三峡库区土地利用与生态环境变化研究进展

陈雅如, 肖文发,*



三峡库区土地利用与生态环境变化研究进展

陈雅如1,2, 肖文发1,2,*

1. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所, 北京 100091 2. 国家林业局森林生态环境重点实验室, 北京 100091

三峡工程是人类对地球表面的一次重大改造, 形成了三峡库区这一特殊区域, 探讨三峡库区的土地利用与生态环境变化对维护库区生态、经济、社会可持续具有重要意义。归纳总结了1990—2016年间三峡库区土地利用与生态环境变化研究的不同发展阶段, 并从土地利用变化及其驱动力、土地利用变化及其生态环境效应(包括水土流失、非点源污染、土壤温室气体排放与重金属污染、自然灾害频发、生物多样性丧失)、生态环境质量评价及生态系统服务这3方面进行研究综述。提出今后的主要研究趋势是走向综合, 研究的关键挑战为宏观格局变化的环境效应、微观机理与过程研究、尺度效应与尺度推绎以及模型构建与模拟预测。

三峡库区; 土地利用变化; 生态环境; 进展; 挑战

1 前言

三峡工程是人类对地球表面的一次重大改造, 形成了三峡库区这一特殊的区域。三峡库区指三峡大坝蓄水到175 m, 随着水位的上升受到淹没影响的地区, 西起重庆江津, 东至湖北宜昌, 涉及区(县)20个, 总面积约5.8×104km2, 生态环境十分敏感。

三峡工程建成后, 实现了人工调控三峡库区的水位涨落速度、幅度和频率, 这与原来的天然河道的水文特征明显不同; 再加上大量的移民活动, 如耕地开垦、大兴土木、植被破坏等, 导致该区域土地利用及生态环境发生了巨大变化。因此, 对三峡库区土地利用与生态环境变化的研究具有必要性和特殊性, 一直是国内外学术界的研究热点。

本文在文献检索数据库中国知网(中国学术期刊网络出版总库、中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库)和Web of Scie­nce(核心区)中检索了1990年1月1日到2016年09月30日间文献篇名包含“三峡库区(Three Gorges Reservoir)”和“土地利用变化(Land Use Change)”或“生态环境变化(Ecological Environment Change)”的中英文文献, 分析、探讨了三峡库区土地利用与生态环境变化研究的发展阶段、主要研究内容、存在问题、趋势与挑战。

2 三峡库区土地利用与生态环境变化研究的发展阶段

三峡水库工程建设作为特殊的人类活动, 通过大坝修建、水库淹没、移民迁建及其配套基础设施建设等方式, 改变了该区域的土地利用态势, 重构了景观格局框架, 使三峡库区的土地利用/覆被变化(Land Use Cover Change, LUCC)和生态环境受到巨大影响[1]。根据LUCC的四个核心研究内容, 即LUCC状况、LUCC驱动力与驱动机制、LUCC环境效应与作用机制、LUCC模型模拟与预测[2], 三峡库区LUCC研究中四个核心内容的文献数量分别为41%、7%、36%和16%。

随着三峡大坝水利工程的实施进展, 1990~2016年间每年发表的三峡库区土地利用与生态环境变化的文献数量呈波动递增的总趋势, 基于三峡工程实施过程中的重要时间节点, 三峡库区土地利用与生态环境变化的研究可分为3个阶段(图1): 1)1990—2000年为探索阶段, 早在1990年三峡大坝工程的论证阶段, 南京土壤研究所的徐琪、陈鸿昭、曾志远[3]基于三峡库区土地资源利用现状试论缓解人地矛盾的出路。1994年三峡工程正式开工到1997年长江三峡工程完成大江截流和一期移民工程, 三峡工程第一阶段建设完成, 这期间发表的文献较少, 每年1—2篇。2)2000—2005年为起步阶段, 2003年水库开始正式蓄水及二期移民的结束, 三峡工程第二阶段建设完工。这期间, 国内、外各领域专家学者对三峡库区土地利用与生态环境变化研究的关注逐年加强, 年均发表文献数量每年约5—8篇。3)2005—2016为快速发展阶段, 2010年三峡水库正式蓄水到175 m方案标志着三峡工程全面竣工, 之后三峡工程进入了全面运行的阶段, 专家学者们对三峡库区土地利用与生态环境变化的研究范围越来越广, 研究热点转向三峡库区因土地利用变化而产生的生态环境效应研究, 每年发表的研究文献约15篇左右, 在2010年达到最高25篇。

目前针对三峡库区土地利用与生态环境变化的外文研究文献数量还不多, 发表的文献从2008年开始, 基本保持在每年3—4篇, 且多为国内学者所著, 相对来说, 目前在国际上具有较大影响力的研究文献还相对较少。

图1 三峡库区土地利用与生态环境变化研究文献(1990—2016年)

3 三峡库区土地利用变化及其驱动力

目前, 三峡库区土地利用变化的研究以库区尺度[4-7]和县域尺度[8,9]为主。研究数据源从传统的实地勘察、地形图等基本图件发展到以美国陆地卫星Landsat MMS、TM影像为主的遥感数据, 分辨率也从单一分辨率转变为高分辨率[10], 特别是归一化植被指数NDVI在植被覆被变化研究中的引用[11,12]。

通过对不同时期, 特别是三峡大坝建设前和建设后, 库区不同土地利用类型的面积、土地使用率、景观格局指数等的研究, 揭示了三峡库区土地利用变化过程及规律: 总体来看, 以2005年为分界点。2005年前, 三峡库区土地利用变化的研究主要关注土地利用的数量、结构变化, 如范月娇和江晓波[4]对三峡库区1986—2000年土地利用变化进行的分析表明, 15年来, 库区耕地一直呈减少趋势, 建设用地不断扩展, 林地出现了先增后减的态势, 草地则先减后增。2005年后, 库区土地利用变化的研究向时空变化特征逐渐加强, 并开始运用土地利用综合程度、面积变化率、动态度等指数和土地利用转移矩阵模型对土地利用变化进行定量分析。孙晓霞等[5]研究表明三峡库区1977—2005年间耕地、林地、草地向建筑用地与水域的转变, 其中, 变化幅度与速度最大的为建设用地, 其次为水域; 综合动态度最大的时期是1995—2005年。随着景观生态学的兴起, 库区土地利用变化的研究逐渐向景观空间格局深入[13,14], 彭丽[15]研究表明库区林地平均斑块面积增加, 斑块数减少, 斑块形状简化, 林地破碎化程度减缓; 而耕地则与之相反; 库区整体景观结构更复杂, 景观类型更多元, 各景观类型彼此邻近, 呈镶嵌分布格局。尽管景观格局指数还存在争议, 但总体来看, 库区森林景观破碎化程度正逐年降低, 生态系统空间布局结构有所改善。

土地利用与生态环境变化的驱动力主要分为自然和社会两个系统, 其中, 气候、土壤、水分等是自然系统中主要的驱动力类型, 而经济发展、人口增长及政策等是社会系统中的主要驱动力类型[2]。

对近30年来三峡库区的气温、降水、日照、风速、相对湿度、蒸发量变化分析结果表明, 气候对三峡库区LUCC的影响不大[16]。三峡地区的自然背景, 虽然不是库区LUCC的直接驱动因子, 但却在多方面制约和限制区域内人类的社会经济活动, 如库区地形地貌以山地、丘陵为主, 因而坡度、高程等条件限制了土地利用数量、结构、方式和强度等[17]。

与气候、土壤和地形等自然要素相比, 区域政策、经济发展和人口增长等人为因素起到了主导作用[18-20]。人口不断增长一直是三峡库区可持续发展过程中面临的主要压力, 人口增加导致粮食需求剧增, 砍伐森林、开垦荒地以扩大耕地面积, 同时, 库区移民搬迁、新城镇建设, 使得城镇用地、居民点用地迅速增加。经济持续高速发展的初期多是以生态环境恶化为代价的, 解放初期至20世纪80年代, 为了发展经济、提高粮食产量而进行了大面积毁林毁草开荒; 而后, 随着经济的发展, 耕作技术的提高, 工厂、高楼拔地而起, 大量的优质耕地又被占用为建设用地。三峡库区LUCC与国家重大宏观政策密切相关, 如1988年, 国家相继实施了“长江上游水源涵养林工程”和“长江上游天然林保护工程”, 林地和草地面积锐减的现象得到了控制, 并且有了恢复性的增长。

4 三峡库区土地利用变化及其生态环境效应

三峡库区处于我国人口众多、耕地资源紧缺, 生态环境已经遭受严重破坏的贫困地区。在这个地区建设三峡大坝, 库区淹没范围之广、移民数量之多、迁建任务之重, 古今中外均无先例[3]。因此, 如何缓解三峡库区的人地矛盾成为了学者们首先关注的问题, 对库区的土地资源利用现状、土地承载力、土地资源可持续利用等进行探索研究。土地利用变化与生态环境密切相关, 由于土地利用变化对土壤、水文、气候、生物量及生物多样性等生态因子产生重大的影响, 从而引起生态环境变化。

长期以来, 三峡库区水土流失、非点源污染、土壤环境恶化、自然灾害频发、生物多样性丧失是土地利用变化驱动下的核心生态环境问题。多数研究都是基于遥感数据(Landsat TM、MODIS、SPOT等)运用定量模型, 如RUSLE模型、SWAT模型、AnnAGNPS模型等, 对不同尺度下由于土地利用/覆被变化而引起的水土流失、非点源污染的时空特征、动态变化进行研究[21,22]。

4.1 水土流失

三峡库区是我国水土流失最为严重的地区之一, 三峡库区68.57%的区域为微度侵蚀或轻度侵蚀, 年均土壤侵蚀量为1.94×108t·a-1, 平均土壤侵蚀模数为2.74×103t·(km2·a)-1。虽然库区平均土壤侵蚀为中度侵蚀, 强度以上侵蚀面积仅占库区的14.43%, 但是侵蚀量却占总侵蚀量的58.67%, 主要分布在库区的东部, 是预防和加强水土流失治理的重点区域[23]。

土地利用方式的转变与水土流失的强弱密切相关, 合理的土地利用方式是三峡库区水土保持的重要基础, 不同土地利用类型对土壤侵蚀的影响不同, 通过137Cs示踪法对三峡库区土壤侵蚀速率进行的初步研究表明, 不同土地利用类型中, 土壤侵蚀强度的大小顺序为: 耕地>园地>草地>荒地>林地, 其中耕地为中度侵蚀, 园地、草地和荒地为轻度侵蚀, 林地为微度侵蚀[24]。另外, 研究还发现三峡库区土壤侵蚀强度与地形(坡长、坡度)、气候(暴雨)、植被覆盖等环境因素密切相关[25-27]。在此研究基础上, 旨在改善三峡库区水土流失的土地利用模式相继提出, 从生物活篱笆复合农林经营技术[28]到更加系统的库岸复合立体农业、有限顺坡耕作、水旱耕地交错布局三种典型土地利用模式[29]。随着各种林业生态工程的开展, 三峡库区水土流失状况有所好转, 但土壤侵蚀仍处于中度侵蚀, 且存在空间不确定性。

4.2 非点源污染

三峡水库自2003年蓄水后, 库区水质下降、水生态恶化、水体富营养化, 这是由于原来天然河道的水文特征、地址条件、水环境容量改变后, 库区的水体自净能力、纳污容量随之改变[30]。通过长期监测, 三峡库区水污染物排放量稳中有升, 总体水质保持在III类水质标准。

大量研究[31-34]表明, 非点源污染对三峡库区水环境污染起到主导作用。小流域不同土地利用类型对非点源污染物负荷量有明显差异, 表现为旱地总氮(TN)和总磷(TP)负荷量最大, 且远远大于其他土地利用类型, 其次是水田, 最后是林地、草地和建设用地[35,36]。基于SWAT模型以及三峡库区流域2002—2008年的水文、水质实测数据, 对不同土地利用情景的非点源影响进行模拟, 结果表明通过退耕还林措施将25°、15°、6°以上的耕地转化为林地可达到较好的非点源污染消减效果, 因此应严格控制自然植被退化, 并且有计划性、针对性地扩展林地范围[37]。

4.3 土壤温室气体排放与重金属污染

土壤环境及质量受到土地利用变化的巨大影响, 土地利用方式对土壤环境的影响一直是学者们的研究重点, 包括土壤结构[38,39]、土壤质量[40-43]、土壤肥力[44-46]、土壤温室气体排放、土壤重金属污染等。研究的深度也从表层结构、理化性质的分析过渡到引起变化的内在机制, 如土壤微生物, 养分迁移循环、能量流动等。

近年来, 由于全球气候变暖的加剧, 对土壤温室气体的排放得到学者们的关注。二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是温室气体的主要成分, 研究土壤呼吸[47]、土壤温室气体的产生、氧化机制及其影响因素, 寻求减排增汇的对策, 对减缓温室效应具有重大意义。通过测定三峡库区兰陵溪小流域针叶林、阔叶林、针阔混交林的土壤总呼吸、根系呼吸、地上凋落物分解及土壤有机质分解的呼吸速率, 发现三种森林类型的土壤总呼吸及组分的呼吸速率均呈现出夏秋季最高、冬季最低的季节变化, 且对土壤总呼吸年贡献率是土壤有机质分解＞根系呼吸＞地上凋落物分解[48]。而不同土地利用方式的土壤N2O、CH4排放通量不同[49-51], N2O年均排放总量为菜地>果园>旱地>水改旱>林地[52], CH4年均排放总量为菜地＞旱地＞水改旱＞果园＞林地[53]。消落带的温室气体排放量高于非消落区, 而消落区耕地上作物种类、耕作措施(是否施肥、施肥量)直接影响温室气体排放量[54]。

由于三峡水库特殊的水位调节, 使该地区成为典型的重金属敏感生态系统。三峡库区蓄水前, 土壤重金属污染物主要为砷(As)和镉(Cd), 主要由生活污水和工业废水产生; 而三峡库区开始蓄水后, 土壤主要污染物转变为汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb), 污染方式也转变为交通排放和工业污水排放[55]。通过研究库区小流域内不同土地利用类型(旱地、田地、林地和居民点)土壤汞(Hg)的含量及其分布特征, 并分析汞污染程度和进行生态风险评价, 结果表明流域内土壤Hg含量均值为(34.23±16.23) μg·kg-1, 不同土地类型表层土壤Hg含量为林地＞田地＞居民点＞旱地[56]。

4.4 自然灾害频发

三峡库区地形以山地、丘陵台地为主, 地基岩层破碎、承载力弱, 适宜城镇建设的土地有限; 又加上由于库区蓄水影响了众多城镇, 大批移民不得不后靠寻求新的土地进行城镇建设, 人地矛盾显著, 自然灾害频发, 伏旱、崩塌、滑坡、泥石流、洪涝、水土流失等屡见不鲜。

研究表明[57,58], 土地利用格局对灾害的诱发有至关重要的作用, 城镇用地是影响滑坡的最重要的土地利用类型, 主要包括建设过程中的开挖、堆填和坡面加载[59]。通过模拟不同土地利用格局对洪水过程的影响得到集中分布在流域上游的林地对削减洪峰有较明显的作用, 流域内随机分布的林地则对减少地表径流作用明显; 林地覆盖率越大对削减洪峰的作用越明显; 当林地覆盖率一定时, 搭配灌木林削减洪峰效果更明显[60]。随着三峡大坝的建设, 百万移迁址重建家园, 建设用地激增, 林地面积先增后减, 导致自然灾害频发。随着新城镇建设完工以及大量生态工程落地, 自然灾害在一定程度上会得到缓解。

4.5 生物多样性丧失

对生物多样性的研究和保护已经成为社会各界普遍重视的一个问题, 三峡大坝蓄水后, 库区土地利用方式和生态环境发生根本改变, 动植物生境遭受不同程度干扰和破坏[61,62], 日益破碎化, 生物多样性受到强烈影响。库区陆生生物和水生生物的生存环境发生根本变化, 物种种类、数量、丰富度、均匀度、多样性, 群落水平及垂直结构等均与蓄水前明显不同。

目前, 三峡库区生物多样性的研究与其他领域相比还相对较少。通过对三峡库区消落带植被组成和多样性影响的研究表明, 造林地消落带植被的物种数量、平均高度和生物量显著高于农业种植, 主要由农业种植的人工干扰(除草)和造林对消落带微生境(光照、温度、湿度等)的改变有关[63]。

5 生态环境质量评价及生态系统服务

对三峡库区土地利用变化引起的生态环境评价是近十年来的研究热点, 包括生态风险、生态安全、生态系统敏感性和脆弱性、生态系统健康等。目前, 主要是通过选取水热条件、地形地貌、土壤侵蚀、土地利用等生态因子建立评价指标体系, 运用综合评价方法或建立模型, 如层次分析法(Analytic Hierarchy Process)、模糊综合法(Fuzzy Comprehe­nsive Evaluation)、PSR模型、RRM模型等对三峡库区生态环境质量进行评价研究[64-67]。通过运用层次分析法和模糊综合评价法, 分别对三峡库区2000年和2007年的生态环境现状进行评价[65], 结果表明: 库区局地气候、水土流失、陆地生物多样性、水文和水质有所恶化, 但总体生态环境有恢复趋势。

三峡库区生态服务功能变化近年来也受到众多学者的关注。土地利用变化对生态服务价值的影响的研究较少, 多为县域、小流域尺度或部分功能类型的生态服务价值评估。在分析了2000—2014年三峡库区土地利用变化的基础上, 计算了由此导致的生态系统服务价值变化, 结果表明生态系统服务价值减少了0.63亿元[68]。通过对1986—2010年三峡库区(重庆段)生态系统服务价值的时空变化进行的研究表明, 近25年来, 该区域生态系统服务价值呈先降后增的V字型趋势, 2000年前持续下降, 2000年后又大幅增加, 不同土地利用类型种, 林地的生态服务价值最高[69]。目前, 三峡库区生态系统服务价值的时空变化规律尚不明确, 对生态系统的支撑、调节功能研究较多, 但对供给、文化服务还鲜有涉及。

6 展望与挑战

目前, 三峡库区土地利用与生态环境变化的研究领域多、范围广, 大到整个库区, 小到库区小流域, 内容涉及库区环境变化规律及其驱动力、生态环境效应变化(包括水土流失、非点源污染、土壤温室气体排放与土壤重金属污染、自然灾害频发、生物多样性丧失等热点)、生态环境质量评价及生态服务功能变化等不同方面。但这些研究仍有不足、需待改善之处, 总的来看, 今后土地利用与生态环境变化研究的主要趋势是走向综合, 即多学科理论与方法的综合、宏观与微观的综合、多尺度的综合, 面临的挑战可概括为:

6.1 宏观格局变化的环境效应

随着对三峡库区土地利用基础研究的累积, 对土地利用变化特征、驱动因子等研究的日益丰富, 该领域的研究重点已逐渐转移到环境效应研究, 包括生态环境因子、库区生态环境质量的综合评价、生态系统响应(生态系统服务及生态系统健康)等。目前, 对于库区生态环境因子的现状特征、变化过程及引起的生态效应的研究趋于成熟, 而对于不同生态环境因子之间相互作用的探讨相对较少, 库区土壤环境、水环境、气候环境以及生物多样性等因素如何进行相互作用、相互影响值得探讨。另一方面, 对库区生态环境质量评价、生态系统服务功能以及生态系统健康诊断与调控等宏观性、综合性强的研究工作, 尚缺乏统一的指标衡量体系, 不同领域的学者提出了基于各自研究目的的指标体系和评价标准, 研究侧重点和关注点不同, 对库区生态环境与生态系统评价的理解则不同, 从而导致指标选择和权重分配的差别, 因此得到的研究结果难以进行横向比较, 在今后的研究中, 有必要建立一套普遍适用的评价标准。

6.2 微观机理与过程研究

土地利用格局变化的环境效应研究是土地利用变化所引起的结果, 而引发这种结果的作用机理及其过程则是另一个重要的科学问题。土地利用与生态环境变化微观机理与过程研究, 主要是研究土地利用变化如何通过影响土壤、水文、气候和生物来作用于整个生态系统的组成、结构、过程和功能, 研究这其中的作用机理, 即回答“为什么”和“怎么样”的问题, 目前这方面的研究还较少, 是一个重要的挑战。并且, 当前对机理和过程的研究主要针对某一环境因子变化而展开, 如土壤侵蚀、非点源污染、植被退化和生物多样性丧失等, 但随着研究工作的深入, 开展综合性的研究也势必是未来的趋势及挑战。

6.3 尺度效应与尺度推绎

尺度效应是景观结构、功能和过程的基本特征, 包括景观粒度和幅度两方面。尺度大小的衡量通常用空间分辨率和时间单位来表示, 小尺度表示较小的研究面积或较短的时间间隔, 大尺度则表示较大的研究面积或较长的时间间隔。目前, 三峡库区土地利用与生态环境变化的相关研究已经涵盖了流域尺度、库区尺度、区段尺度、县域尺度、小流域尺度、林分尺度和群落结构尺度[70]。尺度推绎是通过建立合理的理论模型, 将已知的某个尺度下的相关研究成果, 通过“尺度放大”或“从下到上”推演得到另一尺度的状况。目前, 空间尺度耦合推绎的途径和方法还不确定, 虽然难度很大, 但却是未来研究的趋势, 因此成为了研究的另一个挑战。

6.4 模型构建与模拟预测

通过建立模型对土地利用变化过程及其驱动力等进行科学解释, 以期预测未来一段时间内土地利用变化趋势, 为可持续发展提供基础资料和理论依据。目前, 三峡库区土地利用变化的模型研究还较薄弱, 在土地利用动态变化预测中, 马尔科夫预测模型的运用较多[71]。董立新等[72]运用面向对象的方法、在SLEUTH模型本地化基础上, 分析了工程前期(1992年)与中期(2002年)农林用地的变化特征, 并模拟预测了重庆地区未来城市扩张及土地利用变化过程, 模拟显示, 在未来十几年, 该区将有一个缓慢的城市扩张过程, 耕地与林地将同时减少。

对三峡库区而言, 由于数据数量和质量问题以及对动力机制的认识尚不明朗, 使得构建模拟土地利用变化并预测变化趋势的模型面临重大挑战, 需要付出长期的努力。而未来几年的研究, 重点应放在结合库区社会经济发展、生态工程建设、城市扩展、道路网络快速发展对库区土地利用与生态环境变化的驱动, 并在此基础上进行土地利用与景观格局的模拟, 以期实现对库区土地利用与生态环境未来发展趋势的准确预测和有效调控。

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Research progress on land use and ecological environment change in the Three Gorges Reservoir Area

CHEN Yaru1,2, XIAO Wenfa1, 2,*

1. Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China 2.Key Laboratory of Forest Ecology and Environment, State Forestry Administration, Beijing 100091, China

The Three Gorges project is a giant human renovation on the earth's surface, forming a special area named the Three Gorges Reservoir Area (TGRA). Studying changes of land use and ecological environment in the TGRA is of great significance to maintain the ecological, economic and social sustainable development of this area. The research progress on land use and ecological environment changes in the TGRA from 1990 to 2016 was summarized and concluded in three aspects: land use change and its driving force, ecological environment effects including water loss and soil erosion, non-point source pollution, greenhouse gas emission and heavy metal pollution in soil, frequent natural disasters, loss of biodiversity, ecological environment assessment and ecosystem service. The future research trend will be integration and the key challenges will be macroscopical pattern change and its effects, microscopic mechanism and process, scale effects and scaling, model simulation and prediction.

the Three Gorges Reservoir Area; land use change; ecological environment; progress; challenge

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.06.029

X11

A

1008-8873(2017)06-213-09

2016-09-09;

2016-12-04

国家公益性行业(气象)科研专项: 气候和土地利用变化对森林的影响及适应对策(GYHY201406035)

陈雅如(1984—), 女, 福建泉州人, 博士, 工程师, 主要从事土地利用及生态效应, 森林景观恢复等研究, E-mail: chenyaru09@126.com

肖文发, 男, 博士, 研究员, 主要从事森林生态环境与保护研究, E-mail: xiaowenf@caf.ac.cn