土地利用与覆被.ppt

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1、土地利用/土地覆被变化（LUCC）研究 陈莉 地理与环境科学学院 2010年5月,1LUCC概述2LUCC研究现状3LUCC的驱动机制4LUCC的环境影响6LUCC存在问题与展望,1LUCC,全球变化研究是近年来国际上最为活跃的研究领域之一，人类活动以空前的规模和速度不断地改变着陆地环境，土地利用所引起土地覆被的变化是全球环境变化的主要原因和重要组成部分。因此，土地利用与土地覆被（Land Use/cover change）研究是国内外全球变化研究的重点领域。,1.1LUCC的提出,1995年，国际地圈生物圈计(IGBP)和国际全球变化的人文因素计划(IHDP)共同拟定发表土地利用与土地覆被变

2、化科学研究计划，将其列为全球环境变化的核心项目，掀起了土地利用与土地覆被变化不同尺度专题研究的序幕。,首先，土地利用土地覆被变化在全球环境变化和可持续发展中占有重要的地位。人类通过对与土地有关的自然资源的利用活动，改变地球陆地表面的覆被状况，其环境影响不只局限于当地，而远至于全球。而土地覆被变化对区域水循环、环境质量、生物多样性及陆地生态系统的生产力和适应能力的影响则更为深刻,（一）LUCC研究的重要性,其次，地球系统科学、全球环境变化及可持续发展涉及到自然和人文多方面的问题，土地利用土地覆被变化在全球环境变化问题中，可以说是自然与人文过程交叉最为密切的问题。在这方面加强自然与社会科学的综合研

3、究，已成为两大学科领域众多学者的共识。,（二）五个中心问题,LUCC研究计划以五个中心问题为导向第一，近三百年来人类利用（human use）导致的土地覆盖的变化第二，人类土地利用发生变化的主要原因第三，土地利用变化在今后50年如何改变土地覆盖第四，人类和生物物理的直接驱动力对特定类型土地利用可持续发展的影响第五，全球气候变化及生物地球化学变化与土地利用与覆盖之间的相互影响,（四）目前确定的研究重点,土地覆盖变化状况的评估全球土地利用与土地覆盖变化的建模与预测全球、区域和局地不同空间尺度土地利用和土地覆盖变化的不同驱动力之间的联系数据开发活动与数据信息系统（DIS）,1.2相关概念,LUCC是

4、土地利用/土地覆被（Land use/cover change）的简称。它包含了两层不同却又密切相关的涵义。,（一）土地利用的概念,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,是一种人类活动。,相关定义：“土地利用是由自然条件与人的干涉所决定的土地功能“世界粮农组织(FAO)1985“一种社会经济现象,是人类在漫长的历史过程中对土地资源进行持续开发和改造治理的结果”许炎谟和陈章琛1987“人类为了经济社会目的而进行的一系列生物和技术活动,对土地长期或周期性的经营活动”。”陈百明1996,综上所述,土地利用是人类根据土地的特点,按一定的经济和社会目的采取一

5、定的生物和技术手段,对土地进行长期和周期性的经营活动。,（二）土地覆被的概念,土地覆被是随遥感技术的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,它反映的是地球表层的自然状况。,相关定义：“地球陆地表层和近地面层的自然状态,是自然过程和人类活动共同作用的结果”IGBP和IHDP“覆盖着地球表面的植被及其特质”美国全国环境变化委员会 另有学者称土地覆被为“地球表面当前所具有的自然和人为影响所形成的覆被物,包括地表植被、土壤、冰川、湖泊、沼泽、湿地及道路等”,综上所述，土地覆被是指自然营造物和人工建筑物所覆盖的地表诸要素的综合体,包括地表植被、土壤、水体、沼泽湿地及各种建筑物(如道路、房

6、屋等),具有特定的时间和空间属性,其形态和状态可在多种时空尺度上变化。,（三）两者之间的关系,地利用是指人类有目的地开发利用土地资源的一切活动,而土地覆被则是指地表自然形成的或者人为引起的覆盖状况。土地利用与土地覆被,一个是发生在地球表面的活动过程,另一个则是各种地表活动的产物,二者共同构成了土地资源社会和自然的双重属性。,关系可以用如下附图加以描述,土地利用变化对土地覆盖影响方式 a渐变(modification)渐变是指同一种土地覆盖类型内部条件的变化,如对森林进行疏伐,或农田施肥等。b转换(conversion)转换则是指一种覆盖类型转变为另一种覆盖类型,如森林变为农田或草地等。c维护(

7、Maintenance)维护是指让土地覆盖保持一定的状态,也是人类活动影响土地覆盖的一种形式。,土地利用是土地覆被变化最重要的影响因素,土地覆被的变化反过来又作用于土地利用。由于土地利用与土地覆盖之间存在着密不可分的关系,所以人们常把两者联系在一起,简称为LUCC,并且对于它们所产生的广泛影响给予了越来越多的关注。,2LUCC研究现状,LUCC的研究内容涉及土地覆盖与全球环境、土地利用与全球变化、土地利用变化的人为原因及可能驱动力、土地利用与土地覆盖变化的关系等方面，具有很强的综合性和地域性。不同的地区开展不同时空尺度和内容的LUCC研究。,2.1国外研究动态,自1993年国际科学联合会与国际

8、社会科学联合会联合成立了土地利用土地覆被变化核心项目计划委员会以后，一些积极参与全球环境变化的国际组织和国家纷纷跟进，启动了各自的土地利用土地覆被变化研究项目，下文将对其中主要项目进行简要介绍,（1）国际应用系统研究所(IIASA),IIASA于1995年启动了“欧洲和北亚土地利用土地覆被变化模拟”的3年期项目。旨在分析1900年到1990年欧洲和北亚地区土地利用土地覆被变化的空间特征、时间动态和环境效应，并预测在全球环境、人口、经济、技术、社会及政治等因素变化的背景下，该区域未来50年土地利用土地覆被的变化趋势。,（2）联合国环境署(UNEP),UNEP亚太地区环境评价计划于1994年启动了

9、土地覆被评价和模拟”(LCAM)项目，旨在调查东南亚地区土地覆被的现状和变化，确定这种变化的热点地区。该项目采用美国宇航局高分辨率雷达影像进行区域土地覆被制图和监测，目前已完成了对孟加拉、柬埔寨、老挝、缅甸、尼泊尔和越南等国两个时段(19851986和19921993)的土地覆被调查工作，下一步工作将拓展到斯里兰卡、巴基斯坦、中国、印度及伊朗等国。,（3）美国,美国全球变化研究委员会（USOC,RP）将土地覆被变化与气候变化、臭氧层的损耗一起，列为全球变化研究的主要领域。与欧洲空间署等国际组织合作开展了高分辨率雷达监测土地覆被变化和季节性植被状况项目。1996年重点开展北美洲土地覆被变化的研究

10、，利用遥感方法分析北美自1970年以来的土地覆被空间变化。,（4）日本,日本国立科学院全球环境研究中心提出了“为全球环境保护的土地利用研究”，该项目着眼于亚太地区可持续的土地利用第一阶段主要目标 预测2025年和2050年该地区土地利用土地覆被状况(包括耕地、林地、城市用地及荒漠化土地)及土地第一性生产力的时空变化。,2.2国内研究动态,20世纪80年代我国主要以土地调查研究为主。80年代后，随着RS和GIS技术发展以及IGBP和HDP国际组织的推动，我国在该领域也不断地推进。近十年我国土地利用/覆被研究的热点如下：,（1）LUCC的集成技术,3S技术和空间分析技术的应用，推动了LUCC时空变

11、换研究，探索LUCC的动态过程分析模型，使土地利用变化研究向较大尺度发展。开展了大城市、经济快速发展地区、农牧交错带等敏感地区土地利用变化的监测研究等。,（2）LUCC的驱动力研究,驱动力研究是LUCC研究的重点领域之一。土地利用变化的驱动力既有自然系统力,如气候、水文、地貌过程等,也有社会经济系统力，包括人口变化、技术发展、经济增长、政治经济政策、富裕程度和价值取向等。,LUCC的驱动力与土地利用变化之间普遍存在的非线性反馈关系等问题，为土地利用变化动力学研究提供了新的思路。不同区域具有不同的驱动力特征,在驱动力分析方面,目前主要有多元相关分析法、典型相关分析法、土地利用的基本竞争模型等。,

12、（3）LUCC研究的景观生态学理念,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),为土地持续利用评价提出了一条新的途径。,3LUCC的驱动机制,驱动力是指导致土地利用方式和目的发生变化的主要地理环境因素和社会经济因素,是土地利用变化的动力因素。,在自然条件复杂的地区(如高原、山地)，各种自然因素对土地利用变化发挥着很大的作用。对于受自然因素限制较小的区域(如经济势力雄厚的长江三角洲地区)，土地利用覆被的变化则主要受经济发展、人口增长及政策等人文因素的控制。,（一）

13、驱动因素分析,1自然因素 驱动土地利用/覆被变化的自然环境要素及其过程，如气候变化、地形演化、植物演替、土壤过程、排水格局变化等。自然驱动力主要引起土地覆被的变化，而不直接引起土地利用的变化，即使有影响也是间接地起作用。,2经济社会因素,A直接因素：对土地产品的需求、对土地的投入、城市化程度、土地利用的集约化程度、土地权属、土地利用政策以及对土地资源保护的态度等B间接因素：人口变化、技术发展、经济增长、政经政策、富裕程度和价值取向社会经济驱动力可通过影响人们在土地利用上的决策对土地利用的变化直接产生影响。,3驱动力作用研究,（1）IUCC的驱动因子具有时空差异性（2）分析选择合适的驱动因子（3

14、）不仅要确定驱动因子，还要分析各驱动因子与IUCC之间的相互关系,近50年来，长江三角洲地区耕地数量呈明显的波动减少趋势并出现了三次明显耕地流失高峰；该过程中的明显突变主要与国家宏观政策背景相关联，如三次明显的耕地流失高峰分别与大跃进、沿海开放战略和沿江发展战略的宏观政策背景密不可分；而耕地数量变化的阶段性和持续减少则主要与经济快速发展密切相关。,不同的地区其驱动主导因子不同。如：徐勇等用多元线性相关分析,指出固定资产投资、人口增长和第二产业的发展对北京丰台区非农业用地扩展有着显著的作用。史培军等通过回归分析表明人口增长、外资的投入和第三产业的发展是深圳市土地利用变化主要的外在驱动力,交通条件

15、是主要的内在驱动力。,a定性研究方面,多数学者的研究表明经济因素和宏观政策是导致区域土地利用动态变化的主要驱动力。自然因素和人口压力也起着重要作用.B定量方面：典型相关分析 回归分析 多元线性相关分析方法。,4 驱动力研究方法,4LUCC环境效应,土地利用通过土地覆被的变化影响全球和区域环境，土地覆被对气候、生物地球化学环境、土壤质量、陆地生物种类的丰度和组成有重要影响。,（一）对气候的影响,地表及其覆盖的植被决定着太阳辐射在地表的分配土地表面性质发生变化时引起能量的重新分配，从而影响气候的变化。研究表明,土地利用与土地覆盖变化对大气的影响主要有两个途径:,一是由于化石燃料燃烧以及土地利用与土

16、地覆盖变化等人类活动使得大气中温室气体(CO2、CH4等)的含量增多,由此产生的温室效应使得全球气候变暖而且变幅加大。二是由于下垫面性质的改变,即由于地表反射率、粗糙度、植被叶面积以及植被覆盖比例的变化引起温度、湿度、风速以及降水发生变化,由此引起局地与区域气候变化。,研究表明:LUCC通过对局地生态系统的强烈影响,改变了温室气体的全球收支平衡,成为导致全球CO2释放的第二个主要原因。大气中N2O的浓度的增长,可能与热带的土地利用变化及农业活动有关。与LUCC有关的生物燃烧使得CO、NO等化学性质活泼的微量气体进入大气,也对大气环境造成一定的影响。,董光荣等研究表明沙漠对干旱气候的维持与加强具

17、有一定的反馈作用。罗哲贤的研究结果表明有植被覆盖和无植被覆盖对大气水分含量和对流活动的影响甚大。有植被覆盖的陆面进入大气的水汽总量有显著增加,大小尺度的对流活动有所加强,区域降水增多,无降水持续日数缩短,而无植被覆盖的陆面则出现相反情况。有关城市热岛效应的研究也表明,城市化所带来的土地利用的改变会对局地气候产生影响。另外,在美国洛基山脉地区的研究表明,一个地区土地利用与土地覆盖变化还会对毗邻地区的气候产生影响,在美国大平原地区人类活动所引起的土地利用与土地覆盖变化,使得洛基山脉夏日温度有逐渐变低的趋势。,（二）土壤环境效应,LUCC对土壤的环境效应累积为土壤质量、土壤生产力的下降,主要表现为不

18、同形式的土壤退化,主要包括土壤侵蚀(水蚀、风蚀)、土壤化学退化(土壤污染、盐碱化、水浸、酸化等)、土壤物理退化如土壤紧实等。,1土壤环境。不合理的土地利用方式如森林的砍伐、矿区开采、陡坡开垦以及过度放牧是造成土壤侵蚀和土地沙化的主要原因。（黄土高原的水土流失）2土壤养分。不同的土地利用类型对养分的滞留和转化的作用不同，具有不同的土地空间组合，进而影响了土壤养分的迁移规律。3土壤微生物。土壤微生物的多样性与地表植被群落的生产力和多样性呈正相关，并随着植被群落存在的年限而增加。,（四）水环境效应,LUCC对水环境的影响主要表现在对水质、水量以及区域水循环的影响上。,A水资源短缺。90年代来,黄河年

19、年断流,而且断流时间增长，地下水的开采造成山东莱州湾地区海水入侵。B水体污染。城镇化、工业和农业发展改变地表和地下径流，水环境污染严重。C水循环影响。不同的土地利用与土地覆被类型对降水的截留、阻挡、蒸腾及下渗作用不同，进而改变区域水循环方式。,城市用地的扩展会减少水分存留和下渗,加大了径流量,增加洪灾的频率森林土地利用对截留、阻挡、下渗和土壤侵蚀有重大影响。大量的河流改道和拦截损害海水生态系统。,（五）生态效应,1LUCC对生态系统结构、类型的影响 研究表明:由森林转换为农田、再沦为退化成土地极大地威胁着该区域的生物多样性。欧维新的研究表明:随着盐城海岸带湿地围垦开发,原来复杂多样的自然植被大

20、部分被农作物、水域等取代,未被开垦的自然植被演替规律也受到一定干扰,导致区域生物赖以生存的生境条件发生改变。,2对生态系统物质循环的影响,a对C循环的影响 自然生态系统特别是森林生态系统是全球碳循环中一重要的碳源。尤其是天然次生林和人工林生态系统的碳贮量汇功能较强。LUCC使得原来固定在植物及土壤中的碳以CO2、CH4的形式大量散发至大气当中,使大气中温室气体含量持续上升。,b对N循环的影响,一方面化石燃料的燃烧以及化学肥料的施用使得输入生物圈中的人造氮素的量大为增加。另一方面碳素不断损失,使得碳氮比失衡，碳循环对于氮素的增加越来越不敏感。,c对其他元素循环的影响,LUCC还使得P、S等元素的

21、平衡与稳定也受到了很大影响,据报道,参与全球生物地球化学循环磷元素的潜在速度在20世纪就增加了数百万倍。另外,由于LUCC金属矿物的开采利用,铅、镉、汞已成为主要的有毒物质。,6存在问题与学科展望,近年来LUCC研究在广度、深度上都有大的发展,理论、观念都有创新，取得了一系列的研究成果，但是在研究探讨中仍存在不足。,（一）研究的不足之处,1土地利用/覆被变化分类 关于土地利用/覆被分类系统，迄今国内外学者已提出多种分类系统。在这些分类系统中存在诸多问题：,a分类系统层次的设置 未认真考虑研究区域和研究对象的性质和特点，以至分类系统过粗或过细，导致其实用性差。b对分类系统中的每个类别层次缺乏含义

22、上的清晰和明确界定，导致属于同一层次的不同类别之间不完全对应，或不同层次的类别之间发生含义重叠。c不同层次之间缺乏量化的界限指标（如临界值或阈值），导致分类操作上出现不确定性和误差。,2空间数据分析,地理信息和遥感技术极大推动了全球土地利用变化研究的发展。最近的510 a间,通过遥感卫星照片研究LUCC逐渐成为许多研究学者的首选。不过在遥感数据的预处理分类、精度的评价等方面还存在许多问题。,3土地利用/覆被变化的驱动力,驱动力是LUCC研究的核心问题之一。在这方面，以往主要是单因子分析，目前则更多地综合考虑多因子及其相互作用。然而，究竟有哪些类型的驱动力，它们又是怎样“驱动”土地利用/覆被变化

23、的，这类问题还没有完全解决。,4时空尺度问题,土地利用变化具有高度的时间和空间异质性,不同时空尺度上的土地利用变化,其驱动机制是不同的。要了解局部的、地区性的以至全球性的土地利用/覆盖的动态,必然要涉及空间和等级的尺度。然而,目前我们对尺度之间联系的研究还处于探索阶段。,（二）展望,1综合研究 LUCC是一个复杂的系统研究，涉及多学科多层次的理论和实践研究，是自然与人为交叉的综合研究。不同的学科有不同的研究理论、研究尺度、研究方法和技术。在研究中我们要综合各个方面从多角度多视野形成完整普适的理论框架。,2LUCC建模,构建模型是研究土地利用/覆被变化的有效途径，具有重要价值。努力建立全球土地利

24、用/土地覆盖变化模型为未来区域和全球变化的提供预测。,今后在LUCC建模上应做以下努力,1）所建模型应能同时模拟相互联系的不同空间尺度或不同时间尺度上的土地利用/覆被变化的具体过程2）模型中不仅要包含决定土地利用/覆被数量变化的驱动因子，还应包含决定其空间位置变化的驱动因子3）所建模型在结构上，考虑到土地利用/覆被变化系统的一些特殊性质，如系统在受到干扰或外部影响情况下在结构上的相对稳定性和可恢复性,3展开不同时空尺度的研究,随着土地利用变化模拟与预测模型的不断完善以及遥感技术的逐渐成熟,土地利用变化研究的尺度转换问题将得到有效解决。展开不同时空尺度的研究，能够更科学的了解局部和全球的土地利用/覆被变化。,（三）我国应从以下几个方面着手,1)要完善LUCC研究理论体系,只有用科学的理论做指导,研究工作才能做得更深入.,2)要展开宏观、中观和微观多尺度的LUCC研究,并且加强尺度问题上的综合,既要弄清LUCC的演变趋势和驱动力因子,又要搞清LUCC对生态环境产生作用的驱动机制。,3）土地利用对环境影响的变化机制 LUCC计划的研究重点是对变化机制的研究,在 今后的若干年之中,随着LUCC日益成为影响全球 环境变化的主导因素,其对环境影响日益突出,有关这方面的研究工作将成为我国今后LUCC研究的核心问题。,谢谢,