湿地与全球环境变化.pdf

收稿日期:1999-08-18;修订日期:1999-09-05基金项目:中国科学院?九五?重大项目(批准号:KZ951-B1-201-02)作者简介:孟宪民(1956-),男,研究员,主要从事湿地环境与泥炭利用方面研究。?文章编号:1000-0690(1999)05-0385-07湿地与全球环境变化孟 宪 民(中国科学院长春地理研究所湿地过程与环境开放实验室,吉林 长春 130021)摘要:湿地是地球上具有重要环境功能的生态系统和多种生物的栖息地之一。湿地环境由湿地水文、湿地生物地球化学循环与生物对湿地的适应和改造构成。各种因子之间相互依赖、相互协同,构建起湿地的整体功能。湿地在全球环境变化中的地位,主要表现在湿地环境自身健康水平和湿地在全球环境长期变化中的作用。一个未受异常自然和人类活动扰动的湿地环境,因其生物种属的多样性、结构的复杂性、功能的整合性和抵抗外力的稳定性,而处于较好的健康状态。当外力扰动超过湿地环境的修复能力时,湿地环境的健康状态就会恶化,功能发生退化,进而对区域或全球环境产生影响。关?键?词:湿地;全球环境变化中图分类号:P941.78;X21?文献标识码:A?湿地是地球上具有重要环境功能的生态系统和多种生物的栖息地之一。湿地由水陆相互作用形成,湿地环境的水文特征、生物地球化学过程和湿地生物适应,使其具有独特的物理、化学和生物学结构和功能,对环境变化十分敏感1 2。因而,湿地环境变化对全球环境变化的响应以及全球环境变化对湿地环境的影响必定有别于其他生态系统,当前施加在湿地上的人类社会经济活动影响十分突出。所以研究湿地环境及其对全球变化的贡献和影响,对评价湿地在全球环境变化中的地位,促进湿地的保护和合理利用,以应付、缓解和最终解决全球环境问题,具有重要意义。湿地在全球环境变化中的地位,主要表现在湿地环境自身健康水平和湿地在全球环境长期变化中的作用。现代地球系统科学的思想认为,地球环境的任何一个圈层、任何一个生态系统和任何一个过程都不是孤立的,它们的形成和发展包含着其他圈层、生态系统和过程的影响,并通过它们的形成和发展,影响其它圈层、生态系统与过程,表现出地球系统的整体行为。因此,全球环境问题必然对湿地生态系统和区域环境构成深远影响,湿地生态系统和区域环境问题又有可能发展成为全球问题。1?湿地环境的主要特点湿地环境由湿地水文、湿地生物地球化学循环和生物对湿地的适应和改造构成。各种因子之间相互依赖、相互协同,表现出湿地的整体功能。一个未受异常自然和人类活动扰动的湿地环境,因其生物种属的多样性、结构的复杂性、功能的整合性和抵抗外力的稳定性,而处于较好的健康状态。当外力扰动超过湿地环境的修复能力时,湿地环境的健康状态就会恶化,功能发生退化,进而对区域或全球环境产生影响。水文是湿地环境中最重要的因子3。湿地一般都位于地表水和地下水的承泄区,是上游水源的汇聚地,具有分配和均化河川径流的作用,是流域水文循环的重要环节。水分输入与输出的动态平衡还为湿地创造了有别于陆地和水体生态系统的独特物理化学条件。湿地的水文情势影响着湿地生物地球化学循环,控制和维持湿地生态系统的结构和功能,影响着土壤盐分、土壤微生物活性、营养有效性等,进而调节着生活在湿地中的动植物物种组成、丰富度、初级生产量和有机质积累。湿地位于陆地与水体之间,因而湿地对水量和运动方式的改变特别第 19卷第 5期1 999 年 10 月?地?理?科?学SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA?Vol.19?No.5Oct.,1 9 9 9?敏感。如果自然和人类活动造成水分数量和质量的变化,这些变化就会反映在湿地生态系统的结构和功能上,进而引起径流的调节作用和维持生态系统生产力的作用发生退化 4,对区域环境产生不利影响。湿地中生物地球化学过程不仅造成湿地物质化学形态的改变,还通过水分?沉积物交换和植物摄取途径,影响物质在湿地内循环和湿地外有机质输入、输出的空间移动5。植物吸收二氧化碳,转化为有机质或泥炭积累在湿地中,可以降低大气中二氧化碳含量,减轻温室效应的影响。湿地植物对水中有毒物和污染物的吸收、固持作用,可以净化水质,减轻水质污染,有利于下游地区环境和社会发展。湿地与周围环境的物质交换越丰富,其生物地球化学过程越开放。当湿地与周围环境系统界面间的物质转移量很小时,其生物地球化学循环就处于封闭状态。由于湿地类型和环境的不同,其生物地球化学循环有的可能是开放的,有的可能是封闭的。河流泛滥湿地和海岸盐沼,通过河流和潮汐发生显著的物质交换,因而开放度极高,对外部环境的影响就大。而贫营养的凸起泥炭地,只有极少量的气态物质与周围大气之间发生物质交换,其生物地球化学循环的开放度很低。湿地环境对许多生物具有生理上苛刻性。湿地环境对植物的胁迫主要有湿地环境的毒害物质、高盐分和多变的水位等。水生生物不能忍受湿地的干湿交替环境,而陆生植物又不能忍受长期淹水的胁迫。湿地对生物胁迫更重要的是湿地土壤中氧的缺乏,它阻碍了正常有机物新陈代谢的进行。在氧气缺乏条件下,土壤中的营养活性增强,当元素和有机物的浓度达到一定程度时,会对植物产生毒害作用6,7。湿地中的植物和动物都发育了某种功能以适应湿地环境的胁迫。动植物的适应性包括有机物对环境的忍受和对胁迫的调节。另一方面,湿地生物对湿地环境并不仅仅是被动的适应,还能主动反应湿地环境的变化,成为连接湿地物理环境和物理过程、化学环境和化学过程的重要环节。例如湿地植物可以通过积累泥炭、沉积物堆积、减少侵蚀、干扰水流、水面遮阴和呼吸蒸腾等机制来控制湿地的水文条件 3。随着泥炭的不断增厚凸起,湿地就会逐渐脱离地表矿质水分的影响。一些沼泽和河流湿地在积累了沉积物后,会显著地降低湿地的泛滥频率。湿地是世界上最受威胁的生态系统之一,土地利用方式变化和人类活动干扰是造成湿地丧失的主要原因。在一些国家,90%的湿地已经破坏或处于严重退化中,结果导致生物多样性和湿地特有功能的严重丧失。IUCN 估计,全球已有 50%的湿地生态系统从地球表面消失9。世界各地泥炭沼泽和湿地还继续以不断增加的惊人速度被破坏10 12。亚洲一半以上的湿地已经丧失,印度-马来西亚地区一半以上的红树林因辟作水产养殖场而被砍伐殆尽 13,14。亚洲地区湿地丧失和功能退化的直接原因是排水、沿海开发、天然湿地生态系统转为农田、工业、能源和居住地。其它的湿地丧失原因包括动植物资源的过度开发、空气和水质污染与气候变化。但从根本上说,当前对湿地的威胁主要来自经济的外向化、多变的政策、人口的增长与贫穷等,同时这些因素还相互联合,进而加重了湿地的破坏程度。2?湿地环境对全球环境变化的影响2.1?湿地生物多样性变化生物多样性丧失是全球环境恶化的基本特征 15。湿地生态系统的结构和功能取决于生物多样性的状态。遗传多样性的损失,可能降低物种的生存力,物种灭绝使物种多样性降低 16。湿地物种多样性丧失和湿地环境的变化又影响全球环境的变化。中国幅员辽阔、自然条件复杂,导致湿地生态系统多种多样。湿地景观、环境的高度异质性,又为众多野生动植物栖息、繁衍提供了基地,湿地物种多样性极为丰富。赵魁义 17统计,中国湿地已知高等植物 825 种,被子植物 639 种,鸟类 300 种,鱼类 1 040种,分别占已知动植物种数的 2.8%,2.6%,26.1%和 37.1%。其中许多是濒危或具有重大科学价值和经济意义的类群。中国位于澳大利亚?东亚,印度?中亚迁徙水禽飞行路线上,每年约有 200 种的数百万只迁徙水禽在中国湿地内中转停歇或栖息繁殖。亚洲 57 种濒危水禽中,中国湿地就发现了 31种。全世界鹤类有 15 种,中国湿地就占 9 种18。中国湿地还养育着许多珍稀的两栖类和鱼类特有种。湿地可以为某些物种,特别是某些植物种完成其生命循环提供所需的生境。有些物种可能依赖湿地完成其复杂生命循环的一部分,如鱼和虾需借助湿地完成产卵并度过幼年期。386?地?理?科?学?19 卷?长期以来,由于人口与资源、能源、粮食方面的矛盾日益突出,中国湿地被大面积开垦。湿地资源的掠夺式开采和过度猎捕,工业废水的污染和物种引进的干扰,不仅严重抑制湿地资源潜力和环境功能的发挥,也造成了生物多样性的丧失和湿地环境的恶化(表 1)。天然湿地植被的大面积、高速度毁灭,不仅造成湿地生态系统不可逆转的大规模破坏和湿地生物多样性的丧失,直接破坏了人类的生存环境,还大大降低了人类生存环境系统的内在自我调节能力,从而降低了生态系统的稳定性。这一因素与人类活动扰动强度的剧增相互作用,结果使人类生存环境变得更加脆弱,自然灾害明显增加。2.2?湿地水文特征变化水文是决定湿地特征和类型的关键因素。同样,湿地也影响流域内的水文情势 3,并进而对海平面变化产生直接或间接的影响。三江平原别拉洪河湿地对洪水的调节系数达 0.678 左右 22。洪水进入湿地后,洪峰降低,退水时段增长。湿地通过拦截径流、蓄积暴雨的方式改变洪峰高度,减少洪灾发生 23,24,同时,也减少了陆地水分向海洋的输送。河流泛滥湿地在这方面有特别的价值。美国陆军工程部测定指出,如果麻省查尔斯河上 3 400 hm2湿地被排水疏干,每年将增加 1 700 万美元的洪灾损失 18。由于沿河修筑堤坝和开沟排水,沿密西西比表 1?湿地生物多样性丧失现象Table 1?T he biodiversity loss phenomenon in wetlands研究地点生物多样性丧失现象资料来源洪?湖鱼类从40a 前的100 余种减少到目前的 50 余种 17青海湖已有34 种野生动物消失 17三江平原湿地珍禽冠麻鸭(Tadorna cristata)、白琵鹭(Platalea leucorodia)等大型涉禽,已有30a 未见踪迹。17松嫩平原湿地中鸟类数量由 1983 年的137 只/km2降低到1995 年的 105 只/km2,多样性指数(Shannon-?wiener)由 1.173降为 0.83。19天津团泊洼保护区原来记录到的水禽都未进行繁殖,水禽数量也明显减少 20兴凯湖雁类急剧减少,1988 年中俄界河口附近的雁类数量为 95150 只,1996 年仅记录到 953 只。21河的低地硬木林湿地在人类开发定居以前可以蓄积60d 的洪水,而现在已降至仅可积蓄 12 d 的洪水25。湿地除具有均化年内河川径流的作用外,还有加大径流年变差的作用 26。湿地率越高,径流的变差系数越大,三江平原的别拉洪河的年变差系数 Cv值达 0.827。三江平原的气候有以 8 10 a 周期的连续干旱与连续湿润年的交替变化规律,湿地的强烈蒸发和很大的蓄水能力,使连续干季来临时,截获大气降水的地表径流,从而使河川径流的补给量减小22,也进一步降低了向海洋的输送。中国的三江平原现有湿地 200 万 hm2,主要由受黑龙江、松花江和乌苏里江三江泛滥影响而发育形成的苔草 芦苇沼泽和沼泽化草甸组成。三江平原的湿地面积在过去的 50 a 里,已从 534 万 hm2减少到 197 万 hm228。湿地丧失导致区内蒸发量的降低和径流率的上升。陈刚起估算三江平原的 190万 hm2的沼泽中储水总量为 38.4 亿 m3,如果按已开垦湿地地表径流率为 0.723 计算,这意味着每年47.5 亿 m3 29的水进入大海,将提高海平面 0.013mm(全球海洋面积以 361?106km2计)。东北地区另一大规模淡水沼泽分布于松嫩平原中部。建国初,嫩江下游嫩江与松花江汇合处以北的大安、肇州、大庆、泰康之间,东西 50 60km,南北 170 180km 内,均为湿地30。乌裕尔河、讷谟尔河、雅鲁河的下游、霍林河、洮儿河也分布着大面积湿地和湿草地,总面积约 201.9 万 hm2 31,各类湖泊泡子总面积 31.33 万 hm2 32,这些湿地的蓄水容量可达 36.6亿 m3。区内湖泊总面积 3 133.46 km2,平水期蓄水47 亿 m3,两者相加,蓄水总量可达 83.6 亿m3,相当于嫩江流域年径流量的 39.4%,如果加上丰水期蓄水量,对减缓洪水向下游推进的速度,降低流量,削减洪峰,起到举足轻重的作用,可大大缓解下游中心城市防洪抢险压力。随着人口增长,松嫩平原农业开发不断向低河漫滩湿地逼近,城市和工业用水进一步减少了湿地的水源供应,湿地破坏和退化的速度十分惊人,漫滩上的湖泊数量和水面面积不断减少。据遥感分析,本区湿地面积比建国初期减少了 70%以上,湿地面积仅存 65.2 万 hm2 33,局部地段湿地率减少为3875 期?孟宪民:湿地与全球环境变化?10%以下。干旱年份一些湿地保护区不得不从外引水,才能保证有限的水禽栖息地和人工繁育动物的用水要求。60 年代以前,本区芦苇湿地的面积达28.6 万 hm2,主要分布在黑龙江省的乌裕尔河中下游和哈拉海甸子、吉林省的霍林河中下游、洮儿河中下游月亮泡一带。70 年代以后,由于连年干旱,管理不善,芦苇退化严重,许多苇塘变成旱塘,芦苇湿地面积减少了 13.3 万 hm2 34。湿地数量的大幅度减少和质量的下降首先导致湿地蓄水容量减少,储水空间变小使洪峰向下游推进。湿地疏干,草根层破坏,植被演替,也降低了湿地对洪水的拦蓄性能。由于缺少了湿地的拦蓄沉积作用,洪水中的悬浮物、污染物得不到净化,危害人民的身体健康。沿江筑堤后,许多原本依靠汛期洪水泛滥补给的湖泡,割断了与嫩江水系的联系,淡水补给不足,随着湖水不断蒸发,湖水盐度逐渐上升,水质变坏35。湿地破坏后,湿地向地下水补给水分的功能丧失,降低了地下水储量。湿地疏干后,湿生植被演变为中生或旱生植被,覆盖率降低,扩大了地表蒸腾蒸发,加剧了干旱化、盐渍化和风沙化程度,导致区域环境恶化。黄河、长江中下游冲积平原是中国大型淡水湖泊最集中的分布区。长江中下游因拥有洞庭湖、洪湖、鄱阳湖和太湖而闻名于世。这些淡水湖边缘大多生长成片的芦苇,具有巨大的对上游洪水的调节容量和当地社区赖以生存的淡水、鱼类和其他生物资源。目前沿长江共有 690 万 hm2湿地 28。据估算,由于人类开垦和淤积,1949 年以来,长江中下游地区的湿地和储水量丧失分别达 120 万 hm2和 325亿 m3/a,这将导致海水面上升 0.09mm。青藏高原是世界上海拔最高的湿地区之一,湿地总面积共有 470万 hm2。大片湿地分布于四川省西北部的若尔盖和黄河、长江河源区 28。50a 前,这些湿地尚未遭受人类活动干扰,在地表径流拦蓄和野生动物保护中起着极为重要的作用。但近年来,由于过度放牧,湿地面积的丧失和功能的退化、沙漠化、盐碱化已经显现36。大河源头湿地的丧失和退化对长江、黄河径流的不利影响已经引起有识之士的关注。在西南地区的云贵高原,也有数目众多的大小湖泊和山区的河谷泛滥平原湿地。一些湿地是水禽的重要越冬地,同时也具有重要的洪水缓冲功能。孙广友 37分析了横断山地区高原湿地的水文要素变化特征,结果表明,与非湿地对比,经过湿地的河流水位过程线峰值降低,洪峰滞后。湿地率高的河流峰值出现甚至推迟至 10 11 月。受沼泽河流雨季蓄渗、阻滞调节的影响,沼泽性河流 9 月下旬的流量峰值比其他河流明显增高,有时甚至比夏季雨洪还高。对河流流量与降水量之间的关系分析发现,沼泽性河流的降水?流量关系曲线偏向降水轴,降水量增加,河流流量增加却很少。黑河若尔盖站沼泽率为 32.5%,其降水?流量的关系方程为:P=5.9745+0.5780Q+2.9461Q2,而沼泽率为19.2%的白河唐克站的降水?流量的方程为 P=55.2008+0.2064Q+0.0092Q2,一次项和二次项的系数均小于若尔盖站,表明沼泽率高的河流对降水的调节功能较强。中国 210 万 hm2的盐沼和滩涂绝大多数分布于 3 个区域 38,39:双台子河口地区、黄河河口地区、长江口地区及其临近地区。进入黄海的河流携带的大量沉积物导致河口三角洲的快速堆积与新的湿地不断形成。红树林湿地呈斑块状分布于福建省中部、台湾西海岸、广东、广西和海南省沿海地区以及香港的后海湾。合理地开发利用沿海湿地可以在保护环境的基础上,使经济得以适度发展,香港米蒲自然保护区将部分红树林生态系统与临近的大面积虾塘结合起来,既保护了红树林和湿生环境,也提高了单位土地面积上的收益。一些海岸湿地的破坏则降低了沿海抵御风暴潮侵蚀能力,污染了近海水域,爆发了大范围赤潮,造成了严重的经济损失。2.3?湿地对温室气体固定和释放的影响湿地的物理化学条件使其具有?碳汇?的功能 40。湿地在化学元素循环中特别是二氧化碳、一氧化二氮与甲烷等温室气体的固定和释放中起着重要?开关?作用,湿地碳的循环对全球气候变化有重要意义。Maltby 估计全球共有泥炭地面积 3 985 万hm2,每年积累碳素总量为 9 850 万 t,固定在泥炭地中的碳储量总量达 4 600 亿 t 41。中国现有泥炭面积 73.83万 hm2,若每年按积累 0.7 mm 计算,一年可以积累 420万 t 碳。三江平原各种湿地植物一年中的固碳量约为 474.01 万 t42,43。三江平原湿地土壤年 CO2释放量约为 1 463.4 万t,折合碳年释放量为 395.1 万 t。地表有机干物质碳的年积累量为 467 万 t。天然湿地环境下,土壤温度低,湿度大,微生物活动弱,土壤呼吸释放 CO2速率低,湿地是碳循环的?汇?。湿地中的泥炭暂不参与大气的 CO2循环,泥炭的堆积有助于降低 CO2的转化速度,减缓人类活动造成的大气 CO2浓度的提高。湿地排388?地?理?科?学?19 卷水后,进行各种方式的开发利用,氧化程度与泥炭积累之间的平衡状况发生改变,湿地则由 CO2的?汇?变成 CO2的?源?,改变了湿地碳循环模式,对大气CO2的水平可能有潜在的影响。如果湿地中的碳完全释放到大气中,将提高大气温度,使海水膨胀进而抬高海平面。事实上,从工业革命到 1980 年为止,因土地利用方式改变,造成 66 81 亿 t 碳从泥炭地中释放。平均每年转化 1.820 2.720 亿 t 44。Franzer 指出,全球的沼泽地全部排干,碳的释放量相当于森林砍伐和化石燃料燃烧排放量的 35%50%45。湿地是全球氮、硫、甲烷等物质循环的重要控制因子 3。天然反硝化丧失氮的总量已经等于从大气氮合成生产的肥料量。多数温带湿地都是肥料富集的农业径流的承泄区46。湿地还可能将多余的氮归还给大气 47。湿地可能作为甲烷的汇,湿地更可能是甲烷的重要源地。Brurke 估计自 1880 年以来的 100 余年间,湿地中甲烷释放量已从每年 8300万t 上升为 1.11 亿 t,平均每年新增 2 800 万t 48,49。Maltby 综合分析了湿地碳的?汇?与甲烷的?源?双重效应之间的平衡。以甲烷的升温潜力(大气存留时间为 14.4 a)比二氧化碳(大气存留时间为230 a)大 10 倍计算41,49,如果二氧化碳对甲烷的碳固定与释放之比维持为 10:1,这块湿地对温室效应就是中性的。当湿地的二氧化碳固定量是其甲烷释放量的 10 倍或更多,该湿地就是负性温室效应,对碳这类放热性气体来说就起到?净汇?的作用。如果一块湿地每年的二氧化碳固定量仅为 100 g/m2,而甲烷的释放量为 75 g/m2,该湿地就具有正性温室效应,起着温室气体?源地?的作用。由于多数湿地的二氧化碳固定量都比甲烷释放量大 10 倍以上,因此多数天然湿地都是负性温室效应的。2.4?湿地对局地小气候的影响湿地是多水的自然体。发生在湿地能量转换中的大气、植被和土壤表面之间的辐射过程、感热和潜热交换、土壤中热传导和土壤孔隙的热量传输,发生在水文过程中的大气降水和地表地下径流的输入,湿地表面的水气蒸发,植被的蒸腾,水汽在地表和近地面大气的凝结,液态水的流动与渗透,冰雪的融化和冻结等,都直接间接地受到气候和环境的影响,也直接、间接地影响气候和环境。陈刚起指出 22:湿地对局部气候有明显冷湿效应。由于湿地土壤积水或经常处于过湿状态,水的热容量大,消耗太阳能多,地表增温困难。蒸发是耗热过程,观测结果证明,湿地蒸发是水面蒸发的 2 3 倍,蒸发量越大,耗热量越多,导致湿地区气温降低。强烈蒸发导致近地层空气湿度增加,气候较周边地区冷湿。三江平原的东部湿地区比已垦湿地区气温低 0.4?,大于10?的有效积温比已垦湿地区低 122.4?。湿地的蒸腾作用可保持当地的湿度和降雨量。湿地产生的晨雾可以减少周围土壤水分的丧失。如果湿地被破坏,当地的降雨量就会减少,对当地的农业生产和人民生活就会产生不利影响。三江平原的原始湿地比开垦后的农田贴地气层日平均相对湿度高 5%16%,绝对湿度高 300Pa50。中国博斯腾湖及周围湿地总面积为 1410 km2,湿地通过水平方向的热量和水分交换,使周围地方的气候比其它地方略温和湿润。由于湿地的存在使博斯腾湖比其它地区气温低 1.3 4.3?,相对湿度增加 5%23%,沙暴日数减少 25%51。参考文献:1?黄锡畴.沼泽生态系统的性质 J.地理科学,1989,9(2):97104.2?刘兴土.松嫩-三江平原湿地资源及其可持续利用 J.地理科学,1997,17(增刊):451 460.3?Mitsch W J and Gosselink J G.Wetlands M .Published by VanNostrand Reinhold Company Inc,1986.55-87.4?黄锡畴,马学慧.我国沼泽研究的回顾与展望 J.地理科学,1988,8(1):1 10.5?Mulhoulland P J and E J Kuenzler.Organic carbon export from u?pland and forested wetland watersheds J.Limnol.Oceanogr,1979,24:960-966.6?Gosselink J G,W H?Day,Jr.,and R.E.T urner.Classifica?tion of wetland resources:land,timber,and ecology A.T im?ber Harvesting in wetlands C.B D Jackson and J L Chamberseds.Div.Of 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mainly found in the two aspects amongst health of wetlands themselves and function of wetlands inglobal environmental change.A wetland without being disturbed by unusual natural and human activities is inhealth statue since its diverse species,complex structure,function integration and stability of resisting distur?bance.If disturbance is beyond the repairing ability of wetland environment,the health of wetland will be dete?riorated,function of wetlands will be degenerated,consequently,will affect local and global environment.Wet?land environmental change is sensitive to the responses of global environmental change and effect of global changeto the wetland environment,especially human community activities on wetland.Global environment will in?evitably affect wetland ecosystem and l