【中國科學(xué)報(bào)】黑龍江流域濕地的“百年坎坷”
科研人員在野外調(diào)查和采樣。
野外監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備
“這是一個(gè)敏感地區(qū)，你知道有多敏感嗎？！”剛見到記者，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所（以下簡稱東北地理所）研究員宋長春就拋出了這個(gè)問題，毫不掩飾心痛的情緒。
宋長春口中的“敏感地區(qū)”，就是地處北半球中高緯度、跨越中國和俄羅斯的黑龍江流域。一年之內(nèi)，他們考察的觀測(cè)點(diǎn)沿線的多年凍土融化了30厘米，而且消融速度還在加快。這同時(shí)意味著，又有一些物種將步入消亡。
研究了近20年的濕地生態(tài)，宋長春曾目睹三江平原濕地面積的急劇萎縮，他害怕再看到其他濕地重復(fù)同樣的命運(yùn)。
適宜性分布：為濕地“劃界”
2016年7月，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“中高緯度濕地系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究”正式立項(xiàng)。宋長春擔(dān)任首席科學(xué)家。
項(xiàng)目由東北地理所承擔(dān)，并集合了東北師范大學(xué)、中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所、北京師范大學(xué)、中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所和中國科學(xué)院大氣物理研究所5家單位的科研力量，希望針對(duì)全球氣候變化和人類活動(dòng)加劇背景下的濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)及維持，提出中國方案。
包括黑龍江流域在內(nèi)的中高緯度濕地?fù)碛兄?4%的天然濕地面積，承擔(dān)著水源涵養(yǎng)與水文調(diào)節(jié)、生物多樣性與生境維持、碳蓄積和氣候調(diào)節(jié)等重要生態(tài)功能，在維系區(qū)域生態(tài)安全中發(fā)揮著不可替代的作用。然而，原本就對(duì)氣候變化最為敏感且特別脆弱的中高緯度濕地，在氣候變化與高強(qiáng)度人類活動(dòng)的疊加“傷害”下，其退化和功能喪失速度遠(yuǎn)超其他類型的生態(tài)系統(tǒng)。
過去100年，這道天然“生態(tài)屏障”到底發(fā)生了什么？這是宋長春首先想要弄清楚的問題。
基于現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算的答案并不理想。“必須研發(fā)耦合濕地景觀格局與生態(tài)過程的景觀空間動(dòng)態(tài)模型，再配合其他方法開展綜合研究，才能定量識(shí)別自然和人為兩種因素的相互關(guān)系。”宋長春告訴《中國科學(xué)報(bào)》。為此，項(xiàng)目組構(gòu)建了流域長時(shí)間序列氣象、水文、凍土等數(shù)據(jù)集，以及高分辨率格點(diǎn)降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)集。
研究發(fā)現(xiàn)，近60年來，黑龍江流域墾殖現(xiàn)象加劇，濕地保持著高強(qiáng)度的退化速率，農(nóng)田逐漸成為該區(qū)域的主導(dǎo)景觀和基地景觀。
濕地面積銳減的后果很嚴(yán)重。其中，凍土區(qū)濕地表現(xiàn)得最為敏感。據(jù)研究觀測(cè)，黑龍江流域多年凍土已北移了80~100多公里，大小興安嶺一帶的多年凍土深陷50余厘米，森林植被類型也隨之北移。
“中高緯度地區(qū)的人類活動(dòng)歷史很短，但該地區(qū)濕地所遭受的損害在人類歷史上卻前所未有。”宋長春說。在他看來，了解濕地景觀格局的歷史變化，正是為了預(yù)知未來可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)，以便探究適應(yīng)性調(diào)控機(jī)制和解決途徑。
“適宜性分布”，這是項(xiàng)目組科學(xué)家提出的解決方案。研究發(fā)現(xiàn)，影響主要濕地—農(nóng)田類型分布的相關(guān)要素存在差異性。濕地與降水有關(guān)，而水田與氣溫相關(guān)。此外，他們還進(jìn)一步得到不同氣候情景下主要濕地、農(nóng)田系統(tǒng)的適宜性分布情況。
這些研究結(jié)果將為濕地保護(hù)與恢復(fù)、農(nóng)田合理規(guī)劃等提供科學(xué)依據(jù)。例如，某些區(qū)域在未來某種氣候情景下，若不適宜旱田，則應(yīng)該人為干預(yù)將其恢復(fù)為濕地或其他土地；而某些適宜水田生產(chǎn)的區(qū)域，則應(yīng)該合理地規(guī)劃利用，因地制宜。
精細(xì)化數(shù)據(jù)：為濕地“建模”
為獲得全面的科學(xué)認(rèn)識(shí)，項(xiàng)目組成員按照溫度梯度設(shè)置了一條“樣帶”。這條樣帶貫穿整個(gè)黑龍江流域，跨越中俄兩國，綿延1000多公里，包括連續(xù)多年凍土區(qū)、不連續(xù)多年凍土區(qū)、島狀多年凍土區(qū)和季節(jié)性凍土區(qū)等中高緯度不同類型凍土區(qū)濕地。
過去兩年，他們沿著這條大樣帶，開展了大量的調(diào)查采樣和野外原位控制實(shí)驗(yàn)。“與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)相比，原位實(shí)驗(yàn)?zāi)茏畲蠡€原自然狀態(tài)，盡可能減少人類擾動(dòng)。”宋長春說，這能最接近真實(shí)地認(rèn)識(shí)濕地及其生物多樣性格局，了解濕地水文過程、凍土以及碳氮循環(huán)關(guān)鍵過程等變化規(guī)律，探查濕地對(duì)氣候變化的響應(yīng)以及主要驅(qū)動(dòng)因素。
除此之外，研究人員還開展了中高緯度濕地野外綜合定位觀測(cè)，并基于此獲得了長期連續(xù)性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
“目前我們建成了不同凍土區(qū)碳氮水野外綜合觀測(cè)研究平臺(tái)，完成野外監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備購置與安裝調(diào)試，開展了濕地水文、氣象、土壤、植被等要素的野外連續(xù)定位觀測(cè)。”項(xiàng)目組成員、東北地理所副研究員宋艷宇說。
在項(xiàng)目子課題“中高緯度濕地景觀格局演變機(jī)制”研究骨干、東北地理所研究員、國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心黑土與濕地分中心主任王宗明看來，數(shù)據(jù)是研究基礎(chǔ)。“過去100年里，當(dāng)年的濕地變成了什么、過去哪些地方分布著濕地、其面積變化如何等等，都需要精細(xì)化的數(shù)據(jù)。”
而獲得數(shù)據(jù)的方法是遙感監(jiān)測(cè)和歷史文獻(xiàn)地圖。“不同土地類型就有不同的遙感圖像特征，如農(nóng)田有比較明顯的紋理，濕地則比較均一。”王宗明告訴《中國科學(xué)報(bào)》，研究過去的變化需要通過遙感手段進(jìn)行回溯。不過，在20世紀(jì)五六十年代以前，黑龍江流域的遙感數(shù)據(jù)記錄并不充足，需要結(jié)合地形圖和歷史資料，構(gòu)建模型并進(jìn)行知識(shí)推理。
通過對(duì)中俄兩國濕地對(duì)比分析，并比較無遙感時(shí)期和現(xiàn)代遙感時(shí)期的數(shù)據(jù)，科研人員發(fā)現(xiàn)，近100年來，黑龍江流域上、中、下游濕地面積和結(jié)構(gòu)的變化存在較大差異。其中，俄羅斯境內(nèi)上游濕地呈波動(dòng)趨勢(shì)，增加的主要來源和減少的主要去向?yàn)椴莸睾土值亍６袊硟?nèi)，中、下游濕地呈持續(xù)下降趨勢(shì)，減少的濕地主要轉(zhuǎn)化為農(nóng)田，但近年來轉(zhuǎn)化為農(nóng)田的比例逐漸減小。
“這些結(jié)果對(duì)于濕地管理保護(hù)和恢復(fù)很重要。”王宗明希望“至少保護(hù)區(qū)內(nèi)不再有農(nóng)田開墾現(xiàn)象”。不過，要想準(zhǔn)確預(yù)估未來，還需要模型。
但由于已有的研究模型對(duì)認(rèn)識(shí)濕地，尤其是水文過程并不完全適用，研究人員在原有模型基礎(chǔ)上，增加了濕地、凍土和積雪融雪三大模塊，系統(tǒng)開展了中高緯度濕地水文過程對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究，定量評(píng)估了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)流域濕地、雪冰、凍土及生態(tài)過程的影響。
“認(rèn)識(shí)機(jī)制、觀測(cè)實(shí)驗(yàn)以及建模型來模擬驗(yàn)證，3個(gè)環(huán)節(jié)相輔相成、缺一不可。”宋長春說。
風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：為濕地保護(hù)“立規(guī)”
過去兩年，項(xiàng)目組基本認(rèn)識(shí)了過去100年里濕地景觀格局的時(shí)空變化特征、人類活動(dòng)對(duì)濕地面積變化的影響，并詳細(xì)分析了黑龍江流域濕地面臨的氣候風(fēng)險(xiǎn)和人為風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度。
現(xiàn)在，宋長春想要解決的問題是，水稻最多能種植多大面積，濕地最少需要保護(hù)多大面積，如何能維持濕地生態(tài)功能穩(wěn)定和保持農(nóng)業(yè)用水可持續(xù)供給。
“這需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。只有知道風(fēng)險(xiǎn)在哪里，才能為國家決策提供支持。”宋長春說。
目前，研究人員正從濕地生產(chǎn)力、植物生物多樣性和土壤碳匯等方面分析風(fēng)險(xiǎn)模擬風(fēng)險(xiǎn)閾值，確定易受氣候變化影響地帶為濕地的重點(diǎn)保護(hù)區(qū)，受人為活動(dòng)干擾較為明顯的為優(yōu)先恢復(fù)區(qū)。接下來，還需針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，提出適應(yīng)全球變化的濕地—農(nóng)田空間格局優(yōu)化調(diào)控方案并確定其效益，最終設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的景觀格局。
“濕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能甚至大于森林。”王宗明建議，在東北設(shè)立濕地保護(hù)專項(xiàng)，加大對(duì)濕地保護(hù)的投入和力度。
在宋長春看來，濕地研究是一個(gè)長期性工作，未來還要加強(qiáng)國際合作，積極參與國際科學(xué)計(jì)劃，提升中國在濕地研究領(lǐng)域的國際學(xué)術(shù)影響力。“明年，希望借助中俄國際年的契機(jī)，中俄科學(xué)家能夠共同建立試驗(yàn)站，開展聯(lián)合觀測(cè)研究。”
《中國科學(xué)報(bào)》 (2019-12-30 第1版 要聞)
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