基于歷史生物多樣性與濕地景觀結構的三江平原濕地恢復優先性研究

曲 藝, 羅春雨, 張弘強, 曾星雨, 崔 玲, 李海燕, 倪紅偉

黑龍江省科學院自然與生態研究所,濕地與生態保育國家地方聯合工程實驗室, 黑龍江省濕地與恢復生態學重點實驗室, 哈爾濱 150040

經濟快速發展背景下，濕地被大量的建設用地和農田侵蝕，導致濕地面積銳減，生態系統服務功能下降，威脅到區域可持續發展[1- 2]。近年來，人們逐漸意識到濕地恢復與重建的重要性，濕地恢復成為濕地研究的熱點。但多數研究傾向于小尺度的、以植被恢復為主濕地恢復技術和管理[3- 5]。對于區域或景觀尺度上確定濕地恢復優先性的研究較少，尤其是歷史生物多樣性對濕地恢復的支持作用和濕地景觀結構對區域可持續發展的意義，在濕地恢復優先性研究中未得到應有的關注。

濕地恢復優先性評價，是指資源有限條件下，基于濕地恢復的最緊迫目標和限制因素，評估各分區濕地恢復的先后性，為階段性恢復濕地提供選址依據的空間決策方法[6]。目前，比較常用的區域尺度濕地恢復優先性評估方法主要是多指標綜合法，評估指標主要包括物種棲息地分布、土地利用類型、土壤類型、地形因子、水文因子等[7- 8]。如Dale和Siobhan[7]通過土壤、土地利用、河流等級、地形飽和指數等因子，建立適宜性模型，根據濕地恢復的適宜性進行了濕地恢復優先性評估；董張玉等[8]以東北地區退化濕地為研究對象，根據景觀結構因子、河流及道路密度、濕度指數、地貌條件、耕地生產力5方面對濕地恢復潛力進行空間分析，確定了東北地區濕地恢復的優先性。Wilson等結合時間滯后性、濕地可恢復性、隨機事件概率、反饋、空間連接性等因素開發了用于恢復優先性評估的決策支持工具[9]。以上研究均為景觀或區域尺度的濕地恢復評估提供了科學參考，但這些研究忽略了歷史生物多樣性對濕地恢復的支持作用和濕地景觀結構在區域可持續發展中的重要意義。

生物多樣性是當前保護系統的主要指標，因此濕地恢復也應從生物多樣性角度考慮其恢復價值。但值得注意的是，歷史生物多樣性時間節點的選擇應考慮開墾年限。研究表明，一定開墾年限內的耕地，在土壤種子庫的作用下，才具有一定程度的植被恢復能力[10- 11]。濕地植被恢復潛力與不同年限開墾的濕地土壤中殘留種子的物種數量有關[12- 14]。通過植被恢復后才可能恢復動物多樣性與功能多樣性[15- 16]。因此，可將一定年限內的歷史生物多樣性作為濕地恢復優先性的一個評價指標來體現濕地恢復價值。

另外，平原地區的濕地洪水調蓄功能與水質提升功能的發揮還與濕地景觀結構相關。過低的濕地比例會導致區域洪水蓄積能力和水質凈化能力薄弱。Delaney[17]通過對美國農業活動影響下的洪泛平原(floodplain)研究建議，一個區域要想得益于濕地的洪水調蓄與水質提升功能，應具有5%—10%的濕地分布比例。因而現有濕地分布比例也是濕地恢復優先性評估需要考慮的重要內容。

綜上所述，本研究結合歷史生物多樣性和濕地景觀結構，對三江平原濕地的恢復優先性進行分析。濕地景觀結構選取現有濕地比例為衡量指標，以行政縣為空間單元，便于管理與實施，計算方法為每個縣域內現存濕地面積與所在縣域面積之比。歷史生物多樣性由于缺乏監測數據，難以通過生物多樣性指數來表征歷史生物多樣性的空間分布差異，因此選取生物多樣性保護中常用的系統保護規劃(Systematic Conservation Planning, SCP)方法，以不可替代性指數(每個規劃單元在完成區域整體保護目標過程中的重要性)體現生物多樣性保護價值。SCP方法即使在缺乏實際監測數據的情況下，也可通過預測物種潛在棲息地進行快速評估，在保護對象選取、保護對象潛在空間分布預測、量化保護目標設定等步驟的基礎上，通過不可替代性分析計算每個規劃單元的不可替代性指數，最終構成區域整體生物多樣性空間分布格局，即生物多樣性保護價值的空間分布[18- 19]。目前該方法已經在生物多樣性保護中得到廣泛應用，也逐漸在濕地恢復規劃中體現出應用潛力[9]。

本研究主要包括四個步驟：1)通過分析三江平原濕地的景觀格局變化趨揭示三江平原濕地恢復的必要性；2) 利用SCP方法計算歷史生物多樣性的不可替代性指數，體現濕地恢復價值；3) 以縣為空間單元計算每個縣內的現有濕地比例，體現濕地恢復的緊迫性；4) 結合濕地恢復價值和恢復緊迫性，對三江平原濕地恢復的優先性進行分析。

1 研究方法

1.1 研究區概況

三江平原是我國最大的淡水沼澤分布區，同時也是中國環保部確定的35個生物多樣性熱點地區之一。本研究將研究范圍定義為三江平原現有濕地及1995年來退化與消失的區域，即1995年濕地分布范圍。自1995年以來，三江平原濕地減少了5776.26 km2，高達原濕地分布面積的40%。大面積的濕地被農田侵占，有部分濕地雖未開墾為農田，但也退化為沼澤草甸或雜草草甸，導致區域內生物多樣性迅速流失，動植物物種減少，很多物種已經被列為瀕危等級，尤其是以濕地為棲息地的鳥類[20]。

1.2 數據來源與處理

濕地景觀格局變化中用到的1995年及2015年的土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)。生物多樣性代表性特征主要包括物種、生態系統和生態過程。物種棲息地預測、生態系統及生態過程空間化數據均為1995年空間數據。40個物種的潛在棲息地利用棲息地適宜性模型進行模擬，所需數據包括土壤、植被類型、DEM、河流、居民分布等；代表性生態系統通過專家咨詢獲得，在植被類型圖中提??；代表性生態過程包括河流廊道、高低地交界和宏觀環境交界通過空間分析提取[21]。植被類型圖來自于中國濕地科學數據庫(CWSD, http://www.marsh.csdb.cn/)，其他數據來源于中國地球系統科學數據共享網((http://www.geodata.cn)，物種棲息地特征信息來源于中國物種紅色名錄[22]。

1.3 研究方法

1.3.1 景觀格局變化分析

采用景觀格局分析方法對三江平原濕地整體變化情況進行了分析。為了反映三江平原濕地的土地利用演變方向，將所有景觀類型劃分為5種類型，濕地、草地、林地、農田及建設用地。在1995和2015兩期土地利用景觀分類圖基礎上，通過景觀格局指數分析軟件FRAGSTAS和EXCEL構建景觀轉移矩陣，分析了濕地的土地利用演變方向。

將濕地分為水域、灘涂、沼澤、沼澤化草甸、濕草甸，計算了1995年與2015年三江平原各類型濕地整體特征(斑塊數、形狀指數、斑塊密度等)、景觀鑲嵌格局特征(分離度、破碎度)、及反映景觀異質性的特征(多樣性指數、優勢度、均勻度)方面的景觀格局指數，用以分析近20年來三江平原濕地空間格局變化情況。

1.3.2 基于歷史生物多樣性保護價值的濕地恢復價值評價

本研究以1995年的歷史生物多樣性保護價值代表濕地恢復價值。這一時間節點的選取考慮了不同開墾年限內土壤種子庫的存留數量。研究表明濕地被開墾20年內土壤中仍然有種子庫存在，濕地植被在自然條件下還有恢復的可能性，進而恢復植被及相應的動物種群和生態系統功能[15- 16]；而退化或開墾20年以上的濕地中土壤種子庫已經基本消失[14]。

歷史生物多樣性保護價值利用SCP方法進行評估，主要步驟包括生物多樣性代表性特征選取與歷史空間分布確定、代表性特性保護目標設定、不可替代性分析確定歷史生物多樣性保護價值(恢復價值)。本研究選取40個代表性物種(36種瀕危與保護鳥類；4種保護植物)、9個代表性生態系統類型(8類對三江平原生物多樣性具有重要貢獻的沼澤濕地和水域生態系統)、6個代表性生態過程關鍵區(河流關鍵區、3個等級的地下水分布區、大生境交界處、高低地交界處)，共55個生物多樣性代表特征。其歷史分布區通過歷史濕地分布數據、土壤數據、DEM等模擬或提取。代表性特征的保護目標(歷史分布面積中需要保護的百分比)在綜合考慮物種瀕危等級、保護等級、棲息地稀有性的基礎上，通過專家賦分計算獲得。歷史生物多樣性恢復價值通過C-Plan保護規劃軟件進行不可替代性分析(Irreplaceability Analysis)獲得。利用Jenks Natural Break分類方法將不可替代性值分為高恢復價值、較高恢復價值、中等恢復價值、較低恢復價值和低恢復價值五個等級，結合GIS軟件顯示不同等級的濕地恢復價值空間格局。

1.3.3 基于景觀結構指數的恢復緊迫性評價

以現有濕地分布比例為濕地景觀結構指標，對濕地恢復緊迫性進行分析。為了方便管理與恢復計劃的實施，選取行政縣為濕地分布比例的計算單元。根據Delaney對洪泛平原適宜濕地分布比例的研究結論(益于濕地洪水調蓄與水質提升功能發揮的濕地分布比例應達到5%—10%)，將三江平原各市縣分為高緊迫性恢復區(<5%)、中等緊迫性恢復區(5%—10%)和低緊迫性恢復區(>10%)3個等級。

1.3.4 濕地恢復優先性分析

結合濕地恢復價值(不可替代性值)和恢復緊迫性(現有濕地分布比例)進行濕地恢復優先等級劃分。高緊迫性恢復區中高恢復價值區面積比例大于5%的為一級優先區(P1)；高緊迫性恢復區中高恢復價值區面積比例小于5%的為二級優先區(P2)；中等緊迫性恢復區中高恢復價值區面積比例大于5%的為三級優先區(P3)；中等緊迫性恢復區中高恢復價值區面積比例小于5%的為四級優先區(P4)；低緊迫性恢復區中高恢復價值區面積比例大于5%的為五級優先區(P5)；低緊迫性恢復區中高恢復價值區面積比例小于5%的為六級優先區(P6)。

圖1 三江平原土地利用演變方向

2 研究結果

2.1 三江平原濕地景觀格局變化

1995—2015年間，三江平原濕地總面積由14308.55 km2減少到8532.29 km2，約40%的濕地已經退化為雜草地或轉化為農田。景觀轉移矩陣表明，退化或消失的濕地中，70.92%轉變為耕地，20.36%退化為雜草地，7.76%轉化為林地，僅0.95%轉化為其他土地覆被類型(圖1)。

20年間，三江平原濕地面積大幅下降，而斑塊數量卻出現了顯著增加的趨勢，斑塊數量增加了一倍，平均每年增加110.3塊；斑塊密度從1995年的0.15個/km2，增長到0.52個/km2；最大斑塊面積從21.20減少到14.64，這些都表明三江平原濕地整體上呈現出破碎化的特征。對于水域和灘涂，各項指數都呈現出增加的趨勢，而沼澤、沼澤化草甸和濕草甸除了斑塊密度與周長面積分維升高外，其他基本都減少，說明農田開墾導致自然斑塊被肆意分割，沼澤、沼澤化草甸和濕草甸的面積縮減，且破碎化嚴重。尤其是沼澤濕地和濕草甸的面積減少幅度很大，超過原濕地面積的20%。各類濕地類型的景觀形狀指數基本都存在增加的趨勢，只有濕草甸呈現下降趨勢，這說明人類在開墾過程中，對沼澤和沼澤化草甸的占用較多，導致這兩種類型的濕地進一步復雜化；而濕草甸面積百分比增加幅度很大，但景觀形狀指數減少，可能是由于農田疏干造成水文條件變遷，沼澤與沼澤化草甸地下水位下降，使其向濕草甸發生演替而造成的(表1)。

表1 各濕地類型基本景觀指數

PLAND：斑塊所占景觀面積比例，Percentage of Landscape；PD：斑塊密度，Patch Density； LPI：最大斑塊占景觀面積比例，Largest Patch Index；LSI：景觀形狀指標，Landscape Shape Index；PAFRAC：周長/面積分維數，Perimeter Area Fractal Dimension

2.2 三江平原濕地恢復價值空間分布與等級劃分

根據SCP方法構建的三江平原1995年生物多樣性空間分布格局如圖2所示。圖中現有濕地內的不可替代性代表保護價值，濕地退化區(現有濕地以外區域)的不可替代性代表濕地恢復價值。將連續的不可替代性指數(IRR，Irreplaceability)分為5個等級：0≤IRR≤0.09 (Rank1)， 0.09

從各恢復等級面積及比例(表2)可以看出，目前已經退化或消失的濕地有一半以上有相對較高的恢復價值，而且還有20%左右的區域處于中等恢復價值水平，這些具有較高濕地恢復價值的區域為今后的濕地恢復工作開展的空間位置及優先性提供了科學的參考。

表2 不同恢復等級及面積比例

較高的恢復價值區域主要呈現出沿河流分布的特征，尤其是在松花江、黑龍江和撓力河的交匯處，興凱湖周圍的濕地分布區也有較高的恢復價值。在松花江與黑龍江交匯處的撫遠縣，地下水資源和河流廊道對形成較高的不可替代性起到主要作用；而在撓力河流域，對高不可替代性貢獻最大的是河流廊道與多數物種的主要棲息地——蘆葦沼澤濕地；在研究區的東南部，水域生態系統和具有代表性的沼澤濕地生態系統是高不可替代性的主要貢獻類型。

表3 濕地面積比例及高恢復價值區比例

P1：高緊迫性縣市中高恢復價值小于5%的區域劃入一級恢復優先區；P2：中等緊迫性縣市中高恢復價值小于5%的區域劃入二級恢復優先區；P3：低緊迫性縣市中高恢復價值大于5%的區域劃入三級恢復優先區；P4：低緊迫性縣市中高恢復價值大于5%的區域劃入四級恢復優先區

2.3 三江平原濕地恢復緊迫性劃分

在三江平原所有縣市中，集賢縣、雙鴨山市、雞西市、穆棱市主要景觀類型為森林，因此不將其考慮進濕地恢復范圍，其他參與分析的縣市共19個。各縣市現有濕地比例表明(表3)，三江平原現有濕地空間分布不均衡，東部縣市濕地比例較高，基本都在10%以上，甚至有些縣市濕地比例已經達到20%以上(密山市、撫遠縣、同江市)；而中部與西部縣市濕地比例均較低，七臺河市、友誼縣的濕地比例甚至不足5%。根據表3中現有濕地比例可將三江平原各市縣分為高緊迫性(濕地比例<5%)、中等緊迫性(濕地比例5%—10%)、低緊迫性(濕地比例>10%)3個等級。其中高緊迫性縣市2個，中等緊迫性縣市6個，低緊迫性11個。

2.4 三江平原濕地恢復優先性排序

三江平原涉及到濕地退化與消失的縣市內濕地面積比例及高恢復價值區比例如表3所示。由于在高緊迫性與中等緊迫性縣市中不存在高恢復價值大于5%的區域，因此將高緊迫性縣市中高恢復價值小于5%的區域劃入一級恢復優先區(P1)；中等緊迫性縣市中高恢復價值小于5%的區域劃入二級恢復優先區(P2)；低緊迫性縣市中高恢復價值大于5%的區域劃入三級恢復優先區(P3)；低緊迫性縣市中高恢復價值大于5%的區域劃入四級恢復優先區(P4)。

濕地恢復優先等級空間分布如圖3所示。友誼縣、七臺河市、鶴崗市、依蘭縣、樺南縣、勃利縣、樺川縣、雞東縣雖然高恢復等級區域所占比例較少，但濕地分布面積比例非常少，因此具有較高的恢復緊迫性。以上區域應盡快在關鍵區上快恢復一定比例的濕地面積，以保證市縣范圍內的生態系統穩定與安全，但這些區域農田開墾時間較長，濕地恢復比較困難。

3 討論

經過幾十年的開墾與城市建設，三江平原濕地面積已經減少75%以上，物種棲息地及遷移廊道破碎化，影響到物種的繁衍生存及其基因流動[23- 24]，同時也阻礙了區域生態安全與可持續發展。目前三江平原濕地面積占區域總面積的7.85%，雖然在5%—10%范圍內，但比例偏低，且分布不均勻，尤其在建設用地與農田集中分布區，濕地分布比例甚少。三江平原各類型自然保護區面積僅占三江平原總面積的3.88%，而且大多數自然保護區由于管理不力已經被農田侵蝕，如果濕地再持續退化或消失，三江平原區域的生態安全與穩定將難以維持，三江平原濕地恢復尤為緊迫。本研究結合濕地歷史生物多樣性與景觀結構確定了濕地恢復的空間位置與優先性，若將本研究提出的高恢復價值區域進行合理恢復，三江平原濕地總面積將由7.85%增加到13.17%，在增加區域安全性與穩定性的同時，還能夠最大限度地恢復濕地生物多樣性。

圖2 三江平原1995年生物多樣性空間分布格局

圖3 三江平原濕地恢復等級空間分布圖

本研究通過結合歷史生物多樣性與景觀結構為區域濕地恢復優先性研究提供了快速評估方法，也為今后區域濕地恢復計劃提供了直觀的時空參考。本方法可以應用到其他生態系統類型的恢復優先性研究，尤其是對于缺乏詳細生物多樣性歷史數據與資料的區域。雖然有學者利用不同的方法進行了類似的濕地恢復優先性研究，如Thomson等利用62個物種棲息地適宜性動態變化時滯性進行的恢復優先性分析[25]。但該方法是以未來生物多樣性情況為基點所做的優先性分析，而本研究考慮了一定開墾年限內土壤種子庫對濕地恢復的影響，以當前生物多樣性情況為基點，通過歷史生物多樣性格局進行恢復優先性排序；另外，本研究綜合考慮了物種、代表性生態系統及生態過程，更充分地表達了生物多樣性[21]。

雖然本研究為濕地恢復評估提供了快速評估方法，但仍存在一些缺陷。歷史生物多樣性空間格局的構建，雖然是由量化目標驅動的，但在保護對象選取與目標制定過程中也存在主觀性和不確定性。另外，三江平原作為我國重要的商品糧基地[26]，擁有大面積的農田，農田占地與生物多樣性保護是三江平原一直以來的矛盾所在，因此在實際濕地恢復過程中，還應充分考慮耕地類型、濕地恢復潛力(成功恢復的可能性)、恢復成本及途徑等問題[7, 27- 28]。比如考慮從恢復優先區去除受保護的基本農田、通過非法定機制控制人類干擾減少保護成本等。

4 結論

本研究對三江平原近20年的濕地空間格局變化進行了分析，三江平原濕地面積大幅減少，且破碎化現象嚴重，70%以上的退化或消失濕地是被耕地侵占，西部與中部縣市濕地比例偏低，不利于生態安全與可持續發展，急需進行濕地恢復。通過結合基于不可替代性的歷史生物多樣性空間格局和現有濕地分布比例對三江平原濕地進行了濕地恢復優先性分析，將三江平原19個受濕地影響的市縣劃分為4個恢復優先等級，并確定了不同恢復等級市縣內濕地恢復的空間位置。本研究為今后三江平原濕地恢復行動的時空順序提供了參考，同時為缺少生物多樣性歷史數據的區域提供了快速評估的方法。

致謝：感謝中國科學院資源環境科學數據中心、中國地球系統科學數據共享網、中國濕地科學數據庫提供的數據支持。