沿海区域土地应用改变的驱动力

2012-08-17 09:51:19 来源:写作指导

 

海岸带作为陆地和海洋的交接地带,是陆地系统与海洋系统相连接、交叉和复合的地理单元[1],作为资源条件最丰富和区位优势最明显的地球表面最为活跃的自然区域,同时也是生态脆弱、灾害较多、全球环境变化影响最为敏感的地带[2],海平面上升、湿地丧失、生物栖息地及环境恶化、生态系统退化以及灾害加剧等现象日益加剧[3]。海岸带作为各大圈层的界面,是地球系统科学研究的极佳切入点[4],为此,有关国际组织针对海岸带区域发起了一系列重要的研究及行动计划[5],例如,LOICZ(Land-OceanInteractions in the Coastal Zone)、JGOFS(JointGlobal Ocean Flux Study)、SUCOZOMA(Sustain-able Coastal Zone Management)、GPA(the GlobalProgram of Action for the Protection of the MarineEnvironment from Land-Based Activities)等,同时IGBP(International Geosphere-Biosphere Pro-gram)和IHDP(International Human DimensionProgramme)都把海岸带的陆-海相互作用(LOICZ)作为重要的子计划[6],把区域土地利用变化作为全球变化研究的一个重要方面[7]。对海岸带及其土地利用变化的分析研究体现了陆-海-人三大系统交互作用的动力机制[8],有利于落实和调整“人地关系”这一地理学的中心问题[9]以及地理学研究的不断深化,因此日渐成为全球许多国家和学术界广为关注和研究的热点问题之一[10]。作为全球生态环境变化最为敏感的地区之一,海岸带土地利用变化会影响海岸带多种资源与生态过程发生改变[11],进而引起各种营养元素与污染物在河口海岸的富集[12],间接导致地下蓄水层和海岸带水质污染[13]等。   近年来,随着我国社会经济的不断加速发展,人们在海岸带进行了大规模土地资源开发利用活动,使得海岸带面临的压力越来越大,土地资源和生态环境发生了前所未有的变化,出现许多有碍于可持续发展的问题。对海岸带土地利用变化及其生态环境的影响研究有助于从理论和实践层面了解其对全球变化的影响和作用,有利于对全球物质循环及近海水质状况进行跟踪调查,制定相应的调控措施,因此,研究海岸带土地利用变化及其对生态环境的影响对于了解区域的生态环境演变乃至全球变化具有重要的意义[14],需及时、准确、高效地掌握海岸带土地利用变化信息及环境效应响应状况,以实现海岸带土地资源的有序利用和生态环境的良性循环,最终为实现海岸带地区的可持续发展提供服务。   1 海岸带土地利用变化在全球变化研究中的地位和作用     土地利用是指人类对土地自然属性的利用方式和利用状况,包含着人类利用土地的目的和意图,是一种基本的人类活动[15]。人类根据一定的社会经济目的,采取一定的生物和技术手段,对土地资源进行长期性或周期性的开发利用、改造和保护等的经营,把土地的自然生态系统改变为人工生态系统[16]。土地利用变化客观记录了人类改变地球表面特征空间格局的活动[17],再现了地球表面景观的时空动态过程[18],其与生物多样性减少、生态环境演变、全球气候变化、生态安全水平以及人类与环境之间相互作用的可持续性等密切相关。土地利用变化作为全球变化的重要组成部分和主要原因,自20世纪90年代以来日益受到国际组织和世界各国的普遍关注,目前已成为国际上和我国全球变化研究的前沿和热点[19],在土地资源的合理利用、开发与保护,以及生态、经济与环境的协调发展等方面起到了重要作用。土地利用变化影响着陆地生态系统的地理分布格局及其生产力,是人类与地球环境进行物质、能量交互作用的重要表现形式[20],客观反映了人类改变地球生物化学循环、生态系统的结构与功能、产品与服务的供应,再现了陆地表面的时空变化过程[21]。目前学术界集中研究的全球变化,是由一系列过程和现象各异的区域变化所组成,是区域生态与环境危机的集中体现[22],土地利用变化已逐渐成为诱发全球变化的主要驱动力[23]。不同区域对全球变化的贡献程度与响应状况存在明显差异,选择兼具全球意义和地区特色的区域进行个例研究,最后形成能代表不同区域类型的土地利用变化特征,揭示研究区土地利用变化的过程和内涵[24],可有效解决全球变化的实际应用问题[25],降低生态系统的脆弱性,实现整个区域的可持续发展。   区域内土地利用变化情况在一定程度上反映了区域内人类活动的影响程度和活动强度。近些年来,随着大量人口向海岸带沿线地区的涌入,海岸带地区城市化进程加速发展,导致人类对海岸带土地开发利用的规模和强度开始变大。海岸带土地利用变化对环境的影响主要体现在:①由于海岸带大幅度的土地开发利用,使得海岸带湿地面积大幅度减少,直接影响了大气中温室气体的含量变化,进而累积影响至全球范围,使得全球气候变暖,造成海平面上升;②由于海岸带土地利用变化导致的全球气候变暖和海平面的上升,使得海岸线向陆地迁移,与此同时,由于土地利用变化导致的海岸带冲淤平衡受到破坏,土地利用变化为海岸带贡献了用于海岸地貌塑造、冲淤演变的大量丰富泥沙物质,使岸线发生迁移,向海推进;③由于土地利用变化造成各种营养元素与污染物质在河口海岸富集,致使近海水体富营养化现象严重,赤潮时有发生,同时造成地下蓄水层和海岸带水质污染等;④海岸带土地利用变化虽然提高了海岸生物的生产力,但城市扩张、围垦等一系列城市化活动减少了湿地、滩涂面积,一定程度上破坏了生物多样性。与此同时,土地利用变化引起入海泥沙、有毒污染物的通量变化,也在一定程度上破坏了生物多样性[26]。综上所述,针对海岸带地区土地利用变化及生态环境效应的研究,对研究全球气候变化、海平面上升、陆地与海洋交互作用及由此引起的岸线变迁、入海营养盐和悬浮物及沉积物等的物质通量变化、海岸带生物多样性,海岸带区域乃至整个全球C、N等物质总循环等都具有十分重要的意义。海岸带作为陆海相互作用的特殊区域,针对海岸带土地利用变化及生态环境效应的研究在全球变化研究中具有重要的地位。#p#分页标题#e#   2 国内外海岸带土地利用变化及环境效应研究进展   2.1 海岸带土地利用变化研究进展   国内外开展的土地利用变化研究,研究层面主要集中在全球和区域两个范围。目前研究的重点已经由全球范畴转移至区域范围,依据不同方法,通过对大量不同区域、不同尺度案例的分析和实证比较,探讨研究土地利用变化的动力学机制。研究区域主要集中于城市用地[27]、牧草地[28]、农业用地[29]等一些典型地区、热点地区及环境脆弱区[30]。国内外许多专家和学者[31]从多学科不同角度、侧面、层次上对海岸带土地利用变化进行了研究与尝试,主要研究工作集中于海岸带土地利用变化研究的物质通量变化与C、N元素循环等方面。   2.1.1 海岸带土地利用变化驱动力研究   运用多种土地利用变化指数模型及其图示表达,韩磊等[32]分析和揭示了美国海岸带土地利用变化时空特征,总结了20世纪后半叶,美国海岸带土地利用时空变化及其驱动因素,发现海岸带区域土地利用在结构特征、数量变化、时空动态特征等方面明显不同于美国48州,近50a来,人口、经济和政策因素是美国海岸带区域土地利用变化的主要因素。以TM影像数据作为信息源,获取我国南方沿海地区土地利用状况及其变化信息,分析海南、福州和广州等地区土地利用变化特征和驱动机制,总结得出,研究区土地利用变化主要受城镇建设、经济发展水平、区域产业结构等社会经济因素影响[33~35]。朱会义等[36]利用遥感和GIS方法,对环渤海地区1985~1995年土地利用变化情况进行空间分析和统计分析,确认土地管理政策、人均居住用地的增长、农业生产结构调整以及城市扩张是研究区域土地利用变化的主要驱动因素。通过对东部沿海地区土地利用变化情况进行分析,依靠空间信息分析手段,研究发现,人口增长、政策因素、工业化与城市化水平提高、经济高速增长和农业科技进步是浙江省和上海市土地利用变化的主要驱动因素[37,38]。欧维新等[39]利用RS和GIS方法分析了盐城市1983~2001年,海岸带景观格局的时空变化及其驱动力因子。分析研究表明,1983~2000年,盐城市因海岸带开发利用加大,使生态环境压力增大、景观斑块数量倍增、斑块面积大幅度减少、景观破碎化程度增加,严重威胁盐城海岸带生物多样性。景观斑块数量倍增,平均斑块面积大幅度减小,景观基质构成由比重势均的人工、自然景观变成了以耕地、水域为主的人工景观。海岸带景观异质性减弱,表现为多样性指数降低、破碎化指数增大、分维数减小。同时研究表明,自然地理条件、人口增长、经济收益差异、政府政策是导致盐城海岸带景观格局变化及其区域差异的主要驱动因素。国外学者针对海岸带土地利用变化驱动机制也进行了大量实证研究,从自然环境、人口变化、社会经济发展等方面详细阐述了土地利用变化的驱动因素[40~42]。综合国内外研究分析成果,海岸带土地利用变化除了受到气候、地形、地貌等自然因素的影响以外,更重要的是因为大量外来人口的涌入导致区域社会经济的快速发展,以及由此引起的海岸带地区快速城市化进程的加速,致使海岸带地区土地利用发生了根本变化。   2.1.2 海岸带土地利用动态变化监测   利用多光谱影像数据,结合航片资料,通过特征变异法,对浙江省土地利用情况进行动态遥感监测。开展基于卫星影像的大比例尺土地利用变化动态监测,可充分利用已有的近期航摄影像,发挥其高分辨率的优势。研究结果表明,过去10a浙江省沿海地区的土地利用/覆盖方式发生了显著变化,这些变化除了体现在农业、林业、建设用地的数量增减上,还表现为不同类型的内部结构和空间分布的变化[43,44]。刘高焕等[45]通过分析黄河三角洲整体的发育过程、新生湿地自然生态演替过程(1984~2000年)以及40a人类对土地利用的变化过程(1956~1996年),研究黄河三角洲土地利用动态监测与海岸带综合管理。针对黄河三角洲地区的综合开发与可持续发展,应用地学信息空间分析方法,构建了黄河三角洲生态环境空间格局与变化过程的研究体系,并对黄河三角洲发育演化、海岸带蚀淤变化、土地利用结构变化、土地盐碱化等进行了系列分析。基于TM和ASTER遥感影像,结合应用多源遥感数据,在遥感和地理信息系统处理软件的支持下,经过几何纠正、图像裁剪和图像增强处理后,采用最大似然比法结合人工目视解译对影像进行了识别分类,通过对我国南部沿海地区进行实证研究,分析研究区土地利用变化的过程,包括土地利用变化的数量、速度、空间转移及其区域差异等[46~48]。大量分析研究表明,海岸带地区土地利用类型和强度发生了很大变化,究其原因,沿海地区城市化的迅猛发展以及由此引发的大量人口涌入是主要因素。原有的林地、湿地、滩涂等土地利用类型渐渐被建设用地所覆盖,一定程度上严重破坏了海岸带地区的景观类型和生态环境。   2.2 海岸带土地利用变化对生态环境影响研究进展   关于海岸带土地利用变化对生态环境影响方面的研究,已有研究层面涵盖局部地区、周边区域乃至全球,其出发点是为了更大程度、更加深入地了解和研究影响海岸带生态环境变化的参数及时空变化特征,为实现海岸带综合科学管理提供一定的理论依据和科学参考。   2.2.1 海岸带土地利用变化对全球变暖、海平面上升的影响   土地利用变化导致大气中温室气体含量发生改变,而温室气体又是影响全球变暖、海平面上升的关键因素。土地利用变化、人口的增加、CO2和CH4排放量的提高使得全球变暖成为全球气候变化的主要标志。研究表明,土地利用变化对全球大气CO2含量增加起着重要的作用。在人口高速增长的驱动下,城市化建设进程不断加速,森林覆被减少速率加快,而森林覆被减少同时增加了大气中CO2的含量,全球范围的土地利用变化使得高生物量的森林系统蜕变为低生物量的生态系统,次生和退化的森林、耕地和牧场向大气释放了0.164(±0.4)×1016 g的CO2[49]。N2O虽然是排在CO2和CH4之后的第三大温室气体,其对温室效应的贡献约为5%,仅次于CO2的60%和CH4的15%[50],但研究结果证明[51],1mol N2O的增温效应是等量CO2的150~200倍,而且大气中的N2O具有较长的滞留时间,同时参与大气中许多光化学反应,破坏臭氧层,浓度一旦增加,就难以得到控制和下降。近年来大气中N2O的浓度正以每年0.2%~0.3%的速度递增[52],2001年大气中N2O的浓度达到314μg/L[53],预计到2050年大气中N2O的浓度将达到350~400μg/L[52]。温室气体经过长期积累达到全球范围,继而加速气候变暖的趋势,最终导致全球气候变暖和海平面上升。#p#分页标题#e#   2.2.2 海岸带土地利用变化对入海物质通量的影响   河流是营养物质输入海洋的重要途径,土地利用变化在一定程度上增加了河流湖泊的营养物质含量,研究表明,全球总N的通量为0.292×1012 mol,总P的通量为130×108 mol,溶解N总的河流通量为35×1012 g N/a,颗粒N总的通量为27×1012 gN/a。流域是一个复杂的生态系统,不同的土地利用方式使得营养物质被输出,并经过一系列生物物理化学反应后经河流输入海洋。Smith等[54]的研究分析指出,混合农田单位面积的溶解N和溶解P输出总量分别是邻近林地的2.5和1.6倍。He-tling等[55]在美国东北部研究了营养物质输出输入平衡,研究发现占研究区面积76%的森林是研究区内N流失的主要来源,占输入总N含量的37%。湿地也是影响入海营养元素流失的主要覆被类型。李秀珍等[56,57]以辽河三角洲为例,从湿地景观结构角度模拟了苇田对营养物截留作用的影响。综合以上研究,森林和湿地等自然覆被,因为输出营养物质相对较少,成为营养物质的汇,同时森林和湿地面积减少,又是入海营养物质尤其是N的主要输入源。由于土地资源的不合理利用,导致区域内土地利用类型发生变化,致使水土流失、土地退化,伴随着一定天气和气候条件下引发的洪水,使得河流含沙量增加,最终河流携带的悬浮物与沉积物淤积于河口,亦或进入海洋,影响着海岸形态和动力条件。全球每年入海泥沙总量为200×108 t,其中约120×108 t是由河流供给。Jagdish等[58]研究了Costarica的Terraba流域土地利用变化与沉积物输出动力间的特征,研究发现,流域内森林砍伐率和农业用地的比重分别与泥沙供应因子存在着明显的线性相关性。Nelson等[59]对正在快速城市化的流域土地利用和河流沉积物、悬浮物的相对影响研究得出,流域内人类活动尤其是城市快速发展,使河流年含沙量增加了50%,达到44t/(km2•a)。Corbett等[60]模拟比较研究了海岸带林地流域(38hm2)与城市流域(15hm2)流入毗邻河口的径流量和泥沙含量,得出的结果显示城市流域流出的径流量与泥沙含量分别是林地流域流出的径流量与泥沙含量的5.5(±2.7)与5.5(±2.3)倍。综合以上研究成果,流域入海的泥沙产出及输移过程虽是在一定天气和气候条件下产生的,受自然条件的影响较大,但土地利用变化仍是其主要的驱动因素。农作物对泥沙输出有一定抑制作用,但长期耕作与农业用地的利用方式变化却大大促进了泥沙的产出[61]。城市内虽然产沙较少,但市区内城市化发展带来的基础设施建设却对泥沙输出有很大的帮助。林地是涵水固沙最好的土地利用类型,但大面积的森林砍伐导致区域内泥沙含量急剧增加。   2.2.3 海岸带土地利用变化对生物多样性的影响   生物多样性是生态系统多样性形成的基本条件。海岸带是生物量最大的生态系统之一,具有很高的生物生产力。生物栖息地的破坏和减少已成为影响海岸带生物多样性的重要因素。人类的围垦滩涂湿地、砍伐森林等土地利用活动,直接影响和改变了海岸带生态环境状况、减少了海岸带生物的栖息地,导致海岸带生物多样性减少。由于土地利用变化所产生的营养物质和泥沙也对海岸带生物多样性产生一定影响,过量的营养物质和泥沙破坏了生物食物网的平衡,进而影响海岸生态系统的生物多样性。珊瑚礁是生物多样性和高生产力的中心,Kiessling[62]的研究表明,大约有1 426种生物起源于珊瑚礁中,比浅水环境中的生物起源数量多了50%,珊瑚礁提供的各种空穴与缝隙,适合各种生物的栖息,所以珊瑚礁区的生物歧异度相当高。此外珊瑚虫对地球上大气中的碳循环扮演重要的角色,它们将CO2转变为CaCO3,是CO2的汇和CaCO3的源,从而减轻温室效应、降低大气温度。海岸带土地利用变化导致水土流失,使河口和海湾附近淤泥沉积、悬浮物增加,在风力和沿岸流的作用下,一部分泥沙降低了海水能见度,进而影响珊瑚礁生态系统内藻类的光合作用;一部分泥沙覆盖在珊瑚礁上,抑制了珊瑚自身的呼吸作用致使珊瑚的生产力降低直至死亡。Moss等[63]在研究Australia大堡礁附近的Cairns海岸时发现,在过去100a时间里,因为土地利用变化引起的自然覆被大面积减少引起入海泥沙增加,海水中悬浮颗粒物的浓度最高达到了1 000mg/L,能见度为0。除此以外,因土地利用变化引起的污水排放对红树林植物的破坏和影响,也影响了生态系统的生物多样性。红树林属于高产生态系统,是营养物质的储存地也是源地,同时具有提供多种生态环境的特性。   2.2.4 海岸带土地利用变化对自然覆被的影响   因土地利用变化以及其他人类活动导致海岸带特有的自然植被发生变化,这些植被类型及其组合又因各自生态系统的结构与功能的复杂性和差异性,生态环境效应表现也各不相同。红树林是生长在热带、亚热带低能海岸潮间带上部的木本植物群丛,具有生命力极为顽强的特性,因其逆浓度梯度吸收的功能,在沿海滩涂,它能够落地生根并极容易成活。红树林是陆地向海洋过度的特殊生态系,除了经济价值外,红树林更重要的作用在于它的防风固沙、净化空气、抵御温室效应造成海平面上升、浓集Hg等放射性物质、净化水质等[64]。除此以外,红树林还能有效地防止和减少赤潮的发生,促进海洋生物的生长繁殖。红树林作为天然的防风屏障,还对水流具有滞缓作用,有利于泥沙沉积进而促淤保滩保护岸堤。红树林生态系统具备积聚泥炭和淤泥的功能,使其可以适应海平面的上升。海岸带的沼泽湿地具有抵御海平面上升的影响和养分截留的作用。潮滩盐沼植物对动力沉积作用也有一定影响,可抵消海平面上升的影响。Vos等[65]的研究表明,互花米草可使波高降低71%,波能降低92%。海岸带土地利用变化,尤其是海岸带围垦造地直接影响海岸带自然覆被发生变化,港口建设围垦、盐田围垦、公路建设围垦和工程建设围垦等一系列围垦行为,严重破坏了海岸带的植被类型,海岸带沼泽湿地面积大量减少。#p#分页标题#e#   3 重点研究内容   海岸带地区环境兼有陆地环境和海洋环境的双重特性,作为全球变化研究的主要区域,其土地利用变化及环境效应研究应侧重于局部海岸带地区因为土地利用变化导致的陆海物质通量、土地利用变化与沿海水体水质环境质量的关系,尤其是定量化研究,对于揭示海岸带土地利用变化及环境效应的机制和动力有重要的作用。海岸带土地利用变化及环境效应研究的重点和热点主要有:   (1)沿海滩涂形成机理与演变过程研究。综合分析相关历史资料和成果,对自然状态下沿海滩涂形成机理进行深入分析,对沿海滩涂围垦背景下沿海新生滩涂的形成机理、空间分布特征进行系统研究。从沿海滩涂沉积记录入手,在岩芯年代学和多环境指标分析的基础上,系统研究沿海滩涂的自然演变过程,对潮滩沉积记录中潮沟与滩脊沉积体系的演化做深入探讨。   (2)滩涂围垦与土地利用变化的过程与驱动机制研究。分析一定时段内沿海滩涂围垦的数量与空间布局,总结不同时期滩涂围垦方式和土地利用特点,利用多时相遥感数据,配合实地调查进行解译判读,构建不同年代不同时相的滩涂围垦与土地利用数据库,综合运用景观生态学、地统计学等方法,分析滩涂围垦与土地利用变化的时空格局特征,基于此,阐述滩涂围垦与土地利用变化之间的相互作用关系,揭示滩涂围垦与土地利用变化的驱动机制。   (3)滩涂围垦与土地利用变化的生态响应研究。分析比较不同围垦与土地利用变化情况的土地质量特征变化情况,揭示滩涂围垦与土地利用变化对沿海滩涂土地环境质量演变规律。选取典型研究区域,建立生态系统层次的生物多样性评估指标体系和评价框架,比较不同围垦时间、方式下滩涂的生物多样性变化,揭示滩涂围垦与土地利用变化对生物多样性的影响。   (4)海岸带土地利用变化与陆海相互作用的物质通量研究。以水文站点相关历史数据为基础,补充相应实测数据,分析相应时段内河流悬浮物与沉积物含量以及入海泥沙量变化差异,探寻土地利用变化与沉积物输出动力间的特征,研究滩涂湿地、林地及不同利用方式下土壤总氮、总磷、溶解氮、颗粒氮的通量变化情况,以及有机氮矿化、硝化、铵态氮和硝态氮微生物同化转化过程的总速率和季节变化规律。   (5)滩涂围垦与土地利用变化的生态系统服务功能变化研究。基于滩涂围垦与土地利用变化的生态响应特点与生态系统服务功能分析框架,分析滩涂生态系统的主要服务功能,阐述滩涂围垦与土地利用变化对各种生态系统服务功能的影响及其相互作用关系,探讨滩涂围垦与土地利用变化的生态系统服务功能响应机理,构建滩涂生态系统服务功能综合评价体系,综合评价自然滩涂与围垦滩涂的生态服务功能,对比不同土地利用方式下的生态系统服务功能特点,揭示沿海滩涂的生态系统服务功能变化,评价滩涂围垦对生态系统服务功能的综合影响。   (6)滩涂围垦与土地利用变化的情景模拟与优化调控研究。基于滩涂围垦与土地利用数据库,考虑滩涂自然的沉积过程与围垦等人类活动的影响,构建沿海滩涂围垦与土地利用变化模型,模拟一定时段内沿海滩涂的土地利用变化情况,同时设定不同情景下的模型参数,预测未来近期、中期、远期的土地利用变化不同情景。分析不同土地利用变化情景下生态系统服务功能的变化情况,探讨沿海开发战略对滩涂生态系统服务功能可能产生的影响,选择合适的土地利用变化情景,并提出滩涂围垦与土地利用的调控策略。   4 结论与讨论   随着社会经济的不断发展,为了解决日趋紧张的能源和资源短缺问题,人类开始由陆地向海洋进军,海岸带势必成为人类向海洋进军的踏板,城市化的加速发展、人口的大量涌入、港口建设的不断扩大、工业工厂的扩建和改建,都影响着海岸带地区的景观格局和生态环境。海岸带土地利用变化及环境效应研究,旨在探讨沿海地区土地利用变化的驱动力、调查研究海岸带土地利用变化的动力学特征、明确土地利用变化的可持续性和多样性及其与沿海地区的综合可持续发展能力之间的关系、探讨海岸带土地利用变化与生物地球化学及气候之间的内在联系等。关于海岸带土地利用变化及环境效应影响研究,许多国际研究团体和科学家制定了很多研究计划和研究方向,各学科从多种角度、侧面和层次对海岸带土地利用变化及环境效应影响进行研究与尝试。我国海岸带土地利用变化及环境效应影响研究,目前主要集中于经济快速发展的个别典型地区,如环渤海地区[66]、珠江三角洲地区[67]等,更大面积的海岸带土地利用变化及环境效应影响研究相对较少,全国层面的研究还是空白。虽在方法论研究取得了长足的发展,但驱动力机制分析、模型等方面研究相对不足,虽然人类活动是影响土地利用和环境变化的主要驱动力,但构建模型时很难将社会、经济、生态等方面的驱动力贡献进行综合分析模拟,需综合运用CLUE-S、CA和MAS构建土地利用变化模型,进行土地利用变化模拟和预测,以更好的分析海岸带土地利用变化驱动力机制和环境效应评价。