中国典型滨海湿地系统退化机理与修复

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滨海湿地不仅是重要的景观覆盖类型,也是陆地生态系统和水生生态系统相互作用形成的自然综合体和典型的生态交错带,其在净化水质、维护生态平衡和保护生物多样性等方面具有重要作用。由于人类活动和自然环境变化,滨海湿地退化严重,严重影响生态平衡、经济和社会的可持续发展,受到越来越多的关注。目前有关湿地景观生态结构退化和生产功能退化的界定及其定量评价研究不够深入,导致人们对湿地退化的认识还不够全面。因此,定义湿地景观结构退化和生产功能退化,定量刻画其退化特征,探究其退化机理,对深入、全面认识湿地退化,提高其开发利用效益、保护与管理水平及退化湿地修复非常关键。本文以气象数据、遥感数据、土壤数据和社会经济数据为基础,以辽河三角洲滨海湿地和苏北滨海湿地为研究区,从滨海湿地景观结构、群落演替和生产功能的角度评价湿地退化,研究工作取得的主要成果和创新点如下:  (1)重建了江苏沿海地区近35年(1980-2014)来滨海湿地生态系统的景观演变和群落演替过程,提出了具有鲁棒性特征的“基于生境演替模式的湿地景观结构退化诊断方法”,量化分析了近35年来滨海湿地的退化特征及其主要影响因素:苏北滨海湿地系统景观结构退化面积约达2870 km2,约占总面积的34%,退化形式可概括为绝对丧失、渐进丧失、生境丧失和外来物种入侵,其中人类活动主导的生境丧失为其主要退化形式,其表现形式是大面积的潮间带光滩和盐生植被被围垦开发为养殖水体。该区景观结构退化主要发生在射阳县、大丰市、东台市和如东县,且退化空间有南移趋势。围垦是苏北滨海湿地景观结构退化的主导因素。苏北滨海湿地景观结构退化的驱动机制为;在一系列滨海湿地开发政策的背景下,随着人口增长、经济发展和城市化,大量优质耕地被占用,同时又要保证耕地的数量,而滨海湿地是很好的后备土地资源,因此滨海湿地围垦就成了直接的需求。然而,滨海湿地土壤盐分含量较高,围垦开发的湿地不能直接用作种植小麦和水稻等农作物,只能种植耐盐作物或建设盐田,经过土壤脱盐后才能种植农作物。围垦开发滨海湿地的最终目的还是经济收入,相比于其他行业,养殖业的年均收入较高,且土壤盐分对养殖业限制较小,因此围垦的湿地大部门都被直接用于养殖业。  (2)采用冗余分析方法,研究了敏感性生境因子对苏北滨海湿地自然保护区群落演替的影响和贡献;构建了滨海湿地植被群落演替预测模型,开展了植被群落演替趋势的多情景预测:近35年(1980-2014年)江苏盐城国家级珍禽自然保护区核心区湿地景观结构性退化面积约达67 km2,约占核心区总面积的27%,退化形式包括渐进丧失、生境丧失和外来物种入侵,其中外来物种入侵为其主要退化形式,主要表现为大面积的潮间带光滩和碱蓬被米草所替代。植被群落演替受植被自身的环境适应能力和外部环境条件的影响。保护区核心区三种植被类型耐盐性排序为米草>碱蓬>芦苇;耐淹能力排序为芦苇>米草>碱蓬。碱蓬是滨海滩涂的先锋植物,但由于潮汐作用和植被对泥沙具有滞留作用,高程会随之抬升,随着高程的增加,地下潜水位下降,盐分降低,土壤开始适合芦苇生长,最终的结果就是随着滩面的淤高,芦苇沼泽不断向海扩张,碱蓬群落不断被芦苇沼泽取代。同理,距海越近,高程越低、地下潜水位越高,且受潮汐影响越强,土壤盐分和水分越高,当它们超出碱蓬的耐受范围后,土壤则不适合生长碱蓬。同时由于米草是入侵物种,具有极强的繁殖能力和竞争力,且具有耐盐和耐淹的生理学特征,所以碱蓬会慢慢被米草替代。CA Markov模型模拟结果表明:现状模式和脱盐模式下芦苇和米草面积增加、碱蓬面积减少,但与现状模式相比,脱盐模式下芦苇和米草面积增加和碱蓬面积减少更快;积盐模式下米草和碱蓬面积增加、芦苇面积减少;去除米草模式下芦苇面积增加、碱蓬面积减少。  (3)反演了辽河三角洲地区近10年(2001-2012年)来滨海湿地生态系统的净初级生产力的逐月变化,提出了具有可比性特征的“湿地生态系统生产功能退化诊断方法”,定量分析了气候变化及主要生境因子对湿地系统生产力退化的影响:辽河三角洲生产力退化面积比例为63%(植被景观不变区),其中28%的苇场生产力发生了退化。土壤理化性质和DEM数据对湿地生产力变化的影响大于气候因子对其的影响,且敏感性大小依次为速效钾>土壤全碳>土壤全氮>速效磷>土壤温度>DEM>土壤含水量>土壤碳氮比>土壤体积电导率>土壤溶氧量>土壤酸度>土壤孔隙水电导率。辽河三角洲芦苇湿地生产力变化驱动因子可以概括为环境因子和营养因子。水盐环境因子对芦苇生产力的影响机理为:水盐环境条件的变化,改变了芦苇的形态结构、叶绿素含量、离子胁迫、渗透胁迫、活性氧代谢失衡或光合酶活性等,影响光合速率,从而改变生产力水平。土壤水盐对芦苇生长的影响还基本符合抛物线模式,芦苇生物量随着电导率或土壤含水量的增加呈现先增加后减少的模式,并且芦苇生物量对土壤电导率的敏感性和土壤电导率对芦苇生物量的影响程度都大于土壤含水量,且土壤含水量越高,芦苇生长对土壤电导率的敏感性越低。营养因子含量的变化对芦苇生产力的影响较为复杂。植被生产力是诸多因素共同影响下的结果。单个营养限制随着其他营养限制的增加而增加,氮、磷和钾对芦苇生物量呈协同限制形式,但营养限制程度的大小排序依次为钾、氮和磷。芦苇生物量的氮、磷和钾限制随着土壤电导率的增加呈现抛物线形式——先增加后较少,但在电导率影响下,各限制的敏感性、最大值及其位置存在差异:电导率影响下,钾营养限制的敏感性最大,氮营养限制最小,磷营养限制居中。滨海湿地芦苇生物量需要水盐环境因子和养分含量达到一种最优的动态平衡才会较高。总之,依据抛物线模式得到芦苇的最适土壤体积电导率约为4 ms/cm、土壤含水量约为49%;氮、磷、钾呈协同限制形式,三者存在一个最优比例,只有三者达到这一最优比例,且在最适的水盐环境下,芦苇的产量才会较高。  (4)研究区主要存在的退化问题包括:1)由于围垦造成光滩大面积丧失、且围垦速度大于其自然淤积速度;2)由于围垦导致的自然植被大面积丧失;3)由于景观类型转型导致的人工湿地功能丧失;4)外来物种入侵(米草);5)由于土壤水盐环境和养分限制导致的生态系统生产功能下降。基于此,本文提出了如下对应的退化湿地修复技术1)潮滩区域的原生湿地促淤技术;2)天然—人工植被系统恢复技术;3)人工湿地系统的功能修复技术;4)外来物种入侵阻断控制技术;5)生态系统生产功能修复技术等。
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