8、第八章 土地利用可持续性评价

第八章 土地利用可持续性评价一、土地利用/土地覆被变化1、土地利用与土地覆被1）土地利用与土地覆被的概念 1土地利用：指农业、林业、牧业和城市发展等人类对与土地有关的自然资源的利用活动。土地覆被：耕地、林地、草地、公路、建筑及土壤、冰雪和水体等地表物质组成。土地覆被包含两个含义：土地覆被是陆地生物圈的重要组成部分。土地覆被最主要的组成部分是植被，但也包含土壤和陆地表面的水体。1）土地利用与土地覆被的概念 2土地利用是人类根据土地的特点，按一定的经济与社会目的，采取一系列生物和技术手段，对土地进行的长期性或周期性的经营活动。它是一个把土地的自然生态系统变为人工生态系统的过程。土地覆盖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、冰川、湖泊、沼泽湿地及各种建筑物如道路等，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。土地利用侧重于土地的社会经济属性，土地覆盖侧重于土地的自然属性。 土地利用变化包括一种利用方式向另一种利用方式的转变以及利用范围、强度的改变。土地覆盖变化包含两个方面的含义，一是转化（Conversion） ，另一是改变（Modification） ，前者是土地从一种土地覆盖类型向另一种类型的转化，后者是一种土地覆盖类型内部条件（结构和功能）的变化。当然，转化和改变之间的界限并不总是很明确的，长期的、经常性的改变最终会导致完全的转变。土地利用变化与土地覆被变化的关系：单一的土地利用形式往往与某一种土地覆盖类型相对应（放牧草地） 。一种土地覆盖类型可能支持多种利用方式，如森林可用于木材开采、采伐或火烧后用于耕作、狩猎和采集、燃料木收集、娱乐活动、野生生物保护、水土保持等。一个单一的土地利用系统可能包含不同的土地覆盖类型共同存在，如一个农业系统兼有耕地、林地、已开发的牧场、村落（居民地） 。1）土地利用与土地覆被的概念 3土地利用是指人类根据土地的自然属性和社会经济发展的需要，有目的地长期改造、开发和利用土地资源的活动，如农业用地、工业用地、交通用地、居住用地等。土地覆被是随着技术的应用而出现的概念，是指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；或指覆被着地球表面的植被及其特质，如各种作物、土壤、冰川、水面等。2）土地利用与土地覆被的关系（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。土地覆被的性质主要取决于自然因素，但目前的土地覆被状况则主要是人类对土地的利用和整治活动造成的。土地利用变化导致土地覆被状况的变化，通过渐变、转换或维护表现出来；土地覆被变化又通过环境影响反馈回路影响到土地利用变化的驱动力或经过累积作用影响全球规模加速气候变化，而气候变化的结果又通过环境影响回路对驱动力发生作用。渐变同一土地覆被类型内部条件的变化，如森林疏伐、农田施肥等；转换一种覆被类型转变为另一种覆被类型，如森林变成农田或草地；维护让土地覆被保持一定的状态，是人类活动影响土地覆被的一种形式。3）土地利用与土地覆被变化的复杂性（1）土地利用/土地覆被变化的表现极其复杂 其动因与广泛的人类活动及自然变化相关；其结果将影响全部人类的生存和发展；其研究涉及从自然科学到社会科学的众多学科。（2）人类的土地利用方式有多种多样。各种土地利用的作用累积起来就在全球尺度上改变了土壤覆被，其结果不仅对土地覆被本身至关重要，而且对很多方面都产生显著影响。（3）土地覆被变化现象可归纳为三种：是土地覆被的退化；是土地覆被的转换；三是土地覆被的改良。2、土地利用/覆被变化（LUCC）研究计划1） LUCC 研究背景进入 90 年代以来，全球环境变化研究领域逐渐加强了对土地利用/土地覆盖变化的研究 (IGBP/国际地圈生物圈计划、IHDP/人文因素计划) 。2） LUCC 研究原因首先，土地利用/土地覆盖变化在全球环境变化和可持续发展中占有重要地位。 “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盖状况，其环境影响不仅仅局限于当地，而远至于全球。而土地覆盖变化对区域水循环、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。 ”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。在这方面加强自然和社会科学的综合研究，已成为两大学科领域众多学者的共识 。 “在全球环境变化问题中，土地利用/土地覆盖变化可以说是自然与人文过程交叉最为密切的问题。 ”隶属“国际科学联合会（International Science Union: ICSU） ”的 IGBP 和隶属于“国际社会科学联合会（International Social Science Council: ISSC ） ”的 IHDP，希望以此为突破口，推动全球环境问题的综合研究。 1995 年共同拟定并发表了土地利用/土地覆盖变化科学研究计划 （Turner II, 1995） ，将其列为核心项目之一 。3） LUCC 研究目标提高对全球土地利用和土地覆被变化的动态过程的认识。对人类活动与全球变化的人类驱动机制研究。4）LUCC 研究的基本问题在过去的 300 年中，人类利用怎样改变了土地覆被？在不同的地理和历史条件下，土地利用变化最主要的人为因素是什么？在未来的 50-100 年里，土地利用变化将如何影响土地覆被？人类和自然界动态变化如何影响特定土地利用的可持续性？全球环境变化将如何影响土地利用和土地覆被？反向影响又如何？土地利用与土地覆被与土地使用者的脆弱性有何关联？土地利用和土地覆被变化又如何反过来冲击和强化危机地区的脆弱性？5） LUCC 研究的重点领域采用案例比较研究方法的土地利用动态研究；采用直接观测和诊断模型的土地覆被动态研究区域和全球综合模型研究。6） LUCC 与全球环境变化及可持续发展研究内容土地覆被变化对全球环境变化的影响系统性的变化和累积性的变化。全球环境变化对土地覆被变化的影响气候变化（直接影响-气温、降水；间接影响干旱、洪水、土地退化）土地利用/土地覆被变化与可持续发展 协调各部门的土地利用，保护重要的土地利用方式和土地覆被类型；探索利于生态的土地利用方式；现状土地利用方式的可持续性及其调控。3、土地利用/覆被变化研究认识的发展和研究内容概括1）LUCC 研究认识进展（见下表）过去 现在仅关注土地覆被转换 也关注土地覆被退化和土地覆被改良多关注热带雨林类型 关注所有土地覆被类型，包括草地、疏林、城郊、湿地等认为变化历史简单 认识到变化受几千年人类的复杂活动影响认为变化是单向连续的 认识到变化沿复杂且可逆的轨道，土地覆被处于一种不断变迁的状态根据同质空间来研究 认识到空间具有高度异质性，景观破碎化随处可见多归因为人口增长 也归因到人们对经济机会和政策变化的响应，并伴随生物-自然和社会- 经济的突发事件多认为变化是地方性的 认识到变化可被遥远的城市中心影响，随强烈的本土化和全球化相互作用而被全球化增强或消弱多归因到农业的扩展 认识到对压力和机会更为常见的响应是土地利用的集约化和多样化多关注对碳循环的影响 也关注对人类健康、生物多样性、日照反射率、水循环、碳循环、甲烷排放、N2O 等排放的影响认识影响取决于生物-自然变化的大小认识影响更取决于人自身和地方响应能力所关注的地区不甚集中 聚焦于变化的“热点” 地区2）土地利用覆被变化研究内容概括（1）LUCC 的监测（2）LUCC 的解释（3）LUCC 的环境效应土地利用/土地覆被状况的巨大变化对全球气候、碳循环、氮循环，水循环产生直接的影响，加剧物种消失。区域尺度上土地利用变化可引起许多自然现象和生态过程的变化。4、土地利用/覆被变化研究特点土地利用/覆被变化研究的总特点是综合1）论题的综合LUCC 及其环境效应在区域和系统关系上是一个统一的整体， “效应”的研究及解释必须建立在“监测”和“ 解释”的基础上，因此，监测- 解释-效应的综合研究是LUCC 效应研究的一般程式。2）尺度的综合在区域尺度上，土地利用变化模式具有高度的空间异质性，为判定和说明原因和表象之间关系的变量，要求空间解析和时间解析都达到一定的详细程度，需要地方和区域尺度的研究。对复杂系统的研究必须从一些具体、可操作的问题入手，要求：论题范围要有明确界定；研究的时间尺度和空间尺度要有明确界定。3）方法的综合20 世纪 6080 年代提出采用系统论方法，如乔利建立自然地理系统；哈盖特建立地球表层系统；贝呢特和乔利建立环境系统等。目前，对复杂系统可建立“黑箱化”模型，对 LUCC 的格局、过程和驱动力的认识需要“白箱化”的机理探讨。复杂系统的机理探讨正成为方法综合的突破点：既建立贴切的“物理”模型，找出相应的算法，还借助计算机求解；既不断深入研究形态和过程，还重视机理研究。将为 LUCC 的格局、过程和驱动力探究提供借鉴。土地利用变化模型研究可通过对土地动态案例的综合研究获得。4）理论的综合理论的作用是解释经验的发现并预测新的结果。目前已建立特定土地利用系统中某些组分的理论，如小业主和农民行为理论；土地配置理论；技术创新理论等。而 LUCC 的研究就是对综合这些理论原则的认识和模拟。对 LUCC 来说，最重要的是要形成综合的科学理论框架。5、LUCC 在全球变化研究中的重要地位(1) 大气化学性质及过程 对全球气候变化有影响的温室气体是主要的长命气体成份（Penner, 1992）; 其可因土地覆盖的变化而增加。 森林消失、土壤碳的氧化、化石燃料的燃烧等都使大气中 CO2 浓度增加; 土地利用变化对 19 世纪全球大气 CO2 增加起着重要的作用，其作用仅次于化石燃料的燃烧（Keeling, 1976；Bacastow, 1981；Rotty, 1981） ，对大气 CO2 含量增加有净贡献；从 1750 年以来，大气中 CH4 的浓度增加一倍多，原因主要是人类工农业活动的共同作用；N 2O 增加的速度较慢，很可能主要与热带的土地利用变化及农业活动有关（Matson, 1990） ；CFC-11（氟氯烷11）由 1950 年的 0 增加到 1990 年的 0.29ppbv（体积的十亿分之一） （Houghton, 1990） 。 土地利用变化是大气中 CH4 和 N2O 浓度增加的最主要原因。稻田、生物燃烧、牲畜等释放出 CH4，土壤、肥料、生物燃烧放出 N2O。 (2) 气候变化 (3) 水文的变化 (4) 对生物多样性的影响 6、从土地利用/覆被变化研究到土地变化科学研究1）背景意义：IGBP 和 IHDP 于 1995 年和 1999 年发表“土地利用/覆被变化科学研究计划”和“土地利用/覆被变化执行战略” 来，LUCC 研究遵循“压力-状态-响应 ”三段式的科学研究范式；人们对 LUCC 在各个尺度和区域条件下的变化过程、驱动力和模式有了深刻理解；LUCC 的监测、解释和效应研究取得显著进展，在理论上有重大突破。2）目前，LUCC 研究范围：区域的、整体的、系统的研究思路越来越受到重视，土地利用变化和区域生态安全、土地持续利用等紧密结合；越来越重视土地变化的过程与机理，模拟与虚拟研究已成为选择解决资源、环境与灾害问题途径的重要手段。3）IGBP 的研究重点：强调与 GCTE 研究计划的整合；研究对象扩展到“陆地人类与环境系统” （T-H-E） ；强调生态系统功能与人类社会动态的紧密联系；提出土地变化科学。4）土地变化科学（LCS）的研究焦点：土地系统变化的原因和本质（强调对人类活动，尤其是对土地利用活动产生的影响） ；土地系统变化的影响（强调不同程度的土地利用对生态系统产生的影响） ；综合分析和建模（强调复杂系统的突变性质和非线性特征，构建适应系统复杂性的一组时空模型） 。研究方法：通过定点研究、长期观测和实验、过程模型分析、决策支持模型和综合模型（强调将区域研究和过程研究相结合，进行综合模拟） 。5）LCS 对 IGBP LUCC 计划的超越体现：研究对象与目标的改变研究对象由 LUCC 上升到 T-H-E；研究目标由“了解 LUCC 的途径和规律 ”转变为“减小人类与环境系统面对全球变化的脆弱性，实现可持续性” 。LCS 的本质是综合和深化综合体现在视角的综合、研究领域和学科间的综合、研究方法的综合；深化体现在认识上的深化和方法的深化。7、模型构建与驱动力分析1） 目的及意义 2） 建模方法 3）对于构建新的 LUCC 模型的要求 首先，构建 LUCC 模型的时候更多地考虑经济、文化与制度因素，要对建立在经济理论基础上的市场运作机制有一全面的了解。 其次，更多的考虑区域内的空间结构与尺度问题(包括生产商品的异质性、社会文化的异质性以及空间的异质性)。 再者，要增进经济与自然过程模型之间的联系。 此外，在模型构建过程中还应考虑模型对技术进步的敏感性。 最后，还应考虑政策与制度因素对于建模的影响。 8、建立 LUCC 研究的数据库1 ) 研究目标应用航天、航空遥感资料和地面数据对中国东部样区土地利用和地表覆盖进行对比分析，识别主要土地利用和土地覆盖类型；适当选取典型区，在景观尺度上研究典型区土地利用和地表覆盖格局及其与自然和社会变化过程的相互关系，揭示中国东部农业生态系统土地利用和地表覆盖变化与全球变化相互影响的机理，探索对全球变化有适应能力的土地利用规划对策。2 ) 研究内容 中国东部区域土地利用和地表覆盖变化规律 的研究；土地利用和地表覆盖的景观特征对环境过程影响的分析与模拟。 3 ) 研究方法 采用高空间分辨率、高时间分辨率、必要时也将引用航空遥感资料进行深入细致的样区研究，以此为基础完成从典型样区到整个区域不同空间尺度研究的转换。 利用 NOAA-AVHRR 8km x 8km 和 4km x 4km 数据分析研究东部样区内土地利用 /地表覆盖现状和变化趋势，利用 LANDSAT-TM 数据和航空遥感数据，研究样带内典型样区的土地利用和地表覆盖现状和变化趋势。 根据对遥感数据的研究结果和地面调查、统计资料，分析土地利用和有关社会、经济、自然要素之间的相互关系，分析土地利用和地表覆盖变化与主要驱动力因子之间的作用关系。 根据遥感和地面数据，研究典型区内农业生态系统的景观结构特征，进行景观要素的生态分析，建立景观结构与环境变化之间相互影响的关系。 运用模型和 GIS 手段，分析模拟景观尺度上的土壤侵蚀和土地资源特征，研究全球变化条件下土地资源和土壤肥力的变化趋势。 4 ) 技术路线 二、土地质量指标体系1、土地质量指标体系研究背景1）研究背景LUCC 已经导致不同形式的土地退化，如土壤侵蚀、土壤肥力下降、水质变坏、灌溉区盐碱化、土地生产力下降等。2）基本概念土地质量指土地的状况或条件，包括与人类需求有关的土壤、水及生物特性。土地质量评价针对某一种土地利用功能或类型进行的等级评定。土地质量指标是指一种量度由变量产生的数值，能判断与人类需求有关的土地的状况及其变化以及与这种状况相联系的人类活动。3）土地质量指标体系（LQIs）建立的意义能更好地掌握土地质量变化及其驱动力分析，以提供土地质量逆转趋势的早期预警，及时发现土地质量出现问题的地区，并深化土地资源的科学管理。2、土地质量指标体系研究的意义与应用领域1）可持续土地管理和利用决策的需求2）联系科学家、管理者、使用者的桥梁3）代表性区域的需求4）促进自然地理学理论研究5）土地质量指标体系研究在中国的重要性3、土地质量指标模型4、国际上启动的相关项目1）世界银行为热带、亚热带及温带主要农业生态带的人工生态系统建立土地质量指标体系。2）FAO 基本接受 PSR 模型，是问题驱动的，在信息收集方面注意收集变化和趋势信息，同时开展野外项目以检验指标的合理性。3）加拿大土壤健康项目该土地质量指标体系是以土壤性状为主，包括土壤有机质与土壤结构、土壤退化过程、地下水污染、土地利用与土地管理措施在土壤质量退化/保持和改善方面的作用。三、土地利用可持续性评价综述背景意义：随着人口增长、土地退化和环境问题的日益加剧，土地利用可持续性问题已经成为土地评价研究领域的焦点。1、土地持续利用的定义和内涵定义：侧重经济、土地供需；关注生态、经济与社会综合效益在满足人类增长对土地需求的前提下，保持和提高人类的生活环境质量，土地利用结构合理高效，在生产上协调、生态上适宜、经济上可行、社会上可接受的土地利用结构和土地利用方式获得最高收获产量，并保护土地赖以生产的资源，从而维持其永久的生产力的土地利用一种土地利用在未来相长的一段时期内不会引起土地适宜性的退化利用自然和社会经济资源，生产当前社会经济环境价值超过商品投入的产品的同时，能维持将来的土地生产力及自然资源环境FAO 颁布的可持续土地利用评价纲要确定土地可持续利用评价标准（5 条）：土地生产性土地利用方式有利于保持和提高土地的生产能力；土地安全性或稳定性有利于降低生产风险的水平，使土地产出稳定；水土资源保持性保护自然资源的潜力和防止土壤和水质的退化；经济可行性经济上可行，若某土地利用方式在当地是可行的，则该土地利用一定有经济效益；社会接受性社会可以接受，若某土地利用方式不能为社会所接受，则该利用方式必然失败。2、土地利用可持续性评价概念将传统土地评价（土地适宜性评价、土地潜力评价等）与景观生态学原理（景观结构和过程、景观异质性等）相结合，评价土地利用的可持续性。土地利用可持续性评价源于土地适宜性评价，是对土地适宜性评价在时间方向上的延伸趋势进行的一种判断和评估，是可持续发展思想在土地评价领域的体现。3、土地利用可持续性的特点（与适宜性评价比）1）长时间尺度土地适宜性是对于一定土地单元，评价其是否适合于某种土地利用方式及其适宜程度，是现状评价；土地利用的持续性是评价一块土地在更长时期内是否适合于某种土地利用方式，是过程评价。一种土地利用方式，只要在未来可预见的较长时间内，未引起明显的或永久的的土地退化，则可认为该土地利用方式是可持续的。2）空间尺度广土地持续利用必须从生态、经济和社会等方面综合考虑，且不同尺度研究侧重点不同。3）区域性和利用方式的特定性土地持续利用是针对特定的地点（区位）和特定的土地利用方式的，一种土地利用方式是由利用目的和为获得这个目的所采取的措施确定的。区位因素对土地利用可持续性的影响是最有决定的4）系统的开放性对于特定区域的土地可持续利用而言，既要实现区域内部的生态、经济、社会效益的协调，也要考虑外部的“经济性”，即开放性。土地可持续利用要实现生态（自然）方面具有适宜性、经济方面具有获利能力、环境方面实现良性循环、社会方面具有公平性和公正性。4、土地利用可持续性评价的指标1）土地利用可持续性评价指标的结构土地持续利用的评价可分为五步进行：确定土地利用的目标；确定土地利用的方式；确定影响土地利用可持续性的因子；确定土地利用可持续性的评价指标；确定土地利用可持续性评价指标的诊断标准（指标变化范围和阈值）2）土地利用可持续性评价的指标体系（1）国内普遍采用的指标方案生态指标包括气候条件、土壤条件、水资源、立地条件、生物资源等；经济指标包括经济资源、经济环境和综合效益等；社会指标包括宏观的社会/政治环境、社会的承受能力、社会的保障水平、公众参与程度等。（2）中科院地理所（陈百明，2002）提出的指标体系基于 FAO 的“生产性-安全性- 保护性-经济性- 社会性”指标体系3）土地持续利用评价的指标体系-实例5、土地利用可持续性评价的内容1）生态评价是评价一种土地利用方式在目前及其较长时期内对土地的基本属性和生态过程的影响，是土地利用可持续性评价的基础。一般研究水分循环、养分循环、能量流动和生物多样性这四过程。2）经济评价是评价一种土地利用方式所产生的经济效益的大小。常以定量指标如利润、成本、产来年感和商品率等进行评价。经济评价要以生态上适宜和社会可接受为前提。3）社会评价是评价一种土地利