土地利用／覆被变化对水环境影响的研究综述，本文主要内容关键词为：土地利用论文,水环境论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
目前，生态环境尤其是水环境的恶化，已经严重影响和制约了社会经济的发展速度。概括来讲，除了气候异常引起部分地区的水资源缺乏外，人类对于水资源的过度开发、利用、浪费和污染是导致世界水资源危机的罪魁祸首。人类活动正在影响着近50％的陆地表面，包括生物多样性、营养盐循环、土壤结构、气候等。土地利用／覆被变化（LUCC）会引起地表粗糙度、反照率、地表植被覆盖度以及植被叶面积指数发生显著改变，可导致夏季风弱化、冬季风增强，从而进一步导致干旱化过程的产生，使得缺水问题更加严重。近100 a来，土地利用／覆被变化对水环境的影响越来越严重，几乎成为影响水质的主导因素。土地利用／覆被变化是全球环境变化的主要驱动力（诱因），也是人类活动引起全球水环境变化的重要因素。因此，对于土地利用与土地覆被变化的研究就成为联系社会科学与自然科学的桥梁，是“可持续性科学”的前沿性项目，具有非常重要的理论和现实意义。
1 土地利用／覆被变化的研究内容和方法
1.1 土地利用／覆被变化的研究内容
在地球表层系统中，最突出的景观性标志就是土地利用与土地覆被[1]。而土地利用与土地覆被（盖）是两个既有密切联系又有本质区别的重要概念[2]。土地利用变化是土地覆被变化的外在驱动源，土地覆被变化又反过来影响着土地利用，两者是一个相互影响、相互作用的密不可分的整体。国内外学者以及研究机构将土地利用／覆被变化的研究分为5个关键性研究领域[1]：①土地利用／覆被变化的驱动力和驱动机制研究；②土地利用／覆被类型与区域问题研究；③区域性或全球性空间统计模型研究；④遥感和地理信息系统等先进技术应用研究；⑤土地利用／覆被变化可持续性研究。
1.2 土地利用／覆被变化的研究方法
从研究整体来说，当前土地利用／覆被变化的研究方法及步骤主要是：数据采集→模型建立→分析预测。利用3S技术集成手段获取LUCC数据成为当前的主要方法，而对于各种驱动因子的获取，尤其是人文驱动因子的获取，主要是通过历史统计资料以及实地调查访问获得。研究者基于不同研究目的构建了不同的土地利用／覆被变化模型[3]，其主要目的：①对于土地利用／覆被变化及其驱动因子和驱动机制进行科学合理的解释；②对土地利用／覆被的未来变化发展趋势进行预测；③为可持续发展研究和土地资源优化配置提供基础资料以及理论依据[4]。
2 土地利用／覆被变化国内外研究进展
土地利用变化研究与全球环境变化相关的研究主题有着密切关联。全球土地利用变化的研究从20世纪80年代中期开始，国际上科学界与研究者共同发起并组织了国际地圈生物圈计划（IGBP）、世界气候研究计划（WCRP）、生物多样性计划（DIVERSITAS）、国际全球环境变化人文因素计划（IHDP），这四大计划称为“地球系统科学联盟”（ESSP），其目的是研究地球系统及其变化对全球可持续性的影响。1995年，IGBP和全球环境变化中的人文领域计划（HDP）联合提出了“土地利用和土地覆被变化研究计划”[5]。1999年，IGBP／IHDP－LUCC提出了《土地利用／覆被变化项目执行计划草案》。
3 人类活动与土地利用和土地覆被的关系
土地利用／覆被变化既受自然因素的影响也受到人类活动影响，土地利用／覆被变化对生态环境和人类本身具有一定的反作用。人类活动与土地利用和土地覆被之间的关系见图1。
图1 人类活动与土地利用和土地覆被的关系
土地覆被自然系统处于土地利用及其驱动力系统中。驱动力在不同的社会条件（人类活动及社会因素）中相互作用，产生了不同的土地利用种类，而不同的土地利用类型会影响土地覆被情况，这种影响可以通过土地覆被的渐变、转变反映出来，在变化过程中土地覆被也有自我维护、修护的作用，最终表现出来土地覆被变化是这几种作用的综合结果。如果土地覆被变化的影响经过累积作用达到更大的全球规模，那么将加速气候变化，气候变化又会反馈自然系统，从而影响土地覆被，并最终通过环境影响改变土地覆被变化的驱动力[6]。综合来讲，土地覆被变化是人类活动等驱动力以及环境、气候等因素相互影响的综合作用结果，它们之间的影响、制约以及驱动的定量关系还需要进一步探索。
4 土地利用／覆被变化的环境效应及其对水环境的影响
土地利用／覆被变化与生态环境之间存在着复杂的、非线性的动态反馈关系。一方面土地利用的变化是生态环境发生改变的主要驱动因子，它通过改变土地覆被方式即地表物理特征（反射率、土壤含水量、粗糙度等），促使气候、土壤、水文以及地貌生态等环境因子发生变化，从而影响区域物质能量循环与生态化学过程。另一方面，生态环境以土地为载体，由大气、水、环境等组成人类生命环境系统，既给土地利用提供物质能量，又对土地利用产生限制作用。两者在同一地理空间内，耦合成一个多层次地域复合系统，相互影响，协同演化[7]。
流域内的自然条件和人类活动影响着河流的水质状况，在这两个因素中，人类活动是导致河流水质恶化的主要因素。河流水质与人类活动之间有着非常复杂且密切的关系，影响河流水质的人类因素主要有经济发展水平、人口状况、城市发展水平、土地利用结构以及水资源开发利用的状况等。土地利用／覆被变化对水文的影响基本可以概括为水质以及水量的变化，因此对水量和水质的研究也就成了重点。
4.1 土地利用／覆被变化对水资源量的影响
众多研究表明，大尺度土地利用／覆被变化是影响区域气候与水文循环变化的重要因子[8－9]。Nunes等认为，由土地利用／覆被变化引起的区域植被生态系统的变化对区域水文循环过程起着极其显著的作用[10]。关于流域集水区土地利用／覆被变化对水文过程影响的研究，以及区域水文对植被组成结构与变化响应机制的研究已经成为现今水文科学的热点研究领域，也是水文科学发展的一个重要领域[11]。不同的土地利用／覆被类型对水资源量有着不同的影响，其影响结果已经由水量和水质的变化反映出来，但是影响机制还需要进一步探索。土地利用／覆被变化对水量的影响见表1。
4.2 土地利用／覆被变化对水质的影响
非点源污染是土地利用／覆被变化对水质污染的主要途径。非点源污染是指在降雨径流的淋溶和冲刷作用下，大气、地面和土壤中的污染物进入江河、湖泊、水库和海洋等水体而造成水环境污染。非点源污染没有固定的污染源，因此具有潜在性、随机性、复杂性以及隐蔽性等特点，不易得到有效控制[17]。几乎所有的非点源污染都与土地利用／覆被变化有着紧密关系。
随着土地利用／覆被变化对生态环境影响的加剧，国内外学者对区域土地利用变化对生态环境的综合影响开展了相关研究。Priyantha等利用地理统计学和数学模型分析方法对Western Australia的Perth平原流域地下水水质进行了研究，利用surfer软件对代表地下水水质的主要离子做出了地下水等离子曲线，并与已经定量化的土地利用变化数据和地图进行叠加比较和分析，得出了地下水水质变化与土地利用变化的关系[18]。S C Rai等对Indo－Gamgetic流域地下水在雨季、冬季和夏季分别采样，获得1990—2007年水质参数，得出的结论是：不同地区的地下水水质不同，不同季节同一地区的地下水水质也不同；该地区的水质整体呈碱性，造成地下水质污染的主要因素是人口增长和农业种植密集[19]。史培军认为土地利用所引起的流域下垫面变化严重影响着洪涝灾害的致灾过程，并以深圳市为例，探讨了下垫面条件对流域径流过程的影响，应用SCS模型对深圳市部分流域进行了径流过程模拟，模拟结果表明：随着人类活动的加剧，土地利用的变化使径流量趋于增大；降雨强度越大、前期土壤湿润程度越高，土地利用变化对径流量影响越小[20]。
Prohic E首先提出了岩溶地区地下水脆弱性这一概念[21]。2004年蒋勇军等基于岩溶地区地下水特性，利用1982年、2003年土地利用现状图和地下水水质资料以及监测数据，探究了云南小江岩溶流域20 a来土地利用变化及其水文环境效应，研究结果显示：地下水的水质呈现明显恶化趋势，该流域地下水水质的变化与流域森林质量下降以及耕地扩张所带来的化肥污染有密切关系[22]。万荣荣等就流域土地利用／覆被变化水文效应研究中的几个问题进行了探讨，对国内外现有的土地利用分类系统进行了调整和归并，建立了基于水文响应研究的土地利用分类系统，将土地利用分为9个Ⅰ级类和21个Ⅱ级类[23]。
5 土地利用／覆被变化的讨论点和发展趋势
近年来，伴随着国内外研究者以及研究机构对土地利用／覆被变化研究的深入，出现了以下值得深入研究的讨论点。
（1）综合科学理论体系的构建。土地利用／覆被变化研究扎根于人地关系的理论之中[24]。因此，在研究过程中会运用可持续发展理论、农业经济学、生态学、景观生态学、生态经济学等。但是，这些理论缺乏系统、全面、科学地归纳与总结，还未形成人地关系及其相互作用的理论体系，也不能解释不同时空尺度上土地利用／覆被变化的驱动机制[25]。
（2）新方法、新技术的结合与应用。土地利用／覆被变化研究起步时，研究资料是基于往年的统计数据和实地勘察所得数据。近年来，伴随着宽带网络技术和高性能计算机技术的发展，研究方法也转变为新型的对地观测技术、遥感图像处理技术、模拟与预测模型等。将这些新技术和新方法加以集成并与传统研究方法结合就成为必然[26]。
多年来，对于土地利用／覆被变化研究都集中在对于其驱动机制的研究，而有关土地利用／覆被变化对生态环境的影响没有得到全面、系统地研究[27]。人地系统除了具有区域性和综合性特征外，还具有脆弱性、风险性、恢复性与适应性等特征。基于人地系统特征结合当代对土地利用／覆被变化的研究，提出以下发展趋势[28]：①从地理要素与格局的综合研究转向现代地理过程的综合研究；②从自然地理与人文地理的集成研究转向现代资源与环境的系统研究；③从地理环境重建研究转向现代综合灾害风险管理研究；④从地理格局与过程的动力学研究转向资源保障与区域安全系统仿真研究；⑤从区域人地系统相互作用机制研究转向全球人地系统相互作用机制研究。
除此之外，为了适应“从全球到区域，从自然到人文”的研究趋势，今后在对土地利用／覆被变化的研究过程中，应将研究尺度放在流域（区域）尺度之上，并将研究方法进行综合集成，以促进对土地利用／覆被变化广度、精度、深度的研究。