干旱區(qū)土地利用/覆被變化（LUCC）的生態(tài)水文效應研究進展

張飛　周梅　阿爾達克·克里木

摘 要：土地利用/覆被變化（LUCC）的生態(tài)水文效應是當前全球變化研究中的熱點問題之一。其中LUCC對水文的影響主要表現(xiàn)在對水量和水質(zhì)兩個方面，對生態(tài)的影響主要是通過降低生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值、使景觀破碎化等途徑。本文以生態(tài)水文學為指導思想，綜述了LUCC與生態(tài)過程和水文過程的研究現(xiàn)狀與進展，認為關于這方面的研究仍缺乏統(tǒng)一的指標體系，研究不夠系統(tǒng)全面，不夠深入，未來發(fā)展應當結合高新技術完善模型和指標體系的構建。

關鍵詞：干旱區(qū)；土地利用/覆被變化；生態(tài)水文效應

中圖分類號：P343 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.11.017

目前，人類面臨的許多環(huán)境問題都與土地利用及土地覆被變化（LUCC）有關。隨著社會的快速發(fā)展，土地利用格局與土地覆被從流域到全球的多種尺度上都發(fā)生了顯著變化，并由此不斷改變著地球表面的生物、能量和水分等多種過程[1-2]。而生態(tài)水文學作為水文過程與生態(tài)過程耦合研究的一門學科， 已成為水文學科最為活躍的前沿領域，為恢復和建立健康生態(tài)水文環(huán)境提供理論依據(jù)[3]。圖1表明了生態(tài)水文學在可持續(xù)管理中的重要性。探討LUCC與生態(tài)系統(tǒng)和水文過程耦合關系及水文機理是當今水科學的前沿問題。在流域尺度上，LUCC對生態(tài)水文過程影響的結果，就是直接導致水資源空間和時間分布格局發(fā)生變化，從而對流域生態(tài)、環(huán)境以及經(jīng)濟發(fā)展等多方面產(chǎn)生深刻影響，因此，對LUCC如何驅(qū)動流域水循環(huán)過程的認識和掌握，就成為廣泛涉及流域水資源規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護以及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的核心問題。在中國，特別是在西北干旱內(nèi)陸河地區(qū)，LUCC所引起的生態(tài)水文效應問題，顯著影響流域生態(tài)環(huán)境以及流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和服務功能，嚴重制約了社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

過去100年來，土地利用/覆被以前所未有的速度在全球、國家、區(qū)域和流域等尺度上發(fā)生了顯著變化，改變了水資源的空間配置和循環(huán)過程[5-7]。以生態(tài)和水問題為主線，研究LUCC對區(qū)域生態(tài)及水資源的影響已成為目前研究的重要研究方向[8]。西部干旱區(qū)農(nóng)業(yè)自然資源、能源和礦產(chǎn)資源極為豐富，是中國21世紀重要的資源接替區(qū)，而新疆作為國家西部重要的生態(tài)屏障，其塔里木河流域周邊地區(qū)又是新疆特別是南疆的生態(tài)屏障。其典型的干旱荒漠綠洲生態(tài)環(huán)境十分脆弱，且難以恢復，環(huán)境承載能力十分有限，土地利用誘發(fā)的土地荒漠化、土地鹽漬化、水質(zhì)惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴重，直接影響到我國西部以資源基地建設為中心的經(jīng)濟發(fā)展格局。人類對自然資源，特別是水資源的不合理利用，加劇了脆弱生態(tài)環(huán)境的演變過程，影響了干旱區(qū)的生態(tài)安全。章光新[9]指出：在實踐應用方面，應該首先在我國干旱、半干旱地區(qū)和鹽漬土區(qū)開展生態(tài)水文學的研究，因為那里的水循環(huán)和生態(tài)環(huán)境都比較脆弱。故本研究以生態(tài)水文學為指導思想，綜述了LUCC與生態(tài)過程和水文過程的相互作用關系，以進一步加深對干旱區(qū)LUCC生態(tài)過程與水文過程相互作用內(nèi)在機制的認知，為其保護恢復和后續(xù)研究提供依據(jù)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在廣泛關注的全球變化研究中，水文過程—生態(tài)過程耦合研究成為水文科學最為活躍的領域。正是由于水文循環(huán)是聯(lián)系地球系統(tǒng)的紐帶，使得水文循環(huán)過程的變化成為相關生態(tài)環(huán)境變化交叉研究的核心[10]。20世紀90年代以來，LUCC問題引起國際組織和世界各國普遍關注。隨著全球范圍內(nèi)國際地圈—生物圈計劃（IGBP）和土地利用/覆被變化（LUCC）科學研究計劃的推行，有關流域LUCC對流域生態(tài)和水資源的影響問題的研究成為焦點，但目前國際上的研究大多注重于對全球變化的影響，尤其對氣候變化的影響，而缺乏對區(qū)域生態(tài)環(huán)境和自然地理過程的研究。國內(nèi)外研究結果反映出LUCC對流域生態(tài)以及水資源分布格局的影響在不同地帶由于其不同的地域特性和水資源特性而不同。針對干旱地區(qū)內(nèi)陸河流域水資源嚴重不足的特點，開展區(qū)域?qū)嵗芯亢筒粩嗌钊肟偨Y經(jīng)驗和理論探索，可以認識LUCC對流域生態(tài)和水資源影響的一些事實和規(guī)律，揭示土地利用變化對生態(tài)環(huán)境安全和水資源分布格局的影響。因此，在區(qū)域尺度上繼續(xù)深入揭示LUCC與生態(tài)環(huán)境、水資源之間的關系，探索由于LUCC導致的生態(tài)環(huán)境退化、水資源空間分配與循環(huán)過程的耦合機制，不僅對豐富其研究具有重要的理論意義，同時還對生態(tài)環(huán)境的保護與恢復并建立水資源的優(yōu)化利用方案具有現(xiàn)實的指導意義。國內(nèi)外已有不少學者對LUCC及其對生態(tài)與水資源的影響展開了深入研究。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

LUCC是研究自然和人文過程的理想入口，已成為全球生態(tài)環(huán)境變化研究的熱點領域[11-12]。20世紀90年代，全球變化人文領域計劃（IHDP）第一次學術會議就把LUCC 確定為六大研究方向之一，并且，國際上與全球變化有關的各個科學組織和各類科學計劃紛紛將LUCC作為研究重點。美國、日本等都分別建立了不同層次的LUCC研究項目，探討從全球氣候變化效應延生到不同時空尺度的LUCC過程、驅(qū)動機制。LUCC除了在檢測技術、驅(qū)動力、生態(tài)環(huán)境效應等不同方面取得了豐碩的研究成果外，LUCC研究在理論上也有了卓越突破[13]，2007年Turner等[14]指出土地變化科學重在全球的土地變化的觀測和監(jiān)測、人與環(huán)境耦合系統(tǒng)、土地變化的空間解釋模型以及對土地系統(tǒng)的脆弱性和可持續(xù)性進行評價。LUCC研究的近年成果主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

（1） LUCC對水文方面的影響主要表現(xiàn)在水量和水質(zhì)。土地利用特別是綠洲用水對水資源的影響突出[15]。不適合的土地利用方式往往會造成面源污染，這將會導致水質(zhì)下降，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)成為內(nèi)陸水域和沿海岸帶N、P過剩的最大來源[16-17]，此結果會導致水質(zhì)惡化、藍藻繁盛和氧氣耗竭[18]。Weatherhead[19]和David[20]分別研究了土地利用和地下水、地表水之間的相互關系。Bosch等[21]對全球94個流域試驗數(shù)據(jù)進行分析，得出林地的清除基本均使徑流量增加，而空曠地的造林一般會使徑流總量減少[22]。另外，土地利用也是導致濕地面積和生態(tài)功能變化的最重要的因素。Dimitriou等[23]對希臘Trichonis湖周圍濕地的研究表明，氣候因素對濕地變化的影響很小，而土地利用變化和水利工程建設的影響起主導作用。在生態(tài)水文效應的研究方法上，檢測、取樣與模擬試驗是獲取數(shù)據(jù)的基本途徑，Onstad等[24]于1970年最先嘗試運用水文模型預測土地利用變化對徑流的影響。由于LUCC對水量、水質(zhì)的影響研究起步早、發(fā)展快，目前的研究模型已經(jīng)十分完備和成熟，如基于GIS技術的具有物理基礎的分布式模型、基于水文響應單元（HRU）的經(jīng)驗性模型以及半分布式的地形指數(shù)模型等[25-27]。

（2）LUCC對生態(tài)的影響主要是通過降低生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值、景觀破碎化等途徑。Daily[28]認為生態(tài)系統(tǒng)服務功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成的人類賴以生存的自然環(huán)境條件，它不僅給人類提供生存必需的食物及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的原料，而且維持了人類賴以生存和發(fā)展的生命支持系統(tǒng)。Costanza等[29]首先對全球生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行了價值分析評估。Loomis等[30]運用條件價值法對恢復受損河流生態(tài)系統(tǒng)服務的經(jīng)濟價值進行了估算，Bjorklund等[31]研究了瑞典不同生產(chǎn)壓力下農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值的關聯(lián)性，Bolund 等[32]通過對城市生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行研究，指出了生態(tài)系統(tǒng)服務功能對人類生活的重要性，建議人類要合理利用土地，Kreuter等[33]以美國德克薩斯州圣安東尼奧附近面積約1.4×105 hm2的3個主要流域為例，運用遙感數(shù)據(jù)研究快速發(fā)展城市區(qū)的土地利用變化。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)學者關于LUCC對生態(tài)與水資源的影響也做了大量的研究工作[34-39]。土地利用變化在大氣環(huán)境、土壤環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、物種多樣性[40-43]等多個方面產(chǎn)生著不同程度的影響，然而對于水資源的影響顯得格外突出。土地利用變化通過影響流域的蒸發(fā)機制以及其土地覆被的類型與程度影響地表徑流的初始條件，從而對流域的水文過程產(chǎn)生直接的影響[44]。LUCC在流域范圍內(nèi)水文效應的研究方法有多種。早期的研究大都采用試驗流域的方法[45]，試驗流域研究通常在小流域進行，研究周期長，可對比性差。根據(jù)我國學者王根緒和王凌河的研究成果[46-47]，整理了目前用于生態(tài)水文過程研究的生態(tài)水文模型，結果見表1。

鄧慧平等[48]應用TOPMODEL模型對流域水量平衡進行逐日模擬，定量分析氣候波動與流域植被覆蓋變化的水文效應，并進行了不同植被覆蓋情景下地表覆被變化流域的水文響應模擬。高俊峰等[49]研究了太湖流域土地覆被變化對流域產(chǎn)水量的影響。史培軍等[50]應用SCS模型對深圳市部分流域進行了徑流過程的模擬。雖然干旱區(qū)植被覆蓋變化對水文的影響因流域面積、氣候和植被類型等因素的不同而有差異，但就流域內(nèi)不合理土地利用引起的植被減少而造成的河流沉積增加、流域蓄水能力損失、水質(zhì)下降等[51]。周海麗等[52]利用深圳多年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)以及影像的解譯數(shù)據(jù)，進行回歸和主成分分析，建立了城市化水平與城市水環(huán)境質(zhì)量變化之間的回歸模型。賈亞南等[53]的研究表明：貴州水城盆地水質(zhì)污染區(qū)分布與土地利用分布具有一致性；LUCC是本地區(qū)水質(zhì)變化的主要原因。隨著土地開發(fā)利用范圍的擴大與強度的增加，造成對水資源需求量的急劇增加，使得我國許多地方的水資源的供給都變得非常緊張。水資源短缺不僅嚴重影響居民的日常生活，還造成河水斷流等嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，增加了地表徑流量，并加劇了潛在洪水的威脅[54]。

LUCC對生態(tài)系統(tǒng)的影響主要有3個方面：（1）在生物群落水平上，LUCC造成的景觀的破碎化、土壤養(yǎng)分的改變以及物種的入侵，使得大面積的植物群落的組成發(fā)生很大的變化，同時也使得自然群落的發(fā)展演替過程受到極大的干擾[55-56]；（2）在生態(tài)系統(tǒng)水平上，土地利用方式的改變必然會對生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能產(chǎn)生極大的影響；（3）在景觀水平上，LUCC會引起景觀類型、結構及其功能發(fā)生改變[57-58]。

2 結論與展望

由于經(jīng)濟利益或政策原因的驅(qū)動，人類活動導致了土地利用方式的劇烈變化，這些土地利用變化在改變地表景觀格局的同時也改變了地表的各種地理過程。干旱區(qū)面臨著生態(tài)環(huán)境脆弱的問題，尤其是水資源短缺問題嚴重，因此，LUCC的生態(tài)水文效應研究更是決策者在土地利用規(guī)劃中應當考慮的問題。

目前，LUCC的生態(tài)水文效應研究尚處于初步探討過程中，首先，對水循環(huán)的影響研究局限于個別小區(qū)域的水文變化影響研究，未能得出普遍的規(guī)律性認識和結果；其次，對水資源效應的研究主要集中在水資源量的變化上，對于水資源分布格局影響以及LUCC與生態(tài)水文相互作用和耦合機制的研究較少，還需要開展大量的典型區(qū)域的個例分析，如在塔里木河中游渭干河-庫車河三角洲綠洲、克里雅河于田綠洲以及艾比湖流域博爾塔拉蒙古自治州等典型區(qū)域開展深入的研究。因此，本文以長時間尺度的LUCC特征和變化過程研究為切入點，圍繞LUCC導致的生態(tài)和水文效應兩條主線，從現(xiàn)狀、過去變化、未來趨勢方面，系統(tǒng)論述了區(qū)域LUCC過程及其生態(tài)和水資源的影響：考慮經(jīng)濟發(fā)展、綠洲擴張、人口增加、流域發(fā)展目標以及政策等因素，系統(tǒng)分析干旱區(qū)LUCC的生態(tài)水文效應，揭示干旱區(qū)土地利用類型時空變化規(guī)律，探討LUCC-生態(tài)過程-水文過程的相互作用及其耦合機制，提出適合干旱區(qū)流域的生態(tài)水文模型，為西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水資源保護和利用夯實發(fā)展基礎。

總之，有關LUCC對生態(tài)環(huán)境的影響，尤其是對生態(tài)水文效應的研究，將逐步得到人們的重視，在今后的研究中，應當加強LUCC對水資源影響過程、機制的模擬和研究，并結合高新技術定量地確定由此造成的對生態(tài)安全的影響，以促進LUCC生態(tài)水文效應研究的精度和深度，為決策者提供更加直接有效的依據(jù)。

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