撓力河流域濕地對相鄰景觀逐日氣溫調節作用的實驗研究

王曉東， 宋宇加， 褚麗娟， 劉鑫宇， 姜明

(1.長春師范大學地理科學學院， 長春 130032； 2. 吉林師范大學旅游與地理科學學院， 四平 136000； 3. 黑龍江撓力河國家級自然保護區管理局建三江分局， 富錦 156300； 4. 中國科學院東北地理與農業生態研究所， 長春 130102)

濕地在緩解全球氣候變暖和調節區域氣候方面具有重要作用[1-3]，作為自然調節器，對相鄰景觀氣候表現有很強的調節作用。氣溫是衡量濕地調節作用的敏感指標[4-6]，區域氣溫狀況能夠體現濕地的調節能力，對濕地氣溫調節功能的研究日益引起關注[7]。濕地最重要的價值是對局地氣溫的調節，如在膠州灣濱海濕地，1975—2010年的核心功能為氣溫調節[8]，在價值法、替代成本法和旅行費用法運算支持下，得到扎龍濕地區域氣溫調節的價值最大的結果[9]；在博斯騰湖濕地，生態系統服務價值體現在使地區氣溫保持平穩狀態[10]。濕地的冷濕效應是調節局地氣候、緩解氣候暖化的主要方式，如在松嫩平原，隨著濕地面積增加，最高氣溫上升幅度變小[11]；在西孟加拉邦地區，濕地對周邊不同景觀降溫作用在0.1～1.4 ℃[12]，西溪濕地對城市的降溫幅度比森林高0.3～0.6 ℃[13]；另外濕地對周圍不同景觀的氣溫調節作用存在差異，在西瓦斯省(Sivas Province)5個濕地，降溫效應的影響距離為1～10 km，差異原因主要與相鄰景觀類型的異質性有關[14]；艾比湖濕地氣溫與植被覆蓋水平之間存在線性函數關系，濕地對周邊不同景觀的氣溫調節效應存在顯著差異[15]。

這些研究都對濕地的氣溫調節功能進行充分研究，取得許多成果，認為濕地的氣溫調節功能對于當地氣候影響很大，但是這些研究都基于大尺度、長時間的研究，得出的結論不夠精細，沒有在局地尺度揭示濕地調節作用的差異性表現。所以現以小尺度為研究區，以日均氣溫為切入點，研究濕地對相鄰景觀的氣溫調節能力的不同，分析濕地對不同景觀氣溫調節的差異性表現，揭示差異形成的機理，為研究濕地的氣候調節方式，分析氣候調節功能的研究提供鋪墊，為全面深入探究濕地的生態價值提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

七星河濕地(46°40′～46°52′N，132°05′～132°26′E)地處三江平原腹地[16-17]，為溫帶濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫為3.5 ℃[18]。屬于內陸濕地和水域生態系統類型，是撓力河流域最典型的濕地[19-20]，分布大面積的蘆葦、苔草沼澤和沼澤化草甸[21]。隨著濕地的不斷被占用，附近其他類型的景觀相繼出現[22]，如灌叢、林地、農田等，灌叢分布在濕地中地勢稍高的地方，植物主要有旱柳、龍須柳、筐柳等，樹高大約3 m，與濕地蘆葦高度相似，濕地夏季雨量豐沛時，濕地水能夠進入[23]；林地是在1999年退耕濕地上栽種的速生楊，目前已經形成同齡林，樹高大約都在10 m，地勢較高，只有在雨季，濕地水位高漲時，濕地水可以進入林地；濕地周邊地勢最高的地方已經開墾為旱地，種植玉米，濕地水無法進入。伴隨景觀破碎化日益明顯，濕地對相鄰景觀氣候調節的差異性逐漸顯現。

1.2 氣溫測量

2016年6月2日將6個自動溫濕儀(HOBO-U23)放置在撓力河流域相對典型的七星河一段濕地邊緣，針對濕地與灌叢、濕地與林地和濕地與農田3個不同類型的景觀交界面，每個交界面設置2個采樣點，每個采樣點放置1個自動溫濕儀，一共安放6個，大致沿東西方向延伸，所有采樣點自西向東從1到6依次編號，濕地與灌叢景觀交界面2個采樣點編號為1和2；濕地與林地景觀交界面2個采樣點編號為3和4；濕地與農田2個采樣點編號為5和6(表1，圖1)。儀器高度距離地面1.2 m，溫度測量的時間間隔為1 h，自動記錄整點時間的溫度值，在2017年6月3日，利用手提電腦，將這一時段內溫度記錄數據導出，在室內進行處理，最終得到2016年6月3日—2017年6月2日一整年所有整點時刻的溫度數據。樣點數量從相對大的空間范圍看相對較少，但是整個采樣區東西延長只有6.8 km左右，范圍較小，屬于局地尺度；從地形高低和植被特征看，濕地周邊同一類型景觀內部(灌叢、林地和農田)幾乎沒有差異，一致性相對較強。所以在交界處，只對同一景觀類型的交界面重復2次采樣。

表1 采樣點的位置Table 1 Location of plots

圖1 撓力河濕地自動測溫儀放置圖Fig.1 Sampling plots at Naoli River Wetland

1.3 日均氣溫分析

1.3.1 氣溫記錄的整理

將每個儀器的溫度數據按照逐日進行整理，分別計算每天24 h溫度記錄的均值，得到研究時段內所有天數的日均氣溫值，這樣按照時間順序，依次得到每個儀器所記錄一整年內所有時間點(天)的日均氣溫值，然后將同一類型景觀交界面2個儀器的日均氣溫值進行平均運算，計算結果作為交界面的日均氣溫，這樣一共得到3個不同類型景觀交界面，即濕地與灌叢(第1交界面)、濕地與林地(第2交界面)、濕地與農田(第3交界面)的日均氣溫。

1.3.2 數據分析

利用配對樣本T檢驗方法，對比分析不同景觀類型交界面日均氣溫差異的顯著性程度。

采用從1次到高次逐漸增加次數的趨勢線擬合方法，自變量為時間(共365 d)，變量分別為每天的日均氣溫，選擇擬合函數方差值(R2)最大的4次函數確定為最佳擬和趨勢線，分析不同交界面的3個函數曲線變化規律和極值的大小差異，利用不同交界面氣溫差異的顯著性程度，最高溫、最低溫數值大小和出現時間的早晚判斷相鄰不同景觀全面日均溫的差異方式。

利用函數曲線與坐標軸(0 ℃)的交點坐標劃分夏半年和冬半年，2016年10月9日—2017年3月25日為冬半年，其余時間為夏半年。分別利用常規統計和配對樣本T檢驗方法，對3個交界面日均氣溫差異大小和顯著性程度進行分析，揭示濕地對不同景觀氣溫調節作用在夏半年和冬半年的差異性表現，結果如表2所示。

表2 濕地與不同類型景觀交界面日均氣溫(因變量)與時間(自變量)函數方程擬合效果檢驗值Table 2 Test values of all functions between daily mean temperatures (dependent variable) and days (independent variable) for different interfacesamong wetland and adjacent landscapes

2 結果分析

2.1 不同交界面全年日均氣溫差異

從3個4次函數的曲線變化規律看，氣溫波動都遵循大尺度氣候背景的制約，因為三江平原氣候類型屬于溫帶季風氣候，在不同季節，受到冷暖氣團的交替控制，氣溫年較差大[24](圖2)，所以在小尺度上，這3個交界面都遵循此規律，濕地對周邊地區氣候調節作用集中于小氣候方面，都受控于大尺度的氣候背景制約[25]。

2.1.1 差異的顯著性程度

不同界面日均氣溫配對樣本T檢驗結果顯示第1交界面(濕地與灌叢)和第2交界面(濕地與林地)日均氣溫差異不顯著(P= 0.885 > 0.05)，說明林地與灌叢受到濕地的影響相似，氣溫差異不明顯；第1交界面和第3交界面(濕地與農田)日均氣溫差異極顯著(P< 0.01)，第2交界面和第3交界面日均溫差異顯著(P< 0.05)，說明林地和灌叢受到濕地的影響程度與農田受到濕地的影響程度差異大，濕地對相鄰景觀的氣候調節能力不同。

2.1.2 最高氣溫差異

一年之中日均氣溫最高值(最高溫)，即函數擬合的極大值差異顯示第1交界面(25.47 ℃)<第2交界面(25.96 ℃)<第3交界面(26.17 ℃)(圖2)，說明在最炎熱時候，濕地對灌叢起到的降溫作用最大，其次為林地，最小為農田。因為濕地與灌叢聯系最為順暢，灌叢地勢相對低，濕地水能夠進入灌叢，林地地勢高，水進入有限，旱田最高，水很難進入，所以濕地通過水分輸入量來調節相鄰景觀的氣溫。

2.1.3 最低氣溫差異

一年之中日均氣溫最低值(最低溫)，即函數擬合的極小值差異顯示第2交界面(-15.96 ℃)<第3交界面(-15.85 ℃)<第1交界面(-15.72 ℃)(圖2)，說明在最寒冷時期，濕地利用本身挺水植物相對較高的優勢，抵御寒風和暴雪，屏蔽相鄰景觀，由于灌叢地勢低，植物生長高度與濕地植物相似，所以屏蔽效果最好，而冬季農田荒蕪，濕地的屏蔽作用也能夠體現出來，但是林地樹木高大，濕地植物屏蔽效果相對差，容易受到冷空氣強烈干擾，所以濕地的升溫調節作用最弱。

2.1.4 最高氣溫出現時間的差異

函數擬合的最高溫出現時間分別為2016年7月20日(第1交界面)、2016年7月19日(第2交界面)和2016年7月20日(第3交界面)(圖2)，第2交界面提前1 d，說明林地的緩沖效果最差，因為在林地內，夏季樹高葉密，郁閉度高，濕地的濕潤水汽進入不夠順暢，所以降溫緩沖效果最差；在灌叢和農田，植物生長的高度與郁閉度相對小，水汽進入相對流暢，緩沖效果能夠及時顯現。

2.1.5 最低氣溫出現時間的差異

函數擬合的最低溫出現時間分別為2017年1月4日(第1交界面)、2017年1月3日(第2交界面)和2017年1月5日(第3交界面)(圖2)，第1交界面比第2交界面滯后1 d，第3交界面比第1交界面滯后1 d，最低溫時間出現的順序剛好與3個景觀植物高度有關，即林地植物高度最大，最低溫出現的時間最早；其次是灌木植物高度小，最低溫出現的時間居次；農田在冬季幾乎沒有植物，最低溫出現的時間最晚；即植物生長高度越大，濕地抵御冷空氣和暴雪侵襲，屏蔽相鄰景觀的難度越大，緩沖能力越弱。

圖2 濕地與不同景觀交界面日均氣溫(因變量)與時間(自變量)的四次函數擬合關系圖Fig.2 The fourth functions between day (dependent variable) and daily mean temperature (independent variable) for different interfaces among wetland and adjacent landscapes

2.2 不同交界面夏半年日均氣溫差異

2.2.1 差異的顯著性程度

不同界面日均氣溫配對樣本T檢驗結果顯示夏半年第1交界面和第2交界面的日均氣溫差異不顯著(P> 0.05)，濕地對林地和灌叢的氣溫調節作用差異小；第1交界面和第3交界面日均氣溫差異極顯著(P< 0.01)，第2交界面和第3交界面日均溫差異顯著(P< 0.05)，濕地對農田氣溫調節作用與林地、灌叢差異大。

2.2.2 差異性表現

不同景觀交界面的日均氣溫均值大小為第1交界面(15.00 ℃)<第2交界面(15.15 ℃)<第3交界面(15.47 ℃)(表3)，從濕地水汽最容易進入灌叢，氣溫調節能力最強；林地樹高葉密，郁閉度大，水汽進入林地相對困難，調節作用相對弱；水汽最難進入的是農田，夏季玉米長勢最好，種植密集，調節最弱。灌叢地勢最低，濕地水進入相對容易；林地地勢稍高，濕地水進入量較少；農田最高，濕地水進入最少，濕地水進入越多，氣溫調節作用越明顯。

標準差大小為第1交界面(6.64 ℃)<第2交界面(6.88 ℃)< 第3交界面(6.89 ℃)(表3)，變異系數大小為第1交界面(0.44 ℃)<第2交界面(0.45 ℃)= 第3交界面(0.45 ℃)(表3)，極差大小為第1交界面(29.20 ℃)<第2交界面(29.81 ℃)<第3交界面(30.29 ℃)(表3)，通過濕地水進入和濕潤水汽輸送，濕地實現相鄰景觀氣溫變化調節，濕地水分和水汽進入越多，調節作用越強，氣溫波動幅度越小，變化相對越和緩。

從最小值看，第2交界面(-2.33 ℃)<第1交界面(-2.21 ℃)=第3交界面(-2.21 ℃)(表3)，在秋季，農田收割與灌木落葉后，濕地濕潤水汽進入農田與灌叢都相對容易，升溫調節作用相似，而喬木森林大量樹枝存在使水氣進入相對難，升溫調節作用相對弱一些。

表3 夏半年濕地與不同景觀交界面日均氣溫的常規統計表Table 3 The daily average temperature in summer half year for different interfaces among wetland and adjacent landscapes

2.3 不同交界面冬半年日均氣溫差異

2.3.1 差異的顯著性程度

不同交界面日均氣溫配對樣本T檢驗結果顯示，所有交界面氣溫差異都沒有達到顯著程度(P> 0.05)，說明在冬半年，濕地對不同景觀氣溫調節作用差異不明顯，由于濕地水量少，并且處于冰封狀態，水汽含量大減，水汽調節能力很弱，只能利用植物來屏蔽冷空氣和抵御風雪，由于濕地地勢低和植物落葉枯萎，抵御能力不足，對相鄰景觀氣溫的調節能力下降，差異不明顯。

2.3.2 差異性表現

不同景觀交界面的日均氣溫均值大小為第2交界面(-10.06 ℃)<第3交界面(-9.89 ℃)<第1交界面(-9.84 ℃)(表4)，與全年內函數擬合的最低溫大小差異相一致，進一步說明在冬半年，濕地利用本身植物對冷空氣和雪的屏蔽作用，完成對相鄰景觀氣溫調節，與濕地植物高度最相似的灌叢升溫效果最好；其次為農田，而林地植物高大，屏蔽相對最難，所以溫度最低。

標準差大小為第2交界面(7.51 ℃)<第1交界面(7.54 ℃)<第3交界面(7.57 ℃)(表4)，變異系數大小為第2交界面(0.75 ℃)<第1交界面(0.77 ℃)=第3交界面(0.77 ℃)(表4)，極差大小為第2交界面(38.88℃)<第1交界面(38.96 ℃)<第3交界面(39.13 ℃)(表4)，分析結果與相鄰景觀的開敞程度有關，越是開敞，溫度變化幅度越大，說明濕地的氣溫調節與景觀本身特征有關。

最大值大小為第3交界面(15.67 ℃)<第2交界面(15.76 ℃)<第1交界面(16.20 ℃)(表4)，進一步說明在農田秋季收割與樹木落葉后，濕地濕潤水氣進入農田相對容易，進入林地最難。

從以上分析可以看出，濕地對相鄰景觀氣溫調節作用主要表現為夏半年，通過濕潤水汽和濕地水的進入起到降溫和緩和氣溫變化，冬半年是利用濕地植物的屏蔽來保護相鄰景觀，減少冷空氣的侵襲，但是調節作用有限，沒有夏半年明顯。

表4 冬半年濕地與不同景觀交界面日均氣溫的常規統計表Table 4 The daily average temperature in winter half year for different interfaces among wetland and adjacent landscapes

3 結論與討論

3.1 結論

濕地對相鄰景觀氣溫調節能力存在差異(P< 0.05)，相鄰景觀與濕地的差異越小，氣溫調節能力越強。從函數擬合的最高溫差異可以看出，在最熱時候，濕地對相鄰灌叢起到的降溫作用最大，其次為林地，最小為農田，最低溫差異顯示，在最寒冷時期，濕地是利用植物的屏障作用實現對相鄰景觀的氣溫調節。夏半年氣溫調節能力強，差異大，與水汽輸入量和水進入的便捷性有關。冬半年氣溫調節能力弱，差異小，濕地植物屏障弱。

3.2 討論

濕地周邊景觀與濕地差異性越大，調節作用就越弱。這和河口濕地對相鄰不同景觀氣候調節作用不同的結論相一致[27]，景觀異質性放大濕地冷濕效應[28]。在夏半年，通過水汽滲透，濕地實現對相鄰景觀的氣溫調節，滲透越強，調節能力越大，夏半年調節能力強，在冬半年，利用濕地植物的屏蔽作用來實現，調節能力弱，升溫效應不明顯，這與亞熱帶地區，濕地利用郁閉植物，在冬季發揮強大的保溫作用不同[29]。與溫帶寧夏平原濕地，通過大面積連通狀修復后，冷季沙湖對600 m范圍內，降溫效應顯著提高(下降0.1 ℃)也有差異[30]，說明濕地在冬季，不同地區的氣溫調節方式存在差異。

濕地的氣溫調節主要集中于小尺度上的小氣候調節，依然受控于大空間尺度的氣候制約，從作用差異看，與周邊景觀和濕地景觀的差異程度有關，差異越大，調節能力就越弱。所以在濕地附近進行景觀建設時，要考慮人為景觀與濕地景觀的差異性，如果以利用濕地適宜氣候為目的，要與濕地景觀盡量一致。另外在研究時也發現氣溫特征與景觀本身有關，而且人為干擾越大，與濕地的氣候差異也越大，因此從濕地保護的角度看，不僅要保護濕地本身不被外界干擾與破壞，也要注意濕地周邊的景觀狀態，盡量減少對濕地周邊的大規模開發，尤其是人為建筑的大面積鋪設，因為這種人為景觀與自然景觀，尤其是濕地景觀差異最大，所以不但會限制濕地的外溢效應，而且可能會影響濕地本身的氣候狀況，造成濕地功能退化。

濕地的氣候調節功能主要體現在夏季，作為附近地區的空調器，其作用具有季節差異性，冬季升溫效果差，濕地利用屏障作用，將部分冰雪滯留于濕地中，使本身溫度下降，所以濕地對全球氣候變暖的緩沖作用，不僅體現在固碳方面，也體現在使冰雪覆蓋時間延長，厚度加大，如果濕地面積的大量喪失，不僅使封存在巖石圈中的碳釋放[31-32]，也使冰雪圈對氣候的調節作用功能下降。

研究的時間跨度是一年，相對短，同時空間范圍小，采樣點數量相對少，沒有空間外推，所以局限在小尺度上，將來可以利用空間分析技術與方法，在大尺度范圍上，對濕地氣候調節作用的空間分異進行研究[33]，因此今后應以不同景觀的交界面為中心點，逐漸向外延伸，在較大的空間范圍上，分析濕地氣候的調節效應，深入挖掘濕地在區域尺度上，乃至在全球尺度上的氣候調節方式，全面研究濕地的各項功能。