旅游干擾對土壤生態系統的影響研究進展

段桂蘭,朱寅健

1 中國科學院生態環境研究中心,北京 100085 2 上饒師范學院,上饒 334001

隨著國民經濟的發展和居民收入的提高,旅游業得到迅速發展,旅游行為已經逐漸具有廣泛性和普遍性。據國家統計局報道,2009至2018十年期間,游客人數由19.02億增至55.40億,國內旅游總花費由10183.7億增至51278.0億元；2008至2017十年期間,外國人入境游客由2610.97萬增至2916.53萬人,國際旅游外匯收入由408.43億增至1234.17億美元。旅游對全球經濟的貢獻巨大,旅游業已迅速發展成為世界第一大產業[1]。旅游發展對生態環境具有強烈的依賴性,旅游地己經成為人類活動與自然過程相互作用最為強烈的地帶,旅游活動所引起的生態和環境問題己經引起了廣泛的關注。

旅游干擾包括旅游者踩踏、植物攀折、動物獵殺、交通工具碾壓、燃油泄漏、污水與尾氣排放、噪聲喧嘩、旅游設施建設以及垃圾丟棄等行為。旅游干擾對旅游景區的生態環境能產生顯著影響,20世紀20年代,加州紅杉公園過度旅游開發對植被產生不良影響,引起了美國學者的關注,開啟了這一領域研究的先河[2]；30至40年代,西方學者們進一步研究論述了旅游對步道、游道周邊土壤、植被的影響[3-5]；50至60年代,學者們開始關注旅游承載力,利用定性與定量相結合的科學方法分析了旅游活動對生態系統的影響[6-8]；70年代,相關研究更加完善,并且開啟了旅游地環境質量改善措施等問題的探討[9]；80年代至今,隨著“生態旅游”概念提出,生態學理論用于研究旅游地的規劃,形成了旅游環境管理技術與監測體系,強調旅游和環境的共生關系[10-11]。我國在該領域的研究起步較晚,直至20世紀80年代,國內著名旅游地如蘇州、京津地區、張家界等地的環境問題開始引起我國學者的關注并開始開展相關研究[12-14]。90 年代以后,隨著旅游業的快速發展,旅游引起的生態環境問題日益成為我國相關學者研究的焦點和熱點。

土壤是地球表層系統的重要組成部分,是連接巖石圈、生物圈、大氣圈和水圈的紐帶。土壤生態系統是土壤中生物與非生物通過能量轉換和物質循環構成的相互作用整體,包括:生產者(植物)、消費者(動物)、分解者(微生物)、以及參與物質循環的水、氣、固體物質等環境因子。旅游干擾對土壤生態系統的影響是旅游對生態環境影響最直接的途徑,也是旅游和環境的共生關系的重要研究內容。

1 旅游干擾對土壤環境因子的影響

土壤環境因子包括土壤理化性質、水、氣、固體物質及參與物質循環的元素,包括營養元素與污染物。大量研究表明在游憩活動的沖擊下,旅游地區土壤的孔隙度、含水量、粘粒、有機質、全氮和堿解氮含量發生顯著變化[15-16]。通過對重慶縉云山的調查,發現以上因子分別比對照降低22.79%,42.03%,40.31%,39.76%,37.99%和30.87%,而土壤pH值和容重平均增加6.59%和56.64%[17]。近年來,大量工作系統地研究了旅游干擾對山岳型旅游地(如黃山、泰山、峨眉山、張家界、嵩山等)土壤環境因子的影響[18-28](表1),結果發現,游客的踩踏、旅游交通工具的碾壓提高了土壤的緊實度,增加了土壤的容重,降低了土壤地表植被的覆蓋度,還導致有機質下降、pH 提高(以紅壤為主的山地如武夷山、明月山除外)、全氮、全磷和速效鉀減少(以紅壤為主的山地如武夷山、明月山除外)。旅游地由于燃油泄漏、污水與尾氣排放、垃圾丟棄導致土壤重金屬超標。例如,陳偉華等[29]調查婺源景區土壤時發現土壤銅(Cu)、鎘(Cd)濃度較高,潛在生態危害較大；譚小愛等[30]研究了旅游活動對香格里拉景區生態環境影響,結果表明旅游產生的固體垃圾是土壤重金屬Cu、鉻(Cr)和鋅(Zn)的主要來源,干濕沉降是土壤Hg污染的主要來源。

2 旅游干擾對植物的影響

植物在土壤生態系統中具有重要作用,是動物和微生物的營養源,是生態系統中不可或缺的生產者。此外,植物還是很多景區重要的觀賞性旅游資源,如井岡山的紅杜鵑、黃山的迎客松、西雙版納的熱帶雨林等。旅游活動對景區植被的影響顯著,主要是由于以下旅游行為的影響：(1)游客的踩踏、交通工具的碾壓、汽車尾氣的污染,(2)游客對鮮花、真菌的采摘,(3)驢友們伐木燒烤,搭建帳篷,或者行為不慎,引起火災,(4)垃圾堆放等導致生態污染影響植物生境,(5)游客與車輛的進入影響種子擴散和植物運動規律。

表1 旅游干擾導致土壤環境因子的變化Table 1 The impacts of tourism disturbance on soil properties

“CEC”,Cation Exchange Capacity,陽離子交換量,“↓”表示降低或減少,“↑”表示升高或增加,“-”表示未調查

2.1 國內有關旅游干擾對植物影響的研究進展

20世紀80年代以來,國內學者開展了大量有關旅游行為對植物影響的研究,特別是對山岳型旅游地(如世界遺產黃山、武夷山等,四大佛教名山與五岳等)的植被進行了較為系統的研究[19-20,28,31-34](表2)。另外,國內學者也開展了大量的有關旅游對植物群落的形成、發育和變化、演替和演化的影響。主要研究結果包括如下幾個方面：(1)旅游對植物群落結構和外貌變化有顯著影響,鄭偉等[35]研究表明,隨著干擾強度的增加,植被由不耐旅游干擾的物種演變為耐旅游干擾的物種為主,群落的α多樣性降低、功能群重要值向少數物種集中,當旅游對植物的影響超過了群落的自我恢復能力,群落性質將會明顯改變[36]。另外,旅游行為導致植物群落層片結構改變,耐蔭喜濕的鄉土植物減少或局部消失,而喜旱耐擾動的則相反,外來植物種群和伴人植物種群侵入[37]。(2)旅游對植物群落結構的演替有顯著影響,且這種影響隨植物種類的不同而不同。例如,管東生等[38]研究發現旅游干擾使廣州城市公園植物群落演替緩慢或停止,喬木與灌木種數、總個體數、多樣性指數、均勻度均顯著低于自然森林群落；并且,與喬木和灌木相比,旅游對草本層植物的組成、多樣性、高度影響最大,其次為灌木層,影響最小的是喬木層[31]。(3)游客對植物的破壞行為,以及旅游導致的植物生境破壞也能對植物的植物群落結構產生顯著影響。例如,石強等[39]研究發現公園接待區樹木受游客的刻畫行為影響,直徑低于非活動區32.3%— 57.1%,葉片中二氧化硫及氟化物高于非活動區1 .6—16倍。(4)旅游能對植物的擴散模式產生影響,進而影響旅游區域內植物的群落結構,例如,劉炳亮等[40]以興凱湖自然保護區為研究對象探討旅游行為對植物擴散模式的影響,結果認為旅游行為影響了植物的擴散模式,在游客活動帶動物擴散物種、風擴散物種均顯著弱于非活動帶。以上各種旅游對植物群落結構的影響與旅游強度、游道、步道等活動中心的距離及游客的行為密切相關。例如,張桂萍等[41]發現與游道越接近植物種群數量越少,優勢種的蓋度、密度、高度降低,物種豐富度和物種多樣性指數降低。

表2 旅游干擾對植被的影響Table 2 The impacts of tourism disturbance on Plants

“↓”表示降低或減少,“↑”表示升高或增加,“-”表示未調查

2.2 國際有關旅游干擾對植物影響的研究進展

在國際上,旅游干擾對植物的影響也有廣泛的研究。Habibullah等[42]通過對106個國家的樣本調查,分析了受威脅的植物種類數量與旅游業之間的聯系,結果表明國際旅游人數是增加瀕危植物物種數量的重要因子,他們發現在加那利群島和西班牙大陸分別有41和40種植物被列為受旅游和娛樂威脅的物種,主要威脅包括踐踏(61種)、植物采集(59種)、旅游基礎設施的維護/建設(43種)和由于旅游景點城市化而造成的棲息地退化(13種)等。Rankin[43]研究發現,在澳大利亞政府列為極度瀕危或瀕危的659種維管植物中,42%的維管植物被列為旅游威脅物種,這比被列為受氣候變化威脅的比例(26%)要高,接近被列為受火災威脅的比例(47%)。旅游行為也能對植物擴散模式產生顯著影響,研究發現,在受旅游干擾的地點會生長大量非本地植物,這是由于車輛、設備、游客的衣服和糞便等引進了非本地種子,并在旅游目的地傳播[44]。

為保護生態環境,學者們對旅游地的耐踐踏植物和敏感植物進行調查研究,結果表明植物群落的內在特性是決定植被對踐踏干擾響應的最重要因素,適溫維管植物能耐受人為踐踏[45]。對旅游行為敏感的植物會從受干擾的地區衰退或消失,因此,旅游地需要遠離敏感的植被,構建生態數據庫,保持長期監測,開展旅游地植被恢復的長期管理[46-47]。

3 旅游干擾對土壤動物的影響

土壤動物作為生態系統物質循環中的重要消費者和分解者,在營養循環過程中發揮著重要作用,越來越受到人們的重視。旅游行為能顯著影響土壤的理化性質(如空隙度、水分、pH值、有機質等)(表1),也能顯著改變土壤上生長的植物的群落結構(表2),進而通過改變土壤動物的棲息地和營養組成來影響土壤動物的種群結構、數量、組成、豐富度、均勻度、密度、生物量。土壤線蟲是土壤生態系統的重要組成部分,因為,土壤中線蟲的數量豐富、種類多樣,食性多樣,對有機物的分解、養分轉化和能量傳遞起到關鍵的作用[48],典型對應分析(CCA)表明土壤線蟲功能類群的分布能顯著影響土壤的養分狀況[49]。因此,土壤線蟲的群落結構與土壤性質是相互作用的。在旅游場地,踐踏行為較普遍,從而導致土壤容重增大,減少土壤含水率及土壤養分供應,最終對土壤線蟲、節肢動物的生長發育產生顯著影響[50-51],導致土壤動物的個體密度及各種功能類群的個體密度都下降[52]。另外,旅游干擾可使土壤的凋落物積累量減少,從而是土壤有機質降低,進而導致土壤線蟲豐度與多樣性下降,以及功能群落結構發生改變[53]。旅游干擾也可使土壤中污染物的濃度增加,Nagy等[54]的研究也表明隨著土壤中鉻、硒濃度的提高,敏感的雜食性和掠食性線蟲的比例明顯下降,線蟲多樣性曲線明顯下降。旅游行為也能改變土壤大型動物的物種組成,葉岳等[55]研究表明旅游能顯著增加捕食型動物的數量。旅游行對土壤中型動物的物種組成也有重要影響,張麗梅[52]研究發現不同干擾區間中型土壤動物類群數量差異顯著(P<0.05),土壤動物的種類、數量、密度均為活動區<緩沖區<背景區,中型土壤動物的類群數量及垂直方向上對旅游踩踏的響應均十分顯著。而且,旅游對土壤動物的干擾與游客的數量、強度、旅游方式以及與游道、步道的距離顯著相關。例如,晉秀龍等[56]也發現離步游道越近水平方向上大型土壤動物的類群和數量越少,垂直方向上的表聚性也越弱。

4 旅游干擾對土壤微生物的影響

微生物也是土壤生態系統的重要組成部分,在土壤中進行氧化、硝化、氨化、固氮、硫化等過程,既是土壤動植物的分解者,又能為動植物提供重要的營養,因此,土壤微生物群落的變化可以揭示土壤生態環境的演變。

土壤酶及土壤微生物是土壤生態系統代謝的一類重要動力。人為踩踏等旅游行為能導致土壤結構發生退化,對多種土壤性狀都有顯著影響,如土壤緊實度增加、pH提高、有機質降低、氮磷鉀營養元素含量降低及污染物濃度提高(表1)。這些土壤性狀的變化能顯著地影響了土壤微生物的群落結構,段青倩等[57]、汪洪旭[58]、王帥等[59]表明,旅游活動能導致微生物豐富度與多樣性下降,而且,這種對微生物的影響遵循如下順序：細菌>放線菌>真菌。另外,旅游行為對微生物的影響與旅游強度、與游道的距離、表層土壤的深度相關,對土壤0—5cm層的微生物影響最顯著,對5—15cm層的較顯著。土壤微生物群落結構的改變將進一步導致土壤的酶活性降低、土壤呼吸減弱[60-62]、代謝反應等發生相應的變化[60-64]。例如,楊麗等[65]發現土壤氨氧化作用受旅游干擾后顯著降低,而對土壤反硝化作用的影響則相反,這與Treweek等[64]的研究結果一致,他們通過模擬動物踐踏的試驗證明踐踏能夠顯著促進土壤反硝化菌的生長,并增加氧化亞氮排放。另外,不同的土壤微生物對土壤性狀變化的響應是不同的,Yang等[48]研究表明,土壤速效磷、速效氮、全氮和全磷的下降可能是引起土壤微生物豐富度下降的主要因素,而張麗梅[52]認為土壤真菌分布的主要因子受土壤有機質和土壤總氮的影響,放線菌分布受土壤有效磷,土壤有機質和土壤總磷的限制,而細菌分布主要受土壤總磷和pH 的影響。另外,旅游導致土壤pH值增加,從而使土壤酸細菌的豐度下降[66]；此外,人為活動的增加可還可給土壤帶來病原菌,劉靜等[67]研究認為,旅游行為導致病原指示菌大腸桿菌的豐度顯著增加。

5 旅游干擾對生態環境的其他影響

旅游不僅對土壤生態系統產生影響,還可對生物、水、大氣等圈層產生顯著影響,而且這些影響是相互關聯的。大量研究成果表明,旅游干擾對野生動物也產生影響[68-72],自然土地轉為旅游用地導致生物棲息地破壞,旅游形成的噪音及游客行為可能對動物產生驚嚇,破壞動物喂養和筑巢,干擾其捕食、產卵和生長發育等。由于旅游開發,植被與水資源減少,致使地表粉塵量增加,旅游汽車尾氣與揚塵、鍋爐排放的廢氣、飯店油煙、廟宇燒香、燒烤等等旅游行為對旅游接待區的大氣質量可能造成嚴重的污染[20]。旅游區水上娛樂活動、人工養殖、基礎設施運轉等因素對旅游區的水質也可能產生不可忽視的影響[66,73-74]。因此,旅游活動所引起的生態和環境問題應該給予廣泛的關注與研究,積極開展旅游地生態系統恢復的長期管理,構建旅游與環境的和諧共生關系。

6 問題與展望

隨著國內、國外旅游業的迅猛發展,旅游行為對生態環境的影響日益廣泛和深入,尤其是對土壤生態系統的影響已成為人們關注的焦點和研究的熱點。當前的研究取得了一定的成果,尤其是旅游踩踏行為對植被和土壤理化性質影響的研究,對生態旅游的規劃具有參考借鑒作用,但仍有許多問題需要人們進一步思考和解決。

1)拓展旅游行為對土壤生態系統影響研究的寬度和深度。當前有關旅游行為對景區植物和土壤理化性質的研究較多,但對土壤動物(尤其中小型動物)和土壤微生物的影響尚缺乏深入研究,系統地開展旅游地植物、動物與微生物對旅游干擾協同響應的研究更是少見。而且,無論是對植物、還是土壤微生物的研究尚停留在界、門水平上,缺乏綱、目、科、屬、種與個體、細胞等水平上的系統研究。另外,目前的研究幾乎都是旅游地某一個時間點或短時段的,尚缺乏中時段和長時段的研究。在旅游行為中,研究較多的是游客的踩踏行為,其他干擾研究較少。

2)加強旅游行為對土壤生態系統影響的機制研究。當前研究較多的是游客的踩踏行為導致土壤容重、水分、pH值、N、P、K的含量變化及其對土壤生態系統的影響,較少涉及旅游行為對土壤生態系統影響機制的研究。而且,當前的研究方法主要是傳統的觀察法、數理統計和簡單的化學分析法,較少涉及分子生物學、分子生態學、遺傳學等領域研究方法的運用。將來可從細胞顯微結構變化、功能基因克隆與表達、蛋白質組和轉錄組等方面開展深入的探討,不斷闡明旅游干擾對土壤生態系統中植物、動物和微生物的脅迫機理。

3)加強研發旅游行為對土壤生態系統破壞的防范和修復技術。目前國內外已經開展有關因旅游破壞的土壤生態系統修復方面的研究[46,75-76],但相關研究還不夠系統完整,將來可在以下幾個方面開展研究工作：構建旅游地生態數據庫,合理開發旅游,防范旅游行為對土壤生態系統破壞；同時,針對不同的旅游干擾,結合物理、化學、生物、農藝手段對已破壞生態環境進行修復,研發出有效的修復技術；開展旅游生態環境的長期管理,構建旅游與環境的和諧共生關系,促進旅游業的可持續發展。