撓力河流域濕地對相鄰景觀逐日氣溫調(diào)節(jié)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(xué)地理科學(xué)學(xué)院， 長春 130032； 2. 吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院， 四平 136000； 3. 黑龍江撓力河國家級自然保護區(qū)管理局建三江分局， 富錦 156300； 4. 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所， 長春 130102)

濕地在緩解全球氣候變暖和調(diào)節(jié)區(qū)域氣候方面具有重要作用[1-3]，作為自然調(diào)節(jié)器，對相鄰景觀氣候表現(xiàn)有很強的調(diào)節(jié)作用。氣溫是衡量濕地調(diào)節(jié)作用的敏感指標[4-6]，區(qū)域氣溫狀況能夠體現(xiàn)濕地的調(diào)節(jié)能力，對濕地氣溫調(diào)節(jié)功能的研究日益引起關(guān)注[7]。濕地最重要的價值是對局地氣溫的調(diào)節(jié)，如在膠州灣濱海濕地，1975—2010年的核心功能為氣溫調(diào)節(jié)[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(qū)域氣溫調(diào)節(jié)的價值最大的結(jié)果[9]；在博斯騰湖濕地，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值體現(xiàn)在使地區(qū)氣溫保持平穩(wěn)狀態(tài)[10]。濕地的冷濕效應(yīng)是調(diào)節(jié)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(qū)，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(diào)節(jié)作用存在差異，在西瓦斯省(Sivas Province)5個濕地，降溫效應(yīng)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(zhì)性有關(guān)[14]；艾比湖濕地氣溫與植被覆蓋水平之間存在線性函數(shù)關(guān)系，濕地對周邊不同景觀的氣溫調(diào)節(jié)效應(yīng)存在顯著差異[15]。

這些研究都對濕地的氣溫調(diào)節(jié)功能進行充分研究，取得許多成果，認為濕地的氣溫調(diào)節(jié)功能對于當?shù)貧夂蛴绊懞艽?，但是這些研究都基于大尺度、長時間的研究，得出的結(jié)論不夠精細，沒有在局地尺度揭示濕地調(diào)節(jié)作用的差異性表現(xiàn)。所以現(xiàn)以小尺度為研究區(qū)，以日均氣溫為切入點，研究濕地對相鄰景觀的氣溫調(diào)節(jié)能力的不同，分析濕地對不同景觀氣溫調(diào)節(jié)的差異性表現(xiàn)，揭示差異形成的機理，為研究濕地的氣候調(diào)節(jié)方式，分析氣候調(diào)節(jié)功能的研究提供鋪墊，為全面深入探究濕地的生態(tài)價值提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)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(nèi)陸濕地和水域生態(tài)系統(tǒng)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(xiàn)[22]，如灌叢、林地、農(nóng)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(jīng)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(jīng)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(diào)節(jié)的差異性逐漸顯現(xiàn)。

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(nóng)田3個不同類型的景觀交界面，每個交界面設(shè)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(nóng)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(nèi)溫度記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)出，在室內(nèi)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(shù)據(jù)。樣點數(shù)量從相對大的空間范圍看相對較少，但是整個采樣區(qū)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(nèi)部(灌叢、林地和農(nóng)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(fù)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(shù)據(jù)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(nèi)所有天數(shù)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(nèi)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(jié)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(nóng)田(第3交界面)的日均氣溫。

1.3.2 數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)方差值(R2)最大的4次函數(shù)確定為最佳擬和趨勢線，分析不同交界面的3個函數(shù)曲線變化規(guī)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(shù)值大小和出現(xiàn)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(shù)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(guī)統(tǒng)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(diào)節(jié)作用在夏半年和冬半年的差異性表現(xiàn)，結(jié)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(shù)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(jié)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(shù)的曲線變化規(guī)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(jié)，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(guī)律，濕地對周邊地區(qū)氣候調(diào)節(jié)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(jié)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(nóng)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(nóng)田受到濕地的影響程度差異大，濕地對相鄰景觀的氣候調(diào)節(jié)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(shù)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(nóng)田。因為濕地與灌叢聯(lián)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(diào)節(jié)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(shù)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(yōu)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(nóng)田荒蕪，濕地的屏蔽作用也能夠體現(xiàn)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(diào)節(jié)作用最弱。

2.1.4 最高氣溫出現(xiàn)時間的差異

函數(shù)擬合的最高溫出現(xiàn)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(nèi)，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(nóng)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(xiàn)。

2.1.5 最低氣溫出現(xiàn)時間的差異

函數(shù)擬合的最低溫出現(xiàn)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(xiàn)的順序剛好與3個景觀植物高度有關(guān)，即林地植物高度最大，最低溫出現(xiàn)的時間最早；其次是灌木植物高度小，最低溫出現(xiàn)的時間居次；農(nóng)田在冬季幾乎沒有植物，最低溫出現(xiàn)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(shù)擬合關(guān)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(jié)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(diào)節(jié)作用差異??；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(nóng)田氣溫調(diào)節(jié)作用與林地、灌叢差異大。

2.2.2 差異性表現(xiàn)

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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)作用相對弱；水汽最難進入的是農(nóng)田，夏季玉米長勢最好，種植密集，調(diào)節(jié)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(nóng)田最高，濕地水進入最少，濕地水進入越多，氣溫調(diào)節(jié)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(shù)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(xiàn)相鄰景觀氣溫變化調(diào)節(jié)，濕地水分和水汽進入越多，調(diào)節(jié)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(nóng)田收割與灌木落葉后，濕地濕潤水汽進入農(nóng)田與灌叢都相對容易，升溫調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(guī)統(tǒng)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(jié)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(diào)節(jié)作用差異不明顯，由于濕地水量少，并且處于冰封狀態(tài)，水汽含量大減，水汽調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)能力下降，差異不明顯。

2.3.2 差異性表現(xiàn)

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(nèi)函數(shù)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(diào)節(jié)，與濕地植物高度最相似的灌叢升溫效果最好；其次為農(nóng)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(shù)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(jié)果與相鄰景觀的開敞程度有關(guān)，越是開敞，溫度變化幅度越大，說明濕地的氣溫調(diào)節(jié)與景觀本身特征有關(guān)。

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(nóng)田秋季收割與樹木落葉后，濕地濕潤水氣進入農(nóng)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(diào)節(jié)作用主要表現(xiàn)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(diào)節(jié)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(guī)統(tǒng)計表Table 4 The daily average temperature in winter half year for different interfaces among wetland and adjacent landscapes

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

濕地對相鄰景觀氣溫調(diào)節(jié)能力存在差異(P< 0.05)，相鄰景觀與濕地的差異越小，氣溫調(diào)節(jié)能力越強。從函數(shù)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(nóng)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(xiàn)對相鄰景觀的氣溫調(diào)節(jié)。夏半年氣溫調(diào)節(jié)能力強，差異大，與水汽輸入量和水進入的便捷性有關(guān)。冬半年氣溫調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)作用就越弱。這和河口濕地對相鄰不同景觀氣候調(diào)節(jié)作用不同的結(jié)論相一致[27]，景觀異質(zhì)性放大濕地冷濕效應(yīng)[28]。在夏半年，通過水汽滲透，濕地實現(xiàn)對相鄰景觀的氣溫調(diào)節(jié)，滲透越強，調(diào)節(jié)能力越大，夏半年調(diào)節(jié)能力強，在冬半年，利用濕地植物的屏蔽作用來實現(xiàn)，調(diào)節(jié)能力弱，升溫效應(yīng)不明顯，這與亞熱帶地區(qū)，濕地利用郁閉植物，在冬季發(fā)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(fù)后，冷季沙湖對600 m范圍內(nèi)，降溫效應(yīng)顯著提高(下降0.1 ℃)也有差異[30]，說明濕地在冬季，不同地區(qū)的氣溫調(diào)節(jié)方式存在差異。

濕地的氣溫調(diào)節(jié)主要集中于小尺度上的小氣候調(diào)節(jié)，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(guān)，差異越大，調(diào)節(jié)能力就越弱。所以在濕地附近進行景觀建設(shè)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(fā)現(xiàn)氣溫特征與景觀本身有關(guān)，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(tài)，盡量減少對濕地周邊的大規(guī)模開發(fā)，尤其是人為建筑的大面積鋪設(shè)，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(yīng)，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(diào)節(jié)功能主要體現(xiàn)在夏季，作為附近地區(qū)的空調(diào)器，其作用具有季節(jié)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(xiàn)在固碳方面，也體現(xiàn)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(diào)節(jié)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(shù)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(shù)與方法，在大尺度范圍上，對濕地氣候調(diào)節(jié)作用的空間分異進行研究[33]，因此今后應(yīng)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(diào)節(jié)效應(yīng)，深入挖掘濕地在區(qū)域尺度上，乃至在全球尺度上的氣候調(diào)節(jié)方式，全面研究濕地的各項功能。