气候变化对扎龙湿地景观破碎化过程的影响

孙砳石 柏林 刘艳 刘志欣 关宁欣

(1 黑龙江省齐齐哈尔市气象局，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2 齐齐哈尔大学，黑龙江 齐齐哈尔 161005）

气候变化的强烈程度以北半球中、高纬度最甚，我国东北地区是全球气候变化敏感区，根据中国近50年来（1995-2000）的气象资料分析，东北是中国增温最快、范围最大的地区之一，其气候变化特征与全球基本一致，具体表现为温度，尤其是冬季温度升高明显，降水普遍减少，洪涝灾害大，干旱化趋势严峻（居煇等,2004;王遵亚等,2004）。Poiani（1996）指出，现代气候变化与过去气候变化有本质的不同，现代气候变化近100年内的变化量远远超过过去上万年才有的变化量。

湿地作为三大陆地生态系统之一，被誉为“地球之肾”，是人类必须保护的自然资源。在所有的陆地生态系统中，湿地由于其适应能力有限，被认为最容易受到气候变化的影响。气候变化通过改变水循环过程，对湿地的物质循环、能量流动、景观格局等产生重大影响。同时，湿地的变化将在地域乃至全球范围内影响气候。

景观破碎化是指景观由单一、均质和连续的整体趋向于复杂、异质和不连续的斑块镶嵌体的过程（由畅等, 2006）。尽管近年来由于气候变化导致湿地资源衰退也已成为不争的事实，但关于气候变化对湿地景观破碎化的影响机制一直缺乏系统的研究，大多与人为因素的影响混合在一起讨论，且停留在定性研究阶段。本研究基于扎龙湿地区域1903-2017年植被生长期的气候资料，采用小波分析和对比分析法等分析技术，分析了扎龙湿地的气候变化背景和影响蒸发量的气象要素的变化规律和该湿地生态系统对气候变化的响应，阐述了日照、气温、水汽等因子对湿地景观破碎化过程的贡献，为深入研究该湿地生态演化机制提供参考。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域与资料

扎龙湿地位于黑龙江省西部，是我国东北最大的湿地自然保护区，也是我国北方同纬度地区保留最完整、最原始、最开阔的湿地生态系统，景观总面积2 100 km2，长期以来一直对松嫩平原的生态环境起着重要的调节作用。乌裕尔河是形成和维持扎龙湿地生态系统的主要水源，河流至下游时失去明显河道，河水漫溢形成大面积淡水沼泽，以小型露天水域、芦苇沼泽和草甸为主要地貌特征，湿地芦苇生长旺盛，构成湿地的主要水生植物，自然降水量占扎龙湿地生态需水量的67%（王昊等, 2007）。本区属寒温带大陆性季风气候，年平均气温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%，蒸发强烈，年水面蒸发量达800～900 mm，处于由半干旱到半湿润地区的过渡地带。

本研究选取了扎龙湿地以西距湿地西部边界约26 km的齐齐哈尔气象观测站1903-2017年的生长季（5-9月）平均气温、降水量资料，以及1961-2017年5-9月的气象要素作为扎龙湿地气候分析的基础数据。

1.2 研究方法

小波函数是指具有振荡特性，能够迅速衰减到零的一类函数。设母小波函数为Ψ(t)，经过平移和伸缩可以构成一簇函数系

式中：Ψab(t)为子小波；a为尺度因子，表示小波的周期长度；b为时间因子，反映小波在时间上的平移。将(1)式进行Fourier变换得

可见，小波具有自适应变化的时频窗口。a较大时，窗口呈“瘦窄”状，符合高频信号的局部时频特性；a较小时，窗口呈“扁平”状，符合低频信号的局部时频特性，从而实现了对函数或信号序列的多尺度细化分析。信号或函数f(t)的连续小波变换定义为

本文选用的母小波为复数Morlet小波，它的实部与虚部位相相差π/2，消除了实部形式子波变换系数模的振荡。变换后的小波系数为复数，从中可以分离出模和位相。模代表某一尺度成分的多少，位相可以用来分析信号的奇异性和即时频率。

2 研究结果

2.1 扎龙湿地115 a的气候变化特征

图1 扎龙湿地生长季平均气温变化趋势Fig.1 Zhalong wetland growing season average temperature trends

图2 扎龙湿地生长季平均气温小波系数的实部时频图Fig.2 Real-time time-frequency diagram of wavelet coeきcients of annual mean temperature in Zhalong wetland

图3 扎龙湿地生长季降水量变化趋势Fig.3 Zhalong wetland annual precipitation trend

2.1.1 气温变化特征 扎龙湿地区域近115 a（1903-2017年）生长季的平均气温呈显著上升趋势（图1）（P＜0.05），平均每10年升高0.15℃。从气温的年代差异看，20世纪40年代最低，平均气温为17.7℃，21世纪初的10年平均气温最高，为19.8℃。从各年代间差异看，20世纪90年代开始气温上升明显，其后的近30年平均气温比前期高了0.7℃以上，但近10年来气温升高的过程已趋于平缓。

图2为扎龙湿地生长季平均气温时间序列的小波系数实部的时频图，蓝实线对应正小波系数，红虚线对应负小波系数，黑色点划线对应零小波系数。扎龙湿地区域近115 a（1903-2017年）生长季的平均气温存在着明显的年代际尺度的周期变化，以48 a左右的周期信号最为明显，反映了生长季平均气温背景变化的稳定性。特别值得注意的是，这个48 a左右的周期信号在2010年前后达到最强，变暖的过程有减弱趋势出现的可能。同时，还存在着一个由20 a逐渐向30 a过渡的周期，这个周期在20世纪90年代以前表现得较为明显，在这之后就被15 a的周期信号代替了，反映出从20世纪80年代末开始气温上升明显加快的特征。另外还有一个5-8 a的短周期过程，反映了气温变化的波动性并不是很规则的特征。总的来看，生长季气温的波动式上升构成了扎龙湿地景观破碎化过程的主要气候背景因子。

2.1.2 年降水量的变化特征 近115 a扎龙湿地生长季的平均降水量具有明显的年际变化（图3），其中1932年降水最多，达745.6 mm，1907年降水最少，为177.0 mm；1903-2017年降水呈略增多趋势，平均每10 a增加5.1 mm，变化趋势不显著。

图4是扎龙湿地生长季降水量的小波系数的实部时频图分析，扎龙湿地近115 a（1903-2017年）生长季的降水量存在着明显的年代际尺度的周期变化，以25 a左右的周期信号最为明显，并且这个周期贯穿全域，是生长季降水量变化的基本背景。1980年以后出现了一个55 a左右的周期，反映出20世纪80年代以前年降水量上升的趋势还比较明显，且长周期变化的趋势趋于稳定。另外有一个7 a左右的短周期变化存在，但这个周期在20世纪70年代以前比较明显，之后就趋于减弱了。从总体上说，以25 a左右的周期变化是扎龙湿地景观破碎化过程的主要气候背景因子。尽管115年来年降水量总体上没有明显增加或减少的趋势，降水的年际变化似乎也不是导致湿地减少的直接原因，但降水指数存在阶段性特征和突变性特征，极端降水事件的强度和频率呈增加趋势（娄德君等,2009），降水在年度内越来越集中或集聚分布的态势对当地湿地生态系统产生了很大的冲击。

2.2 气候变化导致湿地景观破碎化的发生机制

湿地水文条件是决定湿地生态过程的关键因子，气候变化主要通过改变湿地的水文特征，减少湿地的水源补给，增加水分消耗，使湿地退化萎缩。

根据联合国粮农组织(1979)改进后的有植被覆盖的彭曼公式，反映出影响蒸发量的主要气候因子有日照时数、水汽压、气温、风速等，由于风速观测设备更换，资料缺乏连续性，在本研究中暂不做考虑。

图4 扎龙湿地生长季降水量的小波系数的实部时频图Fig.4 Real-time time-frequency diagram of wavelet coeきcient of annual precipitation in Zhalong wetland

式中：Ep为可能蒸散量(mm/d)；Eo为水面蒸散量(mm/d)；F经验转换系数；Δ为气温为Ta时饱和水汽压与温度关系的斜率（mm/℃）； p0为海平面气压（hpa）；P为某台站平均气压（hpa）；Rn为天文辐射值（mm/d）（59cal/cm2=1mm蒸发量）；A为表面反射率，有植物覆盖取0.20。

考虑到封冻季节的蒸发过程与生长季的区别，在本研究中所使用的是生长季（5-9月）的气象资料。

2.2.1 日照时数与蒸发量的关系 日照时数反映了太阳净辐射的大小对蒸散过程能量的供给条件。一般来说，日照时数越多，太阳净辐射值的积累就越大，蒸散过程的能量供给就越充分，蒸发量也就随之加大（刘艳等,2006）。图5所示的是扎龙湿地区域的日照时数与蒸发量的年际变化趋势，两者的相关系数为0.578 4，有着比较好的相关性，还可以看到两者的变化具有一定的同步性。从趋势变化的特征看，均成递减的趋势，递减率分别为16.62 h/10a 和 1.83 mm/10a，日照时数的这种递减变化，相对弱化了扎龙湿地的景观破碎化过程，但这种递减的趋势变化特征并不明显，所有在实际情况中景观破碎化过程的弱化现象也不明显。

2.2.2 气温与蒸散量的关系 气温是影响大气－土壤边界层物质与能量交换的一个气候特征，是蒸散过程中能量供给条件的影响因子之一，气温越高，太阳净辐射可转化为蒸散当量的数值就越高（刘艳等，2006）。Larson（1995）对加拿大稀树草原湿地面积与气候变量间的关系进行了定量研究，结果表明：区域年平均气温升高3℃，将导致56%的湿地消失，年平均降雨量增加10%，湿地面积将增加10%～12%。Rock等（1992）对欧洲南部半干旱地区湿地生态系统对气候变化的影响研究结果表明，气温升高3～4℃，湿地面积在5年内减少70%～80%。图6是扎龙湿地生长季气温的年际变化趋势。50多年来，生长季的平均气温呈明显上升的趋势，上升率为0.32℃/10 a，尤其1996年以后生长季的气温进入了一个持续偏高的阶段，这种变化过程对扎龙湿地蒸发量变化的影响十分明显，构成了扎龙湿地出现景观破碎化过程的主要驱动因子之一。

图5 日照时数与蒸发量年际变化曲线Fig.5 Inter-annual variation of sunshine hours and evaporation

图6 气温和蒸发量年际变化曲线Fig.6 Inter-annual variation of temperature and evaporation

图7 水汽压和蒸发量年际变化曲线Fig.7 Inter-annual variation of vapor pressure and evaporation

图8 扎龙湿地植物群落的演变Fig.8 Evolution of phytocommunity in Zhalong Wetland

2.2.3 水汽压对蒸发散的影响 水汽压是影响蒸发过程中水汽转移条件的主要因子，水汽压反映了在相同的条件下，随着空气中水汽压的增大，空气饱和度的增加，蒸发量也会相应减小（刘艳等,2006）。图7是扎龙湿地空气水汽压的年际变化趋势。水汽压与蒸发量呈比较明显的负相关，其相关系数达-0.639 2。水汽压变化在1988年以前的趋势特征不明显，其后的跃变幅度较大，水汽压的突变过程与蒸发量的变化过程呈明显的反位象特征，构成了扎龙湿地出现景观破碎化过程的主要驱动因子之一。

3 讨论与结论

3.1 讨论

在气候变化强烈的情况下，必将对湿地生态系统产生严重的冲击，目前已导致了湿地景观破碎化的普遍发生。目前关于湿地景观破碎化的研究多停留在破碎化现状、通过遥感影像分析破碎化过程方面。关于破碎化的影响因素和驱动机制研究很少，且这方面的研究大多停留在定性讨论阶段（张华兵,2012）。仅有的关于气候变化对湿地景观过程的影响研究，多是对湿地面积变化的初步分析，缺乏对景观破碎化过程的系统分析，无法全面揭示气候变化驱动下湿地景观破碎化过程及其形成机制。

本研究利用扎龙湿地区域115 a的气象资料，分析了气候变化的趋势性变化和阶段性变化特征，以及气象要素对湿地蒸散量的影响机理和变化趋势，探索破碎化的气象影响因素和驱动机制。

3.2 结论

湿地生态系统极易受到气候变化及其他人类活动的影响，气象水文特征的微小变化会导致湿地生态系统的变化（图8）。通过对扎龙湿地115 a气象要素的分析表明，近50年来，该区的气温呈波动式上升趋势，特别是20世纪80年代后期，这种变暖的趋势更为明显，加剧了该区域蒸散量的变化；与气温变化相比，该地区降水的趋势变化不明显，但周期性变化过程显著，连续的干旱少雨可以使湿地得不到水源补给，湿地蓄水量显著下降。扎龙湿地的入境水量主要有天然降水量，乌裕尔河、双阳河及区间来水量等，其中降水量占入境水量的63%，是其主要水源，而损失量主要由区域蒸散量决定，因此，气候变化是影响扎龙湿地景观变化的主要驱动因素，由于气温呈波动式上升，湿地区域的蒸散量加大，湿地缺水现象将日趋严重，导致景观破碎化加剧。

气象要素在中小尺度上时空分配状态的变化和局地气候特征的改变也是引起湿地退化的原因和驱动力，尽管115年来年降水量总体上没有明显增加或减少的趋势，降水的年际变化似乎也不是导致湿地减少的直接原因，但降水在年度内越来越集中或集聚分布的态势对当地的湿地生态系统产生了很大的冲击。