土地生态系统健康研究的主要内容及面临的问题

土地生态系统健康研究的主要内容及面临的问题 陈美球，刘桃菊*，黄 靓 江西农业大学国土学院，江西 南昌 330045 摘要：生态系统健康研究是资源环境可持续利用研究中的一个热点。在归纳土地生态系统具有尺度的宏观性、对象的地域性、 空间的开放性和动态性、问题的复杂性等特征的基础上，提出了开展土地生态系统健康研究的内容应包括土地生态系统健康的 机理、评价和管理等三个主要方面。结合我国的土地资源状况，指出我国开展土地生态系统健康研究面临着包括人口密度过大， 土地资源压力大；我国地域辽阔，气候类型多样，社会经济区域发展不均衡，全国各地土地生态系统的区域分异性很强等主要 问题。 关键词：土地生态系统健康；土地利用；土地生态系统健康评价 中图分类号：Q14；F301；N05 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2004）04-0698-04 进入 20 世纪 90 年代后，随着人类生存环境问题的日 益尖锐，生态系统健康研究也逐渐成为了国际上一个新的 研究领域，1994 年国际生态系统健康学会（ISEH）的成立， 以及 1995 年该学会正式刊物生态系统健康 （Ecosystem Health）的创刊发行，对推动生态系统健康研究产生了非 常积极的作用。 虽然早在1941 年，Aldo Leopoid 就提出了土地健康 （Land health）的概念，并使用“Land sickness”来描述土 地生态系统功能的紊乱（Dysfunction）1，但是土地生态系 统健康研究并没因此而得到长足的发展，相反，从总体水 平看，土地生态系统健康研究还处于起步阶段。在我国， 对于土地生态系统健康还比较陌生2，其研究水平与我国严 峻的土地生态系统健康形势形成了强烈的反差。加强土地 生态系统健康研究，已成为当前解决诸多土地生态环境问 题的迫切需要。 1 土地生态系统及其特点 土地生态系统是地球陆地表面上由相互作用、相互依 存的地貌、岩石、水文、植被、土壤、气候等自然要素之 间以及与人类活动之间相互作用而形成的统一整体 3。土 地生态系统不仅是指生物和环境以及生物各种群之间长期 相互作用而形成的统一整体，着眼于土地各构成要素如植 物、岩石、大气、陆地水、动物和人之间的物质迁移与能 量转换，更主要的内涵是空间区域上各土地利用类型子系 统之间的物质、能量与信息交流与转换，既包括陆地生态 系统中的自然现象，也包括人类在利用土地资源过程中形 成的各种社会经济活动，与一般的生态系统相比较，具有 一些独特的特点。 1.1 尺度的宏观性 土地生态系统是一个区域性的宏观系统，在水平层面 上，包括了具有相对独特结构和功能的农田生态系统、草 地生态系统、林地生态系统、水域生态系统、城镇工矿用 地生态系统等子系统，各子系统相互影响、相互依赖；在 垂直结构上，又是一个典型的立体结构，有地上层、地表 层和地下层之分，不同层面之间联系紧密，且难以在空间 尺度上明确划分。地上层包括气候、局部小气候因素，地 表层包括土壤、河川径流、浅层地下水、植物和微生物等 要素，地下层则含土壤层以下的岩石、深层地下水等。土 地生态系统是区域内各种土地利用生态系统类型共同作用 的综合反映，表现的是综合集成的整体特征。 1.2 对象的地域性 受地域分异规律的影响，各种土地生态系统的空间分 布存在着明显的地域性。这种地域性，不仅在大尺度、中 尺度范围内差异极为明显，在小尺度范围内也有显著区别。 即使在同一个流域范围内，不同的地形地貌、水文地质、 土壤类型以及不同的社会经济条件，其土地生态系统都表 现出很大的差别。因此，土地生态系统的研究必须坚持因 地制宜，立足于当地土地资源的自然条件和社会经济条件。 1.3 空间的开放性和动态性 土地生态系统的开放性与动态性表现在如下两方面。 （1）土地生态系统和人类之间的物质与能量交换。土地是 一个自然历史综合体，本身就凝聚着人类社会实践的成份， 在长期的演化过程中，不断受到人类的干预，人类活动不 断参与土地生态系统的物质与能量的交换，而人们对土地 的干预随着社会的发展和科技水平的提高不断变化，从而 使土地生态系统处于一个动态变化过程之中。 （2）土地生 态系统和外部系统之间的物质与能量交换。土地生态系统 内部的四大基本循环：大气循环、地质循环、水循环和生 物循环无一不与外界环境紧密联系，在与外界不断进行物 质和能量交换的同时，其自身系统状态也在不断变化发展。 1.4 问题的复杂性 土地生态系统是一个典型的复杂系统4。土地生态系 统位于岩石圈、大气圈、水圈、生物圈的复合界面，是自 然界各种物理过程、化学过程、生物过程、物质与能量的 转化与交换过程最活跃的场所，同时又是人类长期活动的 历史产物，包含文化、意识、制度、政策、科技、信息、 交通等多种社会经济因素，各种自然过程和社会经济过程 包含于土地生态系统之中。土地生态系统作为一个庞大的 系统，具有多层次结构和众多的生物种群，物质与能量的 转化与交换途径众多，使系统表现出较强的自我调节能力 和代偿功能5；而另一方面，土地生态系统的边界、结构 和功能都具有一定的不确定性，系统内生态特征变化也表 现出一定的随机性。所有这些导致了土地生态系统问题的 复杂性。 2 土地生态系统健康研究的主要内容 土地生态系统健康是一个很复杂的概念，不仅包括自 然生态系统生理方面的要素，而且还包括复杂的人类价值 及伦理的、艺术的、哲学的和经济学的观点1。一个健康 的生态系统，具有较强的自我修复能力，能够抵御外界的 干扰，维护系统状态的稳定。Rapport 提出生态系统健康是 指一个生态系统所具有的稳定性和可持续性，即在时间上 具有维持其组织结构、自我调节和对胁迫的恢复能力6。 Callow 则认为当一个生态系统的内在潜力能够保持其稳定 状态、在遇到干扰时有修复能力以及能以最少的外界支持 来维持自身管理时，这个系统就是健康的7。肖风劲等人 把生态系统健康归纳为七个特征：不受对生态系统有严 重危害的生态系统胁迫综合症；具有恢复力，能够从自 然的或人为的正常干扰中恢复过来；在没有或几乎没有 投入的情况下，具有自我维持能力；不影响相邻系统， 不会对别的系统造成压力；不受风险因素的影响；在 经济上可行；能够维持人类和其它有机群落的健康8。 土地生态系统健康具有一般生态系统的基本共性，又有自 身的一些独特的要求。根据土地生态系统的特征及其社会 实践意义，目前土地生态系统健康研究的重要内容应包括 以下几个方面。 2.1 土地生态系统健康的机理 2.1.1 土地生态系统健康与土地利用行为的关系研究 虽然火灾、地震、病虫害爆发等自然灾害能导致土地 生态系统功能的减弱甚至消失，使土地生态系统健康受损， 但人类不合理的土地利用行为是最主要、最常见的因素， 由不合理的人为活动所引起的土地健康恶化无论在范畴上 还是在程度上均比自然因子引起的恶化要严重得多。这是 因为就土地的自然状态而言，土地健康状态变化是相对稳 定的，它是气候、水文、岩石、土壤、植被、地形等六大 土地资源自然构成要素长期相互作用而形成的产物，土地 生态环境系统处于一种相对稳定的平衡态。而人类的各种 社会生产活动，打破了这种相对稳定的平衡态，使得其生 态环境状态变化频度加快，从而导致土地健康状态的不断 变化。不合理利用，包括过度开发和超强度的工程干扰， 如过度捕捞、过度放牧、过度砍伐，破坏了生态系统原有 的结构，功能减弱，导致土地生态系统健康的恶化；围湖 造田是一个典型的超强度的工程干扰，缩小了湖泊面积， 大量湿地丧失，引起了水生植物的局域灭绝，截断了湖群 之间的物质、能量和物种的交流，破坏了水生生态系统的 完整性，其负面影响可能是毁灭性的。 同样的土地利用方式，对具有不同特征的土地健康影 响是不一样的，这是因为不同特征的土地资源，其生态系 统结构与功能各不相同，系统内物质、能量及信息的交流 方向、交流途径、交流量、交流比例以及交流速率等各具 特色，对外界干预的缓冲机制、自我缓冲能力、代偿功能 特征以及缓冲机能障碍差异很大。土地生态系统健康研究， 不是简单地维持自然状况下的土地生态系统健康，而是从 发挥土地生态系统的功能出发，通过分析外界干扰对土地 生态系统结构及其功能变化的影响规律研究，来探讨人类 不同的利用方式和强度对各类土地生态系统的影响机制， 从而指导人们实现土地资源的可持续利用。 2.1.2 土地生态系统的自我缓冲能力 并不是任何人为干预都会导致土地健康的恶化，当人 的干预程度在土地自我修复能力范围之内，就不会对土地 健康产生损害，其土地利用行为可视为安全。土地生态系 统的自我缓冲能力，在生态学中称为阀度，一般认为，成 份多样、能量流动及物质循环途径复杂的土地生态系统， 较易保持稳定，系统弹性大，其自我缓冲能力就大 。但是 要确定不同结构土地生态系统的自我调节能力存在很大难 度。 通过对土地生态系统活力的测定，来间接评价土地生 态系统的自我缓冲能力，不失为一种好的研究思路。土地 生态系统的活力是系统能量、新陈代谢和初级生产力的表 现。对于系统活力的测定方法，已取得了不少的研究成果， 如 Ulanowicz 提出的生态系统的总产量（TST） ，给定一个 系统物质交换网络，在任何单位时间内，根据各个体的交 换途径，对各转移物质进行简单地相加，即：TST=Tij 9。 2.2 土地生态系统健康的评价 包括土地生态系统健康的评价依据、评价原则、评价 指标体系和评价方法研究。 土地健康的评价，不像人类健康那样可以简单地通过 脉搏、体温、精神状态等指标来进行诊断，其健康诊断指 标更加复杂，不仅包含诸如养分、物理结构、毒素、生物 活性、有机质含量、pH 值等土壤质量评价指标，还包括生 物多样性等生态评价指标及社会经济可持续发展指标。 土地生态系统和其它生态系统一样，其健康指标可以 归纳为活力、恢复力、组织结构、维持生态系统功能、对 外界投入的依赖性、对人类管理的要求、对相邻系统的危 害和对人类健康的影响等 8 个方面，可是对于任何一方面 指标的定量评价，目前都尚不成熟，虽然有不少学者对生 态系统的活力、恢复力、组织结构三方面进行了较为深入 的研究，但远远没有达到推广应用的程度。目前，国际上 对于土地生态系统健康评价研究，具有代表性的成果有两 个：“压力-状态-响应” （PSR）评价体系和土地条件变化评 价指标体系10。 由于土地健康状态是土地生态环境的综合表现，很难 直接描述土地健康的表现状态，但从理论上分析，应存在 土地不健康的表现。因此，有的学者针对直接建立土地健 康的状态表现存在较大难度，提出通过土地不健康的诊断 来间接评价土地健康状况，即不存在土地不健康现象的土 地就表明土地处于健康状态，并罗列出土地不健康的现象： 一方面是引起土地生产力的下降（水蚀、风蚀、土壤盐碱 化、土壤结构破坏、土壤酸化、肥力下降、不可分解化合 物的形成等） ；另一方面是引起生态景观稳定性的下降（疾 病增加、树木枯萎、生物多样性减少、洪涝等自然灾害更 加频繁） 。Leopoid 就曾列举了一系列的“土地疾病”现象， 以此来诊断土地生态系统的不健康，这些“土地疾病”现 象包括土壤侵蚀、养分流失、水文异常、外来种的入侵、 土著种的消失、野生物种的减少等。 2.3 土地生态系统健康的管理 2.3.1 土地生态系统健康的监控 综合运用生态学、社会学、经济学和管理学的知识， 从自然、经济、社会等方面对土地生态系统健康变化进行 监控，以尽量避免人们不合理利用而导致对土地生态系统 健康的损害，及时掌握土地生态系统健康的变化趋势，指 导人们采取必要的管理措施，以减少土地生态系统健康恶 化风险。 对土地生态系统健康的监控研究包括监控手段、监控指标 体系、预警系统等内容，其中 3S 技术（RS、GIS、GPS） 的应用是一个关键性技术，GIS 提供的是一个强大的空间 数据管理平台，RS 则能及时地提供监测信息源，而 GPS 为空间定位提供了保障。3S 技术的综合应用，将极大地提 高土地生态系统健康的分析与评价能力。 2.3.2 土地生态系统健康的维护 提高全民的土地健康意识是维护土地健康的基础。土 地健康受损后给人类带来危害，其危害程度不亚于地震、 火山爆发及洪涝等自然灾害，但是由于这种危害表现为一 种相对平静、长期的过程，并不像地震、火山爆发及洪涝 等自然灾害来得突然和猛烈，人们对土地健康的重要性还 未得到应有的认识。诸如过度开发、不合理围湖造田等行 为经常出现，追求短期的经济效益，造成一种虚幻的繁荣 和假设的安全，但实际上其后果是长远的和难以弥补的。 土地健康维持应立足于各地的自然条件和社会经济条 件，且要充分考虑满足后代需求。土地健康维持的重点是 土壤保护，但不仅是土壤保护，还包括水分管理、物种保 持等诸多方面 。土地健康维持不是土地使用者或政府部门 单方面能够承担的责任，它需要社会各界的共同参与和通 力合作。目前，土地健康的维护，其关键不在于技术，而 在于社会和经济因素。如何呼吁全社会积极参与到土地健 康的维护行动中来，澳大利亚等国通过把伦理观引入土地 利用，增强人们对土地的责任感，取得了一定的成效，并 提出土地所有者、社区、政府共同参与的土地健康维护组 织，开展土地关怀运动(Land Care Movement)，目前澳大利 亚全国已形成了 1000 个土地保护组织。土地健康的维护 与土地制度密切相关，在我国现有的土地制度下，如何维 护土地健康或针对土地健康的维护，如何完善现有的土地 制度，都是值得思考的问题。 2.3.3 土地生态系统健康的恢复对策研究 不少地区由于长期不合理的土地利用，导致一些土地 生态系统健康受损，水土流失、沙漠化、盐渍化等各种土 地退化现象大量存在，这些退化的土地生态系统已经成为 各区域经济社会发展的制约因素。针对各种退化的土地生 态系统特征，研究制定相应的恢复对策，已是推进这些区 域经济社会发展的当务之急。 不同的自然和社会经济条件下土地生态系统退化的机 制不一样，相应要采取的恢复对策也是不一样的。土地生 态系统健康的恢复对策既包括政策、制度等社会性措施， 也包括生物、工程等技术性措施，要通过研究，找出适宜 于不同退化土地生态系统类型的恢复对策。 3 我国开展生态系统健康研究面临的主要问题 我国土地沙漠化面积在以 1560 km2/a 的速度扩展， 2000 年沙漠化面积已达 33 万多 km2，水土流失面积约 367 万 km2，张雷等人对人口超过 1 亿的 10 个国家（中国、印 度、美国、印度尼西亚、俄罗斯、巴西、巴基斯坦、孟加 拉、日本和尼日利亚）进行国家资源安全比较，得出中国 的资源环境安全状态仅优于几乎已无资源可开发利用的日 本，处于倒数第二位11。土地资源是社会经济发展的基本 保障，面对如此严峻的土地生态系统健康问题，加强土地 生态系统健康研究，维持土地资源的可持续利用，已成为 保证我国社会经济的可持续发展的迫切课题。当前，我国 开展生态系统健康研究面临的主要问题包括： （1）人口密度过大，土地资源压力大。2000 年人口 密度为 131 人/km2，是世界平均水平 44 人/km2的 2.97 倍， 并且存在着 2%的年增长趋势。我国人均资源占有量少，可 耕地、水资源、能源矿产等人均拥有量分别只有世界水平 的 50%、32%、39%11。而另一方面，整个社会经济尚处 于发展的初级阶段，今后随着社会经济高速增长，将使已 经承受着很严重环境胁迫的土地生态系统承受更大的甚至 是难以承受的环境压力。 （2）我国地域辽阔，气候类型多样，社会经济区域发 展不均衡，全国各地土地生态系统的区域分异性很强。如 华北平原的地下水位下降、水体与土壤污染盐渍化和沙漠 化，而南方红壤丘陵地区则表现为土壤肥力下降、耕地砂 砾化、水土流失等等。同样是脆弱生态区的北方半干旱-半 湿润农牧交错区、西北干旱区绿洲边缘、藏南河谷地区、 西南石灰岩地区、西南横断山谷盆地，其土地退化形式也 各不相同。多种多样的土地生态系统类型，给我国土地生 态系统健康研究增加了很大的难度。 （3）研究对象的复杂性。土地生态系统存在很多的不 确定性。土地生态系统有其自身的演变发展过程，对于是 演变过程固有的特征，还是不健康的特征，在实践中很难 辨识。虽然 20 世纪 80 年代后兴起的复杂性问题研究，为 土地生态系统健康研究提供了一个重要的方法与思路，但 复杂性问题研究本身处于不断完善与发展过程中，要把复 杂性研究原理真正运用到土地生态系统健康研究中，还需 要经历相当长的一段摸索过程。复杂性研究是系统论、信 息论、控制论、相变论、耗散结构论、突变论、协同论、 混沌论、超循环论等新科学理论的交叉运用12，它与传统 的还原论方法不一样，并不要求独立地分析系统每个单元 的行为，不认为在了解系统的宏观行为时，每个单元的细 节都是重要的，而是研究系统在不同层次上的复杂组成， 认识它们之间的相互作用、它们与环境的相互影响和由此 产生的整体特征（结构、功能和行为、演化等） ，回答其发 生、变化的规律、过程和原因，揭示整体的活动机理，以 便于掌握、调节或控制。 参考文献： 1RAPPORT D J, BOHM G, et al. 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On major contents and problems of land ecosystem health research CHEN Mei-qiu, LIU Tao-ju, HUANG Liang Department of Land Resources, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China Abstract: Ecosystem health research is one of the pivot research fields on resources and environments. In this paper, Based on characters of land ecosystem, the major contents of land ecosystem health research were put forward, which including the mechanism, evaluation and management of land ecosystem, and according to the land resource positions in China, the primary obstacles such as h