基于景觀變化的河口濕地生態(tài)環(huán)境需水量研究

康思宇，周林飛，胡艷海

(沈陽農業(yè)大學水利學院，沈陽 110161)

濕地是位于水生生態(tài)系統(tǒng)和陸生生態(tài)系統(tǒng)間的過渡地區(qū)，能夠為地球上現有約20%的物種提供生存空間，素有“地球之腎”的美名[1]，濕地是極其重要的生態(tài)景觀，不僅對區(qū)域氣候有著至關重要的調節(jié)作用，而且能夠提高人類生活環(huán)境的宜居度。近些年，由于人類過分追逐經濟和利益，大幅度搶占濕地資源，打破濕地生態(tài)平衡，導致環(huán)境惡化。為消除濕地的保護與經濟發(fā)展間的矛盾，使?jié)竦亟】蛋l(fā)展，需通過計算濕地的適宜與最小生態(tài)環(huán)境需水量，以求最大程度改善濕地因水資源的緊缺引起的系列問題。本文以遼寧省凌河口濕地為研究背景，以3S技術為依托，對濕地的景觀破碎化程度進行定量分析，在此基礎上，結合多年水文資料，計算出適宜與最小生態(tài)環(huán)境需水量，以期通過科學的方法解決人類發(fā)展與濕地保護之間的矛盾。

凌河口濕地位于遼寧省境內，是省級自然保護區(qū)，其地理坐標是東經121°00′～121°30′，北緯40°45′～41°00′，與遼河河口濕地鄰接，沿凌海市南部海岸線由東向西呈帶狀分布，全長約為48 km，總面積約為835.75 km[2]。據調查顯示，濕地約為250種鳥類(其中水禽145種)提供了生存空間，其中包括國家一級珍稀保護動物白鶴、丹頂鶴以及國家二級珍稀保護動物蓑羽鶴和白枕鶴，是瀕危鳥類黑嘴鷗的重要棲息地也是珍危鳥類遷徙的主要通道之一[3]。

1 基于3S的凌河口濕地覆被信息提取

本次研究以1995年9月11日、2000年9月8日、2005年7月20日、2009年8月16日以及2014年7月13日的單幅TM多光譜遙感影像為主要數據源，其空間分辨率為30 m，對影像進行前處理。采用目視解譯法，提取凌河口濕地覆被信息。利用GPS進行野外各地類定點取樣，記錄經度和緯度，部分用于建立解譯標志，部分用于驗證解譯的準確性。運用ArcGis軟件中的統(tǒng)計分析工具，將各種地物類型的總面積以及對應斑塊數量分別計算出來，同時將凌河口濕地劃分為3個區(qū)域，分別為核心區(qū)、緩沖區(qū)以及實驗區(qū)。因本次研究只涉及整個濕地的各地類的面積、整個濕地的斑塊數以及核心區(qū)各地類的面積，故只羅列出此三項數據，如表1所示。

表1 凌河口濕地屬性信息表Tab.1 Information table of wetland properties of Linghekou

2 凌河口濕地景觀破碎化定量分析

景觀破碎度表示生態(tài)景觀被自然力或人為影響分割的破碎程度，可以定量的反映出濕地景觀鑲嵌體隨時間變化的情況，折射出研究區(qū)的生態(tài)演變過程。為了解凌河口濕地景觀的開發(fā)利用程度、斑塊特征和多樣性特征，本文選取斑塊密度指數、多樣性指數以及景觀香農多樣性指數，對凌河口濕地景觀破碎化進行定量分析，為適宜與最小生態(tài)環(huán)境需水量的計算提供分析依據[4]。

2.1 景觀空間格局指標

(1)斑塊密度指數：能夠定量的反映出研究區(qū)的景觀破碎程度，可以表示該地區(qū)被某種斑塊分離的程度，斑塊密度指數越小，研究區(qū)分離程度越低越完好[5]，計算公式如下式。

PD=N/A

(1)

式中：PD為研究區(qū)域內的斑塊密度指數；N為研究區(qū)域內的斑塊總數，塊；A為該地的總面積，km2。

(2)多樣性指數：濕地景觀斑塊類型的復雜程度以及各斑塊在對應面積上分布的均勻程度是決定該地區(qū)多樣性指數大小的關鍵因素。計算公式為：

(2)

式中：H為研究區(qū)域內的多樣性指數；m為研究區(qū)域內的景觀類型的數量；Pi為該地第i類景觀類型所占總面積比例。

(3)景觀香農多樣性指數：能夠反映出研究區(qū)的開發(fā)利用程度。景觀香農多樣性指數越大，表明研究區(qū)開發(fā)程度越高，景觀破碎越嚴重。計算公式如下式。

(3)

式中：SHDI為景觀香農多樣性指數。

2.2 濕地內部破碎化分析

以表1各類型濕地斑塊數和面積等數據為基礎，按照公式(1)～(3)計算得PD、H和SHDI，見表2。由表2可知，多樣性指數、斑塊密度指數以及香農多樣性指數均呈先增加后降低的趨勢變化，拐點均出現在2005年，由此可以說明，1995-2005年研究區(qū)景觀破碎化逐漸加劇，人為影響日趨嚴重，2005年為本研究時段內景觀破碎化最嚴重的一年，2005-2014年由于相關部門的干預并加強了保護，景觀破碎化已逐漸降低，濕地生態(tài)環(huán)境日漸改善。

表2 5個時期的凌河口濕地自然保護區(qū)景觀指標值Tab.2 The landscape index value of Linghekou wetland nature reserve in 5 periods

3 凌河口濕地生態(tài)環(huán)境需水量計算

由于不同學者在界定生態(tài)環(huán)境需水量概念方面存在差異，導致計算需水量的對象、方法和結果各有不同，引起濕地生態(tài)特征向不同的方向發(fā)展。為使計算結果更具有實際意義，更加貼合凌河口濕地的發(fā)展方向，界定生態(tài)環(huán)境需水量的含義顯得尤為重要。本文根據研究區(qū)實際情況，定義生態(tài)環(huán)境需水量為能夠保持生態(tài)環(huán)境不再惡化并能夠維持正常生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)穩(wěn)定所需要的水量。據此通過計算濕地的植被需水量、濕地土壤所需的水量、水面蒸發(fā)的需水量、生物棲息地所需要的水量以及凌河口濕地補給地下水的需水量這五種類型的生態(tài)環(huán)境需水量，以期為維護濕地基本生態(tài)功能提供數據基礎。

本次計算需要的水文數據包括研究區(qū)域內降雨量、水面蒸發(fā)量、葦田蒸散量以及水田蒸散量。降雨資料采用凌海站、安屯站和錦州水文站1972-2014年逐月觀測數據，經計算多年平均降雨量為586.405 mm；水面蒸發(fā)數據采用錦州水文站1972-2014年逐月觀測資料，經計算多年平均水面蒸發(fā)量為942.07 mm；據相關資料顯示，研究區(qū)內葦田年蒸散發(fā)量為700 mm，4月為60.30 mm，5月為92.94 mm，6月為125.39 mm，7月為177.46 mm，8月為152.24 mm，9月為91.67 mm；水田年蒸散發(fā)量為650 mm，4月為55.99 mm，5月為86.30 mm，6月為116.43 mm，7月為164.79 mm，8月為141.37 mm，9月為85.12 mm。

3.1 計算方法

3.1.1 濕地植被需水量

濕地植被需水量主要是由維持植被正常生長需求的土壤蒸發(fā)水和植被蒸騰水共同組成，兩者約占植被需水量總量的99%，合稱為植被的蒸散發(fā)量[6]，對于較大面積的濕地，在估算植被需水量時，采用公式(4)計算。

dWp/dt=A(t)ETm(t)

(4)

式中：Wp為植被的需水量，m3；A(t)為研究區(qū)內植被面積，m2；ETm(t)為植被蒸散發(fā)量，mm；t為時間，a。

凌河口濕地內植被種類龐雜，在計算需水量時應選擇關鍵物種，蘆葦和水田所占的面積大，是關鍵植物，因此選此2種進行計算。將葦田和水稻田各月的蒸散發(fā)量分別代入式(4)進行計算，得出葦田和水稻田的需水量，并將各月相加，如表3所示。將同一年份的蘆葦和水稻全年植被需水量相加，即可得到1995、2000、2005、2009以及2014年的凌河口濕地植被需水量分別為1.3、1.521、1.242、1.746和1.824 億m3。

表3 凌河口濕地植被需水量 億m3Tab.3 The vegetation water demand of the wetland in Linghekou

3.1.2 濕地土壤需水量

凌河口濕地的土壤需水量是保障土體環(huán)境穩(wěn)定以及依賴于土體的植被能夠健康生長所需要的水量[7]，計算公式為：

Qt=αγHtAt

(5)

式中：Qt為研究區(qū)內濕地的土壤需水量，m3；α為該地田間持水量或者飽和持水量百分比(據研究區(qū)域內土壤的類型而定)；γ為研究區(qū)域內的土壤容重；Ht為濕地的土層厚度，m；At為研究區(qū)土壤面積，m2。

按照土壤水分的特征將該地的土壤分為水稻土、鹽土和沼澤土。對于灘涂濕地以鹽土為主要土壤類型，蘆葦為沼澤土和鹽土中的優(yōu)勢物種，鹽土、沼澤土的體積百分數為45%～55%，為方便計算，可取50%，植物根系的土層厚度為0.8 m；水稻土體積百分比為60%～70%，計算時取65%；植物根系的土層厚度為1.2m[8]。將相關數據代入式(5)即可得到1995、2000、2005、2009以及2014年的凌河口濕地土壤需水量分別為1.26、1.45、1.08、1.67和1.79 億m3。

3.1.3 水面蒸發(fā)需水量

由于研究區(qū)位于遼寧省境內，擁有蒸發(fā)量大于降雨量的特點，為使水面儲水量處于動態(tài)平衡狀態(tài)，需要計算該地區(qū)的水面蒸發(fā)需水量，計算公式如下。

WE=∑A(E-P)×10-3

(6)

式中：WE為水面蒸發(fā)需水量，m3；A為濕地內湖泊-養(yǎng)殖塘和河流的水面面積，m2；E為相應水面的蒸發(fā)量，mm；P為相應水面的降水量，mm。

選擇區(qū)域較大的明水面(湖泊-養(yǎng)殖塘和河流)作為水面蒸發(fā)需水量的計算對象，將各月多年平均降雨量和各月多年平均水面蒸發(fā)量以及面積數據，代入式(6)，計算得出各月水面蒸發(fā)所需要的水量，如表4所示。

3.1.4 生物棲息地需水量

凌河口濕地的生物棲息地需水量是能夠滿足該地區(qū)魚類、鳥類等生物基本生長繁殖需求的水量，其計算公式如式(7)所示。

dWq/dt=A(t)CH(t)

(7)

式中：Wq為濕地生物棲息地的需水量，m3；A(t)為濕地的面積，m；C為水面面積的百分比，%；H(t)為研究區(qū)域內的水深，m；t為時間，a。

表4 凌河口濕地水面蒸發(fā)需水量 億m3Tab.4 The water surface evaporation water demand of the wetland in Linghekou

注：“-”代表降水量大于蒸發(fā)量，不需要補水。

由于凌河口濕地是國際上非常重要的珍禽如黑嘴鷗、丹頂鶴、東方白鸛等生存、遷徙的必經之地。為保護珍稀野生動物，生物棲息地需水量主要用以滿足黑嘴鷗、丹頂鶴的生存需要。黑嘴鷗和丹頂鶴主要棲息在蘆葦沼澤濕地中，據資料顯示，蘆葦沼澤水面面積百分比為10%～75%，為方便計算取45%；蘆葦生長所需水深一般在0.5～1.0 m之間，這一水深范圍能夠滿足其基本的生長需求，計算時取0.8 m。因還需考慮魚類、蝦類等生物的需水量，其生存環(huán)境如湖泊、河流也應考慮在內，平均水深取1.5 m。將相關數據代入式(7)即可得到1995、2000、2005、2009以及2014年的凌河口濕地生物棲息地需水量分別為0.58、2.00、2.27、2.89和3.13 億m3。

3.1.5 濕地補給地下水需水量

濕地具有能夠通過滲漏的途徑實現補給地下水的功能，計算公式如式(8)所示。

Wb=kIAT

(8)

式中：Wb為葦田、湖泊-養(yǎng)殖塘和河流補給地下水需水量，m3；k為滲透系數，m/d，濕地中土質均屬黏質土，故取0.005 m/d；I為水力坡度；A為研究區(qū)內滲流剖面的面積，m2；T為計算時段的長度，d，受凍融和季節(jié)性來水的影響，T取150 d。

對于大面積的水稻田，其生長期的灌溉入滲和降水因素應一并考慮，其計算公式如式(9)所示。

W=ΦTF

(9)

式中：W為水田補給地下水需水量，m3；Φ為水稻田穩(wěn)滲率，黏土Φ=0.001 m/d；T為水稻的生長期(包括泡田期)，單季稻可取120 d；F為該地水稻田用于計算的面積。

將相關數據代入式(9)即可得到1995、2000、2005、2009以及2014年的凌河口濕地補給地下水需水量分別為0.33、0.70、0.77、0.93和0.86 億m3。

3.1.6 濕地生態(tài)環(huán)境需水總量

濕地植被的需水量、濕地土壤的需水量、水面蒸發(fā)所需的水量、生物棲息地的需水量和濕地補給地下水所需要的需水量之間沒有重復，因此濕地內五種類型生態(tài)環(huán)境需水量的總和可認為是凌河口濕地生態(tài)環(huán)境需水的總量(Q，m3)，計算公式如下，經計算結果如表5所示。核心區(qū)的計算方法與整個濕地相同，不再贅述，計算結果見表5。

Q=Wp+Qt+WE+Wq+Wb+W(10)

表5 凌河口濕地生態(tài)環(huán)境需水量 億m3Tab.5 The water requirement of Eco-environment of the Linghekou wetland

3.2 結果分析

由表5可以反映出凌河口濕地生態(tài)環(huán)境需水量在1995-2014年的變化過程中，濕地核心區(qū)需水總量逐漸增加，而整個保護區(qū)需水總量基本上呈逐漸升高的態(tài)勢變化，但2005年明顯低于2000年的總需水量，因需水總量為各類型需水量的和，2005年的植被需水量和土壤需水量低于2000年對應的需水量，是2005年總需水量偏低的主要原因，而2005年水田面積的驟減是植被需水量和土壤需水量降低的主要原因。綜上所述，2005-2014年人類愈發(fā)重視濕地的保護，相關部門的干預日漸成效，凌河口濕地的環(huán)境正在向積極的方向變化，與破碎化分析結果相一致。

1995年的生物棲息地需水量明顯嚴重低于其他年份的需水量，其養(yǎng)殖塘-湖泊的面積嚴重低于其他年份是主要原因，說明1995-2000年人類在濕地內部過分占用土地，追求經濟利益，導致濕地景觀破碎，生態(tài)失去平衡。生物棲息地需水量所占比例最大，約為總需水量的34.05%；而水面蒸發(fā)需水量所占比重最輕，約為總需水量的8.96%；其次是土壤需水量約為總需水量的22.72%；植被需水量約為總需水量的22.70%，以及補給地下水需水量約為總需水量的11.57%。不論哪種類型的需水量，所占比例多少，均是凌河口濕地環(huán)境的重要組成部分，都具有不可替代的作用，相應的需水量都應得到必要的滿足。

4 適宜與最小生態(tài)環(huán)境需水量

4.1 適宜生態(tài)環(huán)境需水量的確定與計算

由景觀破碎化分析可以得到2014年為1995-2014年濕地狀態(tài)最好的一年，可作為計算凌河口濕地適宜生態(tài)環(huán)境需水量的水平年。為使計算結果更加精確，應扣除在計算需水量時水田和蘆葦沼澤沒有考慮到的降雨因素。水田和蘆葦沼澤對應的降雨量為濕地4-9月平均降雨量，分別為28.178、45.035、79.644、163.255、144.893、63.285 mm，分別與2014年蘆葦沼澤和水田面積約為260.43 km2相乘，經計算濕地4-9月扣除的降雨量分別為0.07、0.12、0.21、0.43、0.38、0.16 億m3。2014年凌河口濕地扣除相應降雨數據后的生態(tài)環(huán)境需水總量為7.10 億m3，逐月需水過程見表6。

4.2 最小生態(tài)環(huán)境需水量的確定與計算

濕地核心區(qū)是為保護珍危野生動植物劃分出的區(qū)域，對于濕地發(fā)展至關重要，是生態(tài)環(huán)境的重點保護區(qū)域[9]。凌河口濕地核心區(qū)占濕地總面積的36.60%，約為305.89 km2，保護核心區(qū)健康發(fā)展是最基本的任務，所以核心區(qū)的適宜生態(tài)環(huán)境需水量就可以看作是濕地的最小生態(tài)環(huán)境需水量。由表5可知，2014年核心區(qū)的生態(tài)環(huán)境需水總量為4.29 億m3，為防止計算結果偏大，應統(tǒng)一扣除降雨因素，與上述方法一致，即用濕地4-9月平均降雨量與核心區(qū)蘆葦沼澤和水田面積相乘，經計算濕地核心區(qū)4-9月扣除的降雨量分別為0.02、0.04、0.06、0.13、0.11、0.05 億m3?？鄢鄳涤暌蛩氐牧韬涌跐竦睾诵膮^(qū)適宜生態(tài)環(huán)境的需水總量為3.87 億m3，即為該濕地的最小生態(tài)環(huán)境需水量，逐月需水過程見表6。

表6 凌河口濕地生態(tài)環(huán)境逐月需水過程 億m3Tab.6 The Water Requirement process of Eco-environment of the Linghekou wetland

在計算最小生態(tài)環(huán)境需水量時，因有些降水量少的年份，最小生態(tài)環(huán)境需水量不足以滿足生態(tài)需要，濕地的生態(tài)健康依然受到威脅，此時還應考慮到降雨保證率的影響，即應增加P=75%年份和P=95%年份的降雨量與多年平均降雨量相比，缺少的部分，可將此部分水量加至水田、蘆葦沼澤和湖泊-養(yǎng)殖塘。將水文站1972-2014年逐月觀測的降雨量數據從大到小進行排序，按照數學期望公式P=m/(n+1)×100%計算每一項的經驗頻率，再利用水文頻率分布曲線試線軟件繪制出降雨量頻率曲線，得出75%頻率和95%頻率對應的全年降雨量分別為467.82和338.67 mm，與平均降雨量之差即為應增加的雨量，分別為118.59和247.74 mm，需增加的雨量與對應面積的乘積即為需增加的水量，分別為0.24和0.49 億m3，需增加的水量與核心區(qū)適宜生態(tài)環(huán)境需水總量相加即為75%頻率和95%頻率所對應的最小生態(tài)環(huán)境需水量，分別為4.11和4.36 億m3，逐月需水過程[10]見表6。

5 結 語

本文選取凌河口濕地為研究背景，利用3S技術，提取凌河口濕地覆被信息，計算了1995-2014年的多樣性指數、斑塊密度指數以及香農多樣性指數均呈先增加后降低的趨勢變化，表明研究區(qū)景觀破碎程度的變化趨勢為先加劇后緩解，2005年為本研究時段內景觀破碎程度最嚴重的一年。

采用生態(tài)學的計算方法，計算了1995-2014年整個濕地的生態(tài)環(huán)境需水量分別為3.59、6.19、5.94、8.02和8.46 億m3；1995-2014年核心區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量分別為1.33、2.92、2.99、4.10和4.29 億m3。

以景觀破碎程度為依據，選取2014年作為計算凌河口濕地適宜生態(tài)環(huán)境需水量、多年平均降雨下的該地最小生態(tài)環(huán)境需水量，以及降雨頻率分別為75%和95%對應的最小生態(tài)環(huán)境需水量的水平年，統(tǒng)一扣除降雨因素后的計算結果分別為7.10、3.87、4.11和4.36 億m3。

本文還根據研究區(qū)氣候、降雨等因素，給出生態(tài)環(huán)境逐月需水過程，據此為該地水務部門的優(yōu)化供水方案提供理論支持，為生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展提供保障。