濕地生態系統土地利用/覆被變化(LUCC)環境效應研究進展

劉贏男，焉志遠，付曉玲，柴春榮，倪紅偉

(黑龍江省科學院自然與生態研究所濕地與生態保育國家地方聯合工程實驗室，哈爾濱150040)

自20世紀以來，人類活動對自然環境產生了強烈干擾，引發了6次物種大滅絕，從而導致了全球范圍內物種分布的改變［1］。這種由人類活動引起的生物多樣性的變化，顯著地改變了生態系統的結構和功能，并對生態系統服務產生深刻的影響。

濕地是地球上水陸相互作用而形成的獨特生態系統，是人類賴以生存與發展的重要生態基礎。濕地作為全球三大生態系統之一，具有豐富的物種。在抵御洪水、調節徑流、改善環境和維護區域生態平衡等方面具有不可替代的作用。由于濕地具有多種生態功能和社會價值，長期以來一直是人類開發利用的對象［2］，全球濕地正以較其他任何生態系統都迅速的速度消亡［3］。據統計，近100年來，全球濕地面積減少約50%，農業排水和開墾是濕地喪失的主要原因［4］。

在人類活動的干擾下，濕地的土地利用方式以及土地覆被發生變化，濕地生態系統功能受到巨大而深遠的影響，濕地面積減少、濕地降解功能降低、水質下降、濕地生物多樣性減少等一系列生態環境問題已經成為當前濕地科學以及生態學研究的熱點，研究土地利用/覆被變化對濕地生態系統產生的影響具有重要的意義。

1 濕地土地利用現狀

土地利用/覆被變化(LUCC)是全球環境變化的主要因素和驅動力，對全球環境、生物地球化學循環等產生重要影響。據世界保護監測中心估測，全球濕地面積約為570×104km2，只占全球面積的0.6%，卻提供了14.7%的生態系統服務功能［5］，是全球生物多樣性最豐富及生態服務價值最高的生態系統，對全球生態環境的維持起著重要的作用。然而，人類活動對濕地生態系統產生了巨大而深遠的影響，濕地面積減少、濕地降解功能降低、水質下降、濕地生物多樣性減少等一系列生態環境問題已經成為全球面臨的普遍問題［6］。

由于長期以來人類對濕地的開發利用，加快了濕地減少的速度。目前，全球濕地已損失了50%以上。尤其是在水力文明為主的歐洲和居住全球70%以上人口的海岸帶，濕地損失率極高，以水生文明為主的南部亞洲和南部美洲濕地損失率相對較低，即使水生文明發源的區域，由于人口密度過高，濕地的損失和退化也非常明顯，如表1所示。據統計，美國濕地損失了53%，平均每小時喪失約24hm2濕地;加拿大70%的草甸沼澤和80%的河口濕地被用于其他用途，其北部的濕地也由于水庫的修建、泥炭開發、農業開墾以及林業采伐而受到嚴重影響;法國濕地損失了67%，德國損失57%，澳大利亞損失了50%以上，整個歐洲則損失了90%以上［6］。在非洲南部Tugela盆地中90%的濕地以及mfolozi流域58%的天然濕地已經消失。在人口稠密的南亞和東南亞地區，大面積濕地已經被排干用于水稻種植以及其他農業用途及居民地。印度尼西亞31%的濕地遭到開墾，新加坡、菲律賓和泰國各有97%、78%和22%的紅樹林消失［7］。中國則已經損失了60%的濕地。受到政策或國際公約保護的濕地同樣也面臨著威脅，如在歐洲有62%的加入Ramsar公約的濕地正發生退化或嚴重退化，僅有2%的濕地從生態質量上有所改善［8］。

表1 全球及區域濕地損失率Tab.1 Global and regional wetland loss rate

我國濕地面積達6594×104hm2，居亞洲第一、世界第四位，幾乎囊括了國際濕地公約的所有濕地類型。天然濕地類型包括沼澤、泥炭地、濕草甸、潛水湖泊、高原咸水湖泊、鹽沼和海岸灘涂等，從寒溫帶到熱帶，從沿海到內陸，從平原到高原山區都有濕地廣泛分布。人工濕地以潛育化和沼澤水稻田為主，還有水庫、池塘等。中國濕地主要分布在以下9個區域:東北三江地區的大面積沼澤;內蒙古戈壁沙漠中鹽沼濕地;黃河和長江中下游地區濱水湖泊;長江口以北的中國沿海灘涂;長江口以南的海灘和紅樹林濕地;云貴川高原地區沼澤草甸濕地;新疆沙漠地區大型咸水湖;天山以北山區的高山湖泊;青藏高原地區的高山湖泊和沼澤［9］。然而由于人類活動的影響，我國濕地損失率達 60%［10］。

黑龍江省是濕地資源大省，是我國面積最大的淡水沼澤分布區。現有天然濕地面積556×104hm2，占全國濕地總面積的16%，居全國之首。其中，河流濕地75×104hm2，湖泊濕地36×104hm2，沼澤濕地427×104hm2，人工濕地18×104hm2，主要分布在大小興安嶺、三江平原和松嫩平原。其中，大興安嶺153×104hm2，小興安嶺及東部山地116 ×104hm2，三江平原91 ×104hm2，松嫩平原198×104hm2。黑龍江省濕地具有面積大、類型多、生態區位重要、生物多樣性豐富等特點，又是許多候鳥的重要國際遷徙和繁殖地。但由于人類經濟活動的影響，濕地面積減少，生態功能下降，嚴重影響了區域生態安全。例如，三江平原是我國面積最大、分布最為集中的濕地區，亦是世界少見的內陸平原濕地，是具有重要代表性和國際意義的濕地生態系統。隨著溫室氣體排放的增加，全球氣候逐漸變暖，特別是長期的大規模農業開發，導致三江平原濕地面積縮減，該區天然濕地面積由1949年的534×104hm2，銳減到2000年的156×104hm2，天然濕地損失率高達70%。同時，現存天然濕地由于氣溫升高，降雨減少等原因，約有60%～70%出現退化，沼澤濕地退化為沼澤化草甸和典型草甸，沼澤濕地原有的水熱條件發生改變，并進一步影響到濕地生態系統功能，從而對全球變化產生影響，同時，也削弱了濕地保護農業生產等功能。

將濕地排水后改作農田，一直是全球范圍內濕地損失的主要原因。據統計，全球有26%的濕地被用于農業生產。其中，在歐洲和北美已有56%～65%的濕地被排干用于滿足集約化農業的需要。美國濕地改農田速度在20世紀達49×104hm2·a－1。在亞洲的熱帶和亞熱帶地區、南美洲和非洲，被排干用于農業生產的濕地比例分別達到27%、6%和2%。在亞洲，狩獵威脅32%的濕地，排水農耕威脅23%的濕地，污染威脅20%的濕地。在中、南美洲，狩獵和污染各威脅31%的濕地，排水農耕威脅19%的濕地［11］。此外，將濕地改作林業用地、水產養殖場、堤壩等洪水控制工程、泥炭開采等利用方式也造成了濕地的大量喪失。由人類城鎮開發及農業排放廢水導致的水污染、過量抽取地下水引起的地下水位下降等活動也間接導致了濕地損失［12］。

2 濕地生態系統土地利用/覆被變化的環境效應

2.1 土壤環境效應

土地利用方式是人類利用土地各種活動的綜合反映，和土壤養分有著密切的聯系，它可以影響植被凋落物和殘余量，影響土壤微生物的活動，引起養分在土壤系統的再分配，其利用方式的改變會引起土壤理化性質的改變。因此，LUCC對土壤環境影響的研究主要集中在對土壤組分、理化性質、土壤污染及退化過程和機理等方面的研究，特別是在土地利用方式對全球碳循環及碳儲量影響方面開展了大量研究。

人類圍墾、城市擴張等活動不僅可以直接減少濕地的面積，由此引起的濕地環境的變化也會導致或加劇濕地的退化［13］。濕地開墾成為農田后，植物殘體及沉積泥炭分解速率提高，碳的釋放量增加，改變了濕地生態系統碳循環模式，對全球變化產生深遠影響。在全球范圍內，土地利用變化造成的碳損失在過去的一個半世紀里一直穩定地持續增加。據統計，在1850—1995年間，大氣中共積累了1600×108t碳，其中約有30%來源于土地利用變化。若全球的沼澤地全部排干，碳的釋放量相當于森林砍伐和化石燃料燃燒排放量的35% ～50%［14］。近200年來，全球農林業排水和泥炭開采已導致30 Gt CO2的排放，泥炭地年損失量已超出了未受人類干擾情況下的碳積累量，說明泥炭地的土地利用導致碳的凈損失。對三江平原沼澤濕地5種土地利用方式下土壤有機碳儲量進行研究，結果表明開墾降低了土壤有機碳儲量和有機碳密度，且對耕地的影響大于林地，而退耕還濕有利于土壤有機碳的固定及儲量的增加［15］。開墾還會改變土壤的物理環境，隨著作物種植和收獲使得土壤養分含量減少，質量降低。三江平原草甸沼澤土隨著開墾年限的增加，土壤容重增加，密度增加，孔隙度降低，開墾7年、15年后，表土pH值逐漸升高，有機碳、全氮、全磷、速效氮含量都有不同程度的減少［16-17］。翻耕、開溝和施肥等，都可能導致濕地優勢的更替［18］。在對三江平原沼澤濕地土壤碳含量的研究中，墾植導致濕地土壤碳含量顯著降低，土壤TC及SOC含量隨開墾年限的增加而遞減，開墾年限呈極顯著負相關關系。同時，認為退耕還濕能提高土壤碳含量，但增加速率較慢［15］。對閩江河口蘆葦沼澤及其轉化為不同土地利用類型的土壤有機碳含量進行對比分析，結果表明土地利用使土壤有機碳含量降低［19］。對美國北部草原濕地轉變為農業用地后的土壤有機碳進行計算，結果表明土壤有機碳平均損失了101mg/hm2［20］。Cui等研究發現，森林濕地排水后由碳匯變成碳源［21］。

2.2 大氣環境效應

國內外對濕地開墾與溫室氣體排放的關系進行了大量研究。據統計，在過去的150年中，因土地利用變化造成的CO2排放相當于同期化石燃料向大氣排放的CO2量，而且土地利用變化也是大氣CH4和N2O濃度增加的主要原因［22］。濕地開墾為農田后，不僅促進CO2排放量的增加還通過種植活動促進N2O的排放［23］。對北方泥炭地的研究也證實排水和退化有助于CO2排放量的增加，長期排水的泥炭地產生CO2的速率為0.008 5 Pg·a－1［24］。Burkett也發現濕地在排干或半排干狀態下是CO2的“源”［25］。通過干濕沉降、地表徑流、農業廢水等途徑進入濕地中的氮很容易被濕地生物固定和利用，影響濕地的生物地球化學循環，導致濕地的CH4和N2O產生和排放發生變化［26］。三江平原是中國沼澤濕地分布面積最大的地區，近年來許多濕地被開墾成農田，農事活動中流失的氮素進入未被開墾的濕地，引起氮的積累，促進濕地CH4和N2O排放［27］。郝慶菊等在對三江平原沼澤濕地墾殖后溫室氣體排放的研究中發現，沼澤濕地開墾為農田，在只考慮CH4和N2O兩種溫室氣體排放的綜合GWP下，濕地開墾有利于降低溫室效應，但開墾卻導致了CO2排放量的激增。墾殖使濕地失去了碳匯功能，轉而變為了碳源［22］。芬蘭、瑞典和荷蘭的科學家聯合考察了歐洲泥炭地轉變為農田對溫室氣體排放的影響，發現CO2當前排放量是未開墾前的5～23倍，CO2的排放量遠遠超過了CH4的減少量［28］。三江平原是中國沼澤濕地分布面積最大的地區，近年來許多濕地被開墾成農田，農事活動中流失的氮素進入未被開墾的濕地，引起氮的積累，促進濕地CH4和 N2O排放［27］。Zheng et al.的研究也表明土壤濕度是影響N2O排放的一個重要因素，濕地因各種因素變干會促進其排放 N2O［29］。

2.3 水環境效應

土地利用變化還對水環境產生一定的影響。LUCC引起水資源短缺。隨著土地開發利用強度的不斷增加，水資源需求量的急劇增加，使得全世界許多地方水資源供給緊張。特別是由于農業的擴張和工業的發展，全世界用水量劇增。其中，農業用水增加了7倍，工業用水增加了20倍。水資源短缺不僅嚴重影響居民的日常生活，威脅工農業生產，還造成河水斷流、海水入侵等嚴重的生態環境問題［30］。

土地利用與土地覆蓋變化對水資源的影響主要表現在對水質、水量以及區域水循環的影響上。許多研究表明，在一流域內部的各種土地利用與土地覆蓋類型的比例變化是造成河流水質發生變化的主要原因。在對密歇根州西南部的Rouge河流域的研究中，人們發現土地利用形式的改變，特別是工業化的發展，使得大量的重金屬和有機化學物質排入地下，這不僅造成了對淺含水層的污染，而且還對Rouge河的水質產生了很惡劣的影響［30］。不同土地利用類型對水質變化的作用不同，總N和總P的比率在林地徑流中最高，農田中次之，城市中最少，但二者總量林地中最少［31］。此外為滿足農業開發需要而進行的挖溝排水會導致水分供應不足，化肥和農藥的使用也容易污染地下水。

2.4 生態效應

土地利用和土地覆蓋變化是生物多樣性急劇下降的最主要原因，也是改變生態系統結構和功能最普遍、最深刻的驅動力。歐維新的研究表明隨著鹽城海岸帶濕地圍墾開發，原來復雜多樣的自然植被大部分被農作物、水域等取代，未被開墾的自然植被演替規律也受到一定干擾，導致區域生物賴以生存的生境條件發生改變［32］。馬克明等探討了不同土地利用類型下生物多樣性的狀況［3］，孫忠林等研究了生境破碎化對植物多樣性的影響，并分析了破碎化斑塊屬性與多樣性的相關性，認為生境破碎化由于造成適于某些植物生存的棲息地喪失、核心區生境面積減小或生境隔離，而直接或間接導致物種多樣性水平的降低［33］。同時由于臨近農田，對殺蟲劑的使用導致非靶標生物的死亡，從而對生物多樣性產生顯著影響［34］。土地利用變化也對群落結構及物種多樣性產生影響。對青海高寒草甸植物群落，進行了不同土地利用方式對植物群落結構和物種多樣性影響的研究，結果表明不同土地利用條件下，群落物種組成、各功能群比例均發生變化，隨著干擾程度的增加物種多樣性降低［35］。對三江平原不同溝渠密度下的濕地斑塊植物群落的物種組成和多樣性變化進行研究發現，濕地植物群落的多樣性隨干擾強度的增大，整體呈降低趨勢。隨著干擾強度的增加，原有濕生物種減少，而中濕生、中生物種顯著增加［3］。后源等研究了人工排水對黃河首曲濕地植物多樣性的影響，結果表明人為排水后毒雜草在群落中的比例增加，豐富度指數和多樣性指數增加，濕地向雜草型方向演替［36］。在對云南石林喀斯特山地生態系統物種多樣和群落結構的研究中發現，物種多樣性隨人為干擾的增強而降低，群落結構隨干擾的增加發生明顯變化［37］。耕作過程中的抽水、灌溉使得周圍的地下水位受到人為改變，容易造成周邊濕地中外來物種的入侵［38］。

2.5 景觀效應

LUCC仍是生境喪失和破碎化的主要原因。濕地景觀變化最顯著的標志是由于土地利用與土地覆蓋變化造成的景觀格局和景觀類型的時空變化。而濕地景觀變化的過程是通過人類活動(農業化過程、工業化過程、城市化過程和政治化過程)進行土地利用，從而改變濕地覆蓋的過程［39］。對三江平原流域濕地景觀多樣性進行分析，發現隨著人類活動的干擾，流域濕地景觀的多樣性發生很大變化。撓力河流域從1983－2000年喪失了3個生態系統類型和7個群落類型。別拉洪河流域各類濕地到2000年也減少了10個群落，其中原有的沼澤各類景觀完全喪失。小斑塊類型濕地以數量喪失為主，大斑塊類型濕地則以破碎化為主。其中別拉洪河流域湖泡喪失率為98%，島狀林濕地喪失率為92%，草甸濕地斑塊數增加了123倍，面積則減少了32%，沼澤濕地斑塊數量隨面積的減少而先增加后喪失［40］。侯偉等對三江平原近50年來土地利用/土地覆被變化及生態效應進行分析，認為1976－1986年是該流域土地利用/土地覆被變化最快的時期。其中天然濕地被開墾為耕地是三江平原50年來主要的土地利用方式［41］。趙玉晶等對中國東北松嫩平原破碎化羊草斑塊的物種組成進行了研究，結果顯示:植被生活功能群、物種組成和多樣性隨羊草斑塊的大小而變化［42］。孫忠林對三江平原鴨綠河農場37個濕地斑塊的物種進行了研究，他認為濕地的破碎化影響物種組成，大小不同的濕地斑塊在物種組成上有明顯差異［33］。

3 問題與展望

綜上所述，LUCC是當今全球環境變化的主要原因之一，也是濕地生態系統環境變化的主導因素，在全球變化和可持續發展研究中占有重要地位。但是一方面由于以IGBP—IHD的LUCC計劃為代表的研究計劃是以變化機制研究為重點，另一方面由于LUCC環境效應的復雜性和積累性，數據的可獲得性和方法的精確性，以及全球和區域狀況的多樣性和復雜性，使得LUCC的環境效應至今尚未得到全面充分的研究。目前，國內外關于LUCC環境效應的研究缺乏統一的指標體系，研究區域、時空尺度單一［43］，對濕地大氣、土壤、水等單一要素的效應研究較多，對自然環境的綜合效應研究較少，對其環境效應的機制、過程和預測等關注不夠。因此，LUCC環境效應的過程與機理研究是今后該領域的研究重點。深入研究LUCC對生態環境產生的影響，并在此基礎上結合遙感、GIS技術與數理手段對這種影響進行量化，定量地確定出由此造成的生態系統穩定性以及生態安全的變化。此外，環境問題越來越受到政府和社會的重視，對典型區域深入研究LUCC的環境效應可為解決資源保護、環境建設和災害防治等問題做出重要貢獻。

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