三峽庫(kù)區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化研究進(jìn)展

陳雅如, 肖文發(fā),*

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三峽庫(kù)區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化研究進(jìn)展

陳雅如1,2, 肖文發(fā)1,2,*

1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所, 北京 100091 2. 國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091

三峽工程是人類(lèi)對(duì)地球表面的一次重大改造, 形成了三峽庫(kù)區(qū)這一特殊區(qū)域, 探討三峽庫(kù)區(qū)的土地利用與生態(tài)環(huán)境變化對(duì)維護(hù)庫(kù)區(qū)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)具有重要意義。歸納總結(jié)了1990—2016年間三峽庫(kù)區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化研究的不同發(fā)展階段, 并從土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)力、土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)(包括水土流失、非點(diǎn)源污染、土壤溫室氣體排放與重金屬污染、自然災(zāi)害頻發(fā)、生物多樣性喪失)、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)這3方面進(jìn)行研究綜述。提出今后的主要研究趨勢(shì)是走向綜合, 研究的關(guān)鍵挑戰(zhàn)為宏觀格局變化的環(huán)境效應(yīng)、微觀機(jī)理與過(guò)程研究、尺度效應(yīng)與尺度推繹以及模型構(gòu)建與模擬預(yù)測(cè)。

三峽庫(kù)區(qū); 土地利用變化; 生態(tài)環(huán)境; 進(jìn)展; 挑戰(zhàn)

1 前言

三峽工程是人類(lèi)對(duì)地球表面的一次重大改造, 形成了三峽庫(kù)區(qū)這一特殊的區(qū)域。三峽庫(kù)區(qū)指三峽大壩蓄水到175 m, 隨著水位的上升受到淹沒(méi)影響的地區(qū), 西起重慶江津, 東至湖北宜昌, 涉及區(qū)(縣)20個(gè), 總面積約5.8×104km2, 生態(tài)環(huán)境十分敏感。

三峽工程建成后, 實(shí)現(xiàn)了人工調(diào)控三峽庫(kù)區(qū)的水位漲落速度、幅度和頻率, 這與原來(lái)的天然河道的水文特征明顯不同; 再加上大量的移民活動(dòng), 如耕地開(kāi)墾、大興土木、植被破壞等, 導(dǎo)致該區(qū)域土地利用及生態(tài)環(huán)境發(fā)生了巨大變化。因此, 對(duì)三峽庫(kù)區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的研究具有必要性和特殊性, 一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。

本文在文獻(xiàn)檢索數(shù)據(jù)庫(kù)中國(guó)知網(wǎng)(中國(guó)學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫(kù)、中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù))和Web of Scie-nce(核心區(qū))中檢索了1990年1月1日到2016年09月30日間文獻(xiàn)篇名包含“三峽庫(kù)區(qū)(Three Gorges Reservoir)”和“土地利用變化(Land Use Change)”或“生態(tài)環(huán)境變化(Ecological Environment Change)”的中英文文獻(xiàn), 分析、探討了三峽庫(kù)區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化研究的發(fā)展階段、主要研究?jī)?nèi)容、存在問(wèn)題、趨勢(shì)與挑戰(zhàn)。

2 三峽庫(kù)區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化研究的發(fā)展階段

三峽水庫(kù)工程建設(shè)作為特殊的人類(lèi)活動(dòng), 通過(guò)大壩修建、水庫(kù)淹沒(méi)、移民遷建及其配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方式, 改變了該區(qū)域的土地利用態(tài)勢(shì), 重構(gòu)了景觀格局框架, 使三峽庫(kù)區(qū)的土地利用/覆被變化(Land Use Cover Change, LUCC)和生態(tài)環(huán)境受到巨大影響[1]。根據(jù)LUCC的四個(gè)核心研究?jī)?nèi)容, 即LUCC狀況、LUCC驅(qū)動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)機(jī)制、LUCC環(huán)境效應(yīng)與作用機(jī)制、LUCC模型模擬與預(yù)測(cè)[2], 三峽庫(kù)區(qū)LUCC研究中四個(gè)核心內(nèi)容的文獻(xiàn)數(shù)量分別為41%、7%、36%和16%。

隨著三峽大壩水利工程的實(shí)施進(jìn)展, 1990~2016年間每年發(fā)表的三峽庫(kù)區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的文獻(xiàn)數(shù)量呈波動(dòng)遞增的總趨勢(shì), 基于三峽工程實(shí)施過(guò)程中的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn), 三峽庫(kù)區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的研究可分為3個(gè)階段(圖1): 1)1990—2000年為探索階段, 早在1990年三峽大壩工程的論證階段, 南京土壤研究所的徐琪、陳鴻昭、曾志遠(yuǎn)[3]基于三峽庫(kù)區(qū)土地資源利用現(xiàn)狀試論緩解人地矛盾的出路。1994年三峽工程正式開(kāi)工到1997年長(zhǎng)江三峽工程完成大江截流和一期移民工程, 三峽工程第一階段建設(shè)完成, 這期間發(fā)表的文獻(xiàn)較少, 每年1—2篇。2)2000—2005年為起步階段, 2003年水庫(kù)開(kāi)始正式蓄水及二期移民的結(jié)束, 三峽工程第二階段建設(shè)完工。這期間, 國(guó)內(nèi)、外各領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者對(duì)三峽庫(kù)區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化研究的關(guān)注逐年加強(qiáng), 年均發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量每年約5—8篇。3)2005—2016為快速發(fā)展階段, 2010年三峽水庫(kù)正式蓄水到175 m方案標(biāo)志著三峽工程全面竣工, 之后三峽工程進(jìn)入了全面運(yùn)行的階段, 專(zhuān)家學(xué)者們對(duì)三峽庫(kù)區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的研究范圍越來(lái)越廣, 研究熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向三峽庫(kù)區(qū)因土地利用變化而產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究, 每年發(fā)表的研究文獻(xiàn)約15篇左右, 在2010年達(dá)到最高25篇。

目前針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的外文研究文獻(xiàn)數(shù)量還不多, 發(fā)表的文獻(xiàn)從2008年開(kāi)始, 基本保持在每年3—4篇, 且多為國(guó)內(nèi)學(xué)者所著, 相對(duì)來(lái)說(shuō), 目前在國(guó)際上具有較大影響力的研究文獻(xiàn)還相對(duì)較少。

圖1 三峽庫(kù)區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化研究文獻(xiàn)(1990—2016年)

3 三峽庫(kù)區(qū)土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)力

目前, 三峽庫(kù)區(qū)土地利用變化的研究以庫(kù)區(qū)尺度[4-7]和縣域尺度[8,9]為主。研究數(shù)據(jù)源從傳統(tǒng)的實(shí)地勘察、地形圖等基本圖件發(fā)展到以美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat MMS、TM影像為主的遙感數(shù)據(jù), 分辨率也從單一分辨率轉(zhuǎn)變?yōu)楦叻直媛蔥10], 特別是歸一化植被指數(shù)NDVI在植被覆被變化研究中的引用[11,12]。

通過(guò)對(duì)不同時(shí)期, 特別是三峽大壩建設(shè)前和建設(shè)后, 庫(kù)區(qū)不同土地利用類(lèi)型的面積、土地使用率、景觀格局指數(shù)等的研究, 揭示了三峽庫(kù)區(qū)土地利用變化過(guò)程及規(guī)律: 總體來(lái)看, 以2005年為分界點(diǎn)。2005年前, 三峽庫(kù)區(qū)土地利用變化的研究主要關(guān)注土地利用的數(shù)量、結(jié)構(gòu)變化, 如范月嬌和江曉波[4]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)1986—2000年土地利用變化進(jìn)行的分析表明, 15年來(lái), 庫(kù)區(qū)耕地一直呈減少趨勢(shì), 建設(shè)用地不斷擴(kuò)展, 林地出現(xiàn)了先增后減的態(tài)勢(shì), 草地則先減后增。2005年后, 庫(kù)區(qū)土地利用變化的研究向時(shí)空變化特征逐漸加強(qiáng), 并開(kāi)始運(yùn)用土地利用綜合程度、面積變化率、動(dòng)態(tài)度等指數(shù)和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣模型對(duì)土地利用變化進(jìn)行定量分析。孫曉霞等[5]研究表明三峽庫(kù)區(qū)1977—2005年間耕地、林地、草地向建筑用地與水域的轉(zhuǎn)變, 其中, 變化幅度與速度最大的為建設(shè)用地, 其次為水域; 綜合動(dòng)態(tài)度最大的時(shí)期是1995—2005年。隨著景觀生態(tài)學(xué)的興起, 庫(kù)區(qū)土地利用變化的研究逐漸向景觀空間格局深入[13,14], 彭麗[15]研究表明庫(kù)區(qū)林地平均斑塊面積增加, 斑塊數(shù)減少, 斑塊形狀簡(jiǎn)化, 林地破碎化程度減緩; 而耕地則與之相反; 庫(kù)區(qū)整體景觀結(jié)構(gòu)更復(fù)雜, 景觀類(lèi)型更多元, 各景觀類(lèi)型彼此鄰近, 呈鑲嵌分布格局。盡管景觀格局指數(shù)還存在爭(zhēng)議, 但總體來(lái)看, 庫(kù)區(qū)森林景觀破碎化程度正逐年降低, 生態(tài)系統(tǒng)空間布局結(jié)構(gòu)有所改善。

土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的驅(qū)動(dòng)力主要分為自然和社會(huì)兩個(gè)系統(tǒng), 其中, 氣候、土壤、水分等是自然系統(tǒng)中主要的驅(qū)動(dòng)力類(lèi)型, 而經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)及政策等是社會(huì)系統(tǒng)中的主要驅(qū)動(dòng)力類(lèi)型[2]。

對(duì)近30年來(lái)三峽庫(kù)區(qū)的氣溫、降水、日照、風(fēng)速、相對(duì)濕度、蒸發(fā)量變化分析結(jié)果表明, 氣候?qū)θ龒{庫(kù)區(qū)LUCC的影響不大[16]。三峽地區(qū)的自然背景, 雖然不是庫(kù)區(qū)LUCC的直接驅(qū)動(dòng)因子, 但卻在多方面制約和限制區(qū)域內(nèi)人類(lèi)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng), 如庫(kù)區(qū)地形地貌以山地、丘陵為主, 因而坡度、高程等條件限制了土地利用數(shù)量、結(jié)構(gòu)、方式和強(qiáng)度等[17]。

與氣候、土壤和地形等自然要素相比, 區(qū)域政策、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)等人為因素起到了主導(dǎo)作用[18-20]。人口不斷增長(zhǎng)一直是三峽庫(kù)區(qū)可持續(xù)發(fā)展過(guò)程中面臨的主要壓力, 人口增加導(dǎo)致糧食需求劇增, 砍伐森林、開(kāi)墾荒地以擴(kuò)大耕地面積, 同時(shí), 庫(kù)區(qū)移民搬遷、新城鎮(zhèn)建設(shè), 使得城鎮(zhèn)用地、居民點(diǎn)用地迅速增加。經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展的初期多是以生態(tài)環(huán)境惡化為代價(jià)的, 解放初期至20世紀(jì)80年代, 為了發(fā)展經(jīng)濟(jì)、提高糧食產(chǎn)量而進(jìn)行了大面積毀林毀草開(kāi)荒; 而后, 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 耕作技術(shù)的提高, 工廠、高樓拔地而起, 大量的優(yōu)質(zhì)耕地又被占用為建設(shè)用地。三峽庫(kù)區(qū)LUCC與國(guó)家重大宏觀政策密切相關(guān), 如1988年, 國(guó)家相繼實(shí)施了“長(zhǎng)江上游水源涵養(yǎng)林工程”和“長(zhǎng)江上游天然林保護(hù)工程”, 林地和草地面積銳減的現(xiàn)象得到了控制, 并且有了恢復(fù)性的增長(zhǎng)。

4 三峽庫(kù)區(qū)土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

三峽庫(kù)區(qū)處于我國(guó)人口眾多、耕地資源緊缺, 生態(tài)環(huán)境已經(jīng)遭受?chē)?yán)重破壞的貧困地區(qū)。在這個(gè)地區(qū)建設(shè)三峽大壩, 庫(kù)區(qū)淹沒(méi)范圍之廣、移民數(shù)量之多、遷建任務(wù)之重, 古今中外均無(wú)先例[3]。因此, 如何緩解三峽庫(kù)區(qū)的人地矛盾成為了學(xué)者們首先關(guān)注的問(wèn)題, 對(duì)庫(kù)區(qū)的土地資源利用現(xiàn)狀、土地承載力、土地資源可持續(xù)利用等進(jìn)行探索研究。土地利用變化與生態(tài)環(huán)境密切相關(guān), 由于土地利用變化對(duì)土壤、水文、氣候、生物量及生物多樣性等生態(tài)因子產(chǎn)生重大的影響, 從而引起生態(tài)環(huán)境變化。

長(zhǎng)期以來(lái), 三峽庫(kù)區(qū)水土流失、非點(diǎn)源污染、土壤環(huán)境惡化、自然災(zāi)害頻發(fā)、生物多樣性喪失是土地利用變化驅(qū)動(dòng)下的核心生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。多數(shù)研究都是基于遙感數(shù)據(jù)(Landsat TM、MODIS、SPOT等)運(yùn)用定量模型, 如RUSLE模型、SWAT模型、AnnAGNPS模型等, 對(duì)不同尺度下由于土地利用/覆被變化而引起的水土流失、非點(diǎn)源污染的時(shí)空特征、動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究[21,22]。

4.1 水土流失

三峽庫(kù)區(qū)是我國(guó)水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一, 三峽庫(kù)區(qū)68.57%的區(qū)域?yàn)槲⒍惹治g或輕度侵蝕, 年均土壤侵蝕量為1.94×108t·a-1, 平均土壤侵蝕模數(shù)為2.74×103t·(km2·a)-1。雖然庫(kù)區(qū)平均土壤侵蝕為中度侵蝕, 強(qiáng)度以上侵蝕面積僅占庫(kù)區(qū)的14.43%, 但是侵蝕量卻占總侵蝕量的58.67%, 主要分布在庫(kù)區(qū)的東部, 是預(yù)防和加強(qiáng)水土流失治理的重點(diǎn)區(qū)域[23]。

土地利用方式的轉(zhuǎn)變與水土流失的強(qiáng)弱密切相關(guān), 合理的土地利用方式是三峽庫(kù)區(qū)水土保持的重要基礎(chǔ), 不同土地利用類(lèi)型對(duì)土壤侵蝕的影響不同, 通過(guò)137Cs示蹤法對(duì)三峽庫(kù)區(qū)土壤侵蝕速率進(jìn)行的初步研究表明, 不同土地利用類(lèi)型中, 土壤侵蝕強(qiáng)度的大小順序?yàn)? 耕地>園地>草地>荒地>林地, 其中耕地為中度侵蝕, 園地、草地和荒地為輕度侵蝕, 林地為微度侵蝕[24]。另外, 研究還發(fā)現(xiàn)三峽庫(kù)區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度與地形(坡長(zhǎng)、坡度)、氣候(暴雨)、植被覆蓋等環(huán)境因素密切相關(guān)[25-27]。在此研究基礎(chǔ)上, 旨在改善三峽庫(kù)區(qū)水土流失的土地利用模式相繼提出, 從生物活籬笆復(fù)合農(nóng)林經(jīng)營(yíng)技術(shù)[28]到更加系統(tǒng)的庫(kù)岸復(fù)合立體農(nóng)業(yè)、有限順坡耕作、水旱耕地交錯(cuò)布局三種典型土地利用模式[29]。隨著各種林業(yè)生態(tài)工程的開(kāi)展, 三峽庫(kù)區(qū)水土流失狀況有所好轉(zhuǎn), 但土壤侵蝕仍處于中度侵蝕, 且存在空間不確定性。

4.2 非點(diǎn)源污染

三峽水庫(kù)自2003年蓄水后, 庫(kù)區(qū)水質(zhì)下降、水生態(tài)惡化、水體富營(yíng)養(yǎng)化, 這是由于原來(lái)天然河道的水文特征、地址條件、水環(huán)境容量改變后, 庫(kù)區(qū)的水體自凈能力、納污容量隨之改變[30]。通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè), 三峽庫(kù)區(qū)水污染物排放量穩(wěn)中有升, 總體水質(zhì)保持在III類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

大量研究[31-34]表明, 非點(diǎn)源污染對(duì)三峽庫(kù)區(qū)水環(huán)境污染起到主導(dǎo)作用。小流域不同土地利用類(lèi)型對(duì)非點(diǎn)源污染物負(fù)荷量有明顯差異, 表現(xiàn)為旱地總氮(TN)和總磷(TP)負(fù)荷量最大, 且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他土地利用類(lèi)型, 其次是水田, 最后是林地、草地和建設(shè)用地[35,36]?；赟WAT模型以及三峽庫(kù)區(qū)流域2002—2008年的水文、水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 對(duì)不同土地利用情景的非點(diǎn)源影響進(jìn)行模擬, 結(jié)果表明通過(guò)退耕還林措施將25°、15°、6°以上的耕地轉(zhuǎn)化為林地可達(dá)到較好的非點(diǎn)源污染消減效果, 因此應(yīng)嚴(yán)格控制自然植被退化, 并且有計(jì)劃性、針對(duì)性地?cái)U(kuò)展林地范圍[37]。

4.3 土壤溫室氣體排放與重金屬污染

土壤環(huán)境及質(zhì)量受到土地利用變化的巨大影響, 土地利用方式對(duì)土壤環(huán)境的影響一直是學(xué)者們的研究重點(diǎn), 包括土壤結(jié)構(gòu)[38,39]、土壤質(zhì)量[40-43]、土壤肥力[44-46]、土壤溫室氣體排放、土壤重金屬污染等。研究的深度也從表層結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)的分析過(guò)渡到引起變化的內(nèi)在機(jī)制, 如土壤微生物, 養(yǎng)分遷移循環(huán)、能量流動(dòng)等。

近年來(lái), 由于全球氣候變暖的加劇, 對(duì)土壤溫室氣體的排放得到學(xué)者們的關(guān)注。二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是溫室氣體的主要成分, 研究土壤呼吸[47]、土壤溫室氣體的產(chǎn)生、氧化機(jī)制及其影響因素, 尋求減排增匯的對(duì)策, 對(duì)減緩溫室效應(yīng)具有重大意義。通過(guò)測(cè)定三峽庫(kù)區(qū)蘭陵溪小流域針葉林、闊葉林、針闊混交林的土壤總呼吸、根系呼吸、地上凋落物分解及土壤有機(jī)質(zhì)分解的呼吸速率, 發(fā)現(xiàn)三種森林類(lèi)型的土壤總呼吸及組分的呼吸速率均呈現(xiàn)出夏秋季最高、冬季最低的季節(jié)變化, 且對(duì)土壤總呼吸年貢獻(xiàn)率是土壤有機(jī)質(zhì)分解＞根系呼吸＞地上凋落物分解[48]。而不同土地利用方式的土壤N2O、CH4排放通量不同[49-51], N2O年均排放總量為菜地>果園>旱地>水改旱>林地[52], CH4年均排放總量為菜地＞旱地＞水改旱＞果園＞林地[53]。消落帶的溫室氣體排放量高于非消落區(qū), 而消落區(qū)耕地上作物種類(lèi)、耕作措施(是否施肥、施肥量)直接影響溫室氣體排放量[54]。

由于三峽水庫(kù)特殊的水位調(diào)節(jié), 使該地區(qū)成為典型的重金屬敏感生態(tài)系統(tǒng)。三峽庫(kù)區(qū)蓄水前, 土壤重金屬污染物主要為砷(As)和鎘(Cd), 主要由生活污水和工業(yè)廢水產(chǎn)生; 而三峽庫(kù)區(qū)開(kāi)始蓄水后, 土壤主要污染物轉(zhuǎn)變?yōu)楣?Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb), 污染方式也轉(zhuǎn)變?yōu)榻煌ㄅ欧藕凸I(yè)污水排放[55]。通過(guò)研究庫(kù)區(qū)小流域內(nèi)不同土地利用類(lèi)型(旱地、田地、林地和居民點(diǎn))土壤汞(Hg)的含量及其分布特征, 并分析汞污染程度和進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià), 結(jié)果表明流域內(nèi)土壤Hg含量均值為(34.23±16.23) μg·kg-1, 不同土地類(lèi)型表層土壤Hg含量為林地＞田地＞居民點(diǎn)＞旱地[56]。

4.4 自然災(zāi)害頻發(fā)

三峽庫(kù)區(qū)地形以山地、丘陵臺(tái)地為主, 地基巖層破碎、承載力弱, 適宜城鎮(zhèn)建設(shè)的土地有限; 又加上由于庫(kù)區(qū)蓄水影響了眾多城鎮(zhèn), 大批移民不得不后靠尋求新的土地進(jìn)行城鎮(zhèn)建設(shè), 人地矛盾顯著, 自然災(zāi)害頻發(fā), 伏旱、崩塌、滑坡、泥石流、洪澇、水土流失等屢見(jiàn)不鮮。

研究表明[57,58], 土地利用格局對(duì)災(zāi)害的誘發(fā)有至關(guān)重要的作用, 城鎮(zhèn)用地是影響滑坡的最重要的土地利用類(lèi)型, 主要包括建設(shè)過(guò)程中的開(kāi)挖、堆填和坡面加載[59]。通過(guò)模擬不同土地利用格局對(duì)洪水過(guò)程的影響得到集中分布在流域上游的林地對(duì)削減洪峰有較明顯的作用, 流域內(nèi)隨機(jī)分布的林地則對(duì)減少地表徑流作用明顯; 林地覆蓋率越大對(duì)削減洪峰的作用越明顯; 當(dāng)林地覆蓋率一定時(shí), 搭配灌木林削減洪峰效果更明顯[60]。隨著三峽大壩的建設(shè), 百萬(wàn)移遷址重建家園, 建設(shè)用地激增, 林地面積先增后減, 導(dǎo)致自然災(zāi)害頻發(fā)。隨著新城鎮(zhèn)建設(shè)完工以及大量生態(tài)工程落地, 自然災(zāi)害在一定程度上會(huì)得到緩解。

4.5 生物多樣性喪失

對(duì)生物多樣性的研究和保護(hù)已經(jīng)成為社會(huì)各界普遍重視的一個(gè)問(wèn)題, 三峽大壩蓄水后, 庫(kù)區(qū)土地利用方式和生態(tài)環(huán)境發(fā)生根本改變, 動(dòng)植物生境遭受不同程度干擾和破壞[61,62], 日益破碎化, 生物多樣性受到強(qiáng)烈影響。庫(kù)區(qū)陸生生物和水生生物的生存環(huán)境發(fā)生根本變化, 物種種類(lèi)、數(shù)量、豐富度、均勻度、多樣性, 群落水平及垂直結(jié)構(gòu)等均與蓄水前明顯不同。

目前, 三峽庫(kù)區(qū)生物多樣性的研究與其他領(lǐng)域相比還相對(duì)較少。通過(guò)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)消落帶植被組成和多樣性影響的研究表明, 造林地消落帶植被的物種數(shù)量、平均高度和生物量顯著高于農(nóng)業(yè)種植, 主要由農(nóng)業(yè)種植的人工干擾(除草)和造林對(duì)消落帶微生境(光照、溫度、濕度等)的改變有關(guān)[63]。

5 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

對(duì)三峽庫(kù)區(qū)土地利用變化引起的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)是近十年來(lái)的研究熱點(diǎn), 包括生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、生態(tài)安全、生態(tài)系統(tǒng)敏感性和脆弱性、生態(tài)系統(tǒng)健康等。目前, 主要是通過(guò)選取水熱條件、地形地貌、土壤侵蝕、土地利用等生態(tài)因子建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 運(yùn)用綜合評(píng)價(jià)方法或建立模型, 如層次分析法(Analytic Hierarchy Process)、模糊綜合法(Fuzzy Comprehe-nsive Evaluation)、PSR模型、RRM模型等對(duì)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)研究[64-67]。通過(guò)運(yùn)用層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法, 分別對(duì)三峽庫(kù)區(qū)2000年和2007年的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)[65], 結(jié)果表明: 庫(kù)區(qū)局地氣候、水土流失、陸地生物多樣性、水文和水質(zhì)有所惡化, 但總體生態(tài)環(huán)境有恢復(fù)趨勢(shì)。

三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)服務(wù)功能變化近年來(lái)也受到眾多學(xué)者的關(guān)注。土地利用變化對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的影響的研究較少, 多為縣域、小流域尺度或部分功能類(lèi)型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)估。在分析了2000—2014年三峽庫(kù)區(qū)土地利用變化的基礎(chǔ)上, 計(jì)算了由此導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化, 結(jié)果表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值減少了0.63億元[68]。通過(guò)對(duì)1986—2010年三峽庫(kù)區(qū)(重慶段)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化進(jìn)行的研究表明, 近25年來(lái), 該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈先降后增的V字型趨勢(shì), 2000年前持續(xù)下降, 2000年后又大幅增加, 不同土地利用類(lèi)型種, 林地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值最高[69]。目前, 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化規(guī)律尚不明確, 對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的支撐、調(diào)節(jié)功能研究較多, 但對(duì)供給、文化服務(wù)還鮮有涉及。

6 展望與挑戰(zhàn)

目前, 三峽庫(kù)區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的研究領(lǐng)域多、范圍廣, 大到整個(gè)庫(kù)區(qū), 小到庫(kù)區(qū)小流域, 內(nèi)容涉及庫(kù)區(qū)環(huán)境變化規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)力、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)變化(包括水土流失、非點(diǎn)源污染、土壤溫室氣體排放與土壤重金屬污染、自然災(zāi)害頻發(fā)、生物多樣性喪失等熱點(diǎn))、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)及生態(tài)服務(wù)功能變化等不同方面。但這些研究仍有不足、需待改善之處, 總的來(lái)看, 今后土地利用與生態(tài)環(huán)境變化研究的主要趨勢(shì)是走向綜合, 即多學(xué)科理論與方法的綜合、宏觀與微觀的綜合、多尺度的綜合, 面臨的挑戰(zhàn)可概括為:

6.1 宏觀格局變化的環(huán)境效應(yīng)

隨著對(duì)三峽庫(kù)區(qū)土地利用基礎(chǔ)研究的累積, 對(duì)土地利用變化特征、驅(qū)動(dòng)因子等研究的日益豐富, 該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)已逐漸轉(zhuǎn)移到環(huán)境效應(yīng)研究, 包括生態(tài)環(huán)境因子、庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)、生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)(生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及生態(tài)系統(tǒng)健康)等。目前, 對(duì)于庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境因子的現(xiàn)狀特征、變化過(guò)程及引起的生態(tài)效應(yīng)的研究趨于成熟, 而對(duì)于不同生態(tài)環(huán)境因子之間相互作用的探討相對(duì)較少, 庫(kù)區(qū)土壤環(huán)境、水環(huán)境、氣候環(huán)境以及生物多樣性等因素如何進(jìn)行相互作用、相互影響值得探討。另一方面, 對(duì)庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能以及生態(tài)系統(tǒng)健康診斷與調(diào)控等宏觀性、綜合性強(qiáng)的研究工作, 尚缺乏統(tǒng)一的指標(biāo)衡量體系, 不同領(lǐng)域的學(xué)者提出了基于各自研究目的的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 研究側(cè)重點(diǎn)和關(guān)注點(diǎn)不同, 對(duì)庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的理解則不同, 從而導(dǎo)致指標(biāo)選擇和權(quán)重分配的差別, 因此得到的研究結(jié)果難以進(jìn)行橫向比較, 在今后的研究中, 有必要建立一套普遍適用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

6.2 微觀機(jī)理與過(guò)程研究

土地利用格局變化的環(huán)境效應(yīng)研究是土地利用變化所引起的結(jié)果, 而引發(fā)這種結(jié)果的作用機(jī)理及其過(guò)程則是另一個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題。土地利用與生態(tài)環(huán)境變化微觀機(jī)理與過(guò)程研究, 主要是研究土地利用變化如何通過(guò)影響土壤、水文、氣候和生物來(lái)作用于整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、過(guò)程和功能, 研究這其中的作用機(jī)理, 即回答“為什么”和“怎么樣”的問(wèn)題, 目前這方面的研究還較少, 是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。并且, 當(dāng)前對(duì)機(jī)理和過(guò)程的研究主要針對(duì)某一環(huán)境因子變化而展開(kāi), 如土壤侵蝕、非點(diǎn)源污染、植被退化和生物多樣性喪失等, 但隨著研究工作的深入, 開(kāi)展綜合性的研究也勢(shì)必是未來(lái)的趨勢(shì)及挑戰(zhàn)。

6.3 尺度效應(yīng)與尺度推繹

尺度效應(yīng)是景觀結(jié)構(gòu)、功能和過(guò)程的基本特征, 包括景觀粒度和幅度兩方面。尺度大小的衡量通常用空間分辨率和時(shí)間單位來(lái)表示, 小尺度表示較小的研究面積或較短的時(shí)間間隔, 大尺度則表示較大的研究面積或較長(zhǎng)的時(shí)間間隔。目前, 三峽庫(kù)區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的相關(guān)研究已經(jīng)涵蓋了流域尺度、庫(kù)區(qū)尺度、區(qū)段尺度、縣域尺度、小流域尺度、林分尺度和群落結(jié)構(gòu)尺度[70]。尺度推繹是通過(guò)建立合理的理論模型, 將已知的某個(gè)尺度下的相關(guān)研究成果, 通過(guò)“尺度放大”或“從下到上”推演得到另一尺度的狀況。目前, 空間尺度耦合推繹的途徑和方法還不確定, 雖然難度很大, 但卻是未來(lái)研究的趨勢(shì), 因此成為了研究的另一個(gè)挑戰(zhàn)。

6.4 模型構(gòu)建與模擬預(yù)測(cè)

通過(guò)建立模型對(duì)土地利用變化過(guò)程及其驅(qū)動(dòng)力等進(jìn)行科學(xué)解釋, 以期預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)土地利用變化趨勢(shì), 為可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)資料和理論依據(jù)。目前, 三峽庫(kù)區(qū)土地利用變化的模型研究還較薄弱, 在土地利用動(dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè)中, 馬爾科夫預(yù)測(cè)模型的運(yùn)用較多[71]。董立新等[72]運(yùn)用面向?qū)ο蟮姆椒?、在SLEUTH模型本地化基礎(chǔ)上, 分析了工程前期(1992年)與中期(2002年)農(nóng)林用地的變化特征, 并模擬預(yù)測(cè)了重慶地區(qū)未來(lái)城市擴(kuò)張及土地利用變化過(guò)程, 模擬顯示, 在未來(lái)十幾年, 該區(qū)將有一個(gè)緩慢的城市擴(kuò)張過(guò)程, 耕地與林地將同時(shí)減少。

對(duì)三峽庫(kù)區(qū)而言, 由于數(shù)據(jù)數(shù)量和質(zhì)量問(wèn)題以及對(duì)動(dòng)力機(jī)制的認(rèn)識(shí)尚不明朗, 使得構(gòu)建模擬土地利用變化并預(yù)測(cè)變化趨勢(shì)的模型面臨重大挑戰(zhàn), 需要付出長(zhǎng)期的努力。而未來(lái)幾年的研究, 重點(diǎn)應(yīng)放在結(jié)合庫(kù)區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)工程建設(shè)、城市擴(kuò)展、道路網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展對(duì)庫(kù)區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的驅(qū)動(dòng), 并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行土地利用與景觀格局的模擬, 以期實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和有效調(diào)控。

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Research progress on land use and ecological environment change in the Three Gorges Reservoir Area

CHEN Yaru1,2, XIAO Wenfa1, 2,*

1. Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China 2.Key Laboratory of Forest Ecology and Environment, State Forestry Administration, Beijing 100091, China

The Three Gorges project is a giant human renovation on the earth's surface, forming a special area named the Three Gorges Reservoir Area (TGRA). Studying changes of land use and ecological environment in the TGRA is of great significance to maintain the ecological, economic and social sustainable development of this area. The research progress on land use and ecological environment changes in the TGRA from 1990 to 2016 was summarized and concluded in three aspects: land use change and its driving force, ecological environment effects including water loss and soil erosion, non-point source pollution, greenhouse gas emission and heavy metal pollution in soil, frequent natural disasters, loss of biodiversity, ecological environment assessment and ecosystem service. The future research trend will be integration and the key challenges will be macroscopical pattern change and its effects, microscopic mechanism and process, scale effects and scaling, model simulation and prediction.

the Three Gorges Reservoir Area; land use change; ecological environment; progress; challenge

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.06.029

X11

A

1008-8873(2017)06-213-09

2016-09-09;

2016-12-04

國(guó)家公益性行業(yè)(氣象)科研專(zhuān)項(xiàng): 氣候和土地利用變化對(duì)森林的影響及適應(yīng)對(duì)策(GYHY201406035)

陳雅如(1984—), 女, 福建泉州人, 博士, 工程師, 主要從事土地利用及生態(tài)效應(yīng), 森林景觀恢復(fù)等研究, E-mail: chenyaru09@126.com

肖文發(fā), 男, 博士, 研究員, 主要從事森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究, E-mail: xiaowenf@caf.ac.cn