湿地水文连通影响因素及生态效应研究进展

贺怡, 王雪宏, 杨继松, 栗云召, 宁凯, 于君宝,*

湿地水文连通影响因素及生态效应研究进展

贺怡1, 王雪宏1, 杨继松1, 栗云召1, 宁凯2, 于君宝1,*

1. 鲁东大学滨海生态高等研究院, 烟台 264025 2. 东营市农业科学研究院, 东营 257000

水文连通是湿地生态过程的主要非生物驱动因子之一, 对湿地生态保护起着重要作用。在高强度人类活动和自然条件变化双重作用下, 湿地水文连通性发生显著变化, 对湿地生物多样性及物质循环产生影响, 导致一系列生态环境问题。充分认识湿地水文连通的主要影响因素: 植物因子、气候变化、人类活动及其生态效应机制将有助于维持湿地生态系统的稳定性。针对影响因素提出相应调控措施, 对湿地修复起到积极作用。

水文连通; 湿地; 影响因素; 生态效应; 调控对策

0 前言

湿地是水陆相互作用形成的独特又敏感的生态系统, 是鱼类和水禽等生物栖息活动及繁衍的重要场所, 在保护地球生态环境方面发挥着重要作用[]。湿地仅占地球表面6%, 却为地球上20%的物种提供了生存环境, 具有不可替代的综合生态功能[3]。然而, 受自然与人类活动的双重影响, 20世纪以来, 全球湿地面积减少了64%—71%[4], 湿地面积萎缩带来生态环境问题, 使生态系统的整体服务功能严重受损[5]。因此, 湿地生态系统的保护与恢复迫在眉睫, 已成为国内外研究的热点。

目前针对湿地退化, 国内外学者开展了大量生态修复相关的研究工作, 在湿地退化机理方面, 进行了湿地景观格局动态变化[6–7]、水盐变化[8–9]、植被演替[10–11]等过程的驱动机制研究, 发现了土壤盐分[12–13]、养分[9,14]、水文因子[15]及人类活动[16]等主要驱动因子。在退化湿地生态修复方面, 重点从水盐控制[17–18]、生态补水[19–20]、土壤修复[21–22]等角度探讨。综合来看, 已有的相关研究多是以湿地结构修复为主, 而湿地功能修复研究较少。水文过程在湿地形成、发育、演化直至消失的全过程中起着直接而重要的作用[23], 水文连通影响湿地土层物理、化学性质, 是湿地斑块间生物连通的媒介, 是生态过程的主要非生物驱动因子[5]。现因自然及人为因素使湿地水文连通格局发生重大变化, 向水文连通退化的方向发展[24], 导致生物多样性降低、物质循环及能量流动能力变弱, 使湿地生态稳定性下降, 湿地出现退化。

我国关于湿地生态研究虽起步稍晚, 但对湿地生态的重视程度已经超越了大部分国家和地区, 关于湿地水文连通驱动因素及其对生物多样性和物质循环影响研究尚为薄弱, 是湿地科学亟待解决的问题。基于此, 本文以湿地水文连通对生态保护的重要性为切入点, 综述了湿地水文连通主要影响因素及其生态效应, 以及针对主要驱动因素提出相应调控对策, 维护湿地良好水文连通, 为湿地健康维持和可持续发展提供支持。

1 水文连通内涵及对湿地生态保护的重要性

1980年Vannote等学者提出“河流连续体”[25]后, 国内外学者对水文连通进行了大量研究, 由于研究领域及研究角度不同对水文连通的定义也有所差异(表1)。水文连通根据其功能可大致分为两类: 一是湖泊、河流、水库等水体景观在空间尺度上的连续性, 为结构连通[26]; 二是功能连通, 即水文连通的空间格局和流域过程相互作用产生的水流、物质流或生物流输移的能力和变化[27–28]。结构连通及功能连通均具有四个维度特征, 一个时间维度和三个空间维度, 空间维度具体包括河漫滩/洪泛区—河流的横向连通; 源头—河口的纵向连通; 河流地表水—地下水的垂向连通[29]。目前关于单一连通过程研究较多, 而多连通过程综合研究较少, 区域水文连通是一个复杂的过程, 尤其在气候变化大背景下, 不同连通特征同时发生变化, 使区域物质、能量及动植物迁移效率的研究变复杂, 因此全面认识结构连通、功能连通及其特征对增强区域水文连通功能和修复湿地有重要意义。

水文连通是湿地生态安全及调节湿地水资源的重要保障[27], 是驱动湿地生态系统能量与物质循环和功能发挥的主要营力[36]。完整的水文连通能促进不同湿地间或同类湿地内物质循环、能量流动和信息传递能力, 可为动植物提供良好的生存条件和栖息地环境, 更好满足生物生存的需求, 可提高湿地抵抗外来干扰的能力, 在外界条件发生变化时仍可维持稳定状态[37]。

水文连通通过重塑湿地地形地貌、改变生境分布结构及扰动湿地理化性质等影响湿地生境格局[5], 对生物定居、繁殖和迁移产生影响, 从而作用于生物群落分布和生物多样性。水文连通控制植被的存在及分布格局, 如滨海湿地中植被分布特征反映了其独特的水文连通模式[36]; 影响动物觅食与繁殖, 水文连通性弱有利于浮游动物密度的增加, 但其生物量受到限制, 连通性强时则相反[38–39], 而生物量增加有利于维持湿地生态系统稳定性。还可直接或间接调控元素生物地球化学过程, 改变侵蚀堆积及沉积物的运移速度, 影响土壤含水量和氧化还原反应, 使湿地土壤理化性质、土壤质地和水质量[40]发生变化。由此可见, 良好的水文连通对湿地植物生长、动物生存和生源元素循环起到积极作用, 有助于不同湿地斑块间的物理、化学和生物连通, 相当于湿地斑块间沟通、联系的“特殊通道”, 对湿地生态保护和稳定性提高具有重要意义。

表1 不同研究角度对水文连通的定义

2 湿地水文连通影响因素及生态效应

在自然和人类活动的双重作用下, 湿地水文连通发生变化, 使湿地原有的生态平衡被打破, 一方面引起湿地泥沙含量、水量、水流速度及水动力等条件的改变, 使湿地生境格局发生变化, 影响湿地动植物连通性及生活习性; 另一方面, 导致湿地物质运移速度、氧化还原条件改变, 影响湿地物质养分循环。驱动水文连通发生变化的因子划分为三种, 植物因子、气候变化及人类活动, 现将从这三种影响因素及其生态效应进行讨论。

2.1 植物因子对湿地水文连通的影响及生态效应

芦苇()、互花米草()等湿地植物生长状况影响水文连通性大小, 大量繁殖对河道、潮沟等水文通道造成影响。芦苇生态幅宽广, 适生于不同生境类型, 在我国东北辽河口湿地、华北白洋淀湿地及东南沿海闽江口湿地均广泛分布, 因有较强的适应性和抗逆性, 繁殖速度快且产量高, 是滨海滩涂、湖泊、河口等浅水湿地生态系统的优势种, 其作为典型的水生植物, 能大量储存水分, 为生长区域地下蓄水层补充水源[41–42], 对垂向水文连通起到积极作用, 利于地上—地下元素循环、能量流动。

1979年我国出于促淤造陆、保滩护岸、改良土壤[43]等目的引入互花米草, 因其根系发达, 有极强耐盐、耐淹和繁殖能力, 在我国海岸带迅速蔓延成为入侵植物, 据统计1990年我国互花米草面积为4375.5 hm2, 2015年为54579.7 hm2[44], 大面积生长导致我国滨海地区航道阻塞、水质交换能力变差[45], 并对滨海湿地潮沟[46]及水文过程[47]造成较大影响。滨海湿地受到上游径流与上溯潮流的共同影响, 咸淡水交互作用强烈[48], 互花米草多生长在潮间带, 快速繁殖严重阻碍了滨海湿地咸淡水的物质、能量交换, 且穿过其中的潮沟数量不断减少, 长度也较短。潮沟发育情况一定程度上可反映河口湿地水文连通模式[7], 由潮沟曲率、潮沟频数、网络环通度、节点连接率和网络连通度综合计算可得出区域连通性指数[49], 从而判断水文连通程度。黄河三角洲湿地互花米草在孤东油田东南侧、黄河现行入海口及东南侧较为密集, 由上述连通性指数计算得出互花米草生长茂密区域连通性指数低[50], 水文连通较弱。

芦苇、互花米草大面积繁殖, 在河道两侧及潮滩上形成一道屏障, 使水动力不断减弱, 泥沙运移速度降低, 会拦截泥沙并使其沉积于草滩中[51], 泥沙不断淤积, 湿地局地高程提升, 水流流动方式及路径改变, 阻碍河流/潮流与其周围河岸/潮滩缓冲区的水质调节, 进而对物种流和物质流的速度和形式产生联动影响[52], 影响湿地生态服务功能。互花米草扩张会打破海陆动态平衡过程, 影响滩涂养殖、底栖动物群落的移动及滩涂植被类型, 且其地上和地下生物量大通常高于本地物种[53], 较大生物量及过快的繁殖速度使潮沟淤塞, 水文连通受阻; 凋落物覆盖度高易引起水体缺氧, 且植物腐败释放大量氮磷物质, 使重金属元素过量富集[54], 影响湿地土壤质量。

2.2 气候变化对湿地水文连通的影响及生态效应

全球气候变化主要体现在: 气候变暖、水文循环过程发生变化以及极端恶劣气候事件的频发[55]。气候变化加速大气环流和水文循环过程, 使水资源在时空上重新分配, 大气降水形式及降水量发生变化, 造成地表径流及地下水蓄量的波动, 影响湿地水文条件和循环过程[55]。湿地水源补给受气温、降水量和蒸发量等影响, 这些是导致湿地水位、淹水面积、地下水位等水文情势变化的主要因素, 从而影响湿地水文连通。湿地生态系统水源补给方式制约水文连通强度, 不同水源补给的湿地水文连通对气候变化响应程度不同。

我国西北地区以冰雪融水补给为主, 如新疆额尔齐斯河流域因温度升高, 春、冬季冰雪融水增多, 夏、冬季降雨量增加[56], 是该研究区湖泊、沼泽面积增多的自然驱动力。华北地区及长江中下游绝大多数湿地以大气降水补给为主, 21世纪以来降水量呈减少趋势, 且在区域和季节上存在不均衡性, 如春、秋季及白洋淀、洪湖等湿地降雨量减少, 水资源消耗过快, 湿地萎缩速度加快[57–58]。气候变化大背景下, 西北地区湿地积雪融水量明显增多, 水源补给充足, 淹水面积扩大, 水位上升, 淹水期变长, 从而使之前的孤立湿地相互连通, 提升湿地斑块间物理、化学及生物连通。华北及长江中下游地区, 由于降雨量减少, 温度上升, 全年蒸发量也明显高于降水量, 湿地水源补给减少, 水分消耗增加, 甚至出现水源枯竭, 使湿地淹水面积减少, 淹水期变短, 地下水位下降, 水流速降低, 导致流域孤立湿地斑块增多, 无论横向、纵向、垂向水文连通均受到影响, 物质循环、能量流动、信息传递能力变弱, 对生物生存、迁移造成消极影响。

气候变化影响湿地水源补给, 造成湿地水文情势变化, 对水文连通产生影响。水源补给充足时, 湿地水位较高, 淹水面积大, 水深加深, 水流速及流量加大, 孤立湿地斑块间水文连通性增强, 氮磷等营养物质的循环能力提高, 良好的物质循环增强湿地养分输入及输出潜力[59], 能更好抵御湿地破碎化产生的消极影响; 且以水为介质的溶质横向运移效率高, 分布在河漫滩上的碳、磷等营养物质会被有效稀释, 从而随水流一起流向河流或河岸地区; 纵向连通性增强, 物质传递能力强, 使上游生源要素即时随水流带入下游, 避免造成上游营养物质的堆积; 垂向连通度提高, 更有利于地表水—地下水之间的交流与循环。但若水源补给不足, 蒸散发强时, 水文连通减弱, 物质运移能力变差且不断累积, 对湿地生境产生消极作用。

2.3 人类活动对湿地水文连通的影响及生态效应

修建道路、水利工程建设、围垦造田、水产养殖、油田开发、建筑用地扩张等一系列人类活动在大部分湿地地区普遍存在且干扰强度日益强烈[60], 人类活动使不同类型湿地之间或相同湿地内部在时空上的水文连续性被破坏, 对区域和全球空间尺度上水文连通性质产生影响[61], 使水文连通严重受损, 湿地生态稳定性逐渐下降。

工矿用地、建筑用地、旅游设施建设、围垦造田等土地利用变化不断加剧, 工程设施建设必然伴随道路修建的增加, 一方面使自然湿地面积减少, 景观破碎化程度加深, 湿地水文连通功能破坏, 斑块间水力联系切断, 水体之间的连接频率和持续时间减少, 致使物种迁移能力, 生物多样性下降[62]; 另一方面建设用地的扩张使耗水量急剧增加, 为满足需求大量抽取地下水, 造成地下水位下降, 蓄水能力变差, 湿地斑块间水文连通难以构建。大坝、人工水库等水利工程建设首先会拦截上游来水, 造成下游严重缺水, 且引水建渠调走大量水源用于灌溉区灌溉和城镇生活用水, 导致水储量减少[63]; 其次, 水流速度变缓, 急流状态消失, 水位落差变化平缓, 水循环模式改变且速度降低, 元素不断累积, 造成湿地土壤结构破坏等; 最后, 对水生生物生长造成影响, 如通过阻断洄游性动物完成其生活史, 对其生存、繁衍造成严重干扰。

人类过度开发湿地导致湿地生态平衡打破, 湿地不能正常发挥功能, 改变植被的分布和结构, 给动物的生存环境带来压力[64]。土地利用率高, 湿地斑块破碎化加剧, 斑块间不能建立有效连通, 造成湿地生物单一化、地球化学元素循环能力变差等消极影响; 且道路、堤坝修建, 使湿地横向水文连通减弱, 影响水盐横向运移, 使道路、堤坝两侧植被演替受到干扰, 导致植被类型的差异性。水利工程设施则对河流脉冲频率、排放量和水力持续时间造成影响, 破坏纵向水文连通[65]; 且通过改变洪泛平原湿地的洪水脉冲来影响横向水文连通[66], 对河流和湿地生态系统健康产生影响。人为干扰可在较短时间内对水文连通产生较大影响, 近年来, 国家对湿地保护极为重视, 并充分认识到了水文连通在湿地修复中的重要地位, 积极开展关于水文连通修复等相关研究, 以此提升湿地服务功能。

3 维护湿地良好水文连通的对策

随着对水文连通重要性的不断认识, 通过恢复水文连通增强湿地功能, 保护湿地生态的工程措施现已在国内外得到了广泛的重视, 针对不同湿地水文连通驱动因素采取不同调控对策或综合治理来维护湿地良好水文连通, 对湿地修复起到积极作用。

针对植物因子对水文连通的影响, 如芦苇阻塞河道、互花米草阻塞潮沟情况, 可优先对河道、潮沟内芦苇、互花米草进行清理及控制, 需防控—利用相结合, 一方面通过物理、化学、生物及综合防治[67], 控制其繁殖; 另一方面, 通过肥料化或药用化资源合理利用发挥其价值[44]。也可根据遥感影像解译得出芦苇、互花米草的增长规律及生长区域分布, 提前在可能繁殖的区域进行防控措施的实施, 避免其大量繁殖影响水文连通。将互花米草清理后, 若潮沟较长且蜿蜒曲折, 潮流无法到达堤坝处即干涸, 可通过闸坝调控, 潮沟水系重建的方法来疏通水文连通, 引导潮流通过堤坝, 向潮间带内陆补给水。

关于怎样应对气候变化对湿地水文连通的影响, 我们首先要解决如何预测和评估气候变化下湿地水文状况, 目前许多学者正使用模型分析方法来评价气候变化对湿地水文的影响, 中心气候模型GCM1和HADCM2预测表明21世纪全球平均年降水量的变化将显著改变湿地水文情况[68], 水文模型也是评估气候变化对湿地水文影响的一个重要方法, 并说明湿地景观特征对水流状态的影响[69]。模型的可选性很多, 可同时使用几种模型用历史数据来评估目前气候变化情况下对湿地水文的影响, 然后选择其中准确率高的模型预测未来气候变化对湿地水文的影响。其次, 需深入理解水文格局与过程在湿地中的作用, 以便于在气候变化背景下, 快速研发水文连通修复技术, 提高湿地生态功能, 实现湿地健康可持续发展。最后, 气候变化下如何平衡湿地水文连通性, 使水文连通功能发挥最大作用, 地方政府及专家应积极配合, 从科学角度出发制定出湿地水资源适应气候变化的管理办法和政策措施。根据不同湿地特征, 研究其生态用水需求及在不同气候背景下湿地面积消减情况、水量增减变化和生物多样性变化。

从大时间尺度上看, 自然因素的影响力处于主导地位, 但在中小尺度上, 人类活动成为影响湿地演变/退化最重要的驱动因素。人为因素削弱了江、河、湖、海之间的水文连通过程导致湿地生态过程紊乱, 影响社会、经济及生态综合效益。政府参与宏观调控, 优化水文连通, 不断增强人们保护湿地、合理利用水资源意识。通过规范人类活动, 修建或拆除工程设施来恢复/提高湿地水文连通性, 拆除大坝可提供更多的自然洪水脉冲, 增加洪峰流量, 使洪泛区湿地的横向水文连通性增强, 生物多样性提高[70–71]。松花江流域中下游区域由于修建堤坝、水库导致上游来水量减少, 堤内湿地与河流纵向连通性变差, 却增强了堤外洪泛湿地和河流的横向连通性[72], 表明不同的水文连通过程有着复杂的转化关系, 因此需要全面认识横向、纵向及垂向水文连通之间的关系, 对区域湿地生态保护有重要意义。退化湿地内, 以水文连通为主线, 构建并优化湿地生态网络, 降低/消除障碍因子, 优化湿地结构, 提升湿地食物供给功能, 改善栖息地生态环境。

4 结论与展望

水文连通强弱对湿地生态稳定性维持具有重要作用。在总结前人研究基础上, 本文将湿地水文连通驱动因素归结为: 植物因子、气候变化及人类活动, 三种因素通过影响水文连通, 对湿地生物迁移、物质循环及能量流动产生联动影响, 后针对不同因素提出相应调控对策, 如: 通过防控—利用相结合来控制芦苇、互花米草生长, 建立地下沟渠或闸坝调控疏通水文连通渠道; 通过专家对气候变化下水文情况研究和政府出台政策两方面应对湿地水文连通变化; 通过合理控制人类活动, 提高水文连通, 促进湿地修复。

目前关于湿地水文连通影响因素及生态效应研究已取得了一定成果, 但仍处于发展阶段。为了在科学基础上更好的利用水文连通修复受损湿地及保护湿地生态, 提出以下5点展望: 1)加大互花米草繁殖对滨海湿地水文连通影响研究, 如不同滨海湿地互花米草繁殖如何影响潮沟分布; 有无互花米草情况下, 底栖生物、元素含量有何区别等方面。2)通过工程措施恢复水文连通过程中, 要注意连通性增强可能引起生物入侵、污染物扩散、元素流失等风险。3)河口湿地处于陆、海、河交汇处, 具有复杂的物质、能量、信息流, 同时又兼具淡水生态系统和咸水生态系统特征, 加强河口湿地水文连通生态效应研究, 借助水动力模型或构建生态网络来研究水文连通对河口湿地生态环境的影响规律。4)水文连通修复后, 对生物多样性、元素循环进行长时间观察研究。5)在气候变化大背景下, 加强生物物种和丰富度对湿地水文连通变化的响应, 为湿地保护提供更详细的数据。

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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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2020-04-29;

2020-05-26基金项目:国家重点研发计划北方典型河口湿地生态修复与产业化技术(2017YFC0505900); 国家自然科学基金(41301052, 41871091, 41871087)

贺怡(1995—), 女, 山西临汾人, 硕士研究生, 主要从事滨海生态研究, E-mail: heyilddx@163.com

通信作者:于君宝, 男, 博士, 教授, 主要从事湿地生物地球化学与生态修复研究, E-mail: junbao.yu@gmail.com