陳雅如, 肖文發,*
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三峽庫區土地利用與生態環境變化研究進展
陳雅如1,2, 肖文發1,2,*
1. 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所, 北京 100091 2. 國家林業局森林生態環境重點實驗室, 北京 100091
三峽工程是人類對地球表面的一次重大改造, 形成了三峽庫區這一特殊區域, 探討三峽庫區的土地利用與生態環境變化對維護庫區生態、經濟、社會可持續具有重要意義。歸納總結了1990—2016年間三峽庫區土地利用與生態環境變化研究的不同發展階段, 并從土地利用變化及其驅動力、土地利用變化及其生態環境效應(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、自然災害頻發、生物多樣性喪失)、生態環境質量評價及生態系統服務這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, 研究的關鍵挑戰為宏觀格局變化的環境效應、微觀機理與過程研究、尺度效應與尺度推繹以及模型構建與模擬預測。
三峽庫區; 土地利用變化; 生態環境; 進展; 挑戰
三峽工程是人類對地球表面的一次重大改造, 形成了三峽庫區這一特殊的區域。三峽庫區指三峽大壩蓄水到175 m, 隨著水位的上升受到淹沒影響的地區, 西起重慶江津, 東至湖北宜昌, 涉及區(縣)20個, 總面積約5.8×104km2, 生態環境十分敏感。
三峽工程建成后, 實現了人工調控三峽庫區的水位漲落速度、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, 導致該區域土地利用及生態環境發生了巨大變化。因此, 對三峽庫區土地利用與生態環境變化的研究具有必要性和特殊性, 一直是國內外學術界的研究熱點。
本文在文獻檢索數據庫中國知網(中國學術期刊網絡出版總庫、中國博士學位論文全文數據庫、中國優秀碩士學位論文全文數據庫)和Web of Scie-nce(核心區)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(Three Gorges Reservoir)”和“土地利用變化(Land Use Change)”或“生態環境變化(Ecological Environment Change)”的中英文文獻, 分析、探討了三峽庫區土地利用與生態環境變化研究的發展階段、主要研究內容、存在問題、趨勢與挑戰。
三峽水庫工程建設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設施建設等方式, 改變了該區域的土地利用態勢, 重構了景觀格局框架, 使三峽庫區的土地利用/覆被變化(Land Use Cover Change, LUCC)和生態環境受到巨大影響[1]。根據LUCC的四個核心研究內容, 即LUCC狀況、LUCC驅動力與驅動機制、LUCC環境效應與作用機制、LUCC模型模擬與預測[2], 三峽庫區LUCC研究中四個核心內容的文獻數量分別為41%、7%、36%和16%。
隨著三峽大壩水利工程的實施進展, 1990~2016年間每年發表的三峽庫區土地利用與生態環境變化的文獻數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點, 三峽庫區土地利用與生態環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[3]基于三峽庫區土地資源利用現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完成, 這期間發表的文獻較少, 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束, 三峽工程第二階段建設完工。這期間, 國內、外各領域專家學者對三峽庫區土地利用與生態環境變化研究的關注逐年加強, 年均發表文獻數量每年約5—8篇。3)2005—2016為快速發展階段, 2010年三峽水庫正式蓄水到175 m方案標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, 專家學者們對三峽庫區土地利用與生態環境變化的研究范圍越來越廣, 研究熱點轉向三峽庫區因土地利用變化而產生的生態環境效應研究, 每年發表的研究文獻約15篇左右, 在2010年達到最高25篇。
目前針對三峽庫區土地利用與生態環境變化的外文研究文獻數量還不多, 發表的文獻從2008年開始, 基本保持在每年3—4篇, 且多為國內學者所著, 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 三峽庫區土地利用與生態環境變化研究文獻(1990—2016年)
目前, 三峽庫區土地利用變化的研究以庫區尺度[4-7]和縣域尺度[8,9]為主。研究數據源從傳統的實地勘察、地形圖等基本圖件發展到以美國陸地衛星Landsat MMS、TM影像為主的遙感數據, 分辨率也從單一分辨率轉變為高分辨率[10], 特別是歸一化植被指數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前和建設后, 庫區不同土地利用類型的面積、土地使用率、景觀格局指數等的研究, 揭示了三峽庫區土地利用變化過程及規律: 總體來看, 以2005年為分界點。2005年前, 三峽庫區土地利用變化的研究主要關注土地利用的數量、結構變化, 如范月嬌和江曉波[4]對三峽庫區1986—2000年土地利用變化進行的分析表明, 15年來, 庫區耕地一直呈減少趨勢, 建設用地不斷擴展, 林地出現了先增后減的態勢, 草地則先減后增。2005年后, 庫區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、動態度等指數和土地利用轉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1977—2005年間耕地、林地、草地向建筑用地與水域的轉變, 其中, 變化幅度與速度最大的為建設用地, 其次為水域; 綜合動態度最大的時期是1995—2005年。隨著景觀生態學的興起, 庫區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]研究表明庫區林地平均斑塊面積增加, 斑塊數減少, 斑塊形狀簡化, 林地破碎化程度減緩; 而耕地則與之相反; 庫區整體景觀結構更復雜, 景觀類型更多元, 各景觀類型彼此鄰近, 呈鑲嵌分布格局。盡管景觀格局指數還存在爭議, 但總體來看, 庫區森林景觀破碎化程度正逐年降低, 生態系統空間布局結構有所改善。
土地利用與生態環境變化的驅動力主要分為自然和社會兩個系統, 其中, 氣候、土壤、水分等是自然系統中主要的驅動力類型, 而經濟發展、人口增長及政策等是社會系統中的主要驅動力類型[2]。
對近30年來三峽庫區的氣溫、降水、日照、風速、相對濕度、蒸發量變化分析結果表明, 氣候對三峽庫區LUCC的影響不大[16]。三峽地區的自然背景, 雖然不是庫區LUCC的直接驅動因子, 但卻在多方面制約和限制區域內人類的社會經濟活動, 如庫區地形地貌以山地、丘陵為主, 因而坡度、高程等條件限制了土地利用數量、結構、方式和強度等[17]。
與氣候、土壤和地形等自然要素相比, 區域政策、經濟發展和人口增長等人為因素起到了主導作用[18-20]。人口不斷增長一直是三峽庫區可持續發展過程中面臨的主要壓力, 人口增加導致糧食需求劇增, 砍伐森林、開墾荒地以擴大耕地面積, 同時, 庫區移民搬遷、新城鎮建設, 使得城鎮用地、居民點用地迅速增加。經濟持續高速發展的初期多是以生態環境惡化為代價的, 解放初期至20世紀80年代, 為了發展經濟、提高糧食產量而進行了大面積毀林毀草開荒; 而后, 隨著經濟的發展, 耕作技術的提高, 工廠、高樓拔地而起, 大量的優質耕地又被占用為建設用地。三峽庫區LUCC與國家重大宏觀政策密切相關, 如1988年, 國家相繼實施了“長江上游水源涵養林工程”和“長江上游天然林保護工程”, 林地和草地面積銳減的現象得到了控制, 并且有了恢復性的增長。
三峽庫區處于我國人口眾多、耕地資源緊缺, 生態環境已經遭受嚴重破壞的貧困地區。在這個地區建設三峽大壩, 庫區淹沒范圍之廣、移民數量之多、遷建任務之重, 古今中外均無先例[3]。因此, 如何緩解三峽庫區的人地矛盾成為了學者們首先關注的問題, 對庫區的土地資源利用現狀、土地承載力、土地資源可持續利用等進行探索研究。土地利用變化與生態環境密切相關, 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因子產生重大的影響, 從而引起生態環境變化。
長期以來, 三峽庫區水土流失、非點源污染、土壤環境惡化、自然災害頻發、生物多樣性喪失是土地利用變化驅動下的核心生態環境問題。多數研究都是基于遙感數據(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、動態變化進行研究[21,22]。
三峽庫區是我國水土流失最為嚴重的地區之一, 三峽庫區68.57%的區域為微度侵蝕或輕度侵蝕, 年均土壤侵蝕量為1.94×108t·a-1, 平均土壤侵蝕模數為2.74×103t·(km2·a)-1。雖然庫區平均土壤侵蝕為中度侵蝕, 強度以上侵蝕面積僅占庫區的14.43%, 但是侵蝕量卻占總侵蝕量的58.67%, 主要分布在庫區的東部, 是預防和加強水土流失治理的重點區域[23]。
土地利用方式的轉變與水土流失的強弱密切相關, 合理的土地利用方式是三峽庫區水土保持的重要基礎, 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, 研究還發現三峽庫區土壤侵蝕強度與地形(坡長、坡度)、氣候(暴雨)、植被覆蓋等環境因素密切相關[25-27]。在此研究基礎上, 旨在改善三峽庫區水土流失的土地利用模式相繼提出, 從生物活籬笆復合農林經營技術[28]到更加系統的庫岸復合立體農業、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]。隨著各種林業生態工程的開展, 三峽庫區水土流失狀況有所好轉, 但土壤侵蝕仍處于中度侵蝕, 且存在空間不確定性。
三峽水庫自2003年蓄水后, 庫區水質下降、水生態惡化、水體富營養化, 這是由于原來天然河道的水文特征、地址條件、水環境容量改變后, 庫區的水體自凈能力、納污容量隨之改變[30]。通過長期監測, 三峽庫區水污染物排放量穩中有升, 總體水質保持在III類水質標準。
大量研究[31-34]表明, 非點源污染對三峽庫區水環境污染起到主導作用。小流域不同土地利用類型對非點源污染物負荷量有明顯差異, 表現為旱地總氮(TN)和總磷(TP)負荷量最大, 且遠遠大于其他土地利用類型, 其次是水田, 最后是林地、草地和建設用地[35,36]。基于SWAT模型以及三峽庫區流域2002—2008年的水文、水質實測數據, 對不同土地利用情景的非點源影響進行模擬, 結果表明通過退耕還林措施將25°、15°、6°以上的耕地轉化為林地可達到較好的非點源污染消減效果, 因此應嚴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]。
土壤環境及質量受到土地利用變化的巨大影響, 土地利用方式對土壤環境的影響一直是學者們的研究重點, 包括土壤結構[38,39]、土壤質量[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構、理化性質的分析過渡到引起變化的內在機制, 如土壤微生物, 養分遷移循環、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者們的關注。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, 對減緩溫室效應具有重大意義。通過測定三峽庫區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分解的呼吸速率, 發現三種森林類型的土壤總呼吸及組分的呼吸速率均呈現出夏秋季最高、冬季最低的季節變化, 且對土壤總呼吸年貢獻率是土壤有機質分解>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, 而消落區耕地上作物種類、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節, 使該地區成為典型的重金屬敏感生態系統。三峽庫區蓄水前, 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廢水產生; 而三峽庫區開始蓄水后, 土壤主要污染物轉變為汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb), 污染方式也轉變為交通排放和工業污水排放[55]。通過研究庫區小流域內不同土地利用類型(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風險評價, 結果表明流域內土壤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]。
三峽庫區地形以山地、丘陵臺地為主, 地基巖層破碎、承載力弱, 適宜城鎮建設的土地有限; 又加上由于庫區蓄水影響了眾多城鎮, 大批移民不得不后靠尋求新的土地進行城鎮建設, 人地矛盾顯著, 自然災害頻發, 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], 土地利用格局對災害的誘發有至關重要的作用, 城鎮用地是影響滑坡的最重要的土地利用類型, 主要包括建設過程中的開挖、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, 百萬移遷址重建家園, 建設用地激增, 林地面積先增后減, 導致自然災害頻發。隨著新城鎮建設完工以及大量生態工程落地, 自然災害在一定程度上會得到緩解。
對生物多樣性的研究和保護已經成為社會各界普遍重視的一個問題, 三峽大壩蓄水后, 庫區土地利用方式和生態環境發生根本改變, 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。庫區陸生生物和水生生物的生存環境發生根本變化, 物種種類、數量、豐富度、均勻度、多樣性, 群落水平及垂直結構等均與蓄水前明顯不同。
目前, 三峽庫區生物多樣性的研究與其他領域相比還相對較少。通過對三峽庫區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量、平均高度和生物量顯著高于農業種植, 主要由農業種植的人工干擾(除草)和造林對消落帶微生境(光照、溫度、濕度等)的改變有關[63]。
對三峽庫區土地利用變化引起的生態環境評價是近十年來的研究熱點, 包括生態風險、生態安全、生態系統敏感性和脆弱性、生態系統健康等。目前, 主要是通過選取水熱條件、地形地貌、土壤侵蝕、土地利用等生態因子建立評價指標體系, 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模型等對三峽庫區生態環境質量進行評價研究[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2000年和2007年的生態環境現狀進行評價[65], 結果表明: 庫區局地氣候、水土流失、陸地生物多樣性、水文和水質有所惡化, 但總體生態環境有恢復趨勢。
三峽庫區生態服務功能變化近年來也受到眾多學者的關注。土地利用變化對生態服務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服務價值評估。在分析了2000—2014年三峽庫區土地利用變化的基礎上, 計算了由此導致的生態系統服務價值變化, 結果表明生態系統服務價值減少了0.63億元[68]。通過對1986—2010年三峽庫區(重慶段)生態系統服務價值的時空變化進行的研究表明, 近25年來, 該區域生態系統服務價值呈先降后增的V字型趨勢, 2000年前持續下降, 2000年后又大幅增加, 不同土地利用類型種, 林地的生態服務價值最高[69]。目前, 三峽庫區生態系統服務價值的時空變化規律尚不明確, 對生態系統的支撐、調節功能研究較多, 但對供給、文化服務還鮮有涉及。
目前, 三峽庫區土地利用與生態環境變化的研究領域多、范圍廣, 大到整個庫區, 小到庫區小流域, 內容涉及庫區環境變化規律及其驅動力、生態環境效應變化(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、自然災害頻發、生物多樣性喪失等熱點)、生態環境質量評價及生態服務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環境變化研究的主要趨勢是走向綜合, 即多學科理論與方法的綜合、宏觀與微觀的綜合、多尺度的綜合, 面臨的挑戰可概括為:
隨著對三峽庫區土地利用基礎研究的累積, 對土地利用變化特征、驅動因子等研究的日益豐富, 該領域的研究重點已逐漸轉移到環境效應研究, 包括生態環境因子、庫區生態環境質量的綜合評價、生態系統響應(生態系統服務及生態系統健康)等。目前, 對于庫區生態環境因子的現狀特征、變化過程及引起的生態效應的研究趨于成熟, 而對于不同生態環境因子之間相互作用的探討相對較少, 庫區土壤環境、水環境、氣候環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, 對庫區生態環境質量評價、生態系統服務功能以及生態系統健康診斷與調控等宏觀性、綜合性強的研究工作, 尚缺乏統一的指標衡量體系, 不同領域的學者提出了基于各自研究目的的指標體系和評價標準, 研究側重點和關注點不同, 對庫區生態環境與生態系統評價的理解則不同, 從而導致指標選擇和權重分配的差別, 因此得到的研究結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準。
土地利用格局變化的環境效應研究是土地利用變化所引起的結果, 而引發這種結果的作用機理及其過程則是另一個重要的科學問題。土地利用與生態環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系統的組成、結構、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。并且, 當前對機理和過程的研究主要針對某一環境因子變化而展開, 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。
尺度效應是景觀結構、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, 三峽庫區土地利用與生態環境變化的相關研究已經涵蓋了流域尺度、庫區尺度、區段尺度、縣域尺度、小流域尺度、林分尺度和群落結構尺度[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。
通過建立模型對土地利用變化過程及其驅動力等進行科學解釋, 以期預測未來一段時間內土地利用變化趨勢, 為可持續發展提供基礎資料和理論依據。目前, 三峽庫區土地利用變化的模型研究還較薄弱, 在土地利用動態變化預測中, 馬爾科夫預測模型的運用較多[71]。董立新等[72]運用面向對象的方法、在SLEUTH模型本地化基礎上, 分析了工程前期(1992年)與中期(2002年)農林用地的變化特征, 并模擬預測了重慶地區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。
對三峽庫區而言, 由于數據數量和質量問題以及對動力機制的認識尚不明朗, 使得構建模擬土地利用變化并預測變化趨勢的模型面臨重大挑戰, 需要付出長期的努力。而未來幾年的研究, 重點應放在結合庫區社會經濟發展、生態工程建設、城市擴展、道路網絡快速發展對庫區土地利用與生態環境變化的驅動, 并在此基礎上進行土地利用與景觀格局的模擬, 以期實現對庫區土地利用與生態環境未來發展趨勢的準確預測和有效調控。
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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(氣象)科研專項: 氣候和土地利用變化對森林的影響及適應對策(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效應, 森林景觀恢復等研究, E-mail: chenyaru09@126.com
肖文發, 男, 博士, 研究員, 主要從事森林生態環境與保護研究, E-mail: xiaowenf@caf.ac.cn