胡春明，刘 平，张利田,*，李 曜，西东升，康海全

(1. 中国科学院生态环境研究中心，北京 100085； 2. 华能呼伦贝尔能源开发有限公司，呼伦贝尔 021008)

河漫滩湿地生态阈值——以二卡自然保护区为例

胡春明1，刘 平1，张利田1,*，李 曜1，西东升2，康海全2

(1. 中国科学院生态环境研究中心，北京 100085； 2. 华能呼伦贝尔能源开发有限公司，呼伦贝尔 021008)

以典型河漫滩湿地 —— 二卡自然保护区为研究区域，进行生态阈值研究。根据湿地补给河流 —— 海拉尔河的月均流量频率分布特征，选取58.72 m3/s(P=74.6%)、119.26 m3/s(P=44.4%)、190.35 m3/s(P=23.8%)分别代表河流的低、中、高径流期，分析各径流期湿地分布特征。结果表明，低、中径流期内草本沼泽及盐化沼泽所占比例较高，而高径流期则以季节性河流湿地及湖泊湿地为主。低径流期内，作为湿地中心区的湖泊湿地景观破碎度出现一个较明显的跃变，由中径流期的0.57增加到1.37。此时的湿地状态可近似的作为区域的生态阈值，即维持湿地面积占全区域面积的43.03%。而中、高径流期湿地面积比例可近似作为保护区湿地面积的适宜值和理想值，分别为53.66%和69.53%。其研究结果为二卡自然保护区的管理及保护提供支持，并为河漫滩湿地研究提供思路。

河漫滩湿地；二卡自然保护区；生态阈值；水文；景观破碎度

我国对于湿地的研究始于20世纪50年代对沼泽的研究，但直至1992年我国加入《湿地公约》后，对湿地的保护和研究才开始得到学者的关注。河漫滩湿地是较为特殊的湿地类型，形成以及湿地生态系统健康的维持与河流密不可分。河流的流量、水位、频率、发生时间、历时、变化率等水文情势因子，促进着河漫滩湿地生态系统中生境多样性的形成，调节并控制着湿地生物群落的结构，是决定河漫滩湿地生态系统发展与演替的主导因子[1- 2]。河流通过对河漫滩的定期补给，控制湿地沉积，促进湿地系统水循环，为湿地土壤提供养分并促进土壤发育，促进湿地景观演替及生物多样性的改善[3]。

在长期的演替过程中，河漫滩湿地建立了与河流自然水文情势相适应的生态策略[4- 5]。随着我国社会经济发展对水资源需求的不断增加，对水资源开发通常导致水文情势的变化，包括水量减少、洪水消失、流量年内分布显著变化等。河漫滩湿地生态系统中的生物群落来不及适应新的水文情势，后果就是湿地退化甚至消失。因此，研究河漫滩湿地生态阈值，对于维持河漫滩湿地健康具有较好的环境意义和现实意义。

目前，我国的湿地生态阈值的研究工作大多集中在一些较重要的湿地保护区，如向海湿地[6]、扎龙湿地[7]、白洋淀[8]等，一般的河漫滩湿地普遍缺乏历史研究成果及基础观测资料，这在一定程度上限制了此类湿地的研究及保护。而我国水文观测自古就有，新中国成立以后对水文站网的建设尤其重视，1956年开展了第一次全国水文站网规划以来，至2005年全国共建成各类水文站36012处，有着丰富的水文基础资料[9]。由于河漫滩湿地与河流之间的紧密联系，若将河流的水文资料合理利用，可极大弥补河漫滩湿地基础资料不足的缺陷。

作者以典型河漫滩湿地——二卡自然保护区为研究对象，结合水文学与生态学方法，将水文基础资料应用于河漫滩湿地研究，分析维持河漫滩湿地生态系统健康的生态阈值，以期为河漫滩湿地的生态阈值研究提供思路与借鉴，并为湿地保护及环境影响评价工作中的湿地影响分析提供参考。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

1.1.1 二卡自然保护区

二卡自然保护区位于呼伦贝尔市满洲里市东北，地理坐标：北纬49°26′—49°32′；东经117°45′—117°51′，属黑龙江流域。区域属中温带大陆性气候，冬季漫长寒冷，夏季温凉短促，降水集中，春秋两季降水少，多大风。年平均气温-0.1℃，极端最低气温-42.7℃，极端最高气温40.1℃，降水量319mm，蒸发量1405.5mm。

保护区的核心区位于北部，总面积1927 hm2；缓冲区位于核心区外围，面积1611 hm2；其余区域为实验区，面积为3143 hm2。二卡自然保护区的地理位置及功能区划见图1。

保护区主要由湖滨平原、冲积平原、河谷漫滩、沙地沙岗、高平原等地貌组成。保护区中部301高速公路横穿而过，路基每隔400m设置一处涵洞，以维持南北区域的水力联通。

图1 研究区域地理位置及功能区划Fig.1 Location and functional zoning of Er-Ka Nature Reserve

1.1.2 海拉尔河

保护区主要受东侧的海拉尔河补给。由于地处高纬度地区，海拉尔河径流量年内分布极为不均：11月至翌年3月为冰封期，径流量极小；4月至10月为非冰封期，非冰封期径流量占年径流量约95%。

海拉尔河发源于大兴安岭西侧，呈东至西流向。海拉尔河在二卡自然保护区附近为河流下游，属于典型的平原型河流。河流两岸地势平坦开阔，当径流量较大时，河水出槽漫滩，为河漫滩湿地提供补给。

1.2 研究方法

1.2.1 水文基础数据

二卡自然保护区植物的主要生长季节为5—9月，因此以1961—2010年共计50a内的海拉尔河嵯岗水文站的5—9月水文资料为基础，针对月均径流量进行分析，总计250个数据样本。

嵯岗水文站位于二卡自然保护区上游约30km的海拉尔河干流上，从嵯岗水文站至二卡自然保护区的海拉尔河段内，无支流汇入，也无取水口。因此，嵯岗站的水文资料可较好的表征二卡自然保护区附近的海拉尔河水文情势。

1.2.2 植被基础数据

采用TM5影像作为基础信息源进行遥感解译。遥感解译结合资料收集、现场调查进行,2011年8月通过植被调查以及现有资料为解译提供参照；2012年9月通过现场调查，对解译成果进一步验证。

1.2.3 湿地分类

对于湿地的定义及分类，目前被普遍接受的是1971年于伊朗拉姆萨尔签署的《湿地公约》。其湿地定义为：湿地系指不问其为天然或人工、常久或暂时性之沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水体者，包括低潮时水深不超过6m的水域。《湿地公约》同时还对海洋湿地、内陆湿地、人工湿地的湿地类型进行了细分。

二卡自然保护区内的湿地属于内陆湿地，参照《湿地公约》对湿地类型的分类，结合保护区植被类型，本研究区域涉及的湿地类型有：湖泊湿地、季节性河流湿地、灌丛沼泽、草本沼泽和盐化沼泽。

1.2.4 湿地景观破碎度

湿地景观破碎度表征着湿地被分割的程度，计算公式如下:

C=N/A

式中，C为湿地的破碎度；N为某湿地类型斑块的总个数；A为某湿地类型的总面积。

2 结果与讨论

2.1 保护区植被现状

二卡自然保护区内共有植物257种，分属于57科165属。其中蕨类1科1属2种，裸子植物2科2属2种，其余均为被子植物。以禾本科种数最多，共38种，其次为菊科、豆科、蔷薇科和毛茛科。

按水分需求划分(表1)，二卡自然保护区内植物生态类型以中生植物最为丰富，共有116种(包括湿中生、中生及旱中生)，广泛分布于灌丛沼泽、草本沼泽、盐化沼泽等各类湿地中。湿生植物种类共有35种，主要分布在湖泊湿地周边、河流湿地以及草本沼泽内。水生植物种类较少，仅10种，主要分布在湖泊湿地内。各类型湿地内的主要植被物种见表2。

除湿地外，保护区内的生态系统类型主要为草原生态系统，植被物种主要有大针茅、羊草、克氏针茅、冷蒿。此外还有零星分布的沙地植被，包括差巴嘎蒿、沙米、虫实、苍耳等。

表1 二卡自然保护区植物生态类型

表2 二卡自然保护区主要湿地植被

2.2 海拉尔河月均流量分析

基于嵯岗水文站1961—2010年5—9月份的水文资料，海拉尔河最小月均流量为5.91 m3/s，最大月均流量为558.54 m3/s。以10 m3/s为梯度对海拉尔河月均流量进行频数及频率统计，统计值区间为0—560 m3/s，根据统计结果绘制频率密度图及频率分布图见图2。

海拉尔河位于高纬度地区，冬季存在封冻现象，不适宜按照枯水期、平水期、丰水期进行水文周期划分。为了研究需要，将海拉尔河流域主要植被生长期(5—9月份)的月均流量划分为低、中、高三类径流水平：月均流量小于58 m3/s为低径流(出现频率P≥75%)；月均流量在58—186 m3/s 的为中径流(75%gt;Pgt;25%)；月均流量大于186 m3/s为高径流(P≤25%)。

综合考虑遥感数据的可用性，分别选取3个时段代表海拉尔河的低、中、高径流期。2009年8—9月为低径流期，月均流量分别为61.42、56.01 m3/s，时段平均流量为58.72 m3/s(P=74.6%)。2010年5—8月为中径流期，月均流量分别为161.21、108.21、98.91、108.70 m3/s，时段平均流量为119.26 m3/s(P=44.4%)。2009年5—7月为高径流期，月均流量分别为149.09、157.43、264.53 m3/s，时段平均流量为190.35 m3/s(P=23.8%)。

图2 海拉尔河5—9月份(1961—2010年)月均流量频率密度及频率分布图Fig.2 Frequency density and frequency distribution of monthly flow rate of Hai-la-er River in May, June, July, August and September between 1961 and 2010

2.3 不同径流期内保护区湿地差异

采用3个时段末的TM5影像作为基础信息源进行解译，以研究水文情势对二卡自然保护区的影响：2009年10月1日、2010年9月7日、2009年8月3日的影像资料分别代表海拉尔河低、中、高径流期。

解译成果及统计见表3、图3及图4。二卡自然保护区的湿地面积受水文情势的影响较大，在低、中、高径流期内湿地面积比例分别为43.03%、53.66%、69.56%。此外，湿地类型在不同径流期也存在着较大的差异。低径流期内，保护区湿地以盐化沼泽为主，占总湿地面积的50.31%；中径流期内，保护区内各类型湿地的面积较接近，季节性河流湿地、草本沼泽及盐化沼泽的比例分别为28.40%、25.14%和28.31%；高径流期内，保护区以季节性河流湿地为主，占总湿地面积的52.3%。对比3个研究时段可见，随着海拉尔河径流量的增加，时段末的湿地总面积以及季节性河流湿地面积增加、盐化沼泽面积减少。

水文情势是制约湿地类型与演替的最基本因素[10]。海拉尔河径流量的变化，引起保护区的水量、淹水历时、淹没范围、漫滩频率等水文情势变化，短期改变区域的淹没状况及湿地类型，如低径流期的盐化沼泽在高径流期被淹没成为季节性河流湿地。同时，水文情势对湿地的理化环境产生影响(如营养物质的可获取性、土壤和水体含盐量、pH值和沉积物特性等)，继而引起保护区湿地植被的组成、结构和功能的变动，最终带来湿地的演替[11- 12]。地势较低的区域可得到较充足的水源补给，维持长期积水状态，成为湖泊湿地；地势适中的区域不定期得到水源补给，区域不断处于“干-湿”交替中，逐渐发育成为灌丛湿地、草本沼泽或盐化沼泽。而地势较高的区域不能得到足够的水源的补给，在当地气候条件下发育形成湿地以外的生态系统。

表3 海拉尔河不同径流期内二卡自然保护区湿地面积统计

图3 海拉尔河不同径流期内二卡自然保护区湿地状况Fig.3 Wetland status in Er-Ka Nature Reserve during different flow periods of Hai-la-er River

图4 海拉尔河不同径流期内二卡自然保护区湿地类型相对比例Fig.4 Percentage of each kind of wetland in Er-Ka Nature Reserve during different flow periods of Hai-la-er River

2.4 保护区生态阈值分析

生态系统发生突变的点或区间，在生态学领域称为“生态阈值”[13]。生态阈值目前尚无统一定义，但公认的一点含义是：当生态因子扰动接近生态阈值时，生态系统的功能、结构或过程会发生不同状态间的跃变[14- 16]。

湿地生态系统对环境具有适应、调节能力，且该能力与湿地面积呈正相关[17]，湿地面积也被诸多研究者作为生态阈值判别指标[7- 8,18- 19]。已有的研究均基于历史资料或长期的研究成果提出生态阈值，如：周林飞等人[7]利用扎龙湿地的长期观测资料提出湿地的最小、中等、理想生态水面面积分别为387.35、600.01、858.24km2；王立群等人[19]基于对向海、扎龙、查干湖和卧龙湖湿地的研究，提出松辽流域控制湿地萎缩应维持中心区湿地面积占湿地多年平均面积约40%。以二卡自然保护区为代表的大部分河漫滩湿地缺乏观测资料或基础研究，制约了河漫滩湿地的生态阈值研究。河流的水文情势是河漫滩湿地形成与演替的最基本因素[10]，与湿地面积之间也有着较好的相关性[20]。因此，以河流水文情势为基础，从湿地面积角度进行生态阈值分析是可行的途径。

海拉尔河的低、中、高径流期不仅引起二卡自然保护区湿地总面积的变化，同时还短期改变了保护区内湿地类型的分布状况，带来湿地景观破碎度的差异。景观破碎度反应了空间结构的复杂性，在一定程度上表征了生态系统的稳定性，可作为湿地稳定性的评价指标[21- 22]。从表4可见，在海拉尔河的低、中、高径流期，二卡自然保护区湿地的破碎度分别为1.02、0.84、0.64，径流量越低，湿地破碎度越大。更值得关注的是，湖泊湿地的破碎度在低径流期达到了1.37，比中、高径流期增加了1倍以上。二卡自然保护区是典型的河漫滩湿地，径流补给是湿地水源的主要来源。湖泊湿地形成于地势较低的区域，是整个湿地的中心区[19]。湖泊湿地的面积萎缩且破碎化程度上升，表明整个湿地区域的水量已经较为缺乏，亟需得到新的径流补给，湿地已处于较不稳定的状态。

本研究选取的低径流期末(平均流量58.72 m3/s，P=74.6%)，保护区湿地面积占全区面积的比例仅为43.03%，湿地景观破碎度达到1.02，尤其是湖泊湿地的破碎度出现一个较明显的跃变，由中径流期的0.57增加到1.37。结合生态阈值的含义，此时段的湿地状态可近似的作为区域的生态阈值，即维持二卡自然保护区湿地面积占全区域面积的43.03%。

此外，本研究选取的中径流期(平均流量119.26 m3/s，P=44.4%)及高径流期(平均流量190.35 m3/s，P=23.8%)，具有较好的水文代表性，时段末的湿地面积可近似作为保护区湿地面积的适宜值及理想值，分别为53.66%和69.56%。

表4 海拉尔河不同径流期内二卡自然保护区湿地破碎度

3 结论

二卡自然保护区基础研究、观测资料极度缺乏。本文结合水文学与生态学方法，以水文观测资料为基础，同时利用遥感解译等生态学研究手段，分析保护区湿地生态系统与其主要补给河流水文情势之间的关系，进行保护区湿地生态阈值的研究。

(1)二卡自然保护区内的湿地属于典型的河漫滩湿地，主要受海拉尔河的漫滩洪水补给。湿地类型包括湖泊湿地、季节性河流湿地”、灌丛沼泽、草本沼泽和盐化沼泽，各湿地类型的相对比例受径流量影响较明显。高径流期，季节性河流湿地及湖泊湿地比例较大；而中、低径流期，草本沼泽及盐化沼泽所占的比例较高。

(2)二卡自然保护区内，湿地面积在不同径流期内差异显著。在低径流期(平均流量58.72 m3/s，P=74.6%)、中径流期(平均流量119.26 m3/s，P=44.4%)及高径流期(平均流量190.35 m3/s，P=23.8%)，湿地面积占保护区面积的比例分别为43.03%、53.66%和69.56%，可近似作为保护区湿地面积比例的最低值、适宜值和理想值。

(3)本文结合水文学及生态学方法，分析保护区湿地生态系统与其主要补给河流水文情势之间的关系，继而得出研究区域的生态阈值。对于普遍缺乏基础资料的河漫滩湿地而言，本文提出的研究方法可为湿地的管理及保护提供思路与借鉴。

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Aninvestigationofthesafetythresholdofafloodplainwetland:acasestudyoftheEr-KaNatureReserve,China

HU Chunming1, LIU Ping1, ZHANG Litian1,*, LI Yao1, XI Dongsheng2, KANG Haiquan2

1ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2HuLunbeierEnergyDevelopmentCo.,Ltd.ofChinaHuanengGroup,HuLunbeier021008,China

We studied the safety threshold of an ecosystem in the Er-Ka Nature Reserve in the Inner Mongolia Autonomous Region of China, a typical floodplain wetland supplied by the Hai-La-Er River. Because information on the Er-Ka Nature Reserve is scarce owing to a lack of research done in the area, the safety threshold of the ecosystem is difficult to ascertain through traditional ecological methods. However, the floodplain wetland was closely associated with the river hydrology, and information on the river hydrology is abundant. It was therefore possible to study the safety threshold of the ecosystem by analyzing the relationship between the Er-Ka Nature Reserve and the Hai-La-Er River, using both ecological and hydrologic methods. The flow of the Hai-La-Er River was measured by obtaining 250 flow values every year from May to September from 1961 to 2010. From the data, three periods were selected to represent the low flow, middle flow, and flood periods, with runoffs of 58.72 m3/s (P=74.6%), 119.26 m3/s (P=44.4%), and 190.35m3/s (P=74.6%), respectively. The wetland status in the Er-Ka Nature Reserve during these three periods was studied using satellite images. Results demonstrate that the wetland area in the Er-Ka Nature Reserve was 2797.5 hm2at the end of the low flow period. The majority of the area comprises herbaceous swampland (50.31%) and salinization swampland (24.44%). At the end of the middle flow period, the wetland area was 3488.3 hm2, of which the temporary river wetland, herbaceous swampland, and salinization swampland made up 28.40%, 25.14%, and 28.31%, respectively. At the end of the flood period, the wetland area was 4522.0 hm2, 52.3% of which was temporary river wetland. Lake wetlands, the core areas of the Er-Ka Nature Reserve, were only 47.3 hm2at the end of the low flow period, far less than the area they covered during the middle flow period (259.2 hm2), and in the flood period (2365.0 hm2). Additionally, the degree of fragmentation of the lake wetland was 1.37 in the low flow period, which is much higher than that in the middle flow period (0.57) and in the flood period (0.62). These findings indicate that the wetland status of the Er-Ka Nature Reserve was unstable at the end of the low flow period. Thus, the status of the wetland at the end of the low flow period could be regarded to be approximately the safety threshold of the ecosystem, at which point the ratio of wetland area to the Er-Ka Nature Reserve area was above 43.03%, while the ratios at the end of the middle flow (53.66%) and flood (69.56%) periods may be acceptable wetland to reserve area ratios. This study can provide support for the management and protection of the Er-Ka Nature Reserve, and can provide a reference for future floodplain studies.

floodplain wetland; Er-Ka Nature Reserve; safety threshold of ecosystems; hydrology; degree of fragmentation

2013- 05- 10;

2013- 07- 22

*通讯作者Corresponding author.E-mail: zhanglt@rcees.ac.cn

10.5846/stxb201305101004

胡春明，刘平，张利田，李曜，西东升，康海全.河漫滩湿地生态阈值——以二卡自然保护区为例.生态学报,2013,33(20):6662- 6669.

Hu C M, Liu P, Zhang L T, Li Y, Xi D S, Kang H Q.An investigation of the safety threshold of a floodplain wetland: a case study of the Er-Ka Nature Reserve, China.Acta Ecologica Sinica,2013,33(20):6662- 6669.