区域土地利用变化的水环境效应

袁薇锦，欧维新

（南京农业大学公共管理学院，江苏南京210095）

水土资源的利用是区域发展需要解决的重大课题，也是国内外学者研究的热点。国际全球环境变化人文因素计划（IHDP）和国际地圈生物圈计划 （IGBP）共同确立的国际间研究计划LUCC以及其后续计划GLP中，一个主要问题就是了解区域土地利用与覆被变化及其对水文过程与水资源的影响[1-4]。有研究结果表明[5-6]，在较长时间尺度上，气候变化对水资源的影响更加明显，但在短期内，土地利用变化是水环境变化的主要驱动要素之一。土地利用的类型、结构、强度与空间布局都会引起水环境的综合变化[7]，改变能量、物质和水分的流动，导致水资源短缺、洪涝灾害、水污染等问题。

由于土地利用变化研究的复杂性，全球土地利用变化研究一般以区域案例为基础进行[8]，区域尺度的土地利用变化是全球变化最重要的来源与驱动力[9]。全球陆地计划（GLP）也强调了从局地到区域尺度上的人地系统耦合研究[4]。通过对区域土地利用变化造成的水环境效应进行归纳总结，不仅有助于阐明区域土地利用变化过程及其对水环境产生的影响，也为区域水土资源开发、利用、保护和可持续性管理提供了有价值的科学依据，而且为更大尺度的全球变化研究提供了一定的理论基础。

1 区域土地利用变化的水环境效应研究进展

水体的数量、质量受多种自然与人为因素控制，其中，土地利用是自然与人类活动交叉最为密切的过程。用途转移（或地类变更）和集约度变化是土地利用变化的2种基本类型[10]，对水环境影响主要体现在水文过程和水环境质量方面[11]。

1.1 水文效应

1.1.1 研究内容 典型试验研究表明，土地利用变化对水体循环及水量平衡的影响十分明显，被称之为土地利用变化的水文效应[12]，其研究内容可以归纳为2个方面。

1.1.1.1 土地利用类型变化会造成下垫面性质的改变，影响截留、下渗、蒸发等水文要素以及产汇流过程 城市化导致建设用地比例逐年增长，大面积的天然植被和土壤被街道、工厂、住宅等建筑物所替代，使得不透水地表面积比例上升，从而影响了地面径流的时空模式和水量平衡状况，主要表现为径流系数和产水量增大、下渗减少、洪峰流量增加[13-15]。由于大面积相对平缓的滨水湿地可加大对季节性洪水的接纳容量，降低洪峰的高程[16]，因此，沼泽地垦殖、水域被建设用地侵占，使区域滞洪库容损失，洪水调蓄能力降低[17-18]。

为了增加耕地的农业开发活动，改变了原有覆被类型的下垫面性质，一般均会产生不利的水文效应。如新中国成立后，在洞庭湖、鄱阳湖的围垦，导致荆北所有通江湖泊被堵塞[19]。在长江流域，大量的坡耕地是水土流失的主要源头，导致土壤蓄满产流历时变短、蓄存水量减少，土壤水库容严重受损，加大了长江中下游的洪峰流量[20]。在一些区域，土地利用开发强度不断增加，极大地破坏了土壤结构，促使土壤压实和结皮，从而使入渗速率和土壤蓄水含量有所降低[21-25]，增加了年径流量[26]。然而，在干旱半干旱地区的研究得出了相反的结论[27-28]：林草地大规模转为耕地，会使流域年径流量和基流量显著减少，耕地面积的增加导致年最大洪峰流量也呈递减趋势。但普遍观点认为，当林地、草地、湿地被农业开发后，其年径流量和洪峰流量具有明显的增加效应[29]。

关于林地的水文效应，一般认为，林地的高入渗率、低产流率以及强烈的蒸腾作用对河川径流调节作用明显[30-33]，森林采伐率的提高会导致径流量增加、下游洪水泛滥的频率和强度增大，并使得降水的再分配不平均[34-36]，草原、牧地的土地类型变化也有同样的效果[37]。但研究也表明，林地对洪水拦蓄的作用是有限的，植被因素对面积较大和土地利用类型复杂的流域拦截降水的作用会逐渐减弱[38]，且不同的林地植被类型对降雨的响应不同，在较大降雨条件下，各植被类型对于雨水的调节作用差别较大[39]。同时，当暴雨达到一定强度后，森林对洪流的调节作用会减弱，地形、地貌的影响作用会增强[40]。

1.1.1.2 土地利用变化会改变区域水资源平衡，影响地表水和地下水循环 土地利用变化对区域水资源时空配置起着决定作用，随着工业化和城镇化速度的加快，生活用水会增加，留给生态的水资源就会减少；上游用水增加，留给下游的水资源就会减少[41]。黄河流域从20世纪70年代以来，下游频繁出现断流，主要原因就是由黄河流域工农业、城市用水量大增，再加上流域水土保持工程和水利工程改变了土地利用及覆被类型等综合造成的[42]。

土地利用变化对区域地下水资源起着决定作用[43]，尤其是工业化和城镇化速度的加快、农业用水方式的变化，改变了地下水系统的天然循环路径和方式[44]。上游农田灌溉面积增大，导致灌溉用水量增加，会造成下游地表径流减少，从而加剧下游地区对地下水的开采[45]。土地利用变化对下垫面性质的改变，则会影响降雨对地下水的补给[46]，含水层逐渐疏干，改变了地表水与地下水之间以及含水层之间的天然补给联系，使含水层参数、含水层性质及边界条件等发生了变化[47]。这些都使平原地表水和地下水转化关系发生了明显的变化。

1.1.2 研究方法 区域土地利用变化的水文效应研究方法可以归纳为4类：试验流域法、水文特征变量时间序列法、水文模型法和综合法[29]。试验流域法适用于较小流域；水文特征变量时间序列法适用于下垫面条件比较均匀、降水量和土地利用空间差异不大的流域[48]，二者都是建立在对现状和结果的数据统计与分析上，难以发现其演变的内在机理，仅能得出一些公式，缺乏具有普遍指导意义的理论模型。

而基于物理机制的水文模型法能够比较准确地刻画流域的水文效应，随着GIS技术和计算机技术的发展，基于DEM的分布式水文模型研究逐步发展起来，成为当今水文学界研究的热点和方向[49-51]。由于单一方法不可避免的局限性，现阶段的研究已开始综合利用以上方法研究LUCC的水文效应，如水文模型与各种统计学方法相结合[52]、结合不同模型的模型耦合法[53-55]、模型对比法[56]、组件式模型库系统[57]等。

1.2 水质效应

土地利用变化对水质的影响主要有2个方面，一方面是不合理的土地利用结构引发的水土流失，使得流域产沙量增加；另一方面是人类生产生活产生的污染物进入河流、湖泊，污染地表水和地下水。

1.2.1 研究内容

1.2.1.1 泥沙效应 土地利用变化对流域泥沙产出及其输移的过程影响，虽然是在一定的气候、地形等自然背景下产生的，但土地利用变化仍是最主要的驱动因子[58]。

农业作物植被虽然对泥沙输出有一定的抑制作用，但长期的耕作与农业用地的利用方式变化却能大大促进泥沙的产出。早有研究表明[59]，人类大规模耕种后，世界河流每年的输沙量已增加了2～10倍。许多研究表明，坡耕地是各区域江河泥沙的主要来源[60-63]，而荒地产流产沙量则更甚于坡耕地[64-65]。国外有研究证明[66]，流域河流泥沙浓度在流经林地和湿地时，比在流经农垦地区要低1个数量级。国内的相关研究主要集中在黄土丘陵区，在黄河流域，历史上由于不合理的土地利用、林草植被的过度开垦造成该区域严重的水土流失[67-68]，对水土保持的相关研究逐渐兴起，坡度、土地利用类型、降雨强度是影响流域产沙量的主要因素：坡耕地的坡度越高，水土流失越多[69-71]；林草地，特别是灌木林与自然草地的蓄水减沙效益要好于农地[70，72-74]；降雨强度特别是暴雨对径流和冲刷影响极大，会加剧水土流失[73-75]。退耕还林是防止水土流失的重要措施，许多专家在这方面作了相关研究[61，73-74，76]。城市流域产沙相对较少，但市区基础设施建设（例如修建道路[77]）却能对泥沙输出有很大影响[78-79]，尤其是快速城市化的发展会使河流年含沙量增加[80]。

1.2.1.2 水污染 许多研究表明，不同土地利用类型对水质的影响是不同的[81-84]，区域土地利用类型的比例变化会导致河流水质发生变化[85-87]。

随着工业点源污染的逐步控制，土地利用变化造成的面源污染对水质的影响日益凸显，成为目前关注和研究的热点，其中，农业面源污染和城市地表径流污染是造成一些区域水污染的主要原因[88-90]。

研究表明，绝大部分地表水体（包括地下水）的N，P负荷来源与农业生产有关，而灌溉农业被认为是地表水体最大的N，P输入源[91-92]，耕地弃耕后也会造成N，P等土壤养分物质流失，造成污染。耕地扩张、大量化肥农药的施用加剧了日益严重的地表水富营养化趋势，还导致地下水水质变化[93]。随着畜禽养殖业的大规模发展，其污染日益严重[94-95]，由于大部分畜禽养殖场没有足够数量的配套耕地，以消纳其产生的畜禽粪尿，原本可用作肥料的畜禽粪尿被直接排放入河中，也加速了水体的污染。农业面源污染现已成为一些区域水污染的最主要原因[96-99]。城市化水平的加快，使得区域建筑面积和工业交通用地不断增长，相应产生大量工业和生活污水[95，100-101]。城市不透水面积的增加，则使得降雨在下垫面上更容易汇聚污染物质，通过径流携带大量的沉积物、营养污染物、重金属污染物，加重了城市河流的非点源污染[101-103]，城市地表径流污染已成为仅次于农业面源污染的第2大污染源[104-105]。

同时有研究表明，林地具有减水减沙、减少面源污染的特点[106]，大量森林被砍伐会引起阳离子和硝态氮的流失。在单一土地利用类型占主导的流域中，林地和草地为主的小流域的地表水水质明显好于以耕地为主的小流域[107]。城市中的绿地系统具有明显净化水质的功能[108]，具有重要生态意义的湿地系统对于净化水质、蓄洪防旱的作用非常明显[109-110]。在河岸建立缓冲带，则有助于减少进入水体的面源污染物[111]，例如，在有农田坡面径流汇入的湖泊四周设置适当宽度的带状生态拦截人工湿地，可有效地截留来自农田地表径流中的固体颗粒物、氮、磷和其他化学污染物，降低面源污染形成的危险[112]。

1.2.2 研究方法 关于水质受土地利用变化的影响常采用数学模型进行定量研究，早期主要采用经验模型，即建立污染负荷与土地利用或径流量之间的相关关系，利用相关分析、回归分析、方差分析、主成分分析等数理统计的方法可以描述土地利用变化参数与水质指标之间的关系强度[113-116]。在农业非点源污染计算中，广泛应用的通用土壤流失方程USLE、输出系数Johnes模型、Soranno磷通量模型等均属于经验模型[117]，还有 WRENS，FHWA，WMM等模型[118]。

随着研究内容的加深和研究技术的改变，涉及土地利用对地表径流污染特征、场次暴雨污染负荷以及长期土地利用变化对非点源污染负荷及水生生态系统响应等方面的机理模型研究逐渐兴起[119]，通常机理研究由降雨径流过程、土壤侵蚀过程和化学物质转化运移3个过程组成，其中，模型研究包括综合水文、侵蚀和污染物运移过程的模型，如 CREAMS，GLEAMS，DRAINMOD-N，EPIC 等[120]。

随着计算机技术的快速发展和3S技术在流域研究中的广泛应用，一些学者把GIS技术和非点源模型进行耦合来进一步完善现有的非点源污染模型，通过将已经定量化的土地利用变化数据和地图以及水质变化数据叠加，从而得出水质变化与土地利用变化之间的关系[115，121-122]，使得非点源污染模型更逼近环境过程的真实性。其中，比较著名的有美国农业部农业研究所开发的AGNPS 及其改进版 AnnAGNPS，SWAT，BASINS模型等。同时，把传统的非点源污染模型与专家系统或各种人工智能相结合，开发非点源模型系统平台，为非点源污染的研究和控制提供了有利工具，也成为一个重要的研究方向[123]。

2 存在的问题与展望

2.1 存在的问题

前人对区域土地利用变化的水环境效应已做了很多富有成效的研究，但土地利用变化与水环境效应之间的关系复杂。受研究资料与方法等因素的限制，区域土地利用变化的水环境效应在研究内容、研究方法等方面还存在许多问题。

2.1.1 研究内容

2.1.1.1 基础理论与机理研究比较薄弱 20 a来，我们对土地利用变化的认识已逐步提高，但相关的理论成果仍比较匮乏，土地利用变化研究仍然有待理论化[124]，其最大的障碍就是缺乏全面、综合的人地关系理论[11]。随着LUCC及GLP研究的不断深入，土地利用变化对水环境的影响受到普遍关注，但目前的研究多集中在对现状与结果的统计分析上，对土地利用变化的水环境效应过程与机理研究较为薄弱，规律总结较少，因而，在预测模拟方面的理论研究不足。

2.1.1.2 水土复合系统及时空耦合研究较少纵观以往的研究成果，或是把水土资源作为整体进行开发潜力与优化配置的研究，或是把二者分割开来加以研究，正如Falkenmark[125]研究指出：在环境政策中，土地和水的问题仍然被看成是不同领域的问题，由教育和专业背景相当不同的人员来管理。结果就是土地和水资源的管理传统上是相互隔绝的。但大量研究表明，土地利用变化会影响到区域水文和水质，反过来水资源的开发也会影响到土地利用。而目前，由于对水土相互作用的过程与机理研究较为薄弱，从而导致对水土复合系统的作用规律、时空演变没有很好地认识：土地利用变化对水环境作用的过程还未能建立空间演变模型，同时研究多集中在短期的水文水质变化过程，很少涉及长期土地利用变化过程的综合水环境变化与预测研究。

2.1.1.3 缺乏统一指标、对比集成分析 目前，区域土地利用变化的水环境效应研究多在单个区域内进行，研究者多在某个特定区域根据土地利用变化的数据，选取单个或多个水环境变化的指标参数进行统计分析，不同研究者选取的指标往往会有较大差异。由于缺乏统一指标体系，对不同区域的相同研究内容难以进行对比分析，因此，不同区域的对比集成分析较少，缺乏整体的综合性及直观的认识。

2.1.2 研究方法 在研究方法上，监测与模拟实验是获取数据的基本途径[126-127]。由于技术限制，一般来说，在人类活动较少的自然流域地形较易提取。而在人类活动较密集的地区，例如城市区域，由于土地利用与水环境变化过程的复杂性，数据获取周期长等原因，使得动态监测难度较大，也限制了长期对水环境效应的综合研究。在模型研究方面，目前尽管已建立了许多模型，但总体来说都只是考虑了土地利用变化参数而没有将人类活动尤其是社会、经济驱动因素结合到模型中，并且对环境效应过程与机理研究的欠缺，又必然会影响过程与机理模型的建立及其模拟与预测的精度。

在技术方面，研究方法与3S技术的结合仍然比较薄弱。GIS和RS技术的应用虽然给模型研究思路和技术方法带来了创新和革命，但由于各区域自然条件、水文现象的复杂性决定了各类模型很难通用。同时，遥感资料还没有完全融入水文模型的结构中，直接应用还有很大困难，不断出现的卫星系统水文数据也需要新的模型来分析和处理。

2.2 未来研究展望

针对目前对于区域土地利用变化的水环境效应研究的不足，未来应注重在几个方面继续开展深入研究。

2.2.1 强化科学理论体系 土地变化科学是当前地理学尤其是自然地理学重要的科学前沿与研究领域，在未来的研究中，需要不断丰富和完善土地利用变化科学理论体系，识别土地系统变化的原因、本质、后果以及对土地可持续性利用的综合分析，更好地认识陆地上人类—环境耦合系统的脆弱性和持续性与干扰相互作用的特征及驱动力等。许多专家认为，人地关系论是地理科学的理论基础，它渗透于地理科学的每个分支研究领域，对于建立、巩固、发展和完善地理科学有着重要意义。因此，需要构建全面、综合的人地关系理论，以更好地掌握土地利用变化科学的研究对象、内容及任务。

2.2.2 加强过程与机理研究 水土资源的利用不是分开单独进行的，土地利用与水环境之间的相互作用制约着区域经济和社会的发展。因此，有必要加强水土复合系统的研究，深入了解土地利用变化与水文水质相互作用的关系，并加强过程与机理的研究，识别水土资源在动因、结果和本质方面的变化，掌握水土复合系统的作用规律、时空演变，为认识区域水土资源生态安全与合理、高效利用水土资源提供理论基础。同时，有必要构建统一的指标体系，从而更好地量化水土耦合系统之间的相互作用。

2.2.3 加强多尺度集成分析 社会和环境动力学发生于多尺度，不同尺度的动力学具有许多联系[4]。因此，在区域尺度上考虑土地利用变化的水环境效应时，更应关注不同区域尺度的水环境问题，综合考虑人为干扰、社会经济对土地利用的影响，加强不同区域尺度上的比较研究，寻求不同尺度上研究结果的联结。而在微观尺度上，应更加重视长期土地利用变化对生物地球化学循环过程的影响，例如，地层性质与地质特征对地下水与地表水循环的影响，土壤与岩石理化性质的差异对水体物质含量的影响等。因此，加强多尺度的集成研究，对认识地方与全球的耦合关系、深入了解水土资源的微观机理活动有着重要意义。

2.2.4 完善模型研究以及与GIS，RS技术的融合对土地利用变化的水环境效应研究离不开模型支持。通过对相关理论的完善，需要加强过程与机理模型的研究，有必要将社会经济因素的影响融合到模型研究中，以期对不同土地利用发展模式下可能导致的水环境效应进行模拟预测，为全球、国家和区域的水土资源可持续管理提供科学的决策依据。目前，GIS和RS技术的应用还不够广泛，在获取区域水土变化数据方面，遥感监测的优越性有待进一步提高，同时，有必要加强GIS和RS等现代技术与水文水质模型的集成与耦合，建立结构上匹配、机制上合理的分布式水文模型，提高对土地利用变化的水环境效应的认识和估算水平，完善评价结果，为流域综合管理、水污染防治和可持续利用等提供科学依据和技术支持。

3 结语

人类的土地利用活动不仅影响到水资源在区域间的重新分配、改变了区域内部的水分循环，而且加剧了水资源污染的程度，严重破坏了水资源可持续的地域耦合空间结构及流域和谐的生态水文过程，进一步加剧了水资源短缺的局面，增加了水资源供需压力。一方面在城市化快速发展驱动下，城市不断增加的非透水型地面，改变了地面径流的时空模式和水量平衡，城市径流量的增多也增加了进入河流与湖泊的泥沙量和污染负荷，加重了城市非点源污染。另一方面在一些生态脆弱区，过度开垦、过度放牧、过度砍伐，加重了干旱与水污染。林地具有延缓和削减洪峰、降低洪水总量的作用，湿地具有净化水质的功能，然而，伴随着土地利用和水资源利用的集中化与规模化，湿地与林地的总量与质量正在下降。因此，深入认识和研究区域土地利用变化的水环境效应，对建立可持续发展的土地利用模式和实现科学的水土综合管理具有重要意义，在更深层次上有助于为人类与环境耦合系统研究作出贡献。

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