（自然地理学专业论文）武汉市土地利用土地覆盖变化的环境安全研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 土地是人类生存和发展不可替代的、不可再生的重要物质资源。土地利用 随着人类的出现而产生，尤其是近一个世纪以来，随着人口的增长和社会经济 发展，人类对土地利用的范围和强度不断扩大和加深，全球约有4 0 的土地覆 盖受到破坏或者转化为生产和居住用地，从而对整个生态系统的结构和功能造 成了实质性的影响。在“国际地圈与生物圈计划”( i g b p ) 和“全球环境变化 人文计划”( 翻d p ) 的共同推动下，土地利用土地覆盏变化所引起的环境影响 及其环境安全评价已成为全球变化研究的核心。在此背景下，进行土地利用 土地覆盖变化的环境安全的理论与实证研究，具有十分重要的科学价值和现实 意义。 论文阐述了土地利用覆盖变化与环境安全的理论关联与研究进展，在分 析土地利用5 ：地覆盖变化与环境互相影响的基础上，对武汉市土地利用土地 覆盖变化的环境安全进行评价，并寻求武汉市土地利用土地覆盖变化的环境优 化对策。全文分四个部分： 第一部分为土地利用4 - 地覆盖研究概述。简要地阐述了土地利用土地覆 盖的概念与内容、研究进展及意义，并对未来土地利用土地覆盖的研究方向作 出了展望。 第二部分分析了土地利用地覆盖变化与环境安全的相互关系。论述了 土地利用土地覆盖变化与环境的互动机制，分析了土地利用土地覆盖变化的 环境效应。 第三部分为武汉市土地利用地覆盏变化分析。分析了武汉市1 9 8 8 2 0 0 2 年土地利用土地覆盖数量与结构变化的特征和内在规律，并对武汉市土 地利用土地覆盖演变的机制进行系统分析。 第四部分分析了武汉市环境质量，探讨了土地利用土地覆盖变化与环境 安全水平的关系，并对其土地生态服务价值深入地进行研究，针对土地利用 土地覆盖变化中存在的生态环境问题提出了其生态环境优化对策。 关键词：土地利用土地覆盖；环境安全；环境质量评价；武汉市 硕士学位论文 m a s t e k st h e s i s a b s t r a c t l a n dr e s o u r c ei so n eo ft h ei r r e p l a c e a b l er e s o u r c e sw h i c ht h eh u m a nb e i n g r e l i e so n l a n du s ec o m e so u tw i t ht h eh u m a n b e i n g a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n t o f p o p u l a t i o na n de c o n o m i c ，t h er a n g ea n dd e g r e eo fl a n du s ei sb e c o m i n gm o r ea n d m o r el a r g o ，e s p e c i a l l yi nr e c e n to n eh u n d r e dy e a r s a b o u t4 0 l a n dc o v e rw a s d e s t o r i e do rb e c a m eu r b a nl a n d ，w h i c hh a sa ns u b s t a n t i a le f f e c to nc o n s t r u c t i o na n d f u n c t i o no fw h o l e e c o l o g i c a ls y s t e m 1 a n d u s ea n dl a n dc o v e r c h a n g e a r o s e e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s ，t h ee f f e c t sa n de v a l u a t i o no fe n v i r o n m e n th a sb e c o m e h o s p o t i nt h e s t u d yo fg l o b a lc h a n g ew i t hj o i n tp r o m o t i o no fi g b pa n di h d p u n d e rt h eb a c k g r o u n d ，r e s e a r c h so n t h e o r ya n de x a m p l e o fe n v i r o n m e n ts e c u r i t yo f l a n du s e l a n dc o v e r c h a n g e h a s v e r yi m p o r t a n t s c i e n t i f i cv a l u ea n dr e a l i s t i c m e a n i n g t h ep a p e re x p l a i n st h et h e o r yr e l a t i o na n dp r o g r e s sb e t w e e nl a n du s e l a n d c o v e ra n de n v i r o n m e n t a ls e c u r i t y o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c e so fl a n d u s e 1 a n dc o v e r c h a n g e a n de n v i r o n m e n t ，w ee v a l u a t ee n v i r o n m e n t a ls e c u r i t yo fl a n d u s e l a n dc o v e rc h a n g e ，a n de x p l o r ew a y sa n dm e a n so fe n v i r o n m e n to p t i m i z a t i o n o fl a n du s e l a n dc o v e rc h a n g ei nw u h a n t h e p a p e r i sd i v i d e di n t of o u rp a r t s ： t h ef i r s t p a r t i s g e n e r a lr e m a r ko fr e s e a r c h o fl a n du s e l a n dc o v e r w h i c h i n c l u d i n gc o n c e p t 、c o n t e n t 、r e c e n tp r o g r e s sa n dm e a n i n g o fr e s e a r c h ，a n dp r e s e n t s s o m e p o s s i b l eo r i e n t a t i o n si nt h e f u t u r e t h es e c o n dp a r ta n a l y z e st h er e l a t i o n s h i pa n dm u t u a lm e c h a n i s mb e t w e e n l a n du s e l a n dc o v e r c h a n g e a n de n v i r o n m e n t s e c u r i t y a n d t h e n e x p l a i n s t h e e n v i r o n m e n t a li m p a c t sw h i c hi n v o k e db yl a n du s e l a n dc o v e rc h a n g e t h et h i r dp a r ti st h ea n a l y s i so nl a n du s e l a n dc o v e rc h a n g ei nw u h a n i t 硕士学位论文 m a s t e r ，st h e s i s a n a l y z e st h ec h a r a c t e ra n d i n t e r n a lr o l eo fn u m b e ra n dc o n s t r u c t i o no fl a n du s e 1 a n d c o v e r c h a n g e f r o m1 9 8 8t o2 0 0 2i nw u h a n ，a n d s y s t e m a t i c l ya n a l y z e s t h ef o r m a t i o n a n d c h a n g em e c h a n i s m o fl a n du s e l a n dc o v e ri nw u h a n t h el a s t p a r ta n a l y z e s t h ee n v i r o n m e n to fw u h a n ，a n dd i s c u s s e st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nl a n du s e l a n d c o v e rc h a n g ea n de n v i r o n m e n ts e c u r i t y t h e n c a r r i e so nd e e p l ya n a l y s i so ne c o l o g i c a lv a l u e a c o r d i n gt ot h ee c o l o g i c a lp r o b l e m s i n v o k e d b y l a n du s e l a n dc o v e r c h a n g e ，i tp u t sf o r w o r d t h e o p t i m a lc o u n t e r m e a s u r e s o fe n v i r o n m e n ti nw h h a n k e y w o r d s ：l a n du s e a n dc o v e r ；e n v i r o n m e n ts e c u r i t y ； e v a l u a t i o no fe n v i r o n m e n t a lq u a l i t y ；w u h a n 1 1 1 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位黻作者挠尕糯啦年岁月即 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中师范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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。本论文属于 保密；蔷等在年解密后适用本授权书。 不保密酣( 请在以上方框内打。) 学位论文作者签名：砌 日猫厂月j7 日 硕士学位论文 m a s t e k st h e s i s 引言 随着人口的急剧膨胀和科学技术的快速进步，人类土地利用的范围和强度 也空前增长，造成全球性的土地覆盖变化，其后继效应波及到维持地圈生 物圈相互作用系统的整个过程。全球变化研究的深入展开使人们认识到：人类 活动作为主导因素所导致的土地利用土地覆盖变化在全球环境变化过程中占 据着十分重要的地位，土地利用土地覆盖变化与全球的气候变化、生物多样性 的减少、生态环境演变以及人类与环境之间相互作用的可持续性等密切相关， 它是目前全球环境变化的主要原因之一。基于土地利用土地覆盖变化研究对深 入理解全球环境变化的重要性，国际地圈生物圈计划( i g b p ) 和全球环境变化 的人文因素计划( i h d p ) 联合提出了一个涉及自然和社会科学的交叉学科研 究计划土地利用与土地覆盖变化( l u c c ) 研究，将土地利用与土地覆盖 交化研究作为人类和环境资源系统相连接的纽带，进行大范围、系统化研究。 城市化是土地利用土地覆盖变化最主要的作用机制之一。城市的发展促 进了社会的进步与人们生活水平的提高，但同时带来了城市内部生态与资源系 统的过重负担及城市边缘区的土地利用土地覆盖的快速变化和混乱状况的加 剧。全球环境变化是局部土地利用土地覆盖所引起的环境变化的积累，城市作 为区域环境变化的主体，其土地利用土地覆盖变化的生态环境影响研究已成为 当前土地利用土地覆盖变化研究的重要内容。我国目前的城市化进程正处于加 速发展时期，由于人口众多，生存压力巨大，人类活动的相对规模和强度远远 大于其他国家，这引起我国土地利用土地覆盖的剧烈变化，由此引起的生态环 境的破坏已经是一个不争的事实。土地利用土地覆盖变化所引起的环境安全问 题不仅是一个国家的安全问题，而且是一个国家发展进步的基础安全问题。土 地利用肚地覆盖变化的生态环境安全研究具有重要的理论价值和现实意义，在 寻找城市土地利用土地覆盖变化与生态环境变化相互关系的基础上，进行土地 的优化配置与合理规划，以实现社会经济与生态环境的和谐发展。 硕士学住论文 m a s t e 乱st h e s i s 1 土地利用土地覆盖研究概况 1 1 土地利用土地覆盖的概念和内容 1 1 1 土地利用与土地覆盖 土地利用和土地覆盖是两个既有密切联系又有本质区别的重要概念，土地 作为一种自然综合体，具有一定的厚度和区域级别差异，同时必然受到自然靓 律的制约和人类活动的影响。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。土地利用是指人类有目的地开 发利用土地资源的一切活动，是人类对土地自然属性的利用方式和利用状况， 偏重于土地的经济属性，如农业用地、工业用地、交通用地、居住用地等都是 土地利用的概念【l j ：而土地覆盖则是指地表自然形成的或者人为引起的覆盖状 况，强调土地的自然属性以及人类活动的结果，如森林、草地、房屋、河流等 均为土地覆盖的概念【2 】。 土地利用是土地覆盖变化最重要的影响因素，土地覆盖的变化反过来又作 用于土地利用( 图1 ) 。二者的关系可以理解成事物的两个方面，其中一个是发 生在地球表面的过程，另一个则是各种地表过程( 包括土地利用) 的产物。土 地覆盖是陆地生命支撑系统的主要组成部分，其变化是全球环境变化的一个重 要方面，并在很大程度上影响着地球系统其它组成的变化。比如土地覆盖的变 化会影响地面反照率和生态系统的光合作用，进而影响地球的生物地球化学循 环、生态系统的生产力、生物多样性等。土地利用是人类活动作用于自然环境 的主要途径之一，是不同历史时期土地覆盖变化的最直接和主要的驱动因子， 其变化无论是在全球尺度还是在区域尺度都不断地导致土地覆盖的加速变化， 且其影响远大于其它自然因素的作用。由于土地利用与土地覆盖两者间存在密 不可分的联系，且它们对地球系统有着广泛而深刻的影响，所以全球环境变化 研究中把它们联系起来给予关注。 硕士学位论文 m a s t 卫r st h e s i s 麟统厂匦 社会环境 驱动力 的影响 图1 人类活动、土地利用和覆盖之间的联系( t u r n e r 等1 9 9 3 ) 1 1 2 研究内容 土地利用土地覆盖变化研究所涉及的范围十分广泛，包括自然、经济与 社会整个系统；包括人类社会发展的过去、现在与将来整个过程；包括从大的 地球生物圈层，到一个龟甲、地区，再到某个农户或者土地利用行为者等各个 规模等级，如此广泛的内容不可能在此一一列举。但是，土地利用与土地覆盖 变化要试图回答上述的有关问题，至少应开展如下几个方面的研究1 3 】： ( 1 ) 土地利用与土地覆盖变化的类型分析； ( 2 ) 土地利用与土地覆盖变化的过程研究； ( 3 ) 探讨人类对土地利用与土地覆盖变化的反应： ( 4 ) 建立综合的全球性或区域性的变化模型，探讨不同空间尺度上土地 利用与土地覆盖变化的动力学机制； ( 5 ) 开展有关土地表层、生物过程及其动力机制方面的数据库建设。 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 表1 土地利用与土地覆盖变化研究的重要内容【2 】 综观目前国际上有关土地利用土地覆盖变化研究，其内容可以大致地归 纳为三个核心( 表1 ) ，即土地利用的动力机制、土地覆盖的变化、土地利用与 土地覆盖变化的区域与全球模型。 1 ，2 国内外研究综述 1 2 1 国外土地利用土地覆盖研究进展 国外在l u c c 方面的研究起步较早，早在1 9 3 1 年，w e b b 在对美国大平 原农业社会的研究当中，认为当地土地利用类型是由当地干旱程度决定的【4 l 。 这是最早对l u c c 过程与机理从经济角度进行的探讨，但没有考虑其他人类因 素的作用。到了2 0 世纪7 0 年代，全球变化研究的兴起以及遥感技术的发展， 将l u c c 研究推进到一个新阶段。进入8 0 年代后，人们已在洲际范围内利用 气象卫星数据进行士地覆盖的研究，并取得了有效成果。9 0 年代以来，由于 i g b p 和h d p 等组织的推动，使l u c c 研究更进一步向纵深方向发展。两组织 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 于1 9 9 5 年共同拟定并发表了土地利用土地覆被变化科学研究计划【5 j ，将 其列为核心项目之一；1 9 9 9 年的l u c c 研究实施策略，进一步提出将土地 利用过程、l u c c 的人类响应与综合的全球和区域模型作为研究的主题。现已 经实施的计划有：国际应用系统分析研究所( i i a s a ) 于1 9 9 5 年启动的“欧洲和 北亚土地利用土地覆盖变化模拟”项目；美国全球变化研究计划与欧洲空间署 等国际组织合作开展的高分辨率雷达监测土地覆盖变化和季节植被情况项目； 日本国立科学院全球环境研究中心在日本环境署的支持下开展的“为全球环境 保护的土地利用研究”( l u g e c ) 项目 6 1 。美国全球变化研究委员会最近将土地 覆盖变化与气候变化、臭氧层的耗损、陆地和海洋生态系统的变化并列为全球 环境变化问题【l j 。 纵观目前国际上地利用土地覆盖变化研究项目，其重点领域和研究方 法大致地归纳为三个方面，即其时空变化、动力机制和环境效应的案例比较研 究；土地覆盖变化的直接观测与诊断模型研究；土地利用土地覆盖变化的综合 模型研究，包括区域性和全球性的短期预测研究以及较长期的综合因子和环境 效应研究。总的来说，国外l u c c 研究主要包括北美流派、欧洲流派和日本流 派，他们分别从宏观模型、福利分析和数量模拟入手对l u c c 进行研究 7 - 1 2 】， 其研究主要集中在几个关键性领域：土地利用的动力机制、土地覆盖变化、 l u c c 的区域与全球模型以及遥感技术在研究中的应用等。 1 2 2 国内土地利用地覆盖研究进展 我国地处欧亚大陆的东南部，国土辽阔，南北横跨赤道带、热带到寒温带 的多种气候区，东西从湿润、半湿润的沿海延伸到内陆干旱区，具有一定的典 型性和代表性。长期以来，我国的土地利用研究主要是为经济建设服务，并在 土地利用调查、规划、基础理论研究、基础图件编制和资源环境数据库建设等 方面取得了大量成果。如建立了土地资源和土地利用的分类体系：在全国范围 和省、区、县级以及典型地区开展了大量的土地利用调查，并编制了不同比例 尺的土地利用图。特别是8 0 年代后，由中国科学院主持，相继完成了全国1 ：1 0 0 万的土地利用、土地资源、草场资源、土壤类型和植被等系列图件，1 9 9 2 年还 出版了专著中国土地利用。近年来，在利用卫星遥感和地理信息系统技术 监测资源和环境的动态变化方面，也作了很多出色的工作，如中国资源环境遥 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 感宏观监测研究、黄土高原地区土地利用变化、黄淮海地区水域动态变化的遥 感监测，应用n o a a 卫星数据研究土地覆盖、植被覆盖的变化及区域分异规 律等。 我国l u c c 研究主要包括以下四个方面： ( 1 ) l u c c 的驱动力研究 l u c c 驱动力研究的目的在于揭示l u c c 的原因、内部机制、基本过程、 预测未来变化方向和后果，并制定相关的对策，也被称为l u c c 机制研究f 1 4 | 。 张明【1 5 】利用典型相关分析法，并运用s p s s 统计软件对榆林地区各驱动因子对 土地利用结构分布贡献作用的大小做出了定量诊断。史培军等f 1 6 】通过回归分析 和建立土地利用变化的转移矩阵，对深圳市土地利用变化的驱动力进行了分 析。另外王良健等【1 7 】对梧州市土地利用驱动力的分析、顾朝林【1 8 】对北京l u c c 机制的研究、张惠远等【1 9 1 对喀斯特山区土地利用变化的人类驱动机制的研究等 都为区域l u c c 机制的研究提供了很好的思路。另外陈百明i ”1 和李平等【冽分 别从我国l u c c 驱动力分区和研究现状的角度对驱动力问题进行了详细论述。 当然l u c c 驱动力研究是一个复杂问题，我们不仅要考虑各种因子的复杂的作 用机理，还要考虑“典型区”、“热点区”、“脆弱区”等不同类型区域的选择【2 ”。 ( 2 ) l u c c 的遥感动态监测和分类研究 目前遥感动态监测方法可以分为分类比较法和光谱直接比较法两类。何春 阳等f 1 2 j 在分类后比较法和变化分析矢量相结合的基础上提出了新的混合遥感 监测方法，主要包括遥感图像预处理、单景图像分类、变化像元提取和分类动 态信息提取4 个步骤。并归纳了多种l u c c 信息分析处理的方法，如土地利用 变化程度指数、土地利用空间变化指数、斑块均匀度指数等。还有些学者提出 了基于m o d i s 数据的l u c c 监测方法，对土地沙化、盐碱化和农作物生长进 行了监测。王良健等基于遥感与g i s 对苍梧县土地利用变化进行了动态监测 与预测。 ( 3 ) 区域和全球的l u c c 模型研究 国内对l u c c 模型的研究，主要限于区域l u c c 的驱动力模型分析方面， 这种局限性主要是由驱动因子数据采集困难造成的。而且建立全球l u c c 模型 必须以大量的区域模型为基础。我国在l u c c 模型方面的研究主要有：陈佑启 6 硕士学位论文 m a s t 五r st h e s l 5 【2 3 1 和王良健 2 2 】等建立的回归模型：史培军等建立的马尔柯夫模型【1 6 1 和基于c a 的随机约束模型。另外，中国农业科学院资源区划所与荷兰瓦赫宁根农业大学 合作建立的中国土地利用变化及其影响模型( c l u e c h ) ，属于一种动态的土地 利用时空变化模拟模型，将模型分为统计分析模块、人口模块、需求模块和空 间布局模块【2 ，可以说是在l u c c 研究领域的一项有益探索。 ( 4 ) l u c c 的环境影响研究 目前l u c c 对环境影响的研究主要集中在气候方面【2 1 】。史培军等【4 】通过 遥感影响和建立y a m a t a - - m e l l o r 紊乱闭合模型对深圳市l u c c 对气候的影响 进行了模拟，进而对深圳城市化与生态环境安全水平变化之间的关系进行了分 析，还对内蒙古乌兰察布盟和湖南洞庭湖区l u c c 对农业自然灾害的影响进行 了探讨。周广胜等【2 5 】基于地球表面的能量与水分平衡方程，从理论上探讨了土 地利用和土地覆盖对于气候的反馈作用，傅伯杰等【冽以我国水土流失最严重的 区域黄土丘陵区为例，分别从小流域、坡面和单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。 1 3 土地利用土地覆盖变化研究展望 近年来，国际上对土地利用土地覆盖变化的研究已经取得了一定的进展， 但是由于l u c c 研究涉及的领域广泛，不同尺度、多因子以及区域内部的复杂 性等问题限制了研究向更广阔的方向发展，还有很多方面需要不断的探索、创 新。如在全球范围内如何实现土地利用与土地覆盖分类指标的统一、数据的标 准化与分析方法的规范化：类型研究与过程分析的结合：各个国家与地区如何 相互协调构筑土地利用土地覆盖变化案例研究的全球战略框架；以及遥感、 g i s 技术与数理统计、传统的社会经济研究手段的相互结合等。综合全球和区 域土地利用地覆盖变化的研究现状与社会经济发展的需求，土地利用土地 覆盖变化研究将出现以下趋势： ( 1 ) l u c c 的遥感应用将更加科学化、定量化、实用化。土地覆盖及其 综合体特征的生物物理属性及动态变化的导出将建立在严格的理论基础之上， 美国n a s a e o s a m 计划的m o d i s 数据对地表覆盖每一个参量的计算方法 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l 5 都经过了反复推敲研讨，这代表了l u c c 遥感研究的发展趋势m 。同时土地 覆盖及其系列产品的生产、存档、发布和管理都将进一步完善，用户可根据自 己的需要通过高速的传输网络系统及时得到所需的数据，从而实时分析、监测 所关心的区域。 ( 2 ) 土地利用土地覆盖变化的环境安全研究。由于以 g b p - - - - i h d p 的 l u c c 计划为代表的国际士地利用与土地覆盖变化研究计划所研究的重点是 对变化机制的研究，使得有关土地利用与土地覆盖变化对生态环境的影响至今 尚未得到全面、充分的研究。在今后的若干年之中，随着土地利用土地覆盖变 化日益成为影响全球环境变化的主导因素，尤其是对生态环境有很大的影响， 有必要加强研究【2 刚。 ( 3 ) l u c c 的可持续性研究。l u c c 与人类社会经济可持续发展密切相 关，众多全球性环境问题的有效分析往往依赖于对l u c c 可持续性的研究评价 2 9 1 。l u c c 的可持续性研究包括：土地利用土地覆盖类型、结构的持续性、 土地利用方式和方法的可持续性、l u c c 过程的可持续性以及实现可持续土地 利用的对策等。 ( 4 ) 结合远景开发利用规划进行综合评价。l u c c 研究不仅在于确切地 反映利用现状的特征，同时更重要的是解决和规划今后进一步合理利用问题。 为此，结合土地利用研究，进行土地适宜性评价、土地生产潜力评价、土地利用 现状评价，土地开发利用评价。在此基础上，制定远景土地利用规划，使土地 利用研究更好地为国民经济中、长期发展规划服务。 ( 5 ) 加强对l u c c 机制的研究。对l u c c 驱动力的研究已经做了大量工 作，但对于驱动因子的区域规模相关性，某些间接因子的作用以及约束机制等 问题值得重视。城乡作用机制、区域l u c c 过程中的水资源约束机制和全球粮 食生产与食物安全因素的作用等，是在l u c c 的众多机制中尤其值得注意的， 这些问题的研究都依赖于l u c c 机制研究的进一步开展。 土地利用土地覆盖变化在不同的时间与空间内的动力机制及其作用方式 与效果大不相同。透彻的理解与有效的模拟这种复杂的相互作用关系是对未来 土地利用土地覆盖变化进行科学预测的基本前堤。因此也可以说，如何科学地 归纳、总结以形成土地利用5 = 地覆盖变化的理论体系对土地利用土地覆盖变 8 硕士学住论文 m a s t er ，st h e s i s 化研究的发展具有更为重要的意义。同时，结合土地利用变化模拟模型，利用 多种规划方法求解多目标问题获得最优解，来指导研究区域的土地利用规划， 实现土地的可持续利用，将成为继土地利用变化机理研究的下一个研究重点， 对解决土地利用矛盾突出的热点地区的土地利用规划问题具有指导意义。尽管 国内外学者在探讨土地利用变化的一般规律、建立土地利用变化的全球和区域 模型等方面做出了重要的贡献，但是对于中国东南部沿海地区快速经济发展和 土地利用格局迅速变化的地区之研究相对欠缺。中国特有的社会制度、自然条 件、经济高速发展与土地匮乏的巨大矛盾等都有其特殊性，及时开展这方面的 研究对于丰富全球土地利用变化的区域模型具有重要意义。 硕士学位论文 m a $ t e st h e s i s 2 土地利用土地覆盖与环境安全 2 1 环境安全概述 2 1 1 环境安全问题的提出 环境安全问题是在2 0 世纪6 0 年代末明确提出的。在此之前，由于东西方 之间的长期冷战，军事安全几乎成了安全的代名词，人啻】对来自环境的威胁尚 无暇顾及，1 9 6 9 年，罗马俱乐部发表的著名报告增长的极限，敲响了全球 环境问题的警钟，开启了环境安全问题研究的肇端。1 9 7 2 年，在瑞典斯德哥尔 摩召开的人类环境会议上，环境恶化对人类的威胁已开始受到世界的重视，并 首次将环境问题提上世界政治日程。而最早将环境含义引入安全概念的是美国 著名的环境问题专家奈斯特r 布朗( l e s t e r r b r o w n ) ，他在1 9 7 7 年提 出要对国家安全概念加以重新界定1 3 0 j 。1 9 7 8 年，d 皮拉格斯出版了国际关 系的新内容：全球生态政治一书，指出生态政治将成为国际关系的新议题。 1 9 8 7 年布兰特委员会发表题为我们共同的未来的长篇报告中明确指 出：“安全的定义必须扩展，超出对国家主权的政治和军事威胁，而要包括环境 恶化和发展条件遭到破坏【3 1 j 。”首次提出“环境安全”的概念，并很快得到国 际社会的关注。随着冷战的结束，世界各国关注的焦点逐步从谋求政治军事安 全的所谓“高级政治”转向谋求社会经济发展的“低级政治”，环境问题作为 国家谋取综合安全的组成部分其重要性日益上升，人为造成的环境恶化被视为 国家安全的威胁，强烈主张将环境问题纳入安全范畴。1 9 9 1 年8 月，美国公布 了新的安全战略，首次将环境视为国家安全利益。1 9 9 2 年，联合国在巴西首都 里约热内卢召开的世界环境与发展大会所通过的2 1 世纪日程中，将环境保 护与“一个更安全、更繁荣的未来”，以及“人类对安全稳定的自然环境的需 求”等问题联系起来。强调了世界环境安全的重要性，大会提出的可持续发展 观更是推进了对环境安全的认识和理解。 2 1 2 环境安全的内涵与特性 环境安全是环境领域与安全领域交叉而形成的新概念，它使安全的概念从 1 0 硕士学位论文 m a s t er jst h e s i s 纵横两个方向加以延伸和拓展，包含了人、国家、全球三个相互联系的层次， 是对传统安全观的一次革命。不同的学者对环境安全也相应地赋予了不同的定 义与内涵【3 2 - 3 4 】，虽然环境安全概念迄今尚没形成准确、统一和公认的内涵和外 延，但总的来说，环境安全是指与人类生存与发展息息相关的自然资源和生态 环境处于一种良好的，或未遭受不可恢复的、破坏的状态，这种状态使人类免 于因环境恶化及环境争端而影响区域和区域间人类生存、发展及人类群际关系 的威胁。就内涵而言，环境安全主要包括两个方面：第一，免于因环境恶化而 造成的对人类生存和发展的担心和威胁；第二，免于因环境争端或冲突而形成 的人类群际关系上的担心和威胁。 环境安全的特性如下【3 5 3 9 】： ( 1 ) 全球性由环境问题全球化引发的环境安全，并不以人为划定的国家疆 界为限，涉及所有国家和全人类的安全，局部生态环境的破坏可能引发全局环 境问题，甚至会使整个国家和民族乃至全球的生存条件受到威胁，即所谓的“蝴 蝶效应”。因此，各国应重视国际间的环境合作，以求得共同的环境安全利益。 ( 2 ) 需求性安全需要是人类基本需要中的种，也是人类本能的一种要 求。当一个人的生理需要( 即维持人类自身生存的衣食住行等) 得到定满足后， 安全的需要就上升到主要位置，而环境则是人类赖以生存的基础，破坏、损害 人类生存与活动所依赖的自然支持，也就直接危害人类的生命和健康，所以环 境安全是人类的基本需求。 ( 3 ) 战略性对于某个国家或地区乃至全球来讲，环境安全是关系到国计民 生的大事，具有重要的战略意义。只有维持环境安全，才可能实现经济持续发 展，社会稳定、进步，人民安居乐业；反之，经济衰退，社会动荡，生态难民 流离失所。在制定重大方针政策和建设项目的同时，应该把环境安全作为一个 前提。 ( 4 ) 综合性影响人类生存与发展以及国家安全的环境威胁开始在全球范 围内出现，这种严峻形势是促使环境问题成为国家安全和国际和平的动因，从 而使环境安全问题打破了地域限制，融入了国际政治、经济、外交领域，成为 一个全球性的综合性问题。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 2 土地利用土地覆盖变化的环境效应 土地利用是环境变化的动力，环境变化是土地利用结果的累积。任何的土 地利用土地覆盖的变化都与一定的环境后果相联系。土地覆盖特点对气候、全 球生物地球化学循环陆地生物种类的丰度和组成有重要的影响。不同的土地覆 盖类型具有不同的生态系统结构、群落组成和生物量，它们以不同的速率吸收 和固定养分( 如碳和氮) ，这对营养元素在土壤、大气和水中的分布有重要影响 【柏j 。v i t o u s e k f l l j 指出：“土地利用土地覆盖变化几乎影响到所有组织水平 从基因到全球”。 2 。2 1 气候变化 地表及其覆盖的植被决定着太阳辐射在地表的分配，这种分配形成了不同 尺度上气候系统的边界环境。土地表面性质发生变化时引起能量的重新分配， 从而影响气候的变化。c h a n g n o n 和s e m o n i n 总结了大城市气象实验 ( m e t r o m e x ) ，区域大气污染研究( r a p s ) 和其他有关城市气候研究的结果 【“。发现土地利用土地覆被变化极大地影响了城市气候和城市水资源的供给。 在城市化的过程中，几乎所有地表天气环境都发生了变化，如太阳辐射、温度、 湿度、能见度、风速和风向及降雨等。大城市气象实验( m e t r o m e x ) 研究表 明白天城市热量范围在垂直方向上超过2 0 0 0 m ，而热的污染流随风经常传播到 5 0 k i n 外。城市对水分的影响是它的下渗能力和树木的截流能力比非城市土地 利用形式要少得多。土地利用土地覆盖变化是影响大气中c 0 2 、c i - h 、n 2 0 、 c o 及光化学烟雾含量的重要因素，并通过改变地表反射率而影响大气的温度 和湿度。u h lc 发现森林向牧场的转变增加了地表反照率、增加了植盖度，在 小范围内，使温度增加、湿度下降，而这些过来又能影响森林再生的潜力【4 3 】； 一些模拟模型研究表明：如果亚马孙森林全部变成牧场，将使温度增加、降水 减少，并改变整个区域的大气循环模式降 4 ”。在干旱半干旱地区，沙漠化有相 同的局地和区域影响【4 ”。土地覆盖的变化同时会导致大气能量时空分布的差异 从而影响气候的变化。城市的热岛效应是居民地扩展对局地气候影响的最好例 证。 2 2 2 水文变化 硕士学位论文 m a s t er ，st h e s i s 土地利用土地覆盖变化对水文f 地表水和地下水) 的影响主要表现在水质 与水量的影响上。土地利用土地覆被变化对水质的影响主要是通过非点源污染 途径，土壤侵蚀是规模最大、危害程度最为严重的一种非点源污染【矧。化肥、 农药的使用，农田污水灌溉都是非点源污染的重要来源。森林采伐区由于采伐 的影响，地表植被遭到破坏，引起森林附近流域河流沉积物增加，这些沉积物 破坏了河底水生生物的生境，威胁它们的生存。城镇地表径流携带氮、磷、有 毒物质和杂物进入河流或湖泊，污染地表水和地下水。由于人类耕作和定居引 起的土地覆盖的变化已造成了世界性的水污染，城市化过程中树木植被的减少 降低了蒸发量和截流量，增加了河流沉积量，仿佛、街道的建设降低了地表渗 透和地下水位，增加了地表径流量；森林砍伐影响地表粗糙度、反射率和水分 能量平衡，并增加了洪水泛滥的频率和强度 4 9 1 ；不当的草地管理和过度放牧将 引起植被减少和土壤板结，使地下水减少，严重影响地下水补给的河流水量甚 至区域气候。 2 2 3 土壤变化 土地利用土地覆盖变化对土壤的影响首先表现在改变了土壤养分环境条 件，引起土壤养分的加剧或减少。根据联合国粮农组织在非洲多个国家所做的 研究，在1 9 8 2 1 9 8 4 年间，农业生产活动对土壤养分平衡带来了极大的影 响，平均每公顷损失2 2 k g 的氮素、2 6 k g 的磷以及1 5 k g 的钾，个别国家的情 况更加严重使得土壤养分日渐衰竭1 5 0 t 。土壤营养成分的迁移在很大程度上依 赖于土地利用格局及其变化。l i k e n s 等在美国新罕布什尔地区将一个未受干扰 的流域通过河流的养分流失情况同另一个森林被采伐的流域加以对比【”j ，结果 发现，未受干扰的森林中，每公顷淋溶通过河水流失的n 有4 k g ，而森林采伐 的流域n 损失高达1 4 2 k g ，这是由于采伐后，n 0 3 n 含量大量增加，引起河水富 营氧化，促使藻类大量繁殖。土地利用土地覆盖变化同时会导致土壤退化，世 界上由于生产用地而盐碱化的土地面积约有1 0 0 万k m 2 ；在农业生产中随着机 械化程度的不断提高、化肥用量的不断加大，土壤板结现象也日趋严重。 2 2 4 生物多样性的变化 土地利用土地覆盖变化变化不是生物多样性变化的唯一驱动力，但却是 最重要的一个。土地利用仕地覆盖变化对陆地生态系统的最直接影响是生境转 1 3 硕士学位论文 m a s t e r ，st h e s i s 换，转换的生境是生物侵入和物种消失的主要发生地。目前地球物种正以比人 类活动前高百倍甚至千倍的速度消失，1 1 的现存鸟类、1 8 的哺乳动物、5 的鱼类和8 的植物有灭绝的危险，热带雨林和温带森林每年以1 4 的速 率毁灭。全球1 3 1 2 的陆地表面已经被人类活动所改变。一些重要的生态系 统变成斑块，有的实际上已消失( 如高草草原，千季落叶的热带森林1 。大量的 物种和遗传学上独立的种群已消失【“。拥有全球5 0 物种栖息地的热带雨林比 原有面积减少一半；温带森林1 3 已被砍伐：温带雨林已成为濒危生态系统； 澳大利亚、新西兰、美国加利福尼亚的湿地已消失一半；亚洲、拉丁美洲、西 非的红树林损失严重，印度、巴基斯坦、泰国至少有3 4 的红树林受到损害。 此外，土地利用模式的改变使物种栖息地斑块化，造成了许多交错带，产生了 边界效应，引起生物多样性的变化【5 3 】。 1 4 硕士学位论文 m a s t e r ，st h e s i s 3 武汉市土地利用土地覆盖变化分析 3 1 土地利用土地覆盖的现状分析 3 1 1 土地利用土地覆盖的结构与分布 根据2 0 0 2 年武汉市土地利用现状详查，全市土地总面积8 5 4 9 0 8 8 公顷， 土地利用类型较齐全，利用结构以耕地、水域为主( 如表3 1 ) 。全市土地面 积中，各类土地面积构成比重分别为：耕地占4 5 3 1 ，园地占1 2 0 ，林地占 8 2 2 ，牧草地占0 8 1 ，居民点及工矿用地占1 1 7 2 ，交通用地占l 9 7 ， 水域占2 5 7 9 ，未利用土地占4 9 8 。 袁3 1 加0 2 年武汉市土地利用数据结构表单位( h m 2 ) 区域 居民点及交通未利用 耕地 园地林地牧草地水域 工矿用地用地土地 武汉市 3 8 7 3 4 2 31 0 2 5 4 57 0 2 5 3 86 8 9 2 11 0 0 2 0 2 61 6 8 4 1 5 虹岸区 1 0 3 3 13 51 1 2 1 3 3 9 0 。33 4 3 ，4 江汉区3 9 2 6 8 1 9 5 3 96 5 1 桥口区4 5 8 68 8 6 3 0 2 2 31 0 6 8 汉阳区 2 1 9 5 92 6 81 9 9 8 3 5 5 9 8 4 7 0 9 武昌区 一一 一一8 0 6 0 6一 青山区 一一一一4 7 9 2 9一 洪山区1 6 8 5 59 0 2 93 0 1 2 8 1 1 8 6 01 7 4 4 7 东西湖区2 2 4 1 7 8 2 5 9 7 61 0 8 7 3 5 7 0 8 1 2 0 4 7 8 汉南区1 4 2 7 8 。6 8 5 9 76 0 1 7一1 8 1 4 5 6 7 1 2 蔡甸区 5 2 8 3 33 4 1 15 2 0 9 37 5 2 1 1 5 1 9 21 9 8 0 5 江夏区8 9 2 9 5 ，4 3 1 5 6 31 5 1 4 9 7 1 5 0 4 1 33 5 0 8 5 黄胶区1 0 7 7 7 8 1 6 3 0 43 5 4 4 6 16 8 1 6 91 6 5 9 6 9 2 9 2 4 5 2 2 0 5 0 5 94 2 6 1 6 1 2 8 1 9 ，6 2 0 6 3 1 0 1 9 7 4 1 8 84 25 1 64 4 8 1 3 0 3 l b 8 7 。9 1 3 7 8 3 1 9 95 1 0 1 9 6 3 7 5 1 6 6 3 0 8 4 3 47 2 8 1 6 6 3 3 8 3 1 1 0 9 2 3 5 3 5 7 6 3 2