期
马宗文等:土地变化的生态效应研究方法
第81页
过程结合, 从而提高对土地变化引起的碳循环动态变化的估算精度
[14]
地利用情景与水文模型耦合, Choi 等[31]综合元胞自动机、城市空间增长模型和半分布连续水文模型, 对美国Kishw aukee 河流域进行潜在土地变化的水文
影响评价; 陈莹等[32]将土地利用预测模型CLUE S 与半分布式水文模型H EC H M S 耦合, 分析西苕溪流域潜在土地变化对不同重现期暴雨情景下洪水过程的影响。在该研究领域, 除新安江模型外, 国内主要通过对国外模型的引进、消化、吸收和参数改进, 已取得相当多的研究成果
[24, 27, 30, 32]
。Defries 等
[15]
利用遥感数据获
得的植被分布信息, 结合具有生态学意义的CASA
(Car negie Am es Stanford Approach) 模型, 预测了土地变化造成的生态系统碳循环的变化。除了进一步加强长期定位研究以获得土地变化与生态系统碳循环过程的定量关系外, 土地变化模型与植被动态模型、生态系统过程模型三者的耦合也是今后发展的主要方向之一
[14, 16]
。。
土地变化对区域气候影响的定量研究主要也是通过模型模拟, 如研究城市热岛效应的Yamada 降水影响的热量平衡和水量平衡原理模型; 使用区域气候模式(RegCM3) 进行实际植被和理想植被情况下的数值模拟, 研究土地变化对气候的影响[19]等。国内有学者将遥感数据和气象观测数据结合, 使用统计分析研究城市化对温度的影响1. 2 水文效应
[20, 21]
[18]
1. 3 土壤效应
土壤质量的动态评价国际上多采用多变量指标理及预测研究方面, 主要是模型模拟。由于土壤侵蚀尤其是水蚀是最主要的土壤退化形式, 目前已建立了很多土壤侵蚀模型, 其中涉及土地利用定量模型的通常思路是把土地变化作为影响土壤侵蚀的一个因子, 从而计算不同土地利用方式下的土壤侵蚀量, 应用最广泛的是通用土壤侵蚀模型(USLE) 及其修正模型(RUSLE) 。USLE 是Wischmeier 等[34]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的, 是预测农耕土壤侵蚀的半经验模型, 不涉及土壤侵蚀的机理与侵蚀过程。为了完善U LSE, 美国农业部发布了基于侵蚀过程的预测模型WEPP, 该模型包括降雨截留、击溅、入渗、产流、分离、泥沙输移和泥沙沉积等子过程[35], 是迄今为止最为完整和复杂的土壤侵蚀理论模型。此外, 地球化学方法在土壤侵蚀的定量研究中应用较多, 如稀土元素示踪法、放射性核素法等, 其中放射性元素137Cs 作为示踪剂应用于土壤侵蚀研究在理论和技术上较为成熟[36]。但137Cs 测定费用较高, 耗时长, 因此限制了其在大尺度上的应用。土地变化土壤效应的另一重要研究内容是对土壤肥力的影响, 主要技术是野外采样化验与人工试验相结合, 分析土地变化对土壤微生物、养分(氮、磷、钾等) 、酶活性和物理性质等的影响。
随着全球碳循环研究的升温, 土地变化对土壤有机碳影响的研究受到更大关注, 研究手段主要是模型模拟、采样化验和人工试验等。由于土地变化对碳循环的影响具有很强的尺度依赖性, 美国地质勘探局(U SGS) 开发出一套从局地到区域可以进行空间尺度推绎、同时可以将不同时间分辨率的动态土地利用信息嵌入其中的GEM S (General Ensem ble biogeochemical M odeling System ) 模型[38], 在美[37]
Mellor 闭合模型[17]; 研究森林大面积变化对温度、克立格法和土壤质量动力学方法[33], 在土壤退化机
。
在研究方法上, 野外监测、采样化验、模拟试验是获取数据的基本途径。相比而言, 国外在监测与采样方面较系统, 野外模拟试验多由计算机自动控制, 精度较高。国内的水文监测与试验在黄土高原较多, 但测定项目较少、时段较短, 而且径流观测不太注重水文过程, 获取的资料不利于水文过程模拟[10]。
为了定量解释、模拟和预测土地变化对水循环的影响, 流域水文模型备受重视。Onstad 等
[22]
于
1970年最先尝试用水文模型预测土地变化对径流的影响。按照模型对空间特征的描述, 水文模型分为集总式和空间(半) 分布式两类。集总式模型将整个流域作为一个单元, 其弱点是不能处理土地利用类型和水文过程的区域差异及流域参数的空间变异性[23]。因此, 集总式模型适用于土地利用类型比较单一的小尺度流域, 此类模型如美国农业部水土保持局开发的SCS 模型。而(半) 分布式模型能反映空间异质性, 在解释和预测土地变化的水文效应上应用广泛, 如评价不同气候和土地利用组合的流域响应模型PRM S 、土地变化对暴雨-径流及洪水动态影响的模型LISFLOOD [26]、以地形为基础的半分布式小流域模型地形指数模型(T OPM OD EL)
[27]
[25]
[24]
等。遥感技术和GIS 在水文循环领域应用的
不断发展, 也为水文模拟提供了新的研究思路和技术方法, 出现了如MIKE SHE [28]、VIC [29]、SW AT [30],
第82页
地理与地理信息科学
第27卷
者杨玉盛等[39]用采样化验的方法研究了中亚热带山区土地变化对土壤有机碳储量和质量的影响。1. 4 对生物多样性的影响
土地变化对生物多样性的巨大影响超过了其他任何全球变化成分对其的影响[40]。其中, 热带地区的森林面积减少对全球生物多样性的威胁最大。
土地变化对生物多样性影响的研究方法主要有两类:一是通过历史生物资源(森林等) 清查资料, 结合多期土地利用数据, 通过多元统计分析探讨土地变化对生物多样性影响。二是以空间换时间方法, 选取从乡村到高密度人类活动区梯度上的典型生境, 采用野外样方调查获取生物多样性数据, 从而得到不同土地利用强度下生物多样性水平。通过序列分析等统计方法, 研究该梯度上物种多样性变化趋势。土地利用多用景观格局指数表征, 生物多样性用生态学中已有的多度、丰富度、均匀度等指数量化, 然后用统计方法建立两者的定量关系。该类研究如热带地区大面积原始森林被人工次生林取代对物种组成和多样性的影响[42], 快速城市化地区建设用地扩张对原有生态系统的干扰, 土地利用政策和管理策略对物种和群落的影响[44]等。
[43]
[41]
上生态质量指数还可以计算某种土地利用类型变化所导致的区域生态质量的改变, 李晓文等
[49]
将其定
义为区域土地利用转变类型生态贡献率, 它体现了生态价值流, 使得区域内某一局部的生态价值升高或降低。该方法已经应用于西北干旱区、北方农牧交错带、黄土高原等生态脆弱区土地变化的生态效应评价[50, 51]。
2. 1. 3 景观空间负荷对比指数 为了探究不同景观类型的空间格局对生态过程影响, 陈利顶等
[52]
提
出了 源 、 汇 景观概念和理论, 将生态过程的内涵融于景观格局分析中。该方法借用洛伦兹曲线理论, 从距离、相对高度和坡度三方面建立了不受尺度限制的景观空间负荷对比指数, 通过分析不同年份或不同区域景观空间负荷对比指数的变化, 定量研究景观格局时空变化对生态过程的影响。该方法可以应用于土地变化对水土(养分) 流失、非点源污染、城市热岛效应的影响研究。刘芳等基于 源-汇 生态过程研究长江上游农业非点源污染, 发现各区域景观空间负荷对比指数在研究时段内逐渐增大, 非点源污染风险增加。2. 2 生态服务价值法
生态系统服务功能的评估主要有三类方法:能值分析法、物质量评价法和价值量(货币) 评价法, 其中, 价值量评价法因操作简便、结果直观而被广泛使用。自1997年Costanza 等[54]提出全球生态系统服务功能评价模型以来, 区域性评价广泛开展。此后, 由联合国发起的千年生态系统评估(M illennium E
[55]
[53]
2 土地变化的区域综合生态效应
土地变化的区域综合生态效应研究以影响评价为主, 主要评价方法有指数评价法、生态服务价值法和生态足迹法, 其中指数评价法应用最多。2. 1 指数评价法
2. 1. 1 景观格局指数 景观格局指数作为分析景cosy stem A ssessment, MA) 为生态服务功能评价观特征的定量化工具, 能够高度浓缩景观格局信息、提供了新的指南。应用全球生态系统服务功能价值反映景观结构组成和空间配置某些方面的特征[45], 在土地变化生态效应的定量评价中应用较多。景观格局指数分为斑块水平、类型水平和景观水平3个层次, 常用美国俄勒冈州立大学开发的Fragstats 软件计算。基于景观格局指数的土地变化生态效应研究主要集中在典型流域、沙漠绿洲、自然保护区和城市化地区[46-48]。于兴修等[46]在西苕溪流域使用反映景观结构和异质性的指数, 研究认为流域土地变化产生了生境质量下降、边缘效应增强、土地退化、景观同化及生态系统结构简单化等明显的生态效应。2. 1. 2 生态环境指数 该方法首先通过专家评分对各土地利用类型所具有的生态环境质量进行模糊赋值, 以此为权重计算某一区域内生态环境质量的总体状况, 通过计算不同时段的区域生态环境指数, 比例关系, 结合研究区域实际进行调整, 定量、综合评价土地变化的生态服务价值变化, 从而反映土地变化的生态效应是主要研究思路。当前, 常用的生态服务价值评价方法有生产率变动法、人力资本法、机会成本法、有效成本法、防护费用法、置换成本法、旅行费用法、享受价值法和意愿评估法等。
谢高地等[57]在Costanza 等提出的评价模型的基础上, 对国内200多位生态学者进行问卷调查, 得出了 中国生态系统生态服务价值当量因子表 , 该表以生态系统服务功能之间相互贡献的大小和农田食物生产服务经济价值为基础, 评价区域生态系统服务功能经济价值。该方法比以往评价方法更全面, 而且更适用于中国的实际情况。其评价思路是:定义不同土地利用类型的相对生态价值, 以此为权[56]
第2期
马宗文等:土地变化的生态效应研究方法
第83页
同年份单位面积生态系统服务功能(相对) 经济价值, 定量反映土地变化的生态效应。该方法在喀斯特地区、沙漠绿洲、黄土高原、快速城市化地区等应
[58, 59]
用较多, 取得了不少研究成果。2. 3 生态足迹法
生态足迹由加拿大生态经济学家William 于1992年提出, 经过其博士生Wackernag el 等[60]完善后, 成为一种衡量人类对自然资源利用程度以及自然界为人类提供生命支持服务功能的方法。该方法的评价思路是:将区域的资源和能源消费转化为提供这种物质流所必需的各种生物生产土地的面积(生态足迹需求) , 并同区域能提供的生物生产型土地面积(生态承载力或生态足迹供给) 进行比较, 确定生态赤字或生态盈余, 通过计算不同年份的变化情况, 评价人类活动对区域生态环境的影响。后来, 将生态足迹分析与物流/能流分析、产品生命周期分析、投入产出分析相结合不断改进生态足迹模型, 出现了可以应用于宏观和微观尺度的各种方法[61], 其中, 与投入产出分析结合最受推崇。
Lenzen 等应用单一地区部分封闭的投入产出框架, 以澳大利亚实际的土地利用面积和土地干扰为基础, 估算了生态足迹, 并引入了强调对CO 2和温室气体吸收的土地类型 排放土地(emission land) 。国内研究主要是针对快速城市化地区和生态脆弱区进行的, 贾铁飞等[63]以生态足迹法为基础, 构建了区域生态效应综合指数与弹性指数模型, 研究了上海城市边缘区土地利用变化的生态效应; 蒋依依等研究了滇西北生态脆弱区生态足迹的变化, 并结合生态承载力进行了预测。
[64]
[62]
境和生态恢复[65]。还有一些研究虽然对土地利用和区域生态环境变化都有定量分析, 但两者之间的定量关系却没有建立起来, 生态效应有多少是由土地变化引起的不得而知。
土地变化的区域综合生态效应研究很多是基于景观格局指数, 但景观格局指数存在一些缺陷, 还有些被研究者误用, Li 等[66]系统总结了景观格局分析中使用景观指数存在的问题(图2) 。此外, 土地利用类型划分对景观指数也有显著影响
[67]
。为了减少不
确定性、增强预测能力, 土地变化的生态效应分析中使用景观格局指数时, 一方面, 不要一味追求将景观格局用指数进行定量化表征, 而是要强调它与生态过程的关系; 另外, 由于景观格局指数自身存在一些缺陷, 需要对原有指数的生态学意义进行深入探讨。在此基础上综合使用影响各种生态过程的景观指数, 但要避免相同生态学意义指数的重复使用。
图2 使用景观指数分析景观格局存在的三类问题[66]
Fig. 2 Three types of problems in landscape analysis
with pattern metrics
多元素耦合、多尺度综合集成模拟是今后发展的重要趋势。国际上比较成功的案例如Costanza 等[68]在美国马里兰州Patuxent River 流域开发的一套集成了多时空尺度的综合性景观模型, 分析了历史上土地变化的生态效应, 并预测了不同土地利用情景下的生态响应。美国奥本大学ESRA 实验室依据生态系统基本原理构建和发展的开放式生态系统过程模型 陆地生态系统动态模型(Dy namic Land Ecosystem M odel, DLEM ) , 它综合考虑植被动态与生物地球化学过程, 定量模拟、分析自然因素和人类活动双重驱动下陆地生态系统过程和格局的变化, 可以同时估算多种温室气体的日通量, 并可根据用户需要从机理上模拟时间跨度从天到年、空间范围从几米到几千米、从区域到全球的环境变化事件以及由此引发的生态系统响应及反馈过程。近几年, 国外学者开始注重机理的研究以及以此为基础的多元素耦合、多尺度集成模型的开发, 但国内对土地变化生态效应的模拟主要借鉴国外已有的模型。
[69]
3 讨论
土地变化的生态效应研究中, 传统方法和技术手段日臻完善, 而且随着与相邻学科交叉和融合, 新方法不断涌现, 但既有研究方法也存在一些问题, 结合其他学者的观点, 本研究提出以下看法。
土地变化单要素生态效应的研究在某些领域已经相当深入, 但区域综合生态效应研究还比较薄弱, 客观、综合的定量评价是今后目标。由于生态和环境变化的驱动因素是多方面、多尺度的, 很难将土地变化因素从中剥离, 所以客观地定量评价存在一定难度, 土地变化的生态效应研究很多还没有完全定量化, 如农地利用环境效应的三大命题:农地面积扩张造成土地退化、优质土地的集约化间接促使生态
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地理与地理信息科学
第27卷
由于一些客观原因, 如具有生态学意义的研究区域(流域等) 和行政区不匹配、社会经济统计资料的不确定性等, 土地变化生态效应的研究方法在实践中的操作性不强。Gibbons 等[70]在澳大利亚新南威尔士地区开发了一套可实际操作的评价软件, 基于当地 只有原生植被采伐能够帮助改善和维持环境产出 的政策, 通过在立地、景观和区域3个尺度上定量计算原生植被采伐对陆地系统生物多样性的影响能否被抵消, 从而制定采伐政策, 该评价方法实施的第一年收到了很好的效果。当前, 在区域尺度上对土地变化的生态效应已有大量研究, 研究方法和技术手段日渐成熟, 但操作性强的应用研究较少。
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[ , , , . 4 结语
通过对土地变化生态效应的研究方法进行总结发现, 在观测和试验基础上, 抽象出数理模型对土地变化的生态效应进行模拟以及定量评价是主要研究方法。土地变化的大气、水文单要素生态效应研究已经相当深入, 多时空尺度模型发挥了重要作用, 但区域综合生态效应的研究还比较薄弱, 主要以影响评价为主; 国外学者注重机理研究和模型开发, 国内以综合评价为主, 多借鉴国外已有模型进行本土研究, 原创性模型较少。从发展趋势看, 建立多元素耦合、多尺度集成的机理模型以及综合定量评价是今后发展的重要方向。随着对土地变化生态效应机理认识的深入, 今后模型模拟预测能力将不断提高, 多尺度综合模拟效果将更接近实际情况。在此基础上对土地变化的生态效应进行全面评价, 可以为决策者提供直接有效的方案, 指导科学合理的决策制定, 更多的研究成果将会应用于实际土地利用规划和生态保护工作中。
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M A Zong-wen, XU X ue-g ong
(Coll ege of Ur ban and Envir onmental S ciences , Pek ing Univers ity ; K ey L abor ator y of A naly s is and S imulatio n of
Ear th Sur f ace Pr ocesses , Ministr y of E ducation, Beij ing 100871, China)
Abstract:L and chang e research, as one o f im po rtant com ponents of Global L and P ro ject (GL P ) , has g radually ev olv ed into a new research field named L and Change Science (L CS) . L and chang e has a far r eaching influence o n ter restrial eco systems. A se r ies of r esear ches on ecolo g ical effects o f land change at g lo bal and r eg io nal scale have been made. In this paper, the research met ho ds and technical appr oaches o n eco log ical effects of land chang e are summarized. T he eco lo gical effect s o f land chang e on atmospher e, hydro log y, soil, bio diversity and integr ated env ir onmental effects ar e included. T he r esults sho w that, simulat ion and influence assessment, which are based o n o bserv atio n, inv est igat ion and experiment, a re the main research metho ds; w ith the help o f multi tempor al and spatial sca le models, effects of land chang e on sing le element such as atmo sphere and hy dr olog y ar e deeply studied, w hile studies on integ rated env iro nmental effects ar e relat ively deficient; establishing multi element coupled and multi scale integ rated models and quantitative eva luation index system ar e the main develop dir ection in t he futur e. T he prob lems ex isted and prospective o f research metho ds in this study area are discussed at last. Key words:land chang e; ecolog ical effects; r esear ch methods
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Evaluation on Intensive Utilization Potential of Rural Residential Land in Shijiazhuang
L IU Q iao -qin 1, L IA N Ji-ting 1, HU A N G Y an-mei 1, L I Zi-jun 2, G U O A i-qing 1
(1. Shij iaz huang Univ ers ity of Economics , Shij iaz huang 050031;
2. College of Pop ulation, Res our ces and Envir onment, Shandong N or mal Univ er sity , J inan 250014, China)
Abstract:Ov erg ro wth of rural residential land has become a serio us r est riction to sustainable land use, economic and so cial de v elo pment in recent y ea rs in Shijiazhuang. T herefor e, intensive use o f r ural r esidential land is im perat ive. Based on the definition of intensive ut ilization potential ev aluatio n and t he intensiv e utilizatio n divisio n of rur al residential land, the index system and the model of intensive use po tential evaluation w ere established. T he empirica l research o f potential ev aluatio n w as carr ied out based on rural resident ial land o f county in shijiazhuang. T he intensive ut ilization potential o f r ur al resident ial land w as divided into three g rades accor ding t o co mpr ehensive score, and the cor respo nding g rades w ere g r eat potential, potential, small po tent ial. T he effective appr oaches o f rural resident ial land intensive utilizat ion w ere proposed based o n the abov e research. Key words:rural residential land; intensive utilizatio n potentia l; intensiv e utilizatio n level; intensive utilization division