陳雅如, 肖文發(fā),*

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三峽庫區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化研究進展

陳雅如1,2, 肖文發(fā)1,2,*

1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所, 北京 100091 2. 國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室, 北京 100091

三峽工程是人類對地球表面的一次重大改造, 形成了三峽庫區(qū)這一特殊區(qū)域, 探討三峽庫區(qū)的土地利用與生態(tài)環(huán)境變化對維護庫區(qū)生態(tài)、經(jīng)濟、社會可持續(xù)具有重要意義。歸納總結(jié)了1990—2016年間三峽庫區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化研究的不同發(fā)展階段, 并從土地利用變化及其驅(qū)動力、土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)(包括水土流失、非點源污染、土壤溫室氣體排放與重金屬污染、自然災(zāi)害頻發(fā)、生物多樣性喪失)、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)這3方面進行研究綜述。提出今后的主要研究趨勢是走向綜合, 研究的關(guān)鍵挑戰(zhàn)為宏觀格局變化的環(huán)境效應(yīng)、微觀機理與過程研究、尺度效應(yīng)與尺度推繹以及模型構(gòu)建與模擬預(yù)測。

三峽庫區(qū); 土地利用變化; 生態(tài)環(huán)境; 進展; 挑戰(zhàn)

1 前言

三峽工程是人類對地球表面的一次重大改造, 形成了三峽庫區(qū)這一特殊的區(qū)域。三峽庫區(qū)指三峽大壩蓄水到175 m, 隨著水位的上升受到淹沒影響的地區(qū), 西起重慶江津, 東至湖北宜昌, 涉及區(qū)(縣)20個, 總面積約5.8×104km2, 生態(tài)環(huán)境十分敏感。

三峽工程建成后, 實現(xiàn)了人工調(diào)控三峽庫區(qū)的水位漲落速度、幅度和頻率, 這與原來的天然河道的水文特征明顯不同; 再加上大量的移民活動, 如耕地開墾、大興土木、植被破壞等, 導(dǎo)致該區(qū)域土地利用及生態(tài)環(huán)境發(fā)生了巨大變化。因此, 對三峽庫區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的研究具有必要性和特殊性, 一直是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的研究熱點。

本文在文獻檢索數(shù)據(jù)庫中國知網(wǎng)(中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫、中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫、中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫)和Web of Scie-nce(核心區(qū))中檢索了1990年1月1日到2016年09月30日間文獻篇名包含“三峽庫區(qū)(Three Gorges Reservoir)”和“土地利用變化(Land Use Change)”或“生態(tài)環(huán)境變化(Ecological Environment Change)”的中英文文獻, 分析、探討了三峽庫區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化研究的發(fā)展階段、主要研究內(nèi)容、存在問題、趨勢與挑戰(zhàn)。

2 三峽庫區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化研究的發(fā)展階段

三峽水庫工程建設(shè)作為特殊的人類活動, 通過大壩修建、水庫淹沒、移民遷建及其配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方式, 改變了該區(qū)域的土地利用態(tài)勢, 重構(gòu)了景觀格局框架, 使三峽庫區(qū)的土地利用/覆被變化(Land Use Cover Change, LUCC)和生態(tài)環(huán)境受到巨大影響[1]。根據(jù)LUCC的四個核心研究內(nèi)容, 即LUCC狀況、LUCC驅(qū)動力與驅(qū)動機制、LUCC環(huán)境效應(yīng)與作用機制、LUCC模型模擬與預(yù)測[2], 三峽庫區(qū)LUCC研究中四個核心內(nèi)容的文獻數(shù)量分別為41%、7%、36%和16%。

隨著三峽大壩水利工程的實施進展, 1990~2016年間每年發(fā)表的三峽庫區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的文獻數(shù)量呈波動遞增的總趨勢, 基于三峽工程實施過程中的重要時間節(jié)點, 三峽庫區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的研究可分為3個階段(圖1): 1)1990—2000年為探索階段, 早在1990年三峽大壩工程的論證階段, 南京土壤研究所的徐琪、陳鴻昭、曾志遠(yuǎn)[3]基于三峽庫區(qū)土地資源利用現(xiàn)狀試論緩解人地矛盾的出路。1994年三峽工程正式開工到1997年長江三峽工程完成大江截流和一期移民工程, 三峽工程第一階段建設(shè)完成, 這期間發(fā)表的文獻較少, 每年1—2篇。2)2000—2005年為起步階段, 2003年水庫開始正式蓄水及二期移民的結(jié)束, 三峽工程第二階段建設(shè)完工。這期間, 國內(nèi)、外各領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者對三峽庫區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化研究的關(guān)注逐年加強, 年均發(fā)表文獻數(shù)量每年約5—8篇。3)2005—2016為快速發(fā)展階段, 2010年三峽水庫正式蓄水到175 m方案標(biāo)志著三峽工程全面竣工, 之后三峽工程進入了全面運行的階段, 專家學(xué)者們對三峽庫區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的研究范圍越來越廣, 研究熱點轉(zhuǎn)向三峽庫區(qū)因土地利用變化而產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究, 每年發(fā)表的研究文獻約15篇左右, 在2010年達到最高25篇。

目前針對三峽庫區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的外文研究文獻數(shù)量還不多, 發(fā)表的文獻從2008年開始, 基本保持在每年3—4篇, 且多為國內(nèi)學(xué)者所著, 相對來說, 目前在國際上具有較大影響力的研究文獻還相對較少。

圖1 三峽庫區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化研究文獻(1990—2016年)

3 三峽庫區(qū)土地利用變化及其驅(qū)動力

目前, 三峽庫區(qū)土地利用變化的研究以庫區(qū)尺度[4-7]和縣域尺度[8,9]為主。研究數(shù)據(jù)源從傳統(tǒng)的實地勘察、地形圖等基本圖件發(fā)展到以美國陸地衛(wèi)星Landsat MMS、TM影像為主的遙感數(shù)據(jù), 分辨率也從單一分辨率轉(zhuǎn)變?yōu)楦叻直媛蔥10], 特別是歸一化植被指數(shù)NDVI在植被覆被變化研究中的引用[11,12]。

通過對不同時期, 特別是三峽大壩建設(shè)前和建設(shè)后, 庫區(qū)不同土地利用類型的面積、土地使用率、景觀格局指數(shù)等的研究, 揭示了三峽庫區(qū)土地利用變化過程及規(guī)律: 總體來看, 以2005年為分界點。2005年前, 三峽庫區(qū)土地利用變化的研究主要關(guān)注土地利用的數(shù)量、結(jié)構(gòu)變化, 如范月嬌和江曉波[4]對三峽庫區(qū)1986—2000年土地利用變化進行的分析表明, 15年來, 庫區(qū)耕地一直呈減少趨勢, 建設(shè)用地不斷擴展, 林地出現(xiàn)了先增后減的態(tài)勢, 草地則先減后增。2005年后, 庫區(qū)土地利用變化的研究向時空變化特征逐漸加強, 并開始運用土地利用綜合程度、面積變化率、動態(tài)度等指數(shù)和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣模型對土地利用變化進行定量分析。孫曉霞等[5]研究表明三峽庫區(qū)1977—2005年間耕地、林地、草地向建筑用地與水域的轉(zhuǎn)變, 其中, 變化幅度與速度最大的為建設(shè)用地, 其次為水域; 綜合動態(tài)度最大的時期是1995—2005年。隨著景觀生態(tài)學(xué)的興起, 庫區(qū)土地利用變化的研究逐漸向景觀空間格局深入[13,14], 彭麗[15]研究表明庫區(qū)林地平均斑塊面積增加, 斑塊數(shù)減少, 斑塊形狀簡化, 林地破碎化程度減緩; 而耕地則與之相反; 庫區(qū)整體景觀結(jié)構(gòu)更復(fù)雜, 景觀類型更多元, 各景觀類型彼此鄰近, 呈鑲嵌分布格局。盡管景觀格局指數(shù)還存在爭議, 但總體來看, 庫區(qū)森林景觀破碎化程度正逐年降低, 生態(tài)系統(tǒng)空間布局結(jié)構(gòu)有所改善。

土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的驅(qū)動力主要分為自然和社會兩個系統(tǒng), 其中, 氣候、土壤、水分等是自然系統(tǒng)中主要的驅(qū)動力類型, 而經(jīng)濟發(fā)展、人口增長及政策等是社會系統(tǒng)中的主要驅(qū)動力類型[2]。

對近30年來三峽庫區(qū)的氣溫、降水、日照、風(fēng)速、相對濕度、蒸發(fā)量變化分析結(jié)果表明, 氣候?qū)θ龒{庫區(qū)LUCC的影響不大[16]。三峽地區(qū)的自然背景, 雖然不是庫區(qū)LUCC的直接驅(qū)動因子, 但卻在多方面制約和限制區(qū)域內(nèi)人類的社會經(jīng)濟活動, 如庫區(qū)地形地貌以山地、丘陵為主, 因而坡度、高程等條件限制了土地利用數(shù)量、結(jié)構(gòu)、方式和強度等[17]。

與氣候、土壤和地形等自然要素相比, 區(qū)域政策、經(jīng)濟發(fā)展和人口增長等人為因素起到了主導(dǎo)作用[18-20]。人口不斷增長一直是三峽庫區(qū)可持續(xù)發(fā)展過程中面臨的主要壓力, 人口增加導(dǎo)致糧食需求劇增, 砍伐森林、開墾荒地以擴大耕地面積, 同時, 庫區(qū)移民搬遷、新城鎮(zhèn)建設(shè), 使得城鎮(zhèn)用地、居民點用地迅速增加。經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展的初期多是以生態(tài)環(huán)境惡化為代價的, 解放初期至20世紀(jì)80年代, 為了發(fā)展經(jīng)濟、提高糧食產(chǎn)量而進行了大面積毀林毀草開荒; 而后, 隨著經(jīng)濟的發(fā)展, 耕作技術(shù)的提高, 工廠、高樓拔地而起, 大量的優(yōu)質(zhì)耕地又被占用為建設(shè)用地。三峽庫區(qū)LUCC與國家重大宏觀政策密切相關(guān), 如1988年, 國家相繼實施了“長江上游水源涵養(yǎng)林工程”和“長江上游天然林保護工程”, 林地和草地面積銳減的現(xiàn)象得到了控制, 并且有了恢復(fù)性的增長。

4 三峽庫區(qū)土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

三峽庫區(qū)處于我國人口眾多、耕地資源緊缺, 生態(tài)環(huán)境已經(jīng)遭受嚴(yán)重破壞的貧困地區(qū)。在這個地區(qū)建設(shè)三峽大壩, 庫區(qū)淹沒范圍之廣、移民數(shù)量之多、遷建任務(wù)之重, 古今中外均無先例[3]。因此, 如何緩解三峽庫區(qū)的人地矛盾成為了學(xué)者們首先關(guān)注的問題, 對庫區(qū)的土地資源利用現(xiàn)狀、土地承載力、土地資源可持續(xù)利用等進行探索研究。土地利用變化與生態(tài)環(huán)境密切相關(guān), 由于土地利用變化對土壤、水文、氣候、生物量及生物多樣性等生態(tài)因子產(chǎn)生重大的影響, 從而引起生態(tài)環(huán)境變化。

長期以來, 三峽庫區(qū)水土流失、非點源污染、土壤環(huán)境惡化、自然災(zāi)害頻發(fā)、生物多樣性喪失是土地利用變化驅(qū)動下的核心生態(tài)環(huán)境問題。多數(shù)研究都是基于遙感數(shù)據(jù)(Landsat TM、MODIS、SPOT等)運用定量模型, 如RUSLE模型、SWAT模型、AnnAGNPS模型等, 對不同尺度下由于土地利用/覆被變化而引起的水土流失、非點源污染的時空特征、動態(tài)變化進行研究[21,22]。

4.1 水土流失

三峽庫區(qū)是我國水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一, 三峽庫區(qū)68.57%的區(qū)域為微度侵蝕或輕度侵蝕, 年均土壤侵蝕量為1.94×108t·a-1, 平均土壤侵蝕模數(shù)為2.74×103t·(km2·a)-1。雖然庫區(qū)平均土壤侵蝕為中度侵蝕, 強度以上侵蝕面積僅占庫區(qū)的14.43%, 但是侵蝕量卻占總侵蝕量的58.67%, 主要分布在庫區(qū)的東部, 是預(yù)防和加強水土流失治理的重點區(qū)域[23]。

土地利用方式的轉(zhuǎn)變與水土流失的強弱密切相關(guān), 合理的土地利用方式是三峽庫區(qū)水土保持的重要基礎(chǔ), 不同土地利用類型對土壤侵蝕的影響不同, 通過137Cs示蹤法對三峽庫區(qū)土壤侵蝕速率進行的初步研究表明, 不同土地利用類型中, 土壤侵蝕強度的大小順序為: 耕地>園地>草地>荒地>林地, 其中耕地為中度侵蝕, 園地、草地和荒地為輕度侵蝕, 林地為微度侵蝕[24]。另外, 研究還發(fā)現(xiàn)三峽庫區(qū)土壤侵蝕強度與地形(坡長、坡度)、氣候(暴雨)、植被覆蓋等環(huán)境因素密切相關(guān)[25-27]。在此研究基礎(chǔ)上, 旨在改善三峽庫區(qū)水土流失的土地利用模式相繼提出, 從生物活籬笆復(fù)合農(nóng)林經(jīng)營技術(shù)[28]到更加系統(tǒng)的庫岸復(fù)合立體農(nóng)業(yè)、有限順坡耕作、水旱耕地交錯布局三種典型土地利用模式[29]。隨著各種林業(yè)生態(tài)工程的開展, 三峽庫區(qū)水土流失狀況有所好轉(zhuǎn), 但土壤侵蝕仍處于中度侵蝕, 且存在空間不確定性。

4.2 非點源污染

三峽水庫自2003年蓄水后, 庫區(qū)水質(zhì)下降、水生態(tài)惡化、水體富營養(yǎng)化, 這是由于原來天然河道的水文特征、地址條件、水環(huán)境容量改變后, 庫區(qū)的水體自凈能力、納污容量隨之改變[30]。通過長期監(jiān)測, 三峽庫區(qū)水污染物排放量穩(wěn)中有升, 總體水質(zhì)保持在III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

大量研究[31-34]表明, 非點源污染對三峽庫區(qū)水環(huán)境污染起到主導(dǎo)作用。小流域不同土地利用類型對非點源污染物負(fù)荷量有明顯差異, 表現(xiàn)為旱地總氮(TN)和總磷(TP)負(fù)荷量最大, 且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他土地利用類型, 其次是水田, 最后是林地、草地和建設(shè)用地[35,36]?；赟WAT模型以及三峽庫區(qū)流域2002—2008年的水文、水質(zhì)實測數(shù)據(jù), 對不同土地利用情景的非點源影響進行模擬, 結(jié)果表明通過退耕還林措施將25°、15°、6°以上的耕地轉(zhuǎn)化為林地可達到較好的非點源污染消減效果, 因此應(yīng)嚴(yán)格控制自然植被退化, 并且有計劃性、針對性地擴展林地范圍[37]。

4.3 土壤溫室氣體排放與重金屬污染

土壤環(huán)境及質(zhì)量受到土地利用變化的巨大影響, 土地利用方式對土壤環(huán)境的影響一直是學(xué)者們的研究重點, 包括土壤結(jié)構(gòu)[38,39]、土壤質(zhì)量[40-43]、土壤肥力[44-46]、土壤溫室氣體排放、土壤重金屬污染等。研究的深度也從表層結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)的分析過渡到引起變化的內(nèi)在機制, 如土壤微生物, 養(yǎng)分遷移循環(huán)、能量流動等。

近年來, 由于全球氣候變暖的加劇, 對土壤溫室氣體的排放得到學(xué)者們的關(guān)注。二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是溫室氣體的主要成分, 研究土壤呼吸[47]、土壤溫室氣體的產(chǎn)生、氧化機制及其影響因素, 尋求減排增匯的對策, 對減緩溫室效應(yīng)具有重大意義。通過測定三峽庫區(qū)蘭陵溪小流域針葉林、闊葉林、針闊混交林的土壤總呼吸、根系呼吸、地上凋落物分解及土壤有機質(zhì)分解的呼吸速率, 發(fā)現(xiàn)三種森林類型的土壤總呼吸及組分的呼吸速率均呈現(xiàn)出夏秋季最高、冬季最低的季節(jié)變化, 且對土壤總呼吸年貢獻率是土壤有機質(zhì)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年均排放總量為菜地>果園>旱地>水改旱>林地[52], CH4年均排放總量為菜地＞旱地＞水改旱＞果園＞林地[53]。消落帶的溫室氣體排放量高于非消落區(qū), 而消落區(qū)耕地上作物種類、耕作措施(是否施肥、施肥量)直接影響溫室氣體排放量[54]。

由于三峽水庫特殊的水位調(diào)節(jié), 使該地區(qū)成為典型的重金屬敏感生態(tài)系統(tǒng)。三峽庫區(qū)蓄水前, 土壤重金屬污染物主要為砷(As)和鎘(Cd), 主要由生活污水和工業(yè)廢水產(chǎn)生; 而三峽庫區(qū)開始蓄水后, 土壤主要污染物轉(zhuǎn)變?yōu)楣?Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb), 污染方式也轉(zhuǎn)變?yōu)榻煌ㄅ欧藕凸I(yè)污水排放[55]。通過研究庫區(qū)小流域內(nèi)不同土地利用類型(旱地、田地、林地和居民點)土壤汞(Hg)的含量及其分布特征, 并分析汞污染程度和進行生態(tài)風(fēng)險評價, 結(jié)果表明流域內(nèi)土壤Hg含量均值為(34.23±16.23) μg·kg-1, 不同土地類型表層土壤Hg含量為林地＞田地＞居民點＞旱地[56]。

4.4 自然災(zāi)害頻發(fā)

三峽庫區(qū)地形以山地、丘陵臺地為主, 地基巖層破碎、承載力弱, 適宜城鎮(zhèn)建設(shè)的土地有限; 又加上由于庫區(qū)蓄水影響了眾多城鎮(zhèn), 大批移民不得不后靠尋求新的土地進行城鎮(zhèn)建設(shè), 人地矛盾顯著, 自然災(zāi)害頻發(fā), 伏旱、崩塌、滑坡、泥石流、洪澇、水土流失等屢見不鮮。

研究表明[57,58], 土地利用格局對災(zāi)害的誘發(fā)有至關(guān)重要的作用, 城鎮(zhèn)用地是影響滑坡的最重要的土地利用類型, 主要包括建設(shè)過程中的開挖、堆填和坡面加載[59]。通過模擬不同土地利用格局對洪水過程的影響得到集中分布在流域上游的林地對削減洪峰有較明顯的作用, 流域內(nèi)隨機分布的林地則對減少地表徑流作用明顯; 林地覆蓋率越大對削減洪峰的作用越明顯; 當(dāng)林地覆蓋率一定時, 搭配灌木林削減洪峰效果更明顯[60]。隨著三峽大壩的建設(shè), 百萬移遷址重建家園, 建設(shè)用地激增, 林地面積先增后減, 導(dǎo)致自然災(zāi)害頻發(fā)。隨著新城鎮(zhèn)建設(shè)完工以及大量生態(tài)工程落地, 自然災(zāi)害在一定程度上會得到緩解。

4.5 生物多樣性喪失

對生物多樣性的研究和保護已經(jīng)成為社會各界普遍重視的一個問題, 三峽大壩蓄水后, 庫區(qū)土地利用方式和生態(tài)環(huán)境發(fā)生根本改變, 動植物生境遭受不同程度干擾和破壞[61,62], 日益破碎化, 生物多樣性受到強烈影響。庫區(qū)陸生生物和水生生物的生存環(huán)境發(fā)生根本變化, 物種種類、數(shù)量、豐富度、均勻度、多樣性, 群落水平及垂直結(jié)構(gòu)等均與蓄水前明顯不同。

目前, 三峽庫區(qū)生物多樣性的研究與其他領(lǐng)域相比還相對較少。通過對三峽庫區(qū)消落帶植被組成和多樣性影響的研究表明, 造林地消落帶植被的物種數(shù)量、平均高度和生物量顯著高于農(nóng)業(yè)種植, 主要由農(nóng)業(yè)種植的人工干擾(除草)和造林對消落帶微生境(光照、溫度、濕度等)的改變有關(guān)[63]。

5 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

對三峽庫區(qū)土地利用變化引起的生態(tài)環(huán)境評價是近十年來的研究熱點, 包括生態(tài)風(fēng)險、生態(tài)安全、生態(tài)系統(tǒng)敏感性和脆弱性、生態(tài)系統(tǒng)健康等。目前, 主要是通過選取水熱條件、地形地貌、土壤侵蝕、土地利用等生態(tài)因子建立評價指標(biāo)體系, 運用綜合評價方法或建立模型, 如層次分析法(Analytic Hierarchy Process)、模糊綜合法(Fuzzy Comprehe-nsive Evaluation)、PSR模型、RRM模型等對三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行評價研究[64-67]。通過運用層次分析法和模糊綜合評價法, 分別對三峽庫區(qū)2000年和2007年的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進行評價[65], 結(jié)果表明: 庫區(qū)局地氣候、水土流失、陸地生物多樣性、水文和水質(zhì)有所惡化, 但總體生態(tài)環(huán)境有恢復(fù)趨勢。

三峽庫區(qū)生態(tài)服務(wù)功能變化近年來也受到眾多學(xué)者的關(guān)注。土地利用變化對生態(tài)服務(wù)價值的影響的研究較少, 多為縣域、小流域尺度或部分功能類型的生態(tài)服務(wù)價值評估。在分析了2000—2014年三峽庫區(qū)土地利用變化的基礎(chǔ)上, 計算了由此導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化, 結(jié)果表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少了0.63億元[68]。通過對1986—2010年三峽庫區(qū)(重慶段)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空變化進行的研究表明, 近25年來, 該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈先降后增的V字型趨勢, 2000年前持續(xù)下降, 2000年后又大幅增加, 不同土地利用類型種, 林地的生態(tài)服務(wù)價值最高[69]。目前, 三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空變化規(guī)律尚不明確, 對生態(tài)系統(tǒng)的支撐、調(diào)節(jié)功能研究較多, 但對供給、文化服務(wù)還鮮有涉及。

6 展望與挑戰(zhàn)

目前, 三峽庫區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的研究領(lǐng)域多、范圍廣, 大到整個庫區(qū), 小到庫區(qū)小流域, 內(nèi)容涉及庫區(qū)環(huán)境變化規(guī)律及其驅(qū)動力、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)變化(包括水土流失、非點源污染、土壤溫室氣體排放與土壤重金屬污染、自然災(zāi)害頻發(fā)、生物多樣性喪失等熱點)、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價及生態(tài)服務(wù)功能變化等不同方面。但這些研究仍有不足、需待改善之處, 總的來看, 今后土地利用與生態(tài)環(huán)境變化研究的主要趨勢是走向綜合, 即多學(xué)科理論與方法的綜合、宏觀與微觀的綜合、多尺度的綜合, 面臨的挑戰(zhàn)可概括為:

6.1 宏觀格局變化的環(huán)境效應(yīng)

隨著對三峽庫區(qū)土地利用基礎(chǔ)研究的累積, 對土地利用變化特征、驅(qū)動因子等研究的日益豐富, 該領(lǐng)域的研究重點已逐漸轉(zhuǎn)移到環(huán)境效應(yīng)研究, 包括生態(tài)環(huán)境因子、庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的綜合評價、生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)(生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及生態(tài)系統(tǒng)健康)等。目前, 對于庫區(qū)生態(tài)環(huán)境因子的現(xiàn)狀特征、變化過程及引起的生態(tài)效應(yīng)的研究趨于成熟, 而對于不同生態(tài)環(huán)境因子之間相互作用的探討相對較少, 庫區(qū)土壤環(huán)境、水環(huán)境、氣候環(huán)境以及生物多樣性等因素如何進行相互作用、相互影響值得探討。另一方面, 對庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能以及生態(tài)系統(tǒng)健康診斷與調(diào)控等宏觀性、綜合性強的研究工作, 尚缺乏統(tǒng)一的指標(biāo)衡量體系, 不同領(lǐng)域的學(xué)者提出了基于各自研究目的的指標(biāo)體系和評價標(biāo)準(zhǔn), 研究側(cè)重點和關(guān)注點不同, 對庫區(qū)生態(tài)環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)評價的理解則不同, 從而導(dǎo)致指標(biāo)選擇和權(quán)重分配的差別, 因此得到的研究結(jié)果難以進行橫向比較, 在今后的研究中, 有必要建立一套普遍適用的評價標(biāo)準(zhǔn)。

6.2 微觀機理與過程研究

土地利用格局變化的環(huán)境效應(yīng)研究是土地利用變化所引起的結(jié)果, 而引發(fā)這種結(jié)果的作用機理及其過程則是另一個重要的科學(xué)問題。土地利用與生態(tài)環(huán)境變化微觀機理與過程研究, 主要是研究土地利用變化如何通過影響土壤、水文、氣候和生物來作用于整個生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、過程和功能, 研究這其中的作用機理, 即回答“為什么”和“怎么樣”的問題, 目前這方面的研究還較少, 是一個重要的挑戰(zhàn)。并且, 當(dāng)前對機理和過程的研究主要針對某一環(huán)境因子變化而展開, 如土壤侵蝕、非點源污染、植被退化和生物多樣性喪失等, 但隨著研究工作的深入, 開展綜合性的研究也勢必是未來的趨勢及挑戰(zhàn)。

6.3 尺度效應(yīng)與尺度推繹

尺度效應(yīng)是景觀結(jié)構(gòu)、功能和過程的基本特征, 包括景觀粒度和幅度兩方面。尺度大小的衡量通常用空間分辨率和時間單位來表示, 小尺度表示較小的研究面積或較短的時間間隔, 大尺度則表示較大的研究面積或較長的時間間隔。目前, 三峽庫區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的相關(guān)研究已經(jīng)涵蓋了流域尺度、庫區(qū)尺度、區(qū)段尺度、縣域尺度、小流域尺度、林分尺度和群落結(jié)構(gòu)尺度[70]。尺度推繹是通過建立合理的理論模型, 將已知的某個尺度下的相關(guān)研究成果, 通過“尺度放大”或“從下到上”推演得到另一尺度的狀況。目前, 空間尺度耦合推繹的途徑和方法還不確定, 雖然難度很大, 但卻是未來研究的趨勢, 因此成為了研究的另一個挑戰(zhàn)。

6.4 模型構(gòu)建與模擬預(yù)測

通過建立模型對土地利用變化過程及其驅(qū)動力等進行科學(xué)解釋, 以期預(yù)測未來一段時間內(nèi)土地利用變化趨勢, 為可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)資料和理論依據(jù)。目前, 三峽庫區(qū)土地利用變化的模型研究還較薄弱, 在土地利用動態(tài)變化預(yù)測中, 馬爾科夫預(yù)測模型的運用較多[71]。董立新等[72]運用面向?qū)ο蟮姆椒?、在SLEUTH模型本地化基礎(chǔ)上, 分析了工程前期(1992年)與中期(2002年)農(nóng)林用地的變化特征, 并模擬預(yù)測了重慶地區(qū)未來城市擴張及土地利用變化過程, 模擬顯示, 在未來十幾年, 該區(qū)將有一個緩慢的城市擴張過程, 耕地與林地將同時減少。

對三峽庫區(qū)而言, 由于數(shù)據(jù)數(shù)量和質(zhì)量問題以及對動力機制的認(rèn)識尚不明朗, 使得構(gòu)建模擬土地利用變化并預(yù)測變化趨勢的模型面臨重大挑戰(zhàn), 需要付出長期的努力。而未來幾年的研究, 重點應(yīng)放在結(jié)合庫區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)工程建設(shè)、城市擴展、道路網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展對庫區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的驅(qū)動, 并在此基礎(chǔ)上進行土地利用與景觀格局的模擬, 以期實現(xiàn)對庫區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境未來發(fā)展趨勢的準(zhǔn)確預(yù)測和有效調(diào)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

國家公益性行業(yè)(氣象)科研專項: 氣候和土地利用變化對森林的影響及適應(yīng)對策(GYHY201406035)

陳雅如(1984—), 女, 福建泉州人, 博士, 工程師, 主要從事土地利用及生態(tài)效應(yīng), 森林景觀恢復(fù)等研究, E-mail: chenyaru09@126.com

肖文發(fā), 男, 博士, 研究員, 主要從事森林生態(tài)環(huán)境與保護研究, E-mail: xiaowenf@caf.ac.cn