湿地生态系统土地利用/覆被变化(LUCC)环境效应研究进展

刘赢男，焉志远，付晓玲，柴春荣，倪红伟

(黑龙江省科学院自然与生态研究所湿地与生态保育国家地方联合工程实验室，哈尔滨150040)

自20世纪以来，人类活动对自然环境产生了强烈干扰，引发了6次物种大灭绝，从而导致了全球范围内物种分布的改变［1］。这种由人类活动引起的生物多样性的变化，显著地改变了生态系统的结构和功能，并对生态系统服务产生深刻的影响。

湿地是地球上水陆相互作用而形成的独特生态系统，是人类赖以生存与发展的重要生态基础。湿地作为全球三大生态系统之一，具有丰富的物种。在抵御洪水、调节径流、改善环境和维护区域生态平衡等方面具有不可替代的作用。由于湿地具有多种生态功能和社会价值，长期以来一直是人类开发利用的对象［2］，全球湿地正以较其他任何生态系统都迅速的速度消亡［3］。据统计，近100年来，全球湿地面积减少约50%，农业排水和开垦是湿地丧失的主要原因［4］。

在人类活动的干扰下，湿地的土地利用方式以及土地覆被发生变化，湿地生态系统功能受到巨大而深远的影响，湿地面积减少、湿地降解功能降低、水质下降、湿地生物多样性减少等一系列生态环境问题已经成为当前湿地科学以及生态学研究的热点，研究土地利用/覆被变化对湿地生态系统产生的影响具有重要的意义。

1 湿地土地利用现状

土地利用/覆被变化(LUCC)是全球环境变化的主要因素和驱动力，对全球环境、生物地球化学循环等产生重要影响。据世界保护监测中心估测，全球湿地面积约为570×104km2，只占全球面积的0.6%，却提供了14.7%的生态系统服务功能［5］，是全球生物多样性最丰富及生态服务价值最高的生态系统，对全球生态环境的维持起着重要的作用。然而，人类活动对湿地生态系统产生了巨大而深远的影响，湿地面积减少、湿地降解功能降低、水质下降、湿地生物多样性减少等一系列生态环境问题已经成为全球面临的普遍问题［6］。

由于长期以来人类对湿地的开发利用，加快了湿地减少的速度。目前，全球湿地已损失了50%以上。尤其是在水力文明为主的欧洲和居住全球70%以上人口的海岸带，湿地损失率极高，以水生文明为主的南部亚洲和南部美洲湿地损失率相对较低，即使水生文明发源的区域，由于人口密度过高，湿地的损失和退化也非常明显，如表1所示。据统计，美国湿地损失了53%，平均每小时丧失约24hm2湿地;加拿大70%的草甸沼泽和80%的河口湿地被用于其他用途，其北部的湿地也由于水库的修建、泥炭开发、农业开垦以及林业采伐而受到严重影响;法国湿地损失了67%，德国损失57%，澳大利亚损失了50%以上，整个欧洲则损失了90%以上［6］。在非洲南部Tugela盆地中90%的湿地以及mfolozi流域58%的天然湿地已经消失。在人口稠密的南亚和东南亚地区，大面积湿地已经被排干用于水稻种植以及其他农业用途及居民地。印度尼西亚31%的湿地遭到开垦，新加坡、菲律宾和泰国各有97%、78%和22%的红树林消失［7］。中国则已经损失了60%的湿地。受到政策或国际公约保护的湿地同样也面临着威胁，如在欧洲有62%的加入Ramsar公约的湿地正发生退化或严重退化，仅有2%的湿地从生态质量上有所改善［8］。

表1 全球及区域湿地损失率Tab.1 Global and regional wetland loss rate

我国湿地面积达6594×104hm2，居亚洲第一、世界第四位，几乎囊括了国际湿地公约的所有湿地类型。天然湿地类型包括沼泽、泥炭地、湿草甸、潜水湖泊、高原咸水湖泊、盐沼和海岸滩涂等，从寒温带到热带，从沿海到内陆，从平原到高原山区都有湿地广泛分布。人工湿地以潜育化和沼泽水稻田为主，还有水库、池塘等。中国湿地主要分布在以下9个区域:东北三江地区的大面积沼泽;内蒙古戈壁沙漠中盐沼湿地;黄河和长江中下游地区滨水湖泊;长江口以北的中国沿海滩涂;长江口以南的海滩和红树林湿地;云贵川高原地区沼泽草甸湿地;新疆沙漠地区大型咸水湖;天山以北山区的高山湖泊;青藏高原地区的高山湖泊和沼泽［9］。然而由于人类活动的影响，我国湿地损失率达 60%［10］。

黑龙江省是湿地资源大省，是我国面积最大的淡水沼泽分布区。现有天然湿地面积556×104hm2，占全国湿地总面积的16%，居全国之首。其中，河流湿地75×104hm2，湖泊湿地36×104hm2，沼泽湿地427×104hm2，人工湿地18×104hm2，主要分布在大小兴安岭、三江平原和松嫩平原。其中，大兴安岭153×104hm2，小兴安岭及东部山地116 ×104hm2，三江平原91 ×104hm2，松嫩平原198×104hm2。黑龙江省湿地具有面积大、类型多、生态区位重要、生物多样性丰富等特点，又是许多候鸟的重要国际迁徙和繁殖地。但由于人类经济活动的影响，湿地面积减少，生态功能下降，严重影响了区域生态安全。例如，三江平原是我国面积最大、分布最为集中的湿地区，亦是世界少见的内陆平原湿地，是具有重要代表性和国际意义的湿地生态系统。随着温室气体排放的增加，全球气候逐渐变暖，特别是长期的大规模农业开发，导致三江平原湿地面积缩减，该区天然湿地面积由1949年的534×104hm2，锐减到2000年的156×104hm2，天然湿地损失率高达70%。同时，现存天然湿地由于气温升高，降雨减少等原因，约有60%～70%出现退化，沼泽湿地退化为沼泽化草甸和典型草甸，沼泽湿地原有的水热条件发生改变，并进一步影响到湿地生态系统功能，从而对全球变化产生影响，同时，也削弱了湿地保护农业生产等功能。

将湿地排水后改作农田，一直是全球范围内湿地损失的主要原因。据统计，全球有26%的湿地被用于农业生产。其中，在欧洲和北美已有56%～65%的湿地被排干用于满足集约化农业的需要。美国湿地改农田速度在20世纪达49×104hm2·a－1。在亚洲的热带和亚热带地区、南美洲和非洲，被排干用于农业生产的湿地比例分别达到27%、6%和2%。在亚洲，狩猎威胁32%的湿地，排水农耕威胁23%的湿地，污染威胁20%的湿地。在中、南美洲，狩猎和污染各威胁31%的湿地，排水农耕威胁19%的湿地［11］。此外，将湿地改作林业用地、水产养殖场、堤坝等洪水控制工程、泥炭开采等利用方式也造成了湿地的大量丧失。由人类城镇开发及农业排放废水导致的水污染、过量抽取地下水引起的地下水位下降等活动也间接导致了湿地损失［12］。

2 湿地生态系统土地利用/覆被变化的环境效应

2.1 土壤环境效应

土地利用方式是人类利用土地各种活动的综合反映，和土壤养分有着密切的联系，它可以影响植被凋落物和残余量，影响土壤微生物的活动，引起养分在土壤系统的再分配，其利用方式的改变会引起土壤理化性质的改变。因此，LUCC对土壤环境影响的研究主要集中在对土壤组分、理化性质、土壤污染及退化过程和机理等方面的研究，特别是在土地利用方式对全球碳循环及碳储量影响方面开展了大量研究。

人类围垦、城市扩张等活动不仅可以直接减少湿地的面积，由此引起的湿地环境的变化也会导致或加剧湿地的退化［13］。湿地开垦成为农田后，植物残体及沉积泥炭分解速率提高，碳的释放量增加，改变了湿地生态系统碳循环模式，对全球变化产生深远影响。在全球范围内，土地利用变化造成的碳损失在过去的一个半世纪里一直稳定地持续增加。据统计，在1850—1995年间，大气中共积累了1600×108t碳，其中约有30%来源于土地利用变化。若全球的沼泽地全部排干，碳的释放量相当于森林砍伐和化石燃料燃烧排放量的35% ～50%［14］。近200年来，全球农林业排水和泥炭开采已导致30 Gt CO2的排放，泥炭地年损失量已超出了未受人类干扰情况下的碳积累量，说明泥炭地的土地利用导致碳的净损失。对三江平原沼泽湿地5种土地利用方式下土壤有机碳储量进行研究，结果表明开垦降低了土壤有机碳储量和有机碳密度，且对耕地的影响大于林地，而退耕还湿有利于土壤有机碳的固定及储量的增加［15］。开垦还会改变土壤的物理环境，随着作物种植和收获使得土壤养分含量减少，质量降低。三江平原草甸沼泽土随着开垦年限的增加，土壤容重增加，密度增加，孔隙度降低，开垦7年、15年后，表土pH值逐渐升高，有机碳、全氮、全磷、速效氮含量都有不同程度的减少［16-17］。翻耕、开沟和施肥等，都可能导致湿地优势的更替［18］。在对三江平原沼泽湿地土壤碳含量的研究中，垦植导致湿地土壤碳含量显著降低，土壤TC及SOC含量随开垦年限的增加而递减，开垦年限呈极显著负相关关系。同时，认为退耕还湿能提高土壤碳含量，但增加速率较慢［15］。对闽江河口芦苇沼泽及其转化为不同土地利用类型的土壤有机碳含量进行对比分析，结果表明土地利用使土壤有机碳含量降低［19］。对美国北部草原湿地转变为农业用地后的土壤有机碳进行计算，结果表明土壤有机碳平均损失了101mg/hm2［20］。Cui等研究发现，森林湿地排水后由碳汇变成碳源［21］。

2.2 大气环境效应

国内外对湿地开垦与温室气体排放的关系进行了大量研究。据统计，在过去的150年中，因土地利用变化造成的CO2排放相当于同期化石燃料向大气排放的CO2量，而且土地利用变化也是大气CH4和N2O浓度增加的主要原因［22］。湿地开垦为农田后，不仅促进CO2排放量的增加还通过种植活动促进N2O的排放［23］。对北方泥炭地的研究也证实排水和退化有助于CO2排放量的增加，长期排水的泥炭地产生CO2的速率为0.008 5 Pg·a－1［24］。Burkett也发现湿地在排干或半排干状态下是CO2的“源”［25］。通过干湿沉降、地表径流、农业废水等途径进入湿地中的氮很容易被湿地生物固定和利用，影响湿地的生物地球化学循环，导致湿地的CH4和N2O产生和排放发生变化［26］。三江平原是中国沼泽湿地分布面积最大的地区，近年来许多湿地被开垦成农田，农事活动中流失的氮素进入未被开垦的湿地，引起氮的积累，促进湿地CH4和N2O排放［27］。郝庆菊等在对三江平原沼泽湿地垦殖后温室气体排放的研究中发现，沼泽湿地开垦为农田，在只考虑CH4和N2O两种温室气体排放的综合GWP下，湿地开垦有利于降低温室效应，但开垦却导致了CO2排放量的激增。垦殖使湿地失去了碳汇功能，转而变为了碳源［22］。芬兰、瑞典和荷兰的科学家联合考察了欧洲泥炭地转变为农田对温室气体排放的影响，发现CO2当前排放量是未开垦前的5～23倍，CO2的排放量远远超过了CH4的减少量［28］。三江平原是中国沼泽湿地分布面积最大的地区，近年来许多湿地被开垦成农田，农事活动中流失的氮素进入未被开垦的湿地，引起氮的积累，促进湿地CH4和 N2O排放［27］。Zheng et al.的研究也表明土壤湿度是影响N2O排放的一个重要因素，湿地因各种因素变干会促进其排放 N2O［29］。

2.3 水环境效应

土地利用变化还对水环境产生一定的影响。LUCC引起水资源短缺。随着土地开发利用强度的不断增加，水资源需求量的急剧增加，使得全世界许多地方水资源供给紧张。特别是由于农业的扩张和工业的发展，全世界用水量剧增。其中，农业用水增加了7倍，工业用水增加了20倍。水资源短缺不仅严重影响居民的日常生活，威胁工农业生产，还造成河水断流、海水入侵等严重的生态环境问题［30］。

土地利用与土地覆盖变化对水资源的影响主要表现在对水质、水量以及区域水循环的影响上。许多研究表明，在一流域内部的各种土地利用与土地覆盖类型的比例变化是造成河流水质发生变化的主要原因。在对密歇根州西南部的Rouge河流域的研究中，人们发现土地利用形式的改变，特别是工业化的发展，使得大量的重金属和有机化学物质排入地下，这不仅造成了对浅含水层的污染，而且还对Rouge河的水质产生了很恶劣的影响［30］。不同土地利用类型对水质变化的作用不同，总N和总P的比率在林地径流中最高，农田中次之，城市中最少，但二者总量林地中最少［31］。此外为满足农业开发需要而进行的挖沟排水会导致水分供应不足，化肥和农药的使用也容易污染地下水。

2.4 生态效应

土地利用和土地覆盖变化是生物多样性急剧下降的最主要原因，也是改变生态系统结构和功能最普遍、最深刻的驱动力。欧维新的研究表明随着盐城海岸带湿地围垦开发，原来复杂多样的自然植被大部分被农作物、水域等取代，未被开垦的自然植被演替规律也受到一定干扰，导致区域生物赖以生存的生境条件发生改变［32］。马克明等探讨了不同土地利用类型下生物多样性的状况［3］，孙忠林等研究了生境破碎化对植物多样性的影响，并分析了破碎化斑块属性与多样性的相关性，认为生境破碎化由于造成适于某些植物生存的栖息地丧失、核心区生境面积减小或生境隔离，而直接或间接导致物种多样性水平的降低［33］。同时由于临近农田，对杀虫剂的使用导致非靶标生物的死亡，从而对生物多样性产生显著影响［34］。土地利用变化也对群落结构及物种多样性产生影响。对青海高寒草甸植物群落，进行了不同土地利用方式对植物群落结构和物种多样性影响的研究，结果表明不同土地利用条件下，群落物种组成、各功能群比例均发生变化，随着干扰程度的增加物种多样性降低［35］。对三江平原不同沟渠密度下的湿地斑块植物群落的物种组成和多样性变化进行研究发现，湿地植物群落的多样性随干扰强度的增大，整体呈降低趋势。随着干扰强度的增加，原有湿生物种减少，而中湿生、中生物种显著增加［3］。后源等研究了人工排水对黄河首曲湿地植物多样性的影响，结果表明人为排水后毒杂草在群落中的比例增加，丰富度指数和多样性指数增加，湿地向杂草型方向演替［36］。在对云南石林喀斯特山地生态系统物种多样和群落结构的研究中发现，物种多样性随人为干扰的增强而降低，群落结构随干扰的增加发生明显变化［37］。耕作过程中的抽水、灌溉使得周围的地下水位受到人为改变，容易造成周边湿地中外来物种的入侵［38］。

2.5 景观效应

LUCC仍是生境丧失和破碎化的主要原因。湿地景观变化最显著的标志是由于土地利用与土地覆盖变化造成的景观格局和景观类型的时空变化。而湿地景观变化的过程是通过人类活动(农业化过程、工业化过程、城市化过程和政治化过程)进行土地利用，从而改变湿地覆盖的过程［39］。对三江平原流域湿地景观多样性进行分析，发现随着人类活动的干扰，流域湿地景观的多样性发生很大变化。挠力河流域从1983－2000年丧失了3个生态系统类型和7个群落类型。别拉洪河流域各类湿地到2000年也减少了10个群落，其中原有的沼泽各类景观完全丧失。小斑块类型湿地以数量丧失为主，大斑块类型湿地则以破碎化为主。其中别拉洪河流域湖泡丧失率为98%，岛状林湿地丧失率为92%，草甸湿地斑块数增加了123倍，面积则减少了32%，沼泽湿地斑块数量随面积的减少而先增加后丧失［40］。侯伟等对三江平原近50年来土地利用/土地覆被变化及生态效应进行分析，认为1976－1986年是该流域土地利用/土地覆被变化最快的时期。其中天然湿地被开垦为耕地是三江平原50年来主要的土地利用方式［41］。赵玉晶等对中国东北松嫩平原破碎化羊草斑块的物种组成进行了研究，结果显示:植被生活功能群、物种组成和多样性随羊草斑块的大小而变化［42］。孙忠林对三江平原鸭绿河农场37个湿地斑块的物种进行了研究，他认为湿地的破碎化影响物种组成，大小不同的湿地斑块在物种组成上有明显差异［33］。

3 问题与展望

综上所述，LUCC是当今全球环境变化的主要原因之一，也是湿地生态系统环境变化的主导因素，在全球变化和可持续发展研究中占有重要地位。但是一方面由于以IGBP—IHD的LUCC计划为代表的研究计划是以变化机制研究为重点，另一方面由于LUCC环境效应的复杂性和积累性，数据的可获得性和方法的精确性，以及全球和区域状况的多样性和复杂性，使得LUCC的环境效应至今尚未得到全面充分的研究。目前，国内外关于LUCC环境效应的研究缺乏统一的指标体系，研究区域、时空尺度单一［43］，对湿地大气、土壤、水等单一要素的效应研究较多，对自然环境的综合效应研究较少，对其环境效应的机制、过程和预测等关注不够。因此，LUCC环境效应的过程与机理研究是今后该领域的研究重点。深入研究LUCC对生态环境产生的影响，并在此基础上结合遥感、GIS技术与数理手段对这种影响进行量化，定量地确定出由此造成的生态系统稳定性以及生态安全的变化。此外，环境问题越来越受到政府和社会的重视，对典型区域深入研究LUCC的环境效应可为解决资源保护、环境建设和灾害防治等问题做出重要贡献。

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