三江平原孤立湿地的结构和功能研究

第1章 绪论 孤立湿地（isolated wetlands）是在地质因子、气候因子和人为干扰因子等共同作用下，所形成的水文连通程度较弱且在景观上相对孤立的湿地（田学智和刘吉平，2011），孤立湿地已成为湿地的主要类型之一。本章在对孤立湿地研究背景分析的基础上，提出本书的研究背景与意义和主要研究内容，并对研究区的位置、自然地理概况和社会经济概况进行介绍。 1.1 研究背景与意义 湿地是自然界*富生物多样性的生态景观，是地球表层生态系统的重要组成部分（Costanza et al.，1997），具有调蓄洪水、净化水质、涵养水源、减少侵蚀、调节气候、维护生物多样性等功能，被誉为“地球之肾”（吕宪国等，2004）。随着自然系统与人类社会的演进，湿地处于持续变化中，而且人类对湿地的影响程度在近几十年达到了前所未有的规模，导致天然湿地面积锐减，湿地破碎化加剧（刘兴土，2007），形成大量孤立湿地（刘吉平等，2014a）。孤立湿地已成为湿地的主要类型之一，美国全境有830万个孤立湿地，占全美国淡水湿地面积的16%（Charles and Ellen，2016），而仅在中国三江平原东北部孤立湿地数量就有约5000个（刘吉平等，2014a），其对该地区景观形态及生态环境演化有显著影响。因此，孤立湿地的相关研究已逐步成为湿地研究领域的热点问题，但孤立湿地“结构—过程—功能”之间的相互关系、孤立湿地与非孤立湿地在功能上的差异性等问题需要进行深入研究。 三江平原曾是我国*大的淡水沼泽湿地分布区，近几十年来受人类活动强烈干扰，其经历了自然湿地—旱田—人工湿地（水田）—恢复湿地的过程，湿地结构功能发生剧烈变化（王学雷等，2010），带来一系列区域生态问题（周德民等，2007）。目前，三江平原自然保护区外的湿地以孤立湿地类型为主（田学智和刘吉平，2011）。一些学者已对湿地生态过程和功能进行了系统研究（栾兆擎和邓伟，2003；吕宪国等，2004；白军红等，2005；邓伟等，2010；许凤娇等，2014），但是缺乏对孤立湿地之间、孤立湿地与非孤立湿地之间水文和生物连通性的深入研究（He et al.，2000；崔保山和杨志峰，2003；张春丽等，2007）。而孤立湿地作为重要的生态景观，其气候功能、水文功能和生境功能对调节和改善区域生态环境质量、净化湿地水体和保护生物多样性等方面具有重要意义。本书在分析三江平原孤立湿地的形成与类型划分的基础上，研究孤立湿地空间分布特征及其影响因素，从孤立湿地的水文地貌结构、土壤植被结构、小气候特征、土壤养分的动态变化规律、生物多样性特征等方面探讨了其景观生态功能、水文功能和栖息地功能，并提出三江平原孤立湿地保护与规划措施，为湿地的管理和决策提供科学依据，进而为湿地保护、恢复及发展提供借鉴与指导。 1.2 主要研究内容 （1）孤立湿地的研究进展及发展趋势。基于文献调研，从孤立湿地的定义、类型和特征，孤立湿地的水文、生境以及地球化学循环等功能及其功能间的关系等方面综述了孤立湿地的研究进展，并分析了孤立湿地功能研究中存在的问题，提出了相应的对策和发展趋势。 （2）三江平原孤立湿地的形成与类型。从人类活动、气候变化和地质运动等方面探讨三江平原孤立湿地的形成因素，并按孤立湿地形成和发育的地貌部位、孤立湿地的形态、孤立湿地与土地利用类型之间的关系等方面对三江平原孤立湿地的类型进行划分。 （3）三江平原孤立湿地空间分布特征及其影响因素。以三江平原遥感影像为数据源，利用地理信息系统技术、空间分析与统计方法，结合景观指数模型，研究三江平原孤立湿地的空间分布特征和景观空间结构特征，并定量分析其影响因素，从空间上分析孤立湿地景观空间结构的变化过程。 （4）三江平原孤立湿地的水文地貌和土壤植被结构。利用样线调查方法，结合文献资料，从水平方向和垂直方向两方面研究三江平原孤立湿地的水文地貌结构和土壤植被结构，并探讨它们之间的关系。 （5）三江平原孤立湿地的小气候特征。利用野外观测资料，分析自然孤立湿地和农田中孤立湿地不同植物群落的土壤温度、地面温度、气温和相对湿度等要素的变化特征，探讨孤立湿地与周边农田间的小气候环流模式。 （6）三江平原孤立湿地土壤养分的动态变化规律。基于野外采样与室内分析，对孤立湿地环带状植被区湿地土壤的有机碳、全氮、全磷和全钾的空间分布规律进行研究，探讨生长季和非生长季农田中孤立湿地土壤养分的时空动态变化规律。 （7）三江平原孤立湿地的生物多样性特征。结合野外调查，在分析孤立湿地的生境多样性、植物多样性和动物多样性特征的基础上，研究三江平原孤立湿地生境多样性和物种多样性的现状及其形成原因，并探讨二者之间的关系。 （8）三江平原孤立湿地的保护与规划措施。利用景观生态安全原理与方法对孤立湿地进行景观生态规划，构建湿地保护优先性评价模型对湿地保护优先性进行评价，提出孤立湿地保护和恢复优先性策略。 1.3 研究区简介 1.3.1 研究区的位置 研究区地处三江平原的东北部，位于黑龙江省抚远市、同江市和建三江农场管理局的部分农场境内，北临黑龙江，东靠乌苏里江，地理坐标为47°19′47″N～48°27′56″N，132°49′59″E～135°05′26″E，总面积为12800km2。选择该区域作为研究区的主要原因如下：①该区域的自然地理单元相对较为完整，以低冲积平原为主，广大区域为河流的一级阶地；②该区域是三江平原孤立湿地的集中分布区，同时也是孤立湿地变化较为剧烈的地区；③该区域位于亚太地区水鸟迁徙路线上，是中国*大的淡水湿地分布区域之一，也是东北亚水禽繁殖区域，在世界湿地和水鸟保护中占据重要地位，因此具有研究的典型性。 研究区包括洪河国家级自然保护区（21835hm2）、三江国家级自然保护区（198100hm2）和八岔岛国家级自然保护区（32014hm2）三个国家级自然保护区及其周边地区。周边地区如下：①抚远市，包括抚远镇、黑瞎子岛镇、浓桥镇、乌苏镇、寒葱沟镇、浓江乡、鸭南乡、海青乡、通江乡和别拉洪乡；②同江市，包括同江镇、乐业镇、三村镇、临江镇、青河镇、向阳乡、街津口赫哲族乡、八岔赫哲族乡、金川乡和银川乡；③建三江农场管理局的部分农场，包括鸭绿河农场、前锋农场、洪河农场、勤得利农场、浓江农场、二道河农场、八五九农场、前哨农场、前进农场、创业农场（部分）、红卫农场（部分）和胜利农场（部分）。 选择洪河国家级自然保护区和三江国家级自然保护区的主要原因是这两个保护区在全球重要湿地生物多样性方面具有典型的代表性，相比较而言，洪河国家级自然保护区生境复杂、类型多样，而三江国家级自然保护区生境单调、类型单一，便于对比分析。周边地区界定标准如下：以保护区为核心，要涵盖该地区土地利用活动对其生物多样性保护有影响的缓冲带，以利于分析人类活动对生物多样性的影响；保护自然地理单元的完整性，以便保护区规划；以完整的农场或乡镇行政界线为原则，以利于社会经济相关要素的统计；包括生物多样性热点地区，以利于更大范围和具有重要生物多样性的湿地得到保护。 1.3.2 自然地理概况 1.地质地貌 研究区在地质构造上属中生代同江内陆断陷的次级单位——抚远凹陷内，第四纪以来，其一直在间歇性沉降，特别是全新世以来，下沉幅度更大，形成低冲积平原。 研究区以低冲积平原为主，广大区域为河流的一级阶地，海拔为40～60m。其西北、东北、西南为侵蚀剥蚀低山丘陵，平均海拔为150～200m。全区坡降为1/12000～1/5000，地势由西南向东北倾斜。地貌类型包括河漫滩、阶地、台地、低山、丘陵等，以一级阶地、河漫滩和洼地为主体，且微地貌类型极其发育，包括自然堤、迂回扇、微高地等。 2.气候 研究区属于寒温带湿润半湿润大陆性季风气候，其特点是春季降水少，夏季短暂，雨热集中，秋季凉爽，寒潮和初霜较早，冬季漫长，严寒而干燥。研究区离鄂霍次克海较近，受海洋气候影响，冬季在极地大陆气团控制之下；夏季受副热带海洋气团的影响，因此温度年较差比同纬度的内地小。 研究区多年平均气温为1～2℃，*冷月为1月，平均气温为–21.2℃，*热月为7月，平均气温为21.7℃（图1-1）。研究区多年平均降水量为595.7mm，降水量年内分配不均，主要集中在7月、8月（图1-2）。研究区全年平均蒸发量为1241mm，主要集中在5月、6月（图1-3）。研究区全年日照时数2552h，霜期平均为136天，盛行偏西风，全年平均风速为3.5m/s。 图1-1 研究区多年各月平均气温 图1-2 研究区多年各月平均降水量 图1-3 研究区多年各月平均蒸发量 研究区全年土壤结冻期210天左右，积雪期150天左右，土壤*大冻深212cm（1969年）。低洼地沼泽区因受水分影响，冻土层在100cm左右，但冰冻迟，解冻晚，一般在5～6月才能解冻，岛状林湿地解冻早，而沼泽湿地解冻较晚，如漂筏薹草在8月20日仍有5～10cm的冻层。 3.水文 研究区河流属黑龙江和乌苏里江两大水系。流经该区的主要支流有别拉洪河、勤得利河、浓江、鸭绿河、抓吉河、小河子河、西河、西大河、卧牛河、王家店后河、瓦其卡河、清水河、后小河子、黑泡河、高丽营小河、二道河子、大木河和八岔河等。该区河流多为双峰型，图1-4为2001年别拉洪河的流量过程线。 图1-4 2001年别拉洪河流量过程线 别拉洪河属于平原型河流，河流数量较少，大小支流十多条。别拉洪河是主要的主流，其发源于平原，上游没有明显河床，仅是一条宽浅的线性洼地，中游河道弯曲，并有沼泽阻滞，流速较缓，下游有明显河槽，河流坡降稍大。下游河流的特点是：河底纵比降低，多在1/10000左右，河槽弯曲系数大，枯水期河槽狭窄，河漫滩宽广，河流承泄量小，排水不畅，容易泛滥。每年汛期，受乌苏里江顶托，回水距离一般为25～30km，*长可达70km。洪水顶托抬高了河流的承泄水位，使两岸排水更为困难，促进沼泽化形成。 研究区内主要河流的流域特征如表1-1所示。 表1-1 研究区内主要河流流域特征