农村湿地生态景观的可持续发展研究

李双跃，张书震

（1.天津农学院 园艺系，天津300384；2.天津远成建设发展有限公司，天津300074）

生态系统容易受到全球变化和人类活动的影响。近年来，由于生态环境恶化、人类活动的干扰，已经出现不同程度的退化：湿地旱化，土壤质量下降，植被类型改变，湿地发生逆向生态演替，尤其是在农村地区该现象更为严重。

20世纪70年代以来，由于湿地的特殊性和重要性，特别是全球气候变化和生态环境的恶化以及人类活动影响的日益加剧，湿地生态结构发生变化，生态系统功能退化和生物多样性丧失。湿地退化引发的严重生态环境、社会问题，直接威胁到区域、国家乃至全球的可持续发展。［1］因此分析农村湿地景观变化特征及变化特点，探究其可持续，实属当务之急。

一、研究对象和研究方法

（一）研究现状

湿地退化表现在生物、物理、化学3个方面，包括湿地分布面积缩小，湿地生物多样性减少，生物生产力降低，湿地土壤或底质环境恶化，湿地生物间相互关系的改变，生态系统生物群落或系统结构的改变等。［2］Wilson等1996年基于3S技术，从水文、土壤、植被、野生生物和水质五个方面对为了减缓美国俄亥俄州湿地减少而建立或恢复的五个湿地的生态功能进行评估，研究结果表明其中的四个湿地生态功能良好。Schmidt 1998年通过分析卡林西亚湖沉积岩芯得出该湖的水位、范围、形状和湖水温度与气候变化存在着明显的相关关系。Jessika等2005年融合SAR和光学遥感影像生成了1996～2001年的6个时间序列洪水分布图，对加拿大Alberta东北部三角洲湿地的时空变化进行了动态监测，取得了较好的效果。［3］

近半个世纪以来，随着人类对天然湿地干预的增强，湿地景观格局发生剧烈变化，生态过程和功能严重削弱失衡，其储蓄的有机碳大量降解，成为向大气层释放温室气体的巨大 “碳源”。宋长春2003年在研究湿地生态系统对气候变化的影响时指出，气候变化常伴随着区域气温及降水条件等发生变化，对湿地水文、生物地球化学过程、水质与水循环、湿地能量平衡与湿地生态功能等产生较大的影响。虽然我国对退化湿地生态恢复、重建的研究起步较晚，但发展很快。在过去的十多年中，关于我国湿地现状及变化趋势，湿地生态系统退化的防治对策，湿地资源的持续利用等作了大量工作，且主要侧重于湖泊的恢复，目前的湿地恢复与重建研究与实践主要集中在沼泽、湖泊及河流和河口湿地等湿地类型。

（二）研究对象

近年来，由于受地理、气候、人类活动和环境变迁的影响，我国北方水土流失、草场退化和荒漠化不断加剧，湿地大面积萎缩，导致北方主干河流上游流量不断减少，已成为北方干流下游水资源紧张和断流的重要原因。因此，本文选取北方的农村湿地作为研究对象，具体的研究湿地选择为若尔盖高原，分析其湿地景观变化特征，探究源区湿地退化机制和可持续发展策略。

位于源区的若尔盖高原是以特殊高寒环境为生境的典型高寒生态系统，是黄河源高寒湿地的主要分布区。该区域湿地以河流湿地、湖泊湿地、沼泽湿地为主要类型，是我国最大的高原沼泽湿地，也是世界上面积最大的高原泥炭沼泽集中分布区。湿地位于长江、黄河的源头区，每年提供给黄河30%之多的水量，是黄河重要的“蓄供水库”，奠定了它成为黄河水源涵养和生态功能保护区的特殊地位。

（三）研究方法

对于若尔盖高原湿地而言，其生态系统主要与湿地水深、湿地面积、地下水水位及换水周期等有关。其中，湿地水深、湿地面积、地下水位都属于湿地水文循环过程中的状态变量，而且相互关联。一般来说，湿地面积越大，湿地水深也就越大，地下水水位也就越高，因此湿地面积代表了湿地的水文状态指标。湿地景观格局是指大小和形状不一的湿地景观斑块在空间上的排列，是各种生态过程在不同尺度上综合作用的结果，具有显著的景观异质性，对景观功能和过程有着重要的影响。景观格局分析目的是从看似无序的景观斑块中，发现潜在的有意义的规律性。景观格局指数主要分为景观结构单元的特征指数和异质性指数，包括景观总面积、景观类型数、斑块数、斑块面积、斑块周长、平均斑块面积、景观多样性指数等。对于湿地景观格局变化研究，湿地面积是湿地生态系统最重要的景观结构单元的特征指数，动态度反映了不同湿地景观类型的变化速度及变化趋势。因此选用湿地面积类指数和湿地变化动态度作为研究湿地的状态指标。［4］

面积类指数及其含义：

（1）斑块数 （N）：景观或单一景观类型的斑块数量。

（2）平均斑块面积 （AP）用于描述景观粒度，在一定意义上揭示景观破碎化。

（3）最大斑块面积包括整个景观和单一类型的最大斑块面积。

动态度分析：

式中，LC为研究时段湿地变化动态度；Ua和Ub分别为研究初期及研究末期湿地景观类型的面积或斑块数；T为研究时段长度。若T的单位设定为年，则LC的值即表示该研究区内湿地景观类型的年变化率。

二、基础数据

本文在研究湿地景观演变规律的基础上，探究湿地景观格局变化下的水资源演变情势。数据资料在若尔盖高原湿地景观格局变化研究的资料与文献基础上，以1982年、1994年、2000年、2006年四期若尔盖高原湿地遥感影像为数据源，通过人机交互解译法提取湿地信息 （限于篇幅，本文选取2006年的若尔盖高原湿地遥感影像，见图1）。

图1 2006年湿地景观分类图

具体流程是：根据 《Ramsar湿地公约》分类体系和1997年国家林业局提出的全国湿地分类体系，结合研究区独特的气候条件、地形地貌及植被特征对研究区景观进行分类。根据高原景观分类方法，将研究区景观类型在类、亚类和型3个层次上进行分类，形成以湿地演化为主导的景观分类系统。其中，类是按照区域地貌条件和积水条件划分，分为湿地景观和非湿地景观；亚类是根据湿地的形成与特征中自然因素或人为因素的影响划分，划分为自然湿地景观、自然非湿地和人工非湿地；型则是依据植被、水文、底质状况和人类对湿地资源的开发利用方式、影响和作用强度差异等因素划分。自然湿地景观主要包括沼泽湿地、河流湿地和湖泊湿地；自然非湿地景观又划分为草甸、灌丛、林地、裸地和沙化地，人工非湿地划分为旱地、人居建筑景观。［5］划分湿地类型后，利用ERDAS IMAGE9.1和ArcGIS9.3软件的交互显示和分层显示功能，结合其他基础图件和实地调查，建立解译标志，手工勾绘各类实地矢量边界，并赋予其对应的属性。从若尔盖高原湿地四期湿地景观分类结果可以看出：沼泽湿地分布最广，是区域景观基质，河流是湿地廊道，其它类型湿地为缀块，从而形成缀块—廊道—基质的基本构型，河漫滩、林灌沼泽、高山湿地依托廊道分布呈现明显的规律性特征。

三、湿地景观格局演变特征

（一）静态特征

湿地景观演变是以一定时段的景观特征为基础的不同层次的动态过程，不仅反映了各景观要素间的消长、转移和转化，而且体现了湿地景观结构特征时间维上的变化。基于ArcGIS平台，统计了湿地景观面积、斑块数等景观静态特征。［6］1982～2006年湿地景观面积呈现线性递减趋势，相应斑块数呈多项式减少趋势，其拟合方程分别为：面积：y＝－926.91x＋7384.5；斑块数：y＝－63.25x2＋163.55x＋2784.8，相关系数分别为0.9811和0.9986，表明拟合程度较高。湿地景观类型结构的变化是湿地空间格局变化的一种表现形式。

图2显示，1982～2006年间景观结构无变化，但各景观面积均有较大变化。1982年，若尔盖高原湿地中，沼泽湿地占绝对优势，其面积为湿地总面积的80.74%；其次为季节性或临时性积水的林灌湿地，其面积占区域湿地总面积的12.81%；河流与河漫滩所占面积比例分别为3.30%和1.98%；而湖泊景观以及高山湿地景观均不足1%。1994年，沼泽湿地在规模、面积和分布上依然占有绝对的优势，所占面积比重达82.40%；河流、河漫滩分别占湿地总面积的3.87%、2.39%；林灌湿地面积有所下降，所占湿地总面积比例降至9.93%；湖泊、高山湿地的面积比例仍不足1%。2000年湿地总面积锐减，但沼泽湿地仍占最大比重，占湿地总面积的84.21%；河漫滩和湖泊所占面积比重有所下降；河流所占湿地总面积升至4.71%。2006年，若尔盖高原沼泽湿地面积虽有大幅下降，但其所占湿地总面积比例升至86.99%；河流湿地面积所占比例仍有所上升，比例升至5.95%；以沼泽湿地为基质、以河流为廊道的基本构型特征愈加突出，面积萎缩与分散分布的特征更加显著。

图2 若尔盖高原湿地结构特征与变化

（二）湿地景观动态变化特征

湿地景观静态特征反映了湿地景观演变的基本特征，而湿地景动态变化过程，更能体现湿地景观演变的方向、速度和空间差异性。［7］若尔盖高原湿地在60年代开始出现初步退化现象，但总体上属于自然环境变化，人类干扰甚微，湿地景观基本面貌相比更早期无重要变化。随着人类对湿地干扰破坏力度的加强，湿地面积在进入80年代后迅速缩减，尤其是沼泽湿地发生大面积萎缩 （图3）。

图3 若尔盖各类湿地景观面积变化图

1.从湿地景观面积变化上看：1982～2006年，该区湿地面积从6613.05 km2缩减至3800.12 km2，湿地退化的形势非常严峻。1982～1994年，研究区湿地面积减少了1270.08 km2，其中沼泽湿地面积减少936.64 km2，占湿地面积缩减总量的73.75%。高山湿地在该时段面积有所增长，其面积增长量为7.94 km2，此外，其它几类湿地在该时段均呈现面积缩减的态势；1994～2000年，总面积在该时段内减少了830.3 km2，其中沼泽 湿 地面积 减 少 602.54 km2，林灌湿地、湖泊、河漫滩湿地面积均降至不足1994年同类型湿地面积的50%。2000～2006年，若尔盖高原湿地呈持续萎缩趋势，总面积减少了712.55 km2，沼泽湿地面积减少494.39 km2。

2.对各湿地景观的动态度进行横向比较可以看出，1982～1994年期间湿地景观动态度较大的是林灌湿地和湖泊，年变化率分别为－2.87%及－1.95%；1994～2000年湿地景观年变化较大的为河漫滩和高山湿地，年变化率分别是－4.20%和－2.38%；2000～2006年各湿地景观面积的动态度较前两个时段有较大增加，其中年变化速率较大的是林灌湿地和高山湿地。时段的纵向比较可知，河漫滩的动态度在1994～2000年期间最大，其余各湿地景观类型的动态度在2000～2006年期间最大。综上，各湿地景观面积在1982～2006年间减少的变化趋势显著，湿地的演化方向：湿地→草甸→退化草甸→沙化草甸→沙地／裸地。

四、可持续发展分析

（一）湿地水源分析

在北方农村典型湿地系统分布区，年内降水量主要集中在6～9月，6～9月雨季结束后的10～11月是径流过程的退水阶段，该期间径流变化可以在一定程度上反映陆面生态系统的水源涵养与调蓄状况，参照森林流域对于水源涵养指数的定义，将10～11月平均流量占全年流量的比值定义为高寒流域陆面生态系统的水源涵养指数。针对高寒湿地较为发育的流域，水源涵养指数可以近似地直观反映出流域径流形成与调蓄能力的变化。

图4 若尔盖地区2004～2006年水源涵养指数变化

从图4若尔盖地区1990～2003年水源涵养指数变化趋势可以看出：1990年以来，若尔盖地区水涵养指数整体呈递减趋势，其中若尔盖黄河干流区域水源涵养指数递减幅度较小，其年均递减率为0.0012；柯曲流域水源涵养指数变化幅度最大，从1990年的1.211减少到2003年的0.824，减少32%；若尔盖白河流域水涵养指数的年均线性递减率为0.009；黑河流域的水涵养指数年际波动较大，年均递减率为0.002。对比图4.9若尔盖地区2004～2006年的水涵养指数变化趋势，黑河流域的水涵养指数递减主要发生在1990～2003年，在2004～2006年略有增加；黄河干流区域、白河流域及柯曲流域2004～2006年水涵养指数的递减趋势较1990～2003年的递减趋势显著，黄河干流区域水涵养指数年均递减率达0.044；白河流域的水涵养指数年均递减率为0.22。从回归方程的相关水平看，1990～2003年若尔盖地区的水涵养指数变化趋势的相关系数R2都很低并且不能满足α＝0.05的显著性检验水平，说明水涵养指数的变化并不是简单的线性趋势，而呈周期性变化特征。

（二）植被对土壤水分变化的响应

在ArcGIS9.3平台下，基于分辨率为30 m的研究区DEM数据利用。Beven和Kirkby提出的土壤湿度模型表达式计算得到研究区每个栅格单元上的相对土壤湿度值 （图5）。［8］

图5 研究区相对土壤湿度分布

从图5可知：相对低湿区ωi＜6主要分布在高山陡坡区，该区位于研究区的西北部，研究区的裸岩与裸地主要分布于该区，此外该区还分布有稀少的沼泽湿地。水分的不足使高山陡坡区沼泽湿地难以发育，加之地形起伏剧烈、坡度大、水土流失严重使该区的相对土壤含水量较低；相对中等湿度区6≤ωi＜8主要分布于山地峡谷区，该区位于研究区南部，区内沼泽湿地发育良好分布较广；缓丘宽谷属于相对高湿区8≤ωi＜24，该区主要分布在黑河中下游、白河下游以及玛曲县东南部。区内地势起伏小，闭流宽谷地、古冰蚀谷地、湖群洼地等负地貌分布广泛。据若尔盖气象站数据显示，该区年均降水650mm，加之黑河、白河上游来水补给，使得该区成为若尔盖高原沼泽湿地发育面积最大的区域；相对高湿区100≤ωi＜103，湖泊、水库坑塘是其主要组成；平地上的相对高湿区ω≥103具有较高的汇流累积量，多分布在河道。

（三）土壤水分变化对植被的影响

研究区植被类型以草甸植被、沼泽植被、林灌植被为主 （图6），其中草甸植被和沼泽植被分布面积最广。

沼泽植被主要是由于地表水分过多而形成，排水疏干沼泽的胁迫下，沼泽植被逐渐退出，中生植物随之侵入，并逐渐占据优势，随着土壤湿度的不断减小，植物有机残体分解加快，有机质在土壤中的积累逐渐减少，沼泽土发展为草甸土。［9］湿地沼泽逆向生态演替模式为沼泽→沼泽草甸→草甸。林灌植被常分布于湿地的边缘地带或较为平坦的丘坡上，且与区内的林地镶嵌，形成稳定的植被类型。在自然和人类因素的干扰下，地表植被受到破坏，加之泥炭开采、过度放牧趋势的加剧，湿地生态系统水分状况恶化，湿地植被逐渐被沙生植被所替代，土壤中植物有机残体的归还量减少。随着土壤中有机质含量降低，土壤蓄水性能显著降低，土壤水分含量大幅减低。其逆向生态演替模式为：沼泽→沼化草甸→草甸→沙漠化地→荒漠。因而伴随着土壤含水量的变化，植被类型演替模式为：沼泽植被→草甸植被→沙生植被，相应的土壤类型演替规律为：泥炭沼泽土→草甸土→风沙土 （图6）。［10］

图6 研究区植被类型分布特征

［1］陈宜瑜.中国湿地研究 ［M］.长春：吉林科学技术出版社，1995：18－19.

［2］刘兴土，马学慧，吕宪国.湿地及其变化 ［M］.北京：科学出版社，2002：54－55.

［3］Jackson L L，Lopoukhine N，Hillyard D.Ecological restoration：a definition and comments［J］.Restoration Ecology，1995：71－75.

［4］张晓龙，李培英.湿地退化标准的探讨 ［J］.湿地科学，2004，2（1）：36－41.

［5］章家恩，徐琪.生态退化的形成原因探讨 ［J］.生态科学，1999，18（3）：27－32.

［6］Chapman G P.Descertified grassland［M］.London：Academic press，1992：44－45.

［7］Daily G C.Restoring value to the words degraded lands［J］.Science，1995，269：350－354.

［8］Wilson R E，Mitsch W J.Functional assessment of five wetlands constructed to mitigate wetland loss in Ohio，USA ［J］.Wetlands，1996，16 （4）：436－451.

［9］余国营.湿地研究进展与展望 ［J］.世界科技与进展，2000，22（3）：61－66.

［10］杨永兴.国际湿地科学研究进展和中国湿地科学研究优先领域与展望 ［J］.地球科学进展，2002，17（4）：508－514.