国际土地利用_土地覆盖变化的环境影响研究

第14卷第4期1999年8月地球科学进展ADVANCE IN EART H SCIENCESVo l.14　No.4Aug.,1999国际土地利用—土地覆盖变化的环境影响研究李晓兵(北京师范大学资源科学研究所,教育部环境演变与自然灾害开放研究实验室,北京　100875)摘　要:土地利用—土地覆盖变化是全球变化研究的重要方面之一。

土地利用—土地覆盖变化对大气化学性质及过程、气候、水文、土壤沉积物、生物多样性、生产力等都产生重要的影响。

着重综述了国际全球变化研究领域中重要的研究焦点之一——土地利用和土地覆盖变化的环境影响研究取得的进展以及未来的发展方向。

关　键　词:土地利用;土地覆盖;全球变化;环境影响中图分类号:X21　文献标识码:A　文章编号:1001-8166(1999)04-0395-06 在世界的许多地方,人类已把天然的土地覆盖格局改变为受人类支配的土地利用基体中天然植被的镶嵌体。

自然土地覆盖格局的改变影响了陆地生态系统的生物多样性、植物和动物的种群动态、初级生产力等〔1,2〕,影响了全球生物地球化学循环和大气中温室气体的含量、改变了区域大气化学性质及过程〔3,4〕,对局地、区域及全球气候都产生了广泛而深刻的影响〔5～7〕。

世界范围内,由于土地覆盖变化引起的土壤损失和退化以及沉积物输运无疑已经极大地增加了〔8〕。

在几十年甚至百年尺度上,由自然因素引起的环境变化幅度相对较小,而人类活动产生的环境变化,在强度上甚至超过了自然因素引起的环境变化,成为主要因素〔9〕。

1　土地利用—土地覆盖变化对环境的影响土地覆盖特点对气候、全球生物地球化学循环陆地生物种类的丰度和组成有重要的影响。

地表的特征(如粗糙度、反射率和影响水热通量的其他性质)改变着海洋驱动的大气环流的基本格局,并使区域和局地的气候和天气复杂化。

不同的土地覆盖类型具有不同的生态系统结构、群落组成和生物量,它们以不同的速率吸收和固定养分(如碳和氮),这对营养元素在土壤、大气和水中的分布有重要影响〔10〕。

V itousek〔11〕指出:“土地利用—土地覆盖变化几乎影响到所有组织水平——从基因到全球”。

任何的土地利用—土地覆盖的变化都与一定的环境后果相联系,如湿地的干化能影响生物多样性、微量气体释放、土壤、水文平衡等。

有些影响是很难从自然变化(如气候变化和水文变化)的影响中区分出来的。

1.1　大气化学性质及过程许多研究已表明,土地利用—土地覆盖变化改变了区域大气化学性质及过程〔3,4〕。

由人类活动而影响的大气中微量气体可分为两类:相对活跃的和不活跃的,或者说短命的和长命的。

许多对全球气候变化有影响的温室气体是主要的长命气体成分〔12〕,这些气体都会因土地覆盖的变化而变化。

森林消失、土壤碳的氧化、化石燃料的燃烧等都使大气中CO2浓度增加。

土地利用变化对19世纪全球大气CO2含量增加起着重要的作用,其作用仅次于化石燃料的燃烧〔13,14〕,对大气CO2含量增加有净贡献,如森林向农业用地的转变以及森林的采伐都向大气中释放“九五”国家重大基础研究预选项目“我国未来生存环境变化趋势预测研究”(编号:95-22-02)及国家自然科学基金重大项目“中国东部陆地农业生态系统与全球变化相互作用机理研究”(编号:39899370)资助。

作者简介:李晓兵,男,1967年12月出生,讲师,主要研究方向为全球变化中的土地利用—土地覆盖变化研究、气候变化和植被变化关系的研究。

收稿日期:1999-12-01;修改稿:1999-02-01。

了大量的碳〔15～17〕。

在过去的150年中,由自然生态系统向人类管理系统的转换已经导致了大约相当于同期化石燃料燃烧向大气中净释放的CO2净通量;目前,土地覆盖变化释放的量约为化石燃料燃烧释放量的30%〔10〕。

土地利用变化是大气中CH4和N2O浓度增加的最主要原因〔18～20〕。

稻田、生物燃烧、牲畜等释放出CH4,土壤、肥料、生物燃烧放出N2O。

从1750年以来,大气中CH4的浓度增加了一倍多,主要是由于人类工农业活动共同作用的结果〔21〕;N2O增加的速度较慢,其增长的原因现在并不能完全肯定,很可能主要与热带的土地利用变化及农业活动有关〔18〕; CFC-11由1950年的0增加到1990年的2.90×10-4 mo l/mol〔22〕。

人类以不同的土地利用方式,通过对局地生态系统的强烈影响,改变了温室气体的全球收支平衡〔23〕。

活跃气体主要包括CO、NO2、非甲烷的碳氢化合物及对流层的烟雾(由于能吸收太阳入射辐射而对全球有重要的意义)等,与土地利用—覆盖变化有关的生物燃烧及与工业新陈代谢相伴随的化石燃料的燃烧是这些微量气体的主要来源。

与土地利用变化有关的火烧增加了空气中NO、CO含量〔4,24〕,产生的烟雾可以影响区域乃至全球的能量平衡和气候〔12〕。

土地利用和土地覆盖变化在全球范围内和长时期内的一般趋势已经有了相对肯定的结论。

然而,数据的缺乏和不可靠限制了对上述变化的生物地球化学模型的影响的评估。

陆地生态系统与大气之间净碳通量建模的一个主要不确定性在于缺少关于为了农业生产已被砍伐的生态系统的信息。

因为陆地生态系统在生物量、土壤有机质、水分状况、恢复速率及其他特性等方面不尽相同,因此这方面的信息是十分重要的。

高生物量的湿润带森林向农田或草地的转换与热带干草原的这种转换具有截然不同的效果。

当湿润带森林被砍伐后,释放出更多的CO2,而它们的燃烧又引起更多其他气体的释放,如CO、NO2、CH4和其他碳氢化合物。

1.2　气候变化土地覆盖变化对气候的影响目前只能粗略的估算。

目前研究的热点集中在大面积热带森林砍伐造成的影响。

其手段是利用区域气候模型预测大陆范围内对地表温度、降水和径流的重要影响〔10〕。

土地覆盖变化引起的微气候的变化是很清楚的,已有很多报道;而对区域气候乃至全球变化影响的论断却引起较多争论〔25〕。

但有一点可以肯定,如果这种变化存在的话,一定是由于微量气体释放而引起的。

一些学者利用区域水平的模型〔26〕较谨慎地报道了森林开采可能会因改变反照率而影响全球温度。

此外,土地利用—土地覆盖变化通过改变地球上太阳能的分配方式而影响局地和区域气候〔5,27〕,例如,森林向牧场的转变增加了地表反照率、增加了植被盖度,在小范围内,使温度增加、湿度下降,而这些反过来又能影响森林再生的潜力〔28〕;通过对亚马逊森林的研究表明区域森林的消失将对气候有严重的影响,因为热带雨林在水分再循环中占有很重要的位置。

同时,森林的开采将严重地减少当地的降水量,而使温度升高。

由于过牧而引起的植被变化对区域温度和降水的影响研究也是近年来一直非常活跃的研究领域。

在较粗的空间尺度上,某些模拟模型研究暗示:如果亚马孙森林全部变成牧场,将使温度增加、降水减少,并改变整个区域的大气循环模式〔5,7,27〕。

在干旱半干旱地区,沙漠化有相同的局地和区域影响〔29〕。

城市的热岛效应是居民地扩展对局地气候影响的最好例证。

城市的规模及其扩展与热岛效应有密切的关系〔30,31〕,对全球温度升高有极大的影响。

1.3　水文的变化土地利用—土地覆盖变化对水文(地表水和地下水)的影响包括水质和水量的变化。

由于人类耕作(特别是化学肥料和杀虫剂的使用)和定居(城市污水)引起的土地覆盖的变化已造成了世界性的水污染〔32,33〕。

森林的开采(特别是高地上的森林)增加了下游洪水泛滥的频率和强度〔34〕,一般会减少每年的流量,并使得降水的再分配不平均;草地的变化有类似的效果〔25〕。

Carpenter〔35〕回顾了全球气候变化对淡水生态系统的影响,指出:“当今,对淡水生态系统最严重的压力来自于流域的改变和利用以及人类造成的水产资源的污染”。

1.4　对土壤及沉积物的影响世界范围内,由于土地覆盖变化而引起的土壤损失和退化以及沉积物运输已经极大地增长了〔8〕。

土壤退化的过程主要包括侵蚀、盐碱化(由于灌溉引起的)、水浸、土壤紧实、酸化、营养贫瘠、干燥〔36〕。

有研究估计,世界由于生产用地而盐碱化的土地面积约有100万km2〔8〕。

1990年,联合国环境规划署(UNEP)做出了人类引起的世界土壤退化状况图(Wor ld M ap of the Status o f Human-Induced Soil Deg radation),对世界土壤变化做出了评估〔37〕。

396 地球科学进展 第14卷1.5　生物多样性的丧失土地利用—土地覆盖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,并且这种影响仍会保持几十年。

“土地利用变化速率对生物多样性变化预测的重要性与CO2增加对预测气候变化的重要性是相同的。

土地利用变化不是多样性变化的唯一驱动力,但却是最重要的一个,它与其他许多全球变化因子相互作用,共同影响着生物多样性”〔11〕。

在热带和温带地区的土地覆盖变化对物种多样性和群落组成有重要意义,并引起了物种灭绝速度的急剧上升。

在诸多影响因子中,栖息地扰动的严重性对生物多样性的影响最为重要。

在热带森林采伐的情形中,影响因子主要包括栖息地的生物地理历史、以前的开发利用、森林换型的总面积、毁坏的森林总量、换型过程和换型速率〔10〕。

全球1/3～1/2的陆地表面已经被人类活动所改变。

一些重要的生态系统变成斑块,有的实际上已消失(如高草草原,干季落叶的热带森林)。

大量的种和遗传学上独立的种群已消失〔38～40〕。

拥有全球50%物种栖息地的热带雨林比原有面积减少一半;温带森林1/3已被砍伐;温带雨林已成为濒危生态系统;澳大利亚、新西兰、美国加利福尼亚的湿地已消失一半;亚洲、拉丁美洲、西非的红树林损失严重,印度、巴基斯坦、泰国至少有3/4的红树林受到损害。

在中国,2000a BP森林覆盖率达50%,现在只约有13.92%。

热带森林大部分被橡胶园和热带作物园取代,老龄的落叶阔叶林已消失,现存的主要为中龄的次生落叶阔叶林;常绿阔叶林是生物物种最丰富的一个森林类型,同样遭到严重破坏,保存较好的呈片断化分散在不同的山地上。

由于过度放牧,退化草场占可利用草场面积的1/4,由于各种原因引起的土地沙化面积达1.26亿hm2。

热带、亚热带沼泽的主要类型——红树林受破坏面积达50%〔1〕。

此外,土地利用模式的改变使物种栖息地斑块化,造成了许多交错带,产生了边界效应,引起生物多样性的变化。

在交错带,基因、物种、生态系统的生态学信息对生物多样性变化的理解是极为有益的。

2　国际上对土地利用—土地覆盖变化的环境影响研究的主要内容土地利用—土地覆盖变化研究在未来几十年里无疑将成为全球变化研究的重点之一。

从一些国际及国内主要的研究计划中制定的未来发展战略中即可略见端倪。

从中,也可以看出全球土地利用—土地覆盖变化的环境影响研究的重要地位和发展方向。