LUCC研究進(jìn)展及其對干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境的意義

駢宇哲, 姜朋輝, 陳振杰, 吳潔璇

(南京大學(xué) 江蘇省地理信息技術(shù)重點實驗室, 南京 210023)

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LUCC研究進(jìn)展及其對干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境的意義

駢宇哲, 姜朋輝, 陳振杰, 吳潔璇

(南京大學(xué) 江蘇省地理信息技術(shù)重點實驗室, 南京 210023)

土地利用/覆被變化(LUCC)是全球變化的主要原因和核心主題之一。本文通過綜述國內(nèi)外LUCC研究成果，闡述了國際上LUCC研究在信息獲取、數(shù)據(jù)處理、驅(qū)動力分析和模型建立等方面所取得的最新進(jìn)展，分析了LUCC研究對干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展實現(xiàn)的研究意義，介紹了LUCC研究的新趨勢，并對研究過程中現(xiàn)存的一些如信息獲取過度依賴于3S技術(shù)，忽視實地調(diào)研等傳統(tǒng)信息獲取方式與新技術(shù)手段的結(jié)合、模型功能的欠完善、干旱區(qū)土地實現(xiàn)可持續(xù)利用缺乏相應(yīng)的比較全面的科學(xué)理論指導(dǎo)等問題進(jìn)行了討論。研究認(rèn)為，健全LUCC研究理論體系，開展相應(yīng)的理論建設(shè)將是未來整個LUCC研究工作的一個重要方向和趨勢。

土地利用/覆被變化(LUCC); 干旱區(qū); 生態(tài)環(huán)境

土地利用/土地覆被變化(LUCC)在全球環(huán)境變化研究中占有重要的地位。人類通過對與土地有關(guān)的自然資源的利用活動，改變地球陸地表面的覆被狀況，其環(huán)境影響不只局限于當(dāng)?shù)?，而遠(yuǎn)至于全球。而土地覆被變化對區(qū)域水循環(huán)、環(huán)境質(zhì)量、生物多樣性及陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和適應(yīng)能力的影響則更為深刻。20世紀(jì)90年代以來，LUCC作為全球變化的重要組成部分和主要原因，日益受到國際組織和世界各國的普遍關(guān)注，目前己成為國際上全球變化研究的前沿和熱點課題，在土地資源的合理利用、開發(fā)與保護(hù)以及生態(tài)、經(jīng)濟與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展等方面起到了重要作用[1]。

LUCC是人類與地球環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量交互作用的重要表現(xiàn)，發(fā)生于任何時空尺度[2]，它不僅影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的地理分布格局及其生產(chǎn)力，客觀反映人類改變地球生物化學(xué)循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能、產(chǎn)品與服務(wù)的供應(yīng)，而且還再現(xiàn)了陸地表面的時空變化過程[3]。LUCC已逐漸成為誘發(fā)全球變化的主要驅(qū)動力[4]。而全球變化是由一系列過程和現(xiàn)象各異的區(qū)域變化所構(gòu)成，是區(qū)域生態(tài)與環(huán)境危機的集中反映[5]，不同區(qū)域?qū)θ蜃兓呢暙I(xiàn)程度與響應(yīng)狀況差異明顯。因此，選擇兼具全球意義和區(qū)域特色的局地進(jìn)行個例研究，將有可能最后形成能代表不同區(qū)域類型的土地利用變化特征，揭示土地利用變化的過程[6]，從而更有效地解決全球變化的實際應(yīng)用問題[7]，為決策者提供更直接、更具體、更有效的方案，減少生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性，實現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展，具有一定的現(xiàn)實研究意義。

干旱區(qū)土地覆蓋的形成和發(fā)展深受全球環(huán)境變化的影響，同時干旱區(qū)LUCC對全球環(huán)境變化具有反饋作用。干旱區(qū)LUCC對全球環(huán)境變化的反饋作用是以累積性變化的方式體現(xiàn)的。在全球氣候變化的大背景下，干旱區(qū)域的人類活動將在很大程度上改變地表反照率、水分以及養(yǎng)分循環(huán)，進(jìn)而影響到區(qū)域和全球的氣候變化規(guī)模[8]。如果全球范圍內(nèi)干旱區(qū)的土地利用/土地覆蓋都向惡劣的方向轉(zhuǎn)化，其對全球環(huán)境變化的影響不容忽視[9]。所以，干旱區(qū)LUCC研究自然也就成為全球變化研究中的必不可少的組成部分。干旱區(qū)是地球上生存條件極為惡劣的地區(qū)之一。21世紀(jì)以來，世界范圍內(nèi)的干旱區(qū)域由于自然、人文等因素的影響，土地開發(fā)利用的強度和規(guī)模不斷加大。然而，土地利用/覆被的變化直接關(guān)系到水和土壤的質(zhì)量以及區(qū)域的糧食安全、生態(tài)安全[9]。對于干旱區(qū)而言，結(jié)構(gòu)簡單，生態(tài)功能低下的荒漠植被類型，荒漠化面積大且具有較快的發(fā)展速度，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差，多呈過渡類型的土地類型，高度的依賴于水資源等特征，使干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)具備了脆弱生態(tài)系統(tǒng)的一切性質(zhì)，對自然或人為的干擾，尤其是對水土資源開發(fā)利用的干擾極為敏感。任何一種土地利用類型發(fā)生變化，都將引起整個區(qū)域景觀組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，結(jié)果會導(dǎo)致景觀發(fā)生明顯的破碎化，在一定程度上影響到干旱區(qū)的穩(wěn)定性，也將限制部分地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會可持續(xù)發(fā)展[10]。因而，開展干旱區(qū)的LUCC研究工作能夠在保護(hù)干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境、合理規(guī)劃干旱區(qū)土地利用、實現(xiàn)干旱區(qū)經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展等多個層面上發(fā)揮積極的理論指導(dǎo)作用。

1 LUCC研究現(xiàn)狀

LUCC作為國際全球變化研究的關(guān)鍵所在，對其展開相應(yīng)的研究有助于加深國際社會對全球變化影響的認(rèn)知和理解。因此，過去的幾十年間，國內(nèi)外高校與科研組織對LUCC研究的關(guān)注度一直在提升?；趙eb of science文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫與中國知網(wǎng)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫，分別以LUCC為搜索詞查詢得知，國內(nèi)外文獻(xiàn)庫中關(guān)于LUCC的文章呈逐年攀升趨勢(圖1)。本文將從LUCC數(shù)據(jù)來源和信息的提取及處理、土地利用/覆被分類和LUCC的驅(qū)動力分析和模型研究3方面闡述LUCC的研究現(xiàn)狀。

圖1 以LUCC研究為題的國內(nèi)外文章發(fā)表數(shù)量變化趨勢

1.1 LUCC數(shù)據(jù)來源和信息的提取及處理

LUCC研究需要配以一定精度和深度的土地利用/覆被變化數(shù)據(jù)和信息來用于反映LUCC變化的過程與機制，開展LUCC驅(qū)動力的分析和影響評價研究。LUCC數(shù)據(jù)選擇主要基于一些諸如政策變動、氣候異常等歷史事件的記錄資料和一些衛(wèi)星遙感影像。由于資源衛(wèi)星影像具有成本低、獲取相對容易且可根據(jù)研究問題的需要選擇不同時空尺度的遙感數(shù)據(jù)等優(yōu)勢，所以當(dāng)前世界范圍內(nèi)LUCC研究的信息和數(shù)據(jù)來源大都源于對各類遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)、遙感影像的解譯。

但是，在對遙感圖像解譯的過程中，研究者本身圖像判讀能力、地學(xué)知識掌握程度以及圖像本身存在的誤差，導(dǎo)致單純的使用遙感數(shù)據(jù)并不能準(zhǔn)確反映LUCC在時空尺度上的變化過程和趨勢。所以，如果研究過程中數(shù)據(jù)和信息提取過度依賴于3S技術(shù)，忽視實地調(diào)研等傳統(tǒng)信息獲取方式與技術(shù)手段的結(jié)合將會使得研究結(jié)果與實際出現(xiàn)較大的偏差。因此，近年來國內(nèi)外的LUCC研究多采用將遙感數(shù)據(jù)與野外調(diào)查數(shù)據(jù)、統(tǒng)計資料等多數(shù)據(jù)源復(fù)合分析，在圖像的處理過程中更加注重了野外調(diào)查與室內(nèi)解譯的結(jié)合。張飛等[11]先對遙感影像進(jìn)行預(yù)判，制定出野外考察的路線，然后按照指定的路線對研究區(qū)域進(jìn)行調(diào)查，結(jié)合地形圖，運用GPS定位技術(shù)，對各種類型的景觀進(jìn)行采點記錄，并確定景觀類型。最后在室內(nèi)應(yīng)用PCI圖象處理系統(tǒng)對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，得到研究區(qū)不同時期的景觀類型圖，對各景觀類型進(jìn)行統(tǒng)計分析。最后進(jìn)一步分析研究區(qū)景觀空間格局的變化特征，充分體現(xiàn)了多數(shù)據(jù)源復(fù)合分析的思想。閆正龍等[12]以遙感影像數(shù)據(jù)為背景，結(jié)合解譯標(biāo)志庫，采用人機交互的方法對土地利用信息進(jìn)行逐級提取和賦值，同時基于GPS的野外驗證方法對解譯結(jié)果進(jìn)行修正完善，最終得到符合精度和統(tǒng)一分類的土地利用現(xiàn)狀專題圖。Ruelland等[13]在馬里3個試驗區(qū)的土地覆被變化模型和驅(qū)動力的研究中，同樣以衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用GPS(±4M)在每個試驗區(qū)采100個野外觀測點記錄確定景觀類型，在此基礎(chǔ)上對衛(wèi)星遙感影像的解譯結(jié)果進(jìn)行修正改善，增強了分析結(jié)果的可信度。Tsegaye等[14]通過綜合遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)、野外觀測以及當(dāng)?shù)鼐用裉峁┑男畔⒀芯堪Ｈ肀葋啽辈扛珊蛋敫珊祬^(qū)的土地利用/覆被變化，從而確保了分析結(jié)果總體上符合了該地區(qū)實際上的LUCC時空變化過程。試驗結(jié)果表明，野外調(diào)查與室內(nèi)解譯能更好地檢驗遙感判讀的正確率，并對判讀數(shù)據(jù)進(jìn)行室內(nèi)修正，從而提高分析的精度，準(zhǔn)確反映LUCC變化的過程與機制。

基于web of science文獻(xiàn)搜索庫，以LUCC為搜索詞查詢得知，以遙感為技術(shù)支撐的LUCC研究多達(dá)103篇文章(圖2)，占所有文獻(xiàn)的比例為25.50%，這表明，遙感作為一種新興的對地觀測技術(shù)，其在LUCC的研究中已發(fā)揮了相當(dāng)重要的作用。

圖2 基于web of science文獻(xiàn)搜索庫的不同學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)LUCC文章發(fā)表數(shù)量

1.2 土地利用/覆被分類

土地利用/覆被類型劃分應(yīng)遵循相似的社會、環(huán)境條件以及產(chǎn)生相似LUCC模式的相似人類驅(qū)動力[15]。世界上各干旱區(qū)域自然、社會、經(jīng)濟等條件的差異導(dǎo)致各干旱區(qū)的土地利用/覆被變化類型不盡相同。如熱帶沙漠氣候條件下的土地類型多以荒漠為主；熱帶草原氣候條件下的干旱區(qū)地表覆被為草、灌木，土地類型多以草地為主；溫帶大陸性氣候下的干旱區(qū)土地類型較為復(fù)雜，有耕地、草地、荒漠戈壁等。因此，國際上干旱區(qū)域LUCC研究中的土地利用/覆被分類方法比較多樣。當(dāng)前應(yīng)用較多的土地利用/覆被分類方法仍是一些算法成熟、操作簡單的傳統(tǒng)分類方法，如目視解譯、監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類。相對于傳統(tǒng)分類法，近年來出現(xiàn)的新分類方法，如決策樹分類法、綜合閾值法、專家系統(tǒng)分類法、多特征融合法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類法以及基于頻譜特征的分類法等，具有能夠更準(zhǔn)確地提取出目標(biāo)地物的優(yōu)點。因此，在實際應(yīng)用中傳統(tǒng)分類方法通常結(jié)合新方法。如Wentz等[16]基于多源數(shù)據(jù)對干旱城市環(huán)境下LUCC的研究中對專家系統(tǒng)法和目視解譯法的綜合使用。

國內(nèi)的干旱區(qū)LUCC研究中，土地利用/覆被類型劃分多采用中科院的土地資源分類系統(tǒng)(將土地利用與覆被分為耕地、林地、水域、草地、城鄉(xiāng)工礦居民用地、未利用地6個Ⅰ級類，25個Ⅱ級類以及針葉林地、闊葉林地、針闊混交林地3個Ⅲ級類)和國土資源部的國家級土地利用與覆被分類系統(tǒng)(將土地利用與覆被分為耕地、林地、水域、草地、建設(shè)用地、未利用地、濕地7個Ⅰ級類，26個Ⅱ級類以及針葉林、闊葉林、混生林3個Ⅲ級類)。但是這兩種分類系統(tǒng)都存在一定的局限性，如土地分類系統(tǒng)過分依賴特定的遙感數(shù)據(jù)源，造成系統(tǒng)的通用性不強；難以適應(yīng)不同目的的相關(guān)研究等。所以，當(dāng)前的LUCC研究過程中，大部分研究者在采用這兩類分類系統(tǒng)的同時多結(jié)合研究區(qū)域的土地變化狀況、景觀變化等實際情況。如竇燕等[17]研究和田河流域土地利用動態(tài)變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)過程中，在采用國家土地利用與覆被分類系統(tǒng)的同時，結(jié)合和田河流域草地分布特點，即在高山區(qū)或河流旁覆蓋度高，荒漠和綠洲帶分布有低覆蓋度草地，中覆蓋度草地覆蓋面積很少且典型性不強，容易誤分成高覆蓋度草地或低覆蓋度草地的特點，將草地的二級分類劃分為天然牧草地(高覆蓋度草地)和荒漠草地(低覆蓋度草地)，既保證了準(zhǔn)確描述地物特征，又保證了分類的精度，充分體現(xiàn)了土地利用/覆被類型劃分要結(jié)合研究區(qū)實際的重要性。

1.3 LUCC的驅(qū)動力分析和模型研究

1.3.1 LUCC驅(qū)動力分析 土地利用/覆被變化動力學(xué)研究的核心是驅(qū)動力與土地利用/覆被變化的關(guān)系。土地利用/覆被變化驅(qū)動力研究的目的是通過驅(qū)動力與LUCC的關(guān)系來建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ停瑸槎炕A(yù)測土地利用變化服務(wù)。驅(qū)動力是導(dǎo)致土地利用方式和目的發(fā)生變化的主要因素。土地利用變化的驅(qū)動力既有自然系統(tǒng)力，也有社會經(jīng)濟系統(tǒng)力。劉紀(jì)遠(yuǎn)等[18]將LUCC時空過程驅(qū)動因子總體劃分為自然因素和社會經(jīng)濟因素兩個方面。并且認(rèn)為在較短的時間尺度上，自然因素的影響主要體現(xiàn)為累積效應(yīng)，社會經(jīng)濟因素對LUCC過程的影響相對活躍。這就間接表明了：由于區(qū)域性的自然和人文條件的差異，土地利用/覆蓋系統(tǒng)的變化機制的復(fù)雜性以及其變化的空間和時間尺度難以把握，因此進(jìn)行全面綜合的土地利用/覆蓋變化研究十分困難。

近年來，大量的案例與實證研究推動了LUCC過程驅(qū)動機理研究方法的更新與完善。但是，當(dāng)前國內(nèi)外的LUCC驅(qū)動力的分析方法總體仍以模型法為主。這些模型方法大體上可以綜合為：基于經(jīng)驗的統(tǒng)計模型、基于過程的動態(tài)模型(系統(tǒng)動力學(xué)模型、元胞自動機模型、基于Agent模型)、最優(yōu)模型和綜合/混合模型。但是，作為一種分析工具，這幾類模型中沒有一種是完美的，都有各自的適用范圍和適合解決的問題。學(xué)者藺卿[19]、韓超峰[20]等研究總結(jié)認(rèn)為：基于經(jīng)驗的統(tǒng)計模型能夠簡化問題，抓住復(fù)雜系統(tǒng)中的主要矛盾，但是卻面臨著因變量量化的難題，并且建立的關(guān)系并不是確定的因果關(guān)系。所以，對于那些有詳細(xì)的土地利用/覆蓋變化記錄的地區(qū)，可以考慮使用統(tǒng)計模型。而相對于經(jīng)驗的統(tǒng)計模型而言，基于過程的動態(tài)模型更適于研究土地利用系統(tǒng)對LUCC的原因和結(jié)果有很強的解釋能力。混合模型相對于前兩者，通過將不同的建模技術(shù)綜合起來使用，對于不同的問題，綜合不同的建模方法，從而尋找最合適的解決手段。因此，建立綜合性模型無論在當(dāng)前還是以后都將是LUCC驅(qū)動力研究的一個必然趨勢。1.3.2 LUCC模型研究 LUCC研究中，構(gòu)建LUCC模型有助于深刻理解土地利用系統(tǒng)動態(tài)。作為一種研究方法和平臺，LUCC模型在未來LUCC情景模擬和預(yù)測中發(fā)揮越來越重要的作用。十多年來，眾多學(xué)者基于不同目的構(gòu)建了多樣化LUCC模型。目前，最常用的LUCC模型可細(xì)分為：空間統(tǒng)計模型、系統(tǒng)動力學(xué)模型、元胞自動機模型、基于主體的模型以及綜合模型等。

唐華俊等[21]認(rèn)為，近十多年來，LUCC模型無論在理論和方法方面，還是在實踐應(yīng)用方面都取得了長足進(jìn)展，在理解LUCC變化系統(tǒng)的格局、過程和機制、評估LUCC的綜合影響、為政府部分提供決策信息和智力支持等方面發(fā)揮了重要作用。如趙睿[22]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的元胞自動機支持下的干旱區(qū)LUCC模擬研究，以模擬干旱區(qū)的復(fù)雜土地利用轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)，以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬的單元轉(zhuǎn)變概率代替CA模型的一系列單元轉(zhuǎn)變規(guī)則，建立一般意義上的CA模型，對干旱區(qū)綠洲LUCC做一空間轉(zhuǎn)變單元的模擬分析，并對該區(qū)域未來用地狀態(tài)做了預(yù)測，取得了較好的成果。Rouchier等[23]探討了牧民和農(nóng)民通過協(xié)商在干季找尋適宜牧場問題。隨著人們對LUCC模型研究的加深，LUCC模型的功能和作用正呈現(xiàn)多樣化趨勢，研究不同時空尺度的反饋機制必將是未來LUCC模型的新焦點，人類—環(huán)境關(guān)系的綜合研究仍然是未來土地變化科學(xué)中的難點和焦點之一，多尺度、多層次的綜合研究將是LUCC模型的新要求，而模型驗證則始終是LUCC模型的挑戰(zhàn)。當(dāng)前LUCC模型研究的核心內(nèi)容仍是研究LUCC時空變化格局，模型發(fā)展正經(jīng)歷從單一的非空間模型向非空間模型和空間模型融合的演進(jìn)過程，但多數(shù)模型只重視空間變化機制研究，而對時間機制考慮不足。此外，利用模型處理土地利用/覆被系統(tǒng)的多尺度特征以及實現(xiàn)模型方法的綜合也將是今后模型開發(fā)中需要注意的問題。面對這些問題、難點和挑戰(zhàn)，國外的許多專家學(xué)者進(jìn)行很多嘗試，積累了豐富的經(jīng)驗。如Kamusoko等[24]大膽嘗試用元細(xì)胞自動模型模擬了津巴布韋未來直至2030年的土地利用/覆被變化狀況；Koch等[25]使用Land SHIFT.R模型模擬了不同的草場管理政策對約旦河流域土地利用變化的影響等。而相對于國外的研究，我國的模型研究在這些領(lǐng)域內(nèi)，對全新的理論體系、關(guān)鍵技術(shù)和方法仍需要進(jìn)一步澄清、突破和創(chuàng)新。

2 干旱區(qū)LUCC研究意義

2.1 干旱區(qū)LUCC變化引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究

LUCC的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)因研究尺度的不同而在研究對象、研究內(nèi)容、研究方法上存在較大的差異[26]。全球尺度的環(huán)境效應(yīng)研究側(cè)重于LUCC對全球氣候變化的影響，集中表現(xiàn)在大氣成分變化引起的氣候變化，主要集中在對生物燃燒、牲畜等釋放出CH4、土壤、肥料、生物燃燒釋放出N2O等，人類活動使大氣中CH4和N2O濃度增加引起的全球氣候變化[27]；區(qū)域尺度的土地利用變化環(huán)境效應(yīng)研究則側(cè)重于土地退化、水文過程、土壤環(huán)境、生物多樣性等效應(yīng)方面；局地尺度的土地利用環(huán)境效應(yīng)則側(cè)重于地方的生態(tài)環(huán)境變化[28]。正如鄒亞榮等[29]所述：“土地利用變化可以引起許多自然現(xiàn)象和生態(tài)過程的變化，如土壤養(yǎng)分和水分的變化、地表徑流與侵蝕、生物多樣性的分布和生物地球化學(xué)循環(huán)等”。因此，研究土地利用變化及其對生態(tài)環(huán)境的影響對于了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境乃至全球環(huán)境變化具有重要意義。

干旱區(qū)由于水資源的匱乏，地表覆被簡單、類型單一且質(zhì)量較差，在人類和自然因素影響下的LUCC變化很容易引起不同的生態(tài)環(huán)境問題。如景觀破碎化、土地荒漠化、生物多樣性減少、沙塵暴等。楊陽等[30]基于1985年、2000年和2008年3期土地利用數(shù)據(jù)，對新疆伊犁新墾區(qū)土地利用格局時空變化進(jìn)行了定量研究。通過對土地利用變化格局的分析得出，農(nóng)業(yè)開墾是新墾區(qū)土地利用方式變化最主要的驅(qū)動力因素，草地面積減少是其他土地類型面積增加的主要來源，鹽堿地增多和沼澤減少反映了該地區(qū)存在因農(nóng)業(yè)開墾而導(dǎo)致的自然環(huán)境惡化現(xiàn)象。吉力力·阿不都外力等[31]對中亞地區(qū)的研究表明：20世紀(jì)70年代該地區(qū)進(jìn)行了大規(guī)模的水土開發(fā)，其對生態(tài)環(huán)境的負(fù)面延遲效應(yīng)日益凸現(xiàn)，湖泊河流水質(zhì)惡化，生物種類和數(shù)量急劇減少，土地鹽堿化、沙化日益嚴(yán)重，沙塵暴和鹽塵暴頻發(fā)，農(nóng)牧業(yè)遭到嚴(yán)重?fù)p失。陳亞寧等[32]在塔里木河下游斷流河道輸水的生態(tài)效應(yīng)分析中發(fā)現(xiàn)：屬大陸性暖溫帶荒漠干旱氣候的塔里木河下游地區(qū)，氣候干燥，多風(fēng)沙天氣，平均年降水量為17.4～42.0 mm，而平均年蒸發(fā)力高達(dá)2 500～3 000 mm，在1972年大西海子水庫建成后，攔截了塔里木河，致使其下游321 km河道徹底斷流，河流尾閭湖泊——羅布泊和臺特瑪湖分別于1970年、1972年干涸。河水?dāng)嗔?，地下水位下降?～12 m，導(dǎo)致由地下水維系的天然植被極度退化，大面積死亡，土地荒漠化過程加劇，生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重受損，夾持在塔克拉瑪干沙漠和庫魯克沙漠間的“綠色走廊”急劇萎縮。同時使得塔里木河下游已成為中國西部干旱區(qū)水資源利用與生態(tài)環(huán)境問題最為突出的地區(qū)之一。由此可見，在干旱區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境條件下，人文、自然等因素作用下的土地類型的改變，很容易引起干旱區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一定程度上將限制區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會的可持續(xù)發(fā)展。

2.2 LUCC研究與干旱區(qū)的可持續(xù)發(fā)展

可持續(xù)發(fā)展是目前人類的必然選擇，尤其是在干旱區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境條件下，實現(xiàn)土地資源、水資源、生物資源等的可持續(xù)利用將是干旱區(qū)謀求生存的最主要的途徑。土地利用/覆被變化在可持續(xù)發(fā)展中占有重要地位。作為目前全球變化研究的核心主題之一，LUCC研究的目標(biāo)之一就是實現(xiàn)干旱區(qū)土地利用/覆被變化的可持續(xù)性，而且LUCC研究也關(guān)系到區(qū)域可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的政策和行動的有效實施[33]。這一問題主要包括以下幾個方面：土地利用/覆被類型、結(jié)構(gòu)的持續(xù)性、土地利用方式與方法的可持續(xù)性、土地利用與土地覆被變化過程的可持續(xù)性、實現(xiàn)可持續(xù)土地利用的對策與途徑等。

伴隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國西部干旱區(qū)域正在進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)化城市化進(jìn)程，對土地資源的需求持續(xù)攀升，引發(fā)了不同程度的土地問題[34]。此外，縱觀我國加入WTO后的10年，在食物安全、資源安全、生態(tài)安全與經(jīng)濟持續(xù)增長的國家目標(biāo)下土地利用/覆被變化(LUCC)的驅(qū)動機制和未來情景等。這些問題和挑戰(zhàn)都必將導(dǎo)致LUCC成為我國西部干旱區(qū)乃至全國范圍內(nèi)實現(xiàn)現(xiàn)代化進(jìn)程中可持續(xù)發(fā)展的焦點。因而在LUCC研究與可持續(xù)發(fā)展這方面，許多專家學(xué)者開展了很多研究工作。早在21世紀(jì)初，陳百明[35]闡述了中國土地可持續(xù)利用指標(biāo)體系的理論與方法以及分區(qū)方案的制定，并根據(jù)分區(qū)基本依據(jù)，包括以自然特征和利用狀況的相對一致性，注重使所劃分的區(qū)域之間在重要指標(biāo)或相同指標(biāo)的閾值方面具有顯著差異性，并兼顧行政區(qū)域的完整性，在全面分析不同區(qū)域的土地利用特性、生態(tài)環(huán)境條件、經(jīng)濟社會狀況以及利用管理措施等基礎(chǔ)上，進(jìn)行了全國土地利用分區(qū)。最終全國共劃分出10個土地利用區(qū)域，作為制定區(qū)域性土地可持續(xù)利用指標(biāo)體系的分區(qū)范圍。同一時期，劉彥隨等[36]指出LUCC研究目標(biāo)和內(nèi)容選擇，應(yīng)圍繞“可持續(xù)發(fā)展重點問題—人類驅(qū)動力—土地利用/覆被變化情景—可持續(xù)發(fā)展科學(xué)決策”這一主線，并需要區(qū)分不同的時空尺度和要點，關(guān)鍵在于揭示人類活動多因子驅(qū)動下土地供求關(guān)系、程度變化及其效應(yīng)機制，進(jìn)而提出在食物、資源和生態(tài)安全及其經(jīng)濟持續(xù)增長等國家可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)約束下的中國土地利用/覆被變化的科學(xué)決策與綜合調(diào)控體系。

但目前對于世界范圍內(nèi)干旱區(qū)的土地可持續(xù)利用研究而言，成果尚少，我國該方面的研究成果也主要集中在土地可持續(xù)利用的指標(biāo)體系的建立方面。多數(shù)的LUCC研究中，針對干旱區(qū)如何實現(xiàn)土地可持續(xù)利用方面研究的相關(guān)工作尚未大規(guī)模開展。

3 結(jié) 論

(1) 數(shù)據(jù)獲取應(yīng)注重新技術(shù)與傳統(tǒng)方法的結(jié)合。3S技術(shù)的廣泛應(yīng)用，高分辨率衛(wèi)星遙感圖像的獲得，以及各種圖像處理軟件的開發(fā)和應(yīng)用等大大提高了土地利用變化數(shù)據(jù)獲取的精度和速度。從而導(dǎo)致世界范圍內(nèi)的LUCC研究出現(xiàn)過度依賴于3S技術(shù)的現(xiàn)象。但是，受到各種因素的影響，3S技術(shù)在土地利用變化數(shù)據(jù)的獲取以及信息提取方面難免存在不同情況的錯誤和誤差。因此，僅僅依賴于3S技術(shù)未必能準(zhǔn)確反映一個區(qū)域的LUCC過程。所以，LUCC研究過程中把野外考察、實地訪問等傳統(tǒng)方法與當(dāng)前的新技術(shù)新手段結(jié)合將是今后LUCC研究中的必然選擇。

(2) 土地利用/覆被變化驅(qū)動力研究的目的是通過驅(qū)動力與LUCC的關(guān)系來建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，為定量化預(yù)測土地利用變化服務(wù)。干旱區(qū)的土地利用/覆被變化驅(qū)動力研究正是要立足于這一出發(fā)點，通過研究，建立模型，指導(dǎo)干旱區(qū)正確預(yù)測未來的土地利用變化趨勢，從而采取相應(yīng)的措施確保干旱區(qū)土地利用實現(xiàn)土地利用/覆被類型、結(jié)構(gòu)的持續(xù)性、土地利用方式與方法的可持續(xù)性、土地利用與土地覆被變化過程的可持續(xù)性、實現(xiàn)可持續(xù)土地利用的對策與途徑等可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

(3) 土地利用/變化模型在理論和實踐上都取得了巨大的成功，但土地利用系統(tǒng)的尺度依賴性、尺度放大問題以及模型方法對特定學(xué)科的依賴性等問題，決定了在LUCC模型研究過程中仍需要注意利用模型處理土地利用/覆被系統(tǒng)的多尺度特征以及實現(xiàn)模型方法的綜合。同時這也給未來的模型發(fā)展提出了要求與挑戰(zhàn)。如前所述，在未來的土地利用/變化模型發(fā)展中，研究不同時空尺度的反饋機制必將是未來LUCC模型的新焦點，人類—環(huán)境關(guān)系的綜合研究仍然是未來土地變化科學(xué)中的難點和焦點之一，多尺度、多層次的綜合研究將是LUCC模型的新要求，而模型驗證則始終是LUCC模型的挑戰(zhàn)。

(4) 目前，LUCC是全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域前沿的核心問題。世界范圍內(nèi)的干旱區(qū)大都面臨著落后的經(jīng)濟、脆弱的生態(tài)環(huán)境等生存與發(fā)展問題。而干旱區(qū)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展中所面臨的這些問題，都與土地利用/覆被變化有著內(nèi)在的、必然的聯(lián)系。因此，對干旱區(qū)開展大規(guī)模的土地利用/覆被變化與可持續(xù)發(fā)展間關(guān)系的研究，具有重要的現(xiàn)實意義和科學(xué)價值。

(5) 干旱區(qū)LUCC研究缺乏健全的理論體系。對干旱區(qū)土地利用開展深入性和綜合性的研究需要有成熟的理論和方法作為依托。而根植于人地關(guān)系理論的LUCC理論，多散見于地理學(xué)、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟學(xué)、生態(tài)學(xué)與可持續(xù)發(fā)展理論中，亟需系統(tǒng)歸納和總結(jié)，以便于形成統(tǒng)一的理論，指導(dǎo)干旱區(qū)的LUCC研究工作推向更高層次的發(fā)展。但就目前的理論研究現(xiàn)狀而言，理論的多樣性導(dǎo)致不同研究者出于各自目的對同一地區(qū)的研究結(jié)果互不相同，所采取的研究方法以及建立的模型也不能應(yīng)用于其他地區(qū)。導(dǎo)致理論不能解釋不同尺度上的LUCC動力機制。隨著LUCC研究的不斷深入、范圍的不斷擴大，健全理論體系、開展理論建設(shè)將是未來干旱區(qū)LUCC研究乃至整個LUCC研究工作的一個重要方向和趨勢。

[1] GLP. Science plan and implementation strategy[R]. Stockholm: IGBP Secretariat,2005.

[2] Nd T B, Lambin E F, Reenberg A. The emergence of land change science for global environmental change and sustainability[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2007,104(52):20666-20671.

[3] Foley J A, Defries R, Asner G P, et al. Global consequences of land use[J]. Science,2005,309(5734):570-574.

[4] 周廣勝,許振柱,王玉輝.全球變化的生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2004,19(4):642-649.

[5] 張國平,劉紀(jì)遠(yuǎn),張增祥.近10年來中國耕地資源的時空變化分析[J].地理學(xué)報,2003,58(3):323-332.

[6] 史培軍,王靜愛,陳婧,等.當(dāng)代地理學(xué)之人地相互作用研究的趨向:全球變化人類行為計劃(IHDP)第六屆開放會議透視[J].中國學(xué)術(shù)期刊文摘,2006，61(9):2.

[7] Giupponi C, Ramanzin M, Sturaro E, et al. Climate and land use changes, biodiversity and agri-environmental measures in the Belluno province, Italy[J]. Environmental Science & Policy,2006,9(2):163-173.

[8] Lioubimtseva E, Cole R, Adams J M, et al. Impacts of climate and land-cover changes in arid lands of Central Asia[J]. Journal of Arid Environments,2005,62(2):285-308.

[9] 黃青,孫洪波,王讓會,等.干旱區(qū)典型山地—綠洲—荒漠系統(tǒng)中綠洲土地利用/覆蓋變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響[J].中國沙漠,2007,27(1):76-81.

[10] 李義玲,喬木,楊小林,等.干旱區(qū)典型流域近30 a土地利用/覆被變化和景觀破碎化分析:以瑪納斯河流域為例[J].中國沙漠,2008,28(6):1050-1057.

[11] 張飛, 塔西甫拉提·特依拜, 丁建麗,等. 干旱區(qū)綠洲土地利用/覆被及景觀格局變化特征:以新疆精河縣為例[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2009,29(3):1251-1263.

[12] 閆正龍,黃強,暢建霞,等.基于3S技術(shù)的塔里木河干流土地利用動態(tài)監(jiān)測[J].水土保持學(xué)報,2008,22(1):190-193.

[13] Ruelland D, Levavasseur F, Tribotté A. Patterns and dynamics of land-cover changes since the 1960s over three experimental areas in Mali[J]. International Journal of Applied Earth Observation & Geoinformation,2010,12(S1):11-17.

[14] Tsegaye D, Moe S R, Vedeld P, et al. Land-use/cover dynamics in Northern Afar rangelands, Ethiopia[J]. Agriculture Ecosystems & Environment,2010,139(1/2):174-180.

[15] 劉新衛(wèi),陳百明,汪權(quán)方.國內(nèi)LUCC研究進(jìn)展綜述[J].土壤,2003,36(2):132-135.

[16] Wentz E A, Stefanov W L, Gries C, et al. Land use and land cover mapping from diverse data sources for an arid urban environments[J]. Computers Environment & Urban Systems,2006,30(3):320-346.

[17] 竇燕,陳曦,包安明.近40年和田河流域土地利用動態(tài)變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[J].干旱區(qū)地理,2008,31(3):449-455.

[18] 劉紀(jì)遠(yuǎn),鄧祥征.LUCC時空過程研究的方法進(jìn)展[J].科學(xué)通報,2009,54(21):3251-3258.

[19] 藺卿,羅格平,陳曦.LUCC驅(qū)動力模型研究綜述[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2005,24(5):79-87.

[20] 韓超峰,陳仲新.LUCC驅(qū)動力模型研究綜述[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2008,24(4):365-368.

[21] 唐華俊,吳文斌,楊鵬,等.土地利用/土地覆被變化(LUCC)模型研究進(jìn)展[J].地理學(xué)報,2009,64(4):456-468.

[22] 趙睿,丁建麗,張飛.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的元胞自動機支持下的干旱區(qū)LUCC模擬研究:以新疆于田綠洲為例[J].水土保持研究,2007,14(1):151-154.

[23] Rouchier J, Bousquet F, Requier-Desjardins M, et al. A multi-agent model for describing transhumance in North Cameroon: Comparison of different rationality to develop a routine[J]. Journal of Economic Dynamics & Control,2001,25(3/4):527-559.

[24] Kamusoko C, Masamu A, Bongo A, et al. Rural sustainability under threat in Zimbabwe-Simulation of future land use/cover changes in the Bindura district based on the Markov-cellular automata model[J].Applied Geography,2009,29(3):435-447.

[25] Koch J, Schaldach R, K?chy M. Modeling the impacts of grazing land management on land-use change for the Jordan River region[J]. Global & Planetary Change,2008,64(3/4):177-187.

[26] 李銳,楊勤科,溫仲明,等.區(qū)域土地利用變化環(huán)境效應(yīng)研究綜述[J].水土保持通報,2002,22(2):65-70.

[27] 趙米金,徐濤.土地利用/土地覆被變化環(huán)境效應(yīng)研究[J].水土保持研究,2005,12(1):43-46.

[28] 宋乃平,張鳳榮,王磊,等.我國土地利用/覆被研究的熱點與應(yīng)用發(fā)展問題[J].地球信息科學(xué),2008,10(1):60-66.

[29] 鄒亞榮,張增祥,周全斌,等.中國農(nóng)牧交錯區(qū)土地利用變化空間格局與驅(qū)動力分析[J].自然資源學(xué)報,2003,18(2):222-227.

[30] 楊陽,張紅旗.近20年來伊犁新墾區(qū)土地利用/覆被變化分析[J].資源科學(xué),2009,31(12):2029-2034.

[31] 吉力力·阿不都外力,木巴熱克·阿尤普.基于生態(tài)足跡的中亞區(qū)域生態(tài)安全評價[J].地理研究,2008，27(6):1308-1320.

[32] 陳亞寧,張小雷,祝向民,等.新疆塔里木河下游斷流河道輸水的生態(tài)效應(yīng)分析[J].中國科學(xué),2004,34(5):475-482.

[33] Peng G, Ferr?o M, Sedano F. Land cover assessment with MODIS imagery in southern African Miombo ecosystems[J]. Remote Sensing of Environment,2005,98(4):429-441.

[34] 謝余初,鞏杰,趙彩霞,等.干旱區(qū)綠洲土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值響應(yīng):以甘肅省金塔縣為例[J].水土保持研究,2012,19(2)：165-170.

[35] 陳百明.基于區(qū)域制定土地可持續(xù)利用指標(biāo)體系的分區(qū)方案[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2001,20(3):247-253.

[36] 劉彥隨,陳百明.中國可持續(xù)發(fā)展問題與土地利用/覆被變化研究[J].地理研究,2002,21(3):324-330.

Review of Research Advances on Land Use and Land Cover Change and Its Significance to the Environment in Arid Zone

PIAN Yuzhe, JIANG Penghui, CHEN Zhenjie, WU Jiexuan

(JiangsuProvincialKeyLaboratoryofGeographicInformationScienceandTechnology,NanjingUniversity,Nanjing210023,China)

Land use and land cover change was one of the main reasons and core subjects of the global environmental change. Based on the domestic and foreign LUCC research results, we elaborated the latest LUCC research progress in information acquisition, data processing, driving force analysis and model development. The significance of the LUCC study to environmental protection and regional sustainable development in arid regions was analyzed. Then, we introduced the new tendency of LUCC research and pointed out some problems in such process, for instance, excessively relying on 3S technology in the process of information acquisition, the neglecting union between tradition information acquisition ways and the new technological means. Moreover, the imperfect function of LUCC model, the deficiency in comprehensive and scientific theory to instruct arid area land to realize the sustainable etc., also were indicated in this research. We think that theory exploration will be the key to the research of LUCC in the future because of its guidance to the direction of LUCC study.

land use and land cover change(LUCC); arid zone; ecological environment

2014-10-16

2014-11-10

國家科技支撐計劃項目(2012BAH28B02)

駢宇哲(1989—),男,陜西銅川人,碩士研究生,研究方向為GIS開發(fā)與土地利用。E-mail:bianyuzhe1989@163.com

陳振杰(1974—),男,陜西隴縣人,博士,副教授,主要從事空間信息處理研究。E-mail:chenzj@nju.edu.cn

F301.24; X17

1005-3409(2015)05-0358-07