（自然地理学专业论文）河西内陆河流域土地利用驱动水资源格局变化研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着全球范围内i g b p 和l u c c 计划地推行，有关流域土地利用与覆盖变化对 流域水文过程和水资源的影响问题的研究成为热点和前沿。国内外研究结果反映出 土地利用与覆盖变化对流域水文过程以及水资源分布格局的影响在不同地带由于其 不同的地域特性和水资源特性而不同。针对干旱地区内陆河流域水资源严重不足的 特点，开展区域实例研究和不断深入总结经验和理论探索，认识土地利用与覆盖变 化对流域水文过程和水资源影响的一些事实和规律，来揭示土地利用变化对水资源 分布格局的影响，以此寻求水资源持续利用支撑经济社会的可持续发展，成为自然 地理研究工作者的核心目的。 土地利用变化对水文过程影响的结果，就是直接导致水资源空间和时间分布格 局发生变化，从而对流域生态、环境以及经济发展等多方面产生深刻影响。中国西 北干旱区内陆河流域具有不同与外流河流域的独特水文循环特征和水资源分布特 性，同时具有丰富的土地利用资源与之全然不匹配的十分紧缺的水资源的制约矛盾， 由此产生了土地利用的最大化驱动水资源在空间尺度和时间尺度上均发生着再分配 的变化。 基于土地利用与水资源分布格局双重关系的研究，包含了广泛的遥感技术、影 像解译技术、g i s 技术。涉及水资源要素的流域特性研究，水文循环过程分析，内陆 河流水资源分布规律的再认识过程，贯穿于景观生态学、生态水文学、寒区水文学、 气象气候学、农业科学、统计分析学等领域。在土地利用与水资源关系分析中，重 点采用了数值模拟、相关分析、回归分析、模糊数学等方法，建立数学模型以及对 比分析等理论。得出以下结论： 1 、分析了最近2 0 年来河西内陆河流域土地利用与覆被的流域分布规律，得到 了三个水系土地利用要素的空间分布格局与变化趋势。 2 、利用分段比重百分比指标法分析了2 0 年间土地利用与覆被的变化。结果表 明，祁连山区覆被类要素普遍减小，中游土地利用类要素大幅度增加，下游荒漠类 要素显著增加，灌木和高覆盖草地显明减少。全流域变幅最大的是农村居民用地和 城镇居民用地，其次是耕地和人工林地，第三是低覆盖草地。 中罔科学院博： ：论义：i f 】j 西内陆! i t 流域土地利用驱动水资源格局变化研究 3 ) 利用河流水量轨迹变化分析方法，得出了内陆河流存在着总流长( 三尺缈) 、 理论稳定峰值( q p ) 、峰现流长( 三尸) 、衰减流长( l q d ) 的演变规律：除石羊河外， 缈与p 受土地利用与覆被变化的影响很小，降水等气候变化成为决定因素；l r w 与l q d 均受到土地利用与覆被变化的影响，产生了显著的缩短趋势且呈现加速收缩 的现象。 4 ) 在出山后的高程度土地利用区间河段，流量存在显著的延时效应，其中在月 频率2 0 条件下时，上下游的流量差别在8 0 以上。 5 ) 土地利用对河川径流的影响，突出表现为汛期径流损耗量与耕地面积变化成 正相关关系；枯期径流随着耕地面积的扩大呈现减少的趋势；春季径流量与损耗量 在不同流域受耕地面积变化的影响不同；最大月径流及基流频率分布变幅加大等规 律。 6 ) 河川径流位移和零水资源尺度指标不断向河源收敛，单位流量流长同样存在 向河源收敛的规律，土地利用驱动地表水向河源集中，向地下水转化加速。 7 ) 土地利用对地下水补排过程影响的结果是：加快了地下水补给过程与补给量： 更加促使地下水排泄过程发展，加大了排泄量；导致区域地下水储量减少，地下水 位持续下降。 8 ) 地表水资源和地下水资源的整体分布由中下游向上游移动，由地表水向地下 水转化，中下游的地下水储量持续减少，尾闾湖枯竭。 关键词：内陆河流域，土地利用，覆被变化，生态环境，水资源，水量轨迹， 水文过程，三水转化，流域尺度，零水资源尺度，河流健康。 2 a b s t r a c t s t u d yo nw a t e r r e s o u r c ed i s t r i b u t i o nc h a n g eo fm o d a l i t y h a v ed r i v e dw i t hl a n du s e a n dl a n dc o v e r a g ei nh e x ii n l a n d r i v e rb a i s i no fn o r t h w e s tc h i n a a b s t r a c t ： w i t hi n t r o d u c eo fi g b pa n dl u c cp l a ni nt h ew h o l ew o r l d ，t h ei n f l u e n c eo fa r a b l e l a n du s ea n dc o v e r a g eo nh y d r o g r a p ha n dw a t e rr e s o u r c e so ft h er i v e rb a s i nh a sb e c o m i n g h o tr e s e a r c hp o i n t r e s e a r c hr e s u l t sf r o mb o t hh o m ea n da b r o a ds h o wt h a tt h ei n f l u e n c e o fl a n du s ea n dl a n dc o v e r a g eo nh y d r o g r a p ha n dw a t e rd i s t r i b u t i o ni sv a r i o u si nd i f f e r e n t r e g i o n sd u et oc h a n g e so ft e r r a i n sa n dw a t e rr e s o u r c e sf o r m a t i o n b a s e do ns e v e r ew a t e r s h o r t a g es i t u a t i o no fi n l a n dr i v e rb a s i n ，t oc a r r yo u tr e g i o n a lr e s e a r c ha n df i n do u tt h e o r y ， t ou n d e r s t a n di n f l u e n c eo fl a n du s ea n dc o v e r a g ec h e n g eo nh y d r o g r a p ha n dw a t e r d i s t r i b u t i o n ，s oa st or e v e a lt h ei m p a c t so nw a t e rr e s o u r c e sd i s t r i b u t i o nd u et ov a r i a t i o n so f l a n du s e ，a n dt oa c h i e v es u s t a i n a b l es o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n tt h r o u g hr a t i o n a lu s e o fw a t e rr e s o u r c e s t h ec h a n g eo fh y d r o l o g i cp r o c e s sr e s u l t i n gf r o ml a n du s ew i l ld i r e c t l yl e a dt oc h a n g e o nb o t hs p a c ea n dt i m ed i s t r i b u t i o no fw a t e rr e s o u r c e s ，t h u sb r i n gp r o f o u n di m p a c t so n e c o l o g i cs y s t e m ，e n v i r o n m e n ta n de c o n o m ya n ds o o n i n l a n dr i v e rb a s i ni nd r y n o r t h w e s tp a r to fc h i n ah a ss p e c i a lw a t e rc y c l ea n dw a t e rd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s w h i c hd i f f e rf r o ma n y w h e r ee l s e ，t h ea b u n d a n tl a n dr e s o u r c e si nt h e s ea r e a sd i d n tm a t c h w i t hs e v e r es h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e s ，s ow a t e rr e s o u r c e sw i l lb er ed i s t r i b u t e da tb o t h s p a c ea n dt i m et os a t i s f yo p t i m a lu s eo fl a n d r e s o u r c e s d u et ot h ed o u b l el a y e rr e s e a r c ho nl a n du s ea n dw a t e rr e s o u r c e s ，t h er e s e a r c h i n v o l v e sw a t e re l e m e n t so r i e n t e dr i v e rb a s i nc h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c h ，w a t e rc y c l ep r o c e s s a n a l y s i s ，u n d e r s t a n d i n gr e f r e s h i n go nw a t e rd i s t r i b u t i o nr u l e so fi n l a n dr i v e rb a s i n ，w i t h t e c h n o l o g yc o n c e r n i n gr e m o t es e n s e ，v i d e oe x p l a i n i n ga n dg i s ，t h ek n o w l e d g ec o v e r s 中困科学院博士论文：河两内陆河流域十地利用驱动水资源格局变化研究 s i g h te c o l o g y , e c o l o g i c a lh y d r o l o g y , f r i g i dh y d r o l o g y , m e t e o r o l o g i c a lc l i m a t e ，a g r i c u l t u r e ， s t a t i s t i ca n da n a l y s i sa n de t c f o rr e l a t i o na n a l y s i sb e t w e e nl a n du s ea n dw a t e rr e s o u r c e s ， d a t as i m u l a t i o n ，c o r r e l a t i o na n a l y s i s ，r e g r e s s i o na n a l y s i s ，b l u r r e dm a t ha n do t h e rm e t h o d s a r ea d o p t e dt os e tu pm a t h e m a t i cm o d e la sw e l la sc o r r e l a t i o na n a l y s i st h e o r y , t h er e s u l t s a r es h o w e da sf o l l o w s ： 1 、s e c t i o n a ll a n du s ee l e m e n t sd i s t r i b u t i o nc h e n g so f3w a t e rs y s t e m sh a v eb e e n o b t a i n e dt h r o u g ha n a l y s i so nd i s t r i b u t i o nr u l e so fl a n du s ea n dv e g e t a t i o ni nh e x ii n l a n d f i v e rb a s i ni nt w od e c a d e s 2 、c h a n g e so nl a n du s ea n dv e g e t a t i o ni nl a s t2 0y e a r sh a v eb e e na n a l y s eb ym e a n s o fs e c t i o n a lp r o p o r t i o np e r c e n t a g ei n d e x t h er e s u l ts h o w st h a tv e g e t a t i o ne l e m e n t s g e n e r a l l yd e c r e a s e di nq i l i a nm o u n t a i n ，l a n du s ee l e m e n t si n c r e a s e di nm i d d l er e a c ha n d d e s e r te l e m e n t si n c r e a s e do b v i o u s l yi nd o w n s t r e a m ，s h r u ba n dg r a s sd e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y t h em o s ts i g n i f i c a n t l yc h a n g e di sr u r a la n du r b a nr e s i d e n tl a n du s e ，t h e n e x ti sa r a b l el a n da n da r t i f i c i a lf o r e s t ，t h et h i r di sg r a s s 3 ) w i t hw a t e rt r a c km o v e m e n ta n a l y s i sm e t h o d ，i ti sf o u n dt h a te v o l v e m e n tr u l ed o e x i s tb e t w e e n ：al e n g t ho nr i v e ro fh a dw a t e r ( l rw ) ，t h e o r e t i cp e a ko fw a t e rq u a n t i t y ( q p ) 、al e n g t ho na r i s e np e a ko fw a t e rq u a n t i t y , ( 三p ) 、al e n g t ho nd e c l i n e w a t e r q u a n t i t y ( l q d ) i ni n l a n df i v e r b a s i n ：l pa n do eh a v en o tc h e n g si nh ea n ds h a n gr i v e r , l pa n dl q dh a v es h o r t e ni na 1 1 4 ) f l o wp r o l o n gd o m i n oe f f e c te x i s ti ns o m es e c t i o n sa f t e rc 0 1 5 ) f o ri n f l u e n c eo fl a n du s eo nf i v e rr u n o f f , i ti sf o u n dt h a tr u n o f fl o s s e si nf l o o d s e a s o ni n c r e a s ea st h ee x t e n s i o no fa r a b l el a n da r e a ；t h er a n g eo fm a x i m u mm o n t h l y r u n o f fa n de s s e n t i a ls t r e a mf r e q u e n c yi n c r e a s e ；t h er u n o f fi nd r o u g h ts e a s o nh a sad e c r e a s e t r e n dw i t he x t e n s i o no fa r a b l el a n d ；r u n o f fa n di t sl o s s e sv a r i e si ns p r i n gd u et od i f f e r e n t a r a b l el a n da r e ai nd i f f e r e n tf i v e rb a s i n 6 ) l a n du s ei np l a i na r e as p e e du pt h et r a n s f e ro fs u r f a c ew a t e rt og r o u n dw a t e r 7 ) r e s e a r c ho ni n f l u e n c eo fl a n du s eo ng r o u n dw a t e rr e c h a r g ea n dd r a i n a g ep r o c e s s h a sb e e nc a r r i e do u tb a s e do ng r o u n dw a t e rr e c h a r g ea n dd r a i n a g et h e o r y , t h er e s u l ts h o w s 4 a b s t r a c t t h a tl a n du s ec a u s ed e c r e a s eo fg r o u n dw a t e rs t o r a g ea sw e l la sc o n t i n u o u sd r o po fw a t e r t a b l e 8 ) g e n e r a lw a t e rd i s t r i b u t i o nm o v e df r o mm i d d l ea n dd o w ns t r e a mt ou p p e rs t r e a m ， a n dw a t e rt r a n s f e rf r o ms u r f a c et og r o u n dw a t e r , w a t e rs t o r a g ei nm i d d l ea n dd o w n s t r e a m c o n t i n u o u s l yd e c r e a s e ，a sa r e s u l tt h em o s td o w n s t r e a ma r e ad r yo u t k e y w o r d s ：i n l a n dr i v e rb a s i n ，l a n du s e ，c h a n g e so fv e g e t a t i o n ，e c o e n v i r o n m e n t ，w a t e r r e s o u r c e s ，w a t e rv o l u m et r a c k ，h y d r o l o g i c a lp r o c e s s ，3w a t e rt r a n s f e r , f i v e rb a s i ns c a l e ， z e r os c a l eo fw a t e rr e s o u r c e ，r i v e rh e a l t h 原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成 果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确 注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。 本声明 研究生签名 承担。 r 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属中国科 学院寒区早区环境与工程研究所。本人完全了解中国科学院寒区旱区环境与工程 研究所有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构 送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权中国科学院寒区 旱区环境与工程研究所可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离所后发表、使用论 文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为中国科学院寒 区早区环境与工程研究所。 保密论文在解密后应遵守此规定。 研究生签名： 导师签名： 日期：盘12 ：2 乙 r 期：解j 2 弹 第一章绪论 第一章绪论 第一节研究背景 土地利用是人类活动最具表征的地理形式。千百年来，人类对土地的依赖和开 发利用是社会进步和经济发展的主要支撑和重要途径，曾几何时土地利用成为人类 社会文明程度的标志，成为经济发展的重要考核指标，甚至成为国家政权是否稳定 的风向标。人类充分开发利用土地资源，在极大地促进了经济发展的同时，也对人 类赖以生存的生态环境、气候环境和水环境产生了深刻的影响。特别是近5 0 年随着 人类社会的快速发展，土地覆盖与土地利用格局在流域到全球的多种尺度上都发生 了显著变化，并由此不断改变着地球表面的生物、能量和水分等多种过程1 1 2 1 ，使之 成为本世纪最为关注的科学问题之一，关注的焦点不仅在于土地利用变化对区域资 源、环境的影响，更重要的是对经济社会可持续发展的可能影响【3 4 】。 自“国际地圈与生物圈计划( i g b p ) ”和“全球环境变化的人文领域计划”( h d p ) ， 于1 9 9 5 年联合提出“土地利用覆盖变化”研究计划以来，土地利用变化研究已成 为当前研究的热点课题n 1 。随着人口数量的急剧增加，人类的土地利用范围已逐渐延 伸到生态环境较脆弱的地区，造成了土地利用的格局、深度和强度不断发生变化， 由此而对地球资源环境的各个方面产生了深刻影响，加剧了全球环境问题。 土地利用包括了耕地面积、居民用地、工矿企业用地、道路网络、城市布局、 土地沙化、土地盐碱化、渠道开凿、水域变化等2 0 多种指标，综合反映了地理地貌 特征受人类活动和气候变迁驱使变化现象和特征。其中，耕地、居民、工矿、道路、 渠库、城市等指标变化是人类直接作用于土地活动的结果；草地覆盖、森林覆盖、 沙化地等指标变化是受人类活动间接作用和气候变化双重影响的结果。土地利用不 断改变着区域生物和能量循环的过程，促使区域内能量、热量、生态达到新的平衡。 水是一种不可取代的全球性资源，是生态系统物质循环和能量流动的主要载体。土 地利用对天然水体及其循环过程影响的日益加剧，致使水资源问题愈加突出，引起 1 中国科学院博一i 二论文：河两内陆河流域七地利用驱动水资源格局变化研究 水资源在空间和时间分布格局上均发生巨大变化，甚至是水循环规律的变化，从而 极大地影响和制约了人类的生存和发展。 不同流域和区域土地利用对于生态环境及其水资源的影响有着明显的不同。北方 干旱地区内陆河流域，土地利用对水资源的影响显示出尤其重要的作用。水资源在 一定程度上源于水文系统在时间上的高度动态性、趋势性、周期性和随机性，在空 间上的流动性和地理分异性i 5 6 】，土地利用因子的变化正是对水的时间分布和空间分 布的直接影响导致水资源的变化。利用土地因子的变化，分析研究内陆河流域的水 文过程和水资源分布格局变化的变化，成为对水文过程和水资源研究的新途径，也 是将水资源与人类活动过程直接关联，研究水资源变化的有效手段。 在流域尺度上，土地利用变化对水文过程影响的结果，就是直接导致水资源空 间和时间分布格局发生变化，从而对流域生态、环境以及经济发展等多方面产生深 刻影响，因此，对土地利用变化如何驱动流域水循环过程的认识和掌握，就成为广 泛涉及流域水资源规划与管理、生态环境建设与保护以及区域可持续发展的核心问 题。尽管植被覆盖与水文过程以及水质间的相互关系，基于模拟、试验流域和观测 等手段已有较长的研究历史，但有关土地利用变化对水文过程和水资源分布变化的 影响与后果的研究，是随着全球范围内i g b p 和l u c c 计划地推行，才逐渐地被人 们重视起来1 7 一j ，然而，近年来在有关流域土地利用与覆盖变化对流域水文过程和水 资源的影响问题的大量研究结果【4 8 9 一o 】，反映出土地利用与覆盖变化对流域水文过 程的影响在不同地带由于其不同的地域特性和水资源特性而不同。针对干旱地区内 陆河流域水资源严重不足的特点，开展大量的典型区域的实例研究和不断深入总结 经验和理论探索，寻找和建立土地利用与覆盖变化对流域水文过程和水资源影响的 一般性理论体系f l o 1 2 1 ，来揭示土地利用变化对水资源分布格局的影响，以此寻求水 资源持续利用支撑经济社会的可持续发展，成为自然地理研究工作者的核心目的。 第二节研究目的及意义 干旱内陆河流域丰富的土地资源、气候资源与十分匮乏的水资源形成了鲜明的 对比，占全国土地面积3 2 椰j 陆河流域水资源量仅是全国的5 5 【1 3 】，而水资源的 开发利用率平均高达7 0 以上，在石羊河等人口密集流域水资源开发利用率高达 2 第一章绪论 1 5 3 ，总利用量超过了总水资源量，大量的土地因缺水沦为戈壁沙漠。诸河中下游 地区依水而生的串珠式绿洲随着水量的变化而变化，草地覆盖度也随着降水的分布 不同而变化。中国干旱内陆流域水资源所承受的人口与社会发展压力是世界范围内 比较大的区域之一【1 4 1 5 1 ，近5 0 年来土地利用格局发生着巨大变化，而流域径流过程 无一例外地出现了下游河流量不断减少的变化趋势并引发了一系列严重的生态环境 问题【l4 1 。中国干旱区以典型的农业经济为核心，而8 3 以上的农业经济集中在绿洲 区域【1 5 16 1 ，这种典型的绿洲经济格局形成了更加紧密的水资源与土地利用间的关系。 同时，由于土地资源的大量开发利用，对水资源产生巨大影响，进而导致了生态环 境的变化。 自从2 0 世纪8 0 年代以来，人们深刻认识到干旱内陆河流域水土之间存在的密 切关联性，提出了以水定地的流域开发原则，但是有两个基本的理论问题长期没有 能够很好解决：一是如何从水资源形成与变化以及水资源时空分布的客观规律出发 确定土地资源的开发利用以及与此相关的流域经济发展格局；二是没有认清任何规 模的土地资源开发利用反过来可能对水资源时空分布产生深刻影响，并由此可能导 致原有的流域开发原则失去其可行性。干旱内陆河流域的可持续发展维系于水土资 源的合理利用，其实质是在辨识水土耦合作用机制基础上，合理制定流域水土资源 开发利用规模、利用方式以及生态环境健康的可持续维持。因此，开展土地利用对 水资源影响研究，从理论上归纳规律性的认识，研究流域水文过程与土地利用格局 的关系，对于保护生态环境相对不再受到深度破坏的前提下，如何制定流域可持续 的水土资源合理利用规划与政策，保障经济社会的可持续发展具有十分重要的意义。 本文研究的目标就是在充分认识和分析研究干旱内陆河流域水资源时空分布的 客观规律，现状条件下土地资源利用格局的时空分布产生的流域经济发展和生态环 境面临的困境的基础上，剖析土地利用可能对水资源时空分布产生的作用与影响变 化，进而形成新的水资源分布格局以及在新格局下在流域尺度上的水量平衡和能量 平衡，为合理制定流域的水土资源可持续利用方案、维持生态环境和河流健康提供 科学依据。 为实现上述目标，需要解决的关键科学问题是研究干旱地区上游来水相对稳定 条件下，中下游地区河川径流受土地利用的驱动在地域分布上如何异动和年内分配 上如何变化，包括河川径流各种成分的再分配和发生频率的变化趋势；研究上游来 3 中国科学院博 ：论文：河两内陆河流域十地利用驱动水资源格局变化研究 水以地表水为主要成分的水资源存在方式，如何转化成中游地区以地下水为主要成 分的水资源存在方式、转化的过程、转化量与土地利用变化的数学关系和新的运行 轨迹产生的延时效应。 第三节国内外研究现状 2 0 世纪9 0 年代以来，土地利用与土地覆被变化问题引起国际组织和世界各国的 普遍关注【l7 1 。土地利用变化之所以引起人们的重视，是因为它引起的土地覆盖的剧 烈变化对生态环境造成了显著的影响，如土地利用变化对气候、全球生物、地球化 学循环、陆地生物种类的丰度和组成、生态系统的结构式与功能、生态环境承载力、 生态环境安全等有重要的影响【l 引。l u c c 与生态环境相互关系研究已成为l u c c 研 究的目的和核心内容。但目前国际上的研究大多注重于对全球变化的影响和响应【1 7 1 9 】，尤其对气候变化和衡量气候气体排放的影响，而缺乏对区域生态环境和自然地 理过程的影响研究。因而在区域尺度上继续深入揭示土地利用变化与生态环境之间 的关系，探索由于土地利用土地覆被变化导致的生态环境退化、土地的生态恢复与 重建机制、这不仅对丰富土地利用土地覆被变化研究内容具有重要的理论意义，同 时对生态环境的保护与恢复具有现实的指导意义。国内不少学者对土地利用和土地 覆盖变化的区域环境效应展开了深入研究。 1 土地利用变化对水循环的影响研究进展 1 1 土地利用变化对水循环影响研究 土地利用变化在大气环境2 0 2 3 1 、土壤环境、生态环境、物种多样性多个方面产 生着不同程度的影响，然而对于水循环的影响显得格外突出。目前的研究表明，林 地、草地、湿地、灌溉用地、建设用地等用地类型数量结构与空间结构的变化都会 对水的蒸发、降水、地表径流产生影响。森林的砍伐影响反射率、树冠的截流、地 表的粗糙度，这些同水分和能量平衡有重要联系。灌溉用地的增加在一定程度上扩 大了蒸发面积，增加了低水平大气中的水力，提高了湿度，降低反射率和日温，有 助于降雨的形成。城市化过程中树木和植被的减少降低了蒸发和截流，增加了河流 的沉积量；工业用地、住宅用地、道路等不透水用地的建设降低了地表的渗透和地 4 第一章绪论 下水位，增加了地表径流量，相应地加剧了潜在洪水的威胁。 土地利用覆盖变化对水资源的影响包括水量、水质和空间分布的变化。王根绪 1 2 4 j 等对黑河流域典型区土地利用格局变化及影响比较分析认为：过去3 5 年来山丹河 流域和黑河干流张掖甘州区土地利用格局的变化，代表了干旱内陆流域具有普遍意 义的两种土地利用的空间变化类型。对比两个区域土地利用的空问格局及其变化， 山丹河流域的土地利用模式实际上导致了绿洲沿河流的溯源迁移，使得流域水资源 在上游地区集中，并形成中下游绿洲逐渐废弃而演变为荒漠化土地。相反，张掖甘 州区土地利用变化形成以区域下游老绿洲为核心的绿洲渐进性向外拓展模式，没有 产生较大的局部集中式水资源空间再分配，具有较好的绿洲可持续发展能力。王根 绪【2 5 】等在马营河流域1 9 6 7 - - 2 0 0 0 年土地利用变化对河流径流的影响研究中得出：流 域降水量1 0 年尺度的平均值增加了4 6 ，在这种情况下，径流量减少2 8 1 2 ，基流 量减少3 5 3 2 ，最大洪峰流量减少3 5 7 7 ；年内两个径流汛期的春季和秋季的平均 季节流量分别减少了3 6 0 5 和2 4 8 7 ；在7 0 年代以后，径流过程各参量与降水过程 之间的关系减弱，在8 0 年代以后降水对径流过程的影响已经十分微弱，而径流各参 量与耕地面积之间存在显著的相关关系，流域地表径流的持续减少是土地利用变化 的结果，表明干旱内陆流域，上游高覆盖天然草地转为耕地，将导致流域地表径流 减少，耕地对降水形成的地面径流的拦蓄和较大的土壤蓄水和蒸散发能力是产生这 种现象的主要原因。 邓慧平等【2 6 】选择长江源头梭磨河进行气候与覆被变化水文影响模拟研究，应用 t o p m o d e l 模型对流域水量平衡进行逐日模拟，定量地区分气候波动与流域植被覆 盖变化的水文效应，并进行了不同植被覆盖情景下地表覆被变化流域水文响应模拟， 分析土地覆被变化对流域水量平衡各分量和洪水频率的影响。高俊峰等【2 7 】的研究表 明：太湖流域土地覆被变化对流域产水量有较大影响。史培军等【2 8 】应用s c s 模型对 深圳市部分流域进行了径流过程的模拟，结果表明：随着人类活动的加剧，土地利 用的变化使径流量趋于增大；降雨强度越大、前期土壤湿润程度越大，土地利用变 化对径流量的影响越小。 虽然流域植被覆盖变化对水文的影响因流域面积、气候和植被类型等因素的不同 而有差异，但就流域内不合理土地利用引起的植被减少而造成的河流沉积增加、流 域蓄水能力损失、洪水危险、水质下降、以及对水生生物危害等具有相似性【2 9 1 。常 5 中国科学院博l ：论文：河两内陆j l j j 流域十地利用驱动水资源格局变化研究 娟【3 0 】等在黑河流域不同土地利用类型下水体n 、p 质量浓度特征与动态变化研究结 果表明：不同土地利用类型与各类水体t p 、n 0 3 n 和n h 4 n 的质量浓度之问存在一 定的相关性。周海丽等【3 l 】基于深圳多年的统计数据、环境数据以及影象的解译数据， 进行回归和主成分分析，建立了城市化水平与城市水环境质量变化之间的回归模型。 结果表明，城市用地比例是深圳河流综合污染指数变化的主要原因。贾亚南等【3 2 】的 研究结论显示；贵州水城盆地水质污染区分布与土地利用分布具有一致性；土地利 用的变化是本地区水质变化的主要原因。 随着土地开发利用范围的扩大与强度的增加，造成对水资源需求量的急剧增加， 使得我国许多地方的水资源的供给都变得非常紧张。水资源短缺不仅严重影响居民 的日常生活，威胁工农业生产，还造成河水断流、海水入侵等严重的生态环境问题。 同时，工业用地、住宅用地、道路等不透水用地的建设降低了地表的渗透和地下水 位，增加了地表径流流量，相应地加剧了潜在洪水的威胁【3 3 】。 1 2 土地利用变化对土壤环境的影响研究 土地利用变化影响着土壤系统与外界进行能量交换的数量与质量、土壤表面的水 分分配过程、地表矿质元素的分配过程以及加速或延缓土壤系统内部的生成代谢过 程。目前的研究主要集中在以下两方面： ( 1 ) 在土地利用变化对土壤养分迁移的影响研究方面，有学者针对我国的脆弱 区与热点区进行分析，并提出合理的土地利用对策。我国水土流失最严重的区域一 黄土丘陵区，应用地理信息系统和野外采样分析，分别从小流域、坡面和单一土地 利用类型三个尺度研究土地利用变化对流域土壤侵蚀、土壤养分和土壤水分分布的 影响，探讨不同土地利用结构和类型对元素分布的影响规律，提出合理的土地利用 配置【3 4 】。傅伯杰等以河北省遵化县为例，研究近2 0 年来该县的土地利用变化与土 壤养分变化的相互关系与作用机制，结果表明退耕还林还草不仅改变了土地覆被， 而且提高了土壤养分，因此为退耕还林还草，合理利用土地提供科学依据。郭旭东 等【3 6 】通过调查河北省遵化市低山丘陵区油松林、板栗、草地和坡耕地等典型土地利 用方式对土壤养分和土壤容重的影响，并应用土壤退化指数来定量描述不同土地利 用下的土壤退化程度。陡坡开荒和耕种会引起严重的土壤退化；尽管种植板栗可以 得到更多的经济利益，但是如果单纯发展板栗，而不注重采取合理的水土保持措施， 板栗的土壤也会发生严重退化。刘世梁等【3 7 】研究选取了四川卧龙自然保护区作为研 6 第章绪论 究地点，阐述湿润高山区的土地利用方式与土壤性质之间的关系，选择了六种典型 的土地利用方式加以比较，方差分析结果表明，不同土地利用之间土壤容重、全氮、 有机碳、速效磷、速效钽的含量差异显著。城市化对土壤资源的数量的质量产生深 刻的影响，包括土壤地表封闭引起的土壤生态功能彻底消失，土壤物理性质恶化， 土壤形态学特征和演变过程深受人为作用的影响，短程变异增加而总体多样性降低， 土壤污染加剧，土壤养分富集等多方面。城市化过程中土地利用变化对土壤产生一 等系列生态环境效应，如养分径流输出增加，热缓冲能力下降，污染转移危险性上 升等【3 8 】。 ( 2 ) 土地利用的方式、数量、质量和空间结构等方面的变化，都会对土壤侵蚀 的方式和强度生产不同的影响。不合理的土地利用方式( 如森林的砍伐、矿山开采、 陡坡开荒、过度放牧等) 导致土壤的理化性质发生了很大的改变，因此而造成了土 壤损失及退化( 如土壤侵蚀、盐碱化、水侵、酸化、营养贫瘠、干燥等) ；反之，有 限土地资源的优化配置，可有效控制土壤侵蚀，实现区域可持续发展。朱连奇等【3 9 】 以福建省山区为例，探讨了土地利用变化对土壤侵蚀的规律，分析结果表明；土地 利用变化对径流的产生和土壤侵蚀有重要影响，植被的覆盖度的变化直接影响着径 流系数和土壤侵蚀模数。 1 3 土地利用变化对生态系统的影响研究 由于不同的土地覆盖类型有着不同的生态系统结构、群落组成与生物量内容； 它们也以不同的速度吸收与固定诸如碳与氮之类的养分，对营养成分在土壤、大气 与水中的分布有着重要影响，因而土地利用与土地覆盖变化会在不同的尺度上对生 态系统的结构与功能产生很大的影响。 ( 1 ) 在生物群落水平上，土地利用与土地覆盖的变化所造成的景观的破碎化、 地表养分与水汽通道的改变以及物种的引进与入侵，使得大面积上的植物群落的组 成发生很大的变化，同时也使得自然群落的发展演替过程受到极大的干扰和破坏。 秦丽杰等以前郭县为例，得出如下结论：该县土地利用结构和空间格局的变化，使 土地退化面积扩大，而且退化程度有所加重；农田面积的扩大，灌溉用水量也相应 增加，农业退水携带大量污染物进入地表水和地下水，导致地表水和地下水污染加 重：土地利用结构的改变，使景观破碎化程度加大，分维数减少，生物多样性降低【4 0 1 。 邓晓保1 4 l 】等研究了西双版纳热带雨林不同土地利用方式对土壤动物个体数量的影 7 中国科学院博一1 ：论文：河两内陆河流域十地利用驱动水资源格局变化研究 响。 ( 2 ) 在生态系统的水平上，土地利用方式的改变必然会对生态系统的结构和功 能产生极大的影响。目前，在这方面的研究主要集中于对生态系统功能方面的物质 循环与能量流动的研究上。高琼等运用改进了的区域植被动态模型研究了中国东部 南北样带植被和净第一性生产力对未来气候变化的效应，模拟显示，土地利用格局 对未来气候条件下植被分布的变迁和生产力形成过程有非常显著的影响1 4 2 。方精云 等运用改进了的森林生物量评估方法，研究了我国森林生物量碳储存的变化状况， 结果表明：1 9 4 9 - - 1 9 9 8 年间，中国森林释放了大约0 6 8 p e t a g r a m 单位的碳；1 9 7 0 年 代后期以来，由于森林面积增加，碳储存增加显掣4 3 1 。吴建国等在分析了六盘山林 区典型生态系统碳循环规律的基础上，结合碳汇源的概念综合评价了土地利用变化 对生态系统碳汇功能的影响。分析得出陆地生态系统碳汇源功能体现在碳库的贮量、 稳定性和碳库的输入与输出强度方面；天然次生林和人工林生态系统的碳贮量汇功 能较强，农田和草地较弱；土壤有机碳过程源汇方面，天然次生林生态系统是强汇， 人工林生态系统是弱汇，草地和农田生态系统是源 4 4 1 。 ( 3 ) 在景观水平上，土地利用土地覆盖的变化会引起景观类型、结构及其功能 发生改变m 5 6 1 。于兴修等研究了西苕溪流域的土地利用，覆被变化及其景观生态效应， 结果表明：流域内农田不断减少，居民及工矿用地持续扩大，林地前期减少、后期 缓慢增加；林地和农田是流域内的主要景观类型，空间集中性及斑块碎化、形状规 则化、景观同化是景观结构和景观异质性变化的主要表现；土地利用与覆被变化产 生了生境质量下降、边缘效应增强、土地退化和生态系统成分单调等景观生态效应 【4 7 】 o ( 4 ) 土地利用变化不仅引起了资源安全问题( 耕地资源、水资源、森林资源、 生态资源存量的变化) ，而且引起了自然灾害的加剧，这主要包括：气象灾害( 洪涝 灾害，干旱、台风等) 、地质灾害( 崩塌、滑坡、泥石流、海水入侵、地面下沉、水 土流失及污染灾害等) 、生物灾害( 病虫害、鼠害、生物入侵等) 。史培军等以深圳 为例，对深圳市土地利用土地覆盖变化与生态环境安全进行了研究，并认为：加大 城区或居民集中住宅区植被盖度，将对提高城市生态环境安全水平有举足轻重的作 用【4 8 1 。太湖流域1 0 年间土地利用变化使流域产水量增加，洪涝过程缩短，增加的产 水分布在流域的上游，加重了流域的洪涝灾害【4 9 】。史培军等内蒙古乌兰察布盟、洞 8 第一章绪论 庭湖区常德市鼎城区【5 0 j 为案例，深入研究了土地利用变化对农业自然灾害的影响机 理，结果表明：调整土地利用结构是一种有效的减灾措施。 ( 5 ) 由于土地利用变化生态环境影响评价问题的复杂性，我国学者在这方面研 究较少，仅少数学者做了理论研究。土地利用规划是一种综合性的用地规划，进行 环境影响评价时应反映土地利用宏观结构调整与布局以及土地开发整理复垦等活动 对区域内自然环境和生态系统的影响，重点考虑维护生态系统的稳定性和完整性， 并充分利用地理信息系统等手段，重点分析土地利用的时空变化对当地生态环境的 影响。贾克敬等【5 l 】、赖力等5 2 1 分别提出了土地利用规划环境影响评价的内涵、基本 工作程序、指标体系与评价方法。唐根年【5 3 】用景观生态学方法分析浙江省台州市黄 岩区土地利用变化状况，在此基础上构建了区域土地利用变化的生态环境影响评价 指标体系，并对其进行了定量