河漫灘濕地生態閾值——以二卡自然保護區為例

胡春明，劉 平，張利田,*，李 曜，西東升，康海全

(1. 中國科學院生態環境研究中心，北京 100085； 2. 華能呼倫貝爾能源開發有限公司，呼倫貝爾 021008)

河漫灘濕地生態閾值——以二卡自然保護區為例

胡春明1，劉 平1，張利田1,*，李 曜1，西東升2，康海全2

(1. 中國科學院生態環境研究中心，北京 100085； 2. 華能呼倫貝爾能源開發有限公司，呼倫貝爾 021008)

以典型河漫灘濕地 —— 二卡自然保護區為研究區域，進行生態閾值研究。根據濕地補給河流 —— 海拉爾河的月均流量頻率分布特征，選取58.72 m3/s(P=74.6%)、119.26 m3/s(P=44.4%)、190.35 m3/s(P=23.8%)分別代表河流的低、中、高徑流期，分析各徑流期濕地分布特征。結果表明，低、中徑流期內草本沼澤及鹽化沼澤所占比例較高，而高徑流期則以季節性河流濕地及湖泊濕地為主。低徑流期內，作為濕地中心區的湖泊濕地景觀破碎度出現一個較明顯的躍變，由中徑流期的0.57增加到1.37。此時的濕地狀態可近似的作為區域的生態閾值，即維持濕地面積占全區域面積的43.03%。而中、高徑流期濕地面積比例可近似作為保護區濕地面積的適宜值和理想值，分別為53.66%和69.53%。其研究結果為二卡自然保護區的管理及保護提供支持，并為河漫灘濕地研究提供思路。

河漫灘濕地；二卡自然保護區；生態閾值；水文；景觀破碎度

我國對于濕地的研究始于20世紀50年代對沼澤的研究，但直至1992年我國加入《濕地公約》后，對濕地的保護和研究才開始得到學者的關注。河漫灘濕地是較為特殊的濕地類型，形成以及濕地生態系統健康的維持與河流密不可分。河流的流量、水位、頻率、發生時間、歷時、變化率等水文情勢因子，促進著河漫灘濕地生態系統中生境多樣性的形成，調節并控制著濕地生物群落的結構，是決定河漫灘濕地生態系統發展與演替的主導因子[1- 2]。河流通過對河漫灘的定期補給，控制濕地沉積，促進濕地系統水循環，為濕地土壤提供養分并促進土壤發育，促進濕地景觀演替及生物多樣性的改善[3]。

在長期的演替過程中，河漫灘濕地建立了與河流自然水文情勢相適應的生態策略[4- 5]。隨著我國社會經濟發展對水資源需求的不斷增加，對水資源開發通常導致水文情勢的變化，包括水量減少、洪水消失、流量年內分布顯著變化等。河漫灘濕地生態系統中的生物群落來不及適應新的水文情勢，后果就是濕地退化甚至消失。因此，研究河漫灘濕地生態閾值，對于維持河漫灘濕地健康具有較好的環境意義和現實意義。

目前，我國的濕地生態閾值的研究工作大多集中在一些較重要的濕地保護區，如向海濕地[6]、扎龍濕地[7]、白洋淀[8]等，一般的河漫灘濕地普遍缺乏歷史研究成果及基礎觀測資料，這在一定程度上限制了此類濕地的研究及保護。而我國水文觀測自古就有，新中國成立以后對水文站網的建設尤其重視，1956年開展了第一次全國水文站網規劃以來，至2005年全國共建成各類水文站36012處，有著豐富的水文基礎資料[9]。由于河漫灘濕地與河流之間的緊密聯系，若將河流的水文資料合理利用，可極大彌補河漫灘濕地基礎資料不足的缺陷。

作者以典型河漫灘濕地——二卡自然保護區為研究對象，結合水文學與生態學方法，將水文基礎資料應用于河漫灘濕地研究，分析維持河漫灘濕地生態系統健康的生態閾值，以期為河漫灘濕地的生態閾值研究提供思路與借鑒，并為濕地保護及環境影響評價工作中的濕地影響分析提供參考。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

1.1.1 二卡自然保護區

二卡自然保護區位于呼倫貝爾市滿洲里市東北，地理坐標：北緯49°26′—49°32′；東經117°45′—117°51′，屬黑龍江流域。區域屬中溫帶大陸性氣候，冬季漫長寒冷，夏季溫涼短促，降水集中，春秋兩季降水少，多大風。年平均氣溫-0.1℃，極端最低氣溫-42.7℃，極端最高氣溫40.1℃，降水量319mm，蒸發量1405.5mm。

保護區的核心區位于北部，總面積1927 hm2；緩沖區位于核心區外圍，面積1611 hm2；其余區域為實驗區，面積為3143 hm2。二卡自然保護區的地理位置及功能區劃見圖1。

保護區主要由湖濱平原、沖積平原、河谷漫灘、沙地沙崗、高平原等地貌組成。保護區中部301高速公路橫穿而過，路基每隔400m設置一處涵洞，以維持南北區域的水力聯通。

圖1 研究區域地理位置及功能區劃Fig.1 Location and functional zoning of Er-Ka Nature Reserve

1.1.2 海拉爾河

保護區主要受東側的海拉爾河補給。由于地處高緯度地區，海拉爾河徑流量年內分布極為不均：11月至翌年3月為冰封期，徑流量極小；4月至10月為非冰封期，非冰封期徑流量占年徑流量約95%。

海拉爾河發源于大興安嶺西側，呈東至西流向。海拉爾河在二卡自然保護區附近為河流下游，屬于典型的平原型河流。河流兩岸地勢平坦開闊，當徑流量較大時，河水出槽漫灘，為河漫灘濕地提供補給。

1.2 研究方法

1.2.1 水文基礎數據

二卡自然保護區植物的主要生長季節為5—9月，因此以1961—2010年共計50a內的海拉爾河嵯崗水文站的5—9月水文資料為基礎，針對月均徑流量進行分析，總計250個數據樣本。

嵯崗水文站位于二卡自然保護區上游約30km的海拉爾河干流上，從嵯崗水文站至二卡自然保護區的海拉爾河段內，無支流匯入，也無取水口。因此，嵯崗站的水文資料可較好的表征二卡自然保護區附近的海拉爾河水文情勢。

1.2.2 植被基礎數據

采用TM5影像作為基礎信息源進行遙感解譯。遙感解譯結合資料收集、現場調查進行,2011年8月通過植被調查以及現有資料為解譯提供參照；2012年9月通過現場調查，對解譯成果進一步驗證。

1.2.3 濕地分類

對于濕地的定義及分類，目前被普遍接受的是1971年于伊朗拉姆薩爾簽署的《濕地公約》。其濕地定義為：濕地系指不問其為天然或人工、常久或暫時性之沼澤地、濕原、泥炭地或水域地帶，帶有或靜止或流動、或為淡水、半咸水或咸水體者，包括低潮時水深不超過6m的水域?！稘竦毓s》同時還對海洋濕地、內陸濕地、人工濕地的濕地類型進行了細分。

二卡自然保護區內的濕地屬于內陸濕地，參照《濕地公約》對濕地類型的分類，結合保護區植被類型，本研究區域涉及的濕地類型有：湖泊濕地、季節性河流濕地、灌叢沼澤、草本沼澤和鹽化沼澤。

1.2.4 濕地景觀破碎度

濕地景觀破碎度表征著濕地被分割的程度，計算公式如下:

C=N/A

式中，C為濕地的破碎度；N為某濕地類型斑塊的總個數；A為某濕地類型的總面積。

2 結果與討論

2.1 保護區植被現狀

二卡自然保護區內共有植物257種，分屬于57科165屬。其中蕨類1科1屬2種，裸子植物2科2屬2種，其余均為被子植物。以禾本科種數最多，共38種，其次為菊科、豆科、薔薇科和毛茛科。

按水分需求劃分(表1)，二卡自然保護區內植物生態類型以中生植物最為豐富，共有116種(包括濕中生、中生及旱中生)，廣泛分布于灌叢沼澤、草本沼澤、鹽化沼澤等各類濕地中。濕生植物種類共有35種，主要分布在湖泊濕地周邊、河流濕地以及草本沼澤內。水生植物種類較少，僅10種，主要分布在湖泊濕地內。各類型濕地內的主要植被物種見表2。

除濕地外，保護區內的生態系統類型主要為草原生態系統，植被物種主要有大針茅、羊草、克氏針茅、冷蒿。此外還有零星分布的沙地植被，包括差巴嘎蒿、沙米、蟲實、蒼耳等。

表1 二卡自然保護區植物生態類型

表2 二卡自然保護區主要濕地植被

2.2 海拉爾河月均流量分析

基于嵯崗水文站1961—2010年5—9月份的水文資料，海拉爾河最小月均流量為5.91 m3/s，最大月均流量為558.54 m3/s。以10 m3/s為梯度對海拉爾河月均流量進行頻數及頻率統計，統計值區間為0—560 m3/s，根據統計結果繪制頻率密度圖及頻率分布圖見圖2。

海拉爾河位于高緯度地區，冬季存在封凍現象，不適宜按照枯水期、平水期、豐水期進行水文周期劃分。為了研究需要，將海拉爾河流域主要植被生長期(5—9月份)的月均流量劃分為低、中、高三類徑流水平：月均流量小于58 m3/s為低徑流(出現頻率P≥75%)；月均流量在58—186 m3/s 的為中徑流(75%gt;Pgt;25%)；月均流量大于186 m3/s為高徑流(P≤25%)。

綜合考慮遙感數據的可用性，分別選取3個時段代表海拉爾河的低、中、高徑流期。2009年8—9月為低徑流期，月均流量分別為61.42、56.01 m3/s，時段平均流量為58.72 m3/s(P=74.6%)。2010年5—8月為中徑流期，月均流量分別為161.21、108.21、98.91、108.70 m3/s，時段平均流量為119.26 m3/s(P=44.4%)。2009年5—7月為高徑流期，月均流量分別為149.09、157.43、264.53 m3/s，時段平均流量為190.35 m3/s(P=23.8%)。

圖2 海拉爾河5—9月份(1961—2010年)月均流量頻率密度及頻率分布圖Fig.2 Frequency density and frequency distribution of monthly flow rate of Hai-la-er River in May, June, July, August and September between 1961 and 2010

2.3 不同徑流期內保護區濕地差異

采用3個時段末的TM5影像作為基礎信息源進行解譯，以研究水文情勢對二卡自然保護區的影響：2009年10月1日、2010年9月7日、2009年8月3日的影像資料分別代表海拉爾河低、中、高徑流期。

解譯成果及統計見表3、圖3及圖4。二卡自然保護區的濕地面積受水文情勢的影響較大，在低、中、高徑流期內濕地面積比例分別為43.03%、53.66%、69.56%。此外，濕地類型在不同徑流期也存在著較大的差異。低徑流期內，保護區濕地以鹽化沼澤為主，占總濕地面積的50.31%；中徑流期內，保護區內各類型濕地的面積較接近，季節性河流濕地、草本沼澤及鹽化沼澤的比例分別為28.40%、25.14%和28.31%；高徑流期內，保護區以季節性河流濕地為主，占總濕地面積的52.3%。對比3個研究時段可見，隨著海拉爾河徑流量的增加，時段末的濕地總面積以及季節性河流濕地面積增加、鹽化沼澤面積減少。

水文情勢是制約濕地類型與演替的最基本因素[10]。海拉爾河徑流量的變化，引起保護區的水量、淹水歷時、淹沒范圍、漫灘頻率等水文情勢變化，短期改變區域的淹沒狀況及濕地類型，如低徑流期的鹽化沼澤在高徑流期被淹沒成為季節性河流濕地。同時，水文情勢對濕地的理化環境產生影響(如營養物質的可獲取性、土壤和水體含鹽量、pH值和沉積物特性等)，繼而引起保護區濕地植被的組成、結構和功能的變動，最終帶來濕地的演替[11- 12]。地勢較低的區域可得到較充足的水源補給，維持長期積水狀態，成為湖泊濕地；地勢適中的區域不定期得到水源補給，區域不斷處于“干-濕”交替中，逐漸發育成為灌叢濕地、草本沼澤或鹽化沼澤。而地勢較高的區域不能得到足夠的水源的補給，在當地氣候條件下發育形成濕地以外的生態系統。

表3 海拉爾河不同徑流期內二卡自然保護區濕地面積統計

圖3 海拉爾河不同徑流期內二卡自然保護區濕地狀況Fig.3 Wetland status in Er-Ka Nature Reserve during different flow periods of Hai-la-er River

圖4 海拉爾河不同徑流期內二卡自然保護區濕地類型相對比例Fig.4 Percentage of each kind of wetland in Er-Ka Nature Reserve during different flow periods of Hai-la-er River

2.4 保護區生態閾值分析

生態系統發生突變的點或區間，在生態學領域稱為“生態閾值”[13]。生態閾值目前尚無統一定義，但公認的一點含義是：當生態因子擾動接近生態閾值時，生態系統的功能、結構或過程會發生不同狀態間的躍變[14- 16]。

濕地生態系統對環境具有適應、調節能力，且該能力與濕地面積呈正相關[17]，濕地面積也被諸多研究者作為生態閾值判別指標[7- 8,18- 19]。已有的研究均基于歷史資料或長期的研究成果提出生態閾值，如：周林飛等人[7]利用扎龍濕地的長期觀測資料提出濕地的最小、中等、理想生態水面面積分別為387.35、600.01、858.24km2；王立群等人[19]基于對向海、扎龍、查干湖和臥龍湖濕地的研究，提出松遼流域控制濕地萎縮應維持中心區濕地面積占濕地多年平均面積約40%。以二卡自然保護區為代表的大部分河漫灘濕地缺乏觀測資料或基礎研究，制約了河漫灘濕地的生態閾值研究。河流的水文情勢是河漫灘濕地形成與演替的最基本因素[10]，與濕地面積之間也有著較好的相關性[20]。因此，以河流水文情勢為基礎，從濕地面積角度進行生態閾值分析是可行的途徑。

海拉爾河的低、中、高徑流期不僅引起二卡自然保護區濕地總面積的變化，同時還短期改變了保護區內濕地類型的分布狀況，帶來濕地景觀破碎度的差異。景觀破碎度反應了空間結構的復雜性，在一定程度上表征了生態系統的穩定性，可作為濕地穩定性的評價指標[21- 22]。從表4可見，在海拉爾河的低、中、高徑流期，二卡自然保護區濕地的破碎度分別為1.02、0.84、0.64，徑流量越低，濕地破碎度越大。更值得關注的是，湖泊濕地的破碎度在低徑流期達到了1.37，比中、高徑流期增加了1倍以上。二卡自然保護區是典型的河漫灘濕地，徑流補給是濕地水源的主要來源。湖泊濕地形成于地勢較低的區域，是整個濕地的中心區[19]。湖泊濕地的面積萎縮且破碎化程度上升，表明整個濕地區域的水量已經較為缺乏，亟需得到新的徑流補給，濕地已處于較不穩定的狀態。

本研究選取的低徑流期末(平均流量58.72 m3/s，P=74.6%)，保護區濕地面積占全區面積的比例僅為43.03%，濕地景觀破碎度達到1.02，尤其是湖泊濕地的破碎度出現一個較明顯的躍變，由中徑流期的0.57增加到1.37。結合生態閾值的含義，此時段的濕地狀態可近似的作為區域的生態閾值，即維持二卡自然保護區濕地面積占全區域面積的43.03%。

此外，本研究選取的中徑流期(平均流量119.26 m3/s，P=44.4%)及高徑流期(平均流量190.35 m3/s，P=23.8%)，具有較好的水文代表性，時段末的濕地面積可近似作為保護區濕地面積的適宜值及理想值，分別為53.66%和69.56%。

表4 海拉爾河不同徑流期內二卡自然保護區濕地破碎度

3 結論

二卡自然保護區基礎研究、觀測資料極度缺乏。本文結合水文學與生態學方法，以水文觀測資料為基礎，同時利用遙感解譯等生態學研究手段，分析保護區濕地生態系統與其主要補給河流水文情勢之間的關系，進行保護區濕地生態閾值的研究。

(1)二卡自然保護區內的濕地屬于典型的河漫灘濕地，主要受海拉爾河的漫灘洪水補給。濕地類型包括湖泊濕地、季節性河流濕地”、灌叢沼澤、草本沼澤和鹽化沼澤，各濕地類型的相對比例受徑流量影響較明顯。高徑流期，季節性河流濕地及湖泊濕地比例較大；而中、低徑流期，草本沼澤及鹽化沼澤所占的比例較高。

(2)二卡自然保護區內，濕地面積在不同徑流期內差異顯著。在低徑流期(平均流量58.72 m3/s，P=74.6%)、中徑流期(平均流量119.26 m3/s，P=44.4%)及高徑流期(平均流量190.35 m3/s，P=23.8%)，濕地面積占保護區面積的比例分別為43.03%、53.66%和69.56%，可近似作為保護區濕地面積比例的最低值、適宜值和理想值。

(3)本文結合水文學及生態學方法，分析保護區濕地生態系統與其主要補給河流水文情勢之間的關系，繼而得出研究區域的生態閾值。對于普遍缺乏基礎資料的河漫灘濕地而言，本文提出的研究方法可為濕地的管理及保護提供思路與借鑒。

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Aninvestigationofthesafetythresholdofafloodplainwetland:acasestudyoftheEr-KaNatureReserve,China

HU Chunming1, LIU Ping1, ZHANG Litian1,*, LI Yao1, XI Dongsheng2, KANG Haiquan2

1ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2HuLunbeierEnergyDevelopmentCo.,Ltd.ofChinaHuanengGroup,HuLunbeier021008,China

We studied the safety threshold of an ecosystem in the Er-Ka Nature Reserve in the Inner Mongolia Autonomous Region of China, a typical floodplain wetland supplied by the Hai-La-Er River. Because information on the Er-Ka Nature Reserve is scarce owing to a lack of research done in the area, the safety threshold of the ecosystem is difficult to ascertain through traditional ecological methods. However, the floodplain wetland was closely associated with the river hydrology, and information on the river hydrology is abundant. It was therefore possible to study the safety threshold of the ecosystem by analyzing the relationship between the Er-Ka Nature Reserve and the Hai-La-Er River, using both ecological and hydrologic methods. The flow of the Hai-La-Er River was measured by obtaining 250 flow values every year from May to September from 1961 to 2010. From the data, three periods were selected to represent the low flow, middle flow, and flood periods, with runoffs of 58.72 m3/s (P=74.6%), 119.26 m3/s (P=44.4%), and 190.35m3/s (P=74.6%), respectively. The wetland status in the Er-Ka Nature Reserve during these three periods was studied using satellite images. Results demonstrate that the wetland area in the Er-Ka Nature Reserve was 2797.5 hm2at the end of the low flow period. The majority of the area comprises herbaceous swampland (50.31%) and salinization swampland (24.44%). At the end of the middle flow period, the wetland area was 3488.3 hm2, of which the temporary river wetland, herbaceous swampland, and salinization swampland made up 28.40%, 25.14%, and 28.31%, respectively. At the end of the flood period, the wetland area was 4522.0 hm2, 52.3% of which was temporary river wetland. Lake wetlands, the core areas of the Er-Ka Nature Reserve, were only 47.3 hm2at the end of the low flow period, far less than the area they covered during the middle flow period (259.2 hm2), and in the flood period (2365.0 hm2). Additionally, the degree of fragmentation of the lake wetland was 1.37 in the low flow period, which is much higher than that in the middle flow period (0.57) and in the flood period (0.62). These findings indicate that the wetland status of the Er-Ka Nature Reserve was unstable at the end of the low flow period. Thus, the status of the wetland at the end of the low flow period could be regarded to be approximately the safety threshold of the ecosystem, at which point the ratio of wetland area to the Er-Ka Nature Reserve area was above 43.03%, while the ratios at the end of the middle flow (53.66%) and flood (69.56%) periods may be acceptable wetland to reserve area ratios. This study can provide support for the management and protection of the Er-Ka Nature Reserve, and can provide a reference for future floodplain studies.

floodplain wetland; Er-Ka Nature Reserve; safety threshold of ecosystems; hydrology; degree of fragmentation

2013- 05- 10;

2013- 07- 22

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhanglt@rcees.ac.cn

10.5846/stxb201305101004

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