區域土地利用變化的水環境效應

袁薇錦，歐維新

（南京農業大學公共管理學院，江蘇南京210095）

水土資源的利用是區域發展需要解決的重大課題，也是國內外學者研究的熱點。國際全球環境變化人文因素計劃（IHDP）和國際地圈生物圈計劃 （IGBP）共同確立的國際間研究計劃LUCC以及其后續計劃GLP中，一個主要問題就是了解區域土地利用與覆被變化及其對水文過程與水資源的影響[1-4]。有研究結果表明[5-6]，在較長時間尺度上，氣候變化對水資源的影響更加明顯，但在短期內，土地利用變化是水環境變化的主要驅動要素之一。土地利用的類型、結構、強度與空間布局都會引起水環境的綜合變化[7]，改變能量、物質和水分的流動，導致水資源短缺、洪澇災害、水污染等問題。

由于土地利用變化研究的復雜性，全球土地利用變化研究一般以區域案例為基礎進行[8]，區域尺度的土地利用變化是全球變化最重要的來源與驅動力[9]。全球陸地計劃（GLP）也強調了從局地到區域尺度上的人地系統耦合研究[4]。通過對區域土地利用變化造成的水環境效應進行歸納總結，不僅有助于闡明區域土地利用變化過程及其對水環境產生的影響，也為區域水土資源開發、利用、保護和可持續性管理提供了有價值的科學依據，而且為更大尺度的全球變化研究提供了一定的理論基礎。

1 區域土地利用變化的水環境效應研究進展

水體的數量、質量受多種自然與人為因素控制，其中，土地利用是自然與人類活動交叉最為密切的過程。用途轉移（或地類變更）和集約度變化是土地利用變化的2種基本類型[10]，對水環境影響主要體現在水文過程和水環境質量方面[11]。

1.1 水文效應

1.1.1 研究內容 典型試驗研究表明，土地利用變化對水體循環及水量平衡的影響十分明顯，被稱之為土地利用變化的水文效應[12]，其研究內容可以歸納為2個方面。

1.1.1.1 土地利用類型變化會造成下墊面性質的改變，影響截留、下滲、蒸發等水文要素以及產匯流過程 城市化導致建設用地比例逐年增長，大面積的天然植被和土壤被街道、工廠、住宅等建筑物所替代，使得不透水地表面積比例上升，從而影響了地面徑流的時空模式和水量平衡狀況，主要表現為徑流系數和產水量增大、下滲減少、洪峰流量增加[13-15]。由于大面積相對平緩的濱水濕地可加大對季節性洪水的接納容量，降低洪峰的高程[16]，因此，沼澤地墾殖、水域被建設用地侵占，使區域滯洪庫容損失，洪水調蓄能力降低[17-18]。

為了增加耕地的農業開發活動，改變了原有覆被類型的下墊面性質，一般均會產生不利的水文效應。如新中國成立后，在洞庭湖、鄱陽湖的圍墾，導致荊北所有通江湖泊被堵塞[19]。在長江流域，大量的坡耕地是水土流失的主要源頭，導致土壤蓄滿產流歷時變短、蓄存水量減少，土壤水庫容嚴重受損，加大了長江中下游的洪峰流量[20]。在一些區域，土地利用開發強度不斷增加，極大地破壞了土壤結構，促使土壤壓實和結皮，從而使入滲速率和土壤蓄水含量有所降低[21-25]，增加了年徑流量[26]。然而，在干旱半干旱地區的研究得出了相反的結論[27-28]：林草地大規模轉為耕地，會使流域年徑流量和基流量顯著減少，耕地面積的增加導致年最大洪峰流量也呈遞減趨勢。但普遍觀點認為，當林地、草地、濕地被農業開發后，其年徑流量和洪峰流量具有明顯的增加效應[29]。

關于林地的水文效應，一般認為，林地的高入滲率、低產流率以及強烈的蒸騰作用對河川徑流調節作用明顯[30-33]，森林采伐率的提高會導致徑流量增加、下游洪水泛濫的頻率和強度增大，并使得降水的再分配不平均[34-36]，草原、牧地的土地類型變化也有同樣的效果[37]。但研究也表明，林地對洪水攔蓄的作用是有限的，植被因素對面積較大和土地利用類型復雜的流域攔截降水的作用會逐漸減弱[38]，且不同的林地植被類型對降雨的響應不同，在較大降雨條件下，各植被類型對于雨水的調節作用差別較大[39]。同時，當暴雨達到一定強度后，森林對洪流的調節作用會減弱，地形、地貌的影響作用會增強[40]。

1.1.1.2 土地利用變化會改變區域水資源平衡，影響地表水和地下水循環 土地利用變化對區域水資源時空配置起著決定作用，隨著工業化和城鎮化速度的加快，生活用水會增加，留給生態的水資源就會減少；上游用水增加，留給下游的水資源就會減少[41]。黃河流域從20世紀70年代以來，下游頻繁出現斷流，主要原因就是由黃河流域工農業、城市用水量大增，再加上流域水土保持工程和水利工程改變了土地利用及覆被類型等綜合造成的[42]。

土地利用變化對區域地下水資源起著決定作用[43]，尤其是工業化和城鎮化速度的加快、農業用水方式的變化，改變了地下水系統的天然循環路徑和方式[44]。上游農田灌溉面積增大，導致灌溉用水量增加，會造成下游地表徑流減少，從而加劇下游地區對地下水的開采[45]。土地利用變化對下墊面性質的改變，則會影響降雨對地下水的補給[46]，含水層逐漸疏干，改變了地表水與地下水之間以及含水層之間的天然補給聯系，使含水層參數、含水層性質及邊界條件等發生了變化[47]。這些都使平原地表水和地下水轉化關系發生了明顯的變化。

1.1.2 研究方法 區域土地利用變化的水文效應研究方法可以歸納為4類：試驗流域法、水文特征變量時間序列法、水文模型法和綜合法[29]。試驗流域法適用于較小流域；水文特征變量時間序列法適用于下墊面條件比較均勻、降水量和土地利用空間差異不大的流域[48]，二者都是建立在對現狀和結果的數據統計與分析上，難以發現其演變的內在機理，僅能得出一些公式，缺乏具有普遍指導意義的理論模型。

而基于物理機制的水文模型法能夠比較準確地刻畫流域的水文效應，隨著GIS技術和計算機技術的發展，基于DEM的分布式水文模型研究逐步發展起來，成為當今水文學界研究的熱點和方向[49-51]。由于單一方法不可避免的局限性，現階段的研究已開始綜合利用以上方法研究LUCC的水文效應，如水文模型與各種統計學方法相結合[52]、結合不同模型的模型耦合法[53-55]、模型對比法[56]、組件式模型庫系統[57]等。

1.2 水質效應

土地利用變化對水質的影響主要有2個方面，一方面是不合理的土地利用結構引發的水土流失，使得流域產沙量增加；另一方面是人類生產生活產生的污染物進入河流、湖泊，污染地表水和地下水。

1.2.1 研究內容

1.2.1.1 泥沙效應 土地利用變化對流域泥沙產出及其輸移的過程影響，雖然是在一定的氣候、地形等自然背景下產生的，但土地利用變化仍是最主要的驅動因子[58]。

農業作物植被雖然對泥沙輸出有一定的抑制作用，但長期的耕作與農業用地的利用方式變化卻能大大促進泥沙的產出。早有研究表明[59]，人類大規模耕種后，世界河流每年的輸沙量已增加了2～10倍。許多研究表明，坡耕地是各區域江河泥沙的主要來源[60-63]，而荒地產流產沙量則更甚于坡耕地[64-65]。國外有研究證明[66]，流域河流泥沙濃度在流經林地和濕地時，比在流經農墾地區要低1個數量級。國內的相關研究主要集中在黃土丘陵區，在黃河流域，歷史上由于不合理的土地利用、林草植被的過度開墾造成該區域嚴重的水土流失[67-68]，對水土保持的相關研究逐漸興起，坡度、土地利用類型、降雨強度是影響流域產沙量的主要因素：坡耕地的坡度越高，水土流失越多[69-71]；林草地，特別是灌木林與自然草地的蓄水減沙效益要好于農地[70，72-74]；降雨強度特別是暴雨對徑流和沖刷影響極大，會加劇水土流失[73-75]。退耕還林是防止水土流失的重要措施，許多專家在這方面作了相關研究[61，73-74，76]。城市流域產沙相對較少，但市區基礎設施建設（例如修建道路[77]）卻能對泥沙輸出有很大影響[78-79]，尤其是快速城市化的發展會使河流年含沙量增加[80]。

1.2.1.2 水污染 許多研究表明，不同土地利用類型對水質的影響是不同的[81-84]，區域土地利用類型的比例變化會導致河流水質發生變化[85-87]。

隨著工業點源污染的逐步控制，土地利用變化造成的面源污染對水質的影響日益凸顯，成為目前關注和研究的熱點，其中，農業面源污染和城市地表徑流污染是造成一些區域水污染的主要原因[88-90]。

研究表明，絕大部分地表水體（包括地下水）的N，P負荷來源與農業生產有關，而灌溉農業被認為是地表水體最大的N，P輸入源[91-92]，耕地棄耕后也會造成N，P等土壤養分物質流失，造成污染。耕地擴張、大量化肥農藥的施用加劇了日益嚴重的地表水富營養化趨勢，還導致地下水水質變化[93]。隨著畜禽養殖業的大規模發展，其污染日益嚴重[94-95]，由于大部分畜禽養殖場沒有足夠數量的配套耕地，以消納其產生的畜禽糞尿，原本可用作肥料的畜禽糞尿被直接排放入河中，也加速了水體的污染。農業面源污染現已成為一些區域水污染的最主要原因[96-99]。城市化水平的加快，使得區域建筑面積和工業交通用地不斷增長，相應產生大量工業和生活污水[95，100-101]。城市不透水面積的增加，則使得降雨在下墊面上更容易匯聚污染物質，通過徑流攜帶大量的沉積物、營養污染物、重金屬污染物，加重了城市河流的非點源污染[101-103]，城市地表徑流污染已成為僅次于農業面源污染的第2大污染源[104-105]。

同時有研究表明，林地具有減水減沙、減少面源污染的特點[106]，大量森林被砍伐會引起陽離子和硝態氮的流失。在單一土地利用類型占主導的流域中，林地和草地為主的小流域的地表水水質明顯好于以耕地為主的小流域[107]。城市中的綠地系統具有明顯凈化水質的功能[108]，具有重要生態意義的濕地系統對于凈化水質、蓄洪防旱的作用非常明顯[109-110]。在河岸建立緩沖帶，則有助于減少進入水體的面源污染物[111]，例如，在有農田坡面徑流匯入的湖泊四周設置適當寬度的帶狀生態攔截人工濕地，可有效地截留來自農田地表徑流中的固體顆粒物、氮、磷和其他化學污染物，降低面源污染形成的危險[112]。

1.2.2 研究方法 關于水質受土地利用變化的影響常采用數學模型進行定量研究，早期主要采用經驗模型，即建立污染負荷與土地利用或徑流量之間的相關關系，利用相關分析、回歸分析、方差分析、主成分分析等數理統計的方法可以描述土地利用變化參數與水質指標之間的關系強度[113-116]。在農業非點源污染計算中，廣泛應用的通用土壤流失方程USLE、輸出系數Johnes模型、Soranno磷通量模型等均屬于經驗模型[117]，還有 WRENS，FHWA，WMM等模型[118]。

隨著研究內容的加深和研究技術的改變，涉及土地利用對地表徑流污染特征、場次暴雨污染負荷以及長期土地利用變化對非點源污染負荷及水生生態系統響應等方面的機理模型研究逐漸興起[119]，通常機理研究由降雨徑流過程、土壤侵蝕過程和化學物質轉化運移3個過程組成，其中，模型研究包括綜合水文、侵蝕和污染物運移過程的模型，如 CREAMS，GLEAMS，DRAINMOD-N，EPIC 等[120]。

隨著計算機技術的快速發展和3S技術在流域研究中的廣泛應用，一些學者把GIS技術和非點源模型進行耦合來進一步完善現有的非點源污染模型，通過將已經定量化的土地利用變化數據和地圖以及水質變化數據疊加，從而得出水質變化與土地利用變化之間的關系[115，121-122]，使得非點源污染模型更逼近環境過程的真實性。其中，比較著名的有美國農業部農業研究所開發的AGNPS 及其改進版 AnnAGNPS，SWAT，BASINS模型等。同時，把傳統的非點源污染模型與專家系統或各種人工智能相結合，開發非點源模型系統平臺，為非點源污染的研究和控制提供了有利工具，也成為一個重要的研究方向[123]。

2 存在的問題與展望

2.1 存在的問題

前人對區域土地利用變化的水環境效應已做了很多富有成效的研究，但土地利用變化與水環境效應之間的關系復雜。受研究資料與方法等因素的限制，區域土地利用變化的水環境效應在研究內容、研究方法等方面還存在許多問題。

2.1.1 研究內容

2.1.1.1 基礎理論與機理研究比較薄弱 20 a來，我們對土地利用變化的認識已逐步提高，但相關的理論成果仍比較匱乏，土地利用變化研究仍然有待理論化[124]，其最大的障礙就是缺乏全面、綜合的人地關系理論[11]。隨著LUCC及GLP研究的不斷深入，土地利用變化對水環境的影響受到普遍關注，但目前的研究多集中在對現狀與結果的統計分析上，對土地利用變化的水環境效應過程與機理研究較為薄弱，規律總結較少，因而，在預測模擬方面的理論研究不足。

2.1.1.2 水土復合系統及時空耦合研究較少縱觀以往的研究成果，或是把水土資源作為整體進行開發潛力與優化配置的研究，或是把二者分割開來加以研究，正如Falkenmark[125]研究指出：在環境政策中，土地和水的問題仍然被看成是不同領域的問題，由教育和專業背景相當不同的人員來管理。結果就是土地和水資源的管理傳統上是相互隔絕的。但大量研究表明，土地利用變化會影響到區域水文和水質，反過來水資源的開發也會影響到土地利用。而目前，由于對水土相互作用的過程與機理研究較為薄弱，從而導致對水土復合系統的作用規律、時空演變沒有很好地認識：土地利用變化對水環境作用的過程還未能建立空間演變模型，同時研究多集中在短期的水文水質變化過程，很少涉及長期土地利用變化過程的綜合水環境變化與預測研究。

2.1.1.3 缺乏統一指標、對比集成分析 目前，區域土地利用變化的水環境效應研究多在單個區域內進行，研究者多在某個特定區域根據土地利用變化的數據，選取單個或多個水環境變化的指標參數進行統計分析，不同研究者選取的指標往往會有較大差異。由于缺乏統一指標體系，對不同區域的相同研究內容難以進行對比分析，因此，不同區域的對比集成分析較少，缺乏整體的綜合性及直觀的認識。

2.1.2 研究方法 在研究方法上，監測與模擬實驗是獲取數據的基本途徑[126-127]。由于技術限制，一般來說，在人類活動較少的自然流域地形較易提取。而在人類活動較密集的地區，例如城市區域，由于土地利用與水環境變化過程的復雜性，數據獲取周期長等原因，使得動態監測難度較大，也限制了長期對水環境效應的綜合研究。在模型研究方面，目前盡管已建立了許多模型，但總體來說都只是考慮了土地利用變化參數而沒有將人類活動尤其是社會、經濟驅動因素結合到模型中，并且對環境效應過程與機理研究的欠缺，又必然會影響過程與機理模型的建立及其模擬與預測的精度。

在技術方面，研究方法與3S技術的結合仍然比較薄弱。GIS和RS技術的應用雖然給模型研究思路和技術方法帶來了創新和革命，但由于各區域自然條件、水文現象的復雜性決定了各類模型很難通用。同時，遙感資料還沒有完全融入水文模型的結構中，直接應用還有很大困難，不斷出現的衛星系統水文數據也需要新的模型來分析和處理。

2.2 未來研究展望

針對目前對于區域土地利用變化的水環境效應研究的不足，未來應注重在幾個方面繼續開展深入研究。

2.2.1 強化科學理論體系 土地變化科學是當前地理學尤其是自然地理學重要的科學前沿與研究領域，在未來的研究中，需要不斷豐富和完善土地利用變化科學理論體系，識別土地系統變化的原因、本質、后果以及對土地可持續性利用的綜合分析，更好地認識陸地上人類—環境耦合系統的脆弱性和持續性與干擾相互作用的特征及驅動力等。許多專家認為，人地關系論是地理科學的理論基礎，它滲透于地理科學的每個分支研究領域，對于建立、鞏固、發展和完善地理科學有著重要意義。因此，需要構建全面、綜合的人地關系理論，以更好地掌握土地利用變化科學的研究對象、內容及任務。

2.2.2 加強過程與機理研究 水土資源的利用不是分開單獨進行的，土地利用與水環境之間的相互作用制約著區域經濟和社會的發展。因此，有必要加強水土復合系統的研究，深入了解土地利用變化與水文水質相互作用的關系，并加強過程與機理的研究，識別水土資源在動因、結果和本質方面的變化，掌握水土復合系統的作用規律、時空演變，為認識區域水土資源生態安全與合理、高效利用水土資源提供理論基礎。同時，有必要構建統一的指標體系，從而更好地量化水土耦合系統之間的相互作用。

2.2.3 加強多尺度集成分析 社會和環境動力學發生于多尺度，不同尺度的動力學具有許多聯系[4]。因此，在區域尺度上考慮土地利用變化的水環境效應時，更應關注不同區域尺度的水環境問題，綜合考慮人為干擾、社會經濟對土地利用的影響，加強不同區域尺度上的比較研究，尋求不同尺度上研究結果的聯結。而在微觀尺度上，應更加重視長期土地利用變化對生物地球化學循環過程的影響，例如，地層性質與地質特征對地下水與地表水循環的影響，土壤與巖石理化性質的差異對水體物質含量的影響等。因此，加強多尺度的集成研究，對認識地方與全球的耦合關系、深入了解水土資源的微觀機理活動有著重要意義。

2.2.4 完善模型研究以及與GIS，RS技術的融合對土地利用變化的水環境效應研究離不開模型支持。通過對相關理論的完善，需要加強過程與機理模型的研究，有必要將社會經濟因素的影響融合到模型研究中，以期對不同土地利用發展模式下可能導致的水環境效應進行模擬預測，為全球、國家和區域的水土資源可持續管理提供科學的決策依據。目前，GIS和RS技術的應用還不夠廣泛，在獲取區域水土變化數據方面，遙感監測的優越性有待進一步提高，同時，有必要加強GIS和RS等現代技術與水文水質模型的集成與耦合，建立結構上匹配、機制上合理的分布式水文模型，提高對土地利用變化的水環境效應的認識和估算水平，完善評價結果，為流域綜合管理、水污染防治和可持續利用等提供科學依據和技術支持。

3 結語

人類的土地利用活動不僅影響到水資源在區域間的重新分配、改變了區域內部的水分循環，而且加劇了水資源污染的程度，嚴重破壞了水資源可持續的地域耦合空間結構及流域和諧的生態水文過程，進一步加劇了水資源短缺的局面，增加了水資源供需壓力。一方面在城市化快速發展驅動下，城市不斷增加的非透水型地面，改變了地面徑流的時空模式和水量平衡，城市徑流量的增多也增加了進入河流與湖泊的泥沙量和污染負荷，加重了城市非點源污染。另一方面在一些生態脆弱區，過度開墾、過度放牧、過度砍伐，加重了干旱與水污染。林地具有延緩和削減洪峰、降低洪水總量的作用，濕地具有凈化水質的功能，然而，伴隨著土地利用和水資源利用的集中化與規模化，濕地與林地的總量與質量正在下降。因此，深入認識和研究區域土地利用變化的水環境效應，對建立可持續發展的土地利用模式和實現科學的水土綜合管理具有重要意義，在更深層次上有助于為人類與環境耦合系統研究作出貢獻。

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