土地利用和覆被變化對巖溶區(qū)土壤CO_2濃度的影響

綜述土地利用/覆被變化(lucc)對區(qū)域氣候影響研究進(jìn)展,并對其研究熱點(diǎn)進(jìn)行分析。lucc對區(qū)域氣候各因素影響的研究仍然存在較多分歧,如lucc對溫度的作用是增是減,影響程度有多大,對降水有無影響以及降水的增減,今后需要更加深入的研究。

為了研究坡度因素對土地利用/覆被分布及其動態(tài)變化的影響,以陜西省西安市長安區(qū)為研究區(qū),采用數(shù)字高程模型、遙感影像及相關(guān)輔助數(shù)據(jù),應(yīng)用gis手段提供的空間分析方法,將長安區(qū)地形進(jìn)行坡度分級,把兩個不同時期的遙感影像解譯結(jié)果與坡度分級圖進(jìn)行了空間疊加分析。研究結(jié)果表明,耕地、建筑用地、水域等分布在坡度較小范圍,林地、草地的坡度分布范圍近似于正態(tài)分布。不同年份各土地利用類型在相同坡度所占面積比例基本不變;不同坡度范圍內(nèi)的土地利用變化不盡相同。其它土地類型向耕地和建筑用地的轉(zhuǎn)化主要集中在低坡度范圍內(nèi),而其它土地類型向林地和草地的轉(zhuǎn)化在整個坡度范圍上大體呈正態(tài)分布。因此,坡度因素是土地利用/土地覆被的重要影響因素,坡度因素對土地利用格局具有明顯的控制作用。

介紹了土地利用/覆被變化的主要形式,分析了土地利用/覆被變化對河流的水文情勢、水質(zhì)、泥沙、河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和生物多樣性的影響,為生態(tài)保護(hù)提供技術(shù)指導(dǎo)。

以福州市南臺島為例,研究了不同土地利用/覆被變化對土壤全碳、全氮含量的影響。結(jié)果表明:1)不同土地利用方式下土壤全碳(totalcarbon,tc)、全氮(totalnitrogen,tn)含量均存在顯著差異(p0.05)?？傮w而言,城市化地區(qū)的土壤具有較大的變異性,存在明顯的人為干擾痕跡。

作為我國重要的糧食生產(chǎn)基地和淡水濕地集中分布區(qū),三江平原對于保障國家糧食安全和區(qū)域生態(tài)安全具有舉足輕重的地位。由于人類活動的劇烈影響,過去50年期間,三江平原土地利用/覆被發(fā)生了顯著變化。本文在分析1954年~2005年三江平原土地利用/覆被變化過程的基礎(chǔ)上,深入探索了土壤類型對土地利用/覆被變化過程的影響。結(jié)果表明,過去50余年中,三江平原土地利用/覆被變化劇烈,其中耕地增加了2.25倍,增加面積為385.55×104hm2。與耕地面積相對應(yīng)的是濕地、林地和草地的大幅度減少,減少面積分別為256.72×104hm2、66.92×104hm2和57.65×104hm2。草甸土、白漿土、沼澤土、暗棕壤和黑土為土地利用變化最為劇烈的幾種土壤類型,農(nóng)業(yè)開墾活動和耕地面積的增加是研究區(qū)土地利用變化的主要特征和主導(dǎo)因素,濕地、林地和草地減少區(qū)域的土壤類型與耕地增加區(qū)域的主要土壤類型一致。三江平原耕地開墾對土壤類型的選擇順序?yàn)?草甸土、白漿土→沼澤土→暗棕壤。這一現(xiàn)象表明耕地開墾首先從自然條件相對優(yōu)良的土壤資源-草甸土、白漿土進(jìn)行開發(fā);隨著草甸土和白漿土面積的迅速減少,沼澤土于1986年~1995年和1995年~2000年期間成為耕地開發(fā)最多的土壤類型;隨著以上3種土壤類型中可開墾的土地資源減少,暗棕壤于2000年~2005年期間成為耕地開發(fā)最多的土壤類型。

土地利用變化對土壤侵蝕和水質(zhì)的影響

土壤是人類生存和發(fā)展的必要物質(zhì)基礎(chǔ),土地利用方式的改變直接影響土壤性質(zhì)。從土壤理化性質(zhì)和微生物特性兩個方面,綜述了土地利用變化對土壤性質(zhì)的影響,旨在為土地有效利用及可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

基于landsat遙感影像解譯得到1986年和2011年深圳市土地利用/覆被數(shù)據(jù),采用中尺度氣候模式wrf/ucm,在較高分辨率的地形資料和城市冠層參數(shù)支持下,將兩個時期的土地利用/覆被作為模式強(qiáng)迫參量,分別進(jìn)行兩組數(shù)值模擬試驗(yàn).將模擬結(jié)果與自動氣象站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)wrf模式能夠較準(zhǔn)確地反映深圳市月平均氣溫西高東低的空間分布特征.1986—2011年,深圳市在快速城市化進(jìn)程中發(fā)生大規(guī)模的土地利用/覆被變化,引起近地表氣溫整體上呈現(xiàn)增高趨勢.其中,7月增溫幅度(0.91℃)普遍大于1月(0.42℃),各種自然植被覆蓋型用地轉(zhuǎn)變成城鎮(zhèn)建設(shè)用地的升溫幅度大多為0.70～1.57℃.主要原因是城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張導(dǎo)致地表反照率減小,凈輻射和感熱通量增加,潛熱交換變?nèi)?

基于landsat遙感影像解譯得到1986年和2011年深圳市土地利用/覆被數(shù)據(jù),采用中尺度氣候模式wrf/ucm,在較高分辨率的地形資料和城市冠層參數(shù)支持下,將兩個時期的土地利用/覆被作為模式強(qiáng)迫參量,分別進(jìn)行兩組數(shù)值模擬試驗(yàn)。將模擬結(jié)果與自動氣象站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)wrf模式能夠較準(zhǔn)確地反映深圳市月平均氣溫西高東低的空間分布特征。1986—2011年,深圳市在快速城市化進(jìn)程中發(fā)生大規(guī)模的土地利用/覆被變化,引起近地表氣溫整體上呈現(xiàn)增高趨勢。其中,7月增溫幅度(0.91℃)普遍大于1月(0.42℃),各種自然植被覆蓋型用地轉(zhuǎn)變成城鎮(zhèn)建設(shè)用地的升溫幅度大多為0.70~1.57℃。主要原因是城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張導(dǎo)致地表反照率減小,凈輻射和感熱通量增加,潛熱交換變?nèi)酢?/p>

準(zhǔn)確估計土地利用/覆被變化(lucc)對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的影響已成為當(dāng)前全球變化和全球碳循環(huán)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。本文通過文獻(xiàn)調(diào)研和數(shù)據(jù)的整合分析方法總結(jié)討論了近年來中國區(qū)域lucc時空特征及其對陸地碳收支影響,為合理評價中國區(qū)域陸地碳平衡以及確定未來研究發(fā)展方向提供參考。已有大量研究對近年來中國區(qū)域lucc主要特征進(jìn)行了探討,并分別利用衛(wèi)星遙感方法和ipcc清單法對中國區(qū)域陸地碳源匯影響進(jìn)行了評估。結(jié)果表明,目前全國土地利用活動,特別是農(nóng)林活動正對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支產(chǎn)生了比較顯著的積極作用,但基于以上兩種方法的研究結(jié)論之間差異很大,反映出中國lucc導(dǎo)致陸地碳收支變化的評估結(jié)果仍存在著較大的不確定性。通過分析認(rèn)為,中國未來的研究工作應(yīng)著重于發(fā)展和利用基于土地利用相互轉(zhuǎn)化面積的計量方法,以提高對中國區(qū)域lucc導(dǎo)致陸地碳收支變化評估的準(zhǔn)確性。

【目的】土地利用/覆被變化通過改變陸地植被覆蓋度對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響,筆者估算1990—2015年三峽庫區(qū)不同土地利用類型碳儲量的變化,及時有效地評估土地利用變化與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的關(guān)系,了解三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲量對土地利用變化的響應(yīng),為區(qū)域碳循環(huán)研究提供參考?！痉椒ā恳?990年、2000年、2015年landsat影像獲取三峽庫區(qū)土地利用/覆被變化數(shù)據(jù),應(yīng)用invest模型定量分析了土地利用/覆被變化對三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響?！窘Y(jié)果】1990—2015年三峽庫區(qū)土地利用格局和各類土地面積發(fā)生了明顯變化,林地、水域、建設(shè)用地和未利用地面積均不斷增加,而耕地和草地面積減少；1990—2015年三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲量呈持續(xù)增加趨勢,凈增加量為90.43tg,增加率為24.47%,年增加率為0.98%；三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲量空間分布不均,呈現(xiàn)出東高西低、南高北低的趨勢；耕地轉(zhuǎn)化為林地是庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲量增加的主要原因,碳損失途徑主要源于林地開墾為耕地、其他土地利用類型轉(zhuǎn)為水域和建設(shè)用地?！窘Y(jié)論】三峽庫區(qū)土地利用類型變化導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)碳儲量時空分布格局發(fā)生了相應(yīng)變化,生態(tài)系統(tǒng)碳儲量隨林地面積的增加而增加。因此,在保障耕地安全的前提下,加大三峽庫區(qū)退耕還林力度,加強(qiáng)三峽庫區(qū)林地保護(hù),有助于增加庫區(qū)碳匯潛力并改善庫區(qū)生態(tài)環(huán)境。

土地利用及其覆被變化與區(qū)域生態(tài)環(huán)境息息相關(guān),分析研究lucc對區(qū)域水環(huán)境的影響,對調(diào)整和改善當(dāng)前土地利用現(xiàn)狀具有重要指導(dǎo)意義。本文通過闡述lucc對區(qū)域水環(huán)境的影響機(jī)理,分析不同土地利用現(xiàn)狀對水環(huán)境的影響,并對現(xiàn)階段區(qū)域水環(huán)境的研究方法,水文模型和研究成果等方面進(jìn)行總結(jié),論述lucc對區(qū)域水文水資源影響的研究進(jìn)展。

以貴州省關(guān)嶺縣為例,利用1987和1999年兩個時段tm影象和相關(guān)資料,分析研究區(qū)12年間的土地利用/土地覆被變化及其土壤侵蝕風(fēng)險。發(fā)現(xiàn):(1)研究區(qū)土地利用動態(tài)變化較大,年均土地利用綜合動態(tài)指數(shù)為1.36%;(2)旱地和草地互相轉(zhuǎn)化比例高,草地開墾為旱地和旱地棄耕為草地的動態(tài)變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過旱地和草地最終面積變化的幅度;(3)山區(qū)土地利用的空間變化主要體現(xiàn)在垂直方向;(4)研究區(qū)裸土面積下降,一部分被植被覆蓋,另一部分由于土壤流失殆盡,形成裸露基巖,故植被覆蓋率和基巖出露率上升;(5)石漠化程度加劇,其中旱地石漠化發(fā)展速度最快;(6)土壤侵蝕形勢嚴(yán)峻。

利用usle方程和徑流場對大姚縣水土保持生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤侵蝕進(jìn)行監(jiān)測,旨在探討采取退耕還林、封禁、坡改梯等修復(fù)措施后,土地利用變化對修復(fù)區(qū)土壤侵蝕的影響。研究結(jié)果表明:高強(qiáng)度土壤侵蝕主要發(fā)生在坡耕地特別是陡坡耕地,而林地和梯地少有發(fā)生;經(jīng)過退耕還林增加林地面積和坡改梯后,土壤侵蝕現(xiàn)象得到緩解,流失面積減少2867.35hm2。

通過野外考察、典型剖面采樣及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究了黃土高原洛川塬典型耕地轉(zhuǎn)變?yōu)樘O果園后土壤顆粒組成和土壤容重等土壤物理屬性的變異特征.研究結(jié)果表明：耕地改為蘋果園地后，在0~20cm土層中，土壤粘粒含量顯著增加(p<0.01)，其他土層沒有顯著變化；在0~60cm土層中，土壤容重顯著降低(p<0.01)；在60~100cm土層中，沒有顯著性變化.在剖面垂直方向上，耕地顆粒含量從表層向下隨著深度增加呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢，在20~40cm土層粘粒含量最高(17.18%)，容重最大(p<0.01)，而蘋果園0~60cm土層粘粒含量大于60~100cm土層，土壤容重則隨著土層深度的增加有降低的趨勢.可見，土壤容重和土壤顆粒中的粘粒含量均對土地利用變化表現(xiàn)出一定的敏感性.

為更好地理解礦區(qū)土壤退化機(jī)理,選擇焦作采煤沉陷區(qū)4種代表性土壤景觀即有裂縫耕地、無裂縫耕地、有裂縫林地、無裂縫林地,評價土地利用與裂縫對沉陷土壤養(yǎng)分的影響.沉陷區(qū)耕地與林地2種利用方式中土壤有機(jī)碳(soc)、全氮(tn)、全磷(tp)含量差異不顯著(p＞0.05),但裂縫有無對這3個養(yǎng)分參數(shù)影響顯著(p＜0.05);土地利用方式(耕地、林地)與裂縫因素(裂縫有無)之間的交互作用對soc含量影響顯著(p＜0.05).沉陷區(qū)soc,tn,tp含量均表現(xiàn)為:無裂縫的林地與耕地＞有裂縫的林地與耕地(p＜0.05).與對照區(qū)相比,4種景觀的soc含量均顯著下降(p＜0.05),tn,tp僅在有裂縫的耕地與林地顯著降低(p＜0.05).研究結(jié)果表明,裂縫加劇了沉陷區(qū)耕地與林地的土壤c,n,p庫損失,尤其是c庫損失.在有裂縫情況下,沉陷耕地-林地轉(zhuǎn)變降低土壤c庫損失,但在無裂縫情況下,該轉(zhuǎn)變加劇土壤c庫損失.

為更好地理解礦區(qū)土壤退化機(jī)理,選擇焦作采煤沉陷區(qū)4種代表性土壤景觀即有裂縫耕地、無裂縫耕地、有裂縫林地、無裂縫林地,評價土地利用與裂縫對沉陷土壤養(yǎng)分的影響.沉陷區(qū)耕地與林地2種利用方式中土壤有機(jī)碳（s0c）、全氮（tn）、全磷（tp）含量差異不顯著〉0.05）,但裂縫有無對這3個養(yǎng)分參數(shù)影響顯著〈0.05）;土地利用方式（耕地、林地）與裂縫因素（裂縫有無）之間的交互作用對s0c含量影響顯著（p〈0.05）.沉陷區(qū)s0c,tn,tp含量均表現(xiàn)為：無裂縫的林地與耕地〉有裂縫的林地與耕地〈0.05）.與對照區(qū)相比,4種景觀的s0c含量均顯著下降〈0.05）,tn,tp僅在有裂縫的耕地與林地顯著降低〈0.05）.研究結(jié)果表明,裂縫加劇了沉陷區(qū)耕地與林地的土壤c,n,p庫損失,尤其是c庫損失.在有裂縫情況下,沉陷耕地-林地轉(zhuǎn)變降低土壤c庫損失,但在無裂縫情況下,該轉(zhuǎn)變加劇土壤c庫損失.

采用gis空間分析與傳統(tǒng)統(tǒng)計分析相結(jié)合的方法,通過在arcgis8.1的grid模塊中,對瀾滄江流域南段土地的柵格(grid)圖進(jìn)行地圖代數(shù)運(yùn)算,形成具有復(fù)合數(shù)據(jù)的新grid數(shù)據(jù)表;對新生成grid屬性表的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計計算,獲得研究時段內(nèi)不同空間范圍的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣數(shù)據(jù)及各類用地上的土壤侵蝕數(shù)據(jù);通過土壤侵蝕綜合指數(shù)(index)的計算,反映了不同區(qū)域、不同土地利用類型上的土壤侵蝕程度及其變化.研究結(jié)果表明,耕地、其它林地、低覆蓋度草地上土壤受侵蝕的可能性較其它用地類型大;耕地、中覆蓋度草地、水域的土壤侵蝕強(qiáng)度較其它用地類型大;土地利用變化對土壤侵蝕變化的影響在瀾滄江中游和下游區(qū)域表現(xiàn)較為明顯,而在上游區(qū)域不明顯;上游區(qū)域土壤侵蝕的主導(dǎo)因素不是土地利用及其變化,而是地形、氣候等其它因素.

以欽江流域?yàn)檠芯繉ο?在gis軟件的支持下,構(gòu)建研究區(qū)swat分布式水文模型,以徑流和泥沙實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證,結(jié)果顯示相關(guān)系數(shù)r2高于0.9,nash-sutcliffe系數(shù)高于0.8,模型模擬精度較高。在固定天氣因子等不變的情況下,基于1990、2008年兩期土地利用數(shù)據(jù),模擬研究區(qū)1968—2008年徑流產(chǎn)沙過程,并分析土地利用/覆被變化對水文效應(yīng)的影響,結(jié)果表明:1990—2008年土地利用變化主要表現(xiàn)為林地、水田面積減少,旱地、草地、水域和建設(shè)用地面積增加;與1990年土地利用情景相比,2008年土地利用情景下徑流和輸沙總量均增加,土地利用變化對產(chǎn)流影響較小,對產(chǎn)沙影響較顯著;由土地利用變化引起的月均徑流產(chǎn)沙變化量為汛期增幅大于非汛期;土地利用變化對枯水年徑流產(chǎn)沙過程影響最大,平水年次之,豐水年影響最小。

利用遙感圖像、1980年和2000年landsattm影像數(shù)據(jù),用分類統(tǒng)計方法、分段比重百分比指標(biāo)法分析渭河流域土地利用及覆被變化空間分布和轉(zhuǎn)移情況。以清源河小流域?yàn)檠芯繉?shí)例,用分類水文模型對其進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明,黃土高原土地利用及覆被變化對流域年徑流有顯著影響,即:對徑流的影響表現(xiàn)為季節(jié)性特征明顯;對暴雨形成的洪水過程有延時效應(yīng)。

利用武漢市主城區(qū)1996年、2000年、2005年和2010年的tm遙感影像數(shù)據(jù)以及土壤樣品的實(shí)測數(shù)據(jù),分析了武漢市主城區(qū)1996年～2010年的土地利用/覆被變化（lucc）及其對土壤有機(jī)碳儲量的影響.結(jié)果表明：武漢市主城區(qū)的lucc表現(xiàn)為水域、耕地、林地、草地和未利用地減少,城鄉(xiāng)居民用地增加;有機(jī)碳密度為林地＞草地＞耕地＞城鄉(xiāng)居民綠化用地＞水域＞未利用地;武漢市主城區(qū)土壤有機(jī)碳總儲量先遞減后上升,各時期都是耕地和水域的有機(jī)碳儲量最高,且城鄉(xiāng)居民綠化用地的土壤有機(jī)碳儲量年年增加,而水域的有機(jī)碳儲量年年減少;土壤有機(jī)碳儲量增加的來源主要是水域轉(zhuǎn)化為耕地和城鄉(xiāng)居民綠化用地,減少的來源主要是耕地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)居民綠化用地和水域.

以生態(tài)綠當(dāng)量作為土地利用變化環(huán)境影響評價的度量指標(biāo),引用生態(tài)綠當(dāng)量數(shù)學(xué)模型,以固原市上黃試區(qū)為例,利用1982年、2000年及2010年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù),測算上黃試區(qū)不同時期各種用地類型的綠當(dāng)量和總綠當(dāng)量,用以衡量生態(tài)環(huán)境狀況。結(jié)果表明:1982年,上黃試區(qū)生態(tài)綠當(dāng)量為0.88,說明該時段生態(tài)服務(wù)功能差,沒有達(dá)到應(yīng)有的生態(tài)標(biāo)準(zhǔn);1982—2000年,這時期為治理期,經(jīng)過近20a的生態(tài)綜合治理,到2000年該試區(qū)生態(tài)綠當(dāng)量達(dá)到1.266,說明該試區(qū)生態(tài)環(huán)境達(dá)標(biāo),生態(tài)服務(wù)功能良好;2000—2010年,在國家退耕還林還草政策條件下,坡耕地進(jìn)行了深度地退耕,至2010年,該試區(qū)生態(tài)綠當(dāng)量達(dá)到1.479,說明生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)一步加強(qiáng)。生態(tài)綠當(dāng)量作為評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境指標(biāo)具有涵義明確、計算方便等優(yōu)點(diǎn)。