土地利用/覆蓋變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究

李梅鳳,陳 勛,葉子強(qiáng),陳 奕

(1.浙江省農(nóng)村水利管理中心,浙江 杭州 310016;2.舟山耀盛建設(shè)有限公司,浙江 舟山 316000;3.廣州大學(xué) 地理科學(xué)與遙感學(xué)院,廣東 廣州 510006;4.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,浙江 杭州 310002)

0 引言

隨著城市化的快速發(fā)展、人口的持續(xù)增加,人-地關(guān)系的復(fù)雜化,引起了區(qū)域土地利用/覆蓋變化。土地利用/覆蓋變化會(huì)產(chǎn)生諸多生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。土地利用/覆蓋變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究已得到了國內(nèi)外研究者的普遍關(guān)注,并成為“國際地圈生物圈計(jì)劃”(IGBP)的“全球環(huán)境變化的人文因素計(jì)劃”重要組成部分。2001年7月10—13日,在荷蘭阿姆斯特丹召開了國際性會(huì)議——變化著的地球的挑戰(zhàn)(Challenges of a Changing Earth):全球變化開放科學(xué)會(huì)議。來自世界100多個(gè)國家和地區(qū),近2 500名代表出席了會(huì)議,與會(huì)代表普遍認(rèn)為,自1900年以來全世界近50%的地表已被人類改造,并產(chǎn)生了影響生物多樣性、營養(yǎng)物循環(huán)、土壤結(jié)構(gòu)、生物和氣候的明顯后果[1]。因此,當(dāng)務(wù)之急是在保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的情況下,合理開發(fā)利用土地,努力保護(hù)耕地、林地、牧草地等土地資源,改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

1 土地利用/覆蓋變化的動(dòng)態(tài)模擬和預(yù)測

為了模擬和預(yù)測區(qū)域的土地利用/覆蓋變化,可以用3種方法:(1)動(dòng)態(tài)指標(biāo)法;(2)用馬爾可夫過程進(jìn)行模擬和預(yù)測;(3)運(yùn)用GIS和RS技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測和預(yù)測。

1.1 動(dòng)態(tài)指標(biāo)法

用動(dòng)態(tài)指標(biāo)法進(jìn)行模擬預(yù)測,關(guān)鍵是選用合理的土地利用變化的度量指標(biāo)。度量指標(biāo)分為單一土地利用程度動(dòng)態(tài)度指標(biāo)、土地利用程度綜合動(dòng)態(tài)度指標(biāo)、土地利用變化的強(qiáng)度指標(biāo)以及土地利用的空間趨向性[2-3]。單一土地利用程度動(dòng)態(tài)度指標(biāo)反映的是某一研究區(qū)域一定時(shí)期范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況。土地利用程度綜合動(dòng)態(tài)度指標(biāo)是將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會(huì)因素影響下的自然平衡狀態(tài)分成若干等級(jí),并賦予分級(jí)指數(shù),從而給出土地利用綜合指數(shù)和土地利用變化模型的表達(dá)式。

土地利用變化模型的表達(dá)式為:

式中:ΔLb-a為土地利用程度變化量;R為土地利用程度變化率;La、Lb為研究末期和初期的區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù);Ai為第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù);Ci,b、Ci,a為研究末期和起始期第i級(jí)土地利用程度面積百分比。ΔLb-a>0或R>0表示該區(qū)域土地利用處于發(fā)展時(shí)期,否則處于調(diào)整期或消退期。

土地利用變化的強(qiáng)度指標(biāo)是指某一區(qū)域i內(nèi)單位面積上土地利用類型j從a時(shí)期到b時(shí)期發(fā)生的改變。土地利用的空間趨向性是借鑒植物生態(tài)學(xué)中的豐富度和重要值指標(biāo)。土地利用變化類型的豐富度被定義為某種土地利用變化類型在區(qū)域內(nèi)的斑塊數(shù),能夠定量表示土地利用變化類型在空間上的分布狀況。

1.2 用馬爾可夫過程進(jìn)行模擬和預(yù)測

馬爾可夫過程是指具有無后效性的特殊隨機(jī)運(yùn)動(dòng)過程[4]。無后效性即為某隨機(jī)過程第(n+1)步的狀態(tài)xn+1的條件概率與前n-1項(xiàng)的條件概率無關(guān),僅與xn狀態(tài)有關(guān)的性質(zhì)。用馬爾可夫過程進(jìn)行模擬和預(yù)測土地變化的關(guān)鍵是構(gòu)造土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)化的初始轉(zhuǎn)移概率矩陣P。對(duì)于該轉(zhuǎn)移矩陣P滿足兩個(gè)條件:(1)各元素值介于0和1之間;(2)矩陣每列元素之和為1。

將馬爾可夫過程運(yùn)用到土地利用變化分析是因?yàn)橥恋乩玫淖兓哂旭R爾可夫過程的性質(zhì):(1)在一定區(qū)域內(nèi),不同土地利用類型之間可相互轉(zhuǎn)化;(2)相互轉(zhuǎn)化過程中的一些函數(shù)關(guān)系難以明確描述。根據(jù)馬爾可夫過程的無后效性質(zhì),第n+1年份土地利用狀態(tài)向量P(n+1)可以由它的初始狀態(tài)概率P(n-1)和轉(zhuǎn)移矩陣Pij來確定,計(jì)算式為P(n+1)=P(n-1)×Pij,而轉(zhuǎn)移矩陣Pij的確定可以通過分析兩個(gè)歷史年份中土地利用變化情況來確定。

1.3 運(yùn)用GIS和RS技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測和預(yù)測

運(yùn)用遙感信息解譯以及地理信息系統(tǒng)技術(shù)并結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)來模擬預(yù)測土地利用變化的方法已經(jīng)越來越受到人們的重視。經(jīng)過幾何校正和大氣校正的高清晰遙感數(shù)據(jù)能夠直觀、動(dòng)態(tài)地反映區(qū)域的土地利用類型,而空間分析功能強(qiáng)大的GIS軟件能夠區(qū)分不同的土地利用類型,并分析該種類型的地理信息。通過分析幾個(gè)不同時(shí)間段的空間數(shù)據(jù),運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來動(dòng)態(tài)模擬區(qū)域土地利用的變化,并能夠預(yù)測土地利用類型在今后設(shè)計(jì)年份的變化情況。

2 土地利用/覆蓋變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

土地利用/覆蓋變化所引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)主要表現(xiàn)為:改變區(qū)域的氣候、水文過程的變化、降低土壤養(yǎng)分影響土壤有機(jī)碳庫、造成水土流失的加劇以及環(huán)境污染形勢(shì)的嚴(yán)峻。

2.1 區(qū)域氣候變化

隨著城市化的發(fā)展,農(nóng)村土地大量改變?yōu)槌鞘杏玫?導(dǎo)致區(qū)域的土地利用類型改變,農(nóng)村土壤、水域以及植被覆蓋的面積減小,而轉(zhuǎn)化成的城市用地主要是由瀝青、水泥以及金屬不透水表面組成。這個(gè)過程導(dǎo)致了地表水分蒸發(fā)的減少,徑流加速,顯熱的存儲(chǔ)和傳輸增加[5]。在所有環(huán)境效應(yīng)中,熱效應(yīng)是重要的代表指標(biāo),熱效應(yīng)與植被覆蓋減少所引起的地表蒸騰減少是相關(guān)的,由于城市化改變了地表的土地利用/覆蓋類型,導(dǎo)致不透水面積增加,植被覆蓋面積減少,從而有利于產(chǎn)生區(qū)域的熱島效應(yīng),使得區(qū)域的氣候發(fā)生改變,影響到正常的生態(tài)環(huán)境。

用以表征植被覆蓋狀況和陸地輻射溫度的指標(biāo)是NDVI,利用大氣校正軟件對(duì)輻射定標(biāo)后的ETM+反射率影響進(jìn)行校正[6],地表的比輻射率與NDVI有很好的響應(yīng)關(guān)系[7],NVDI高的地表比輻射率相應(yīng)較高。通過比輻射率ε可以反演陸地地表的溫度[8],對(duì)于植被覆蓋高的地區(qū)則地面的溫度較低,但是由于城市化導(dǎo)致的城市建筑用地增加,植被被破壞,使得局部的地表溫度上升。

2.2 水文過程變化

降雨量轉(zhuǎn)化成徑流時(shí)要扣除植物截流和經(jīng)土壤下滲這兩部分雨量,因此,一個(gè)地區(qū)徑流的形成和徑流量的大小與地表植被覆蓋度和地表透水性有很大關(guān)系。產(chǎn)流的計(jì)算方法可以采用美國農(nóng)業(yè)部水土保持局(SCS)首創(chuàng)的徑流曲線指數(shù)法[9]。隨著城市化進(jìn)程的加快,地表的土地類型和土地覆蓋也隨之改變,主要表現(xiàn)在地表不透水面積的增加和地表植物數(shù)量和類型的減少兩個(gè)方面。不透水面積的增加使得很多耕地、林地、草地轉(zhuǎn)變成城市用地,用來建造透水性能差的柏油馬路以及工業(yè)企業(yè)廠房和住宅,其結(jié)果就是城市地表的透水性能差導(dǎo)致徑流提前形成;由于大量的地表植被破壞,取而代之的是馬路和建筑,這就使得降雨的截流量大大減少,降雨形成的超滲降雨量增加,也就是徑流量顯著增加,從而改變了區(qū)域的水文過程。

2.3 土壤養(yǎng)分變化

土地利用變化通過直接影響地表植被等要素,從而影響地形條件、水文狀況及土壤性狀,影響土壤的生態(tài)過程和元素遷移過程并間接引起土壤管理措施的改變。這些直接或間接的變化都會(huì)引起養(yǎng)分在土壤系統(tǒng)的再分配,同時(shí)通過不同的利用方式、不同物質(zhì)的時(shí)空配置和循環(huán),干擾和調(diào)整土壤物質(zhì)的生物地質(zhì)循環(huán)過程,改變?cè)型寥罓I養(yǎng)循環(huán)強(qiáng)度、總量及其路徑,從而使作物的營養(yǎng)水平發(fā)生變化,導(dǎo)致土壤肥力的變化。研究表明,林地轉(zhuǎn)化成耕地后,土壤養(yǎng)分迅速流失,其中有機(jī)質(zhì)的下降幅度最大,而N、P下降幅度較小;在由次生林轉(zhuǎn)變成人工林的過程中,表土(0～20 cm)有機(jī)質(zhì)下降32.4%～62.9%,TN下降25.6%～42.7%,TP下降12.3%～18.2%,TK下降15%～31%[10]。

土地利用/覆蓋變化對(duì)土壤有機(jī)碳庫的影響顯著,是導(dǎo)致地球土壤有機(jī)碳庫變化的主要因素之一[11]。土壤碳釋放途徑主要有兩方面:一是土壤呼吸,包括土壤中植物根系呼吸、微生物分解作用和菌根呼吸等[12];二是由于土壤利用方式的變化引起有機(jī)質(zhì)分解所釋放的碳量。

2.4 水土流失動(dòng)態(tài)變化

水土流失時(shí)空動(dòng)態(tài)變化主要是由于人類活動(dòng)造成的土地下墊面變化或氣候變化而引起的[13],因此,土地利用變化對(duì)土壤侵蝕的影響一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[14]。由于人類活動(dòng)的干擾,區(qū)域土地類型發(fā)生劇烈變化,植被覆蓋率降低,城市用地面積增加;又由于大量開墾荒地,不合理利用林地,導(dǎo)致區(qū)域裸地面積的增加。結(jié)果導(dǎo)致區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)的顯著增加,水土流失量也相應(yīng)增加。同時(shí),土地利用的變化影響到區(qū)域的氣候、水文過程以及土壤的養(yǎng)分含量,從而使得區(qū)域降雨量增加,洪水出現(xiàn)頻率增加;而土壤養(yǎng)分含量的減少不利于植被的恢復(fù),導(dǎo)致水土保持措施實(shí)施困難?？偟慕Y(jié)果就是土地利用/覆蓋變化導(dǎo)致區(qū)域水土流失情況的加重。

2.5 環(huán)境質(zhì)量變化

土地利用的變化不僅改變了自然景觀的面貌,而且影響了區(qū)域水體污染物的數(shù)目、濃度、種類和污染形成的過程[15]。土地利用/覆蓋變化導(dǎo)致的環(huán)境問題可以表現(xiàn)在大氣、水、土壤3個(gè)方面。對(duì)于大氣環(huán)境,由于區(qū)域土地大量地轉(zhuǎn)變成城市用地,植被覆蓋率降低,導(dǎo)致城市中排放的CO2等溫室氣體增加,同時(shí)生產(chǎn)生活產(chǎn)生的廢氣排放量增加,使得區(qū)域的大氣環(huán)境質(zhì)量變差。對(duì)于水環(huán)境,由于大量土地被轉(zhuǎn)化成耕地和城市用地,使得農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染量增加;同時(shí)城市中工業(yè)廢水和生活污水進(jìn)入水體的量也在增加,結(jié)果使得區(qū)域水體的污染物濃度顯著增加,易于超過水環(huán)境容量,導(dǎo)致水體環(huán)境質(zhì)量變差。對(duì)于土壤環(huán)境:一是農(nóng)業(yè)用地面積的增加導(dǎo)致單位土地面積的化肥農(nóng)藥含量增加,再通過富集作用導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用地土壤污染物含量增加;二是城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人口的增長,城市固體廢棄物量的增加,超過垃圾填埋場的工作負(fù)荷,從而影響到土壤的質(zhì)量。

3 結(jié)語

城市化背景下的區(qū)域土地利用/覆蓋變化分析可以采用動(dòng)態(tài)指標(biāo)法、馬爾可夫過程預(yù)測、運(yùn)用GIS和RS技術(shù)模擬預(yù)測3種方法。其中,動(dòng)態(tài)指標(biāo)法主要是運(yùn)用土地利用變化的度量指標(biāo)進(jìn)行分析;馬爾可夫過程模擬和預(yù)測主要是土地利用變化具有馬爾可夫過程的性質(zhì),可以用初始時(shí)刻的土地利用類型和轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測,因此,動(dòng)態(tài)指標(biāo)法和采用馬爾可夫過程進(jìn)行預(yù)測更偏向于計(jì)算,直觀表達(dá)方面有所欠缺;而第3種方法即采用GIS和RS技術(shù)進(jìn)行預(yù)測能夠用圖的形式直接反映出土地利用/覆蓋變化情況,但在計(jì)算方面略顯簡單,主要是運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來動(dòng)態(tài)模擬。建議在進(jìn)行區(qū)域的土地利用/覆蓋變化分析時(shí)需要綜合運(yùn)用各種方法,更加客觀、直觀地反映城市化背景下的土地利用/覆蓋變化情況。

城市化背景下的土地利用/覆蓋變化帶來的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)主要是發(fā)生區(qū)域氣候變化、水文過程變化、土壤養(yǎng)分變化、水土流失動(dòng)態(tài)變化以及環(huán)境質(zhì)量變化。土地利用/覆蓋變化所產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)日益影響到人們的生產(chǎn)生活。因此,當(dāng)務(wù)之急是通過在土地利用規(guī)劃中設(shè)定生態(tài)保護(hù)與環(huán)境建設(shè)目標(biāo)及措施,確定合理生態(tài)用地,培育環(huán)境友好型土地利用模式以及完善規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)[16]。