土地利用变化的生态环境效应研究

收稿日期:2001-07-05;修订日期:2001-12-25基金项目:国家自然科学基金资助项目(49901017)。

作者简介:秦丽杰(1966-),女,副教授,主要从事资源与环境方面研究。

文章编号:1000-0690(2002)04-0508-05土地利用变化的生态环境效应研究
———以前郭县为例
秦丽杰,张　郁,许红梅,刘湘南
(东北师范大学城市与环境科学学院,吉林长春130024)
摘要:随着人口的增加及经济的发展,人类对土地利用模式的改变更为显著,导致了土地资源生态环境背景的变化。

对土地利用变化的生态环境效应进行研究,可改善农业生产条件和人类生存环境,促进区域经济与生态环境协调发展。

关　键　词:生态环境效应;土地退化;水质污染;生物多样性中图分类号:F301.2/X 24 文献标识码:A
土地利用变化可引起许多自然现象和生态过程的变化,研究土地利用变化及其对生态环境的影响,对于了解区域生态环境乃至全球环境变化具有重要的意义[1]。

前郭尔罗斯蒙古族自治县(简称前郭县)位于吉林省西北部,地处松辽平原的东端、松嫩沙地的边缘,介于124°10′～125°02′E 、44°18′～45°28′N 之间,属半湿润半干旱过渡区,是北方农牧交错带、环境演化的敏感地带。

松花江、嫩江分别流经本县的东部和北部,中北部地区还有大小泡沼近200处。

自然植被为草甸草原,地带性土壤为黑钙土。

前郭县是以农为主、农牧并举的县份。

全县总人口52.62万,农业人口42.75万,占总人口的81.2%。

农业总产值153860万元,占全县国民生产总值的48.3%。

牧业总产值为64686万元,占国民生产总值的20.3%。

农产品以玉米为主,产量占粮食总产量的52.3%。

随着农作物布局的调整,水稻的播种面积逐年扩大,产量不断增加。

1　土地利用变化的基本模式
由于不同时期人们对土地资源利用方式的差
异,导致了土地利用时空模式的变化。

这种变化既包括土地资源数量、质量随时间的变化,也包括土地利用空间格局的变化及土地利用类型组合方式的变化[2]。

本文就前郭县土地利用在数量和空间
格局上的变化予以讨论。

1.1　土地利用类型数量上的变化
前郭县在历史上是我国著名的草场之一,这里草质优良、产量高,经济发展主要依靠畜牧业。

从17世纪中叶开始粗放的农业经营,随着历史的发展,逐渐成为以农为主、农牧并举的县份。

特别是随着人口的增加及经济的发展,前郭县的产业结构不断调整,土地利用模式也不断变化,大面积的土地被开垦为耕地,使自然植被面积不断缩小。

尤其是20世纪80年代中期到90年代中后期,土地利用格局变化较为明显。

本文选取前郭县1986年和1996年的Landsat T M2、3、4三个波段的遥感数据,经过遥感数据的处理、校正并结合相关专题图件和统计数据,得到前郭县1986年、1996年土地利用现状图。

对1986年和1996年的前郭县土地利用图进行统计分析,得出1986～1996年前郭县土地利用的变化趋势(表1、表2)。

1986年前郭县土地利用的主要类型为旱田和
草地,旱田面积占前郭县土地面积的46.5%,斑块数占斑块总数的3.8%;草地面积占前郭县土地面积的22.7%,斑块数占4.8%。

林地、水域、居工地、未利用地、水田的总面积占全县土地面积的30.8%,而斑块数则占91.4%,特别是林地和居工地,其面积分别占全县土地面积的6.5%和4.4%,而斑块数则分别占34%和46%。

1996年前郭县
第22卷第4期2002年8月
地　理　科　学SCIE NTI A GE OG RAPHIC A SI NIC A V ol.22　N o.4
Aug.,2002
表1　1986～1996年前郭县土地利用面积变化表(km2)
T able1　Change in area of land use in Qian G orlos C ounty in1986and1996(km2)
林地草地水域居工地未利用地水田旱田1986393.971368.74461.50262.79385.48350.972806.01 1996313.19882.26482.46259.72630.03563.482898.31变化(%)-20.5-36.6+4.5-1.2+67.0+60.6+3.3
表2　1986～1996年前郭县土地利用类型斑块数及平均面积变化表
T able2　Patch numbers and average area change of land use types in Qian G orlos C ounty in1986and1996
林地草地水域居工地未利用地水田旱田
斑块数(个)1986年
1996年
变化%
463
798
74.2
65
185
184.6
47
116
146.8
629
687
9.2
85
159
87.1
21
28
33.3
52
87
67.3
平均斑块面积(km2)1986年0.94921.51610.0410.393 4.46316.71554.686 1996年0.518 4.768 4.1620.379 4.03119.71133.325变化%-45.3-77.8-58.6-3.6-9.717.9-39.1
土地利用类型仍以旱田和草地为主,其中旱田面积占全县土地面积的48.1%,斑块数占斑块总数的4.2%;草地面积占14.6%,斑块数由65个增加到185个,占斑块总数的9%。

而未利用地和水田的面积大幅度增加,分别占全县土地面积的10.5%和9.3%,并且水田的平均斑块面积扩大。

可以看出,1986～1996年前郭县的草地和林地面积明显减少,未利用地和水田面积扩大。

1.2　土地利用空间格局的变化
对比分析1986～1996年前郭县各土地利用类型的面积、斑块数、平均斑块面积,可以看出,1986年旱田和草地不仅是前郭县的主要土地利用类型,而且其分布大面积集中连片。

而林地、水域、居工地、未利用地、水田不仅分布面积小,而且分布较分散;1996年旱田和草地虽然仍是主要土地利用类型,但其斑块面积较1986年明显减少,尤以草地更为突出,分布趋向于分散,破碎化程度加大。

而未利用地和水田的面积扩大,未利用地的分布仍较分散,水田的分布却呈集中连片的分布趋势。

利用马尔柯夫模型对1986～1996年前郭县的土地利用过程进行模拟[3],各土地利用类型之间的转化可解释这一期间各土地利用类型面积的增减情况。

在1986～1996年期间,未利用地增加主要是由于有大面积草地在这一期间转化为未利用地,转化面积为308.229km2,而未利用地转化为其它土地利用类型的总面积为191.808km2;水田面积的增加主要是由于大面积的旱田和未利用地转化为水田,转化的总面积为197.297km2,而水田转化为其它土地利用类型的面积总和仅为31.996km2;草地减少主要是由于有538.508km2的草地转化为未利用地和旱田,而其它土地利用类型转化为草地的仅为144.192km2;林地的减少主要是由于有172.423km2林地转化为旱田和草地,而其它土地利用类型转化为林地的面积仅为90.687km2;水域、居工地面积变化不大主要是因为这两种土地利用类型与其它土地利用类型之间的转化较少,而旱田与其它土地利用类型之间转化虽然较多,但转化面积几乎相等,所以面积变化不大。

在研究时段内,土地利用的动态变化以林地转化为旱田、草地转化为未利用地和旱田、未利用地转化为水田为主。

2　土地利用变化的生态环境效应随着人口的增加和科技的进步,人类对土地资源的利用更具有能动性和调控力,使得土地利用变化导致许多生态过程的变化[4],引起生态环境恶化。

前郭县生态环境的脆弱性,使土地利用变化更易引起生态环境的变化。

2.1　土地退化
不合理的工农业生产活动,极易使生态环境脆弱区的土地退化程度加重[5]。

自1949年以来的50年内,前郭县人口翻了近两番。

由于人口的增加,使人均占有土地资源水平锐减,结果必然导致土地资源开发利用规模与强度的不断扩大,造成对土地资源的过度开发利用[6],其中主要表现在滥垦、滥牧、滥樵等方面。

过去由于受片面追求粮食生产的
905
4期 秦丽杰等:土地利用变化的生态环境效应研究
错误思想指导,盲目毁草开荒,有的实行“撂荒轮耕”的破坏性耕垦,特别是大跃进时期,将相当部分宜牧草原垦为耕地,致使土地沙化、盐碱化面积增加,投资效益微薄[7]。

20世纪80年代末以来,滥垦、滥牧、滥樵的强度不断增大,人们只重视眼前利益、忽视长远利益,重视经济效益、忽视生态保护,毁林毁草开荒、大耙搂草烧柴、超载过牧、盲目实施农田灌溉等现象日益严重,结果导致土地沙化、盐碱化程度不断加重。

例如,不合理的灌溉是前郭县土壤盐碱化形成的一个重要因素。

在前郭灌区,由于渠系设施和排水站建设不配套,有灌无排、渠道渗漏等原因,灌区渠系水利用率不到50%,大量的渠系输水损失掉,补给地下水,导致地下水位升高,在强烈的蒸发作用下盐分聚积于地表,形成土壤盐碱化。

1986～1996年,由于土地利用结构和空间格局的变化,使土地退化面积扩大,而且退化程度有所加重。

例如,退化林地面积由7.59×104hm2增加到8.27×104hm2,其中轻度退化林地从4.48×104hm2减少到4.3×104hm2,严重退化林地面积由3.11×104hm2增加到3.97×104hm2;退化草地面积由10.04×104hm2增加到10.65×104hm2,其中,轻度退化草地由8.23×104hm2减少到6.49×104 hm2,严重退化草地由1.81×104hm2增加到4.16×104hm2;沙化面积由9.7×104hm2增加到10.9×104hm2;盐碱化面积由8.84×104hm2增加到11.88×104hm2,其中,轻度盐碱化面积由5.17×104hm2增加到6.93×104hm2,重度盐碱化面积由3.67×104hm2增加到4.95×104hm2。

2.2　水质污染加重
随着前郭县农田面积的扩大,灌溉用水量也相应增加。

例如,前郭灌区灌溉用水量20世纪50年代为1×108m3/a,而90年代中期则为3.45×108 m3/a。

有效灌溉面积占耕地的比重由80年代中期的16.1%上升为90年代中期的22.54%[8]。

这一方面增加了作物产量,另一方面农田退水携带着大量农药、化肥及其他污染物进入水体,造成水源污染,水质下降。

前郭灌区引松花江水为灌溉水源,松花江中的大量污染物被引入灌区内,首先直接影响灌区地面水水质,其次由于灌溉水大量入渗,把污染物也带入地下水中。

其中石油类、挥发酚、锰、铁等污染物与松花江干流中污染物类一致。

同时灌区内农民为了达到农作物高产、稳产,大量使用化肥、农药,化肥的施用量由20世纪80年代中期542.18kg/hm2,上升为90年代中期863.6kg/ hm2[8]。

农药的使用量也不断增加,90年代中期农药使用量为3.7～4.55kg/hm2。

而化肥、农药的有效利用率只有20%左右,其余的都进入地面水、土壤、地下水,加重了水质污染。

如灌区地面水氨氮普遍超标、地下水中亚硝酸、总磷等污染物超标就是大量施用化肥引起的。

根据前郭灌区15个地面水水质断面的监测资料(表3),按《地表水环境质量标准》GHZ B1-1999中的Ⅲ类水标准进行计算(前郭灌区内地面水主要用于灌溉和渔业生产,不作为饮用水),各监测断面的悬浮物、氨氮都超标,最大超标倍数分别为10.8、3.85;四家泡子、查干湖入口、查干湖中央、库里泡等挥发酚均超标;BOD、pH值、石油类等部分地区也超标。

表3　前郭灌区地面水平水期水质监测表(1996年) [单位:mg/L(pH值除外)]
T able3　Surface water quality m onitoring in comm on periods in Qian G orlos irrigated area(1996)
项目pH SS BOD氨氮挥发酚As Pb Cd石油类引松首闸下1km7.689 3.80.940.0030.0030.0080.0000.006新坝址7.652 1.60.600.0020.0030.0080.0000.08引松四家桥下1km7.890 3.70.970.0030.0030.0090.0000.007四家泡子7.6119 1.60.590.0070.0030.0060.0000.004新庙泡入口处7.788 3.60.950.0030.0030.0080.0000.006查干湖(中央)8.3107 1.80.570.0080.0030.0060.0000.04查干湖(入口)8.5108 1.90.590.0080.0030.0060.0000.04库里泡7.5118 1.60.590.0070.0030.0060.0000.004畜牧场7.634 1.70.600.0020.0020.0090.0000.14泔水缸7.636 1.90.610.0020.0030.0110.0000.15一总干前乾桥下8.712 5.40.260.0041<0.007<0.01<0.0040.097七门吐下游8.6532 3.20.330.0038<0.007<0.01<0.004<0.05七门吐上游8.4830 3.00.210.0049<0.007<0.01<0.004<0.05五泄干下游7.8307.2 1.540.0026<0.007<0.01<0.0040.051五泄干上游7.518 5.80.820.0025<0.007<0.01<0.0040.05 015 地 理 科 学 22卷
随着灌溉用水量的增加,灌溉水对地下水的补给量也大大增加,前郭灌区由20世纪50年代年均入渗补给量0.16×108m3/a上升到90年代年均入渗补给量0.52×108m3/a。

目前,灌区内井水多具锈色(置1～24h后),普遍有不同程度的腥臭味。

根据灌区内16个地下水水质监测井的监测数据,按《生活饮用水卫生标准》G B5749-85进行评价(表4),可以看出,灌区地下水污染物复杂,污染严重。

其中,挥发酚超标率为100%,总铁、总磷、锰、碱度、铵、亚硝酸盐、BOD5等超标率也很大。

在16个监测井中,每口井超标的污染物均在4种以上。

对比1985年灌区地下水监测资料,挥发酚含量上升26.9%,潜水中铁的最大含量由3.60mg/L上升到45mg/L,形成高铁潜水。

因此,灌区地下水已受到严重污染,不适合作居民饮用水。

2.3　生物多样性降低
随着40多年的开发,前郭县已发展成为我国重要的商品粮基地。

原来复杂多样的自然植被大部分被农作物取代,使区域内水分、土壤条件都发生了较大变化,未被开垦的自然植被演替规律亦受到一定干扰,导致区域内生物种类减少、生物多样性降低。

特别是随着农药、化肥施用量的增加,土壤肥力下降,环境污染加重,以及不合理地开发利用土地资源,使土地退化的面积扩大、程度加重,这些都对生物多样性产生严重的影响。

同时,随着土地利用结构的改变,景观中斑块数明显增加,平均斑块面积减少,景观破碎化程度加大。

1986～1996年期间,景观斑块数由1387个增加到2068个,平均斑块面积由4.423km2减少到2.965km2,破碎度由0.07增加为0.11。

景观的破碎化对于物种
表4　地下水各污染物单项指数及指数均值(1996年)
T able4　S ingle index and average index of groundwater pollutant(1996)
监测井位置总铁总磷挥发酚锰BOD5石油类亚硝酸盐碱度铵汞
G1崔家屯50 3.52 1.759.3 1.375 1.0620.817.65 1.4 G2木头西北村50 3.13 2.248.20.8 1.48140.887.6<1
G3前疙瘩屯76.6 2.0 1.3523.30.375 1.047.5 1.0515.8<1
G4毛都站36.7 2.56 1.40110.8<10.150.78 1.65<1
G5吉郭村133.3 1.12 2.016 1.25<10.05 1.3415.8<1
G6达里巴村150 1.28 2.216.60.7<10 1.2712.2<1
G7新立屯 6.670.48 2.4500.6 1.620 1.560<1
G8二莫村0.50.32 2.050 1.1 1.20 1.420<1
G9单家围子村23.3 1.04 1.8540.525 1.440.5 2.720.85<1
G10实验站30 6.72 1.30 1.375<10.2 1.78 4.55<1
G11芦苇站107.36 1.100.65 1.260.10.880<1
G12后三家子屯80 4.64 1.212.6 1.625 1.82 3.5 1.4415.1<1
G13常家围子村83.37.8415 1.625<122 3.5217.05<1
G14红光农场1 6.56 1.420.8 1.880 1.54 6.25<1
G15吉拉吐村36.67 4.0 1.45 5.32<10 1.69 3.25<1
G16泵水车间1 5.2 1.7510.9 1.70 1.320<1
指数均值48.07 3.61 1.659.64 1.03 3.125 1.5 6.73
超标率(%)93.787.51007543.862.531.257568.75 6.25
的灭绝具有重要的影响,它可以改变斑块间物理环境,如热量平衡、水循环和营养循环。

一方面破碎度加大缩小了某一类生境的斑块面积,会影响到种群的大小和灭绝速度。

另一方面,在不连续的片段中,残留面积的再分配会影响物种的散布和迁移[9]。

例如,大面积旱田改水田,使鼠类由水田区向旱田区迁移,导致水田周边鼠类密度增加。

景观的分维数减小,由1.355减为1.324,表明景观中斑块形状趋于单一,斑块形状的多样性和复杂性降低,对物种的分布、生产力水平及生物扩散、动物的觅食等产生不利影响。

3　结　语
随着人口的增加及经济的发展,土地利用模式不断变化,而土地利用的变化又导致生态环境的恶化,使区域人类生存环境和经济可持续发展受到影响。

前郭县在1986～1996年期间,主要土地利用类型为旱田和草地,变化趋势是草地和林地面积明显减少,未利用地和水田面积扩大,动态过程以草地向旱田和未利用地转化最为明显。

由于前郭县地处环境演化的敏感地带,生态环境十分脆弱,土地利用变化极易引起生态环境的变化。

人们在开
115
4期 秦丽杰等:土地利用变化的生态环境效应研究
发利用土地资源时,只重经济效益,盲目扩大开发规模,导致土地退化的面积扩大,退化程度加重。

随着农田面积的扩大,灌溉用水量也相应增加,农业退水携带大量污染物进入地表水和地下水,导致地表水和地下水污染加重。

土地利用结构的改变,使景观破碎化程度加大,分维数减少,生物多样性降低。

不合理的土地开发利用引起生态环境质量下降,而生态环境的恶化又制约着经济的进一步发展。

因此,必须改变人们的发展观念,树立可持续发展思想,使区域经济与生态环境协调发展。

在调整产业结构,充分开发利用土地资源时,必须考虑其生态环境效应,注重生态环境保护。

同时,对目前存在的生态环境问题,应采取有效措施进行治理,以促进区域经济和生态环境的良性发展。

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Study on the E ffect of Land Use Change on the Eco2environment
QI N Li2jie,ZH ANG Y u,X U H ong2mei,LI U X iang2nan
(College o f Urban and Environmental Sciences,Northeast Normal Univer sity,Changchun,Jilin130024)
Abstract:With the increase of population and the development of economy,the land use change is m ore notable,and causes the change of eco2environmental background of land res ources.Studying the effect of land use change on eco2 environment can im prove the conditions of agricultural production,and make the regional economy and ecoenvironment develop in a g ood way.T aking Qian G orlos C ounty as an exam ple,the paper analyses the pattern of land use change, it shows that there was an obvious decrease in the area of grassland and forestland,while wasteland and paddy field in2 creased in1986and1996.Then the paper studies the effect of land use change on the eco2environment,the effect shows mainly at three aspects:⑴Land deterioration aggravated.Not only the area of land deterioration was enlarged, but als o the degree of land deterioration was aggravated.⑵Water pollution was serious.With the farmland area en2 larged and am ount of irrigation water increased,the agricultural drainage resulted in water quality w orsened.⑶Bio2 diversity decreased.With the land use pattern changed,the landscape fraction increased while the dimension of patch2 es decreased.
K ey w ords:effect on ecoenvironment;land deterioration;water pollution;bio2diversity
215 地 理 科 学 22卷。