年降雨特征對泥炭沼澤濕地水文情勢的影響

盛連喜，馬 良，何春光，滕良慧，王靈艷

（1.東北師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院/國家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點實驗室，長春 130024；2.北京市可持續(xù)發(fā)展科技促進(jìn)中心，北京 100035）

在濕地生態(tài)系統(tǒng)諸多功能中，水源涵養(yǎng)是最基本和最主要的支持功能，而水文調(diào)節(jié)則是其重要的服務(wù)功能。在全球變化和極端天氣增多的背景下，針對濕地生態(tài)功能的研究成為了學(xué)者關(guān)注的熱點[1-2]。隨著我國生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)，濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)也得到各級政府的高度重視。水文過程在濕地形成、發(fā)育、演替乃至消亡的過程中都發(fā)揮著重要作用，而水文情勢則是濕地水文過程研究的重要內(nèi)容，包括濕地降雨的時空分異、濕地水文周期、表層水流模式等。水文周期是指濕地（表層和亞表層）水位的時間格局，它綜合了濕地水量平衡所有方面[3]。濕地植物群落、地形地貌、土壤屬性以及氣候變化和人類活動等因素也影響著濕地的水文過程[4-5]。因此，濕地水文情勢是一個復(fù)雜而又關(guān)鍵的過程，體現(xiàn)著濕地的功能狀態(tài)，反映著濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康水平。但水文過程的復(fù)雜性，使人們對其認(rèn)識以及機(jī)理的揭示還存在一定難度，實證研究更是亟待加強(qiáng)的領(lǐng)域。

沼澤濕地是更具典型性和代表性的濕地生態(tài)系統(tǒng)類型，其土壤孔隙度達(dá)70%～90%，飽和持水量高達(dá)800%～1 000%，豐水期每公頃沼澤濕地蓄水可達(dá)8 100 m3[6-8]；干旱期沼澤濕地則向外釋放水分，具有“天然海綿”和“生物蓄水庫”的特征[9-10]。系統(tǒng)觀測沼澤濕地的水文情勢動態(tài)并分析其影響因素，是認(rèn)識濕地水文過程及系統(tǒng)功能的有效途徑，對于維護(hù)流域水環(huán)境安全具有重要指導(dǎo)作用。

本文以泥炭沼澤濕地為研究對象，基于野外調(diào)查、定點觀測和模型模擬結(jié)果，對區(qū)域降雨及其特征與水位間的關(guān)系進(jìn)行分析，探究降水特征和強(qiáng)度在濕地水文情勢變化中的作用，并結(jié)合濕地地形特征、邊界環(huán)境對各樣點的濕地水位變動類型做了劃分，期盼本文能為同類濕地水文過程的研究提供有價值的參考。

圖1 研究區(qū)地理位置、樣點設(shè)置及樣點高程Fig.1 Study area location,sites setting and elevation

1 研究區(qū)域概況及研究方法

1.1 研究區(qū)自然狀況與樣點布置

金川泥炭沼澤濕地位于吉林龍灣國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，坐標(biāo)42°20′56″N，126°22′51″E，海拔625 m?，F(xiàn)存濕地面積約72 hm2，近橢圓形，屬火山口形成的小型盆地，泥炭最深厚度為7 m。地勢由東北向西南遞降，濕地內(nèi)高程差近3 m（圖1）。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，雨熱同期，年均溫度3.3℃，無霜期135 d左右。濕地以直接降水為主要補(bǔ)給，近40年降水均值776 mm，主要集中在6-9四個月份。年均潛在蒸散發(fā)約為1 200 mm。濕地內(nèi)有季節(jié)性積水，冬季地表形成冰凍層和雪被。金川沼澤濕地部分區(qū)域受人為干擾比較嚴(yán)重，濕地東部和南部與水田相鄰，濕地與水田之間被人工河渠相隔。

在濕地內(nèi)按南北向（樣線Ⅰ）和東西向（樣線Ⅱ）兩條樣帶設(shè)置6個水位監(jiān)測點（圖1），置入三參數(shù)測量儀 CTD-diver（Eijkelkamp Ltd.,荷蘭），以30 min為間隔自動記錄水位。連續(xù)監(jiān)測每年5月至10月期間的水位、溫度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。各樣點的環(huán)境特征見表1。

表1 研究區(qū)6個觀測樣點及其環(huán)境特征Table 1 Environmental characteristics of 6 observation sites

1.2 降雨數(shù)據(jù)獲取與地形測量

2011年至2017年降雨及氣象數(shù)據(jù)來源于東北師范大學(xué)龍灣濕地研究站自動氣象站（錦州陽光全自動氣象站）。1980年至2010年氣象數(shù)據(jù)使用靖宇氣象臺站數(shù)據(jù)（中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)http://data.cma.cn），該站距研究區(qū)僅30 km，二者月降水量呈顯著相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)0.926（P＜0.01）。降水豐枯指標(biāo)的確定采用距平百分比法[11-13]，以35年的年降水量為數(shù)據(jù)源，對研究區(qū)平水、豐水、枯水年進(jìn)行分析。降雨強(qiáng)度的劃分依據(jù)為中國氣象部門的標(biāo)準(zhǔn)[14]。濕地高程點采用徠卡TS60全站儀（Leica Ltd.，德國）測量，以濕地中心樣點6-1為零基準(zhǔn)面，應(yīng)用ArcGIS9.3繪制出濕地地形圖。

1.3 水文數(shù)據(jù)分析及模擬

分別對不同年份、不同水位點的水位采用單因素方差分析（one-way ANOVA），并用最小顯著差數(shù)法（LSD）檢驗，P＜0.05即為顯著。采用Sigma Plot 12.5和SPSS 22.0進(jìn)行圖形繪制和數(shù)據(jù)分析。利用分布式物理水文模型MIKE SHE對沼澤濕地枯水年和平水年的水文過程進(jìn)行模擬與驗證[15]，分析濕地水文情勢，繪制濕地水位渲染圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)降水特征

研究區(qū)1980-2017年間的降水結(jié)果（圖2）表明，38年間的降水量在年際間呈振蕩變化，波動周期大致為3至5年，這一變化特點符合吉林省降水變化的基本特征[16]。2011-2014年依次為枯水年（642.4 mm）、平水年（818.7 mm）、豐水年（951.8 mm）和枯水年（701.9 mm）交替出現(xiàn)。在此期間，無降雨和強(qiáng)降水發(fā)生頻率呈現(xiàn)上升趨勢，暴雨對全年降雨量的貢獻(xiàn)比例有所增大（表2）。這是否為全球氣候變化的體現(xiàn)尚需進(jìn)一步驗證，但這對研究區(qū)濕地水文情勢的影響是明顯的。

圖2 1980-2017年研究區(qū)降雨量Fig.2 The annual precipitation from 1980 to 2017

表2 2011-2014年研究區(qū)各類降雨發(fā)生頻率和貢獻(xiàn)率Table 2 The frequency and contribution rate of different intensity rainfall from 2011 to 2014

2.2 濕地水文情勢的年際間變化

單因素方差分析結(jié)果顯示，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）的不同樣點間，水位的年均值存在顯著性差異（圖3）。比較各樣點水位月值中位數(shù)發(fā)現(xiàn)，濕地總體水位由高到低的年份依次為2013年（豐水年），2012年（平水年），2011年（枯水年），2014年（枯水年）?？菟甓帱c水位均低于地表，年際間水位變化受降水影響明顯，與降水量呈正相關(guān)。各年水位波動幅度的不同，表明濕地水位穩(wěn)定性受當(dāng)年降水強(qiáng)度的影響明顯，相關(guān)程度高。

枯水年2011年各樣點水位低于地表，但受2010年豐水年影響（降水量1 141.6 mm），多數(shù)樣點的水位維持在地表以下5 cm之內(nèi)，下降幅度不劇烈，表明年降雨量對濕地水文情勢的影響具有時滯性。平水年2012年受2011年末干旱影響，濕地內(nèi)各樣點間的水位極端波動幅度高達(dá)7 cm到-48 cm，但整體水文情勢較2011年有所好轉(zhuǎn)，除靠近河渠的3-1和11-1樣點水位偏低外，其他4個樣點的水位均接近地表。樣點3-1與11-1皆呈現(xiàn)低水位和較大的波動幅度，這與邊界相鄰的河床過低（分別低于濕地近1 m和2 m）有關(guān)，濕地不僅得不到河流水源補(bǔ)給，相反還不斷向河流釋放水分。2013全年降水約950 mm，從而使?jié)竦厮那閯堇^續(xù)轉(zhuǎn)好，除3-1外，各樣點的水位均在地表以上，水位波動幅度進(jìn)一步收窄，為4年中最小，這表明充足的降水對于維持濕地水位高度和穩(wěn)定性皆有非常重要的作用。2014年的年降水量雖然較2011年多約60 mm，且前一年的降水量又較多，但濕地各樣點的水文情勢并未出現(xiàn)持續(xù)好轉(zhuǎn)的趨勢，除地勢低洼的23-1樣點外，其他樣點的水位均比枯水年的2011年還低，水文情勢呈旱化的趨勢。原因是前一年水分條件不同（2010年降水量1 100 mm，2013年降水量950 mm）造成兩個枯水年的差異，同時濕地水文情勢還與濕地植被、土壤結(jié)構(gòu)、濕地水量平衡等因素有關(guān)，這些因素的作用還有待更深入的研究，但從降雨的相關(guān)角度看，2014年濕地水位狀況的這種變化主要與雨季降雨時間格局有關(guān)。

圖3 2011-2014年各點水位年值（不同字母表示不同水位點間差異顯著，LSD多重比較，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 濕地水文情勢的空間分布

LSD多重比較（圖3）還可以看出，6個水位點的年均水位在枯水年、平水年、豐水年具有顯著性差異，但又表現(xiàn)出一定的相似性。濕地內(nèi)6個樣點按其相似性可分為4種類型，類型Ⅰ為樣點3-3，6-1和7-4，其特點是水文情勢位波動主要受降雨主導(dǎo)，水位波動幅度較小，雖然樣點間的水位也存在差異，但進(jìn)入雨季后Ⅰ類型樣點間差異變?yōu)椴伙@著；類型Ⅱ為鄰近溝渠且地勢較高的樣點3-1，其水位長期顯著低于其他5個樣點，受降雨影響明顯且水位波動大，最高可達(dá)數(shù)十厘米；類型Ⅲ為鄰近且河流地勢較低的樣點11-1，水位波動存在季節(jié)性差異，尤其是雨季前后，波動幅度非常明顯；值得注意的是，濕地與河渠相鄰區(qū)域的這種大幅度水位波動，會導(dǎo)致沼澤植被生長環(huán)境的惡化[17]。因此，從流域尺度注重對濕地邊界條件的改善將是該濕地保護(hù)的有效舉措。類型Ⅳ為水位一直較低的樣點23-1，不僅水位穩(wěn)定、波動性小，且受降雨影響不明顯。

為全面認(rèn)識整個濕地水文情勢在空間分布上的年際動態(tài)特征，本研究依據(jù)觀測數(shù)據(jù)，利用分布式物理水文模型MIKE SHE對研究區(qū)2011-2014年濕地雨季和非雨季的水文情勢進(jìn)行模擬（圖4）。結(jié)果顯示，該濕地的水分運(yùn)動方向自東北流向西南，東部干旱、西部濕潤，南部與河渠相鄰處干旱。水文情勢總體與地形高程變化相符，局部受邊界條件影響。其次，無論年際間雨量有何差別，當(dāng)年雨季和非雨季的水文情勢差異明顯。另外，年內(nèi)降雨的時間格局對濕地水位影響非常大，如2014年雨季降水少，導(dǎo)致濕地水位一直較低，甚至比前一年旱季的水文情勢還差。其四，由于河渠的阻隔，濕地長期無法得到東部和南部邊界入流的補(bǔ)給，外界能夠向該濕地輸入水源的區(qū)域僅為西側(cè)和西北側(cè)森林區(qū)，但影響范圍和程度非常有限。因此，濕地對直接降雨的這種高度依賴表 明該濕地目前狀況下的水源涵養(yǎng)能力并不強(qiáng)。

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

2.4 濕地水文情勢的季節(jié)動態(tài)特征

濕地水位月值變化情況顯示（圖5），濕地水文情勢與各月份的降雨較年際降雨的關(guān)聯(lián)更緊密，水位峰值都出現(xiàn)在降雨量最多的月份，并隨著雨季結(jié)束而下降。結(jié)合各月的降雨量變化可以看出（圖6），2011年水位隨著月降雨量的逐月增加而上升，各樣點水位的峰值通常都出現(xiàn)在降雨量最多的8月，而水位下降也恰始于降雨量減少的9月。2012年降雨量明顯增多，降雨時間持續(xù)時間也較長，9-10月的降雨量仍然較多，因此，濕地各樣點的水位也一直穩(wěn)定到10月末。豐水年的2013年，降雨量主要集中在7月，各樣點水位的峰值也出現(xiàn)在7月，而在此之前的5月和6月，降雨的減少使各樣點的水位均較低。2014年7月和8月降雨量較往年大幅下降，與之相對應(yīng)，該季節(jié)各樣點水位大幅下降，年內(nèi)水位波動幅度也明顯增大，除樣點23-1和3-3外，其他樣點的水位在雨季（7，8月）都降至地表以下。高溫季節(jié)降雨量大幅減少，而濕地植被蒸散發(fā)耗水量大導(dǎo)致了該時期水位的大幅下降，雨季出現(xiàn)雨熱不同期的現(xiàn)象，導(dǎo)致濕地對于降雨的波動更為敏感。

圖5 2011-2014年金川泥炭沼澤6個樣點的月均水位值變化Fig.5 Monthly average water level of 6 sites in Jinchuan from 2011 to 2014

圖6 2011-2014年研究區(qū)和相鄰最近縣的月降水量Fig.6 Monthly precipitation of the study area and adjacent nearest county from 2011 to 2014

3 結(jié)論

通過對金川泥炭沼澤濕地4年觀測和模擬結(jié)果的分析，得出如下結(jié)論：

（1）該濕地的水文情勢雖然受多種因素所制約，但區(qū)域降雨量和濕地微地形是最主要的2個影響因素。降水是該濕地維持的主要補(bǔ)給水源，并對下一年春季水位影響具有明顯的時滯效應(yīng)。

（2）研究期間，濕地年際間水文情勢差異顯著，年內(nèi)季節(jié)性波動大，且各樣點間也存在明顯差異。降水的季節(jié)性變化對濕地水位動態(tài)作用非常明顯，依據(jù)年降雨的時間分異和微地形差異進(jìn)行濕地水文情勢判斷可能更準(zhǔn)確、更科學(xué)。

（3）受到人為干擾的區(qū)域，已影響了濕地水分的收支平衡。該濕地對大氣直接降水的極為敏感和水位的大幅度及頻繁波動，可能對濕地的可持續(xù)性產(chǎn)生不利影響。因此，對該濕地的保育需要從小流域尺度加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)管理以減少邊界條件的危害，或?qū)嵤巴烁€濕”，都是維護(hù)其可持續(xù)性的有效保育策略。

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