土地利用变化影响气候变化的生物地球物理机制*

刘纪远 邵全琴 延晓冬 樊江文 战金艳 邓祥征 匡文慧 黄麟

①研究员，④副研究员，中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；②研究员，中国科学院大气物理研究所，北京 100029；③教授，北京师范大学环境学院，北京 100875

*国家重点基础研究发展计划(973计划)(2010CB950900)资助

土地利用变化影响气候变化的生物地球物理机制*

刘纪远①邵全琴①延晓冬②樊江文①战金艳③邓祥征①匡文慧④黄麟④

①研究员，④副研究员，中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；②研究员，中国科学院大气物理研究所，北京 100029；③教授，北京师范大学环境学院，北京 100875

*国家重点基础研究发展计划(973计划)(2010CB950900)资助

土地利用变化；生物物理效应；辐射能量平衡；气候变化；国别对比

重点介绍国家重点基础研究发展计划(973计划)全球变化研究专项“大尺度土地利用变化对全球气候的影响” 项目执行三年多以来，集中在土地利用与土地覆盖变化(LUCC)对气候变化影响的生物地球物理机制方面的研究成果，包括对不同区域大尺度LUCC过程规律的对比、LUCC对气候影响的生物地球物理机制、多时空尺度LUCC气候效应的模式模拟、LUCC气候效应的未来情景分析，以及后续研究计划。

人类活动对全球气候变化的影响主要归结为温室气体、气溶胶与土地利用活动等[1]。当前，遏制气候变暖进程是国际社会所面临的严重挑战，而政府间气候变化谈判和“减缓”的核心关注点是温室气体的减排和增汇，把气候变化归结到温室气体排放，没有包括土地利用变化直接导致陆地生物物理过程改变从而对气候产生的影响，其结果可能高估碳减排的作用而忽视了对人类土地利用行为的科学调控[2-4]。

土地利用与土地覆盖变化(LUCC)在不同时空尺度发生快速变化，在局地、区域与全球尺度剧烈地改变地表覆盖状态，对气候系统具有重大影响[5]，是人类活动影响气候的重要途径之一[6]，从而成为全球气候变化的重要驱动因素之一[1,6-8]。LUCC对气候变化的作用机制在生物地球物理过程和生物地球化学过程[9]上，主要表现在地表与大气之间的辐射/能量界面过程和碳调节这两个关键过程上。

一方面，LUCC通过向大气排放或吸收温室气体进而改变气候系统中的碳循环来影响气候系统[10-11]；另一方面，LUCC改变地表反照率和地表粗糙度，影响地表热收支的平衡及水汽的垂向输送，以及城市扩展导致的热岛效应增强等，使得近地层温度、湿度、风速、蒸散等发生变化[2]，通过一系列生物地球物理过程来影响气候变化。

辨识大尺度LUCC改变下垫面、影响陆地表层水热分配格局与能量平衡从而影响气候变化的机理与效应，实现大尺度LUCC过程对气候影响的定量参数化分析，是科学认识人类活动对全球气候变化的影响所必须解决的核心科学问题之一。通过国际对比，揭示与评估局地、区域与全球尺度LUCC过程对气候变化的影响，不仅可以为全球变化与地球系统模式研究提供理论基础，而且对于科学调控人类土地利用行为，缓减与适应全球气候变化具有重要意义。

中国于2010年在国家重点基础研究发展计划(973计划)框架内启动了全球变化研究重大科学研究计划，针对全球变化研究中的关键科学问题，开展基础性、战略性、前瞻性研究，全面提升中国全球变化研究的竞争力，为履行国际公约、国际谈判和应对气候变化自主行动提供科技支撑。“大尺度土地利用变化对全球气候的影响”成为该计划首批启动的19个项目之一。该项目针对国家需求和国际研究前沿，以多尺度LUCC过程及其气候效应为研究主线，以服务于科技创新、人类土地利用活动调控和气候外交谈判战略需求为总目标。

项目执行三年多以来，深入研究了中国与美国、巴西、印度、中亚、西伯利亚、蒙古等对比国家和区域LUCC时空过程基本规律的时空差异，阐明了大尺度LUCC通过影响地表生物物理过程并进而影响气候变化的机理，构建了多尺度LUCC及其气候效应综合模拟平台，定量模拟了未来不同情景下不同时空尺度LUCC变化趋势及其对气候的影响。以下分别对相关的研究成果进行简要介绍。

1 大尺度土地利用变化的国家与区域时空特征对比

1.1 用遥感和地理信息方法生成中国和其他国家

(区域)的LUCC数据集

我们在已有中国土地利用和土地利用/覆盖时空动态数据基础上，采用分期的卫星遥感图像对土地利用变化进行分类判读，提取土地利用动态信息，产生了中国2010年LUCC数据集，进而集成了中国20世纪70年代、20世纪80年代末、1995年、2000年、2005年、2010年等6期LUCC数据集。与此同时，我们开展了对比国(区域)土地利用数据的生成工作，实现了对比国(区域) LUCC数据的标准化制作，完成了美国20世纪50年代、20世纪70年代和2005年，以及巴西、印度、哈萨克斯坦、蒙古、西伯利亚等20世纪70年代和2005年的LUCC数据集。

项目还进一步关注对全球过去300年LUCC信息的重建。He等[12]在大量分析历史资料、近现代耕地统计数据和调查数据的基础上，利用耕地面积指数趋势法订正了清代、民国时期的耕地数据，利用土地利用统计和调查等数据回溯了耕地数据，结合HYDE(Historical Database of the Global Environment)和SAGE(Sustainability and the Global Environment)两个全球土地利用历史数据库，以及本项目的LUCC数据，重建了中国、美国、印度、巴西过去300年耕地、林地空间分布格局数据集。

1.2 LUCC时空过程的国别对比

在分析中国近30年土地利用变化过程及驱动因素的基础上，刘纪远等[13]得出中国土地利用变化的基本特征：耕地南减北增，总量基本持衡，新增耕地的重心逐步由东北向西北移动；城镇用地扩展提速，东部为重心，向中西部蔓延；林地前减后增，荒漠前增后减，草地持续减少。同时，研究还发现中国的LUCC动态已经由2000年前的单向国土开发为主向2000年后开发与保护并重的方式转换(图1)。

项目在对比国(区域)近30～50年土地利用变化过程的分析中发现：巴西近30年土地覆被变化特征主要是耕地和建设用地面积增加、林地和草地面积减少；人口的剧增对森林资源的破坏等现象突出，开矿、淘金、砍伐森林、农牧业开发、修路对土地、生态环境等造成巨大影响。美国20世纪50年代至70年代以东部城市扩展、中西部草地转为农地，以及林地转为草地为主；20世纪70年代至2005年城市扩展持续，并且呈现出显著的区域差异。

回溯到过去300年的土地开发历史，中国与美国、巴西、印度等过去300年土地开发过程具有明显的差异(图2)。其中，美国在18世纪末至20世纪初的百余年间，随着中西部开发政策的实施，耕地面积出现大幅度增长，至20世纪30年代，大规模土地开发得以平抑，明显向中西部扩张。巴西自1887年以来，耕地面积开始出现快速增长，土地开发大规模向东部和南部扩张。中国和印度作为两个文明古国，由于拥有悠久的农业发展历史，土地开垦较早；近300年来，在中国人口压力的驱动下，耕地面积依然呈现出持续增长的趋势。

2 LUCC对气候影响的生物地球物理机制

2.1 LUCC辐射(水热)碳平衡观测网络

图1 1990—2010年中国耕地与城市的变化特征(左上图：1990—2000年耕地变化；右上图：2001—2010年耕地变化；左下图：1990—2000年城市变化；右下图：2001—2010年城市变化)

图2 过去300年中国、印度、美国、巴西四国耕地变化特征的对比(左图：由HYDE3.1数据集分析的结果；右图：由SAGE2010数据集分析的结果)

人类的LUCC活动对陆地生态系统的辐射能量交换过程的影响，是LUCC对气候影响的主要生物地球物理机制。我们设计并建设了LUCC辐射和水热通量观测网络，用于草地过牧与恢复、开垦与退耕、造林与毁林、城市扩张等LUCC活动对生态系统辐射、水热交换影响的研究。该观测网由 14个通量观测站组成，包括本项目建设的7个移动通量站(内蒙古锡林浩特中度退化大针茅草地及开垦农田、内蒙古四子王旗重度退化戈壁针茅草地、青海玉树退化高寒草甸、江西泰和不同年限退耕还林2个、北京的德胜门—小汤山样带小区屋顶、奥林匹克公园草地)与7个长期通量站(内蒙古锡林浩特羊草、四子王旗围封草地、青海海北高寒草甸、江西千烟洲人工林、山东禹城旱田、湖南桃园水田、新疆阜康荒漠)，取得了大量不同LUCC类型辐射和水热通量的观测数据。

2.2 土地利用变化对辐射能量平衡的影响

我们采用遥感地表参数反演产品研究了土地利用变化对地表辐射平衡的影响。Zhai等[14]分析表明1990—2010年全国土地覆被变化通过改变地表反照率引起的平均辐射强迫为0.062 W/m2，表现为增温效应。京津唐城镇与城郊农业生态区以耕地转建设用地为主，引起地表反照率降低了约0.005，产生了0.863 W/m2的辐射强迫，表现为增温效应。三江平原温带湿润农业与湿地生态区以林草地转耕地为主，引起地表反照率升高了约0.002，产生-0.184 W/m2的辐射强迫，表现为降温效应。

严建武等[15]利用陆面生物地球物理模型EASS(Ecosystem Atmosphere Simulation Scheme)，开展了近30年LUCC对中国东部陆表水热交换的定量模拟和评估，得出显热通量和潜热通量在空间上的年际变化不明显，季节变化也具有一致性的趋势。土地覆盖和气候变化综合影响方案模拟结果显示热通量的年际变化主要受气候因子控制，而季节变化受土地覆盖变化影响较大。

Cui等[16]分析了纯林地、草地、道路、房屋等不同下垫面的辐射平衡各分量的特征，认为不同下垫面对各辐射分量的影响不同，上行长波辐射的值很大，占到全年进入地表总辐射能量的84.3%，净辐射的年均值在38.2～53.4 W/m2之间，其中草地最小、道路最大。城市扩展过程中常见的林地转道路、草地转道路、草地转房屋等土地利用变化类型的净辐射都呈现持续增加态势。其中，最大增加值出现在5月份，增幅可达24.6 W/m2(草地转道路)，说明城市扩张过程伴随着辐射能量收入的连续增加。

刘悦等[17]定量反演了城市地表波文比数据，利用地表波文比数据与不透水表面比例数据之间的相关关系实现了城市人工不透水表面百分比数据的定量估算，有效地揭示了城市不透水下垫面对地表热通量影响的机制以及空间定量关系，提出城市设计需要考虑不同景观结构配置对地表热通量的影响从而调节城市热岛效应。

2.3 土地利用变化对气温的影响

项目采用气象观测数据和遥感数据分析了城市扩张对站点气象观测数据的影响。邵全琴等[18]的研究结果表明：中国20世纪70 年代以来秋冬季节的热岛强度高于春季和夏季，中国东部地区的气温高估略高于中部地区，东部地区和中部地区的气温高估均远高于西部地区；北方升温高于南方升温，林地升温趋势较低，而建设用地升温较高；近40年来全国的增温值约为1.58 K，其中因城市扩展带来的增温贡献约为0.01 K，在气温高估的核心区域的贡献约为0.09 K。

龚天宇等[19]的研究结果表明：中国南方地区，林地对区域气温升温具有抑制作用，耕地、建设用地具有增强作用。春、冬两季，上述三种土地利用类型对气温升温都具有增强作用，其中建设用地最强，林地最小；夏季，这三种类型对气温升温都有抑制作用，其中林地最强，耕地最弱；秋季，林地对气温升温有抑制作用，建设用地和耕地却具有增强作用。

Shi等[20]对黄淮海平原区域1955—2007年间农田灌溉和城市化对区域气候的影响分析表明，黄淮海平原区域灌溉对年最热的1、5、30天具有显著的降温作用(0.17～0.20 K/a)。与参考区相对比，灌溉在夏天对日最高温降低0.12 K/a。与最高温相反，灌溉对年最冷1天的平均日最低温增高了0.43 K/a。对灌溉和城市化进行综合分析后发现，城市化对日极端最高温的升温作用只部分抵消了灌溉的降温作用(图3)。

3 多时空尺度LUCC气候效应的多模式模拟

为了采用区域气候模式模拟多时空尺度LUCC气候效应，我们完善了自有知识产权的区域气候模式RIEMS，形成了RIEMS3.0 版本。同时，采用多模式模拟贝叶斯集合方法，集中RIEMS、WRF和RegCM3 气候模式开展了多气候模式集合模拟研究。

图3 黄淮海区域1955—2007年农田灌溉和城市化对区域多年最高温度的影响分析(灌溉对年内最高温具有显著的降温作用，城市化则对年内最高温具有升温作用)

3.1 中国LUCC气候效应的模式模拟

Wang等[21-22]研究表明，新的城市扩张导致高温热浪的强度增强范围增大，区域平均增温约0.60 K，在晚8点增加最大，约0.95 K，并且由于城市白天储热夜晚释放，导致夜间升温比白天更显著。城市区域人为热的作用不容忽视，总的人为热作用对城市化温度变化的贡献为34%，早8点最大，约为75%。增加城市屋顶的反照率是减缓城市热岛的有效方法。在夏季极端高温过程中，白色屋顶可以降低城市温度约0.51 K，抵消80%的过去20年由于城市扩张引起的热岛效应增温。因此，白色屋顶是抵御城市高温热浪的有效方法，是未来减缓全球升温速率的一个手段。

Zhang等[23]、Dong等[24]应用WRF、RegCM3和RIEMS对中国东北开垦、华南林地扩张和华北退耕等典型区域土地利用变化的区域气候效应展开了长期积分模拟。主要结论是：①20世纪80年代以来东北开垦对区域气候影响的主要强信号是由于LUCC引起的地表反照率增加引起的地表气温下降；②进入21世纪以来，华北和西北的退耕还林/草对区域气候影响的主要强信号是由于反照率下降引起的气温上升，以及由于对环流的影响导致的对其他区域温度和降水的遥相关影响；③20世纪80年代以来华南森林扩张对区域气候影响的主要强信号是由于反照率下降导致的净辐射增加和气温增加，以及由于潜热增加而导致的降水增加，这与过去20年的“南涝”有一定的拟合度。

3.2 对比国/全球LUCC气候效应的多尺度数值模拟

项目模拟了印度农田灌溉的气候效应。毛慧琴等[25]认为农田灌溉使得印度区域年平均气温降低1.4 K，年平均降水率增加0.35 mm/d。农田灌溉对印度区域气候的影响存在明显的季节波动，季风前期及6月份该区域气候对下垫面变化的响应最为敏感，7—9月各气候要素变化较小。农田灌溉使得印度区域地表净辐射增加，且地表净辐射在潜热通量和感热通量之间的分配发生了较大的改变，潜热通量增加，感热通量减少，对地表起冷却作用；同时由于土壤湿度增加，蒸散作用增强，大气中水汽含量增加，潜热不稳定能量增加，导致对流性降水增加。

通过对过去300年LUCC变化的生物地球物理学效应模拟，Wang等[26-27]的模拟结果表明，过去300年土地利用变化造成：①全球平均温度逐年下降，自1700年以后下降速度较快，而北半球海冰面积以震荡的方式逐年增加；②全球大部分地区降温，其降温的幅度和区域变化随季节而不同；③全球大部分地区反照率增加，北半球降水呈震荡形式减少(图4)。 这表明， 工业革命以来，温室气体排放导致全球变暖的同时，土地利用的变化起到相反的作用，在一定程度上减缓了温室效应对全球增温的影响。

图4 土地利用变化影响下不同季节地表反照率(上图)以及降水量(下图)随纬度的变化

4 LUCC气候效应的未来情景分析

4.1 典型区/对比国/全球三个尺度未来LUCC情景模拟

项目基于LUCC动力学模型分析了典型区未来的土地利用格局。Xu等[28]基于RCPs的情景，将相关社会经济发展情景及数据基于中国实际及发展规划资料做了订正，利用LUCC动力学模型模拟了基准情景、环境可持续发展情景和经济快速增长情景下典型区与中国未来土地利用格局及动态。

岳天祥等[29]基于大尺度LUCC及气候/生态效应模拟平台，集成最新的CMIP5的RCP26、RCP45、RCP60、RCP85四个情景的气候情景数据，运用经纬度、海拔、坡度、坡向等地形辅助要素对自主创建的高精度曲面建模(HASM)方法进行应用拓展的基础上，插值和模拟获得T1: 2011—2040，T2: 2041—2070，T3: 2071—2100三个时段1公里格网的平均气温和平均降水的未来多情景数据，重点模拟了三个时段的全球HLZ潜在植被时空分布栅格数据，完成了全球HLZ生态系统分布格局的变化趋势及未来情景的模拟分析，分析了各情景下典型地区未来LUCC的时空演变趋势。

4.2 LUCC影响生物地球物理过程的情景模拟

项目组对未来中国典型区域和对比国家/区域LUCC影响生物地球物理过程的情景进行了模拟分析。

关于东北区开垦/退耕的气候效应情景，Shi等[30]模拟分析表明，该区2030—2040年耕地面积增长率达21.62%，新增耕地主要来自森林、草地、未利用地，由此导致：冬季，该区大部分区域气温小幅上升，少数地区气温明显下降；夏季，气温变化量由东南向西北递增，整体上呈上升趋势，最大增幅达到2 K；冬季，降水整体上呈下降趋势，最大减少量达80 mm；夏季，大部分地区降水显著增加。

关于西北区草地退化的气候效应情景，Li等[31]模拟分析表明，该区2010—2040年草地退化面积中48%转化为耕地，10%转化为建设用地。由此导致：气温变化存在季节性差异，夏季气温年均增长0.4～1.2 K，冬季气温年均下降约0.2 K。未来30年，降水呈现下降趋势，年均下降幅度为4～20 mm，且降水变化明显的区域多出现在草地退化较严重的区域。

关于印度开垦的气候效应情景，Qu等[32]模拟表明不同类型土地转化为灌溉农田时对气温影响不同，且具有明显的季节性差异。非季风季节，降水较少，不同LUCC类型对蒸散发影响较大，导致气温可能升高，也可能降低；季风季节，降水较多，不同LUCC类型对蒸散发影响较小，所有LUCC类型都导致气温升高。

关于蒙古国草地退化的气候效应情景，Zhang等[33]模拟得出：该区域2010—2020年草原退化严重，森林草原、典型草原和山地草原的牧草下降率分别为40.5%、52.2%、39.3%。草地退化将造成地表温度的升高，年平均气温变化范围为-0.1 K～0.4 K；造成降雨逐年减少，年均减少10～50 mm。

关于美国东北部城市扩张的气候效应情景，Lin等[34]模拟得出：该区域到2040年，城市化用地持续增加，城市面积为1993年的2倍多；到2090年，林地和草地面积明显减少，城市化达到最大值，由此导致年温度变化效应最大，在新城市化区，可以导致的年增温达2～5 K。与城市化的增温效应相反，城市化对降水有负效应，在新建城区和城市周边区，年降水量减少 10～50 mm不等。

关于巴西毁林的气候效应情景，Zhang等[35]指出2005—2100年，林地面积变化约占总研究区面积的18.23%，其中5.12%转为草地。2090—2100年，巴西毁林将造成地表热通量年均减少5 W/m2，显热增加8.1 W/m2，潜热减少18.8 W/m2，地表温度增加1.4 K，降水减少1.05 mm。毁林导致雨季降水的大幅减少，气温大幅增加，而旱季降水与气温变化趋势同雨季一致，但幅度较小。

5 后续研究计划

综上所述，中国与美国、巴西、印度、中亚、西伯利亚、蒙古等对比国家和区域的LUCC时空过程存在明显的差异，大尺度LUCC通过影响地表生物物理过程并进而影响气候变化的机理清楚，效应明显，应当引起全球变化科学界的高度关注。

我们已经构建了多尺度LUCC及其气候效应综合模拟平台，定量模拟了未来不同情景下不同时空尺度LUCC变化趋势及其对气候的影响。在下一步的研究工作中，将深入揭示多尺度LUCC对生态系统宏观结构和气候调节功能的影响机制，实现对大尺度LUCC改变下垫面、影响陆地表层水热分配格局与能量平衡从而影响生态系统与气候变化的机理与效应的辨识。对比分析中国与对比国/区域人类重大土地利用活动的生物地球物理效应及其区域差异，系统刻画多尺度LUCC影响气候的机理。同时，提出未来LUCC情景下，主要区域气候变化的趋势和特征，定量评估大尺度LUCC通过改变地表陆气界面过程影响气候变化的贡献率。通过开展LUCC未来情景下对比国/区域气候变化情景的分析和模拟研究，客观把握未来大尺度LUCC变化的多种情景，并据此形成关于未来LUCC过程对全球气候变化的影响范围与程度的准确认识。在权衡经济社会发展与LUCC变化及其对陆地生态与气候影响的基础上，开展优化选择LUCC调控区域气候的模拟研究，遴选出未来社会经济发展的合理模式和土地利用方案。

(2014年8月24日收稿)■

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Geobiophysical effects of land use change on climate change

LIU Ji-yuan①, SHAO Quan-qin①, YAN Xiao-dong②, FAN Jiang-wen①, ZHAN Jin-yan③, DENG Xiang-zheng①, KUANG Wen-hui④, HUANG Lin④
①Professor, ④Associate Professor, The Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China；②Professor, The Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China；③Professor, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

The major research of the global change research project of National Basic Research Program of China (973 Programs), entitled “The Large-scale Land Use Change and Its Impact on Global Climate”, in the past three years are introduced in this paper. The main results include the comparisons on the spatial-temporal patterns and its driving force among primary countries, the impact mechanisms of LUCC (land-use and land-cover change) on climate and its ecological effectiveness, the assemble simulation on the climatic effectiveness of LUCC, the scenarios of the climatic and ecological effectiveness of LUCC, and the future research plans of the program.

land use change, biophysical effect, surface energy balance, climatic change, comparison between countries

(编辑：沈美芳)

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.05.007