若爾蓋縣濕地穩態轉換的水文地貌生態閾值

崔 燚,張學霞,2,*,張 雪,方 宇,郭長慶

1 北京林業大學水土保持學院, 北京 100083

2 水土保持國家林業局重點實驗室, 北京 100083

濕地是分布于陸生生態系統和水生生態系統之間具有獨特水文、土壤、植被與生物特征的生態系統,是自然界最富生物多樣性的生態景觀和人類最重要的生存環境之一,在氣候調節、促淤造陸、蓄洪防旱、降解環境污染等方面起著極其重要的作用,享有“地球之腎”的美譽[1]。生態閾值是指生態系統質量、性質或現象發生突變,或環境驅動力的微小變化對生態系統產生巨大響應的點[2]。遙感技術可以快速、準確的探究濕地生態系統時空變化規律,從而分析濕地生態系統穩態轉換的生態閾值。閾值的獲取對于濕地保護、恢復、預警等方面具有極其重要的現實意義。

對于濕地生態系統而言,地形起伏直接影響著濕地的生態過程和功能發揮[3]。濕地土壤、濕地生物、小氣候、水文等要素的空間分異規律在一定程度上受到濕地地形地貌的影響[4]。水是濕地生態系統的控制性環境因子,水文過程控制著濕地的形成與演化,是塑造濕地生態系統結構與功能、引起濕地景觀動態變化的重要驅動力[5]。人工溝渠對濕地的水文過程有著直接影響[6- 7],通過管理規劃溝渠,可以排水疏干沼澤,也可以恢復或提高濕地的水位。

若爾蓋濕地是典型泥炭沼澤濕地,是重要的生態敏感區、生物多樣性豐富帶,在調節區域乃至全球氣候等方面有十分重要的作用。作為黃河上游的重要水源涵養地,若爾蓋濕地儲存了約50×108m3地下水,每年向黃河源干流補水約 40×108—50×108m3[5]。20世紀60年代以來,若爾蓋地區開展了大規模的開溝排水活動,據統計,1965—1973年期間,若爾蓋縣挖溝長度總計200 km,受影響的沼澤面積達1400 km2,約800 km2的沼澤變為半濕或干化狀態[8]。研究表明,如果生態系統經歷了穩態轉變,則可以通過將影響因素水平降低到比變化前更低的水平來實現生態系統的恢復[9]。對于處于退化狀態的生態系統,如果可以預先確定穩態轉變的閾值和可能的發生機制,則可以提前控制以降低恢復成本。胡春明等[10]以二卡自然保護區為研究區域,通過分析月均流量頻率分布特征劃分低、中、高徑流期作為穩態轉換的依據,將此時的濕地狀態作為生態閾值。吳東浩等[11]基于大型底棲無脊椎動物密度變化,利用統計分析方法尋找突變點,以此確定西苕溪上游流域河流營養鹽濃度閾值。

針對若爾蓋縣人工排水導致濕地萎縮和退化的現狀,亟需獲取濕地穩態轉換的水文地貌生態閾值,制定切實可行的濕地保護和修復調控策略。因此,本文以若爾蓋縣濕地為研究對象,結合遙感和生態學方法,基于行政鄉鎮尺度,得到濕地穩態轉換的生態閾值,并從空間層面劃定濕地恢復的優先性。研究結果可以為濕地保護及濕地修復的調控管理提供理論支撐和決策參考。

1 研究區概況

若爾蓋縣位于青藏高原東北部邊緣,隸屬四川省阿壩藏族羌族自治州,地理位置為32°56′—34°19′N,102°08′—103°39′E,總面積10436.58 km2,平均海拔3471 m。若爾蓋縣氣候濕潤寒冷,年平均氣溫0.6—1.2℃,年降水量560—860 mm,但近年來出現了明顯的暖干化趨勢[12]。若爾蓋縣分布著黑河、白河等河流以及花湖、哈丘湖、興措湖等湖泊,河流、沼澤等濕地廣布。地貌類型以河谷階地、低山丘陵和高山峽谷為主。若爾蓋縣廣泛發育高原草甸土和泥炭沼澤土,植被以亞高山草甸和沼澤植被為主。研究區建有若爾蓋濕地國家級自然保護區和花湖濕地示范工程。

在全球變暖、區域蒸發量增大等氣候變化和過度放牧、開挖溝渠等人類活動的影響下,研究區濕地生態環境明顯惡化。2015年若爾蓋縣開挖溝渠共計219條,總長度超過4500 m。人工溝渠直接改變了若爾蓋縣的水系分布及其水文連通性,排走了大量的地表水,沼澤疏干后土壤逐漸裸露變干,引起濕地萎縮[13]。

圖1 研究區地理位置示意圖Fig.1 Location map of the study area

2 數據和研究方法

2.1 數據來源

研究所使用的土地利用數據來源于資源環境數據云平臺(http://www.resdc.cn/)的全國陸地區域多時相土地利用現狀數據集,共有1980、1990、1995、2000、2005、2010年和2015年7期,空間分辨率為1 km。該數據集以Landsat TM/ETM遙感影像為主要數據源,通過人工目視解譯生成,經過野外調查實地驗證,土地利用現狀一級類型綜合評價精度達到93%以上[14]。其分類體系中共有6個一級類型和26個二級類型。依據《濕地公約》中對濕地的定義,將二級類型中的河渠、湖泊、灘地及沼澤地作為研究的濕地,其余土地利用類型被劃分為非濕地。所使用的溝渠矢量數據是在野外調研的基礎上,結合Google Earth遙感影像,通過目視解譯獲得。DEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)的GDEMV2數字高程數據,空間分辨率為30 m。

2.2 研究方法2.2.1 水文地貌指標的選取

水文地貌條件是影響濕地形成和發育的基礎,地勢平坦且河流分布廣泛的地區往往更容易孕育大面積沼澤濕地,開溝排水是若爾蓋縣疏干沼澤的重要方式,故本文選擇海拔高度、險峻程度、地形濕度指數(Topographic Wetness Index,TWI)、溝渠密度、線點率以及網絡連通度(Network connectivity)作為重要的水文地貌指標。

險峻程度是指某一確定面積內最高和最低點之高差[15]。利用ArcMap中的空間分析模塊,用鄰域分析-焦點統計工具,劃分3×3像元的矩形,求取分析窗口內的高差,作為目標柵格的險峻程度。

TWI是利用DEM數據生成坡度和匯流面積并進行柵格計算得到的指數[16]。公式如下：

TWI=ln(α/tanβ)

(1)

式中,α為流經地表某點的單位等高線長度上的匯水面積,β代表該點處的地形坡度,tanβ為局部坡角。為避免tanβ出現等于0的情況,研究中用10-10代替等于0的坡度。規定單位匯水面積取值最小為1個柵格單元長度,以避免比值為0的情況出現。由此方法計算出若爾蓋縣的TWI。

溝渠密度用單位面積上的溝渠總長度來表示[17- 19],公式如下：

D=L/A

(2)

線點率是指網絡中每個節點的平均連線數[14- 15],公式如下：

β=L/V

(3)

網絡連通度是用來描述網絡中所有節點被連接的程度,即一個網絡中連接溝渠數與最大可能連接溝渠數之比[17- 18],公式如下：

γ=L/3(V-2)

(4)

式中,D為溝渠密度,L為連接溝渠數,A為濕地面積,β為線點率,V為節點數,γ為網絡連通度。由于溝渠矢量數據存在冗余點,經反復嘗試驗證,最終閾值為10 m時去除冗余點、保留有效節點效果最好。線點率的數值范圍為0—3。線點率為0時表示無網絡存在;線點率增大,表示網絡內每一節點的平均溝渠連數增加,網絡復雜性增強。網絡連通度的變化范圍為0—1。網絡連通度為0時,表示沒有節點相連;網絡連通度為1時,表示每個節點都彼此相連。

2.2.2熵值法

熵主要反映系統的混亂程度,在信息論中,熵是對不確定性的一種度量,而信息是有序程度的度量,二者絕對值相等,符號相反[20]。在由n個評價方案和m個評價指標所構成的指標數據矩陣X={xij}n×m中,數據的離散程度越大,信息熵越小,所提供的信息量越大,該指標對綜合評價的影響越大,其權重也越大;反之,各指標之間差異越小,信息熵就越大,所提供的信息量則越小,權重亦越小。

2.2.3生態閾值統計分析法

生態閾值概念是20世紀70年代提出的,主要指生態系統的幾個穩態之間突然改變的點或區域[21]。生態系統對干擾的反應會隨著干擾力度的改變而出現突然的變化,致使系統結構或功能發生相應的改變,即穩態轉換[9]。如圖2所示,顯示出生態系統穩態的變化過程,不同的穩態(左、右)之間有一個臨界點,半圓的深度代表生態系統對干擾的“抵抗力穩定性”,半圓最高點到底部的傾斜表示生態系統的 “恢復力穩定性”,在某一時刻,干擾會將一個系統推到一個臨界點以外,進入另一個狀態[22]。研究表明,在生態恢復和退化過程中都有不同的響應閾值。這往往取決于所采用的時間和空間尺度,以及驅動因素的動態特征和生態系統的狀況。)表明生態系統的退化閾值,超過這個閾值,生態系統無法恢復到未受破壞的狀態。顯示了生態恢復的人為干預的合理閾值,超過該閾值,生態系統功能不會顯著增加,并且可能會下降(圖2)。

圖2 生態系統穩態轉換原理及生態閾值理論示意圖[22] Fig.2 Schematic diagram of ecosystem steady-state conversion principle and ecological threshold theory

確定生態閾值的方法主要分為三種：實驗監測、機理性數值模型模擬和統計分析方法。實驗監測的方法主要應用于大氣、海洋及河口的研究,對生態系統物種結構和功能的監測更為側重,但該判定方法主要適用于特定生物種群或特定檢測目標,缺乏對生態系統整體變化的判定,監測成本較高。機理性數值模型模擬在預測和預警方面比較突出,能夠較全面的解釋生態系統穩態轉換的過程和機理,但多數模型無法模擬穩態變化的非線性特征,需要長期數據來進行驗證。本文采用統計分析方法揭示若爾蓋縣濕地穩態變化的生態閾值,該方法基于長時間序列監測數據的規律來揭示穩態轉換現象,以此來尋找生態閾值,是最為常用的方法。該方法并不需要掌握生態系統的復雜動態機制和過程,簡便而有效[9]。

本文以1980、1990、1995、2000、2005、2010年和2015年7期土地利用數據為數據源,將土地利用類型的變化看作時間序列上濕地生態系統穩態類型的突變,并劃定穩態轉換區,利用ArcGIS疊加分析功能,將穩態轉換區對應的水文地貌指標數值作為所尋求的生態閾值。

3 結果與分析

3.1 水文地貌指標權重分析

為了探究影響濕地穩態轉換的水文地貌指標,本文以行政鄉鎮作為最小計算單元,以濕地面積和濕地面積比例表示濕地穩態變化,選擇溝渠密度、線點率、網絡連通度、海拔高度、險峻程度和TWI作為可能影響濕地穩態轉換的水文地貌指標,利用熵值法計算各指標權重。在若爾蓋縣所有鄉鎮中,熱爾鄉沒有濕地分布,阿西茸鄉、巴西鄉、崇爾鄉、凍列鄉、降扎鄉、求吉鄉和占哇鄉沒有人工溝渠分布,因此不列入計算單元。由于正向指標和負向指標數值代表的含義不同(正向指標數值越高越好,負向指標數值越低越好),將各鄉鎮濕地面積、濕地面積比例和TWI作為正向指標,將海拔高度和險峻程度作為負向指標。基于盧濤等[17]和劉路明等[23]的研究,溝渠網絡結構復雜程度與沼澤所占面積成反比,與草甸群落植物多樣性成正比,因此,在濕地變化類型的各項指標中,將溝渠密度、線點率和網絡連通度作為負向指標。權重越大,生態指標對濕地穩態的影響越大。由表1可知,對濕地穩態影響最大的兩項指標為網絡連通度和溝渠密度,權重分別是0.162和0.161。說明溝渠的數量和結構是對若爾蓋縣濕地穩態變化影響最大的因素,以開溝排水為主的干擾活動對若爾蓋縣濕地的穩態轉化影響很大。

圖3 若爾蓋縣水文地貌指標的空間分布Fig.3 Spatial distribution of hydrological and geomorphological indicators in Zoige County

表1 若爾蓋縣水文地貌指標的權重Table 1 Weights of hydrological and geomorphological indicators in Zoige County

3.2 生態閾值計算3.2.1 濕地穩態轉換區劃分

若爾蓋縣濕地穩態與非濕地穩態的轉換規律是計算生態閾值的依據,高躍鵬等[24]基于1980—2015年全國陸地區域多時相土地利用現狀數據集將若爾蓋濕地變化類型分為穩定型、退化型、恢復型和波動型。本文采用其對若爾蓋縣濕地變化類型的劃分方法,根據若爾蓋濕地穩態轉化方向的不同,將濕地穩態轉換區分為恢復轉化區、退化轉化區、穩態平衡區和波動變化區。經統計,若爾蓋濕地穩態平衡區面積最大,共計1384 km2,占全縣濕地面積的47.56%;退化轉化區次之,面積為1044 km2,占全縣濕地面積35.88%;恢復轉化區面積為460 km2;波動變化區面積最小,共計22 km2。

圖4 1980—2015年若爾蓋縣濕地穩態轉化區分布圖[24] Fig.4 Distribution map of steady transition zone of wetland in Zoige County from 1980 to 2015

穩態平衡區是濕地保持穩定不變的區域,如黑河牧場、轄曼種羊場附近,這些區域通常為湖泊或沼澤,具有發達的水系,地面平坦低洼,地下水位持續高于表層土壤。波動變化區是非濕地和濕地動態轉化的區域,表現為濕地與非濕地之間的動態平衡,其相互轉化無顯著方向、無明顯規律。

退化轉化區是濕地向非濕地轉化的區域。由表2可知,退化轉化區的溝渠密度和網絡連通度平均值最大,該區域受到溝渠排水作用影響,導致水位不斷下降,水位低于泥炭沼澤土表面,土壤厭氧環境遭到破壞,有機質分解加快,導致土壤養分釋放,濕生和中生植物迅速發育,耗水量增大,加速濕地退化。隨著地下水位的降低,土壤水分進一步減少,風毛菊(Saussureaspp.)、毛茛(Ranunculustanguticus)、鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)等高寒草甸植被逐漸占優勢。

恢復轉化區是非濕地不斷向濕地轉化的區域,由表2可知恢復轉化區溝渠密度和網絡連通度的平均值最小。自1994年若爾蓋濕地自然保護區建立以來,當地采取了排水溝壑填堵等濕地水文工程恢復措施,使約400 km2的濕地水位得以提高,水位抬高形成的厭氧環境有利于泥炭土累積,形成厭氧環境,泥炭沼澤不斷積累。生境由中生、旱生轉向濕生,以垂穗披堿草(Elymusnutans)、垂穗鵝觀草(Roegnerianutans)等禾本科植物為優勢種的群落向優勢種為烏拉苔草(Carexmeyeriana)、木里苔草(Carexmuliensis)、眼子菜(PotamogetondistinctusA.Bennett)等濕生水生植物的群落轉化,從而恢復沼澤濕地[25]。這一過程證明適度的人工干預有助于非濕地向濕地轉化,是促進濕地恢復的有效手段。

表2 若爾蓋縣濕地穩態轉化區溝渠密度和網絡連通度差異Table 2 Differences of ditch density and network connectivity in steady transition zone of wetland in Zoige County

3.2.2生態閾值及調控范圍

由于恢復轉化區濕地穩態轉化過程證明了人工干預的有效性,具有較強的現實意義。根據溝渠密度和網絡連通度的負向指標性質,以恢復轉化區作為生態閾值的標準,將恢復轉化區的網絡連通度和溝渠密度的最小值作為理想值,平均值作為臨界值。二者的區間即若爾蓋縣網絡連通度和溝渠密度的理想區間。用各鄉鎮網絡連通度的理想值和臨界值與實際值做減法運算,得到各鄉鎮網絡連通度的生態閾值調控范圍,同理計算溝渠密度生態閾值調控范圍,為各鄉鎮制定具體的調控方案提供參考?；贏rcGIS 10.2疊加分析,得到網絡聯通度的理想值為0.033,臨界值為0.054;溝渠密度的理想值為0.011 km/km2,臨界值為0.360 km/km2,各鄉鎮的生態閾值調控范圍見表3。調控范圍較低數值為理想值與實際值的差,較高數值為臨界值與實際值的差。由表3可知,麥溪鄉的溝渠密度最小,紅星鄉的溝渠密度最大,阿西鄉、紅星鄉、嫩哇鄉和轄曼種羊場的溝渠密度超出了理想區間,應填堵溝渠以改善水文條件。轄曼鄉的網絡連通度最小,麥溪鄉的網絡連通度最大,麥溪鄉、班佑鄉、黑河牧場、轄曼種羊場和紅星鄉的網絡連通度已經超出了理想區間。麥溪鄉溝渠數量較少,但是溝渠網絡交錯復雜,從而將濕地景觀分割成塊,導致濕地景觀破碎化,因此麥溪鄉需降低網絡連通度,以增強濕地景觀連續性和均質性。

表3 若爾蓋縣各鄉鎮網絡連通度和溝渠密度及其調控范圍Table 3 Network connectivity and ditch density and control range of townships in Zoige County

3.3 濕地恢復優先性劃分

在進行濕地恢復的過程中,首先確定關鍵調控指標,其次從空間上劃分優先恢復濕地。通過熵值法本文已計算出若爾蓋縣濕地穩態轉換的重要影響因素是網絡連通度和溝渠密度,故本文以溝渠密度為x軸,網絡連通度為y軸繪制散點圖,計算圖上各鄉鎮與理想區間的距離,距離越大則恢復等級越高。若爾蓋縣各鄉鎮濕地恢復等級采用自然斷點法分三級(圖5)。一級恢復區包括麥溪鄉、嫩哇鄉和紅星鄉,其中麥溪鄉應重點調控網絡連通度,嫩哇鄉和紅星鄉應重點調控溝渠密度;二級恢復區包括轄曼種羊場、阿西鄉、班佑鄉和黑河牧場;三級恢復區包括唐克鄉、轄曼鄉和達扎寺鎮,應在保持現狀的基礎上,避免溝渠進一步開挖,以控制地下水位,防止沼澤疏干。

圖5 若爾蓋縣濕地優先恢復等級Fig.5 Zoige county wetland priority recovery level

4 討論

基于熵值法和生態閾值統計分析方法,本研究篩選出對若爾蓋縣濕地穩態轉換影響最大的水文地貌指標,并計算理想值和臨界值兩類生態閾值。與原來研究僅考慮要素自身變化率相比,本研究通過識別濕地穩態轉換區,考慮了水文地貌條件對濕地穩態的作用,賦予生態閾值更多的地理和生態意義。閾值的確定方法靈活、操作性強,適用于難以獲得連續數據的其他影響指標,加上其長期性和大尺度的視角,可以作為獲得生態閾值的一種借鑒方法。

本研究計算得到的若爾蓋縣濕地穩態變化影響因素與其他學者研究比較一致。游宇馳等[26]認為開挖溝渠改變了若爾蓋沼澤的水流通道,導致在降雨期沼澤的積水沿溝渠被快速排走,使得沼澤脫水,引起地表水和地下水的水位下降。王元云等[27]利用層次分析法探究若爾蓋濕地變化的驅動因素,結果表明導致濕地面積減少的主要因子是超載放牧、挖溝排水等人為因素。本文在定義生態閾值理想區間時以濕地恢復作為期望狀態,根據Goffman等人的研究[2],一旦超過生態閾值,那么生態系統會偏離期望狀態,即溝渠數量一旦超過臨界值將不利于濕地的恢復,濕地穩態可能發生波動或退化,因此生態閾值研究對生態系統具有突出的預警意義。本研究關于若爾蓋縣濕地恢復優先性的結果與其他學者的研究有出入,高躍鵬等[24]從景觀變化的角度探究若爾蓋縣濕地恢復優先性,而本文更加關注濕地穩態轉換的影響因素,從影響因素的角度劃分恢復優先性,從而導致結果不同。一般來說,優先恢復區的退化濕地面積比例是最大的,但本文所劃分的10個鄉鎮,其退化濕地面積比例均不超過30%,且在方差分析中沒有通過顯著性檢驗,即各恢復等級的退化濕地面積比例無顯著差異,因此在本研究區中不能將退化濕地所占比例作為劃分濕地恢復優先性的依據。本文所采用的從影響因素的角度劃分濕地優先恢復等級更符合研究區實際情況,從而為研究區濕地恢復提出更合理的建議。

表4 各等級恢復區濕地退化面積比例差異Table 4 Proportion of wetland degraded area ratios in each level of restoration area

表5 各等級恢復區濕地退化面積比例方差分析結果Table 5 Analysis results of proportion variance analysis of wetland degradation area in each level of restoration area

從長遠來看,若爾蓋濕地的退化是氣候變化和人類活動共同作用導致的,人為因素是在較短時間尺度造成濕地退化的重要影響因素[28- 30];過度放牧導致牲畜對沼澤化草甸的啃食和踐踏十分嚴重,加速沼澤向草甸的逆向演替過程[31],使濕地發生退化并難以恢復[27];若爾蓋濕地蘊藏豐富的泥炭資源,但若爾蓋縣泥炭的大量開采使得大面積泥炭沼澤干涸[32- 33]。由于本研究沒有考慮氣候變化、超載放牧和泥炭過度開采等因素的影響,因此影響若爾蓋縣濕地穩態轉換的指標有待進一步的探討。另外,鑒于濕地生態系統的復雜性,僅通過濕地穩態變化規律確定生態閾值,若爾蓋縣溝渠密度和網絡連通度的理想值和臨界值以及調控范圍具有一定局限性。因此,本研究只是基于水文地貌指標和土地利用變化過程對若爾蓋縣濕地穩態轉換的影響因素和生態閾值進行初步探討,更加準確詳細地辨識其隨時間、空間和人為干擾因素對濕地的驅動作用,將有助于減少生態閾值研究的不確定性。

5 結論

本文以生態系統穩態轉換理論為理論基礎,利用熵值法篩選出影響若爾蓋縣濕地穩態轉換的重要水文地貌指標,通過探究濕地穩態轉換規律厘定具體的生態閾值和調控范圍,在鄉鎮尺度上確定濕地恢復優先性,從而為若爾蓋濕地穩態保持和恢復的時空順序提供了參考。主要結論如下：

(1)若爾蓋縣濕地穩態轉化區共四種,分別是恢復轉化區、退化轉化區、穩態平衡區和波動變化區。其中穩態平衡區面積最大,退化轉化區次之,其面積占全縣濕地面積的35.88%。

(2)影響若爾蓋縣濕地穩態轉換的重要水文地貌指標為網絡聯通度和溝渠密度。若爾蓋縣網絡聯通度的理想值為0.033,臨界值為0.054;溝渠密度的理想值為0.011 km/km2,臨界值為0.360 km/km2。麥溪鄉、班佑鄉、黑河牧場、轄曼種羊場和紅星鄉超出網絡連通度理想區間;紅星鄉、阿西鄉、嫩哇鄉和轄曼種羊場均超出溝渠密度理想區間。

(3)在若爾蓋縣需要進行濕地恢復的10個鄉鎮中,按恢復先后順序分為三個等級,一級恢復區應優先恢復,二級恢復區次之,三級恢復區最后恢復。一級恢復區包括3個鄉鎮,即麥溪鄉、嫩哇鄉和紅星鄉;二級恢復區包括4個鄉鎮,即轄曼種羊場、阿西鄉、班佑鄉和黑河牧場;三級恢復區包括3個鄉鎮,即唐克鄉、轄曼鄉和達扎寺鎮。