氣候變化對扎龍濕地景觀破碎化過程的影響

孫砳石 柏林 劉艷 劉志欣 關(guān)寧欣

(1 黑龍江省齊齊哈爾市氣象局，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2 齊齊哈爾大學(xué)，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

氣候變化的強(qiáng)烈程度以北半球中、高緯度最甚，我國東北地區(qū)是全球氣候變化敏感區(qū)，根據(jù)中國近50年來（1995-2000）的氣象資料分析，東北是中國增溫最快、范圍最大的地區(qū)之一，其氣候變化特征與全球基本一致，具體表現(xiàn)為溫度，尤其是冬季溫度升高明顯，降水普遍減少，洪澇災(zāi)害大，干旱化趨勢嚴(yán)峻（居煇等,2004;王遵亞等,2004）。Poiani（1996）指出，現(xiàn)代氣候變化與過去氣候變化有本質(zhì)的不同，現(xiàn)代氣候變化近100年內(nèi)的變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過過去上萬年才有的變化量。

濕地作為三大陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，被譽(yù)為“地球之腎”，是人類必須保護(hù)的自然資源。在所有的陸地生態(tài)系統(tǒng)中，濕地由于其適應(yīng)能力有限，被認(rèn)為最容易受到氣候變化的影響。氣候變化通過改變水循環(huán)過程，對濕地的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)、景觀格局等產(chǎn)生重大影響。同時(shí)，濕地的變化將在地域乃至全球范圍內(nèi)影響氣候。

景觀破碎化是指景觀由單一、均質(zhì)和連續(xù)的整體趨向于復(fù)雜、異質(zhì)和不連續(xù)的斑塊鑲嵌體的過程（由暢等, 2006）。盡管近年來由于氣候變化導(dǎo)致濕地資源衰退也已成為不爭的事實(shí)，但關(guān)于氣候變化對濕地景觀破碎化的影響機(jī)制一直缺乏系統(tǒng)的研究，大多與人為因素的影響混合在一起討論，且停留在定性研究階段。本研究基于扎龍濕地區(qū)域1903-2017年植被生長期的氣候資料，采用小波分析和對比分析法等分析技術(shù)，分析了扎龍濕地的氣候變化背景和影響蒸發(fā)量的氣象要素的變化規(guī)律和該濕地生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)，闡述了日照、氣溫、水汽等因子對濕地景觀破碎化過程的貢獻(xiàn)，為深入研究該濕地生態(tài)演化機(jī)制提供參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域與資料

扎龍濕地位于黑龍江省西部，是我國東北最大的濕地自然保護(hù)區(qū)，也是我國北方同緯度地區(qū)保留最完整、最原始、最開闊的濕地生態(tài)系統(tǒng)，景觀總面積2 100 km2，長期以來一直對松嫩平原的生態(tài)環(huán)境起著重要的調(diào)節(jié)作用。烏裕爾河是形成和維持扎龍濕地生態(tài)系統(tǒng)的主要水源，河流至下游時(shí)失去明顯河道，河水漫溢形成大面積淡水沼澤，以小型露天水域、蘆葦沼澤和草甸為主要地貌特征，濕地蘆葦生長旺盛，構(gòu)成濕地的主要水生植物，自然降水量占扎龍濕地生態(tài)需水量的67%（王昊等, 2007）。本區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫2～4℃，多年平均降雨量426 mm，7-9月降雨量占全年降雨量的70%，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年水面蒸發(fā)量達(dá)800～900 mm，處于由半干旱到半濕潤地區(qū)的過渡地帶。

本研究選取了扎龍濕地以西距濕地西部邊界約26 km的齊齊哈爾氣象觀測站1903-2017年的生長季（5-9月）平均氣溫、降水量資料，以及1961-2017年5-9月的氣象要素作為扎龍濕地氣候分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

小波函數(shù)是指具有振蕩特性，能夠迅速衰減到零的一類函數(shù)。設(shè)母小波函數(shù)為Ψ(t)，經(jīng)過平移和伸縮可以構(gòu)成一簇函數(shù)系

式中：Ψab(t)為子小波；a為尺度因子，表示小波的周期長度；b為時(shí)間因子，反映小波在時(shí)間上的平移。將(1)式進(jìn)行Fourier變換得

可見，小波具有自適應(yīng)變化的時(shí)頻窗口。a較大時(shí)，窗口呈“瘦窄”狀，符合高頻信號(hào)的局部時(shí)頻特性；a較小時(shí)，窗口呈“扁平”狀，符合低頻信號(hào)的局部時(shí)頻特性，從而實(shí)現(xiàn)了對函數(shù)或信號(hào)序列的多尺度細(xì)化分析。信號(hào)或函數(shù)f(t)的連續(xù)小波變換定義為

本文選用的母小波為復(fù)數(shù)Morlet小波，它的實(shí)部與虛部位相相差π/2，消除了實(shí)部形式子波變換系數(shù)模的振蕩。變換后的小波系數(shù)為復(fù)數(shù)，從中可以分離出模和位相。模代表某一尺度成分的多少，位相可以用來分析信號(hào)的奇異性和即時(shí)頻率。

2 研究結(jié)果

2.1 扎龍濕地115 a的氣候變化特征

圖1 扎龍濕地生長季平均氣溫變化趨勢Fig.1 Zhalong wetland growing season average temperature trends

圖2 扎龍濕地生長季平均氣溫小波系數(shù)的實(shí)部時(shí)頻圖Fig.2 Real-time time-frequency diagram of wavelet coeきcients of annual mean temperature in Zhalong wetland

圖3 扎龍濕地生長季降水量變化趨勢Fig.3 Zhalong wetland annual precipitation trend

2.1.1 氣溫變化特征 扎龍濕地區(qū)域近115 a（1903-2017年）生長季的平均氣溫呈顯著上升趨勢（圖1）（P＜0.05），平均每10年升高0.15℃。從氣溫的年代差異看，20世紀(jì)40年代最低，平均氣溫為17.7℃，21世紀(jì)初的10年平均氣溫最高，為19.8℃。從各年代間差異看，20世紀(jì)90年代開始?xì)鉁厣仙黠@，其后的近30年平均氣溫比前期高了0.7℃以上，但近10年來氣溫升高的過程已趨于平緩。

圖2為扎龍濕地生長季平均氣溫時(shí)間序列的小波系數(shù)實(shí)部的時(shí)頻圖，藍(lán)實(shí)線對應(yīng)正小波系數(shù)，紅虛線對應(yīng)負(fù)小波系數(shù)，黑色點(diǎn)劃線對應(yīng)零小波系數(shù)。扎龍濕地區(qū)域近115 a（1903-2017年）生長季的平均氣溫存在著明顯的年代際尺度的周期變化，以48 a左右的周期信號(hào)最為明顯，反映了生長季平均氣溫背景變化的穩(wěn)定性。特別值得注意的是，這個(gè)48 a左右的周期信號(hào)在2010年前后達(dá)到最強(qiáng)，變暖的過程有減弱趨勢出現(xiàn)的可能。同時(shí)，還存在著一個(gè)由20 a逐漸向30 a過渡的周期，這個(gè)周期在20世紀(jì)90年代以前表現(xiàn)得較為明顯，在這之后就被15 a的周期信號(hào)代替了，反映出從20世紀(jì)80年代末開始?xì)鉁厣仙黠@加快的特征。另外還有一個(gè)5-8 a的短周期過程，反映了氣溫變化的波動(dòng)性并不是很規(guī)則的特征?？偟膩砜?，生長季氣溫的波動(dòng)式上升構(gòu)成了扎龍濕地景觀破碎化過程的主要?dú)夂虮尘耙蜃印?/p>

2.1.2 年降水量的變化特征 近115 a扎龍濕地生長季的平均降水量具有明顯的年際變化（圖3），其中1932年降水最多，達(dá)745.6 mm，1907年降水最少，為177.0 mm；1903-2017年降水呈略增多趨勢，平均每10 a增加5.1 mm，變化趨勢不顯著。

圖4是扎龍濕地生長季降水量的小波系數(shù)的實(shí)部時(shí)頻圖分析，扎龍濕地近115 a（1903-2017年）生長季的降水量存在著明顯的年代際尺度的周期變化，以25 a左右的周期信號(hào)最為明顯，并且這個(gè)周期貫穿全域，是生長季降水量變化的基本背景。1980年以后出現(xiàn)了一個(gè)55 a左右的周期，反映出20世紀(jì)80年代以前年降水量上升的趨勢還比較明顯，且長周期變化的趨勢趨于穩(wěn)定。另外有一個(gè)7 a左右的短周期變化存在，但這個(gè)周期在20世紀(jì)70年代以前比較明顯，之后就趨于減弱了。從總體上說，以25 a左右的周期變化是扎龍濕地景觀破碎化過程的主要?dú)夂虮尘耙蜃?。盡管115年來年降水量總體上沒有明顯增加或減少的趨勢，降水的年際變化似乎也不是導(dǎo)致濕地減少的直接原因，但降水指數(shù)存在階段性特征和突變性特征，極端降水事件的強(qiáng)度和頻率呈增加趨勢（婁德君等,2009），降水在年度內(nèi)越來越集中或集聚分布的態(tài)勢對當(dāng)?shù)貪竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的沖擊。

2.2 氣候變化導(dǎo)致濕地景觀破碎化的發(fā)生機(jī)制

濕地水文條件是決定濕地生態(tài)過程的關(guān)鍵因子，氣候變化主要通過改變濕地的水文特征，減少濕地的水源補(bǔ)給，增加水分消耗，使?jié)竦赝嘶s。

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(1979)改進(jìn)后的有植被覆蓋的彭曼公式，反映出影響蒸發(fā)量的主要?dú)夂蛞蜃佑腥照諘r(shí)數(shù)、水汽壓、氣溫、風(fēng)速等，由于風(fēng)速觀測設(shè)備更換，資料缺乏連續(xù)性，在本研究中暫不做考慮。

圖4 扎龍濕地生長季降水量的小波系數(shù)的實(shí)部時(shí)頻圖Fig.4 Real-time time-frequency diagram of wavelet coeきcient of annual precipitation in Zhalong wetland

式中：Ep為可能蒸散量(mm/d)；Eo為水面蒸散量(mm/d)；F經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換系數(shù)；Δ為氣溫為Ta時(shí)飽和水汽壓與溫度關(guān)系的斜率（mm/℃）； p0為海平面氣壓（hpa）；P為某臺(tái)站平均氣壓（hpa）；Rn為天文輻射值（mm/d）（59cal/cm2=1mm蒸發(fā)量）；A為表面反射率，有植物覆蓋取0.20。

考慮到封凍季節(jié)的蒸發(fā)過程與生長季的區(qū)別，在本研究中所使用的是生長季（5-9月）的氣象資料。

2.2.1 日照時(shí)數(shù)與蒸發(fā)量的關(guān)系 日照時(shí)數(shù)反映了太陽凈輻射的大小對蒸散過程能量的供給條件。一般來說，日照時(shí)數(shù)越多，太陽凈輻射值的積累就越大，蒸散過程的能量供給就越充分，蒸發(fā)量也就隨之加大（劉艷等,2006）。圖5所示的是扎龍濕地區(qū)域的日照時(shí)數(shù)與蒸發(fā)量的年際變化趨勢，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.578 4，有著比較好的相關(guān)性，還可以看到兩者的變化具有一定的同步性。從趨勢變化的特征看，均成遞減的趨勢，遞減率分別為16.62 h/10a 和 1.83 mm/10a，日照時(shí)數(shù)的這種遞減變化，相對弱化了扎龍濕地的景觀破碎化過程，但這種遞減的趨勢變化特征并不明顯，所有在實(shí)際情況中景觀破碎化過程的弱化現(xiàn)象也不明顯。

2.2.2 氣溫與蒸散量的關(guān)系 氣溫是影響大氣－土壤邊界層物質(zhì)與能量交換的一個(gè)氣候特征，是蒸散過程中能量供給條件的影響因子之一，氣溫越高，太陽凈輻射可轉(zhuǎn)化為蒸散當(dāng)量的數(shù)值就越高（劉艷等，2006）。Larson（1995）對加拿大稀樹草原濕地面積與氣候變量間的關(guān)系進(jìn)行了定量研究，結(jié)果表明：區(qū)域年平均氣溫升高3℃，將導(dǎo)致56%的濕地消失，年平均降雨量增加10%，濕地面積將增加10%～12%。Rock等（1992）對歐洲南部半干旱地區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的影響研究結(jié)果表明，氣溫升高3～4℃，濕地面積在5年內(nèi)減少70%～80%。圖6是扎龍濕地生長季氣溫的年際變化趨勢。50多年來，生長季的平均氣溫呈明顯上升的趨勢，上升率為0.32℃/10 a，尤其1996年以后生長季的氣溫進(jìn)入了一個(gè)持續(xù)偏高的階段，這種變化過程對扎龍濕地蒸發(fā)量變化的影響十分明顯，構(gòu)成了扎龍濕地出現(xiàn)景觀破碎化過程的主要驅(qū)動(dòng)因子之一。

圖5 日照時(shí)數(shù)與蒸發(fā)量年際變化曲線Fig.5 Inter-annual variation of sunshine hours and evaporation

圖6 氣溫和蒸發(fā)量年際變化曲線Fig.6 Inter-annual variation of temperature and evaporation

圖7 水汽壓和蒸發(fā)量年際變化曲線Fig.7 Inter-annual variation of vapor pressure and evaporation

圖8 扎龍濕地植物群落的演變Fig.8 Evolution of phytocommunity in Zhalong Wetland

2.2.3 水汽壓對蒸發(fā)散的影響 水汽壓是影響蒸發(fā)過程中水汽轉(zhuǎn)移條件的主要因子，水汽壓反映了在相同的條件下，隨著空氣中水汽壓的增大，空氣飽和度的增加，蒸發(fā)量也會(huì)相應(yīng)減?。▌⑵G等,2006）。圖7是扎龍濕地空氣水汽壓的年際變化趨勢。水汽壓與蒸發(fā)量呈比較明顯的負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.639 2。水汽壓變化在1988年以前的趨勢特征不明顯，其后的躍變幅度較大，水汽壓的突變過程與蒸發(fā)量的變化過程呈明顯的反位象特征，構(gòu)成了扎龍濕地出現(xiàn)景觀破碎化過程的主要驅(qū)動(dòng)因子之一。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

在氣候變化強(qiáng)烈的情況下，必將對濕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊，目前已導(dǎo)致了濕地景觀破碎化的普遍發(fā)生。目前關(guān)于濕地景觀破碎化的研究多停留在破碎化現(xiàn)狀、通過遙感影像分析破碎化過程方面。關(guān)于破碎化的影響因素和驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究很少，且這方面的研究大多停留在定性討論階段（張華兵,2012）。僅有的關(guān)于氣候變化對濕地景觀過程的影響研究，多是對濕地面積變化的初步分析，缺乏對景觀破碎化過程的系統(tǒng)分析，無法全面揭示氣候變化驅(qū)動(dòng)下濕地景觀破碎化過程及其形成機(jī)制。

本研究利用扎龍濕地區(qū)域115 a的氣象資料，分析了氣候變化的趨勢性變化和階段性變化特征，以及氣象要素對濕地蒸散量的影響機(jī)理和變化趨勢，探索破碎化的氣象影響因素和驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

3.2 結(jié)論

濕地生態(tài)系統(tǒng)極易受到氣候變化及其他人類活動(dòng)的影響，氣象水文特征的微小變化會(huì)導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)的變化（圖8）。通過對扎龍濕地115 a氣象要素的分析表明，近50年來，該區(qū)的氣溫呈波動(dòng)式上升趨勢，特別是20世紀(jì)80年代后期，這種變暖的趨勢更為明顯，加劇了該區(qū)域蒸散量的變化；與氣溫變化相比，該地區(qū)降水的趨勢變化不明顯，但周期性變化過程顯著，連續(xù)的干旱少雨可以使?jié)竦氐貌坏剿囱a(bǔ)給，濕地蓄水量顯著下降。扎龍濕地的入境水量主要有天然降水量，烏裕爾河、雙陽河及區(qū)間來水量等，其中降水量占入境水量的63%，是其主要水源，而損失量主要由區(qū)域蒸散量決定，因此，氣候變化是影響扎龍濕地景觀變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，由于氣溫呈波動(dòng)式上升，濕地區(qū)域的蒸散量加大，濕地缺水現(xiàn)象將日趨嚴(yán)重，導(dǎo)致景觀破碎化加劇。

氣象要素在中小尺度上時(shí)空分配狀態(tài)的變化和局地氣候特征的改變也是引起濕地退化的原因和驅(qū)動(dòng)力，盡管115年來年降水量總體上沒有明顯增加或減少的趨勢，降水的年際變化似乎也不是導(dǎo)致濕地減少的直接原因，但降水在年度內(nèi)越來越集中或集聚分布的態(tài)勢對當(dāng)?shù)氐臐竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的沖擊。