（水土保持与荒漠化防治专业论文）土地利用覆盖变化与生态安全研究.pdf

摘要 生态安全问题作为当前研究的热点之一，反映出人类社会经济活动与自然生 态环境之间的互动关系。一个地区土地利用覆盖的变化，会对当地的生态安全 状况带来深刻的影响。本文由此出发，通过收集卫星遥感影像数据、历史图件和 各级政府统计数据，并运用e r d a s 、m a p i n f o 、a r c i n f o 等遥感、g i s 软件 以及s p s s 、e x c e l 等数值分析软件，对相关研究区域有关土地利用覆盖变化 的状况以及这种变化对区域生态环境和生态安全的影响进行了研究。研究主要包 括以下几个方面的内容，+ 并得出相应的研究结论： 1 西宁市土地利用覆盖变化的研究 应用e r d a s 、m a p i n f o 、a r c i n f o 等遥感、g i s 软件，将研究区1 9 8 7 年、1 9 9 6 年和2 0 0 2 年的3 景卫星影像数据在与野外实测资料相互对比的情况下 进行分类。据此建立起土地利用覆盖变化的转移矩阵，并得出研究区近1 5 年来 的土地利用覆盖变化总体趋势：1 ) 有林地、耕地、城镇村庄面积在增加，灌草 地、草地和裸地面积在减少；2 ) 有林地面积随着南北山项目的进行不断在增加， 但绝对面积还很小，分布也很零散，这在很大程度上受到自然条件的制约；3 ) 灌 草地、草地面积不断萎缩，这一方面是由于南北山项目的实施改变了许多原本为 灌草地、草地覆盖的土地，另方面也折射出随着经济的发展城市规模的扩大以及 耕地的增加：4 ) 裸地面积虽然在总量上呈现出减少的趋势，但是从其空间分布 的变化可以看出在很多地方是由于人为不合理地生产经营活动使得原本不应裸 露的土地变为裸地，随着南北山项目的进一步实施，这种现象更应为人所重视。 2 扎鲁特旗生态安全状况的综合评价研究 首先，根据研究区的地形数字高程模型( d e m ) ，在土壤养分数据、水系分 布状况图以及相关资料的支持下，对研究区的原始自然景观进行了还原，并在此 基础上确定出研究区生态系统的退化演替方向。研究表明，研究区内大部分地区 的生态系统正处于退化过程中。 其次，运用地统计学中的克里格法差值出研究区内的土壤养分空间分布图， 并根据 内蒙古自治区第二次土壤普查技术规程中的土壤养分分级标准，将研 究区分为高、中、低三种肥力类型区。其中有机质含量在3 5 以上的属于高肥 力类型区，2 - 3 5 的属于中肥力类型区，而在2 以下的属于低肥力类型区。 再次，通过计算研究区内植被的n d v i 值，确定出研究区植被的生产力水平 以及生长状况，并据此将研究区植被分为生长状况良好的区域以及呈现退化的区 域。综观研究区内植被生长状况的总体趋势，表现为北部地区的植被生长状况与 生产力水平要高于南部。 又次，通过对研究区生态系统演替、植被生产量与生长状况以及土壤养分空 间分布三方面的等级分类空间分析结果组合叠加，建立起研究区生态安全状况综 合评价的相关体系矩阵，并归并划分确定出生态安全、较安全、中度安全、欠安 全和不安全等五类不同的生态安全状况等级。 最后，以此分级为基准，统计制图分析得出研究区的生态安全状况：1 ) 研 究区整体上处于中度安全状态；2 ) 半农半牧区虽受人类影响较大，但仍处于较 安全中度安全状态；3 ) 农区的生态安全处于中度安全条件下；4 ) 南部牧区的 生态安全状况堪忧，处于中度安全 欠安全状态条件下。 关键词：土地利用覆盖变化，西宁市，扎鲁特旗，生态安全，原始自然景 观还原，n d v i ，生态安全评价 a b s t r a c t t h e m e ：s t u d yo i ll a n du s e c o v e rc h a n g ea n di t si m p a c to l le c o l o g i c a ls e c u r i t y s u b m i t t e db yl i us h u o e c o l o g i c a ls e c u r i t yi sa ni n t e m a t i o n a lw a r mt c i p i ci ns c i e n t i t i cf i e l d sa tp r e s e n t , w h i c h r e f l e c t st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es o c i a l - e c o n o m i ca c t i v i t i e so fh u m a nb e i n g sa n dt h e e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t a sak i n do fh u m a na c t i v i t y , l a n du s ea n di a n dc o v e rc h a n g e ( l u c c ) c a ne v e n t u a l l ya f f e c tt h ee c o l o g i c a ls e c u d t yi nac e r t a i na r e a ac a s es t u d yw a sc o n d u c t e di nx i n i n ga n dz h a l u t eb a n n e r ，t of i n do u th o wa n di n w h a te x t e n tt h ei a n du s e 月a n dc o v e rc h a n g ea f f e c tt h ee c o l o g i c a ls e c u d t y t h ed a t aw e r e c o l l e c t e dt h r o u g hi n t e r p r e t a t i o no fr e m o t es e n s i n gi m a g e s ，f i e l di n v e s t i g a t i o n ，h i s t o r i c a l m a t e d a l sa n dm a p s t h ec o l l e c t e dd a t aw e r ea n a l y z e db yu s i n gr e m o t es e n s i n ga n dg i s s o f t w a r e 。i n c l u d i n ge r d a s m a p i n f oa n da r c i n f o a n db ys t a f f s t i c a ls o f t w a r es u c ha s s p s sa n de x c e l t h er e s e a r c hf i n d i n g sw e r ea sf o i l o w s ： 1 r e s e a r c hi n t ot h ei a n du s e ，l a n dc o v e rc h a n g e t h ei a n du s et y p e so ft h oc a s es t u d y s i t ec a nb ec l a s s i f i e di n t ow o o d l a n d s h r u b - l a n d ， g r a s s l a n d ，c u l t i v a t e dl a n d ，h u m a ns e t t l e m e n t w a t e rb o d ya n db a r el a n d 。a c c o r d i n gt ot h e j n t e r p r e t a t i o nt ot h es a t e i l i t ei m a g e so f1 9 8 7 1 9 9 6a n d2 0 0 2w i t hr e f e r e n c et ot h e h i s t o r i c a im a p sa n dg p s p o s i t i o n i n gs u r v e yd a t ao n - t h e - s p o lb a s e do nt h ec t a s s 讯c a f i o n 。 t r a n s f e rm a t r i x e so fl u c cf r o m1 9 8 7t o1 9 9 6a n df r o m1 9 9 6t o2 0 0 2w e r em a d ea n dt h e f e a t u r e so fl u c cw e r ea n a l y z e d t h eg e n e r a lk e n d so fl u c cj nt h ex i n i n gf r o mt h e m a t r i xs h o w ：t h ea r e a so fw o o d l a n d c u l t i v a t e di a n da n dh u m a ns e t t l e m e n ta r eo nt h e i n c r e a s e 。w h i l et h ea r e a so fs h r u b - l a n d 。g r a s s l a n da n db a r ej a n do nt h ed e c r e a s e ( 园a l s o t h ea r e ao fw o o d l a n di so nt h ei n c r e a s ea sar e s u ro fc o n d u c t i o no f t h es u b j e c to fg r e e n s o u t hm o u n t a i na n dn o r t hm o u n t a i ni nx i n i n g 。b u ti i m i t e db yt h en a t u 旧ic o n d i t i o n s 陆a r e a i ss m a l ia n ds c a t t e r e d u l ea r e a so fs h r u b - i a n da n dg r a s s l a n da r eo nt h ed e c r e a s ea sa r e s u ro ft h ec o n d u c t i o no ft h es u b j e c to fg r e e ns o u t hm o u n t a i na n dn o r t hm o u n t a i ni n x i n i n ga n dt h ei n c r e a s eo fc u l t i v a t e di a n da n dh u m a ns e t t l e m e n tw i t he c o n o m i c a lg r o w t h ea r e ao fb a r ei a n di so nt h ed e c r e a s e b u tb yt h er e s e a r c ho fi t sd i s t r i b u t i o nc h a n g e 。 w ef i n dm a n yo d g i n a l l a n db e c o m eb a r ei a n di ns o m er e g i o n 2 r e s e a r c hi n t ot h ea s s e s s m e n to nt h ee c o l o g i c a is e c u r i t yc o n d i t i o n s m o s te c o s y s t e m si nt h ec a s es t u d ys i t eh a v eb e e nd e g r a d i n g t h i sj u d g e m e n ti s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er e s t o r a t i o nt ot h eo r i g i n a ln a t u r a ll a n d s c a p e ( t y p e s ) b yd e m m o d e l i n g ，w i t hs p e c i a lr e f e r e n c et ot h et o p o g r a p h y ( e l e v a t i o n 。e x p o s u r ea n ds l o p e ) ，s o i l n u t r i e n t sa n dd v e rs y s t e ms t r u c t u r e ， t h r e et y p e so fs o i lf e r t i l i t yd i s t r i b u t i o np a r e r nw e r eo b t a i n e db yu s i n gk r i g i n gm e t h o d s t h a ti s 。g o o df e r t i l i t y , a b o v e3 5 o fo r g a n i cm a f f e em e d i u mf e r t i l i t y , 2 - 3 5 o fo r g a n i c m a t t e na n dp o o rf e r t i l i t y , b e l o w2 o fo r g a n i cm a r e r t h ep r o d u c t i v i t ya n dg r o w t ho fv e g e t a t i o ni n 仇ec a s es t u d ys i t ew e r ee s t i m a t e d t h m u g ha n a l y s i so ft h en o r m a l i z e dd i f f e r e n c ev e g e t a t i o ni n d e x ( n d v i ) t h eg r o w t ha n d p r o d u c t i v i t yo fv e g e t a t i o ni nn o r t hw e r ef a rb e t t e rt h a nt h a i j ns o u t h t h eg r a d a t i o no ft h ee c o l o g i c a ls e c u d t yi nt h ec a s es t u d ys i t ew a sd e t e r m i n e db y i n t e g r a t i n ga b o v et h r e ei n d i c a t o r st h r o u g he s t a b l i s h i n gac o m p r e h e n s i v es e to fj u d g m e n t m a t r i xa n dm e r g i n gi t se l e m e n t si n t o5g r o u p s ( g r a d e s ) ，w h i c hw e r en a m e da ss e c u r e ， c o m p a r a t i v es e c u r e m e d i u ms e c u r e 。n e a ri n s e c u r e a n di n s e c u r e b a s e do nt h ea b o v eg m d a u o no fe c o l o g i c a ls e c u r i t y , t h ep r e s e n ts i t u a t i o no f e c o l o g i c a ls e c u r i t yo ft h ec a s es t u d ys i t ew a sa s s e s s e db yw e i g h t e dc a r t o g r a p h i c s t a t i s t i c st h r o u g hg i ss o f t w a r em a p i n f oa n de r d a s t h er e s u l t so ft h eg i sc a r t o g r a p h y s h o wt h a tt h es t a t eo fe c o l o g i c a ls e c u d t vi nt h ew h o l ec a s es t u d ys i t ei sa ts o m es t a t eo f m e d i u ms e c u r e a n dt h ee c o l o g i c a ls e c u d t yc o n d i t i o ni nt h ef a r m i n g p a s t o r a l - t r a n s i t i o n a l z o n ea r e ai sc o m p a r a t i v eg o o d r a n g i n gf r o mc o m p a r a t i v es e c u r et om e d i u ms e c u r e t h e a g r i c u l t u r a la r e aa n dt h ep a s t o r a ia r e ai nt h ec a s es t u d ys i t ea r er i g h ta t 仇em e d i u m s e c u r ea n dt h em e d i u ms e c u r et on e a ri n s e c u r er e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：l u c c ，x i n i n g ，z h a l u t eb a n n e ee c o l o g i c a l s e c u r i t y , r e s t o r a t i o no fn a t u r a l l a n d s c a p e 。n d v i ，a s s e s s m e n to fe c o l o g i c a ls e c u d t y 第一章绪论 1 1 土地利用与覆盖变化研究现状 人类长期的生活和生产活动，已经影响到了全球绝大多数地区的土地覆盖状 况，使之受到破坏或者转化为生产和居住用地。造成全球性的土地覆盖变化，其 后续效应波及到维持地圈生物圈相互作用系统的整个过程。当前，随着全球 变化研究的深入，人们越来越认识到，人类活动作为主导因素所导致的土地利用 与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，在未来的数十年 间，由土地利用与土地覆盖变化所带来的全球影响，要等于甚至大于潜在气候变 化所带来的影响1 。由于学术界充分认识到土地利用与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( 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( t u r n e r 等，1 9 9 3 ：1 9 9 5 ：l a m b i n 等，1 9 9 9 ) ，将土地利用与土地覆盖变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、体系化的研究。该项研究计划涉及的内容主要包括弄清土地 变化的人为原因、认识过去和未来土地覆盖变化的影响以及发展对土地利用与土 地覆盖未来变化状态的预测方法，开展土地利用以及由此引起的地表覆盖状况变 化的环境影响研究成为l u c c 计划研究的核心。 1 2 生态安全概念的提出 生态安全的提出有其深厚的历史背景，伴随着冷战的结束，核威胁的消失， 人类对自身安全的威胁的认识有了很大的改变。在美国，政界与学术界认为在今 后资源短缺与环境退化将会成为导致地区冲突( 例如中东的水资源危机) 与政治 灾难( 例如海地) 的主要因素之一，并可能对美国的国家安全带来威胁，因而将 环境问题列入美国外交政策的核心，也使得环境安全与生态安全得到了国际学术 界的重视，并基此提出了生态安全的概念。但是由于缺乏统一的认识，有关生态 安全的定义、如何实现以及研究方法存在着很大的争议。k a t r i n as r o g e r s 认为 生态安全是指创造一种条件使得人类社会的自然环境在满足人类需求的同时使 自然资源存量不致减少( k a t r i n a ，1 9 9 7 ) 。而d e n n i sp i r a g e s 则认为生态安全是建 立在维持人类与自然环境四类平衡人类需求与环境系统可持续承受力的平 衡、人口内部的平衡、人口与其他物种的平衡以及人口与致病微生物的平衡基础 之上的( d e n n i s ，1 9 9 7 ) 。 近年来，中国学术界对生态安全也开始进行了研究，提出了各自对生态安全 的看法，史培军教授从生态系统对人类服务的角度出发，认为生态安全是维护生 态系统所具有的服务功能和在环境安全时期所保存的服务价值( 史培军，1 9 9 9 ) ； 另外在最近还提出了“国家生态安全”的概念这是指一国生存发展所处生态环 境不受或少受威胁的状态( 侯振威，2 0 0 1 ) 对中国而言，“国家生态安全”体系 包括：以国土质量为主的国土安全；以水资源总量和配用为主的水安全；以大气、 海洋、河流和土地为主的环境安全；以生物基因为主的生物物种安全。生态安全 具有五大特性，即影响的广泛性和全面性；危机后果的长期性和更严重性；效益 与成本的代际转移性；与民众关连度更广、更深、更直接；一国的生态安全与其 它国家生态安全利益高度一致有关报告警告，在经济快速发展的中国，“人口、 资源、环境问题日益突出，高度重视国家生态安全势在必然”2 。而在今年3 月 在北京召开的两会期间，全国人大环资委主任委员曲格平代表接受科技日报记者 采访时，明确提出，我国生态环境问题逐步上升发展成为生态安全问题，已成为 国家安全的一个重要方面对于什么是生态安全，曲格平认为，其一是防止由于 生态环境的退化对经济基础构成威胁，主要指环境质量状况和自然资源的减少和 退化削弱了经济可持续发展的支撑能力；其二是防止环境问题引发人民群众的不 满特别是导致环境难民的大量产生，从而影响社会稳定( 唐先武，2 0 0 2 ) 。 从以上诸多对生态安全的定义中。我们可以看出，现今国际学术界将生态安 全概念的理解建立在经济发展与生态环境的相互关系基础上，认为环境健康有 序、生态系统功能健全、自然资源可持续利用以及最终人与自然和谐共存是符合 生态安全的要求的。但总的看来，目前对生态安全的认识仍处于定性描述的阶段， 包含的内容过泛，这在一定程度上影响到了生态安全概念在实际中的应用。到底 生态安全应当怎样度量、自然系统与社会经济系统应该怎样发展才能符合生态安 全的要求，这些关键问题的研究报道较为少见。 基于以上，本人认为在今后的生态安全研究中，要突出两个重点，一是要明 确生态安全的内涵，提出让大多数人能够接受的定义来，二是要量化生态安全的 2 中国开始出现“国家生态安全”概念，h u p ：w w w 1 n c c i g o v c n h 9 0 4 0 8 1 4 h t m 2 评价体系，以求能够直观地体现出区域的生态安全状况。出于以上的考虑，本文 试图通过案例研究，为这些目标的达成做一些工作。 1 3 土地利用与覆盖变化对生态安全影响 我们知道，土地利用的变化能够直接改变地表的覆盖状况，它一方面改变地 球表面物理特征( 如粗糙度、反照率、土壤含水量等) ，影响与气候直接有关的 地表与大气之间的能量和水分的交换过程；另一方面又能改变地球表面的生物地 球化学的循环过程，影响地表与大气之间的微量气体交换和土壤植被之间的 营养物质输送。另外，土地利用变化还通过土地覆盖的改变而直接影响到生物多 样性、影响区域的水分循环特征、改变生态系统的结构以及组成并因此对生态系 统的功能产生影响总而言之，土地利用与覆盖的变化通过影响生态环境、资源 利用以及自然灾害而对生态安全产生影响，有以下几点： 1 3 1 土地利用与土地覆盖变化对气候的影响 研究表明，土地利用与土地覆盖变化对气候的影响，主要有两个途径：一是 由于化石燃料燃烧以及土地利用与土地覆盖变化等人类活动使得大气中温室气 体( c 0 2 、c h 4 等) 的含量增多( h o u g h t o n 等，1 9 9 1 ) ，由此产生的温室效应使 得全球气候变暖而且变幅加大；一是由于下垫面性质的改变，即是由于地表反射 率、粗糙度、植被叶面积以及植被覆盖比例的变化引起温度、湿度、风速以及降 水发生变化( p i e l k e 等，1 9 9 0 , 1 9 9 1 ) ，由此引起局地与区域气候变化。有关城 市热岛效应的研究，也表明城市化所带来的土地利用的改变会对局地气候产生影 响( o k e ，1 9 8 2 ) 。另外，在美国洛基山脉地区的研究表明，一个地区土地利用 与土地覆盖变化还会对毗邻地区的气候产生影响，在美国大平原地区人类活动所 引起的土地利用与土地覆盖变化，使得洛基山脉夏日温度有逐渐变低的趋势 ( s t o h l g r e n 等，1 9 9 8 ) 。 1 3 2 土地利用与土地覆盖变化对土壤的影响 土地利用与土地覆盖变化对土壤的影响，首先表现在对土壤养分平衡的影响 上，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( s m a l i n g 等，1 9 9 3 ) 。而且随着耕作制度、肥料( 包括化肥与有机m g ) 的施用、农田管理 等农业生产经营方式的改变，土壤有机质的含量也会发生很大的变化( r a s m u s s e n 等，1 9 9 8 ) 。 其次土地利用与土地覆盖的变化还导致土壤的理化性质发生了很大的改变， 在农业生产中随着机械化程度的不断提高、化肥施用量的不断加大，使得土壤板 结现象日趋严重，土壤的酸性日趋增强，在r o t h a m s t e d 进行的1 4 2 年历史的p a r k g r a s s 实验中发现土壤p h 值的最高值达到了3 7 ，土壤酸性的增强使得土壤的性 质发生了很大的改变( g o u l d i n g 等，1 9 9 8 ) 此外农业活动还使得土壤可蚀性( o l s o n 等。1 9 6 3 ) 增强，土壤侵蚀加剧。 发生在2 0 世纪3 0 年代的美国大平原地区的黑风暴事件即是由于在当时大平原地 区广泛的农业化所导致的环境退化所造成的同时研究表明，土地利用方式的改 进可以使土壤侵蚀得到减缓和控制，据在美国红河谷地区的研究结果，农田防护 林带的发展、耕作制度与农业技术的改进使得该地区在1 9 4 8 到1 9 9 4 年期间飘尘 的产生量逐渐减小，土壤受到的风蚀得到了有效地控制( t o d h u n t e r 等，1 9 9 9 ) 。 由于土壤特别是森林地区的土壤是全球碳循环中主要的碳库，土地利用与土 地覆盖变化特别是森林砍伐与农业活动使得固定在土壤中的碳素大量遗失。据研 究，耕作活动会带来土壤表层3 0 e r a 范围内小于2 0 或者低于1 5 k g e m 2 的碳素 损失( m a n n ，1 9 8 6 ) 。另外还发现农业活动会导致土壤中发生脱氮作用，n 2 0 、 n 2 会被发散至大气之中，据在美国克罗拉多玉米带上的研究表明，由于脱氮作 用造成的土壤n 素损失，一般低于向土壤所施氮肥总量的2 5 ，且以n 2 0 所占 比重最大，可占到其中的7 0 左右( m o s i e r 等，1 9 8 6 ) 。 1 3 3 土地利用与土地覆盖变化对水文的影响 土地利用与土地覆盖变化对水文的影响主要表现在对水质与水量的影响上。 随着土地开发利用范围的扩大与强度的增加，会造成对水资源需求量的急剧增 加，使得全世界许多地方水资源的供给都变得非常紧张。以黄河流域为研究对象， i i a s a 项目的l u c 计划正在进行对土地利用与水资源联系的专题研究，他们一 方面通过建立水文学模型力求对气候与土地利用的变化对河流水量的影响进行 模拟，另一方面试图寻找一简单的方法以模拟江河流域水量贮存与产生之间的关 系，通过研究以求能够在区域与大陆尺度上得出结合水文学与社会经济学在内的 4 综合性模型( i i a s a ，1 9 9 8 ) 。 同时，许多研究表明，在一流域内部的各种土地利用与土地覆盖类型的比例 的变化是造成河流水质发生变化的主要原因( d e l r e g n o 等，1 9 8 8 ；s i v e r t u n 等， 1 9 8 8 ) 。很明显，不同的土地利用与土地覆盖形式，象林地、农田和城镇会对水 质产生不同的影响，不管是地表水还是地下水都是如此在对密歇根州西南部的 r o u g e 河流域的研究中，人们发现土地利用形式的改变，特别是工业化的发展使 得大量的重金属和有机化学物质排入地下，这不仅造成了对浅含水层的污染，而 且还对r o u g e 河的水质产生了很恶劣的影响( m u r r a y 等，1 9 9 9 ) 此外，在对于 土地利用与土地覆盖类型的空间布局是否会对水质产生影响的研究上，现在国际 上仍然还在进行着探讨和研究，一些研究者认为在流域内部靠近河流处的土地利 用类型对河流水质的影响要显著于流域上部的土地利用类型( o s b o r n e 等，1 9 8 8 ； w i l k i n 等，1 9 8 3 ) ，但是另外的一些研究者则认为在大流域里因为水文环境的多 样性使得流域上部的土地利用类型与靠近河流处的土地利用类型在对河流水质 的影响上，它们的重要性是一样的( o m e m i k 等，1 9 8 1 ) ，此外在土地利用与土 地覆盖类型空间布局对水质所产生的影响程度大小上，也是有着多种的说法 ( h u n s a c k e r 等，1 9 9 5 ) 1 3 4 土地利用与土地覆盖变化对生态系统影响 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炭与氦之类的养分，对营养成分在土壤、 大气与水中的分布有着重要影响，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。 土地利用与土地覆盖变化在群落水平上的影响 具体地说，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、物种的灭绝与引进以及养分与水汽通道的改变使得大面积上的植物群落 的组成发生很大的变化，同时使得自然群落的发展演替过程受到极大地干扰和破 坏( o j i m a 等，1 9 9 4 ) 在对法属圭亚那m o n t a g n e d e k a w 地区的研究中，人们发现，由于热带雨林 的砍伐以及公路的修建使得当地的鸟类群落的结构和组成上受到了极大地影响， 总的来说，当地鸟类的物种丰度与分布的均匀度都在不同程度的减少，其中有 1 1 8 种鸟类的丰度在下降，4 5 种鸟类的丰度维持不变，但同时也有8 9 种鸟类的 丰度在增加，其中不少还是新出现的种类。同时在群落的物种组成上受到干扰地 区与未受干扰地区相比，二者之间的相关性很小，前者之中只有1 8 的种类与后 者相同，而其余的种类则是与新的土地利用类型相适应的种类。研究也发现各种 鸟类受到这种变化影响的程度是与各种鸟类对自然生境的需求、饮食习惯以及体 型的大小有着很大的关系的( t h i o l l a y ，1 9 9 9 ) 。 土地利用与土地覆盖变化在生态系统水平上的影响 在生态系统的水平上，h o u g h t o n 研究表明，由于土地利用方式的改变，现 全球陆地表面3 2 的面积成为了耕地和牧场，并且过半数的面积是在过去的1 0 0 多年期间增加的( h o u g h t o n ，1 9 9 4 ) 这种改变必然会对生态系统的结构和功能 产生极大地影响。目前国际上在这方面的研究主要集中于对生态系统系统功能方 面的物质循环与能量流动的研究之上。 对生态系统能量流动影响的研究 有关土地利用与土地覆盖变化对生态系统能量流动影响的研究主要集中于 对生态系统初级生产量( n p p ) 的研究上，做为由生态系统的结构( 植被分布与 季相) 与功能( 生物地球化学循环) 以及诸如太阳辐射、大气c 0 2 浓度、温度、 降水、土壤肥力之类的环境变量共同决定的生态系统净初级生产量( n p p ) ，必 然会受到土地利用与土地覆盖的变化的影响，这种影响可以分为直接影响和间接 影响两种类型。直接影响即是由于生态系统类型发生改变而直接使生态系统初级 生产量发生的变化；而间接影响则是指土地利用与土地覆盖变化所导致的自然环 境的变化对生态系统初级生产量产生的间接影晌，现今国际上对于初级生产量的 研究也主要集中于此，即是研究在c 0 2 浓度、温度以及降水量等自然环境要素 发生改变的情况下生态系统的初级生产量会受到怎样的影响，这也是全球变化对 碳循环影响的主要研究内容。 对生态系统碳、氮循环以及其他痕量元素交换影响 由于天然生态系统特别是森林生态系统是全球碳循环中一重要的碳库，土地 利用与土地覆盖的变化，使得原来固定在植物及土壤中的碳以c 0 2 、c h 4 的形 式大量散发至大气当中，成为大气中温室气体含量的持续上升的主要来源之一， 早在1 9 7 7 年，b o l i n ( 1 9 7 7 ) 、w o o d w e l l 与h o u g h t o n ( 1 9 7 7 ) 的研究表明自然生 态系统特别是森林生态系统的破坏并替代以农业生态系统所散发入大气的c 0 2 6 量相当于化石燃料燃烧所产生的c 0 2 量，其中尤以热带雨林地区为最。现今对 土地利用与土地覆盖变化对碳循环的影响，特别是对于如何精确地对土地利用与 土地覆盖变化引起的c 0 2 释放量进行测算，己成为国际全球变化研究中的一个 主要议题。通过模拟热带地区土地利用的变化以及对森林砍伐前土壤碳量、不同 土地利用类型之问的碳量的变化，以及森林的转化方向等资料的掌握，d e t w i l e r ( 1 9 8 6 ) 计算出1 9 8 0 年热带雨林生态系统由于森林砍伐所释放出的c 0 2 量达到 1 0 - 1 5 x 1 0 1 5 9 。 此外，全球碳循环与氮循环通过陆地和海洋生物量的合成、分解以及积累连 结在一起，而且在生物地球化学过程中碳氮比的相对固定也使得其中一种元素的 变化必然会使得另一种元素也要相应发生变化。然而近年来土地利用与土地覆盖 的变化极大地改变了碳循环与氮循环之间的天然联系，一方面化石燃料的燃烧以 及化学肥料的施用使得输入进生物圈中的人造氮素的量大为增加，其中单是在亚 洲预计到2 0 2 0 年这方面就会增加4 0 ( g a l l o w a y 等，1 9 9 5 ) ，但在另一方面本 应响应这种增长而增加在生物圈中的储藏量的碳素却在森林与湿地处不断损失 而仅在农田增加，这样使得碳循环对于氮素的增加越来越不敏感( a s n e r 等， 1 9 9 7 ) 另外土地利用与土地覆盖的交化还使得p 、s 等元素的平衡与稳定也受到了 很大影响，据报道，参与全球生物地球化学循环磷元素的潜在速度在本世纪就增 加了数百万倍。 土地利用与土地覆盖变化在景观水平上的影响 在景观水平上，土地利用与土地覆盖的变化会使得景观类型以及结构发生改 变在对日本广岛市古川河沿岸的城市化地区的研究表明，在从1 9 6 6 年至今的 三十多年间，随着农业化和城市化的发展，该地区的景观类型的动态可以分成三 个阶段，总的趋势是从林地到农业用地最后再到城镇用地。在景观类型改变的同 时，该地区景观结构也相应发生了变化，其中农业嵌块体数目增加而规模减小， 人工植被嵌块体在保持着嵌块体平均规模的同时数量在不断增长，而滨岸森林嵌 块体则是在平均规模减小的同时，其形状指数不断增加，嵌块体也日渐狭长 ( t a n i m o t o 等，1 9 9 9 ) 。 1 3 5 土地利用与覆盖变化对资源利用的影响 土地利用与土地覆盖变化对人类资源利用的影响主要体现在由于土地利用 7 与土地覆盖的变化使得若干种类资源( 耕地资源、水资源、森林资源、草场资源 等) 的存量发生变化，从而对人类社会产生影响，并对人类环境的安全造成威胁 目前尤以耕地资源总量变化所造成的粮食安全问题特别是中国的粮食安全问题 引起国际上最为广泛的关注。美国学者8 r o w n ( 1 9 9 5 ) 出版的专著w h o w i l l f e e d c h i n a ? 中认为，由于中国人口的不断增加，加上耕地资源的不断减少以及退化， 到下一世纪，中国粮食的生产将远远满足不了人口对粮食的需求，从而使得中国 将不得不严重依赖国际粮食市场，从而对国际粮食市场乃至整个国际社会的正常 秩序均将造成严重的影响。此书一经发表即在国际上带来很大的争议，并使得中 国的粮食安全问题引起了国际上广泛地关注 1 3 6 土地利用与覆盖变化对自然灾害的影响 近些年来，世界各国的自然灾害不断加剧，国内外许多学者都在致力于探索 灾害加剧的根源，众说纷纭。戴昌达等人( 1 9 9 8 ) 研究认为导致洪涝灾害影响加 剧最大最直接的因素首先是随着人口膨胀，大面积砍伐森林，大规模垦殖坡地， 自然植被覆盖率大幅度下降，促使水土流失面积扩大，程度加强，地表径流增多。 每当一场大、暴雨后，降雨的大部分没有自然植被的截流与保护，迅速夹带表层 泥沙注入江、河、湖、库。一方面增大当时的洪峰流量，另一方面，从山坡上冲 刷下来的泥沙淤塞河道及湖泊水库，降低河流行洪能力和湖泊调蓄洪水容量。史 培军教授等人( 1 9 9 9 ) 则通过以北方农牧交错带中段、深受旱灾影响的内蒙古乌 兰察布盟为案例的研究，认为土地利用变化不仅影响区域灾情的结构与类型，而 且还深刻影响其灾情程度，并认为调整土地利用结构是一种有效的减灾措施。 以上从六个方面探讨了土地利用与土地覆盖变化对生态安全的影响，必须指 出的是，这些影响的重要性程度是各不相同的，而且对于不同的研究尺度以及研 究领域也还存在着差别。一般而言，如果从宏观尺度出发研究土地利用与土地覆 盖变化对生态安全的影响，应着重考虑土地利用与土地覆盖变化对气候等宏观因 素的影响，而在本文所要研究的尺度上，相对于研究的区域而言，土地利用与土 地覆盖变化即土地利用结构及其配置的变化对生态安全的影响主要体现在对生 态系统、土壤以及土地资源利用的影响上，通过对这些方面的研究，即可确定当 地的生态安全状况，同时通过对这些方面的改造，可以有效地提高研究区域的生 态安全水平，实现社会经济系统与自然生态系统的可持续发展。 1 4 研究内容与目的 本文即是生态学理论以及g i s 、遥感技术等手段相结合，通过对青海省西宁 市土地利用变化的研究探询其中的变化规律，并且在前面研究的基础上以内蒙古 扎鲁特旗为对象研究地覆盖，利用变化对生态环境的影响，并由此引出对生态 安全概念的研究。将进行以下方面的研究工作： 1 4 1 研究区土地利用覆盖变化状况 利用e r d a s 、m a p i n f o 、a r c i n f o 等遥感、g i s 软件，通过对1 9 8 7 年、 1 9 9 6 年和2 0 0 2 年3 景卫星影象进行的分类，确定出两个时期的土地利用，覆盖状 况，在此基础上建立起土地利用覆盖变化的转移矩阵，阐明西宁市土地利用覆 盖变化的具体情况。 1 4 2 研究区生态安全状况的评价 首先运用d e m 模型、土壤与水文数据以及相关资料复原研究区的原始自然 景观，在此基础上对研究区生态系统的演化进行研究。 其次运用克里格法差值出研究区的土壤养分的空间分布图，并根据内蒙古 自治区第二次土壤普查技术规程中的土壤养分分级标准将研究区高中低肥力类 型区 再通过计算研究区植被的n d v i 值，研究研究区植被的生产力水平以及生长 状况，并据此将研究区植被分为生长状况良好的区域以及退化的区域。 最后将以上三方面的内容叠加，得出对研究区的生态安全状况的评价值。 9 第二章西宁市土地利用覆盖变化状况分析 改革开放以来，随着经济的发展，人口的增多，以及南北山绿化项目的开展， 西宁市的土地利用覆盖状况发生了很大的变化通过对西宁市不同时期遥感图 像的分类研究，获得对西宁市土地利用覆盖变化状况的分析。 2 1 遥感图像分类 2 1 1 资料来源 本文收集的遥感图像资料包括1 9 8 7 年9 月9 日、1 9 9 6 年8 月1 6 日的2 景 ( 1 3 2 3 5 幅) i m 影像资料以及2 0 0 2 年7 月2 8 日的s p o t 影像资料，其覆盖范 围涵盖西宁市全境。 表2 - 1 遥感影像一览表 另外备有地形图、西宁市土地利用图及其它辅助图件，同时收集有研究区气 候、土壤、植被等自然状况资料。 2 1 2 研究区t m 与s p o t 数据的一般特征分析 t m 图像资料包含着十分丰富的地表信息，不同的波段适用于不同地物的分 类和探测表2 给出了t m 各个波段的光谱范围、地面分辨率及其主要用途。从 表2 中可知，t m 5 最大，t m 2 最小( 由于t m 6 是热红外波段，分辨率低，与其 他几个波段的信息量不处在一个数量级，因而未予考虑) ，这与占较大比例地表 覆盖的植被及土壤的光谱值波段分布规律是一致的。通过各波段光谱值的标准差 比较，t m 5 的标准差最大，表明在t m 5 的波段范围内，不同地物的影像反差最 大，可识别区分的地类较多。本研究选用1 m 4 、t m 5 、t m 3 ，分别对应于r 、g 、 b 合成图上进行分类。s p o t 图像则以s p