土地利用/覆被变化的环境效应研究进展

万 炜, 魏 伟, 钱大文, 魏晓旭, 冯 坤

(1.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049；3.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070)



土地利用/覆被变化的环境效应研究进展

万 炜1,2, 魏 伟3, 钱大文1,2, 魏晓旭1,2, 冯 坤1,2

(1.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049；3.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070)

土地利用/覆被变化(LUCC)研究经历了一个不断发展的过程，清楚、透彻地认识LUCC的研究现状及存在的问题，有利于更好地把握核心领域并开展更进一步的研究.在回顾国际LUCC研究发展历程的基础上，首先阐述了LUCC的内涵、驱动因子及驱动机制，再将LUCC对大气、水体、土壤与生物等四大自然要素的环境效应方面展开论述，分析了目前研究所取得的进展，最后基于国内外研究现状存在的不足进行了讨论与展望，对今后LUCC的环境效应研究提出以下几点意见：重视遥感与GIS研究手段的同时，加强其他方法的应用；重视学科交叉，加强综合研究；环境效应的微观机理及反馈机制研究有待加强；将多尺度融合问题及构建普适模型作为今后研究的突破点.

土地利用; 土地覆被; LUCC; 环境效应; 驱动力

随着人们对全球变化(global change)与地球系统科学(earth system science)的日益关注[1-3]，土地利用/覆被变化(land use and land cover change, LUCC)作为联系地球系统四大圈层(大气圈、水圈、生物圈与岩石圈)的关键纽带，能够很好地体现全球变化中人类活动这一重要影响因素.因此LUCC是目前全球变化研究的热点问题与核心领域之一，亦是自然过程与人文过程相互耦合、交互作用最为密切的环节之一[4].

国际上，LUCC科学研究的真正确立可追溯到1992年，联合国发布的“21世纪议程”中明确提出将土地利用/覆被变化的研究作为21世纪工作的重点之一[5].1994年，联合国环境署(UNEP)发起了“土地覆被评价和模拟(LCAM)项目”，用于观测研究区域土地覆被的现状与变化[6].1995年，国际地圈与生物圈计划(international geoshpere-biosphere programme,IGBP)以及全球环境变化的人文因素计划(international human dimensions programme,IHDP)联合提出了“土地利用/覆被变化科学研究计划”，从而使LUCC的相关论题成为焦点[7]，世界各国陆续对LUCC相关问题展开研究.2003年，IGBP在之前的工作基础上进一步提出了今后土地计划项目的研究重点，并提炼了相关的前沿科学问题[8].2005年，作为原计划的延续，IGBP与IHDP再次共同发布了全球土地研究计划(global land project, GLP)[9]，该国际项目的研究意义在于通过模拟和定量评估社会与环境相互作用的陆地系统，深刻理解并预测土地利用/覆被变化的过程及其引发相应自然与人文方面的结果，从而进一步加强土地利用/覆被变化的生态环境效应研究.2012年6月，联合国可持续发展大会提出了“未来地球计划(future earth)”，该计划的核心问题是研究人类和自然因子、人类福祉以及全球环境变化这三者之间的相互关联和作用，最终实现全球可持续发展[10].未来地球计划的实施，为LUCC的进一步向前发展提供了良好的契机.

从近20余年的发展历程来看，人类活动与自然环境相互耦合作用的研究越来越受到重视，LUCC的相关研究已经在世界各国得到了广泛地开展与实施，其研究内容也从最初的应对全球气候变化，扩展到不同时空尺度下土地利用/覆被变化的过程、驱动机制、模型模拟、以及生态资源环境效应影响等诸多领域.

1 LUCC的主要内容与研究趋势

1.1 土地利用与土地覆被的关系

土地利用(land use)和土地覆被(land cover)是两个紧密相关的概念.土地利用是指人类有目的的对土地资源的利用方式和利用状况，即人类根据一定的社会、经济目的，采取一定的手段，通过对土地资源进行长期或周期性的开发利用、改造和保护等一系列经营方式，最终把土地的自然生态系统改变为人工生态系统，其表现是一种人类活动的过程[7].土地覆被则是随着遥感技术应用的兴起而出现的新概念，是自然过程和人类活动共同作用的结果，包括覆盖地表的自然景观和人工建筑物，它主要反映的是地球表层的自然状况[11].目前，国内学术界许多文献对“land cover”一词存在使用“土地覆盖”这种译法，相比而言，“土地覆被”这一术语则表达得更为精准.综上所述，农业、林业、牧业以及城市发展等人类对与土地有关的利用活动属于土地利用的范畴；而耕地、林地、草地、交通运输用地、河湖、冰川、积雪和沙漠等地表景观则属于土地覆被的范畴[12].不同的土地利用方式能够直接改变土地覆被状况，而土地覆被的差异又能够形成不同的土地利用方式.因此，二者处在动态变化的环境中，且相互发生作用.从时间尺度上看，LUCC的动态变化可分为渐变(modification)和改变(conversion)两种形式.渐变是指某种土地覆被类型内在属性的变化，其时间跨度较长；而改变则是指由于人类活动对土地利用目的的变化从而使土地覆被类型发生的转变，其时间跨度相对较短[13].从空间尺度上看，全球不同区域的宏观土地覆被状况主要决定于当地的自然条件，即地域分异因素致使形成不同的土地覆被状况；在此基础之上，人类通过利用和改造某一地域上的土地从而形成不同的土地利用格局.

1.2 LUCC的研究意义与研究趋势

IPCC第5次评估报告[14]的研究结论表明，近百年来，由于人类活动导致的全球气候变化问题已日益凸显，虽然人类活动的贡献程度难以精确度量，但从地球系统科学的角度分析，LUCC能够直接反映当今全球变化中的主导因子，即人类活动通过土地利用以及由此导致的土地覆被发生变化会影响区域生态环境，其累加作用进而导致全球变化.因此，通过研究土地利用与土地覆被的相互作用与过程、变化机理、及其对自然环境与人类社会所产生的一系列影响，将有助于了解人类活动、土地利用、土地覆被变化以及自然环境四者之间的相互作用关系，相关研究可为区域乃至全球的可持续发展战略提供决策依据.通过利用Web of Science以及中国知网的文献数据库，检索2000—2015年国内外发表的以LUCC为主题的相关学术论文(图1)，结果表明，国内外对LUCC的相关研究总体上呈现上升趋势，特别是以LUCC为主题的外文文献发表数量持续增加，可见国际上对LUCC研究的关注度较高.

土地利用/覆被变化的相关研究涉及多个学科，以Web of Science文献数据库对“LUCC”一词进行主题检索，可得到截至目前不同学科领域对土地利用/覆被变化研究的贡献情况，通过统计分析论文发表数量排名前10位的相关学科(图2)，可以得出：LUCC主要立足于生态环境，并以遥感作为最主要的技术支撑；LUCC的相关研究不仅包括地学多个分支学科，还涉及工程学、计算机科学等一系列其他学科.由此可见，LUCC是一项多学科集成、为实现人类可持续发展研究的学科需求而形成的科学前沿领域.经过近几十年的相关研究，多学科交叉正成为未来研究的主流，在一定程度上推动了LUCC的学科发展[15].

图1 以LUCC为主题的国内外论文发表数量变化趋势

图2 LUCC研究所涉及的相关学科与论文发表数量

2 LUCC驱动力研究

LUCC的驱动力研究是为了阐明土地利用/覆被变化的原因、发生机理以及动态过程，并预测其未来的趋势与结果.LUCC的驱动力是指导致土地利用与土地覆被状况发生变化的因素，这些驱动因子从总体上又可以划分为自然环境因素和社会经济因素两种类型，土地利用/覆被变化是某区域内自然环境因素与社会经济因素综合作用的结果[16].首先，自然环境因素(气候、地貌、水文、土壤等)决定着土地覆被的形成、发展与演化，是该区域土地利用/覆被变化的客观基础.另一方面，社会经济因素(人口密度、经济基础、政策实施、技术条件等)通过建立在区域自然地理环境基础上对当前土地景观格局施加影响.因此，从空间尺度分析，自然环境因素在宏观尺度上起到决定性作用[17-19]，社会经济因素则更主要是作用在开发历史较长、人类扰动强烈且受自然条件约束较少的区域，其空间尺度相对较小[20,21].而从较短的时间尺度分析，自然环境因素的影响较为稳定，主要表现为积累性效应；而社会经济因素的驱动力则更为活跃与敏感，被普遍认为是当前土地利用/覆被变化的主导因子[22,23].

LUCC驱动力方面的研究，不仅要确定驱动因子，还要分析各驱动因子与LUCC之间的相互关系，综合地认识LUCC的驱动力系统.首先，驱动力系统具有层次性.即LUCC驱动力系统是由各个驱动因子相互结合所构成的具有一定层次的系统，可根据不同的研究视角与研究目的划分不同的层次.比如，LUCC的驱动力因子可划分为自然环境因子与社会经济因子，亦可划分为自然生物因子、制度因子、技术因子和经济因子[24].自然生物因素作为LUCC驱动力的子系统，又可细分为气候、地貌、水文、土壤、生物等.关于在实际中如何划分LUCC驱动力，则是由研究的深度与广度所决定的.第二，驱动力系统具有综合性.LUCC的驱动力是由各个子驱动因子构成且共同作用所形成的合力，其综合效应不能简单地视为系统内子驱动力的简单叠加，各个子驱动力相互作用可能起到放大或者制约的效应.因此，在相关研究中应从综合视角对LUCC的驱动力机制进行分析.第三，驱动力系统具有尺度转换性.驱动因子的尺度转换是指在不同的研究时空尺度视阈下，驱动因子在系统内的状态与功能发生相应地转化.即LUCC具有时间和空间的异质性，不同时空尺度上的土地利用/覆被变化往往表现出不同的驱动力.比如，从较短的时间尺度来看，研究区域内的气候、地貌等自然环境因子基本不会发生明显变化，因而一般不作为驱动因素予以考虑.而从长时间尺度来看，这些自然环境因子的变化则直接影响LUCC的变化.第四，驱动力系统具有动态性.LUCC驱动力系统是动态开放系统.一方面，系统中各驱动因子通过与外界进行物质与能量的交换，不断获取外部动力，从而推动着土地利用与土地覆被状况发生变化.另一个方面，系统内部各驱动因子之间的相互耦合作用所形成的自然约束和协调机制，是LUCC驱动力系统动态变化的内部动力.驱动力系统在内外动力共同作用下产生动态变化，使得土地利用与土地覆被发生变化.因此，动态把握驱动力系统，是揭示LUCC驱动力的关键.

近年来，国外关于LUCC驱动力方面主要侧重于土地利用/覆被变化宏观层面上的驱动机理研究.如Teixeira et al[25]以葡萄牙Mondego河流域为研究对象，定量分析了1990—2006年由于农业耕种区的变化以及城市化扩张等驱动因素对该区域土地利用/覆被变化的贡献.Kanianska et al[26]通过选取斯洛伐克的3个农村地区为研究对象，分析了1782—2006年不同时期由于不同的政治制度对土地利用/覆被变化产生的影响.Pulido与Bocco以发展中国家的农户为研究对象，系统分析了由于农民的主观意识与传统文化对当地环境及土地退化产生的重要作用[27].Choudhary et al[28]以遥感与GIS为研究手段，分析了俄罗斯Samara市土地利用与覆被变化及城市化扩张的机理.中国就LUCC驱动力方面的研究，一方面着眼于经济发达(如珠三角地区[29]、长三角地区[30])、城市化进程迅速(如上海[31]、武汉[32])等人文社会驱动因子相对活跃的地区：人类活动所造成的强大驱动力导致了土地利用与土地覆被的快速变化，致使生态环境所面临的胁迫不断加剧，因此如何协调区域经济发展和土地资源、生态环境之间的矛盾成为当前主要的研究热点方向之一.对以上区域的土地利用/覆被变化的驱动力研究表明，建设、交通等城市用地的迅速扩张大量侵占了耕地、林地、水域等生态用地，致使这些区域生态环境的自我修复功能与稳态下降.虽然区域社会经济发展水平得以提高，但由此带来的环境污染与自然灾害等问题也变得更加频繁.因此，如何协调好经济建设、生态用地保护与防灾减灾三者之间的关系是研究的关键所在.另一方面，中国学者亦重视对生态环境脆弱(如沙漠化地区[33]、喀斯特山区[34])与敏感(如农牧交错带[35]、绿洲[36])地区的研究：这些区域生态环境脆弱，加之人类不合理的开发与利用，致使出现了诸如植被退化、灾害频发、水土流失、土壤肥力下降、水资源短缺等一系列生态环境问题，进而加剧了当地的贫困与发展滞后.因此，通过相关研究揭示生态脆弱与敏感区的形成演变机制，并提出相应的政策措施，对改善当地脆弱的生态环境、协调人地关系、实现区域可持续发展等问题，具有重要的理论价值与现实意义.

3 LUCC环境效应研究

关于土地利用/覆被变化与环境之间的关系研究，最早可追溯到1865年，Marsh与Lowenthal在《Man and Nature》一书中系统地论述了土地利用与生态环境之间的相互关系[37]，这为LUCC环境效应这一科学问题的研究奠定了一定的理论基础.如今，从地球系统科学的角度出发，可将土地利用/覆被变化的过程及其效应视为一个由区域土地内自然环境因素与社会经济因素相互作用而成的变化系统.系统内的驱动力通过改变土地利用与土地覆被的状况从而影响区域内诸如大气、水体、土壤以及生物等环境要素，这些环境要素之间又存在着复杂、非线性的耦合关系，其累积作用进一步导致生态系统结构与功能的变化.一方面，这将直接导致生态系统内水热平衡、能量平衡以及景观格局等自然地理环境发生相应改变；另一方面也会造成土地生产力与人类生存环境条件的改变.这一系列环境效应又会反馈回土地利用/覆被变化的驱动力系统当中，从而构成完整的LUCC环境效应机制(图3).通过深入分析土地利用与覆被变化与各自然环境要素之间的关系，研究由此产生的环境效应，具有重要的科学意义.因此，本文以大气、水体、土壤以及生物等4个主要方面对土地利用/覆被变化的环境效应展开论述.

图3 土地利用/覆被变化的环境效应

3.1 LUCC对大气环境效应的研究

LUCC主要通过改变下垫面物理性质以及影响大气成分从而对大气产生一系列环境效应.一方面，由于土地利用/覆被变化会引起诸如地表反射率、粗糙度、植被叶面积指数、植被覆盖度等地表下垫面物理性质的改变，从而引起近地表温度、湿度、降水、气压以及风速等气象参数的变化，进而引发局地或者区域乃至全球尺度范围的气候变化.另一方面，土地利用/覆被变化通过与大气之间相互作用使大气成分发生变化，其产生的温室气体以及毒害物质会引起全球变暖、大气污染等问题(图4).

图4 土地利用/覆被变化对大气的环境效应

LUCC引起的局地气候变化以城市热岛效应最为明显，如Rotem-Mindali et al[38]通过卫星遥感对以色列Tel Aviv市的土地利用状况进行研究，定量评价了当地土地利用变化所引发的城市热岛效应.研究结果表明：随着城市化的日益推进，城区内较大面积的绿地公园不断减少对城市热岛效应的引发产生重要影响.关于LUCC对区域气候变化影响方面的研究，如Sylla et al[39]通过运用ICTP区域气候模式研究了1998—2010年西非地区植被覆盖变化对区域气候的响应.研究结果表明：区域气候变化与当地林木种类、农业种植扩张以及土地利用政策有明显关系，比如大规模减少草地而扩大种植面积将使区域气温小幅度升高，而大范围种植热带常绿阔叶林又能缓解该区域气候变暖.此外，还有学者分别以CAM 5.1模型、LPJmL模型和RegCM4模型相应地对亚洲东部、拉丁美洲以及印度进行研究，分析LUCC与区域气候变化的响应关系[40-42].随着人类对土地利用的不断加强，地表植被覆盖相对减少，从而导致大量温室气体排放到大气中.因此，土地利用/覆被变化使大气中的CO2、CH4等温室气体含量增加，由此引发的温室效应使全球气候变暖且幅度不断加大.如Chang et al[43]以欧洲地区的草地覆被为研究对象、Armstrong et al[44]以全球尺度的植被覆被为研究对象，分析了由于CO2含量的变化所引起的气候变化.Tubiello et al[45]以IPCC AR5所提供的分析数据为基础，研究表明，由农业、林业及其他土地利用所造成的温室气体排放呈现减少的趋势，人为土地利用因素造成温室气体排放所占份额的年平均值已由1990年代的28.7±1.5%、2000年代的23.6±2.1%，降低至2010年代的21.2±1.5%.虽然该研究结论与以往的普遍认识有所不同，但研究表明：在过去的10年间，由于土地利用变化所造成碳排放的贡献率(23.6±2.1%)仍明显高于农牧业(11.2±0.4%)所带来的影响.另外，土地利用/覆被变化所引起的大气污染问题也日益受到重视.如Wu et al[46]通过系列模型模拟了2000—2010年由于植被覆盖变化而导致的诸如NOX、CO2、臭氧与有机气溶胶等大气化学成分的变化.Sun et al[47]以MODIS数据为基础，通过分析中国40°N附近自东向西8个典型城市2001—2010年LUCC与大气颗粒物污染的关系，研究结果表明：中国内陆地区LUCC与大气颗粒物污染之间的关系明显高于沿海地区；由沿海至内陆影响城市空气质量的主要覆被因素依次为海洋、林地、城市用地、草地或未利用地.

从近年来关于LUCC对大气环境效应方面的研究分析，研究手段主要是以遥感数据与观测数据为基础，借助区域或全球气候模式进行数值模拟分析.然而大气环境的动态变化较强，且缺乏综合分析模型、遥感数据的分辨率较低，加之地表以及气候数据的相对缺乏等诸多原因，导致关于LUCC的大气环境效应研究目前只能做较为粗略的估算，而进一步精确化研究还有待加强.

3.2 LUCC对水体环境效应的研究

LUCC是较短时间尺度内水环境变化的重要影响因素之一，其影响主要表现在水质、水量和区域水循环过程等3个方面.人类对土地的不合理利用往往使毒害物质进入水体影响水质，从而引发污染问题.土地利用强度的不断加大，水资源的过量消耗致使水资源短缺；而随着生态用地大量转化为城市用地，区域蓄水、保水能力下降，且不透水下垫面增多，加剧了洪涝灾害的风险.土地利用/覆被变化深刻地改变了地表下垫面的物理性质而导致水文通量的变化；另一方面，土地覆被的变化会影响太阳辐射在地表的重新分配，从而导致潜热通量发生变化.因此，LUCC通过影响区域水热条件进而改变水循环的空间格局(图5).由此可见，LUCC对水环境效应的影响体现在诸多方面.

图5 土地利用/覆被变化对水体的环境效应

近年来关于LUCC对水质的影响及面源污染方面的研究，如Teixeira et al[25]以Mondego河流域为研究对象，定量分析了由于城市化发展引发的诸如农业耕种变化、工业扩张等土地利用/覆被变化因素对水质的影响；Bermúdez-Couso et al[48]以西班牙Galicia地区的农田为研究对象，对耕地施用化肥农药所造成水体的面源污染问题展开深入分析，研究结果表明，水体污染与不同季节的降雨量以及土壤排水条件有着重要关系.LUCC与水资源方面的研究，如Van et al[49]分析了东南亚Srepok河流域水资源与当地的气候、LUCC以及人口变化三者之间的关系，研究结果表明：未来一段时期内，地表径流将随着降水量的增加而增加，但土地利用/覆被变化将是水资源需求量大幅度增加的最主要影响因素，这将降低未来水资源的可得性，从而使获取水资源的压力增大.LUCC与洪涝灾害方面的研究，如袁建新等[50]以佛山市1957—2005年的气象与水文数据以及1988—2003年土地利用/覆被变化数据为基础，分析了佛山市由于快速城市化导致城镇建设用地扩张、湿地面积锐减以及城市不透水下垫面迅速增加等原因；此外，Moel et al[51]运用灾害模型模拟评估了土地利用变化引起的不同洪水深度所造成的灾害损失.关于LUCC对水循环影响方面的研究，如Nosetto et al[52]以阿根廷中部为研究区域，分析了不同土地覆被类型(文中选取了森林、草原、人工林、大豆地以及小麦与大豆轮种地)对不同水文过程(文中选取了地表径流、下渗、截留、蒸发与蒸腾)的影响.从各水文过程在不同土地覆被中的占比分析：林地的蒸腾作用比例最大，而地表径流、下渗与蒸发的比例最小；人工耕种的大豆地所测数值比重则与林地相反，另外草地对截留的贡献最小.Shi et al[53]以中国淮河为研究对象，分析了由于土地利用造成的流域水文过程效应，研究结果表明：土地利用变化导致地表径流及流量减少，而实际蒸散量增加.Sterling et al[54]通过引入相关模型研究土地覆被变化与全球尺度的陆地蒸散量之间的关系，结果表明：当前由于人类活动引起的土地覆被变化已导致年蒸散量平均减少3 500 km3(5%)，其中最主要的原因是湿地与水库的减少；另外，人类活动引起的土地覆被变化是导致全球年径流量增加的主要驱动力.

从近年来关于LUCC对水体的环境效应研究成果分析，其数据源不仅需要相关的水文参数资料，还需气象观测数据作为参考，且研究手段需要引进相应水文模型.然而这都需要较长时间序列的野外观测资料作为支撑.因此，缺乏相关实测数据是目前研究的主要短板.

3.3 LUCC对土壤环境效应的研究

当前LUCC对土壤环境效应的研究热点主要包括3个方面，即土壤污染、土地退化和土壤碳收支.首先，人类通过工矿、交通运输等方式排放毒害物质进入表层土壤造成土壤污染，而农业不合理的灌溉方式则易造成土壤层盐分析出地表进而产生盐渍化现象.另外，土地利用变化通过改变土地的空间组合，影响土地覆被(特别是地表植被覆盖)状况，从而改变土壤的理化性质，引起水分、养分等物质在土壤系统内的再分配，进而影响土壤的质量或性质，因此土地覆被状况变差往往会造成水土流失、土壤肥力下降以及土地沙漠化等一系列土地退化问题.此外，近年来通过分析LUCC对土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)储量的变化进而研究区域碳收支状况，亦是全球变化研究领域的重要方向之一(图6).

图6 土地利用/覆被变化对土壤的环境效应

关于LUCC对土壤环境影响方面的研究，如Biro et al[55]以苏丹Gadarif北部地区为研究对象，以1979年、1989年、1999年和2009年的四期卫星遥感影像为基础，分析了由于农业扩张、政府政策以及环境灾害等原因造成的土地利用/覆被变化对当地土壤性质的影响.其研究的土壤环境指标包括：质地、容重、有机质、土壤pH、导电率以及钠、磷、钾的吸附率.结果表明，在过去的30年间，当地土壤的物理、化学性质明显受到LUCC的影响，其最终影响表现为土地退化与土地生产力下降.Dankoub et al[56]以伊朗中部的Isfahan市为研究区，分析了受土地利用影响下的土壤表层重金属的空间分布特征，研究结果表明：城市和工业用地土壤样本的磁化率要明显高于农业用地和未利用土地；Cu、Zn、Pb、Mn、Fe元素的富集主要来源于交通排放和工业生产；且Cu、Zn元素的富集主要是人为源产生，Ni、Cr、Co元素的富集主要受自然源控制，而Pb、Fe元素的富集则受岩性和人为活动共同影响.土壤盐渍化主要由于不合理的灌溉农业(漫灌或只灌不排)导致的，且多发生在干旱半干旱地区.因此，许多学者就干旱、半干旱区自然条件与土地利用与覆被状况而导致土壤盐渍化进行机理分析[57-59].LUCC导致土壤侵蚀的主要机制可概括为：植被覆盖度的变化会导致径流系数的变化(呈负相关)，而径流系数直接影响着土壤侵蚀模数.相关试验表明，随着植被覆盖度的减小，土壤侵蚀模数将急剧上升.这方面的研究以中国黄土高原地区的相关案例最为典型[60,61]，而随着近十余年来退耕还林政策的实施，我国陕北黄土高原区植被覆盖得到良好提高，其土壤侵蚀作用与1990年代相比已明显降低[62].另外，将遥感和GIS相结合，是目前研究不同土地覆被类型对土壤侵蚀影响的研究热点[63,64].土地利用/覆被变化一方面易造成土壤侵蚀问题，另一方面，易产生干旱半干旱区的土地沙漠化问题.相关研究表明：人类活动通过对土地利用方式施加影响，使土地利用状况与土地覆被类型发生转化，是导致沙漠化发展或逆转的直接原因[65,66].近年来，随着人们对全球变化研究的日益重视，LUCC对土壤有机碳的(SOC)的影响也成为研究热点.土壤作为陆地生态系统中最大的碳库参与全球碳循环过程，其中土壤有机碳储量的小幅度变化就可能影响到大气CO2浓度的变化，从而影响全球气候环境.因此，近期越来越多的学者通过研究LUCC对土壤有机碳的影响，进而分析其与生态系统以及全球变化之间的耦合关系[67,68].

从国内外的相关研究来看，早期关于LUCC的土壤环境效应研究较为注重土地退化(如土壤侵蚀、沙漠化、盐渍化)和土地生产力(如土壤养分迁移、土壤肥力下降)等方面，而近期则更加侧重LUCC与土壤生态环境功能之间的关系，以及LUCC与土壤碳循环之间的机理研究.

3.4 LUCC对生物环境效应的研究

LUCC对生物的影响可从物种、群落以及生态系统等不同的角度进行分析.从物种层面分析：将自然环境改造为农田，城市面积的不断扩张等一系列由于人类活动产生的人工生态系统，其物种丰富度与自然生态系统相比较低，而人类活动对生物自然栖息地的扰动、破坏以及碎片化是造成物种多样性减小的重要原因.从群落层面分析：LUCC通过破坏生境稳态、施加环境胁迫造成生物群落的组成与结构发生变化，进而易使群落的发展演替过程受到干扰与破坏.从生态系统层面分析：LUCC通过累积效应最终改变生态系统的形态结构从而直接造成景观的类型、结构以及功能等发生变化(图7).

图7 土地利用/覆被变化对生物的环境效应

关于LUCC对物种丰富度及物种多样性影响方面的研究，如Flombaum et al[69]以南美洲Patagonian大草原为研究区域，定量分析了人工生态系统的初级生产力以及物种多样性比自然生态系统降低的程度，另有国外学者针对草地[70]、森林[71]以及水体[72]等不同土地覆被类型的物种丰富度进行研究.关于LUCC对动植物群落演替影响方面的研究，如Almeida et al[73]以巴西Cerrado草原为研究区域，分析了由于人为栽种外来牧草代替本地热带疏林草原而对蜣螂群落的影响，研究结果表明，种植外来牧草导致蜣螂物种丰富度降低；王海星[74]以宁夏盐池县四儿滩湿地为研究区域，以1999、2004和2010年3期遥感卫星影像数据为基础，分析了土地利用类型的变化，以及湿地内湿生带、交错带和旱生带的植物群落演替过程.关于LUCC对生态系统结构与功能方面的研究，如Simmons et al[75]以美国阿巴拉契亚煤田中的某小流域为研究对象，该区域经煤矿开采后进行土地复垦，土地类型已由开采前的林地转变为复垦后的草地，通过分析该流域生态系统15年以来复垦前后的相关数据表明：复垦后土壤C、N、P的含量分别占原来的96%、79%、69%；由于土壤容重增加、下渗速率降低，与原始环境相比更易导致洪峰的发生；由于土壤硝化作用减弱而导致产流后水体中N的含量减少，但流水中的沉积物含量以及水温则高于原始环境；上述变化又导致了产流中枯枝落叶的分解作用降低，以及大型底栖无脊椎动物群落结构发生改变.关于LUCC引起的景观格局变化方面的研究，如Dewan et al[76]以孟加拉国首都达卡为研究对象，根据1975—2005年的土地利用/覆被变化数据分析了快速城市化对区域环境造成的影响，研究结果表明，建成区的迅速扩张以及耕地、植被覆盖的减少导致景观破碎化非常明显，即斑块面积在不断减少而斑块数量在不断增多，且生态景观多样性降低.

从近年来国内外发表的相关成果来看：LUCC与生物之间关系的研究，其数据获取多为局地样本抽取的方法，且相关的定量模型较为缺乏；另外，与大气、水体和土壤等其他自然环境要素相比，LUCC对生物环境效应的研究成果相对较少，研究体系尚不够系统与全面，且研究内容与研究尺度相对较小，如目前研究LUCC与土壤碳循环之间的关系成果较多，而其他元素通过LUCC在生物体与环境之间迁移转化的过程与机制，即由LUCC引发生物地球化学循环方面的研究案例尚不多见.

4 LUCC环境效应研究的展望

综上所述，目前关于LUCC环境效应的研究已经取得了较为丰硕的成果，研究手段和研究内容也在不断提高与完善.但是，由于LUCC过程的复杂性、研究区域的多样性、相关研究数据的可获取性、方法模型的精确性、驱动力的多因素性，以及环境效应的多元性与累积性等一系列因素，造成LUCC的相关研究至今尚未达到十分满意与系统的研究结果，目前仍有许多科学问题有待深入探究.因此，笔者根据目前土地利用/覆被变化相关研究存在的一些不足进行探讨与展望.

4.1 重视遥感与GIS研究手段并加强其他方法的应用

目前，土地利用/覆被变化的数据主要来源于对遥感影像的解译.然而在分析中小尺度的区域及研究对象方面，高分辨率遥感影像的难以获取以及其高昂价格是现今存在的主要限制因素；且云的干扰、卫星重访周期等原因易导致研究区域内不同影像的时相难以达到完全一致.而GIS作为空间分析的重要技术手段，在表达时空信息的过程中，对数据的模型模拟与定量化程度还不够完备.所以受各种因素的影响，遥感与GIS在进行相关数据的获取与地学分析方面难免存在不同程度的误差.因此在LUCC的相关研究中(特别是中小区域尺度)，一方面要获取高空间分辨率和高光谱遥感数据源以提高地物信息获取的精度，且要加强对数据信息的挖掘；另一方面要加强RS、GIS技术与野外考察、实地观测等验证方法的结合，以提高研究的精确度.

4.2 重视学科交叉，加强综合研究

LUCC的环境效应研究涉及诸多领域，是自然环境因素和社会经济因素综合作用的结果，而从现有的研究成果分析：由于LUCC中的社会经济驱动因子难以度量，导致学者们从人文领域开展的研究相对较少；且LUCC环境效应方面的研究多从大气、水文、土壤及生物等某一自然地理要素出发，综合研究偏少，对社会经济方面效应的研究则更少；另外，相关定量模型亦多是针对单一要素或过程进行静态模拟，动态模拟尚不多见.因此，在今后关于LUCC的环境效应研究中，要重视不同学科特别是诸如人口学、经济学及社会学等人文领域的交叉融合，加强综合要素的研究，将自然环境因素与社会经济因素共同作为模型分析、定量计算的研究内容.

4.3 环境效应的微观机理及反馈机制研究有待加强

目前，土地利用/覆被变化研究多从宏观层面上分析其变化过程、空间格局及生态环境效应等内容，缺乏从微观角度探究这些效应的引发机制.如LUCC各驱动因子在驱动力系统内部的作用机理是怎样的？LUCC对大气、水文、土壤及生物等诸多自然要素施加环境影响的具体机制是什么？另一方面，多数LUCC研究都是基于“变化—驱动力—效应—影响”这一框架体系中进行，然而这种研究模式的较大缺点是将LUCC的驱动力及其环境效应视为单向的作用过程.而实际上，不仅LUCC会对环境施加影响，其结果同样也可能作为一种反馈因子影响LUCC的过程与格局.因此，要注重LUCC环境效应的微观机理及反馈机制研究，这对全面理解LUCC的复杂性和动态性十分必要，只有随着研究工作的不断深入，才能更好地把握LUCC的环境效应这一科学问题.

4.4 将多尺度融合问题及构建普适模型作为今后研究的突破点

由于LUCC的相关研究立足于某一地域，其尺度区范大小不一，可包括全球、区域、局地乃至群落等多种类型.而在不同研究尺度视阈下，LUCC所体现的驱动机制、环境效应等问题并不相同，这导致目前学者们的个案研究成果难以推广.另一方面，LUCC受诸多因素的影响，由于其“变化过程-驱动机制-环境效应”的复杂性，加之不同研究地域的自然环境各异，使得LUCC普适模型的建立与推广很难得到实现，目前学术界在该领域距离构建出类似于通用土壤侵蚀方程这种较为成熟的定量模型还有一定的差距.因此，如何实现LUCC的多尺度融合及建立普适量化分析模型，是今后相关研究的突破点.

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(责任编辑:吴显达)

Progress on the environmental effects of land use and land cover change

WAN Wei1,2, WEI Wei3, QIAN Dawen1,2, WEI Xiaoxu1,2, FENG Kun1,2

(1.Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou, Gansu 730000, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3.College of Geography and Environmental Science, Northwest Normal University, Lanzhou, Gansu 730070, China)

Clear and thorough understanding of the research status and obstacles on land use and land cover change (LUCC) will contribute to its future development. Firstly, the connotation, driving factors and driving mechanisms of LUCC were introduced. Then the environmental effects of LUCC on 4 aspects, including atmosphere, water body, soil, and biology, were elucidated, followed by discussion on current progress and drawback on LUCC. Lastly, suggestions on future approaches were proposed, which included integration and enhancement of other methods and technologies on LUCC besides remote sensing and GIS, emphasis on interdiscipline and integrated study for comprehensive interpretation. Microscopic mechanism on environmental impact and feedback should be identified in-depth. Last but not the least, problem amalgamation at multiple scales and formation of universal model are likely to be the breakthrough for future study.

land use; land cover; LUCC; environmental effects; driving forces

2016-12-02

2016-12-28

国家自然科学基金地区科学基金项目(41261104)；国家自然科学基金面上项目(41171400).

万炜(1992-)，男，硕士研究生.研究方向:遥感应用、土地利用/覆被变化及沙漠化.Email:wanwei@lzb.ac.cn.通讯作者魏伟(1982-)，男，博士，副教授.研究方向:资源环境遥感与GIS应用.Email:weiweigis@163.com.

X171.1; K903

A

1671-5470(2017)04-0361-12

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.04.001