土地利用和土地覆盖变化研究模型综述-

1、土地利用和土地覆盖变化研究模型综述摆万奇赵士洞(中国科学院国家计划委员会自然资源综合考察委员会北京100101提要本文综述了全球变化研究中土地利用和土地覆盖变化(LUCC的主要模型,重点介绍了植被模型和引入社会驱动力的LU CC 模型,并归纳出LUCC 模型的以下发展趋势:¹新一代的LU CC 模型应该能够模拟LU CC 的主要社会经济和自然驱动力,包括从LUCC 到驱动力和全球变化的主要反馈关系;º具有明确的空间关系,能够以适当的空间分辨率,比较好地预测长期的(50100a土地利用和覆盖变化及有关的生物物理参数,如植被特征、资源的积聚和退化等;»能够更好地认识L

2、U CC 与其主要驱动力之间的关系在局地、区域和全球尺度上的动态和后果;充分考虑土地利用和覆盖变化对政策、技术进步、人口增长、经济发展、市场变化等社会变量的灵敏性,此外,还应注意意识、信仰等文化因素的影响;¼发展新的LUCC 建模方法,使LUCC 模型能够与其它类型的全球变化模型,特别是气候模型建立联系。关键词土地利用土地覆盖全球变化LU CC 模型随着全球变化研究的深入,人们认识到土地利用和土地覆盖变化(Land Use /Cover Chan g e,简称LU CC是造成全球变化的重要原因。因此,LU CC 正在成为地球系统新的研究重点。LU CC 模型是深入了解土地利用和覆盖变

3、化复杂性的重要手段,其作用和目的可以概括为:对土地利用和覆盖变化情况进行描述、解释、预测和制定对策。描述是指对土地利用和覆盖变化历史及现状的反映与评价;解释是阐明土地利用和覆盖格局与其社会和自然驱动力之间的因果联系;预测是根据土地利用和覆盖的变化规律及对自然和社会条件所作的假设,推断未来的土地利用和覆盖状况;制定对策则是根据一定的标准和诸如环境保护、经济效率和社会公平等社会目标,进行土地利用规划及制订政策。长期以来,在许多研究领域中,人们从不同的目的出发,构造了大量的土地利用和土地覆盖模型,其中一些模型通过改进可以用来进行全球变化研究。本文从众多的LUCC 或与LU CC 有关的模型中选出部分

4、影响较大的模型,对其基本情况进行综述。最后,对LU CC 模型的发展趋势作了展望。1植被模型植被是陆地生态系统的重要组成部分,其变化动态对地球表面与大气之间的能量转换及重要物质的生物地球化学循环具有决定性的作用,这使得植被模型成为研究最多的一类土地覆盖模型。传统的植被模型并不反映实际的植被分布状况,因为它是根据抽象出来的/顶极0或/潜在的0植物群落构造的。所谓/顶极0群落是指未受任何人类活动干扰,完全在自然条件下演替形成的陆地植物群落。由于这种群落类型在现实中很少存在,因此,据此构造的植被模型及收稿日期:1996-10-24;收到修改稿日期:1996-12-09。自然资源学报JOURNAL O

5、F NAT URAL RE SOU RCES第12卷第2期1997年4月170自然资源学报12卷其应用受到了很大限制。在模型的构造方法上,早期大尺度的自然植被模型多是应用气候相关法。即根据温度、降水等气候因子与植被的相关性推算植被分布,如H oldr id g e生命区分类系统22。这种气候相关法所提供的植被图实际上只是一种气候衍生图。由于未考虑土壤、地形和人类干扰等非气候因子,因而准确性不是很高,特别是在中小尺度上。在随后的植被建模方法中,物种统计法和生长模型法逐渐取代了气候相关法。这类方法对植被变化的生物学动态加以模拟,同时考虑了土壤、地形等非生物因子。如Solomon和West24应用这

6、类方法模拟了美国东部森林树种的养分、水分、竞争和出生与死亡情况,并预测了森林对气候变暖的反应。在类似的工作中,Shu g art和West21采用的是GAP模型。GAP模型是当前研究应用较多的一类生长模型,它将每个植物个体当作独特的实体加以模拟,考察其在正常情况或受干扰情况下整个生命周期的动态过程,所有个体组合在一起就可以得到整个群落的结果。自从美国生态学家Botkin(1972最先提出GAP模型以来,至今在全球范围内已经出现38个应用模型(表1。目前,GAP模型在生态学、林学、古生态学及气候变化等研究中得到了较为广泛的应用。2引入社会驱动力的LU CC模型随着人类活动对土地利用和覆盖变化的主

7、导作用日益突出,LU CC模型应该更多地考虑社会人文因素。早在1798年,马尔萨斯建立的人口增长与土地生产力的关系模型就属于这类研究,本世纪70年代初,罗马俱乐部推出的世界模型8、14标志着这方面研究的重新活跃。许多传统的土地利用模型是以Richardo和Von T hunen的地租理论12为基础的,研究对象主要是城市土地。这类模型的出发点是以获得最大的经济回报作为土地利用的最高目标。从理论上讲,任何一块土地,相对于其自然状况和位置,总有一种利用方式具有最大的经济收益。一个土地经营者可以通过投入产出分析,比较不同土地利用方式的成本与收益,然后决定土地利用。这种土地利用模型属于经典的经济模型,它

8、没有考虑土地利用对土地覆盖和环境的影响,而且对广大的农村地区也不适用,因此不能直接用于全球变化研究。有关土地利用和覆盖变化与各种动因之间关系的研究,过去多是采用相关分析法。由于相关分析反映的只是二者基本的变化趋势,并未说明其中的因果关系,因此,这种方法具有很大的局限性。为了深入了解土地利用和覆盖变化的内部机制,人们采用了其它一些理论方法,目前比较活跃的是所谓的/社会驱动力思想017,即在LU CC模型中引入社会驱动因子。将环境变化(包括土地利用变化与其多种社会驱动力联系在一起的著名例子是Ehrlich 的公式4:I=PAT该公式表明,环境变化(I是人口(P、贫富状况(A和技术(T共同作用的结果

9、。该公式所反映的只是一种高度抽象情况下的土地利用变化与社会驱动力的关系,并不能说明更多的具体问题。Riebsame等18在研究美国大平原地区农业过程中建立了1个综合土地利用模型。模型包括了人类环境中的驱动力、自然环境中的驱动力、土地利用决策过程和生态过程4部分。该模型的自然环境方面由气候、土壤、生物地球化学循环等传统因子组成,人类环境方面包括了政策、经济(如需求、输入成本和商品价格和技术等范围广泛的社会驱动力。国际应用系统分析研究所(I IASA建立的世界粮食与农业系统全球模型6是一个将农业171注:表中模型主要引自文献28,有增加。与其它经济部分之间的复杂关系以模型方式表现出来的尝试。它由以

10、福利经济学和经济学中的应用一般均衡(A pp lied General E q uilibr ium原理为基础的一系列国家模型所组成。该模型表1国际上已经发表的GAP 模型T able 1T h e GAP models pub lish ed in the world序号模型名称所应用的生态系统文献索引(作者1FORT NIT E 威斯康星阔叶混交林Aber &Melillo,19822L OKI 北美云冷杉林Bonan,19893JABOWA 美国北方阔叶林Botkin et al.,19724JABOWAI I 美国北方阔叶林Botkin ,19935FORCL IM 瑞士山地森

11、林Bugman n,19946FORANAK 阿巴拉契云冷杉林Busing &Clebsch ,19877ST EPPE 北美矮草草原Coffin &Lau en roth,19898CLIMACS美国西北地区针叶林Dale &H emstrom,19849赞比亚森林Desank er &Prentice,199310FOREN Z 新西兰森林Develice,198811FORICO 波多黎各山地雨林Do y le,198112SMAFS 加拿大东部阔叶混交林El Ba y oumi et al.198413OVAL IS 阿拉斯加栎树山核桃林Harrison

12、 &Shu g art,199014SILVA 针叶混交林Kerch er &Axelrod,198415FORECE 欧洲中部森林Kienast &Ku hn,198916FORSKA 斯堪的纳维亚森林Leemans &Pr entice,198717E XE温带与寒带森林过渡带Martin ,199218非洲西部湿润疏林草原Menaut et al.,197819FORAR 美国阿肯色松栎林Mielk e et al.,197820SJABO 爱沙尼亚森林Oja,198321SORT IE 美国北方阔叶林Pacala et al.,199322L INKAG

13、ES 温带过渡带森林Pastor &Post,198623FORFLO 美国南部冲积平原森林Pearlstine et al.,198524SWAMP 美国阿肯色冲积平原森林Phip ps,197925SUCSIM 北美黄杉林Reed,198026KOP IDE 中国东北阔叶红松林邵国凡,1989b ;Shao et al.,199427K IAMBRAM 澳大利亚亚热带雨林Sh u g art et al.,198028BOFORS 欧亚与北美寒带森林Sh u g art et al.,199229BRI ND 澳大利亚桉树林Sh u g art &Noble,198130F

14、ORET 美国阿巴拉契南落叶林Sh u g art &West,197731加拿大寒带森林与苔原过渡带Sirois et al.,199332FORENA 北美东部森林Solomon,198633FORMIS 密西西比河冲积平原森林T harp,197834OU TE NIQ UA 非洲南部温带雨林van Daalen &Shugart,198935FORCAT 美国南部栎树山核桃林Waldrop et al.,198636FORNU T 阿巴拉契阔叶林Wein stein et al.,198237CH ANGFOR 中国长白山针阔叶混交林赵士洞、延晓冬,199538N EW

15、COP 中国温带针阔叶混交林延晓冬、赵士洞,1996系统包括了人口及其在城乡间的迁移动态、社会-经济因素、资本积累和对全国供求及农业土地利用影响很大的市场条件。近来,有人把一系列作物模型11结果与IIASA 模型结合在一起,预测气候变化对世界粮食的供求、贸易等可能产生的影响7、19、20。尽管这些研究相当详细,并2期摆万奇等:土地利用和土地覆盖变化研究模型综述172自然资源学报12卷 图1IMAGE 2.0的结构图F ig.1A str uctural diagram of IMAGE 2.0且覆盖了广大地区,但它们仅强调全球变化对农业的影响,没有评价其它领域未来的土地利用和覆盖变化。而且,由

16、于该模型只是把土地作为一种生产要素,所以无法预测土地利用变化的环境影响。Adams 等1建立的空间平衡模型,就全球变化可能对美国农业的长期影响作了生物经济评价。该模型有两部分组成:一系列农场水平的微观模型和一个全国模型。模型反映了30个主要农产品的生产与消费。根据农业生产者所处的自然和经济环境对美国63个生产区的生产行为作了描述。土地利用、劳力和灌溉用水等情况由区域的供应曲线决定。森林和农业领域最优化模型(FASOM是美国林业和农业领域的一个动态性、多市场、多阶段、非线性规划模型10。该模型采用了11个供应区和1个全国需求区的情况,描述了土地在林业和农业领域中的分配情况。建立该模型的目的是评价

17、土地利用变化给生产者和消费者带来的经济影响,以及各种林业政策对市场的影响。由于只考虑1个总的消费者,该模型忽视了收入形成过程。另外,它对土地利用和土地覆盖变化的空间动态以及资源的积累或退化过程注意不够。IMAGE 2.0(Inte g rated Model to Assess the Greenhouse Effect模型是一个比较清楚地描述土地利用和土地覆盖变化的全球综合系统2,它包括了一个由农产品需求变化所驱动的土地覆盖变化模块(图113、27。IMAGE 2.0用于模拟大气中温室气体的动态变化,解释地球系统中的主要相互作用。它试图为在农业需求、植被情况、土地覆盖变化和生物圈大气圈的温室

18、气体交换等方面构造全球变化模型提供一个框架。IMAGE 2.0的总体目标是以一种地理关系明确的形式,把全球能源和农业系统中的人类活动与气候和生物圈的变化联系起来。CENT URY 15、16是一个影响较大的生态模型,通过输入降水、气温、土壤质地以及土地经2期摆万奇等:土地利用和土地覆盖变化研究模型综述173营措施等因子,可以模拟植物生产、土壤有机质动态和养分循环。它曾被用于温带农业生态系统、热带草原疏林,以及温带和热带森林系统。CENT URY的农业生态系统模型综合了气候、土壤和耕作活动,曾经为一个农业土地利用模型模拟生态过程。由于这一农业生态系统模型需要土地利用作为输入项,因此,它可以将社会

19、过程与生态过程很好地联系起来。在全国和区域尺度上,有一些森林模型考虑了土地利用和覆盖变化中的社会经济驱动力,尤其是人类定居和森林砍伐的影响3、9、25。其中一些模型包含有明确的空间关系和反馈的关系,用以模拟土地利用对可持续发展的影响。但总的说来,在许多模型中,反馈关系多是单向的,即主要考虑社会经济条件对自然状况的影响,而很少考虑自然条件的变化对社会经济的影响。3LUCC模型的发展趋势以上介绍的是一些主要的LU CC或与LU CC研究有关的模型,由于这些模型建立的出发点和所要解决的问题各不相同,因此难以满足对全球变化中土地利用和土地覆盖变化问题研究的需要。从认识LUCC在全球变化中的作用以及与全

20、球变化研究的其它方面相联系的要求出发,今后LUCC模型的发展有以下趋势:¹新一代的LU CC模型应该能够模拟LUCC的主要社会经济和自然驱动力,包括从LU CC到驱动力和全球变化的主要反馈关系;º具有明确的空间关系,能够以适当的空间分辨率,比较好地预测长期的(50100a土地利用和覆盖变化及有关的生物物理参数,如植被特征、资源的积聚和退化等;»能够更好地认识LUCC与其主要驱动力之间的关系在局地、区域和全球尺度上的动态和后果;充分考虑土地利用和覆盖变化对政策、技术进步、人口增长、经济发展、市场变化等社会变量的灵敏性,此外还应注意意识、信仰等文化因素的影响;

21、8;发展新的LU CC建模方法,使LU CC模型能够与其它类型的全球变化模型,特别是气候模型建立联系。为了提高LUCC模型的预测能力,IGBP/IHDP的LU CC研究计划提出了两条途径。一是对现有的从区域到全球尺度的农业、草地和林业模型进行评估,补充修改后用来预测短期的(23a土地利用和覆盖变化。现有的许多全球农业和植被模型考虑的多是与农作物有关的土地利用和覆盖变化,对森林和牧地考虑不够,而且通常很少把经济生产与生物物理过程联系起来。这些模型更多地强调土地利用和覆盖的扩大5,而现有的研究表明,在全球和区域水平上,除了热带地区,近几十年来,扩展性的土地覆盖变化已经减缓,将来的主要问题可能是集约

22、型的土地利用变化所带来的生物物理和生物地球化学影响。现有的农业模型可以与一些森林、畜牧和生物物理过程模型结合起来,对这种集约性趋势提供短期的预测,这样就可以增加现有模型的预测能力和范围,使它们在模型建设中发挥新的作用。其次,LU CC建模工作的长期目标是建立具有良好的理论基础和灵活性,能够把各种方法结合在一起的新的模型系列。在世界范围,土地利用和覆盖变化受市场的影响越来越大,因此,以经济理论为基础建立新模型是一个很好的思路。LU CC驱动力及其变化对土地利用和覆盖的影响在不同尺度上具有不同的表现,因此,在构造区域或全球LU CC模型中,必须仔细考虑驱动力的类型、空间特征和时间尺度等问题,建立的

23、模型应能够说明在区域、国家和全球水平上的相互作用。参考文献1Adams R M,Flemin g R A,Ch an g e C et al.A Reassessment of th e Economic Effects of Global Climate Chan g e on174 自 然 资 源 学 报 12 卷 U. S. A g ricu lture. Ore gon State U niversity , 1993 2 3 4 5 6 7 8 9 Alcamo J ed. IMAGE 2. 0: In tegrated M odeling of Glob al Climate Ch

24、 ange. Kluwer Acad em ic Publishers, Dor 2 drech t, 1994 Dale V H , Southworth F , O 'Neill R V et al. Simulating spatial p atterns of land e ch an ge in Rondon ia, Br azil. 2us Lectures on Mathematics in Life. Sciences , 1993( 23 : 29 55 Eh rlich P R, Eh rlich A H . Th e Population E xplos ion.

25、 New York : Simon & Schus ter, 1990 FAO. A gricultu re: T owar ds 2010. Con ference Docum en t C93/ 24. drech t: Kluwer Acad em ic Publishers, 1988 Fischer G, Frohberg K, Parry M L et al. Clim ate chang e and world foo d s upply, demand and trade: Who benefits, who loses? Global E nviron mental

26、Change, 1994 , 4( 1 : 7 23 Forrester J W. Wo rld Dy namics. Wr ight Allen Pres s , 1971 Gr ainger A. M odelling defores tation in the h umid trop ics . I n M Palo, G. Mery eds . Defores tation or Developm en t in the Th ird World? Vol. II I. H elsink i: Division of Social E conom ics of Fores try, M

27、 ets an tutkim slaitoksen T iedo 2 nantoja 272, 1990. 51 67 10 11 IGBP/H DP. Lan d 2Use an d Land 2Cover Change Scien ce/ Res earch Plan , IGBP Rep, 1995( 35 and H DP Re p, 1995( 7 International Bench mark Sites N etwork for A grotechnology T rans fer ( IBSNAT Proj ect. Decision Suppor t S ystem for

28、 Agrotechn ology Tr ans fer Versio n 2. 1(DSSAT V 2. 1. Departm en t of Ag ronomy and Soil Scien ce. College of T ropical Agriculture an d H uman Resou rces. Un iversity of H awaii, H onolulu, H . I. 1989 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Kim T J. In tegrated U rban Sys tem s Modellin g: T h eo

29、ry and Practice, Sprin ger2V erlag . 1986 Leem an s R, Ge Zuid em a. Evaluatin g changes in lan d cover and their im portance for global change. T ren ds in E cology, Evolution 1995( 10 : 76 81 M eadows D H , Meadows D L, Randers J et al. T he Limits to Growth: A report for th e Club of Rome 's

30、project on th e predicament o f mank ind , Lon don: Earth Is land. 1972 Parton W J, Schim el D S, Cole C V et al. Analys is of factors con trollin g s oil organic m atter levels in Great Plains 2 g rass lands in Semi arid Reg ions. Dordrech t , K luwer Academ ic Publishers, 1987 Parton W J, Scurlock

31、 J M O, O jim a D S et al. Observations and modelin g of biom ass an d so il o r ganic m atter dynamics fo r th e grasslan d biome wor ldwid e. Global Biogeochemical Cycles , 1993( 7 : 785 809 Riebs am e W E, Meyer W B, T urn er B L . M odeling land us e and cover as part of global environmental ch

32、ange. Clim atic Change, 1994a, ( 28 : 45 64 Riebsam e W E, Parton W J , Galv in K A et al. I nteg rated modeling of lan d us e an d cover change. Bios cience, 1994, 44( 5 : 350 356 Rosenzweig C. M odeling crop res ponses to environmental ch an ge. In : Solom on A M, Shugart H H eds . Vegetation Dyna

33、m ics and Global Ch an ge. Chapman and Hall, New Yor k: 1993 Ros en zweig C, H illel D. Agricultur e in a Gr eenhous e World. National Geograph ic Res earch an d Exploration , 1993, 9( 20 : 208 221 Sh ugart H H , West D C. For est Su ccesion M odels. Bioscience, 1980, ( 30 : 308 313 Shugart H H et a

34、l. Climate Ch ange and Forest E cosys tem . In: Bolin B et al ( eds . Th e Greenh ouse E ffect, Climate Change an d E cosys tems . New York : T he Wiley and Sons , 1986. 475 521 Smith T M , Shugart H H , Bo nan G B et al. Modelin g th e Poten tial Res ponse of Vegetation to Global Climate Change. Ad

35、vanc Ecol Res, 1992( 22 , 93 116 Solomon A M, Wes t D C. Simulating Forest Ecosystem Resp onses to E xpected Clim ate Change in Eastern North Am er ica. In: Shands W E, H offm an J S ( eds . T h e Green house Effect, Climate Change and U . S Forests. Th e Conservation Foundation. Was hin gto n, DC:

36、1987 , 189 217 25 South worth F, Dale V H , O 'Neill R V . Contrasting patterns of lan d 2use in Ron donia, Brazil: Simulating the ef 2 fects of carbon releas e. In tern ation al Social Science Jou rnal , 1991( 130: 681 698 Rom e: FAO, 1993 Fischer G, Frohberg K, Keyzer M A et al. Lin ked N atio

37、n al M odels: A T ool for In ter national Policy Analys is. Dor 2 2期 26 27 摆万奇等: 土地利用和土地覆盖变化研究模型综述 175 Yan Xiaodon g , Zhao Shidong. Sim ulating Res ponse of Ch an gbai Mt. Fores t to Clim ate Chang e. J our Envir Sci, 1996, 8( 3 : 365 371 Zu idema G, van den Born G J. Simulation of global land cove

38、r ch an ges as affected by economic factors an d climate. In: Alcam o J, eds . IM AGE 2. 0: I ntegr ated Modelin g of Global Clim ate Change. Dordr echt: Klu wer Academic Pu blish ers, 1994 28 29 30 邵国凡, 赵士洞, 舒噶特 . 森林动态模拟 . 北京: 中国林业出版社, 1995 赵士洞, 延晓冬 . 东北森林对气候变化响应研究的几点进展 . 生态学报, 1995, 14( B: 1 11 延晓

39、冬, 赵士洞 . 长白山森林生长演替的计算机模拟模型 . 生态学报, 1995, 14( B: 12 21 第一作者简介 摆万奇, 男, 1963 年 2 月生。1983 年毕业于河南农业大学林学系, 1988 年在北京林业大学获得硕士学位, 现为中国科学院自然资源综合考察委员会在读博士生。专业 B 森林生态学; 研究方向 B 全球变化中的土地利 用和土地覆盖变化问题。 A COM PREHENSIVE DESCRIP TION OF TH E MODELS OF LAND USE AND LAND COVER CHANGE STUDY Bai Wan qi Zhao Shidong ( Com mission f or In teg r ated Sur vey of N atu ral Resou rces, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101 Abstr act T his paper gives a comprehensive description of t he main models of land use and land cover chan ge ( LUCC in g lobal chang e st udies w