§7.3 土地利用/土地覆被变化的环境效应研究
一、土地利用/土地覆被变化的生态环境影响
㈠对区域气候及大气质量的影响
1.对区域气候的影响
土地表面性质发生变化时引起能量的重新分配，从而影响气候的变化。
土地利用/土地覆被变化改变了地表反射率，从而影响温度和湿度的变化。增加反射率，使更多的能量返回到大气中，使对流层温度增加，大气的稳定性增强并减少对流雨。如西非的沙化。
土地利用/土地覆被变化对气候的影响还在于土地表面是温室气体和痕量气体的重要来源。
人类大规模地破坏植被，还可能引起更严重的后果，即它有可能破坏全球大气中的氧循环。人们知道，在距今2０亿年以前的原始大气中是缺乏游离氧的，只是在绿色植物出现后才产生了游离氧。而绿色植物愈发展，则通过光合作用产生的游离氧也愈益增多，并逐步达到占大气圈总容积的21％。由于绿色植物特别是森林在氧循环中起着举足轻重的作用，因此如果没有森林大量造氧，则大气中氧的循环就可能遭到破坏。
2.对大气质量的影响
土地利用/土地覆被变化可以改变大气中气体的含量和组成，从而影响大气质量。
人类活动对化学元素迁移的影响，主要表现在以下两个方面：一是大大加速了地表化学元素迁移规模。人类从地壳开采出许多矿物元素（最多的是碳，其次是钙、铁、铝、氯、硫、氮、磷等），制造许多新的物质（化肥、农药以及“三废”等），并把它们散布到地球表面，又通过种植各种农作物和经济果木等从土壤中直接取走各种元素（碳、氮、钾、钙等等）。每年随生物物质一道从土壤取走的各种矿物质有几千万吨。每公顷收获物一年从土壤中取走的基本物质约为300一700kg，其中每公顷小麦平均从土壤中取走的氮为70kg；磷为30kg；钾为50kg；钙为30kg；每公顷玉米从土壤中取走氮为90kg；磷为30kg;钾为160kg；钙为76kg。一般中等肥力的土壤，大约经过15—20年，矿物养分就会丧失殆尽。矿物质平衡最不稳定的是湿润气候和强烈风化条件下形成的灰化土和砖红壤。这类土壤在开垦之后养分丧失更快。此外，由于人类通过各种途径增强了物质的重力迁移和机械搬迁，所以更扩大了化学元素的迁移量。二是增加了元素迁移中的有害物质，如硫化物、氟、一氧化碳、二氧化碳等。这些物质比自然状态下的循环速度加快。进入人为循坏系统中的元素的迁移是非常复杂的。其中有许多元素在循环系统的各个环节中逐渐消失，主要是逸散到大气中去了。气态环境的流动性大，人为的抛出物大多扩散到广大的空间因而逐渐改变着大气的组成。监测结果表明，大气中的二氧化碳、甲烷、氟氯烃、氮氧化合物和一氧化碳等气体正在逐年增加，有的地区每年增加竟高达7%。参与大气循环的某些化学元素，又随降水落到土壤里，渗入到地表水和地下水之中，进人食物链，特别是那
些对某些有害元素（包括放射性同位素）具有选择吸收能力的有机体，大量吸收有害元素。有许多人工排出物（包括各种酸、石油产品等废液）由各自的排水道排放出来，大部分肥料和有毒化合物也进入水中，最后向低洼地方集中。所以地表的积水洼地（包括湖泊、沼泽、水库等）往往成为这类物质的天然聚集地。
㈡对土壤的影响
1.对有关土壤生态过程的影响
⑴能量交换。
⑵水交换。土地利用/土地覆被变化可以改变水在地表的分配。
⑶侵蚀与堆积。土地利用/土地覆被变化大大影响了其发生的速率和空间分布。
⑷生物循环和作物生产。土地利用/土地覆被变化可以加速或延缓这种循环。
2.对土壤养分迁移的影响
土地利用方式和土地覆被类型的空间组合影响着土壤养分的迁移规律，不同的土地单元对营养成分的滞留和转化有不同的作用，N、P等重要营养成分在景观中的转化途径也不同。
土壤营养成分的在迁移在很大程度上依赖于土地利用格局及其变化。
3.造成的土壤侵蚀和土壤沙化
人类在上述活动中，大量破坏了地表的植被，因而使固体物质的重力迁移和机械搬迁比自然状态下要增大几十倍至上千倍。据美国东部地区某流域的实测资料，在农业发展之前，该河流泥沙含量仅为50mg/l,而在扩大耕地期间，上升为600mg/l，在进行工程建设期间，进一步上升至2000mg/l。特别是在一些松软岩组成的山地和半湿润森林草原地区，由于人类在进行各种工程建设和农业活动时，往往对维护这些地区地理系统脆弱平衡的主要因素——植被进行了大规模的破坏，因而导致地表冲刷，水蚀和风蚀作用急剧发展，固体物质的机械搬迁作用比自然状态下增大更多。
目前全世界已开垦的土地约占全球总面积的10％，即大约1500万km2，而遭受侵蚀的面积不低于600一700 km2。多年来因遭受强烈侵蚀而弃耕的面积超过了全部新垦的土地。特别是在一些耕作技术粗放的地区（如我国的黄土高原）每年每公顷土地损失的泥土竟达30一37吨之多。甚至象美国这样农业高度发达的国家，从30年代就广泛采取各种措施同土地侵蚀作斗争，但到60年代未土地侵蚀的面积仍有7200万hm2，约占耕地的13％。人类活动加剧了地表固体物质的机械搬迁，造成的直接后果是使地表形态发生改变。在采矿区形成采石场、沟道、废石场、锥形石堆、土堤等中、小型人工地貌，其伴生的后果是出现陷坑、滑坡以及引起地表和地下水位的变化。在农业活动区常形成地上河、落河田、冲沟、劣地、沙丘、吹蚀洼地等中小型人工地貌，并且常常伴随着发生植被遭毁灭，农田和道路遭掩埋，河道、湖泊和人工水域遭受掩埋，沙石渗入土壤和牧场，大量肥沃表土被冲走等不良后果。总之，在人类强烈影响的区域内，常形成一系列新的不稳定的低级的自然综合体，并使其结构和功能不可避免地发生变化。
㈢对水量和水质的影响
1.对水分循环的影响
⑴森林变化的影响。
地球上的植物，尤其是绿色植物，是第一性生产者，是动物的基本食物资源。据推测，原始陆地表面大约有近2/3为森林所覆盖。人类的长期活动，使40％以上森林被砍伐（10％开垦成耕地，30％以上为轮耕、畜牧、砍柴等所破坏）。其中20％的森林（约3100万km2）是最近300年以来被破坏的。森林和其它植被遭受大规模破坏，不仅使人类丧失了宝贵的资源，而且由于破坏了地理系统主要的稳定因素，削弱了地表保持水土和抗蚀的能力，因而引起许多地区生态严重失调。
但是必须指出，人类建立的人工生态系统取代天然生态系统并不都是产生有害结果。例如人类在广大平原、河谷地区建立的农田生态系统，多数并没有使自然界的平衡遭受破坏；在草原地区建立的人工牧场生态系统大多数也是卓有成效的；在山地建立的以林业为主的生态系统也不乏成功的例子。而那些失败或出现严重问题的地区，主要是由于人类在开发利用自然时，忽视了地理系统的结构和功能的整体联系。例如，人类在山区大规模毁林开荒，引起严重的水土流失；在森林草原地带大规模毁林开荒引起土地沙漠化：在半草原半荒漠地区过度放牧，引起沙漠入侵、草原退化等等，都属于这类性质的问题。
⑵草地变化的影响
⑶耕种的影响
⑷聚居地和其他非农业土地利用影响。
2.引起水资源短缺
3.对水质的影响
4.对湿地的影响
㈣对土地生产力的影响
土地利用/土地覆被变化对生态系统产生深远的影响。NPP是衡量生态系统生产力最重要的指标。NPP的变化与气候、土壤、水分、植被和人类活动密切相关，利用NPP评估土地利用/土地覆被对生态系统生产力影响的研究工作依然是本世纪初期人类活动效应研究的
重要领域。
5.对生物多样性的影响
生物多样性取决于自然环境的丰富性，以及人类影响下的自然景观转变为文化景观的过程。土地利用使景观的结构和功能趋于单一化，导致生物多样性的大量丧失。
由于人类的作用，已导致地球上许多动物绝灭或趋于绝灭。其中有的是人类直接消灭的，如一些珍贵的野生动物；有的是由于人类改变了自然环境，促使某些动物的生态条件突变而就地绝灭，或者是由一个景观区向另一个景观区冒险迁徙中绝灭。本世纪以来，人类活动至少已导致120种哺乳动物和大约150种鸟类绝灭。另外还有一些动物濒于绝灭。动物的大量绝灭和数量上的剧减，也破坏了生物界的自然平衡和食物联系。如在我国由于大量捕杀黄鼠狼、野猫和蛇，使近年来鼠害相当严重，这就是生态平衡遭受破坏的一个实例。
地球上的植物，尤其是绿色植物，是第一性生产者，是动物的基本食物资源。据推测，原始陆地表面大约有近2/3为森林所覆盖。人类的长期活动，使40％以上森林被砍伐（10％开垦成耕地，30％以上为轮耕、畜牧、砍柴等所破坏）。其中20％的森林（约3100万km2）是最近300年以来被破坏的。森林和其它植被遭受大规模破坏，不仅使人类丧失了宝贵的资源，而且由于破坏了地理系统主要的稳定因素，削弱了地表保持水土和抗蚀的能力，因而引起许多地区生态严重失调。
农业区城市化是在农业活动已经严重破坏自然生态系统的情况下，城市化对生物多样性又进一步产生影响。因此，保护和恢复农业区和城市化地区的生物多样性是生态系统可持续管理必不可少的步骤，具有重要的实际意义，亟待深入研究。
§7.4 从土地利用/土地覆被变化研究到土地变化科学
一、土地利用/土地覆被变化研究的综合动向
1.论题的综合
土地利用体现了人类改造自然的能动作用，土地覆被作为土地利用的结果在田块直至全球尺度上发生显著地变化，进而对诸如土地退化、陆地生态系统生产力的变化、温室气体的排放]、生物多样性的减少等全球环境变化问题做出贡献，这些枚关人类命运的环境变化以及由此产生的社会经济以及伦理等诸多问题会对人类的土地利用决策和行为产生制约。土地利用和土地覆被之间复杂的作用机制、土地利用/覆被变化的长时效性及其存在于泛空间尺度上的普遍性、土地利用/覆被变化对地球表层系统影响的多维度特征以及土地变化科学领域研究对于多学科综合的必然要求，使土地利用/覆被变化成为全球变化研究的核心议题之一。
2.尺度的综合
应从LUCC研究计划制定开始，LUCC驱动机制(驱动力)的研究始终是一个热点。LUCC的驱动力构成主要来自于生物自然、气候、经济、社会、人口5个方面。也有在此基础上进一步抽象和细分，如1HDP将LUCC的驱动因子分为直接因子和间接因子，并给出了直接因子和间接因子所包含的一些具体的驱动因子。另一方面，由于LUCC研究格外重视空间尺度，因此LUCC驱动力的研究或者在某一个具体空间尺度上讨论驱动力的构成及权重大小，或者在此基础上随着尺度的上推，探索驱动力的变化情况。然而，对于土地利用/覆被变化驱动力的研究也存在一些问题，正如Lambin所指出的“对于决定地方尺度土地利用变化的驱动力因子，来自于全球尺度上的驱动力要么对它们进行替换，要么使它们发生重组，从而在地方上产生新的、与全球上的某些原因相联系的土地利用/覆被变化格局”，而现有的一些工作“在对土地利用/覆被变化的原因进行解释时，往往基于一些过于简化的假设”，以至于得到的结果往往出现矛盾。他认为对于LUCC驱动机制(驱动力)的认识要“始自于简化，逐渐重视复杂性，最后达到普遍性
3.方法的综合
在上述分类的基础上，Lambin等呼吁LUCC的综合建模方法，即在充分考虑LUCC复杂作用因素的基础上，综合不同模型具有的优势，构建LUCC的过程动态模型。致力于建立综合的土地利用/覆被变化模型,LUCC系列报告的第6 辑专门讨论了基于智能体的土地利用/覆被变化模型(Agent-based modelsof Land-use andland-cover, ABM/LUCC),ABM/LUCC由两部分构成，分别是基于智能体的模型(ABM)和元胞自动机模型(CA)。智能体代表制定土地利用决策的土地管理者，而智能体模型根据输人的一系列规则来模拟土地管理者做出土地利用决策，元胞自动机模型用来实现将决策带来的后果反映到模拟的景观上。
目前LUCC建模方面的工作同样存在有待改进的地方。由于土地利用系统的复杂性，LUCC模型中通常要有所限定，如限定于单一过程、单一领域和有限面积上。大尺度的LUCC建模要同时整合数量庞大的作用因子，因此模型不得不过分简化土地利用系统。这些限定将导致模拟结果的不确定性。CLUE 模型着重探讨了尺度的重要性，其本质上属于统计模型，“统计上的显著联系无法确保存在因果关系”，另外模型不具有空间明确特征。ABM/LUCC的CA 模型具有空间明确和尺度特征，但是ABM模型是否能够正确模拟土地利用决策过程(包括根据反馈的结果调整土地利用决策)还有很大疑问。
同样因为土地利用系统的复杂性，构建真正意义上的综合土地利用/覆被变化模型还有相当长的路要走。目前的工作还是应该通过案例区的研究尽可能地发现土地利用/覆被变化的机理，完善现有模型;另外一点有待尝试的就是将复杂的土地利用变化过程分解成相对简单的子过程，利用现有模型对子过程分别建模，然后再实现模型的松散集成，如将CLUE模型与ABM/LUCC 模型集成等。
4.理论的综合
IGBPⅡ提出的土地变化科学将人类对土地资源的利用置于整个地球系统这样一个框架内来考虑其变化的原因和影响。土地变化科学的研究目标是在综合LUCC和GCTE两个研究领域工作的基础上，通过对人类与环境系统之间各种反馈作用的综合理解，实现人类与环境系统的可持续性。土地变化科学包括3个研究焦点:(1)土地系统变化的原因和本质—强调对人类活动，尤其是对土地利用活动产生的影响;(2)土地系统变化的影响—强调不同程度的上地利用对生态系统产生的影响;(3)综合分析和建模—强调复杂系统的突变性质和非线性特征，构建适应系统复杂性的一组时空模型。
IGBPⅠLUCC计划的开展构建了一个能够更加透彻认识地球系统复杂性的平台，使人们认识到仅仅把研究对象限定在土地利用/覆被变化这一现象的发展变化规律上已经不再符合可持续性科学的要求。基于这一点，到2003年IGBPⅡ提出了土地变化科学，正是适应了这一要求，也是对LUCC计划自身的一种超越。这种超越体现在两方面，首先就是研究对象和研究目标的彻底改变，研究对象由“土地利用/覆被变化”上升到“陆地人类与环境系统”；研究目标由“了解土地利用/覆被变化的途径和规律”变为“减小人类与环境系统面对全球变化的脆弱性，实现它们的可持续性”。其次在方法论上，土地变化科学的本质是综合和深化。综合体现在:视角的综合—在全球生态
系统的视角下研究土地利用/覆被变化;研究领域和学科间的综合—LUCC和GCTE的集成；方法的综合—LUCC研究方法、生物地球化学研究方法、生态系统研究方法等。深化则体现在:认识上的深化—对于人类活动改变地球系统以及这一过程中各种反馈的复杂作用的重视;方法的深化—重视机理研究、格局和过程藕合作用研究等。
因此有理由认为，土地变化科学正在走向范式研究，尽管这一过程还存在很多挑战和不确定性。“可持续性科学的进展要求产生问题驱动的交叉学科研究”,IGBPⅡ的报告里提出了若干有待研究的问题，但也仅仅是“完成这个框架的最初几步”，具体的科学命题还需进一步明确和完善。Rindfuss 等针对土地变化科学面临的挑战做了论述，讨论重点集中在与方法论有关的数据、研究方法等。
二、一体化地球系统科学与土地变化科学
㈠走向一体化的地球系统科学
1.全球环境变化与地球系统
2.地球系统科学的问题取向与一体化
㈡陆地人类-环境系统与土地变化科学
1.陆地人类-环境系统
2.土地变化科学
⑴土地系统变化的原因和性质
⑵土地系统变化的后果
⑶综合分析与模拟
国际上LUCC研究除了体现在LUCC监测技术、驱动力、生态环境效应和建模研究等方面的进展外，在LUCC研究理论上也经历了非常大的突破，即IGBP Ⅱ于2003年提出的土地变化科学(LCS)一致力于减小人类与环境系统面对全球变化的脆弱性并实现它们的可持续性，土地变化利学正在走向范式研究。
课后习题
1.土地利用/土地覆被变化研究的综合动向表现在哪几个方面？
2.新土地研究计划的研究内容聚集与哪几个方面？