賀怡, 王雪宏, 楊繼松, 栗云召, 寧凱, 于君寶,*

濕地水文連通影響因素及生態(tài)效應研究進展

賀怡1, 王雪宏1, 楊繼松1, 栗云召1, 寧凱2, 于君寶1,*

1. 魯東大學濱海生態(tài)高等研究院, 煙臺 264025 2. 東營市農業(yè)科學研究院, 東營 257000

水文連通是濕地生態(tài)過程的主要非生物驅動因子之一, 對濕地生態(tài)保護起著重要作用。在高強度人類活動和自然條件變化雙重作用下, 濕地水文連通性發(fā)生顯著變化, 對濕地生物多樣性及物質循環(huán)產生影響, 導致一系列生態(tài)環(huán)境問題。充分認識濕地水文連通的主要影響因素: 植物因子、氣候變化、人類活動及其生態(tài)效應機制將有助于維持濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對影響因素提出相應調控措施, 對濕地修復起到積極作用。

水文連通; 濕地; 影響因素; 生態(tài)效應; 調控對策

0 前言

濕地是水陸相互作用形成的獨特又敏感的生態(tài)系統(tǒng), 是魚類和水禽等生物棲息活動及繁衍的重要場所, 在保護地球生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用[]。濕地僅占地球表面6%, 卻為地球上20%的物種提供了生存環(huán)境, 具有不可替代的綜合生態(tài)功能[3]。然而, 受自然與人類活動的雙重影響, 20世紀以來, 全球濕地面積減少了64%—71%[4], 濕地面積萎縮帶來生態(tài)環(huán)境問題, 使生態(tài)系統(tǒng)的整體服務功能嚴重受損[5]。因此, 濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護與恢復迫在眉睫, 已成為國內外研究的熱點。

目前針對濕地退化, 國內外學者開展了大量生態(tài)修復相關的研究工作, 在濕地退化機理方面, 進行了濕地景觀格局動態(tài)變化[6–7]、水鹽變化[8–9]、植被演替[10–11]等過程的驅動機制研究, 發(fā)現(xiàn)了土壤鹽分[12–13]、養(yǎng)分[9,14]、水文因子[15]及人類活動[16]等主要驅動因子。在退化濕地生態(tài)修復方面, 重點從水鹽控制[17–18]、生態(tài)補水[19–20]、土壤修復[21–22]等角度探討。綜合來看, 已有的相關研究多是以濕地結構修復為主, 而濕地功能修復研究較少。水文過程在濕地形成、發(fā)育、演化直至消失的全過程中起著直接而重要的作用[23], 水文連通影響濕地土層物理、化學性質, 是濕地斑塊間生物連通的媒介, 是生態(tài)過程的主要非生物驅動因子[5]?，F(xiàn)因自然及人為因素使?jié)竦厮倪B通格局發(fā)生重大變化, 向水文連通退化的方向發(fā)展[24], 導致生物多樣性降低、物質循環(huán)及能量流動能力變弱, 使?jié)竦厣鷳B(tài)穩(wěn)定性下降, 濕地出現(xiàn)退化。

我國關于濕地生態(tài)研究雖起步稍晚, 但對濕地生態(tài)的重視程度已經超越了大部分國家和地區(qū), 關于濕地水文連通驅動因素及其對生物多樣性和物質循環(huán)影響研究尚為薄弱, 是濕地科學亟待解決的問題?；诖? 本文以濕地水文連通對生態(tài)保護的重要性為切入點, 綜述了濕地水文連通主要影響因素及其生態(tài)效應, 以及針對主要驅動因素提出相應調控對策, 維護濕地良好水文連通, 為濕地健康維持和可持續(xù)發(fā)展提供支持。

1 水文連通內涵及對濕地生態(tài)保護的重要性

1980年Vannote等學者提出“河流連續(xù)體”[25]后, 國內外學者對水文連通進行了大量研究, 由于研究領域及研究角度不同對水文連通的定義也有所差異(表1)。水文連通根據其功能可大致分為兩類: 一是湖泊、河流、水庫等水體景觀在空間尺度上的連續(xù)性, 為結構連通[26]; 二是功能連通, 即水文連通的空間格局和流域過程相互作用產生的水流、物質流或生物流輸移的能力和變化[27–28]。結構連通及功能連通均具有四個維度特征, 一個時間維度和三個空間維度, 空間維度具體包括河漫灘/洪泛區(qū)—河流的橫向連通; 源頭—河口的縱向連通; 河流地表水—地下水的垂向連通[29]。目前關于單一連通過程研究較多, 而多連通過程綜合研究較少, 區(qū)域水文連通是一個復雜的過程, 尤其在氣候變化大背景下, 不同連通特征同時發(fā)生變化, 使區(qū)域物質、能量及動植物遷移效率的研究變復雜, 因此全面認識結構連通、功能連通及其特征對增強區(qū)域水文連通功能和修復濕地有重要意義。

水文連通是濕地生態(tài)安全及調節(jié)濕地水資源的重要保障[27], 是驅動濕地生態(tài)系統(tǒng)能量與物質循環(huán)和功能發(fā)揮的主要營力[36]。完整的水文連通能促進不同濕地間或同類濕地內物質循環(huán)、能量流動和信息傳遞能力, 可為動植物提供良好的生存條件和棲息地環(huán)境, 更好滿足生物生存的需求, 可提高濕地抵抗外來干擾的能力, 在外界條件發(fā)生變化時仍可維持穩(wěn)定狀態(tài)[37]。

水文連通通過重塑濕地地形地貌、改變生境分布結構及擾動濕地理化性質等影響濕地生境格局[5], 對生物定居、繁殖和遷移產生影響, 從而作用于生物群落分布和生物多樣性。水文連通控制植被的存在及分布格局, 如濱海濕地中植被分布特征反映了其獨特的水文連通模式[36]; 影響動物覓食與繁殖, 水文連通性弱有利于浮游動物密度的增加, 但其生物量受到限制, 連通性強時則相反[38–39], 而生物量增加有利于維持濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。還可直接或間接調控元素生物地球化學過程, 改變侵蝕堆積及沉積物的運移速度, 影響土壤含水量和氧化還原反應, 使?jié)竦赝寥览砘再|、土壤質地和水質量[40]發(fā)生變化。由此可見, 良好的水文連通對濕地植物生長、動物生存和生源元素循環(huán)起到積極作用, 有助于不同濕地斑塊間的物理、化學和生物連通, 相當于濕地斑塊間溝通、聯(lián)系的“特殊通道”, 對濕地生態(tài)保護和穩(wěn)定性提高具有重要意義。

表1 不同研究角度對水文連通的定義

2 濕地水文連通影響因素及生態(tài)效應

在自然和人類活動的雙重作用下, 濕地水文連通發(fā)生變化, 使?jié)竦卦械纳鷳B(tài)平衡被打破, 一方面引起濕地泥沙含量、水量、水流速度及水動力等條件的改變, 使?jié)竦厣掣窬职l(fā)生變化, 影響濕地動植物連通性及生活習性; 另一方面, 導致濕地物質運移速度、氧化還原條件改變, 影響濕地物質養(yǎng)分循環(huán)。驅動水文連通發(fā)生變化的因子劃分為三種, 植物因子、氣候變化及人類活動, 現(xiàn)將從這三種影響因素及其生態(tài)效應進行討論。

2.1 植物因子對濕地水文連通的影響及生態(tài)效應

蘆葦()、互花米草()等濕地植物生長狀況影響水文連通性大小, 大量繁殖對河道、潮溝等水文通道造成影響。蘆葦生態(tài)幅寬廣, 適生于不同生境類型, 在我國東北遼河口濕地、華北白洋淀濕地及東南沿海閩江口濕地均廣泛分布, 因有較強的適應性和抗逆性, 繁殖速度快且產量高, 是濱海灘涂、湖泊、河口等淺水濕地生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢種, 其作為典型的水生植物, 能大量儲存水分, 為生長區(qū)域地下蓄水層補充水源[41–42], 對垂向水文連通起到積極作用, 利于地上—地下元素循環(huán)、能量流動。

1979年我國出于促淤造陸、保灘護岸、改良土壤[43]等目的引入互花米草, 因其根系發(fā)達, 有極強耐鹽、耐淹和繁殖能力, 在我國海岸帶迅速蔓延成為入侵植物, 據統(tǒng)計1990年我國互花米草面積為4375.5 hm2, 2015年為54579.7 hm2[44], 大面積生長導致我國濱海地區(qū)航道阻塞、水質交換能力變差[45], 并對濱海濕地潮溝[46]及水文過程[47]造成較大影響。濱海濕地受到上游徑流與上溯潮流的共同影響, 咸淡水交互作用強烈[48], 互花米草多生長在潮間帶, 快速繁殖嚴重阻礙了濱海濕地咸淡水的物質、能量交換, 且穿過其中的潮溝數量不斷減少, 長度也較短。潮溝發(fā)育情況一定程度上可反映河口濕地水文連通模式[7], 由潮溝曲率、潮溝頻數、網絡環(huán)通度、節(jié)點連接率和網絡連通度綜合計算可得出區(qū)域連通性指數[49], 從而判斷水文連通程度。黃河三角洲濕地互花米草在孤東油田東南側、黃河現(xiàn)行入?？诩皷|南側較為密集, 由上述連通性指數計算得出互花米草生長茂密區(qū)域連通性指數低[50], 水文連通較弱。

蘆葦、互花米草大面積繁殖, 在河道兩側及潮灘上形成一道屏障, 使水動力不斷減弱, 泥沙運移速度降低, 會攔截泥沙并使其沉積于草灘中[51], 泥沙不斷淤積, 濕地局地高程提升, 水流流動方式及路徑改變, 阻礙河流/潮流與其周圍河岸/潮灘緩沖區(qū)的水質調節(jié), 進而對物種流和物質流的速度和形式產生聯(lián)動影響[52], 影響濕地生態(tài)服務功能?；セ撞輸U張會打破海陸動態(tài)平衡過程, 影響灘涂養(yǎng)殖、底棲動物群落的移動及灘涂植被類型, 且其地上和地下生物量大通常高于本地物種[53], 較大生物量及過快的繁殖速度使潮溝淤塞, 水文連通受阻; 凋落物覆蓋度高易引起水體缺氧, 且植物腐敗釋放大量氮磷物質, 使重金屬元素過量富集[54], 影響濕地土壤質量。

2.2 氣候變化對濕地水文連通的影響及生態(tài)效應

全球氣候變化主要體現(xiàn)在: 氣候變暖、水文循環(huán)過程發(fā)生變化以及極端惡劣氣候事件的頻發(fā)[55]。氣候變化加速大氣環(huán)流和水文循環(huán)過程, 使水資源在時空上重新分配, 大氣降水形式及降水量發(fā)生變化, 造成地表徑流及地下水蓄量的波動, 影響濕地水文條件和循環(huán)過程[55]。濕地水源補給受氣溫、降水量和蒸發(fā)量等影響, 這些是導致濕地水位、淹水面積、地下水位等水文情勢變化的主要因素, 從而影響濕地水文連通。濕地生態(tài)系統(tǒng)水源補給方式制約水文連通強度, 不同水源補給的濕地水文連通對氣候變化響應程度不同。

我國西北地區(qū)以冰雪融水補給為主, 如新疆額爾齊斯河流域因溫度升高, 春、冬季冰雪融水增多, 夏、冬季降雨量增加[56], 是該研究區(qū)湖泊、沼澤面積增多的自然驅動力。華北地區(qū)及長江中下游絕大多數濕地以大氣降水補給為主, 21世紀以來降水量呈減少趨勢, 且在區(qū)域和季節(jié)上存在不均衡性, 如春、秋季及白洋淀、洪湖等濕地降雨量減少, 水資源消耗過快, 濕地萎縮速度加快[57–58]。氣候變化大背景下, 西北地區(qū)濕地積雪融水量明顯增多, 水源補給充足, 淹水面積擴大, 水位上升, 淹水期變長, 從而使之前的孤立濕地相互連通, 提升濕地斑塊間物理、化學及生物連通。華北及長江中下游地區(qū), 由于降雨量減少, 溫度上升, 全年蒸發(fā)量也明顯高于降水量, 濕地水源補給減少, 水分消耗增加, 甚至出現(xiàn)水源枯竭, 使?jié)竦匮退娣e減少, 淹水期變短, 地下水位下降, 水流速降低, 導致流域孤立濕地斑塊增多, 無論橫向、縱向、垂向水文連通均受到影響, 物質循環(huán)、能量流動、信息傳遞能力變弱, 對生物生存、遷移造成消極影響。

氣候變化影響濕地水源補給, 造成濕地水文情勢變化, 對水文連通產生影響。水源補給充足時, 濕地水位較高, 淹水面積大, 水深加深, 水流速及流量加大, 孤立濕地斑塊間水文連通性增強, 氮磷等營養(yǎng)物質的循環(huán)能力提高, 良好的物質循環(huán)增強濕地養(yǎng)分輸入及輸出潛力[59], 能更好抵御濕地破碎化產生的消極影響; 且以水為介質的溶質橫向運移效率高, 分布在河漫灘上的碳、磷等營養(yǎng)物質會被有效稀釋, 從而隨水流一起流向河流或河岸地區(qū); 縱向連通性增強, 物質傳遞能力強, 使上游生源要素即時隨水流帶入下游, 避免造成上游營養(yǎng)物質的堆積; 垂向連通度提高, 更有利于地表水—地下水之間的交流與循環(huán)。但若水源補給不足, 蒸散發(fā)強時, 水文連通減弱, 物質運移能力變差且不斷累積, 對濕地生境產生消極作用。

2.3 人類活動對濕地水文連通的影響及生態(tài)效應

修建道路、水利工程建設、圍墾造田、水產養(yǎng)殖、油田開發(fā)、建筑用地擴張等一系列人類活動在大部分濕地地區(qū)普遍存在且干擾強度日益強烈[60], 人類活動使不同類型濕地之間或相同濕地內部在時空上的水文連續(xù)性被破壞, 對區(qū)域和全球空間尺度上水文連通性質產生影響[61], 使水文連通嚴重受損, 濕地生態(tài)穩(wěn)定性逐漸下降。

工礦用地、建筑用地、旅游設施建設、圍墾造田等土地利用變化不斷加劇, 工程設施建設必然伴隨道路修建的增加, 一方面使自然濕地面積減少, 景觀破碎化程度加深, 濕地水文連通功能破壞, 斑塊間水力聯(lián)系切斷, 水體之間的連接頻率和持續(xù)時間減少, 致使物種遷移能力, 生物多樣性下降[62]; 另一方面建設用地的擴張使耗水量急劇增加, 為滿足需求大量抽取地下水, 造成地下水位下降, 蓄水能力變差, 濕地斑塊間水文連通難以構建。大壩、人工水庫等水利工程建設首先會攔截上游來水, 造成下游嚴重缺水, 且引水建渠調走大量水源用于灌溉區(qū)灌溉和城鎮(zhèn)生活用水, 導致水儲量減少[63]; 其次, 水流速度變緩, 急流狀態(tài)消失, 水位落差變化平緩, 水循環(huán)模式改變且速度降低, 元素不斷累積, 造成濕地土壤結構破壞等; 最后, 對水生生物生長造成影響, 如通過阻斷洄游性動物完成其生活史, 對其生存、繁衍造成嚴重干擾。

人類過度開發(fā)濕地導致濕地生態(tài)平衡打破, 濕地不能正常發(fā)揮功能, 改變植被的分布和結構, 給動物的生存環(huán)境帶來壓力[64]。土地利用率高, 濕地斑塊破碎化加劇, 斑塊間不能建立有效連通, 造成濕地生物單一化、地球化學元素循環(huán)能力變差等消極影響; 且道路、堤壩修建, 使?jié)竦貦M向水文連通減弱, 影響水鹽橫向運移, 使道路、堤壩兩側植被演替受到干擾, 導致植被類型的差異性。水利工程設施則對河流脈沖頻率、排放量和水力持續(xù)時間造成影響, 破壞縱向水文連通[65]; 且通過改變洪泛平原濕地的洪水脈沖來影響橫向水文連通[66], 對河流和濕地生態(tài)系統(tǒng)健康產生影響。人為干擾可在較短時間內對水文連通產生較大影響, 近年來, 國家對濕地保護極為重視, 并充分認識到了水文連通在濕地修復中的重要地位, 積極開展關于水文連通修復等相關研究, 以此提升濕地服務功能。

3 維護濕地良好水文連通的對策

隨著對水文連通重要性的不斷認識, 通過恢復水文連通增強濕地功能, 保護濕地生態(tài)的工程措施現(xiàn)已在國內外得到了廣泛的重視, 針對不同濕地水文連通驅動因素采取不同調控對策或綜合治理來維護濕地良好水文連通, 對濕地修復起到積極作用。

針對植物因子對水文連通的影響, 如蘆葦阻塞河道、互花米草阻塞潮溝情況, 可優(yōu)先對河道、潮溝內蘆葦、互花米草進行清理及控制, 需防控—利用相結合, 一方面通過物理、化學、生物及綜合防治[67], 控制其繁殖; 另一方面, 通過肥料化或藥用化資源合理利用發(fā)揮其價值[44]。也可根據遙感影像解譯得出蘆葦、互花米草的增長規(guī)律及生長區(qū)域分布, 提前在可能繁殖的區(qū)域進行防控措施的實施, 避免其大量繁殖影響水文連通。將互花米草清理后, 若潮溝較長且蜿蜒曲折, 潮流無法到達堤壩處即干涸, 可通過閘壩調控, 潮溝水系重建的方法來疏通水文連通, 引導潮流通過堤壩, 向潮間帶內陸補給水。

關于怎樣應對氣候變化對濕地水文連通的影響, 我們首先要解決如何預測和評估氣候變化下濕地水文狀況, 目前許多學者正使用模型分析方法來評價氣候變化對濕地水文的影響, 中心氣候模型GCM1和HADCM2預測表明21世紀全球平均年降水量的變化將顯著改變濕地水文情況[68], 水文模型也是評估氣候變化對濕地水文影響的一個重要方法, 并說明濕地景觀特征對水流狀態(tài)的影響[69]。模型的可選性很多, 可同時使用幾種模型用歷史數據來評估目前氣候變化情況下對濕地水文的影響, 然后選擇其中準確率高的模型預測未來氣候變化對濕地水文的影響。其次, 需深入理解水文格局與過程在濕地中的作用, 以便于在氣候變化背景下, 快速研發(fā)水文連通修復技術, 提高濕地生態(tài)功能, 實現(xiàn)濕地健康可持續(xù)發(fā)展。最后, 氣候變化下如何平衡濕地水文連通性, 使水文連通功能發(fā)揮最大作用, 地方政府及專家應積極配合, 從科學角度出發(fā)制定出濕地水資源適應氣候變化的管理辦法和政策措施。根據不同濕地特征, 研究其生態(tài)用水需求及在不同氣候背景下濕地面積消減情況、水量增減變化和生物多樣性變化。

從大時間尺度上看, 自然因素的影響力處于主導地位, 但在中小尺度上, 人類活動成為影響濕地演變/退化最重要的驅動因素。人為因素削弱了江、河、湖、海之間的水文連通過程導致濕地生態(tài)過程紊亂, 影響社會、經濟及生態(tài)綜合效益。政府參與宏觀調控, 優(yōu)化水文連通, 不斷增強人們保護濕地、合理利用水資源意識。通過規(guī)范人類活動, 修建或拆除工程設施來恢復/提高濕地水文連通性, 拆除大壩可提供更多的自然洪水脈沖, 增加洪峰流量, 使洪泛區(qū)濕地的橫向水文連通性增強, 生物多樣性提高[70–71]。松花江流域中下游區(qū)域由于修建堤壩、水庫導致上游來水量減少, 堤內濕地與河流縱向連通性變差, 卻增強了堤外洪泛濕地和河流的橫向連通性[72], 表明不同的水文連通過程有著復雜的轉化關系, 因此需要全面認識橫向、縱向及垂向水文連通之間的關系, 對區(qū)域濕地生態(tài)保護有重要意義。退化濕地內, 以水文連通為主線, 構建并優(yōu)化濕地生態(tài)網絡, 降低/消除障礙因子, 優(yōu)化濕地結構, 提升濕地食物供給功能, 改善棲息地生態(tài)環(huán)境。

4 結論與展望

水文連通強弱對濕地生態(tài)穩(wěn)定性維持具有重要作用。在總結前人研究基礎上, 本文將濕地水文連通驅動因素歸結為: 植物因子、氣候變化及人類活動, 三種因素通過影響水文連通, 對濕地生物遷移、物質循環(huán)及能量流動產生聯(lián)動影響, 后針對不同因素提出相應調控對策, 如: 通過防控—利用相結合來控制蘆葦、互花米草生長, 建立地下溝渠或閘壩調控疏通水文連通渠道; 通過專家對氣候變化下水文情況研究和政府出臺政策兩方面應對濕地水文連通變化; 通過合理控制人類活動, 提高水文連通, 促進濕地修復。

目前關于濕地水文連通影響因素及生態(tài)效應研究已取得了一定成果, 但仍處于發(fā)展階段。為了在科學基礎上更好的利用水文連通修復受損濕地及保護濕地生態(tài), 提出以下5點展望: 1)加大互花米草繁殖對濱海濕地水文連通影響研究, 如不同濱海濕地互花米草繁殖如何影響潮溝分布; 有無互花米草情況下, 底棲生物、元素含量有何區(qū)別等方面。2)通過工程措施恢復水文連通過程中, 要注意連通性增強可能引起生物入侵、污染物擴散、元素流失等風險。3)河口濕地處于陸、海、河交匯處, 具有復雜的物質、能量、信息流, 同時又兼具淡水生態(tài)系統(tǒng)和咸水生態(tài)系統(tǒng)特征, 加強河口濕地水文連通生態(tài)效應研究, 借助水動力模型或構建生態(tài)網絡來研究水文連通對河口濕地生態(tài)環(huán)境的影響規(guī)律。4)水文連通修復后, 對生物多樣性、元素循環(huán)進行長時間觀察研究。5)在氣候變化大背景下, 加強生物物種和豐富度對濕地水文連通變化的響應, 為濕地保護提供更詳細的數據。

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Research progress on influencing factors and ecological effects of wetland hydrological connectivity

HE Yi1, WANG Xuehong1, YANG Jisong1, LI Yunzhao1, NING Kai2, YU Junbao1,*

1. The Institute for Advanced Study of Coastal Ecology, Ludong University, Yantai 264025, China 2. Dong Ying Academy of Agricultural Sciences, Dongying 257000, China

Hydrological connectivity is one of the main non-biological driving factors of wetland ecological process, which plays an important role in wetland ecological protection. Intensifying human activities and changes in natural conditions, wetland hydrological connectivity has changed significantly, which has an impact on wetland biodiversity and material cycle, leading to a series of ecological and environmental problems. Fully understanding the main influencing factors of wetland hydrological connectivity: plant factors, climate change, human activities, and its ecological effect mechanism will help to maintain the stability of wetland ecosystem. According to the influencing factors, the corresponding control measures were put forward, which would play a positive role in wetland restoration.

hydrological connectivity; wetlands; influencing factors; ecological effects; control measures

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.06.027

S156.8; X143

A

1008-8873(2021)06-218-07

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HE Yi, WANG Xuehong, YANG Jisong, et al. Research progress on influencing factors and ecological effects of wetland hydrological connectivity[J]. Ecological Science, 2021, 40(6): 218–224.

2020-04-29;

2020-05-26基金項目:國家重點研發(fā)計劃北方典型河口濕地生態(tài)修復與產業(yè)化技術(2017YFC0505900); 國家自然科學基金(41301052, 41871091, 41871087)

賀怡(1995—), 女, 山西臨汾人, 碩士研究生, 主要從事濱海生態(tài)研究, E-mail: heyilddx@163.com

通信作者:于君寶, 男, 博士, 教授, 主要從事濕地生物地球化學與生態(tài)修復研究, E-mail: junbao.yu@gmail.com