中国西北干旱区土地利用/覆盖变化与区域可持续发展

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  摘 要:土地利用和覆盖变化是人类改变地表环境最明显的表现,土地利用/覆盖变化与区域的自然要素、社会经济因素存在密切关系,是区域可持续发展的基础。在中国西北干旱区,由于山地-绿洲-荒漠每个系统结构简单、生态环境脆弱、景观差异明显、对环境变化敏感等特点,因此区域可持续发展受到严重威胁。在介绍了LUCC概念和研究内容的基础上,综述了LUCC与区域可持续发展的关系。依据干旱区不同系统的自然环境特点,阐述了不同时期的LUCC与区域可持续发展关系,进而讨论了依据干旱区LUCC特点,实施区域可持续发展措施。
  关键词:区域可持续发展;土地利用/覆盖变化;干旱区
  中图分类号 X37 文献标识码 A 文章编号 1007-7731(2013)04-108-03
  按照人类社会生产活动地域空间范围的尺度,可持续发展分为全球可持续发展(global sustainable development)、国家可持续发展(state sustainable development)、区域可持续发展(比国家小一级的地域单元, 如我国的省、美国的州)(regional sustainable development)。区域可持续发展是国家乃至全球可持续发展的基础,也是比区域更小地域生产系统可持续发展的的综合,具有承上启下的作用[1]。当前影响区域可持续发展的环境问题主要是含碳温室气体造成的气候变化,氮、硫氧化物的大气污染,臭氧层破坏,生物多样性减少,有毒有害化学品的危害,滑坡、泥石流地质灾害,荒漠化和水土流失,暴雨和洪涝。土地利用是人类社会生产活动的一种重要方式。随着生产力的发展,土地利用的广度和强度不断发生变化,由此产生了影响区域可持续发展的以上环境问题。LUCC研究的根本出发点和基本目标是:通过对人类驱动力—土地利用/覆被变化—全球变化和环境反馈之间的动力学与相互机制的认识,建立能够用来预测土地利用/覆被变化评价环境变化并提供决策支持的LUCC模型,从而预测土地利用/覆被变化,评估生态环境变化,并积极寻求人为干预[2],最后实现区域可持续发展。
  1 区域概况
  目前,全世界共有干旱土地约64.5亿hm2,约占全球土地的43%[3]。地处我国西北的干旱地区,位于欧亚大陆腹地,包括新疆全境、甘肃河西走廊、青海柴达木盆地以及内蒙古贺兰山以西的地区。地理位置为E73°-106°、N35°-50°,总面积约占全国国土面积的24.5%。气候干燥少雨,荒漠广布,植被稀少,属于典型干旱区。近50a来由于区域气候异常和人类活动干扰,导致干旱区生态环境少有的脆弱性和变异性,反映在土地利用和覆被变化上非常显著,直接影响了区域的可持续发展。
  2 土地利用/覆被变化与可持续发展
  2.1 土地利用/覆盖变化(LUCC) 土地利用/土地覆被变化是目前全球变化研究核心主题之一。土地利用是指对土地的使用状况,是人类根据土地的自然特点,按照一定的经济、社会目的,采取一系列生物、技术手段对土地进行长期或周期性经营管理和治理改造活动;土地覆被与土地利用在概念上有区别也有联系。土地覆被是随遥感技术应用而出现的新概念,是指覆盖地面的自然物体和人工建筑物,它反映了地球表层的自然状况[4]。另有学者称土地覆被为“具有一定地形起伏的覆盖着植被、雪、冰川或水体,包括土壤层在内的陆地表层”。土地利用是土地覆盖变化的最重要的影响因素,土地覆盖变化反过来又作用于土地利用[5]。
  2.2 LUCC与区域可持续发展 土地利用和土地覆被变化是实现区域可持续发展的基础,区域可持续发展又协调了土地利用,改善了土地覆被变化。虽然土地是某一区域自然环境要素之一,但土地利用和覆被在时间和空间上不断变化,从而影响了植被、河流、土壤、大气等,使整个区域生态环境发生变化,例如生物多样性减少、河流断流和污染、土壤肥力下降和次生盐渍化、大风和沙尘天数增多等,威胁区域的可持续发展。反过来,区域的可持续发展对土地利用和土地覆被变化也有深刻的影响。这种影响包括区域的整体自然环境和区域的社会经济因素对土地利用和土地覆被变化产生影响。前者通过某一要素或整体直接或间接影响土地利用方式的改变和土地覆被的相应变化。后者因经济投入的增加、生产技术水平提高、人地矛盾的缓解对土地利用和覆被变化的影响更加直接、显著。正因为LUCC与区域可持续发展存在密切关系,LUCC成为区域可持续发展的基础。
  2.3 当今LUCC研究内容 目前土地科学的焦点问题是:(1)观测和监测全球不同的时空尺度下发生的土地利用和覆被变化;(2)综合理解这种人类—环境复合系统的变化原因、结果和效应;(3)空间显性模拟土地利用/覆被变化;(4)全面评价土地系统功能和价值,如脆弱性、弹性、可持续性[7]。
  2.3.1 地理信息技术成功使用 “3S”技术的使用对土地利用和覆被变化研究起到推动作用。经历了20世纪80年代的通过遥感数字影像—人机交互判读—计算机量测汇总—数据库来实现土地利用信息提取,提高了土地利用数据获取的速度和精度[8]。到20世纪90年代的利用地理信息系统中的分析功能可以获得土地利用的变化矩阵,将原来土地利用变化的精度由“面积大小”提高到“位置与大小”,解决了土地利用变化“来龙去脉”分析,使土地利用变化向“过程研究”深入[9]。近年又探索利用地学信息图谱构建土地利用和覆被变化时空复合体模型研究[10]。
  2.3.2 LUCC模型研究 早期的LUCC模型多为非空间模型。近10多年来,LUCC模型发展以空间模型为主,这些空间模型被视为一种静态模型,其假设土地利用变化和其驱动因子之间因果关系不随时间发生变化。目前,多数LUCC模型都是基于压力—状态—反应(Pressure-State-Response)的框架体系,但没有把LUCC影响也作为一种反馈因子。由于人类和所处的周围环境相互作用、相互影响、相互制约,形成了一个开放的、综合的复合系统[12]。我们借用“局部均衡分析(Partial equilibrium analysis)”这一经济学名词来描述LUCC模型。该方法在小区域研究具有可行性,对于大区域研究由于主体和土地的隶属关系等信息获取不容易,所以存在一定困难。从长远趋势来看,我们借用“一般均衡分析(General equilibrium analysis)这一经济学名词来描述LUCC模型,这样就能从系统观和整体观的角度来综合考虑“人类—环境”复合关系,能很好地解释和预测土地利用变化系统。未来多尺度、多层次的综合研究是LUCC模型研究新要求,模型验证是LUCC模型的挑战[13]。   2.3.3 LUCC研究的生态学理念和环境效应研究 景观生态学用于研究LUCC,主要在于研究基质、缀块、廊道等不同景观要素的相互作用和尺度转换特征。以空间镶嵌稳定性为基础,产生了“空间解决法”(Spatial solution),为土地的持续利用评价提供一条新途径。理论上可以假设,任何景观都存在一个土地利用系统的最佳空间配置,可以满足人类世代的基本需求,并维持土地质量,即达到土地利用的发展目标[14]。LUCC环境效应因研究尺度不同有较大差异。全球尺度的环境效应研究侧重于LUCC对全气候变化的影响,集中表现在大气成分变化引起的气候变化。区域尺度的土地利用变化环境效应研究则侧重于土地退化、水文过程、土壤环境、生物多样性等效应方面。局域尺度的土地利用环境效应侧重于地方的生态环境变化[14]。
  3 干旱区土地利用和土地覆盖变化的基本特点
  干旱区是一个山地、绿洲、荒漠三者具有一定耦合关系的系统。在中国西部干旱区山盆体系中,山地向盆地中输送了大量的地表水和地下水,决定了天然绿洲的规模和范围,也影响了人工绿洲的发展潜力[15]。因此,在这样的条件下,干旱区的土地利用和覆被变化表现出与湿润、半湿润区截然不同的特点。
  3.1 干旱区土地利用和土地覆盖空间差异明显 在山地区,稍湿润、温度变化缓和,水热变化和垂直变化明显,稳定性随因素组合而不同。该区域为径流形成区,冰雪与降水资源丰富,年降水量150~1 000mm,一些山地作为放牧、旅游等季节开放或矿产开发区。在盆地边缘、河流冲积平原、山间谷地的绿洲,小气候效应明显,区域的稳定性受多种因素的制约,生产力高,该区域为径流消耗区,降水量多在150mm以下,以天然草甸、林灌植被、人工耕地和水域为主,为人类活动中心,受自然和人为活动的制约,随绿洲的类型变化,生态环境脆弱程度而不同。在荒漠区,干旱、多风、极端温度明显,系统稳定性差,生产力很低。无地表径流或为地表径流散失区,年降水仅为20~80mm,戈壁、荒漠、裸土、石砾地和荒漠化土地构成荒漠景观。受人类活动干预增多,有考察、探险、放牧等活动,生态环境十分脆弱。
  3.2 干旱区山地、绿洲、荒漠每个系统内部景观结构简单,生态环境脆弱 在干旱区,山地基本格局就是荒漠—山地草原-山地森林-高山草甸-亚冰雪-冰雪带构成的垂直带谱[16]。森林发育的规律是:在阿尔泰山1 500~2 500m、天山北坡1 600~2 700m、祁连山2 600~3 300m、西昆仑山2 700~3 600m[17],这些森林处于干旱的气候条件包围中,生态环境脆弱。在山地垂直带谱中缺少森林带地方,山地草原及高山草甸发育为主要特征,环境比较恶劣,农业发展受一定的限制。在山地草原和山地荒漠带为主的垂直带地方,表现极端的干旱天气,草场质量较差,牧业发展受严重限制。在以湿地为主要特征的山地内部格局,多是生物多样性集中地[16]。
  绿洲是干旱区人类活动集中而活跃的地方。由于人类活动的影响,中国内陆干旱区绿洲大多以人工绿洲为主[17],其主要特点是通过人工渠道将地表水(开采地下水)引入到地势平坦土质较好的地方,这样使绿洲在整体上呈现绿洲分布在荒漠基地的背景上,而在绿洲内部又有小范围的荒漠(未利用的土地)斑块分布。所以,绿洲范围的确定是以农田、林地和湿地斑块的分布来确定绿洲边界。近几十年来,随着经济的发展和人口的增加,绿洲普遍存在过度开发问题,直接导致了干旱区绿洲景观发生显著变化。首先,在老绿洲和新增绿洲中,农田、未利用土地和草地所占面积最大。其次,在老绿洲中,建筑用地斑块的密度最高,水域和林地最低。在新增绿洲区中,未利用土地、草地和农田的斑块的密度最高。第三,在老绿洲中,农田的最大斑块指数最高,在新增绿洲中,未利用土地和农田最高。
  荒漠区气候干燥、降水稀少、蒸发强烈、植被贫乏,同时,地面温度变化很大,物理风化强烈,风力作用活跃,地表水极端缺乏,多盐碱土;植被生长极差,只有在河道两侧或尾闾区生长一些胡杨等。
  3.3 绿洲-荒漠带不稳定 绿洲-荒漠交错带介于绿洲与荒漠之间,因其高机率的被替代性、弱的抗干扰能力、低概率的原状恢复性而成为最脆弱、最不稳定的生态区域类型之一。随着绿洲农业的发展,大面积原来属于交错带的荒漠带被开垦为农业用地,使人工绿洲面积迅速增大,从而使交错带内部边界向外扩展,加上外部边界向内退缩,使交错带变窄。但如果开荒土地水源无法保证,大面积弃耕变成盐碱化,植被覆盖度大幅度下降,天然绿洲一部分转为交错带,其边界又向绿洲扩大[20]。
  4 干旱区LUCC与区域可持续发展的关系
  原始的绿洲居民在选择栖息地时,往往依水而居,首选在山前洪积扇中下部,潜水溢出带附近,这里土壤肥沃,地下径流通畅,水源稳定、充裕。其次,亦或选在沿河的三角洲上,这里地势平坦,土层深厚,地下水位高,引水方便,渠道纵横。随着气候干旱加剧、人口数量增加,灌溉面积和用水增加,植被破坏,水源缺乏,流沙紧逼,一些聚落被湮没。今天留给我们的只是一片废墟。土地沙漠化是一个渐进的过程,还有一些是重大破坏事件如战乱发生、政权更替、宗教战争后突然放弃的。
  经过解放后几十年的开发建设,我国西北绿洲的面积大幅度扩大。如新疆的绿洲面积是解放前的3倍多。经过长期建设,不仅扩大了绿洲面积,而且在绿洲内部形成了良好的生态环境。但绿洲外部的生态环境不断恶化,主要表现在:湖泊的干涸和萎缩,土地沙化面积扩大,河流下游和尾闾植被衰败,土地次生盐渍化扩大等。这些问题,有些是自然因素形成的,而更多的是人类对土地和水资源的不合理利用,改变原有的土地覆被,阻碍了区域的可持续发展。
  5 结果和讨论
  山地是干旱区水资源的形成区和涵养区,冰雪融化及降水集中,易于造成水土流失的发生。植被是维持系统稳定性的重要因素,各种天然植被的水土保持作用和水资源涵养作用是其他要素不可替代的。因此在山地LUCC研究中,实现区域可持续的发展,应该运用生态学原理,诸如复合生态系统原理、物质和能量循环原理、生态平衡和忍耐极限原理、系统开放原理、生态位原理和限制因子原理等[21]。   以天山北坡为例,在天山北坡中山带,实施以生态建设为核心、生态产业为支柱的发展战略。具体包括:(1)建设中山带生态环境:研究和恢复传统山地森林带下限高度的可能性,扩大森林分布范围,为绿洲可持续发展提供安全的生态保障;(2)发展山地旅游业:山地蕴含极为丰富的旅游资源,研究和开发这些资源是干旱区今后发展的重要思路;(3)建设山区水库:平原水库由于强烈的水资源蒸发损失严重,干旱区水资源的合理调配必须依赖山区的水库建设。中山带下部正是山区降水带的下部,因而是选择和建设山区水库的合适位置[22];(4)利用遥感、GIS等现代科学技术成就,建立山地系统生态环境建设信息决策系统。
  绿洲可持续发展必须尊重自然规律,以流域为单元,综合规划治理,使整个系统优化。首先,水土组合是干旱区LUCC的决定因素,建设水利设施,水利工程从平原向山区转移,建立山区水利枢纽,达到水资源时空分配相对平衡;合理利用水资源,实现从低效和粗放向合理利用转变,适度开发地下水。其次,改土配肥,克服绿洲土壤的次生盐渍化。建设防护林,防止风沙对绿洲土壤的侵蚀。最后,适度扩大新绿洲,提高现有土地生产力。在水源有保证的地方,提高现有水源灌溉潜力,合理配置水资源。西北地区中、低产田面积大,可以通过合理灌溉、排水降低地下水位、提高肥力、营造防护林等综合措施提高单产,从而实现高效、特色农业。
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  (责编:徐世红)
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