（自然地理学专业论文）石羊河流域土地利用土地覆被变化及其环境效应.pdf

石羊河流域土地利用土地覆被变化及其环境效应 摘要 土地利用覆被变化研究是全球变化研究的热点，根据多源遥感数据研究区域性土 地利用土地覆被变化特征，探讨其驱动力和环境效应是基本的研究方法。石羊河流域 位于甘肃河西地区东部，属干旱区内陆河流域。由于特殊的自然地理条件和不合理的 人类活动，生态环境退化，出现了严重的生态危机，成为我国干早区内陆河流域生态 退化的典型和社会各界广泛关注的焦点。本研究立足于这一典型区域，在综合分析评 价石羊河流域自然环境和社会经济条件的基础上，采用卫星影像计算机监督分类和目 视解译相结合，判读3 期土地利用4 - 地覆被情况，划分石羊河流域生态功能区，以此 为基础分析2 0 年来的土地利用变化特征。研究成果可为可为石羊河流域水资源合理开 发及生态环境重建提供科学依据，也可为全球变化背景下区域性土地利用覆被变化研 究提供案例。本文的主要内容和研究结论如下： 1 土地利用变化特征采用中科院地理所制订的全国土地利用遥感分类系统，采 用以分层分类为主的监督分类结合目视解译，对1 9 7 4 年m s s 、1 9 8 7 年t m 、1 9 9 9 e t m 年、2 0 0 6 年c b e r s 等多光谱遥感数据源划分出六个一级类型、2 2 个二级类型。研究 发现，土地利用变化的主要类型是水浇地和建设用地，重点区域主要集中于绿洲与荒 漠的过渡地带。2 0 年来总耕地面积增加7 。1 9 9 9 年耕地面积6 9 5 5 万h m 2 ，较1 9 8 7 年增加了3 9 5 万h m 2 ，增加6 。1 9 9 9 - 2 0 0 6 年，在旱地面积减小的同时，灌溉面积增 加3 5 2 万h m 2 ，增加6 2 。1 9 9 9 - - 2 0 0 6 年旱耕地面积缩小可归于西部大开发以来的 退耕还林政策和祁连山自然保护区的保护力度加强。许多靠近绿洲边缘、地下水条件 相对较好地区被开发为耕地。 林地、疏林及灌木林地是绿洲内较为敏感的土地利用类型。林地面积1 9 8 7 一1 9 9 9 年基本稳定，1 9 9 9 - - 2 0 0 6 年有所减少，主要是疏林地和灌木林地，分别减少1 2 和1 6 。草地的总面积变化不大但草地质量下降，表现在高覆盖度草地面积1 9 8 7 - - 1 9 9 9 年 间基本稳定，1 9 9 9 - - 2 0 0 6 年减少4 4 6 万h m 2 、2 4 ，中低覆盖度草地的面积相应有所 增加。 水域面积变化不大，冰川退缩明显。过去二十年来冰川消融1 6 k m 2 ，约占原有冰川面 积的2 5 。 建设用地中，农村居民地的面积增加，城镇和工矿用地面积也有明显增长。其中， 1 9 9 9 - - 2 0 0 6 年，农村居民点用地增加4 2 4 8h m 2 、1 5 ，工矿用地增加1 4 6 5h m 2 、4 8 。 沙地面积先降后升，由1 9 8 7 年的9 3 2 5 k m 2 下降到1 9 9 9 年的9 1 4 1 k m 2 , 1 9 9 9 2 0 0 6 年又增加到1 1 4 8 3 k m 2 。除了解译过程中存在的沙地和盐碱地的错分，也反映出部分半 固定沙地活化，以及部分耕地撂荒的后果。 未利用土地中，戈壁和盐碱地的面积变化不大，沼泽地面积从1 9 8 7 年的3 4 7 5 0h f f 下降到1 9 9 9 年的2 9 8 0 2 、再降低到2 0 0 6 年的2 1 5 6 8h m 2 。 2 流域生态功能分区根据石羊河流域的自然地理特征、水资源利用状况及生态 系统服务功能，把全流域划分为祁连山水源涵养功能区、走廊盆地绿洲功能区、北部 荒漠与绿洲交互功能区和荒漠区等四个一级生态功能区，各功能区的土地利用变化表 现出不同的特点。石羊河流域作为一个有机整体，其上下游间相互联系、相互影响， 上游祁连山区是流域水资源的汇流区，中下游绿洲是流域社会经济发展的核心地区， 绿洲与荒漠过渡带是抵御风沙、防止沙漠化的生态屏障。 3 土地利用变化驱动力石羊河流域受到人类活动的强烈影响，人口增长、生活 水平提高导致的生产生活需求增加是耕地扩张的原始动力。以种植业为主的产业结构 导致生产的“外延式”发展，农业技术进步和市场价格变化加速或者减缓耕地的扩张 速度，政策因素对耕地盲目增长起着诱导作用。 关键词：土地利用，覆被变化，可持续发展，石羊河流域，生态重建，遥感，g i s a b s t r a c t l a n du s ea n dl a n dc o v e rc h a n g e s 皿u c c ) r e s e a r c hh a sb e e nt h ef o c u so fg l o b a l c h a n g er e s e a r c ha n dh a sb e e np a i dg r e a ta t t e n t i o nb ys c i e n t i s t sa l lo v e rt h ew o r l d i t s t h eb a s i cm e t h o dt oe x p l o i tl a n du s ec h a n g e s t h e i rd r i v i n gf o r c e sa n de n v i r o n m e n t a l e f f e c t si nr e g i o n a ls c a l eb yr sa n dg i st e c h n i q n e s s h i y a n gr i v e rw a t e r s h e di o c a t e si n t h ee a s to fh e x ic o r r i d o r , g a n s u ，n o r t h w e s tc h i n a d u et on n i q b ep h y s i o g r a p h i c c o n d i t i o n sa n dp r o f o u n de f f e c t so fh u m a na c t i v 硒e s s h i y a n gr i v e rw h t e r s h e dh a sb e e n f a c i n gt h es e r i o u se c o s y s t e m sd e g r a d a t i o na n de c o l o g i c a lc r i s i s ，a n db e i n gt h et y p i c a i e c o l o g i c a ld e g r a d a t i o n 绷o fi n l a n dw a t e r s h e di nt h en o r t h w e s tc h i n a i nt h i st h e s i s ， m u i t i s o u r c e sr e m o t es e n s i n gd a t a 。d i g i t a li m a g e sp r o c e s s i n ga n dg i st e c h n i q u e sw e r e c o m b i n e dt o g e t h e rt os t u d yt h el a n du s e l a n dc o v e rc h a n g e s 。a n de c o - f u n c t i o nz o n e si n s h i y a n gr i v e rw a t e r s h e dw e r ei d e n t i f i e d l a n du s ew a sc l a s s i f i e d 嬲s i xf i r s to r d e r sa n d t w e n t y - t w os e c o n d a r yt y p c sb yt h em e a n so fs u p e r v i s e dc l a s s 墒c a t i o na n dv i s u a l i n t e r p r e tw i t hl a n d s a tt m e t 盯a n dc b e r si m a g e s i a n du s ea n dl a n dc o v e r c h a n g e sf e a t u r c si nl a s t2 0y e a r sw a sa n a l y s e di nt h ew a t e r s h e da n de c o f u n c t i o n a l z o n e ss c a l e t h er e s u i tw m p r o v i d es c i e n t i f i cr e f e r e n c e sf o rw a t e rr e s o u r c e sr a t i o n a i n t i l i z a t i o na n de c o - e n v i r o n m a n tr e c o v e r yi ns h i y a n gr i v e rw a t e r s h e d ，a n dw o u l d s u p p l yl a n du s e l a n dc o v e rc h a n g er e s e a r c ha tr e g i o n a ls e a l ea sa c a s e t h ec o n t e n t sa n d c o n c l u s i o n so ft h i ss t u d yw e r ea sf o l i o w s ： 1 l a n du s ea n dl a n dc o v e rc h a n g e si ns h i y a n gw a t e r s h e d t h el a n d u s e l a n d c o v e rw a sd i v i d e di n t o6f i r s to r d e r sa n d2 2s e c o n d a r yt v p e sa c c o r d i n gt oc a sl a n d r e s o u r c e sc l a s s i f i c a t i o nf r a m e w o r kp r o p o s e di n1 9 9 5 b a s e do nl a n d s a tt mi m a g e si n 1 9 8 7 e t ri n1 9 9 9a n dc b e r sc c d2 0 0 6 t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ek e yr e g i o no f l a n du s ec h a n g ef o c n s e do nt r a a s i t i o nz o n eb e t w e e nt h eo a s i sa n dd e s e r t s t h ei r r i g a t e d c r o p l a n d si n c r e a s e d6 i nt h ep a s t2 0y e a r s , i nt h em e a nw h i l e , r a i n f e dc r o p l a n d s d e c r e a s e df r o m1 9 9 9t o2 1 0 6 t h ec u l t i v a t i o no c c u r r e di no u t s i d eo fo a s i sa n dr e g i o n s w i t hh i g hg r o u n d w a t e rt a h i e s t h et o t a lf a r m l a n di ns h i y a n gr i v e rw a t e r s h e dw a s 6 9 5 5 x 1 0 。h m l i n c r e a s e d6 f o r e s tl a n dk e p ts t e a d yf r o m1 9 8 7t o1 9 9 9 。a n dd e c r e a s e dr e c e n t l y t h es p a r s e f o r e s tl a n dd e c r e a s e d1 2 a n ds h r u b sd e c r e a s e d1 6 m a i n l yo c c u r r e di nm i n q i no a s i s g r a s s l a n dq u a l i t yd e c r e a s e d i n d i c a t i n gb yd e n s eg r a s s l a n dd e c r e a s e d2 4 f r o m1 9 9 9 t o2 0 0 6 w h i l em i d d l ea n di o wc o v e r a g eg r a s s l a n dk e p ts t e a d yo ri n c r e a s e dal i t t l e t h ea r e a so fw a t e r b o d yc h a n g es l o w l y , b u tg l a c i e r sw i t h d r a ww a sf o u n d c o m p a r i n gt oc h i n e s eg l a c i e rl n v e n t o r y ，t h eg l a c i e ra r e aw a s4 8 k i n 2 d e c r e a s e d 2 5 t h et o w na n dv i l l a g eo c c u p y i n gl a n di n c r e a s e dg r e a t l 弘f r o m1 5 t o4 8 r e s p e c t i v e l y t h ed e s e r td e c r e a s e df r o m1 9 8 7t o1 9 9 9 t h e ni n c r e a s e df r o m1 9 9 9t o2 0 0 6 , i n d i c a t i n gd e s e r t i f i c a t i o nt r e n d 。a l t h o u g ht h ee r r o re x i s t si ni m a g e sp r o c e s s i n ga n d i n t e r p r e t a t i o n s t h es w a r n la r e ad e c r e a s e ds t e a d i l yf r o m1 9 8 7t o2 0 0 6 i n d i c a t i n g c l i m a t ew a r m i n ga n dd r y i n gt r e n d si nt h ea r e a 2 e c o - f u n c t i o nz o n e si nt h eb a s i n b a s e do nt h et o p o g r a p h i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h ee c o i o 叠i e a if u n c t i o n st h a ts h o u l db eu n t a k e ni ns h i y a n gr i v e rw a t e r s h e d ，t h e w a t e r s h e dw a sd i v i d e di n t o rf o u re c o - f u n c t i o n a lz o n e s i n c l u d i n gw a t e rc o n s e r v a t o n f o r e s tz o n e so fq i l i a nm o u n t a i n s 。o a s i sz o n e so fc o r r i d o r - b a s i n 。t r a n s i t i o n a lz o n e so f d e s e r ta n do a s i s 。a n dd e s e r tz o n e t h ew a t e rc o n s e r v a t i o nf e l r e s tz o n eo fq i l i a n m o u n t a i n sw a ss u b d i v i d e di n t og l a c i e r - s n o ww i t hl o wv e g e t a t i o nc o v e rz o n e a l p i n e m e a d o w , s h r u ba n dw a t e rc o n s e r v a t i o nf o r e s tz o n ea n dm o u n t a i ng r a s s l a n da n d h u n g r i n e s s - p l a i nz o n e ：o a s i sz o n eo fc o r r i d o r - b a s i nw a ss u b d i v i d e di n t oo a s i sc i t yz o n e a n do a s i sa g r i c u l t u r ez o n e ；t r a n s i t i o n a lz o n eb e t w e e no a s i sa n dd e s e r tw a ss u b d i v i d e d i n t om i n q i n0 a s i sz o n e ，c h a n g n i n go a s i sz o n e ，a n dj i n c h u a na n dh e x ip uo a s i sz o n e ； d e s e r tz o n ew a ss u b d i v i d e di n t od e s e r tz o n ea n dd e s e r t - h u n g r i n e s sz o n e a sa l l i n t e g r a t e ds y s t e m , t h eu p s t r e a m sa n dd o w n r i v e r so fs h i y a n gr i v e rd e p e n d so ne a c h o t h e r - t h eu p s t r e a m si st h en a t u r a lr e s e r v o i r so fw a t e rr e s o u r c e t h ed o w n r i v e ri s e c o l 0 2 i e a lb a r r i e r st ow i t h s t a n db l o ws a n da n dp r e v e n tl a n df r o md e s e r t i f i c a t i o n 。a n d o a s i si nt h em i d d l el o wr e a c hi st h ek e ya r e at os u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fw h o l e w a t e r s h e d 3 t h ed r i v i n gf o r c e so fl a n du s ec h a n g e si nt h er i v e r i n c r e a s i n gp o p u l a t i o n w h i c hs t i m u l a t et h ei n c r e a s eo fp r o d u c t i o na n dd e m a n do fl i v e l i h o o d ，w a st h eo r i g i n a l d r i v i n gf o r c eo fi r r i g a t e dl a n de x p a n d i n g t h es h i y a n gr i v e rw a t e r s h e dh a sb e e n d o m i n a t e db ys t r o n gh u m a na c t i v i t i e s ，t h e a g r i c u l t u r a l , e s p e c i a l l yp l a n t a t i o n d o m i n a t e di n d u s t r i a l s t r u c t u r ed e t e r m i n e d e x t e n s i o n t y p ed e v e l o p m e n tm o d e i m p r o v e m e n to fa g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o nt e c h n i q u e su c c e l c r a t e dt h ee x p a n s i o no f i r r i g a t e dl a n d p o l i t i c a la n di n s t i t u t i o n a lf a c t o r sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nl a n du s e a n dl a n dc o v e rc h a n g e si nt h er i v e r k e yw o r d s ：l a n dn s e l a n dc h a n g e ；s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ；s h i y a n gr i v e rw a t e r s h e d ； e c o l o g i c a lr e c o n s t r u c t i o n ；r e m o t es e n s i n g ；g i s 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，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。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：一呈益必一日 期： 冱：五： 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、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；本人授权兰州大学可以将本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 人离校后发表、使用学位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兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：主塾幽导师签名：堕日期：冱立：亟【 第一章绪论 1 1 土地利用，土地覆被变化研究的现状与趋势 土地是人类社会赖以生存和发展的基础，是地球表面的陆地及其江河、湖泊等陆 地水面，是由地球表面上自对流层下部，下至岩石圈上部( 地球风化壳) 的岩石、土 壤、水分、空气和生物等构成的自然历史综合体，它还包括这一地域内过去和目前人 类活动与生物活动的种种结果。人类发展的历史就是不断对土地加以开发利用和对土 地覆被进行改造的历史。因此，土地具有自然的和人文的双重属性。首先，土地是地 球陆地生态系统的重要组成部分，土地利用与土地覆被的变化不仅影响到陆地生态系 统的过程与功能，还对大气系统和海洋生态系统等地球表层系统具有重要影响。生物 圈的存在与演化，与地球上包括人类在内的生命休戚相关，是地球的生命支持系统。 另一方面，土地具有强烈的人文属性。土地是人类最基本的生产资料，是一种具有诸 多用途的有限资源，人类有史以来的几乎全部经济活动都是在土地上进行的。土地利 用是人类对土地的改造和利用，综合地反映了人地关系。正因为人类与土地之间的密 切关系，对土地利用，土地覆被的关注与研究贯穿于人类发展的整个历史过程之中。 人类活动对地球环境的影响越来越强烈，特别是2 0 世纪以来，人类活动引发了以 全球气候变暖为重要特征的全球变化。2 0 世纪中期以来，地球气温明显偏高，并且变 暖趋势有加速的迹象。如1 9 9 0 、1 9 9 5 、1 9 9 7 、1 9 9 8 和2 0 0 1 等年份，全球的地表平均 气温连连出现高值，多次刷新了1 8 6 0 年有连续的气象观测记录以来最高记录，使2 0 世纪9 0 年代成为自公元1 0 世纪以来最暖的1 0 年( h u l m e l 9 9 9 ，i g b p 2 0 0 1 ) ，而且增 温速率也是近万年以来所没有的。同时，由于人类活动加剧而引起的人口激增、资源 和能源问题、环境污染、生物多样性丧失、土地荒漠化等现象，都表明地球正在经历 着程度剧烈的全球变化( i p c c4 ，2 0 0 r 7 ) 。 2 0 世纪中期以来，全球性人口、资源与环境问题的出现已经影响到人类社会的可 持续发展。我们的世界所面临的非常严峻的环境问题：水资源短缺、生态系统退化、 土壤侵蚀加剧、生物多样性丧失、大气化学成分改变、渔业衰退以及气候变化的巨大 可能性等，本质是人与自然关系的变化。这些变化过程以人类现有知识难以理解的方 式与地球环境交互作用，使得很多变化也出乎我们的意料和想象，也经常不可能预测。 1 9 9 2 年在巴西里约热内卢召开的联合国关于环境和发展的“地球峰会”( e a r t hs u m m i t ) 兰州大学博士论文：石羊河流域十地利用士地覆被变化及其环境效应 之后，全球对人口、资源、环境和可持续发展之间关系的认识有了很大提高，气候变 化公约、保护生物多样性国际公约、防治荒漠化国际公约等一系列针对人类活 动对全球环境影响的国际公约相继由各缔约国签署生效，特别是1 9 9 7 年京都议定书 的制定与签署更进一步规范了人类活动( 特别是土地利用) 对我们生存环境影响的行 为。怎样平衡地球上基本资源与为满足人口增长而需要的不断开发、消耗资源之间的 关系，以避免对我们后代的生存所需的资源构成威胁，已成为国际社会共同关心的主 题。 土地利用变化正加速改变着全球土地覆被状况。根据联合国粮农组织( f a o ) 1 9 9 5 年测算，1 9 8 1 一1 9 9 0 年间，全球森林覆被面积平均每年减少15 5 0 x1 0 4 h m 2 ，年平均变 化率达到o 8 。全球耕地面积在过去3 0 0 年中增长了约12 0 0 xl o m 2 ，目前已达到( 1 4 0 0 一15 0 0 ) x 1 0 4 h m 2 。土地覆被状况的改变不仅影响到陆地生态系统的碳循环，进一 步影响全球气候变化，同时还影响到土壤、植被、水资源以及生物多样性等自然生产 力因素，从而影响社会经济的可持续发展。 随着全球变化研究的深入，科学家逐步认识到人类对土地的利用所引起的土地覆 被的变化也是全球环境变化的主要原因和重要组成部分。过去1 5 0 年来，土地覆被变 化所引起的向大气层排放的c 0 2 量与工业发展过程中化石燃料使用的结果相当；同时， 全球环境变化又反馈作用于土地覆被和土地利用。例如，全球变暖将导致某些地区土 地利用方式、耕作制度的改变和土地荒漠化。因此，土地利用土地覆被研究受到广泛 深入的关注，成为国际性的重点研究课题。由于土地利用土地覆被变化受到人为和自 然驱动力的支配，必须揭示土地利用土地覆被变化和自然与社会驱动力的关系。 1 1 1 土地利用，土地覆被变化研究历史 土地利用( 1 a n du s e ) 是指人类有目的地开发利用土地资源的一切活动，如农业用 地、林业用地、工业用地、交通用地、居住用地、休闲娱乐用地等都是不同的土地利 用类型；而土地覆被( 1 a n dc o v e r ) 一般指地球表面当前所具有的自然形成或者人为引 起的覆被状况，包括地表植被、土壤、冰川、湖泊、沼泽湿地及道路等，例如与前述 各种用地相关的地表现状包括各类作物、森林、草地、房屋、水泥及沥青路面等则属 于不同的土地覆被。 土地利用与土地覆被有着密切的关系，前者是发生在地球表面的过程，后者则是 第一章绪论 各种地表过程( 包括土地利用) 的产物( d a l e ，1 9 9 7 ) 。从全球、国家到区域的多尺度 上，土地利用变化不断地导致土地覆被加速变化，而土地覆被的变化又会反过来影响 土地利用方式、空间格局及其时间变化。土地利用与覆被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并且变化原因复杂多样。由于土地覆被和土地 利用与人类的生活生产休戚相关，长期以来土地覆被及利用的研究成为地球表层科学 研究领域中的一个重要分支。人们越来越认识到由于与气候、生态过程、生物化学循 环、生物多样性以及更为重要的是与人类活动的密切相互作用，土地利用与土地覆被 变化是目前全球变化的主要原因( t u r n e rc t a l 1 9 9 3 ，1 9 9 4 ，m e y e r , 1 9 9 4 ，d a l e1 9 9 7 j o n a t h a na f o l e y , 2 0 0 5 ) 。 由于人类活动离不开土地，人类对土地覆被与土地利用及其规律的观察、认识与 研究很早就产生并伴随着人类发展的历史。原始人类根据其本能对周围生存环境中土 地覆被的功用有所认识，哪里可以作为食物的来源，哪些地方可作为栖息之地，哪些 地方可以作为水源地，等等，但这些认识都是属于单个个体的，是零散的、非系统性 的、特殊性的经验知识，而且有很多错误，有关土地覆被的现象和规律都只能归结于 神秘力量的支配，人类还完全是自然的奴隶( 唐华俊，2 0 0 4 ) 。 随着社会的发展和文明的进步，人类学会利用工具，狩猎与采集的水平提高，开 始驯养动物、驯化植物。原始人类开始注意到了不同的土地覆被会对可用作食物的植 物和动物的分布和数量多少产生影响，在刀耕火种的时代，人们也观察到热带亚热带 森林会随着利用时间的增长而产量下降，而在弃耕一段时间之后，该地的植被与土地 覆被又可以恢复到近似原来的状态( d u f o u r1 9 9 0 ，f a m i n o w1 9 9 8 ) 。但是，那时的科学 还很落后，人们还根本未认识到人类活动与土地利用土地覆被变化之间的关系，也没 有认识到土地覆被空间分布以及时间变化的规律性。 进入农业社会以后，生产力和科学技术都有了很大程度的发展，人类也基本定居 下来，与自然环境的关系更为密切。人类在改造土地覆被进行土地利用时，深化对土 地利用土地覆被现象以及人地关系的认识，从大量的生产实践活动中总结、形成很多 朴素而又非常合理的土地利用方式。由于农业社会以前的历史时期人类人口的数量很 少，人类活动与自然的矛盾还不尖锐，其影响范围也很小。即使局部地区出现了严重 的环境问题，如土地退化、荒漠化等，当时的人类也很容易通过迁移，让退化的土地 兰州大学博士论文：石羊河流域t 地利用土地覆被变化及其环境效应 靠自然力恢复到原生或近似原生的土地覆被状态。 人类进入工业化社会后，改造自然的力量大大加强，人类活动与自然环境之间的 矛盾也日益突出。由于医疗水平提高，婴儿死亡率大大降低，人口寿命增加，世界人 口急剧增长，这是工业革命以来、特别是过去一个世纪以来，全球人类活动增强的最 根本原因。近期的全球变化研究表明人类活动已经成为改变当前地球表层环境主要的 地质营力，人类在工业社会发明了大量的自然生态系统中原本不存在的人工合成的化 学品，有些在自然生态系统中极难降解，有些具有很强毒性，对土壤、地下水、地表 水、大气环境造成严重污染。同时，工业生产消耗大量石油、天然气、煤等化石燃料， 既造成环境污染和大气温室效应加强，也形成能源危机，影响到人类的可持续发展。 随着人类活动对地球表层影响的深入，人类对地球表层的认识也随科学的发展不 断深化。2 0 世纪中期以来以系统论、控制论、信息论为代表的现代科学革命加强了人 类对复杂系统的认识能力。同时，对土地利用土地覆被的研究与认识也从局地的个例、 简单要素的研究深化为对土地系统和地球表层系统的研究，开展了一些全球性的科学 研究计划，如人与生物圈计划( m a p ) 、国际生物圈计划( m p ) 、国际地圈一生物圈计 划( i g b p ) 、世界气候研究计划( w c r p ) 、全球变化的人类影响计划( d p ) 等。土 地利用与土地覆被变化因其与人类活动的密切关系，在这些研究计划中突显出来，成 为全球环境变化和可持续发展研究的一个热点。i g b p 和i h d p 于1 9 9 5 年联合提出的 “土地利用土地覆被变化”( l a n d u s e i a n d c o v e r c h a n g e ，l u c c ) 研究已经取得丰硕 的成果，并于2 0 0 5 年扩展成为“全球土地计划”( g l o b a l l a n d p r o j e c t ) ，成为全球变化 研究的前沿和热点，是全球变化研究者的兴趣中心所在。 土地利用土地覆被研究与测绘及遥感技术的发展密不可分。早在1 9 2 2 年，l e e 的 文章从空中看到的地球表面表述了遥感手段在研究自然景观与人类活动关系的可 行性和重要性，第二次世界大战后出现系统的利用航空照片进行区域土地调查与制图。 2 0 世纪5 0 年代后，人们开始探讨利用遥感资料进行大范围土地覆被和土地利用制图的 可行性，包括适于遥感数据特点的土地分类系统及分类方法问题。2 0 世纪7 0 年代卫星 遥感技术大范围应用于土地资源调查，随着多种对地观测卫星的出现以及计算机技术 的迅猛发展，已能够进行较大区域内的土地利用调查与制图。进入9 0 年代以后卫星遥 感在全球和区域尺度土地利用土地覆被研究与应用方面取得了突破性进展。为适应全 4 第一章绪论 球气候变化以及资源、环境、人1 ：3 、发展等研究的迫切需要，人类第一次利用卫星数 据研制开发了全球具有统一分类方法、统一数据处理规范、统计精度评价结果的全球l k i n 空间分辨率土地覆被数据库( 杨立民和朱智良，1 9 9 9 ) ，促进了大区域尺度乃至全 球尺度的土地利用与土地覆被研究。 基于遥感数据解译编制的土地覆被图虽可以满足某些应用目的，但其信息量有限 且很少涉及土地覆被与其他自然景观要素的联系。土地覆被和土地利用分类系统也因 地因时因人而异，因此很难相互进行比较和转换。对以上的概念和问题在9 0 年代进行 了有益的探讨，首先人们对土地覆被及其特征的含义有了新的理解和定义。土地覆被 不再仅仅被看作单一的土地和植被类型，而是以土地类型及其所具有的一系列自然属 性和特征的综合体。包括土地类型和植被类型，植被冠层的密度、植被生长季节的动 态特征，生长季累积生物量，地表覆被的生物物理特征量，如地表波谱反射率、粗糙 度、植被叶面积指数、叶面及冠层的阻抗系数、有效光合作用辐射等。此外，该综合 体还包括与土地覆被类型密切相关的生态环境要素，如植被所处的生态区域，地形与 气候条件，土壤的理化性质以及土地利用状况等。这种具多维空间信息的以土地覆被 类型为核心的综合体概念不仅可以从理论上更加准确、完整地刻划地表覆被和利用的 特征，而且在实际应用方面也有十分重要的意义。另一值得注意的是，对传统的土地 覆被分类系统的改进。利用遥感数据进行土地分类大多采用自上而下的等级分类系统。 即在分类前预先划定若干等级的土地覆被类型和亚类型，然后将影像象元划入某一类 型。这种预先制定的分类系统往往是针对某种应用需要而制定的，因此很难将其用做 转换以适应不同应用目的的要求。针对这一局限性，l o v e l a n d 等提出了所谓“灵活的 土地覆被数据库”的概念。利用卫星在生长季内获得的多时相数据，依据地表覆被的 动态过程，将图像象元划分为不同的土地覆被单元一辱；节性土地覆被单元。每个单元内 部的象元具有相似的物候生长期，类似的地上累积生物量以及相似的植被种类组合和 生态环境。季节性土地覆被单元构成灵活土地覆被数据库的基本成分，辅之以一系列 有关光合作用潜力、地形、生态区、气候等属性特征，成为分类系统中最底部的一层。 根据土地覆被单元的类型和一系列属性特征，用户可以根据应用需要将季节性单元调 整和归并至所需土地覆被土地利用系统中。这一新的土地覆被分类策略在美国及全球l k i n 土地覆被数据库的研制中得以应用并取得了成功。 5 兰州大学博士论文：石羊河流域土地利用土地覆被变化及其环境效应 从土地覆被遥感分类方法看，利用数据统计理论结合人工解译仍为大尺度遥感分 类的主导方法。这种方法具有算法成熟、充分利用人机交互和影响等特点，但用时长， 对参与解译分析的人员依赖性强，很大程度上不具备可重复性等。这些局限性影响了 迅速、准确、客观地获取大面积土地覆被信息。近年来出现了不少研究讨论土地遥感 分类的新方法。主要代表包括人工智能神经元网络分类、分类树方法、多元数据的专 家系统和计算机识别法。其中分类树及神经元网络方法目前正应用于e o s m o d i s 土 地覆被数据库的开发试验，并取得了一些经验。而专家系统与计算机识别在全球和大 区域土地覆被遥感应用的领域中还未见到报道。 遥感应用于土地利用研究的优势在于可以同时对地表某一区域的全貌进行观测， 或对同一地区进行多次重复观测。遥感既可以对快速变化的系统，如陆地海洋大气能 量交换、洋流、大气臭氧等进行观测和监测，对土地利用等变化较慢的系统也能工作。 不同尺度的土地利用变化将影响陆地和海洋生态系统的碳与氮的循环，进而在长 期尺度上对全球碳与氮的循环产生影响。l u c c 对生物地球化学循环的影响是非常复 杂的生态学、化学与地貌学的问题。其中，如何把局域小尺度上的观测外推到区域或 全球尺度的模型中是个关键。社会经济因素对土地利用土地覆被变化的驱动也是重要 但常被忽视的问题。 1 1 2 土地利用，土地覆被变化研究的主要目标 随着全球变化研究的深入进行，科学家们越来越感到人类活动对环境变化的影响， 尤其人类的生存与发展对土地的开发利用以及引起的土地覆被变化被认为是全球环境 变化的重要组成部分。国际地圈一生物圈计划( i g b p ) 和全球环境变化中的人文领域计划 ( m d p ) 于1 9 9 5 年联合提出“土地利用和土地覆被变化”研究计划，使土地利用变化研 究成为日前全球变化研究的前沿和热点课题( t u r n e r1 1e ta 1 1 9 9 3 ，t u r n e ri te ta 1 1 9 9 4 ， m e y e r t u r n e ri 1 9 9 4 ，t u r n e rl je ta 1 1 9 9 5 ，l a m b i nc ta 1 1 9 9 9 ) 。国际地理联合会 ( i g u ) 也于1 9 9 6 年成立了土地利用与覆被变化研究组( i g u l u c c ) ，以组织、开 展并协调土地利用土地覆被变化的相关研究工作。联合国环境规划署( u n e p ) 1 9 9 4 年启动了“土地覆被评价和模拟”( l c a m ) 项目，采用美国宇航局高分辨率雷达影像 调查东南亚地区土地覆被的现状与变化，为区域可持续发展服务( u n e p e a p a p1 9 9 5 ) 。 f a o 等多个联合国机构和其他国际机构从1 9 9 4 年开始，启动了非洲土地覆被( a f r l 6 第一章绪论 c o v e r ) 研究计划，支持以遥感方法建立非洲大陆1 ：2 5 万一1 ：2 0 万土地覆被图的大型 研究计划。欧盟第4 研究框架计划从1 9 9 4 年开始支持了欧洲土地利用综合预模型项目 ( i m p e l 。i n t e g r a t e dm o d e lt op r e d i c te u r o p e a nl a n du s e ) ，整合现有的土壤水文、作物 生长、农场管理、土壤侵蚀等生物学和社会经济模型，对欧洲农业区和典型区域的土 地利用变化及其环境影响进行研究，该研究计划同时也支持了欧洲土地利用与土地覆 被变化监测( p e l c 0 m ) 项目，以遥感技术手段监测欧洲土地利用与覆被变化。美国 宇航局支持了多个土地利用与覆被变化的研究项目，如全球l k m 土地覆被图、墨西哥 尤卡坦半岛土地利用与土地覆被变化、南美亚马逊流域大尺度生物圈一大气圈试验计划 ( l b a ，l a r g e s c a l eb i o s p h e r e a t m o s p h e r ee x p e r i m e n ti n a m a z o n i a ) 等。同时，世界其 他国家的很多研究机构也纷纷开始了国家和区域尺度上的土地利用与土地覆被变化的 研究项目。如奥地利的国际应用系统研究所( a s a ) 于1 9 9 5 年启动“欧洲和北亚土 地利用覆被变化模拟”项目，通过分析区域土地利用覆被变化的空间特征、时间动态 和环境效应，预测未来5 0 年的变化趋势。日本国立环境所全球环境研究中心提出“为 全球环境保护的土地利用研究”项目，采用地方性案例分析、遥感与地理信息系统监 测和空间模型分析方法，研究土地利用覆被变化的空间、时间变化以及驱动因子 ( o t s u b o ，1 9 9 4 ) 。由w a g e n i n g e n 大学的v e l d k a m p ，d