土地利用与土地覆盖变化研究概要

土地利用与土地覆盖变化研究LandUseandCoverChange：LUCC1.背景和意义2.土地利用/覆盖及其变化的定义与相互关系3.LUCC的研究目标、主旨、焦点4.LUCC在全球变化研究中的重要地位5.LUCC研究进展6.LUCC模型的构建7.建立LUCC研究的数据库8.LUCC研究趋势9.案例分析10.主要参考文献提纲1.背景及意义进入90年代以来，全球环境变化研究领域逐渐加强了对土地利用/土地覆盖变化的研究(IGBP、IHDP)。IGBP国际地圈生物圈计划IHDP国际全球环境变化人文因素计划(1)首先，土地利用/土地覆盖变化在全球环境变化和可持续发展中占有重要地位。“人类通过对与土地有关的自然资源的利用活动，改变地球陆地表面的覆盖状况，其环境影响不仅仅局限于当地，而远至于全球。而土地覆盖变化对区域水循环、环境质量、生物多样性及陆地生态系统的生产力和适应能力的影响则更为深刻。”原因(2)其次，地球系统科学、全球环境变化及可持续发展涉及到自然和人文多方面的问题。在这方面加强自然和社会科学的综合研究，已成为两大学科领域众多学者的共识。“在全球环境变化问题中，土地利用/土地覆盖变化可以说是自然与人文过程交叉最为密切的问题。”隶属“国际科学联合会（InternationalScienceUnion:ICSU）”的IGBP和隶属于“国际社会科学联合会（InternationalSocialScienceCouncil:ISSC）”的IHDP，希望以此为突破口，推动全球环境问题的综合研究。1995年共同拟定并发表了《土地利用/土地覆盖变化科学研究计划》（TurnerII,1995），将其列为核心项目之一。2.土地利用/覆盖及其变化的定义相互关系（Internet信息）土地利用是人类根据土地的特点，按一定的经济与社会目的，采取一系列生物和技术手段，对土地进行的长期性或周期性的经营活动。它是一个把土地的自然生态系统变为人工生态系统的过程。土地覆盖是指自然营造物和人工建筑物所覆盖的地表诸要素的综合体，包括地表植被、土壤、冰川、湖泊、沼泽湿地及各种建筑物如道路等，具有特定的时间和空间属性，其形态和状态可在多种时空尺度上变化。土地利用侧重于土地的社会经济属性，土地覆盖侧重于土地的自然属性。土地覆盖变化包含两个方面的含义，一是转化（Conversion），另一是改变（Modification），前者是土地从一种土地覆盖类型向另一种类型的转化，后者是一种土地覆盖类型内部条件（结构和功能）的变化。当然，转化和改变之间的界限并不总是很明确的，长期的、经常性的改变最终会导致完全的转变。2.1两种变化的定义土地利用变化包括一种利用方式向另一种利用方式的转变以及利用范围、强度的改变。科尔沁沙地沙化动态1997年1990年通辽毛乌素沙地沙化动态90年代60年代榆林固定沙质草地流沙与沙化草地农田水域北京地区土地利用变化75年91年97年城镇农田灌草地水域林地草地2.2两种变化的关系•单一的土地利用形式往往与某一种土地覆盖类型相对应（放牧－草地）。一种土地覆盖类型可能支持多种利用方式，如森林可用于木材开采、采伐或火烧后用于耕作、狩猎和采集、燃料木收集、娱乐活动、野生生物保护、水土保持等。一个单一的土地利用系统可能包含不同的土地覆盖类型共同存在，如一个农业系统兼有耕地、林地、已开发的牧场、村落（居民地）。•土地利用的变化很可能引起土地覆盖变化，但在土地利用不变的情况下，土地覆盖也可能发生变化。如当木材生产或耕作的常速超过了森林的更新能力时，森林将不断地缩小。•现在大多数的土地覆盖变化是为人类的土地利用所驱动，土地覆盖的变化是土地利用变化的直接响应。3.LUCC的研究目标、主旨、焦点•更好地认识全球土地利用和土地覆盖的驱动力；•调查和描述土地利用和土地覆盖动力学中的时空可变性；•确定各种土地利用和可持续性间的关系；•认识LUCC、生物地球化学和气候之间的相互关系。最终增进我们对基于区域以模型方式显示的土地利用与土地覆盖之间关系的理解，以更好地进行预测。LUCC计划研究的基本目标是提高对全球土地利用和土地覆盖变化动力学（动态过程）的认识，并着重提高预测土地利用和土地覆盖变化的能力。LUCC研究的实质是为人类进一步理性化的土地利用服务，通过对人类土地利用及所带来的土地覆盖变化的研究，对人类现时的土地使用政策进行评估，预测由此所带来的种种后果，以求最终能提出土地利用的最优模式，实现可持续性的土地利用。焦点由于土地利用/覆盖变化的机制对解释土地覆盖的时空变化和建立土地覆盖变化的预测模型起关键作用，是整个全球环境变化研究计划对土地利用/覆盖变化项目的要求，因而是LUCC研究的焦点。要进行土地利用/覆盖变化机制研究，现在主要是通过遥感图像分析，通过区域性案例的研究，了解过去不同时段土地覆盖的空间变化过程，并将其与改变土地利用方式的自然和经济主要驱动因子联系起来，建立解释土地覆盖时空变化的经验模型。再结合土地利用的地面调查，建立区域性的驱动因子－土地利用－土地覆盖变化的诊断模型。4.LUCC在全球变化研究中的重要地位•地球上至少有一半的没有被冰雪覆盖的陆地表面已由于人类的各种利用而发生了实质性的改变(Kate,1990);•Vitousek等(1992)估计近40％的地球陆地总净生产力是被人类利用或者通过土地使用的变化而消费掉，4％的陆地净生产力为人和家养动物直接利用，26.7％发生在人控制的系统（如农地）内，还有近12％是因为人类活动而遗失。•土地利用/土地覆盖的变化对全球CO2升高的作用是及其明显的，在当代，其作用仅次于化石燃料的燃烧，也有研究表明，在过去150年间，土地覆盖的变化和矿物燃料的燃烧向大气层排放了大致相等数量的CO2(Houghton,1990)，而且是CH4和N2O等温室气体增加的主要原因，并对局地和区域气候产生影响(Vitousek,1994)。•土地覆盖通过特定的地表特征（粗糙度、反射率与影响水热通量的其他性质）影响着海洋驱动的大气环流的基本格局并导致区域与局地气候发生变化。•不同的土地覆盖类型有着不同的生态系统结构、群落组成与生物量；它们也以不同的速度吸收与固定诸如炭与氮之类的养分，对营养成分在土壤、大气与水中的分布有着重要影响。(B.L.TurnerII,DavidSkole,1992)土地覆盖—大气的相互作用生物地球化学大气化学水与能量生物多样性生态系统的结构与功能物种与基因多样性土地覆盖的破碎化可持续性问题土壤利用与侵蚀速率土壤养分的保持水资源利用农业–生态潜力/承载容量农村规划/环境与发展国家与国际政策对全球气候变化的响应对气候变化的土地敏感性减缓气候变化的土地利用综合建模与评价全球变化专题性研究中所需的LUCC信息5.LUCC研究进展及趋势基本研究内容(a)土地覆盖变化对全球环境变化的影响。主要回答土地利用如何通过改变土地覆盖而影响全球环境变化。全球环境变化包括两个层次的变化（TurnerII,1990）：系统性的变化和累积的变化。前者是真正全球意义上的变化，如气候波动和碳循环等；后者是区域性的变化，其累积效果影响到全球性的环境现象，如植被破坏、生物多样性的损失及土壤侵蚀等。土地覆盖变化对系统性全球环境变化的影响研究的内容包括：温室气体的竟释放效应、大气下垫面反照率的变化等等。对累积性变化影响的研究内容包括：土地退化、生物多样性、流域水平衡、水质和水环境、河流泥沙及海洋生态系统等等方面的影响。(b)全球环境变化对土地覆盖变化的影响。研究其它方面的环境变化，主要是气候变化对土地利用/土地覆盖的影响，以及土地利用/土地覆盖对可能的环境变化的敏感性。气候变化对土地利用/土地覆盖的影响包括通过气温和降水的波动造成的直接影响及通过干旱、洪水、土地退化产生的间接影响。(c)土地利用/土地覆盖变化与可持续发展。由于陆地和海洋生态系统的土地、水、食物及纤维等资源的丰缺都会受到土地利用/土地覆盖变化的直接或间接的影响，因此世界环境和发展大会所提出的许多可持续发展问题均与土地利用/土地覆盖变化有关。5.8土地利用/土地覆盖变化的环境影响(1)大气化学性质及过程•对全球气候变化有影响的温室气体是主要的长命气体成份（Penner,1992）;其可因土地覆盖的变化而增加。•森林消失、土壤碳的氧化、化石燃料的燃烧等都使大气中CO2浓度增加;土地利用变化对19世纪全球大气CO2增加起着重要的作用，其作用仅次于化石燃料的燃烧（Keeling,1976；Bacastow,1981；Rotty,1981），对大气CO2含量增加有净贡献；从1750年以来，大气中CH4的浓度增加一倍多，原因主要是人类工农业活动的共同作用；N2O增加的速度较慢，很可能主要与热带的土地利用变化及农业活动有关（Matson,1990）；CFC-11（氟氯烷－11）由1950年的0增加到1990年的0.29ppbv（体积的十亿分之一）（Houghton,1990）。•土地利用变化是大气中CH4和N2O浓度增加的最主要原因。稻田、生物燃烧、牲畜等释放出CH4，土壤、肥料、生物燃烧放出N2O。(2)气候变化•微气候的变化•区域气候乃至全球变化影响•城市的热岛效应(3)水文的变化•土地利用/土地覆盖变化的水文（地表水和地下水）影响包括水质和水量的变化。•由于人类耕作（特别是化学肥料和杀虫剂的使用）和定居（城市污水）引起的土地覆盖的变化已造成了世界性的水污染（Rogers,1992；Smil,1990）。•很多研究表明，森林开采（特别是高地上的森林）增加了下游洪水泛滥的频率和强度（Richey,1989；Sterbberg,1987）。(4)对生物多样性的影响•全球1/3—1/2的陆地表面，已经被人类活动所改变。•一些重要的生态系统变成斑块（fragments），有的实际上已消失（如高草草原，干季落叶的热带森林）。•大量的种和遗传学上独立的种群已消失（Wilson,1992；Myers,1993）。•拥有全球50％物种的栖息地的热带雨林，比原有面积减少一半；温带森林1/3已被砍伐；温带雨林已成为濒危生态系统；澳大利亚、新西兰、美国加利福尼亚的湿地已消失一半；亚洲、拉丁美洲、西非的红树林损失严重，印度、巴基斯坦、泰国至少有3/4的红树林受到损害。在中国，2000年前森林覆盖率达50％，现在只约有13.8％。热带森林大部分被橡胶园和热带作物园取代，老龄的落叶阔叶林已消失，现存的主要为中龄的次生落叶阔叶林，常绿阔叶林是生物物种最丰富的一个森林类型，同样遭到严重破坏，保存较好的呈片断化分散在不同的山地上的。•由于过渡放牧，退化草场占可利用草场面积的1/4，由于各种原因引起的土地沙化面积达1.26亿公顷。•土地利用模式的改变使物种栖息地斑块化，造成了许多交错带，产生了边界效应(edgeeffect)，引起生物多样性的变化。6.模型构建与驱动力分析6.1目的及意义•在不同的时空尺度上对LUCC的主要社会经济与自然驱动力，以及LUCC对这些驱动力与全球变化的反馈进行模拟，在此基础上对LUCC进行准确的预测。•增进对在局部、区域以及全球等不同尺度上的LUCC与主要驱动力之间关系的动态与后果的理解，也可以加深我们有关LUCC对外界变化敏感性的认识。6.2建模方法•数理统计的方法：通过数理统计可以构建三种类型的经验性模型，即马尔科夫链转换概率模型或罗揭斯谛模型；回归模型；空间统计模型，这些模型结合在一起，可以用来分析何时（马尔科夫链转换概率模型或罗揭斯谛模型）、何故（回归模型）以及何处（空间统计模型）发生着土地利用与土地覆盖的转换过程，而且这些经验性模型还可被用来作为构建力学或系统动态学模型的基础。但这些模型的可信性是建立在所获取的数据的可靠性基础之上的。•系统动态学的方法：系统动力学模型是建立在对土地利用与土地覆盖变化过程的系统仿真基础之上，是对其动态与实时的模拟，如果能保证模拟的正确性与全面性，可以获得较前者更高可信度的预测结果。但也存在着过程复杂、难以把握的缺点。6.3对于构建新的LUCC模型的要求•首先，