年降雨特征对泥炭沼泽湿地水文情势的影响

盛连喜，马 良，何春光，滕良慧，王灵艳

（1.东北师范大学 环境学院/国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室，长春 130024；2.北京市可持续发展科技促进中心，北京 100035）

在湿地生态系统诸多功能中，水源涵养是最基本和最主要的支持功能，而水文调节则是其重要的服务功能。在全球变化和极端天气增多的背景下，针对湿地生态功能的研究成为了学者关注的热点[1-2]。随着我国生态文明建设的推进，湿地生态系统的保护也得到各级政府的高度重视。水文过程在湿地形成、发育、演替乃至消亡的过程中都发挥着重要作用，而水文情势则是湿地水文过程研究的重要内容，包括湿地降雨的时空分异、湿地水文周期、表层水流模式等。水文周期是指湿地（表层和亚表层）水位的时间格局，它综合了湿地水量平衡所有方面[3]。湿地植物群落、地形地貌、土壤属性以及气候变化和人类活动等因素也影响着湿地的水文过程[4-5]。因此，湿地水文情势是一个复杂而又关键的过程，体现着湿地的功能状态，反映着湿地生态系统的健康水平。但水文过程的复杂性，使人们对其认识以及机理的揭示还存在一定难度，实证研究更是亟待加强的领域。

沼泽湿地是更具典型性和代表性的湿地生态系统类型，其土壤孔隙度达70%～90%，饱和持水量高达800%～1 000%，丰水期每公顷沼泽湿地蓄水可达8 100 m3[6-8]；干旱期沼泽湿地则向外释放水分，具有“天然海绵”和“生物蓄水库”的特征[9-10]。系统观测沼泽湿地的水文情势动态并分析其影响因素，是认识湿地水文过程及系统功能的有效途径，对于维护流域水环境安全具有重要指导作用。

本文以泥炭沼泽湿地为研究对象，基于野外调查、定点观测和模型模拟结果，对区域降雨及其特征与水位间的关系进行分析，探究降水特征和强度在湿地水文情势变化中的作用，并结合湿地地形特征、边界环境对各样点的湿地水位变动类型做了划分，期盼本文能为同类湿地水文过程的研究提供有价值的参考。

图1 研究区地理位置、样点设置及样点高程Fig.1 Study area location,sites setting and elevation

1 研究区域概况及研究方法

1.1 研究区自然状况与样点布置

金川泥炭沼泽湿地位于吉林龙湾国家级自然保护区内，坐标42°20′56″N，126°22′51″E，海拔625 m。现存湿地面积约72 hm2，近椭圆形，属火山口形成的小型盆地，泥炭最深厚度为7 m。地势由东北向西南递降，湿地内高程差近3 m（图1）。该区域属温带大陆性季风气候，雨热同期，年均温度3.3℃，无霜期135 d左右。湿地以直接降水为主要补给，近40年降水均值776 mm，主要集中在6-9四个月份。年均潜在蒸散发约为1 200 mm。湿地内有季节性积水，冬季地表形成冰冻层和雪被。金川沼泽湿地部分区域受人为干扰比较严重，湿地东部和南部与水田相邻，湿地与水田之间被人工河渠相隔。

在湿地内按南北向（样线Ⅰ）和东西向（样线Ⅱ）两条样带设置6个水位监测点（图1），置入三参数测量仪 CTD-diver（Eijkelkamp Ltd.,荷兰），以30 min为间隔自动记录水位。连续监测每年5月至10月期间的水位、温度和电导率数据。各样点的环境特征见表1。

表1 研究区6个观测样点及其环境特征Table 1 Environmental characteristics of 6 observation sites

1.2 降雨数据获取与地形测量

2011年至2017年降雨及气象数据来源于东北师范大学龙湾湿地研究站自动气象站（锦州阳光全自动气象站）。1980年至2010年气象数据使用靖宇气象台站数据（中国气象数据网http://data.cma.cn），该站距研究区仅30 km，二者月降水量呈显著相关，Pearson相关系数0.926（P＜0.01）。降水丰枯指标的确定采用距平百分比法[11-13]，以35年的年降水量为数据源，对研究区平水、丰水、枯水年进行分析。降雨强度的划分依据为中国气象部门的标准[14]。湿地高程点采用徕卡TS60全站仪（Leica Ltd.，德国）测量，以湿地中心样点6-1为零基准面，应用ArcGIS9.3绘制出湿地地形图。

1.3 水文数据分析及模拟

分别对不同年份、不同水位点的水位采用单因素方差分析（one-way ANOVA），并用最小显著差数法（LSD）检验，P＜0.05即为显著。采用Sigma Plot 12.5和SPSS 22.0进行图形绘制和数据分析。利用分布式物理水文模型MIKE SHE对沼泽湿地枯水年和平水年的水文过程进行模拟与验证[15]，分析湿地水文情势，绘制湿地水位渲染图。

2 结果与分析

2.1 研究区降水特征

研究区1980-2017年间的降水结果（图2）表明，38年间的降水量在年际间呈振荡变化，波动周期大致为3至5年，这一变化特点符合吉林省降水变化的基本特征[16]。2011-2014年依次为枯水年（642.4 mm）、平水年（818.7 mm）、丰水年（951.8 mm）和枯水年（701.9 mm）交替出现。在此期间，无降雨和强降水发生频率呈现上升趋势，暴雨对全年降雨量的贡献比例有所增大（表2）。这是否为全球气候变化的体现尚需进一步验证，但这对研究区湿地水文情势的影响是明显的。

图2 1980-2017年研究区降雨量Fig.2 The annual precipitation from 1980 to 2017

表2 2011-2014年研究区各类降雨发生频率和贡献率Table 2 The frequency and contribution rate of different intensity rainfall from 2011 to 2014

2.2 湿地水文情势的年际间变化

单因素方差分析结果显示，2011年（F=123.338，P＜0.01），2012年（F=58.587，P＜0.01），2013年（F=41.835，P＜0.01），2014年（F=178.629，P＜0.01）的不同样点间，水位的年均值存在显著性差异（图3）。比较各样点水位月值中位数发现，湿地总体水位由高到低的年份依次为2013年（丰水年），2012年（平水年），2011年（枯水年），2014年（枯水年）。枯水年多点水位均低于地表，年际间水位变化受降水影响明显，与降水量呈正相关。各年水位波动幅度的不同，表明湿地水位稳定性受当年降水强度的影响明显，相关程度高。

枯水年2011年各样点水位低于地表，但受2010年丰水年影响（降水量1 141.6 mm），多数样点的水位维持在地表以下5 cm之内，下降幅度不剧烈，表明年降雨量对湿地水文情势的影响具有时滞性。平水年2012年受2011年末干旱影响，湿地内各样点间的水位极端波动幅度高达7 cm到-48 cm，但整体水文情势较2011年有所好转，除靠近河渠的3-1和11-1样点水位偏低外，其他4个样点的水位均接近地表。样点3-1与11-1皆呈现低水位和较大的波动幅度，这与边界相邻的河床过低（分别低于湿地近1 m和2 m）有关，湿地不仅得不到河流水源补给，相反还不断向河流释放水分。2013全年降水约950 mm，从而使湿地水文情势继续转好，除3-1外，各样点的水位均在地表以上，水位波动幅度进一步收窄，为4年中最小，这表明充足的降水对于维持湿地水位高度和稳定性皆有非常重要的作用。2014年的年降水量虽然较2011年多约60 mm，且前一年的降水量又较多，但湿地各样点的水文情势并未出现持续好转的趋势，除地势低洼的23-1样点外，其他样点的水位均比枯水年的2011年还低，水文情势呈旱化的趋势。原因是前一年水分条件不同（2010年降水量1 100 mm，2013年降水量950 mm）造成两个枯水年的差异，同时湿地水文情势还与湿地植被、土壤结构、湿地水量平衡等因素有关，这些因素的作用还有待更深入的研究，但从降雨的相关角度看，2014年湿地水位状况的这种变化主要与雨季降雨时间格局有关。

图3 2011-2014年各点水位年值（不同字母表示不同水位点间差异显著，LSD多重比较，P＜0.05）Fig.3 Annual water table of different sites from 2011 to 2014(Different letters indicate significant differences among water lever in each plot,LSD’s multiple range test,P＜ 0.05)

2.3 湿地水文情势的空间分布

LSD多重比较（图3）还可以看出，6个水位点的年均水位在枯水年、平水年、丰水年具有显著性差异，但又表现出一定的相似性。湿地内6个样点按其相似性可分为4种类型，类型Ⅰ为样点3-3，6-1和7-4，其特点是水文情势位波动主要受降雨主导，水位波动幅度较小，虽然样点间的水位也存在差异，但进入雨季后Ⅰ类型样点间差异变为不显著；类型Ⅱ为邻近沟渠且地势较高的样点3-1，其水位长期显著低于其他5个样点，受降雨影响明显且水位波动大，最高可达数十厘米；类型Ⅲ为邻近且河流地势较低的样点11-1，水位波动存在季节性差异，尤其是雨季前后，波动幅度非常明显；值得注意的是，湿地与河渠相邻区域的这种大幅度水位波动，会导致沼泽植被生长环境的恶化[17]。因此，从流域尺度注重对湿地边界条件的改善将是该湿地保护的有效举措。类型Ⅳ为水位一直较低的样点23-1，不仅水位稳定、波动性小，且受降雨影响不明显。

为全面认识整个湿地水文情势在空间分布上的年际动态特征，本研究依据观测数据，利用分布式物理水文模型MIKE SHE对研究区2011-2014年湿地雨季和非雨季的水文情势进行模拟（图4）。结果显示，该湿地的水分运动方向自东北流向西南，东部干旱、西部湿润，南部与河渠相邻处干旱。水文情势总体与地形高程变化相符，局部受边界条件影响。其次，无论年际间雨量有何差别，当年雨季和非雨季的水文情势差异明显。另外，年内降雨的时间格局对湿地水位影响非常大，如2014年雨季降水少，导致湿地水位一直较低，甚至比前一年旱季的水文情势还差。其四，由于河渠的阻隔，湿地长期无法得到东部和南部边界入流的补给，外界能够向该湿地输入水源的区域仅为西侧和西北侧森林区，但影响范围和程度非常有限。因此，湿地对直接降雨的这种高度依赖表 明该湿地目前状况下的水源涵养能力并不强。

图4 2011-2014年8月和10月金川湿地水位渲染Fig.4 Water level rendering map of Jinchuan wetland in august and october from 2011 to 2014

2.4 湿地水文情势的季节动态特征

湿地水位月值变化情况显示（图5），湿地水文情势与各月份的降雨较年际降雨的关联更紧密，水位峰值都出现在降雨量最多的月份，并随着雨季结束而下降。结合各月的降雨量变化可以看出（图6），2011年水位随着月降雨量的逐月增加而上升，各样点水位的峰值通常都出现在降雨量最多的8月，而水位下降也恰始于降雨量减少的9月。2012年降雨量明显增多，降雨时间持续时间也较长，9-10月的降雨量仍然较多，因此，湿地各样点的水位也一直稳定到10月末。丰水年的2013年，降雨量主要集中在7月，各样点水位的峰值也出现在7月，而在此之前的5月和6月，降雨的减少使各样点的水位均较低。2014年7月和8月降雨量较往年大幅下降，与之相对应，该季节各样点水位大幅下降，年内水位波动幅度也明显增大，除样点23-1和3-3外，其他样点的水位在雨季（7，8月）都降至地表以下。高温季节降雨量大幅减少，而湿地植被蒸散发耗水量大导致了该时期水位的大幅下降，雨季出现雨热不同期的现象，导致湿地对于降雨的波动更为敏感。

图5 2011-2014年金川泥炭沼泽6个样点的月均水位值变化Fig.5 Monthly average water level of 6 sites in Jinchuan from 2011 to 2014

图6 2011-2014年研究区和相邻最近县的月降水量Fig.6 Monthly precipitation of the study area and adjacent nearest county from 2011 to 2014

3 结论

通过对金川泥炭沼泽湿地4年观测和模拟结果的分析，得出如下结论：

（1）该湿地的水文情势虽然受多种因素所制约，但区域降雨量和湿地微地形是最主要的2个影响因素。降水是该湿地维持的主要补给水源，并对下一年春季水位影响具有明显的时滞效应。

（2）研究期间，湿地年际间水文情势差异显著，年内季节性波动大，且各样点间也存在明显差异。降水的季节性变化对湿地水位动态作用非常明显，依据年降雨的时间分异和微地形差异进行湿地水文情势判断可能更准确、更科学。

（3）受到人为干扰的区域，已影响了湿地水分的收支平衡。该湿地对大气直接降水的极为敏感和水位的大幅度及频繁波动，可能对湿地的可持续性产生不利影响。因此，对该湿地的保育需要从小流域尺度加强生态系统管理以减少边界条件的危害，或实施“退耕还湿”，都是维护其可持续性的有效保育策略。

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