土地利用/覆盖变化的水环境效应研究进展

　　摘要：随着土地利用/覆盖变化（LUCC）研究的逐步深入，LUCC的水环境效应研究成为领域内的热点之一。本文简要回顾了LUCC水环境效应研究的进展，重点对LUCC对径流、水质、水循环的影响研究进展进行了分析，同时对主要的研究方法以及存在的问题进行了讨论，以期对今后的研究工作起到借鉴和启示作用。

　　关键词：土地利用/覆盖变化；水环境；径流；水循环

　　为了加强全球变化中人类活动机制的研究，国际地圈—生物圈计划(IGBP)和全球环境变化中的人文因素计划(IHDP)于1995年联合提出了“LUCC”研究计划，使之成为全球变化研究领域的前沿和热点。许多参与全球变化研究的国际组织和国家纷纷启动了各自的LUCC研究项目，在LUCC过程、驱动力及变化趋势预测等方面进行了大量研究[1-4]。近年来，与人类社会可持续发展密切相关的土地利用变化环境效应研究也逐步得到加强，水环境效应的研究成为土地利用变化环境效应的重要组成部分。伴随着水资源问题成为许多国家和地区社会经济发展的重要制约因素，土地利用变化对水质、水量、水循环的影响以及可持续发展对策已成为该领域的重要研究课题[5]。土地利用/覆盖变化的水环境响应成为LUCC研究的热点问题和重点领域。

　　1 土地利用/覆盖变化对径流的影响

　　土地利用/覆盖的变化直接体现和反映了人类活动的影响水平[6]，其对水文过程的影响主要表现为对水分循环过程及水量水质的改变作用方面[7]，最终结果直接导致水资源供需关系发生变化，从而对流域生态和社会经济发展等多方面具有显著影响[8]。影响水文过程的主要LUCC过程，在区域尺度上主要包括植被变化(如毁林和造林、草地开垦等)、农业开发活动(如农田开垦、作物耕种和管理方式等)、道路建设以及城镇化等[9]；从全球尺度而言，毁林和造林是最主要的驱动因素[10]。径流能够反映整个流域的生态状况，也能用于预测未来土地利用/覆被潜在变化对水文水资源的影响，因此，目前LUCC水文效应的研究主要侧重于对径流影响的研究，其中年径流量、枯水径流量和洪水过程的变化是反映径流变化的重要方面[11]。城市化过程和农业开发活动对水文过程的影响与造林毁林的水文作用均通过土地利用方式或土地覆被类型的相互转化共同对水文系统发生作用。在LUCC水文效应的研究中，对造林与毁林的水文效应研究较多，已有相当长的一段历史，虽然仍存在争议，但也取得了许多成果和进展[12]。而对城市化过程和农业开发活动驱动下的LUCC水文效应研究相对较少，但也具有重要的作用和意义。高超等（2009）通过分析3期不同土地覆被情景输入HBV-D模型的结果，计算巢湖流域农业用地、居民用地和水域等对径流的影响程度，得出农业用地对径流影响程度要高于居民用地且为负增长，即巢湖流域农业用地减少将会带来径流量增加[13]，但也有学者研究认为农业开发活动具有增加年径流量和洪峰流量的作用[14]。土地利用变化不仅会造成各水文要素绝对量的变化，也会改变这些要素的年际变化特征:地表径流、蒸散发、土壤含水量的年际波动增大，而地下径流的年际波动则变小[15]。

　　2 土地利用/覆盖变化对水质的影响

　　土地利用方式及其程度的改变(如化学肥料、农药及杀虫剂的大量使用)和土地利用布局的变化(尤其是城镇用地的扩展)，会增加营养元素及悬浮物的入河通量，造成水体富营养化和水污染。国外的许多研究表明[16，17]：不同土地利用类型对水质变化的作用不同，总氮和总磷的比率在林地径流中最高，农田中次之，城市中最少，但二者的总量林地中最少。土地利用变化对土壤侵蚀有重要影响，进而影响水体中悬浮物和沉积物的含量。在对密歇根州南部的Rouge河流域的研究中，人们发现土地利用形式的改变，特别是工业化的发展，使得大量的重金属和有机物质排入地下，不仅造成了对潜含水层的污染，而且还对Rouge河的水质产生了很恶劣的影响[18]。土地利用变化对水质的影响越来越受到重视，在点污染源逐步得到控制和治理后，水体的富营养化及污染状况并没有明显改善，促使人们加强对非点源污染的研究。几乎所有的非点源污染都和土地利用变化紧密联系[19]。土地利用变化尤其是农业用地强度增加产生的非点源后果是近年来国外研究的重点，国内则在非点源发生机理、水污染与土地利用的关系及其污染负荷总量的估算等方面进行了大量研究[20-22]。

　　3 土地利用/覆盖变化对水循环的影响

　　土地利用变化对水循环的影响表现为水量空间分布的变化。由于不同的土地利用类型对降水的截留、阻挡、蒸腾及下渗作用不同，因而土地利用变化不但导致地表或地下水量的变化，而且会改变区域水循环的方式[23]。不同的土地利用类型会产生不同的水分循环特征，城市用地的扩展会减少水分存留和下渗，加大了径流量，甚至增加洪灾的频率[12，24]；农业用地的增加，会降低入渗和蒸发，从而增加年均流量[25]；森林土地利用对水循环的影响已有大量研究，森林对截留、阻挡、下渗和土壤侵蚀的影响已有较一致的认识，但在对降水、径流及洪峰等要素的影响方面有较大分歧[12]。另外，为了解决日益增加的淡水的需求和淡水资源不足的矛盾，人类已经进行了大量的河流改道和拦截。在美国，仅有2%的河流水流入海洋，估计目前已有2/3的河流水受到人类的调节，大约6%的河流水由于人类的调节而蒸发。由于河流改道和拦截而造成的海水的减少又导致了鱼类和其它海洋生物的减少，对海水生态系统造成的损失远大于陆地生态系统。在地表水比较贫乏和过度开采地区，人类已经开始利用不可更新的地下水，甚至化石水。全球范围，40%的作物产量来源于16%的灌溉农田。随着人类对粮食产量的进一步需求，灌溉用水将进一步增加。过量开采地下水已经引起严重的后果，缺少灌溉水已威胁着人类的发展。如何采取有效方法揭示土地利用变化对流域水文过程的影响，是目前亟待解决的问题[26]。

　　4 主要研究方法

　　在研究方法上，监测与模拟试验是获取数据的基本途径。国际上在取样与监测方面比较系统，野外模拟试验的精度趋高(多采用计算机控制边界条件)，Webb（1997）研究了河流取样方法与监测对河流通量计算的影响[27]。USLE模型是W. Wischmeier和D. Smith在对美国东部地区30个州10000多个径流小区近30年的观测资料进行系统分析的基础上建立起来的[28]。国内的水文监测与试验过去在黄土高原较多[21]，但测定的指标较少、时段较短、径流观测不注重水文过程、仅部分室内模拟试验系统向计算机控制发展，野外模拟试验尚由人工控制，影响了数据的精度。因此，获取的资料不利于水文过程的模拟。

　　为了定量解释、模拟和预测土地利用变化对水循环各个环节的影响，流域水文模型的研究倍受重视。水文模型经历了由经验统计模型到集总式物理机制模型发展的过程，呈现出向分布式物理机制模型发展的趋向。在欧洲较著名的分布式水文模型是SHE模型( System Hydrological European Model)，但它包含了众多难以确定的参数和不能完全用数学方程式表达的过程，因而应用不太广泛；美国学者Beven等设计的TOPMODEL是一个半分布式模型，得到了一定的应用；国内在新安江和黄河流域也尝试性地建立了具有分布式概念的水文模型。然而，土地利用变化对水文过程的影响十分复杂，时空差异大，计算机水文模拟便显示出巨大的优越性，并在国外得到了较为广泛的应用。Roland E.Schulze应用ACRU模型模拟了非洲南部几个不同尺度流域不同季节间及同一季节内的土地利用变化水文效应[29]。结果表明：土地利用变化加剧了水文对气候变化的响应；在区域尺度上，快速土地利用变化比渐变的土地利用的水文效应更加显著。国内研究土地利用变化水文效应的模型，主要侧重于水循环的单个过程，如水量平衡、径流量、洪水等[30，31]。应用上述国内外的水文模型需要有较长时间序列的资料，而缺乏资料是较为普遍的问题，因而应用遥感和地理信息系统技术建立分布式水文模型是一新的趋势。

　　5 存在问题与展望

　　纵观国内外已有的研究可以看出，由于受研究资料和方法等因素的限制，土地利用/覆盖变化的水环境效应研究还存在许多问题，主要表现在以下几方面。

　　（1）时空耦合机制研究不足

　　空间上土地利用变化的演变没有微观尺度的研究，因而不能和水环境的变化建立空间演变模型，不能找到土地利用变化对水环境作用的过程；同时土地利用与水环境变化的时效研究不足。未来研究将进一步应用3S技术探讨土地利用变化的水环境效应时空耦合机制。

　　（2）缺乏统一的指标体系

　　目前对土地利用变化的水环境效应的研究，主要是研究者从不同的学科角度、在特定地域上进行的，如不同研究者在研究土地利用变化对水质等的影响时，应用的指标往往会有较大差别，因而难以对不同区域进行对比。虽然国际上在一些大的方面对建立指标体系有一些倡议和探索(如澳大利亚联邦科学和工业研究组织建立的流域“健康”诊断指标等)，但过于粗略，有些指标难以定量表达和动态评价。因而建立统一的评价指标体系，成为未来土地利用变化的水环境效应的趋势之一。

　　（3）过程与机理的研究薄弱

　　土地利用变化的水环境效应非常复杂，涉及环境、社会的诸多方面，以往的研究多为对某一水环境要素或某些指标的影响，因而不能说明区域整体环境的变化。由于多注重对现状与结果的统计分析，对水环境效应过程与机理的研究不够，导致研究结果往往有较大差异。对环境效应过程与机理研究的欠缺，必然影响模型的建立及其模拟与预测的精度。

　　（4）水土复合系统的研究不足

　　土水相互作用，相互制约，是一个交织在一起复合系统。由于对水土相互作用的过程与机理研究薄弱，所以对水土复合系统的作用规律，时空演变没有很好的认识，因此很难掌握水环境的演变规律。因此，土地利用变化的水环境效应只能建立在统计规律的基础上，难以发现其演变的内在机理，这使得“就水论水”的污染控制模式较难转变，限制了从水土复合角度研究综合治理模式的发展。

　　（5）研究尺度不合理

　　土地利用变化的水环境效应模型大多适用于小尺度行政区域，难以外推应用到大中尺度区域上，集总式模型虽然在一定程度上解决了较大尺度的建模问题，但它忽略了区域内部的差异，因而降低了研究结果的精度。就水体自身而言，流域是一个相对独立的单元，水污染物的扩散一般不能突破流域限制，因而流域尺度是研究土地利用变化的水环境效应的最佳尺度。

　　（6）动态监测与模拟不够

　　一方面，土地利用与水环境的变化过程中的监测缺乏时效性，数据获取周期长，信息获取慢，没有发挥遥感监测的作用。另一方面，已有研究尽管建立了许多模型，但多针对单因素或单一过程，如COD、径流量；洪水、单一土地利用类型的退化等。3S技术在建模与模拟中仅起到数据源及海量数据管理的作用，尚未与水环境过程模型有机结合起来，它们的优越性有待进一步挖掘提高。

　　（7）研究方法中与3S技术的结合比较脆弱

　　土地利用变化的水环境效应的研究方法与GIS技术的结合相对比较脆弱，但随着“3S”(RS、GIS、GPS) 技术的不断进步、水文模型的日趋成熟以及跨学科之间合作的加强，对土地利用变化的水环境效应的认识和估算水平将得到很大提高，对其评价也将逐渐完善和成熟，其成果将为流域综合管理、水污染防治和可持续利用等提供科学依据和技术支持。

　　土地利用/覆被变化水环境效应的研究具有十分重要的理论意义和实践价值。在未来几十年，与GIS、RS等现代技术的结合将是该领域研究的重要方向。在研究内容上，应重点突破如何定量化区分气候变化与LUCC对水文水资源的影响。在空间尺度上，应更多地侧重于尺度扩展和转换对LUCC水文效应的影响。此外，需要加强不同学科之间的交叉研究，从而提高LUCC水环境效应的研究水平及成果。

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