土地利用、覆被變化（LUCC）與環(huán)境變化關(guān)系研究進展

張新榮，劉林萍，方石，姜文超，王金臣

土地利用、覆被變化（LUCC）與環(huán)境變化關(guān)系研究進展

張新榮1,2，劉林萍1，方石1,2，姜文超1，王金臣1

1. 吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長春130061；2. 東北亞生物演化與環(huán)境教育部重點實驗室，吉林 長春130026

土地利用、覆被變化（LUCC）作為環(huán)境變化的主要原因之一，已成為全球變化研究的前沿和熱點問題。文章總結(jié)了國內(nèi)外LUCC與環(huán)境變化關(guān)系的主要研究成果和方法，繼而從氣候、碳循環(huán)、土壤環(huán)境、水環(huán)境以及生態(tài)環(huán)境對土地利用方式的限制等方面概括了LUCC與環(huán)境變化之間的關(guān)系。LUCC通過改變大氣成分和下墊面性質(zhì)對氣候造成影響；影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)；改變土壤的理化性質(zhì)，帶來土壤污染、土壤養(yǎng)分遷移等土壤質(zhì)量問題；并且引起水體的非點源污染，影響區(qū)域的產(chǎn)水量和水循環(huán)。同時，環(huán)境變化對LUCC具有限制作用。不僅通過特定的氣候環(huán)境直接限制土地的利用方式；還間接通過借助人類生態(tài)環(huán)境意識的改變，實現(xiàn)對區(qū)域土地利用強度與方式的約束。LUCC既是全球環(huán)境變化的原因，也是全球環(huán)境變化的結(jié)果。LUCC與生態(tài)環(huán)境之間存在著復(fù)雜的、非線性的動態(tài)反饋關(guān)系。進一步探討了當前LUCC與環(huán)境變化關(guān)系的主要研究方向和相關(guān)研究方法，針對目前存在的缺乏統(tǒng)一的指標體系，研究區(qū)域、時空尺度單一，以單要素靜態(tài)研究為主，實驗研究相對薄弱以及動態(tài)模擬不夠等問題，提出加強跨學(xué)科綜合交叉研究、注重多尺度探討LUCC的環(huán)境效應(yīng)、構(gòu)建一個LUCC環(huán)境效應(yīng)研究的統(tǒng)一指標體系及加強“3S”技術(shù)與模擬模型的融合等建議。為尋求更科學(xué)更合理的土地利用方式提供了基礎(chǔ)信息。

土地利用、覆被變化；氣候變化；環(huán)境變化；碳循環(huán)

土地利用、覆被變化（LUCC-Land Use and Land Cover Change）對全球環(huán)境變化有著舉足輕重的影響，與全球氣候波動、生態(tài)系統(tǒng)演變、生物多樣性變化等密切相關(guān)（陳佑啟和楊鵬，2001）。隨著全球變化研究的深入，人們認識到土地利用、覆蓋變化（LUCC）是造成全球變化的重要原因（擺萬奇和柏書琴，1999），因此LUCC正在成為地球系統(tǒng)新的研究重點（王秀蘭和包玉海，1999）。LUCC既是全球環(huán)境變化的原因，也是全球環(huán)境變化的結(jié)果。20世紀90年代以來，LUCC研究受到許多國際科學(xué)組織的普遍關(guān)注，并作為影響全球環(huán)境變化的主要驅(qū)動因子加以重點研究。具有重大影響力的“國際地圈與生物圈計劃”（IGBP）和“全球環(huán)境變化人文因素計劃”（IHDP）都將LUCC作為自己的核心研究項目（Huang等，1999；Li，1996）。

1 國外、國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1.1國外現(xiàn)狀

土地利用與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系問題，早在工業(yè)革命后期就開始引起各國專家的注意。1865年，Marsh在《Man and Nature》一書中科學(xué)地論述了土地利用與生態(tài)環(huán)境之間的依存關(guān)系，為土地生態(tài)學(xué)的建立奠定了理論基礎(chǔ)。爾后，蘇格蘭生物學(xué)家和社會學(xué)家Goddes，美國森林學(xué)家Mackaye等都對土地利用及生態(tài)環(huán)境之間的相互關(guān)系理論做出了重大的貢獻。

20世紀初，土地覆被的概念產(chǎn)生以后，土地覆被及其變化作為一個重要的科學(xué)問題與全球環(huán)境變化研究緊密地結(jié)合起來，特別是TurnerⅡ提出的“兩類全球變化”思想（即：全球環(huán)境的“系統(tǒng)性變化”和“累積性變化”）起了主要作用（Turner II等，1994）。

目前，國外土地利用變化主要研究土地利用變化過程及其驅(qū)動力機制和土地覆被變化對環(huán)境的影響兩個方面（乇智勇，2008）。LUCC核心項目計劃委員會成立后，國際組織和一些國家陸續(xù)開始了各自的LUCC研究（曹跟小，2009）。近年來，

由于全球環(huán)境變化劇烈及由此造成的影響，國際上關(guān)于LUCC的研究逐漸深入到探討到對生態(tài)環(huán)境效應(yīng)方面（顧朝林，1999）。如：很多學(xué)者（Pielke和Avissar，1990；Stohlgren等，1998；Rasmussen等，1998；Murray和Rogers，1999）對土地利用變化引起的區(qū)域氣候、土壤、水文、地質(zhì)等生態(tài)因子變化及其對生態(tài)系統(tǒng)影響進行了大量研究。

1.2國內(nèi)現(xiàn)狀

隨著國際上有關(guān)LUCC及其環(huán)境效應(yīng)研究的進展，20世紀90年代起，中國學(xué)者緊跟國際研究動態(tài)，對區(qū)域土地利用引起的生態(tài)環(huán)境變化也進行了較為深入的研究。眾多學(xué)者選取生態(tài)脆弱區(qū)（東北樣帶、農(nóng)牧交錯帶等）和人文、自然驅(qū)動力活躍的熱點地區(qū)（深圳市、北京市等）進行相關(guān)研究，并提出合理的土地利用開發(fā)方案。通過對具有代表性的地區(qū)的土地覆被變化及其環(huán)境效應(yīng)研究，呼應(yīng)了國際LUCC研究計劃，如劉敏等（2010）以我國長江三角洲為例，得出LUCC同水網(wǎng)體系消失緊密相關(guān)，同時也是造成河流、湖泊水質(zhì)等發(fā)生變化的主要原因。

隨著LUCC研究方法和技術(shù)水平的提高，我國LUCC的區(qū)域環(huán)境效應(yīng)研究也取得了一定的進展。如郭旭東等（1999）分析了LUCC對區(qū)域氣候、土壤、水量和水質(zhì)的影響。以往的研究多集中在對某一環(huán)境要素或某些指標的影響（田宇鳴和李新，2006），而對環(huán)境效應(yīng)過程與機理的研究較少。目前，我國LUCC與全球變化關(guān)系系統(tǒng)研究時間還不長，主要是通過遙感、野外觀測與調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)的模型計算與分析，探討LUCC的環(huán)境效應(yīng)。

2 LUCC與環(huán)境變化關(guān)系研究的主要內(nèi)容

2.1LUCC與全球環(huán)境變化的關(guān)系

全球（環(huán)境）變化，實際上是一種新的人與環(huán)境的不協(xié)調(diào)。如淡水資源缺乏、土地侵蝕和沙化、大氣化學(xué)成分改變、臭氧層的破壞、全球變暖等等，這些都是可能導(dǎo)致重大災(zāi)難的環(huán)境變化。

LUCC與全球變化之間存在著密切關(guān)系，LUCC既是全球環(huán)境變化的原因，也是全球環(huán)境變化的結(jié)果。LUCC與生態(tài)環(huán)境之間存在著復(fù)雜的、非線性的動態(tài)反饋關(guān)系。一方面土地利用的變化是生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變的主要驅(qū)動因子，另一方面，生態(tài)環(huán)境以土地為載體，由大氣、水、環(huán)境等組成人類生命環(huán)境系統(tǒng)，既給土地利用提供物質(zhì)能量，又對土地利用產(chǎn)生限制作用。兩者在同一地理空間內(nèi)，耦合成一個多層次地域復(fù)合系統(tǒng)，相互影響，協(xié)同演化（萬利，2009）。

LUCC對全球變化的影響是研究自然與人文過程的理想切入點，已成為全球變化研究的熱點領(lǐng)域（張丕遠等，1997；史培軍等，2006）。環(huán)境變化是土地利用結(jié)果的累積，這種累積既有時間上的累積，如現(xiàn)在全球性的水土流失是過去人類刀耕火種，對土地資源進行掠奪式利用的后果的累積；也有空間上的累積，即：土地覆被的變化發(fā)生在地球上不同的地方，累積起來具有全球意義。雖然小范圍區(qū)域性的土地利用、覆被變化對地球系統(tǒng)的主要性質(zhì)的影響可以忽略不計，但這樣的變化在時間和空間上不斷重復(fù)出現(xiàn)，并通過累積效應(yīng)產(chǎn)生全球規(guī)模的重要影響（史培軍等，2006）。同時生態(tài)環(huán)境變化反過來也會制約土地利用方式。

2.2土地利用、覆被變化對氣候和大氣環(huán)境的影響

氣候作為生態(tài)環(huán)境最活躍的因子，是生態(tài)環(huán)境形成和演化的重要動力（黃方等，2003），也是研究全球變化的重要內(nèi)容，國內(nèi)關(guān)于LUCC對全球變化影響的研究主要集中在氣候方面（史培軍等，2003；張新時等，1997；符淙斌等，1992；孫紅雨等，1998；周廣勝和王玉輝，1999）。LUCC對氣候的影響主要表現(xiàn)在大氣成分的改變和下墊面性質(zhì)變化兩個方面（圖1）。

LUCC可以通過改變大氣中溫室氣體的含量和組成來影響大氣質(zhì)量。不合理的土地利用促使CO2、CH4和N2O等溫室氣體大量排放到空氣中，從而改變了大氣的組成成分。全球每年有1/3的CO2、70%的CH4、90%的N2O的排放來自土壤和土地利用、覆被變化（Sumdquist，1998；Sposito和Reginato，1992），由此造成的溫室效應(yīng)反過來又會給影響環(huán)境變化。

圖1 土地利用、覆被變化對氣候環(huán)境影響的機制Fig. 1 LUCC?s Impacts on Chmatic

有關(guān)研究表明：在過去的150年中，LUCC導(dǎo)致了大約相當于同期化石燃料向大氣中凈釋放的CO2凈通量，成為導(dǎo)致全球CO2釋放僅次于化石燃

料燃燒的第二個主要原因，同時使CH4的濃度增加一倍多（Nasrallah等，1987）。LUCC是CH4的直接來源（Cicerone和Oremland，1988；Keith等，1992）。大氣中N2O的濃度也有所增長，可能與熱帶的土地利用變化及農(nóng)業(yè)活動有關(guān)（郭東旭等，1999）。N2O可以破壞臭氧層而引起地表輻射的增強。LUCC在所有的N2O來源中占到了80%（張潤森等，2013）。LUCC是大氣中CH4和N2O濃度增加的最主要原因（Maston和Vitousek，1990；Fung等，1991）。另外，與LUCC有關(guān)的生物燃燒使得CO、NO等化學(xué)性質(zhì)活潑的微量氣體進人大氣，也對大氣環(huán)境造成一定的影響。據(jù)Crutzen和Andreae（1990）估計60%的CO來源于LUCC。

LUCC除影響大氣的成分外，還通過改變下墊面性質(zhì)，即由于地表反射率、粗糙度、植被葉面積以及植被覆蓋比例的變化引起溫度、濕度、風(fēng)速以及降水發(fā)生變化，由此引起局地與區(qū)域氣候變化（田宇鳴和李新，2006）。土地覆被還通過影響凈輻射、顯熱和潛熱比，以及降雨在土壤水、蒸散和徑流中的分配而影響區(qū)域氣候（Foley等，2005）。其中，城市熱島效應(yīng)是土地利用變化影響區(qū)域氣候的最典型的例子。城區(qū)建筑面積的增加、建筑密度的增大和綠地面積的減少等，使得地表蒸發(fā)冷卻降低而儲存的熱量增多，從而加劇了城市空氣產(chǎn)生熱島效應(yīng)（Stathopoulou和Cartalis，2007）。

目前關(guān)于LUCC對氣候影響的研究，主要借助全球或區(qū)域氣候模式進行數(shù)值模擬試驗研究。但由于缺乏綜合模型、缺乏數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的不可靠性，關(guān)于LUCC對氣候的影響，目前只能作粗略的估算（施明樂，2004）。盡管許多學(xué)者已經(jīng)研究了LUCC的影響，但是因為中國區(qū)域土地利用的多樣性變化，尤其是農(nóng)業(yè)的變化，導(dǎo)致這些對中國氣候系統(tǒng)有影響的相關(guān)數(shù)據(jù)仍然很少。目前大面積熱帶森林砍伐造成的影響方面，已經(jīng)取得了一定的進展。需要進一步的結(jié)合氣候模型來深入研究（Dong等，2013）。

2.3LUCC對碳循環(huán)的影響

LUCC是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的關(guān)鍵驅(qū)動因素，全球范圍內(nèi)LUCC造成大量CO2釋放到大氣中。不同的土地覆被格局造成的碳釋放量不同（陳廣生和田漢勤，2007）。森林砍伐、森林轉(zhuǎn)化為農(nóng)田或草地、森林和草地的退化、城市用地增加等土地利用、覆蓋類型的改變都可能導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)碳釋放量增加，而退更換林還草等工程的實施會導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)碳釋放量增加。全球的碳有46%貯存在森林，23%貯存在熱帶及溫帶草原，其余貯存在耕地、濕地、凍原、高山草地及沙漠半沙漠中（周廣勝，2003）。不同的土地利用方式改變了地表植被和土壤的分布，導(dǎo)致CO2釋放量與吸收量的變化，即改變了自然碳源和碳匯（梅西，2008）。表1給出了LUCC對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支平衡影響的估計量。

盡管LUCC及其相關(guān)過程與生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的關(guān)系已經(jīng)比較清楚，但是如何量化兩者之間的關(guān)系還存在很多不確定性。目前的量化過程主要是利用經(jīng)驗數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，機理性不強，使得對LUCC造成的陸地生態(tài)系統(tǒng)CO2釋放量的估測差異很大。除了進一步加強長期定位研究以獲得LUCC與生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的定量關(guān)系外，LUCC模型與植被動態(tài)模型、生態(tài)系統(tǒng)過程模型的耦合也是今后模型發(fā)展的主要方向之一。今后在模型中耦合管理措施來研究LUCC過程對生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響是未來幾年的工作重點（周廣勝，2003）。

表1 LUCC對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支平衡影響的估計Table 1 Estimates on the effects of LUCC on terrestrial carbon balance

2.4LUCC對土壤環(huán)境影響

在全球變化中，土壤環(huán)境不僅受LUCC的影響而發(fā)生變化，土壤環(huán)境反過來又對LUCC產(chǎn)生作用。LUCC對土壤環(huán)境的影響主要表現(xiàn)為不合理的土地利用方式，造成土壤理化性質(zhì)變化（如土壤侵蝕、

土壤板結(jié)等）、土壤污染和土壤養(yǎng)分的遷移，從而使土壤質(zhì)量發(fā)生變化導(dǎo)致土地退化（表2）。目前關(guān)于LUCC對土壤環(huán)境影響的研究主要集中在土地退化方面。其中，土壤侵蝕、土地沙化、水土流失、鹽漬化、土壤肥力的喪失等是土地退化的幾種主要形式。

表2 LUCC對土壤質(zhì)量的影響Table 2 LUCC?s impacts on the soil quality

森林的破壞、過度放牧以及農(nóng)業(yè)的不合理利用土地等動因帶來的土地利用、覆被變化會造成了全球范圍內(nèi)的土壤侵蝕和土地沙化，甚至對土地荒漠化也有一定的影響。由于過度開墾、過度放牧和過度砍伐，導(dǎo)致了我國北部、西部、農(nóng)牧交錯地帶嚴重的土壤沙漠化。LUCC對徑流的產(chǎn)生和土壤侵蝕有重要影響（朱連奇等，2003），植被的覆蓋度的變化直接影響著徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)。LUCC對荒漠化也有一定的影響（查勇等，1997）。

LUCC會造成土壤污染，Motelay-Massei等（2004）對法國Seine River盆地土壤中的多氯聯(lián)苯（PCBs）、多環(huán)芳烴（PAHs）等有毒有機污染物的空間分布特征的研究表明，城市土壤中的含量顯著高于農(nóng)業(yè)土壤。在東南部經(jīng)濟發(fā)達區(qū)，對上海崇明島不同土地利用方式下土壤污染的分析發(fā)現(xiàn)，工業(yè)區(qū)土壤重金屬Cu、Cr、Pb全量最高，而濕地最低（靳治國等，2009）。

LUCC會造成土壤養(yǎng)分遷移，水土流失使土壤養(yǎng)分流失的主要途徑。根據(jù)Peter和Correcl（1984）對N、P、C流失進行了分析，發(fā)現(xiàn)在自然植被及其土壤系統(tǒng)的營養(yǎng)循環(huán)能力遠遠強于玉米地，N的循環(huán)在河邊林地中（89%）遠遠高于耕地中（8%），P也有類似的調(diào)查結(jié)果。世界范圍內(nèi)，由于土地覆蓋變化而引起的土壤損失和退化以及沉積物運輸已經(jīng)極大地增長了（Rozanov等，1990）。

目前關(guān)于LUCC土壤環(huán)境效應(yīng)的研究，國內(nèi)外已建立了很多土壤侵蝕模型。遙感（RS）技術(shù)和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)在LUCC與土壤侵蝕關(guān)系研究中也得到了廣泛的應(yīng)用。LUCC的土壤養(yǎng)分效應(yīng)研究多采用數(shù)理統(tǒng)計法和空間分析法，模型使用較少。土壤質(zhì)量退化的動態(tài)評價方法多采用多變量指標克立格法和土壤質(zhì)量動力學(xué)方法（趙其國等，1997）。國內(nèi)對LUCC的土壤效應(yīng)研究主要集中在LUCC對土壤肥力性狀的影響；單一LUCC類型下土壤退化的發(fā)生機理、退化過程及其相應(yīng)的調(diào)控對策；土壤污染發(fā)生的類型與產(chǎn)生的效應(yīng)等（杜習(xí)樂等，2011）。

2.5LUCC 對水環(huán)境影響

LUCC對水環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在對水質(zhì)、水量和水分循環(huán)的影響。不合理的土地利用、覆蓋變化是造成區(qū)域水環(huán)境不斷惡化的重要原因之一（張殿發(fā)等，2003）。

LUCC是造成河流水質(zhì)發(fā)生變化的主要原因，對水質(zhì)的影響主要是通過非點源污染（表3）。幾乎所有的非點源污染來源都和LUCC緊密聯(lián)系。非點源污染是指溶解的或固體污染物從非特定的地點，在降水和徑流沖刷作用下，通過徑流過程而匯入受納水體（如河流、湖泊、水庫、海灣等），引起的水體污染（Ouyanga等，2006）。LUCC對水質(zhì)的影響以農(nóng)業(yè)用地和建設(shè)用地的影響最大。在荷蘭，水環(huán)境中來自農(nóng)田的N、P的負荷分別占60%和50%左右（Boers，1996），而美國60%以上的

地表水環(huán)境問題是由農(nóng)業(yè)活動引起（Tim和Jolly，1994）。而由城鎮(zhèn)化引起的LUCC所產(chǎn)生的城市污水已造成了世界性的水污染。如在長江中下游地區(qū)，由于工業(yè)化、城市化迅速發(fā)展和人口的劇增，排入湖泊的營養(yǎng)物質(zhì)大量增加，使湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變、功能下降，富營養(yǎng)化進程加速，引起一系列嚴重的環(huán)境問題（劉瑞民等，2006）。

表3 LUCC對區(qū)域水質(zhì)的影響Table 3 LUCC?s impact on Regional Water Quality

LUCC對水量具有較大的影響（表4）。LUCC會造成下墊面性質(zhì)的改變，影響截留、下滲、蒸發(fā)等水文要素以及產(chǎn)匯流過程。一方面，土地利用結(jié)構(gòu)的變化特別是農(nóng)業(yè)的擴張與工業(yè)的發(fā)展，使區(qū)域水資源需求量急劇增加，造成了區(qū)域地下水超采、水資源供求緊張等，影響了區(qū)域水資源的總量。另一方面，土地利用變化帶來的土地覆被變化也對區(qū)域產(chǎn)水量產(chǎn)生重要的影響（林澤新，2002）。目前關(guān)于土地利用變化對產(chǎn)水量影響的研究多是通過分析在區(qū)域尺度上下墊面產(chǎn)水量的變化來闡述土地利用變化對水資源的影響（Boers，1996）。例如高俊峰等（2002）的研究表明，太湖流域土地利用變化對流域產(chǎn)水量有較大影響。目前，LUCC對水資源量的影響已經(jīng)由水量和水質(zhì)的變化反映出來，但是影響機制還需要進一步探索（胥彥玲等，2000）。

表4 LUCC對區(qū)域產(chǎn)水量的影響Table 4 LUCC?s impact on Regional water production

LUCC通過改變地表植被的截留量、土壤水分的入滲能力和地表蒸發(fā)等因素影響水量空間分布，進而影響水文循環(huán)（表5）。降水、蒸發(fā)和徑流是

水循環(huán)過程的三個最主要環(huán)節(jié)，這三者構(gòu)成的水循環(huán)途徑?jīng)Q定著全球的水量平衡，也決定著一個地區(qū)的水資源總量。人類活動主通過改變LUCC影響水文循環(huán)過程。眾多研究表明，大尺度LUCC是影響區(qū)域氣候與水文循環(huán)變化的重要因子（Hutjes等，1998；Zhang等，2001）。Nunes等認為，由LUCC引起的區(qū)域植被生態(tài)系統(tǒng)的變化對區(qū)域水文循環(huán)過程起著極其顯著的作用（Nunes等，1999）。秦莉莉等（2005）用L-THIA城市水文模型對浙江臨安市南苕溪以上流域，定量分析了城鎮(zhèn)化對徑流的長期影響，研究表明在相同的雨量情況下，下墊面條件的變化是導(dǎo)致徑流量變化的主要因素。因此可通過優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)與空間布局來減緩氣候變化帶來的水文負效應(yīng)（袁宇志等，[DOI]10.13287/j.1001-9332. 20141224.006）。

表5 LUCC對區(qū)域水循環(huán)的影響Table 5 LUCC?s impacts on local water hydrologic cycle

在水環(huán)境效應(yīng)的研究方法上，監(jiān)測、取樣與模擬試驗是獲取數(shù)據(jù)的基本途徑。由于LUCC對水量、水質(zhì)的影響研究起步早、發(fā)展快，目前的研究模型已經(jīng)十分完備和成熟。學(xué)者們通過長期的監(jiān)測、實驗總結(jié)了大量的模型用于研究LUCC的水文環(huán)境效應(yīng)，如Baste和Bower（1982）己經(jīng)總結(jié)了14個LUCC對水量、水質(zhì)影響的評價模型。近年來出現(xiàn)了LUCC水文效應(yīng)研究的多種綜合方法，如模型耦合法（Sophocleous和Perkins，2000）、美國地質(zhì)勘探局開發(fā)的模塊化模擬系統(tǒng)（MMS）（Leavesley等，2002）。目前，LUCC對水環(huán)境影響只進行了定性分析，應(yīng)進一步在實地觀測的基礎(chǔ)上進行定量研究。關(guān)于流域集水區(qū)LUCC對水文過程影響的研究，以及區(qū)域水文對植被組成結(jié)構(gòu)與變化響應(yīng)機制的研究已經(jīng)成為現(xiàn)今水文科學(xué)的熱點研究領(lǐng)域，也是水文科學(xué)發(fā)展的一個重要領(lǐng)域（Hoff，2002）。

3 生態(tài)環(huán)境對土地利用方式的限制

土地利用作為人類活動的主要方式，在影響生態(tài)環(huán)境的同時也受到生態(tài)環(huán)境的約束，二者共同構(gòu)成土地利用與生態(tài)環(huán)境之間的雙向反饋關(guān)系。不同的生態(tài)環(huán)境對土地利用方式的限制也不同。對某一具體地區(qū)而言，環(huán)境特征限制土地利用方式主要表現(xiàn)現(xiàn)在直接限制和間接限制兩方面。

3.1直接限制

直接限制是整個作用的基礎(chǔ)，也是生態(tài)環(huán)境對區(qū)域土地利用限制作用的核心部分，可稱之為“硬約束”，主要表現(xiàn)為特定的氣候環(huán)境直接決定土地的利用方式。氣候因子的變化影響區(qū)域土地利用方式的轉(zhuǎn)變。趙庚星等（2003）認為50年前黃河三角洲地區(qū)的土地利用變化主要是受氣候因素、風(fēng)暴潮和黃河改道等自然因素驅(qū)動。方修琦（1999）認為氣候變化所導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)氣候資源條件的變化是導(dǎo)致北方農(nóng)牧交錯帶形成的原因。氣候因子還會在微觀區(qū)域內(nèi)對土地利用的方式與布局產(chǎn)生重要影響，如為了消除“熱島效應(yīng)”，必須嚴格控制城市建設(shè)用地密度，合理安排建設(shè)用地布局。這就會對城市土地利用強度產(chǎn)生約束，進而影響了城市土地擴張的方式。

3.2間接限制

間接限制是整個作用的重要組成部分，可稱之為“軟約束”。間接約束主要指生態(tài)環(huán)境通過借助人類生態(tài)環(huán)境意識的改變，實現(xiàn)對區(qū)域土地利用強度與方式的約束，具體表現(xiàn)為人類為消除生態(tài)環(huán)境問題而付出的持續(xù)努力。從作用的過程來看間接約束首先表現(xiàn)為土地利用的失控使生態(tài)環(huán)境問題日益加?。ɡ钸吔?007）。人們在切實感受到問題顯現(xiàn)帶來種種災(zāi)難與毀滅性破壞之后，開始認識到生態(tài)環(huán)境的重要性，并有意識思考問題產(chǎn)生的原因及防治的對策，同時制定各種政策與措施來約束自身的土地利用行為，以求使人類的土地利用活動限制在“硬約束”的框架之內(nèi)。最后，隨著時間的推移和持續(xù)的努力，這種約束的逐漸顯示出巨大的努力，并最終引導(dǎo)了土地利用與生態(tài)環(huán)境關(guān)系的改

善。如，氣候變暖導(dǎo)致的應(yīng)對氣候變化政策措施促進了生物能源的發(fā)展，將進一步改變局地的土地利用格局，進而影響到土地覆蓋類型的改變。王兆禮運用RS、Gis技術(shù)與數(shù)理統(tǒng)計方法，分析了深圳市土地利用變化狀況及其驅(qū)動力機制，全面了解土地利用變化對生態(tài)環(huán)境的影響；然后建立了區(qū)域土地利用變化生態(tài)環(huán)境影響綜合評價模型，提出了生態(tài)環(huán)境影響度的概念，用以定量表征土地利用變化對生態(tài)環(huán)境的影響，并對深圳市1978─2000年土地利用變化對生態(tài)環(huán)境的影響進行了定量評價；最后提出了深圳市土地利用變化生態(tài)環(huán)境調(diào)控的對策與途徑（王兆禮，2004）。

目前學(xué)術(shù)界關(guān)于這一問題的研究多分散于不同的領(lǐng)域。由于問題的復(fù)雜性和多樣性，很少有學(xué)者將上述問題放于統(tǒng)一框架加以研究。這在一定程度上導(dǎo)致了人們對二者關(guān)系認識的片面性，也模糊了二者關(guān)系本質(zhì)特征。通過建立各種數(shù)學(xué)統(tǒng)計模型來揭示LUCC與氣候、土壤、水文水資源及森林、濕地、生物多樣性和生態(tài)方面的關(guān)聯(lián)和規(guī)律（蔡邦成等，2006），成為LUCC研究新的發(fā)展方向。

4 當前LUCC與環(huán)境變化關(guān)系研究的主要問題

4.1主要問題

中國LUCC的環(huán)境效應(yīng)研究存在的問題主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）缺乏統(tǒng)一的指標體系：目前對LUCC環(huán)境效應(yīng)的研究，主要是研究者從不同的學(xué)科角度、在特定地域上進行的，相關(guān)研究應(yīng)用的指標差別較大，難以對不同區(qū)域進行對比（王瑞燕，2009）。

（2）研究區(qū)域、時空尺度單一：LUCC環(huán)境效應(yīng)是一個復(fù)雜的動態(tài)變化系統(tǒng)過程，迄今為止，大多數(shù)研究偏重于“生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)”的環(huán)境效應(yīng)，而對“熱點地區(qū)”的環(huán)境影響研究較少。在空間尺度上，LUCC環(huán)境效應(yīng)模型大多適用于小尺度區(qū)域，難以外推應(yīng)用到大中尺度區(qū)域上。

（3）涉及學(xué)科領(lǐng)域眾多：LUCC研究涉及眾多的學(xué)科領(lǐng)域，多學(xué)科的參與使得LUCC研究的內(nèi)容豐富而又復(fù)雜，令LUCC研究工作者難以很好地選擇研究方向和科學(xué)問題。

（4）多為單要素靜態(tài)研究為主，動態(tài)模擬和實驗研究相對薄弱：LUCC環(huán)境效應(yīng)以往的研究多為對某一環(huán)境要素或某些指標的影響，因而不能說明區(qū)域整體環(huán)境的變化。RS與GIS在建模與模擬中僅起到數(shù)據(jù)源及海量數(shù)據(jù)管理的作用，很少與環(huán)境過程模型聯(lián)結(jié)起來，它們的優(yōu)越性遠沒有發(fā)揮出來（于興修等，2004）。

4.2解決方法

針對國內(nèi)外目前此項研究的現(xiàn)狀和存在的問題，提出以下解決方法：

（1）加強跨學(xué)科綜合研究。改進綜合評價方法與評價模型、積極開展國際合作與交流外。建立多元素耦合、多尺度集成的機理模型。在今后研究中，要深入研究LUCC環(huán)境效應(yīng)的過程與機理，研究土地利用與生態(tài)環(huán)境相互作用，注意多學(xué)科的融合，積極吸納新的理論和方法，構(gòu)建綜合評價模型。

（2）多尺度探討LUCC的環(huán)境效應(yīng)。加強生態(tài)環(huán)境效應(yīng)反饋機制研究；加強對環(huán)境變化敏感區(qū)、生態(tài)脆弱帶、農(nóng)耕和經(jīng)濟開發(fā)劇烈區(qū)等區(qū)域尺度乃至全球尺度的研究，進一步發(fā)展融LUCC和環(huán)境變化因子于一體的多尺度模型。

（3）構(gòu)建一個LUCC環(huán)境效應(yīng)研究的統(tǒng)一指標體系。在今后的研究中，應(yīng)該將社會經(jīng)濟環(huán)境因素加入到相關(guān)的研究之中，并將研究尺度集中于區(qū)域的尺度上，進行綜合集成，以期使相關(guān)研究得以更深入地開展。

（4)“3S”技術(shù)與模擬模型的融合。進一步挖掘“3S”技術(shù)在LUCC環(huán)境效應(yīng)研究中的潛力，并將這些新技術(shù)和新方法加以集成并與傳統(tǒng)研究方法結(jié)合。建立有精確空間定位信息、綜合集成的多尺度高精度動態(tài)模型。尤其要在模型中考慮LUCC和環(huán)境變化的反饋機制，達到真正的動態(tài)耦合。

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Research Advances on the Relationship between Land Use/Cover Change and Environmental Change

ZHANG Xinrong1,2, LIU Linping1, FANG Shi1,2, JIANG Wenchao1, WANG Jinchen1
1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China; 2. Key-Lab for Evolution of Past Life and Environment in Northeast Asia, Ministry of Education, Changchun 130026, China

Land use and land cover change (LUCC) is one of the major environmental changes, that has become the frontier and hotspot in the study of global change. This paper summarizes the major achievements and methods in the research on the LUCC environmental effects in China and the world, and also summarizes the relationship between LUCC and the environment from the point of view of climate change, the carbon cycle, soil environment, water environment as well as ecological restrictions on land use and other aspects. LUCC affects the climate by changing the composition of the atmosphere and land surface vegetation cover condition affects carbon cycling in terrestrial ecosystems, changes in physical and chemical properties of the soil, causes soil pollution、soil nutrient transfer and other soil quality issues ,and causes non-point sources pollution of water bodies , affects regional water production and circulation. Meanwhile, changes in the environment has a limiting effect on the LUCC. It not only directly limits land use patterns by the specific conditions of climatic, but also indirectly achieves constraints to regional land use intensity and regional land use patterns by means of changing the consciousness of human environment. LUCC is not only the cause of global environmental change, but is also the result of global environmental change. There is a complex, nonlinear dynamic feedback between LUCC and ecological environment. We further explores the main research direction and research method. For lack of a unified system of existing indicators, both study areas and the scales of spatial data are temporal, takes the static single factor as the main study , experimental research is relatively weak and dynamic simulation is not enough ,and so on.In view of the above problems, the paper highlights the prospects of enhancement of cross-over comprehensive study, that focuses on investigating the effect of LUCC on the environment with multi-scales, build a unified index system of the environmental effects of LUCC and the perfection of the blending of “3S” technology and stimulation model. Providing basic information for seeking more scientific and rational land use patterns.

land use and land cover change; climate change; environmental change; carbon cycle

F301.24；X321

A

1674-5906（2014）12-2013-09

國家自然科學(xué)基金項目（40702027；40830107；41371202）；國土資源部杰出青年科技人才培養(yǎng)計劃項目（201311111）；吉林大學(xué)杰出青年基金項目

張新榮（1975年生），女，副教授，研究方向為沉積學(xué)及古環(huán)境演化。E-mail: llpandxyx@163.com

2014-09-16

張新榮，劉林萍，方石，姜文超，王金臣. 土地利用、覆被變化（LUCC）與環(huán)境變化關(guān)系研究進展[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2014, 23(12): 2013-2021.

ZHANG Xinrong, LIU Linping, FANG Shi, JIANG Wenchao, WANG Jinchen. Research Advances on the Relationship between Land Use/Cover Change and Environmental Change [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(12): 2013-2021.