1、土地利用和土地覆蓋變化研究模型綜述擺萬奇趙士洞(中國科學院國家計劃委員會自然資源綜合考察委員會北京100101提要本文綜述了全球變化研究中土地利用和土地覆蓋變化(LUCC的主要模型,重點介紹了植被模型和引入社會驅(qū)動力的LU CC 模型,并歸納出LUCC 模型的以下發(fā)展趨勢:¹新一代的LU CC 模型應該能夠模擬LU CC 的主要社會經(jīng)濟和自然驅(qū)動力,包括從LUCC 到驅(qū)動力和全球變化的主要反饋關(guān)系;º具有明確的空間關(guān)系,能夠以適當?shù)目臻g分辨率,比較好地預測長期的(50100a土地利用和覆蓋變化及有關(guān)的生物物理參數(shù),如植被特征、資源的積聚和退化等;»能夠更好地認識L

2、U CC 與其主要驅(qū)動力之間的關(guān)系在局地、區(qū)域和全球尺度上的動態(tài)和后果;充分考慮土地利用和覆蓋變化對政策、技術(shù)進步、人口增長、經(jīng)濟發(fā)展、市場變化等社會變量的靈敏性,此外,還應注意意識、信仰等文化因素的影響;¼發(fā)展新的LUCC 建模方法,使LUCC 模型能夠與其它類型的全球變化模型,特別是氣候模型建立聯(lián)系。關(guān)鍵詞土地利用土地覆蓋全球變化LU CC 模型隨著全球變化研究的深入,人們認識到土地利用和土地覆蓋變化(Land Use /Cover Chan g e,簡稱LU CC是造成全球變化的重要原因。因此,LU CC 正在成為地球系統(tǒng)新的研究重點。LU CC 模型是深入了解土地利用和覆蓋變

3、化復雜性的重要手段,其作用和目的可以概括為:對土地利用和覆蓋變化情況進行描述、解釋、預測和制定對策。描述是指對土地利用和覆蓋變化歷史及現(xiàn)狀的反映與評價;解釋是闡明土地利用和覆蓋格局與其社會和自然驅(qū)動力之間的因果聯(lián)系;預測是根據(jù)土地利用和覆蓋的變化規(guī)律及對自然和社會條件所作的假設,推斷未來的土地利用和覆蓋狀況;制定對策則是根據(jù)一定的標準和諸如環(huán)境保護、經(jīng)濟效率和社會公平等社會目標,進行土地利用規(guī)劃及制訂政策。長期以來,在許多研究領域中,人們從不同的目的出發(fā),構(gòu)造了大量的土地利用和土地覆蓋模型,其中一些模型通過改進可以用來進行全球變化研究。本文從眾多的LUCC 或與LU CC 有關(guān)的模型中選出部分

4、影響較大的模型,對其基本情況進行綜述。最后,對LU CC 模型的發(fā)展趨勢作了展望。1植被模型植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其變化動態(tài)對地球表面與大氣之間的能量轉(zhuǎn)換及重要物質(zhì)的生物地球化學循環(huán)具有決定性的作用,這使得植被模型成為研究最多的一類土地覆蓋模型。傳統(tǒng)的植被模型并不反映實際的植被分布狀況,因為它是根據(jù)抽象出來的/頂極0或/潛在的0植物群落構(gòu)造的。所謂/頂極0群落是指未受任何人類活動干擾,完全在自然條件下演替形成的陸地植物群落。由于這種群落類型在現(xiàn)實中很少存在,因此,據(jù)此構(gòu)造的植被模型及收稿日期:1996-10-24;收到修改稿日期:1996-12-09。自然資源學報JOURNAL O

5、F NAT URAL RE SOU RCES第12卷第2期1997年4月170自然資源學報12卷其應用受到了很大限制。在模型的構(gòu)造方法上,早期大尺度的自然植被模型多是應用氣候相關(guān)法。即根據(jù)溫度、降水等氣候因子與植被的相關(guān)性推算植被分布,如H oldr id g e生命區(qū)分類系統(tǒng)22。這種氣候相關(guān)法所提供的植被圖實際上只是一種氣候衍生圖。由于未考慮土壤、地形和人類干擾等非氣候因子,因而準確性不是很高,特別是在中小尺度上。在隨后的植被建模方法中,物種統(tǒng)計法和生長模型法逐漸取代了氣候相關(guān)法。這類方法對植被變化的生物學動態(tài)加以模擬,同時考慮了土壤、地形等非生物因子。如Solomon和West24應用這

6、類方法模擬了美國東部森林樹種的養(yǎng)分、水分、競爭和出生與死亡情況,并預測了森林對氣候變暖的反應。在類似的工作中,Shu g art和West21采用的是GAP模型。GAP模型是當前研究應用較多的一類生長模型,它將每個植物個體當作獨特的實體加以模擬,考察其在正常情況或受干擾情況下整個生命周期的動態(tài)過程,所有個體組合在一起就可以得到整個群落的結(jié)果。自從美國生態(tài)學家Botkin(1972最先提出GAP模型以來,至今在全球范圍內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)38個應用模型(表1。目前,GAP模型在生態(tài)學、林學、古生態(tài)學及氣候變化等研究中得到了較為廣泛的應用。2引入社會驅(qū)動力的LU CC模型隨著人類活動對土地利用和覆蓋變化的主

7、導作用日益突出,LU CC模型應該更多地考慮社會人文因素。早在1798年,馬爾薩斯建立的人口增長與土地生產(chǎn)力的關(guān)系模型就屬于這類研究,本世紀70年代初,羅馬俱樂部推出的世界模型8、14標志著這方面研究的重新活躍。許多傳統(tǒng)的土地利用模型是以Richardo和Von T hunen的地租理論12為基礎的,研究對象主要是城市土地。這類模型的出發(fā)點是以獲得最大的經(jīng)濟回報作為土地利用的最高目標。從理論上講,任何一塊土地,相對于其自然狀況和位置,總有一種利用方式具有最大的經(jīng)濟收益。一個土地經(jīng)營者可以通過投入產(chǎn)出分析,比較不同土地利用方式的成本與收益,然后決定土地利用。這種土地利用模型屬于經(jīng)典的經(jīng)濟模型,它

8、沒有考慮土地利用對土地覆蓋和環(huán)境的影響,而且對廣大的農(nóng)村地區(qū)也不適用,因此不能直接用于全球變化研究。有關(guān)土地利用和覆蓋變化與各種動因之間關(guān)系的研究,過去多是采用相關(guān)分析法。由于相關(guān)分析反映的只是二者基本的變化趨勢,并未說明其中的因果關(guān)系,因此,這種方法具有很大的局限性。為了深入了解土地利用和覆蓋變化的內(nèi)部機制,人們采用了其它一些理論方法,目前比較活躍的是所謂的/社會驅(qū)動力思想017,即在LU CC模型中引入社會驅(qū)動因子。將環(huán)境變化(包括土地利用變化與其多種社會驅(qū)動力聯(lián)系在一起的著名例子是Ehrlich 的公式4:I=PAT該公式表明,環(huán)境變化(I是人口(P、貧富狀況(A和技術(shù)(T共同作用的結(jié)果

9、。該公式所反映的只是一種高度抽象情況下的土地利用變化與社會驅(qū)動力的關(guān)系,并不能說明更多的具體問題。Riebsame等18在研究美國大平原地區(qū)農(nóng)業(yè)過程中建立了1個綜合土地利用模型。模型包括了人類環(huán)境中的驅(qū)動力、自然環(huán)境中的驅(qū)動力、土地利用決策過程和生態(tài)過程4部分。該模型的自然環(huán)境方面由氣候、土壤、生物地球化學循環(huán)等傳統(tǒng)因子組成,人類環(huán)境方面包括了政策、經(jīng)濟(如需求、輸入成本和商品價格和技術(shù)等范圍廣泛的社會驅(qū)動力。國際應用系統(tǒng)分析研究所(I IASA建立的世界糧食與農(nóng)業(yè)系統(tǒng)全球模型6是一個將農(nóng)業(yè)171注:表中模型主要引自文獻28,有增加。與其它經(jīng)濟部分之間的復雜關(guān)系以模型方式表現(xiàn)出來的嘗試。它由以

10、福利經(jīng)濟學和經(jīng)濟學中的應用一般均衡(A pp lied General E q uilibr ium原理為基礎的一系列國家模型所組成。該模型表1國際上已經(jīng)發(fā)表的GAP 模型T able 1T h e GAP models pub lish ed in the world序號模型名稱所應用的生態(tài)系統(tǒng)文獻索引(作者1FORT NIT E 威斯康星闊葉混交林Aber &Melillo,19822L OKI 北美云冷杉林Bonan,19893JABOWA 美國北方闊葉林Botkin et al.,19724JABOWAI I 美國北方闊葉林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美國西北地區(qū)針葉林Dale &H emstrom,19849贊比亞森林Desank er &Prentice,199310FOREN Z 新西蘭森林Develice,198811FORICO 波多黎各山地雨林Do y le,198112SMAFS 加拿大東部闊葉混交林El Ba y oumi et al.198413OVAL IS 阿拉斯加櫟樹山核桃林Harrison

12、 &Shu g art,199014SILVA 針葉混交林Kerch er &Axelrod,198415FORECE 歐洲中部森林Kienast &Ku hn,198916FORSKA 斯堪的納維亞森林Leemans &Pr entice,198717E XE溫帶與寒帶森林過渡帶Martin ,199218非洲西部濕潤疏林草原Menaut et al.,197819FORAR 美國阿肯色松櫟林Mielk e et al.,197820SJABO 愛沙尼亞森林Oja,198321SORT IE 美國北方闊葉林Pacala et al.,199322L INKAG

13、ES 溫帶過渡帶森林Pastor &Post,198623FORFLO 美國南部沖積平原森林Pearlstine et al.,198524SWAMP 美國阿肯色沖積平原森林Phip ps,197925SUCSIM 北美黃杉林Reed,198026KOP IDE 中國東北闊葉紅松林邵國凡,1989b ;Shao et al.,199427K IAMBRAM 澳大利亞亞熱帶雨林Sh u g art et al.,198028BOFORS 歐亞與北美寒帶森林Sh u g art et al.,199229BRI ND 澳大利亞桉樹林Sh u g art &Noble,198130F

14、ORET 美國阿巴拉契南落葉林Sh u g art &West,197731加拿大寒帶森林與苔原過渡帶Sirois et al.,199332FORENA 北美東部森林Solomon,198633FORMIS 密西西比河沖積平原森林T harp,197834OU TE NIQ UA 非洲南部溫帶雨林van Daalen &Shugart,198935FORCAT 美國南部櫟樹山核桃林Waldrop et al.,198636FORNU T 阿巴拉契闊葉林Wein stein et al.,198237CH ANGFOR 中國長白山針闊葉混交林趙士洞、延曉冬,199538N EW

15、COP 中國溫帶針闊葉混交林延曉冬、趙士洞,1996系統(tǒng)包括了人口及其在城鄉(xiāng)間的遷移動態(tài)、社會-經(jīng)濟因素、資本積累和對全國供求及農(nóng)業(yè)土地利用影響很大的市場條件。近來,有人把一系列作物模型11結(jié)果與IIASA 模型結(jié)合在一起,預測氣候變化對世界糧食的供求、貿(mào)易等可能產(chǎn)生的影響7、19、20。盡管這些研究相當詳細,并2期擺萬奇等:土地利用和土地覆蓋變化研究模型綜述172自然資源學報12卷 圖1IMAGE 2.0的結(jié)構(gòu)圖F ig.1A str uctural diagram of IMAGE 2.0且覆蓋了廣大地區(qū),但它們僅強調(diào)全球變化對農(nóng)業(yè)的影響,沒有評價其它領域未來的土地利用和覆蓋變化。而且,由

16、于該模型只是把土地作為一種生產(chǎn)要素,所以無法預測土地利用變化的環(huán)境影響。Adams 等1建立的空間平衡模型,就全球變化可能對美國農(nóng)業(yè)的長期影響作了生物經(jīng)濟評價。該模型有兩部分組成:一系列農(nóng)場水平的微觀模型和一個全國模型。模型反映了30個主要農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)與消費。根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者所處的自然和經(jīng)濟環(huán)境對美國63個生產(chǎn)區(qū)的生產(chǎn)行為作了描述。土地利用、勞力和灌溉用水等情況由區(qū)域的供應曲線決定。森林和農(nóng)業(yè)領域最優(yōu)化模型(FASOM是美國林業(yè)和農(nóng)業(yè)領域的一個動態(tài)性、多市場、多階段、非線性規(guī)劃模型10。該模型采用了11個供應區(qū)和1個全國需求區(qū)的情況,描述了土地在林業(yè)和農(nóng)業(yè)領域中的分配情況。建立該模型的目的是評價

17、土地利用變化給生產(chǎn)者和消費者帶來的經(jīng)濟影響,以及各種林業(yè)政策對市場的影響。由于只考慮1個總的消費者,該模型忽視了收入形成過程。另外,它對土地利用和土地覆蓋變化的空間動態(tài)以及資源的積累或退化過程注意不夠。IMAGE 2.0(Inte g rated Model to Assess the Greenhouse Effect模型是一個比較清楚地描述土地利用和土地覆蓋變化的全球綜合系統(tǒng)2,它包括了一個由農(nóng)產(chǎn)品需求變化所驅(qū)動的土地覆蓋變化模塊(圖113、27。IMAGE 2.0用于模擬大氣中溫室氣體的動態(tài)變化,解釋地球系統(tǒng)中的主要相互作用。它試圖為在農(nóng)業(yè)需求、植被情況、土地覆蓋變化和生物圈大氣圈的溫室

18、氣體交換等方面構(gòu)造全球變化模型提供一個框架。IMAGE 2.0的總體目標是以一種地理關(guān)系明確的形式,把全球能源和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的人類活動與氣候和生物圈的變化聯(lián)系起來。CENT URY 15、16是一個影響較大的生態(tài)模型,通過輸入降水、氣溫、土壤質(zhì)地以及土地經(jīng)2期擺萬奇等:土地利用和土地覆蓋變化研究模型綜述173營措施等因子,可以模擬植物生產(chǎn)、土壤有機質(zhì)動態(tài)和養(yǎng)分循環(huán)。它曾被用于溫帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、熱帶草原疏林,以及溫帶和熱帶森林系統(tǒng)。CENT URY的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)模型綜合了氣候、土壤和耕作活動,曾經(jīng)為一個農(nóng)業(yè)土地利用模型模擬生態(tài)過程。由于這一農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)模型需要土地利用作為輸入項,因此,它可以將社會

19、過程與生態(tài)過程很好地聯(lián)系起來。在全國和區(qū)域尺度上,有一些森林模型考慮了土地利用和覆蓋變化中的社會經(jīng)濟驅(qū)動力,尤其是人類定居和森林砍伐的影響3、9、25。其中一些模型包含有明確的空間關(guān)系和反饋的關(guān)系,用以模擬土地利用對可持續(xù)發(fā)展的影響。但總的說來,在許多模型中,反饋關(guān)系多是單向的,即主要考慮社會經(jīng)濟條件對自然狀況的影響,而很少考慮自然條件的變化對社會經(jīng)濟的影響。3LUCC模型的發(fā)展趨勢以上介紹的是一些主要的LU CC或與LU CC研究有關(guān)的模型,由于這些模型建立的出發(fā)點和所要解決的問題各不相同,因此難以滿足對全球變化中土地利用和土地覆蓋變化問題研究的需要。從認識LUCC在全球變化中的作用以及與全

20、球變化研究的其它方面相聯(lián)系的要求出發(fā),今后LUCC模型的發(fā)展有以下趨勢:¹新一代的LU CC模型應該能夠模擬LUCC的主要社會經(jīng)濟和自然驅(qū)動力,包括從LU CC到驅(qū)動力和全球變化的主要反饋關(guān)系;º具有明確的空間關(guān)系,能夠以適當?shù)目臻g分辨率,比較好地預測長期的(50100a土地利用和覆蓋變化及有關(guān)的生物物理參數(shù),如植被特征、資源的積聚和退化等;»能夠更好地認識LUCC與其主要驅(qū)動力之間的關(guān)系在局地、區(qū)域和全球尺度上的動態(tài)和后果;充分考慮土地利用和覆蓋變化對政策、技術(shù)進步、人口增長、經(jīng)濟發(fā)展、市場變化等社會變量的靈敏性,此外還應注意意識、信仰等文化因素的影響;

21、8;發(fā)展新的LU CC建模方法,使LU CC模型能夠與其它類型的全球變化模型,特別是氣候模型建立聯(lián)系。為了提高LUCC模型的預測能力,IGBP/IHDP的LU CC研究計劃提出了兩條途徑。一是對現(xiàn)有的從區(qū)域到全球尺度的農(nóng)業(yè)、草地和林業(yè)模型進行評估,補充修改后用來預測短期的(23a土地利用和覆蓋變化。現(xiàn)有的許多全球農(nóng)業(yè)和植被模型考慮的多是與農(nóng)作物有關(guān)的土地利用和覆蓋變化,對森林和牧地考慮不夠,而且通常很少把經(jīng)濟生產(chǎn)與生物物理過程聯(lián)系起來。這些模型更多地強調(diào)土地利用和覆蓋的擴大5,而現(xiàn)有的研究表明,在全球和區(qū)域水平上,除了熱帶地區(qū),近幾十年來,擴展性的土地覆蓋變化已經(jīng)減緩,將來的主要問題可能是集約

22、型的土地利用變化所帶來的生物物理和生物地球化學影響。現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)模型可以與一些森林、畜牧和生物物理過程模型結(jié)合起來,對這種集約性趨勢提供短期的預測,這樣就可以增加現(xiàn)有模型的預測能力和范圍,使它們在模型建設中發(fā)揮新的作用。其次,LU CC建模工作的長期目標是建立具有良好的理論基礎和靈活性,能夠把各種方法結(jié)合在一起的新的模型系列。在世界范圍,土地利用和覆蓋變化受市場的影響越來越大,因此,以經(jīng)濟理論為基礎建立新模型是一個很好的思路。LU CC驅(qū)動力及其變化對土地利用和覆蓋的影響在不同尺度上具有不同的表現(xiàn),因此,在構(gòu)造區(qū)域或全球LU CC模型中,必須仔細考慮驅(qū)動力的類型、空間特征和時間尺度等問題,建立的

23、模型應能夠說明在區(qū)域、國家和全球水平上的相互作用。參考文獻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 資 源 學 報 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

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