全球变暖对湿地生态环境的影响Word格式文档下载.docx

1、作为地球重要的生态系统之一，湿地足由陆地和水生生态系统各种生态过程在不同尺度上综合作用的结果，具有显著的空间异质性1。景观格局是指大小和形状不一的景观斑块在窄间上的配置，是景观形成因素与景观生态过程长期共同作用的结果，反映了景观形成过程和景观生态功能的外在属性。景观类型与格局的完整性是湿地生态系统健康的基础，湿地景观格局的变化将会影响湿地景观的演变过程及湿地生态系统的结构与功能。因此，研究湿地景观格局的动态变化可以把握湿地景观在结构单元和功能方面随时问的变化，探明其内部景观组合特征及整体性特征，为湿地的保护、修复和管理提供理论依据。全球性的气候变化已成为不争的事实，主要表现为气温升高、全球降水

2、量重新分配，冰川和冻土消融，海平面上升等。由于大气中CO2 及其它温室气体（CH4、N2O 等） 浓度的增加而导致全球变暖已成为全世界各国政府、科学界及社会公众所关切的问题。在过去的100年时间里,全球平均气温明显上升,刚刚过去的1998年是有记录的100多年来最热的一年。根据美国宇航局戈达德航天研究所的数据, 1998 年地球表面大气层平均温度达到1.4157的新记录,比1997年上升了0.117如果大气中CO2及其它温室气体的浓度增加一倍,全球气温将会明显变暖, 这一点已经得到全世界大多数科学界的认同。虽然不同的科学家利用不同的模型对全球各地升温的幅度和范围还存在着不尽一致看法。至于何时大

3、气中CO2及其它温室气体的浓度增加一倍, 则取决于人们对这些气体减缓排放的措施实施。全球变暖不仅使全球大气环流、气候带、洋流、风、降水、气温等气象气候因子出现明显的变化, 而且对全球的生态系统、作物产量、社会经济、乃至政治过程等都会产生一系列的影响。湿地作为地球上一种重要生态系统, 其组成、结构、分布和功能等都与气候因子休戚相关。因而, 全球变暖必将会影响到湿地生态系统。随着气候变化研究的深入，同时湿地越来越多地表现出整体面积萎缩、平均斑块面积减小、破碎度增大和景观多样性减少等特征，气候变化对湿地景观格局影响的研究日益受到关注。近年来国内外研究者主要针对气候变化对湿地水资源面积、湿地土地利用格

4、局、湿地植被空间格局、湿地生物多样性格局等方面的外在影响，以及由此产生的湿地生物地球化学循环、生态环境效应变化等内在影响做r较多研究，并取得了显著成果。本文对此进行综述，并对完善气候变化下湿地景观格局变化的研究方法和技术手段进行探讨。2湿地及其在全球变化中的作用湿地是一种多功能、独特的生态系统, 根据湿地公约定义, “湿地系指不问其为天然或人工, 长久或暂时之沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带, 带有或静止或流动, 或为淡水、半咸水或咸水水体者, 包括低潮时水深不超过6 m 的海域”。我国学者常用的湿地定义为: 陆地上常年或季节性积水（水深2 m 以内, 积水4个月以上） 和过湿的土地, 并与其上

5、生长、栖息的生物种群构成的生态系统。常见的自然湿地有: 沼泽地、泥炭地、浅水湖泊、河滩、海岸滩涂和盐沼等, 人工湿地包括稻田、虾田、蟹田等。湿地类型多, 面积大、分布广。据统计, 全世界共有湿地81558108 ha, 占陆地总面积的614%。湿地对全球变化的贡献主要表现在以下几个方面:2.1 湿地生态系统是CO2的“源”与“汇”据估计, 储藏在不同类型湿地内的碳约占地球陆地碳总量的15% , 因而,湿地在全球碳循环过程中有着极其重要的意义。据Franzen 估计,世界上泥炭干物质总量为240109280109t,如果按碳含量50%55%计算, 储藏在泥炭中碳的总量将是120101526010

6、15g。湿地生态系统由于地表经常性积水, 土壤通气性差, 地温低且变幅小, 造成好气性细菌数量的降低, 而嫌气性细菌较发育。植物残体分解缓慢, 形成有机物质的不断积累。泥炭是沼泽湿地的产物, 是生态系统中有机质积累速率较强类型之一,是CO2的“汇”。湿地经过排水后, 改变了土壤的物理性状, 地温升高, 通气性得到改善, 提高了植物残体的分解速率, 而在湿地生态系统有机残体的分解过程中产生大量的CO2气体, 向大气中排放,此时,湿地生态系统又表现为CO2的“源”。2.2湿地生态系统是甲烷（CH4） 的重要“源”甲烷,CH4,俗名沼气,产生于厌氧微生物活动在厌氧条件下,甲烷菌分解土壤中的有机质,

7、产生甲烷,同时,在好气土壤或土层中, 甲烷又被氧化菌所氧化。由于甲烷是在厌氧条件下产生的,所以产生甲烷的土壤环境主要是各种类型的沼泽、较浅的水体及水稻田。据估计全球湿地每年约释放150Tg （1Tg= 1 000 000 t） 甲烷,约占每年大气总甲烷来源的25%。在湿地和稻田中,甲烷产生和再氧化受温度、酸碱度、氧化还原电位和淹水深度的影响, 并与植物生长密切相关。植物生长一方面是有机物质的来源;另一方面,植物通气组织是土壤中甲烷进入大气,以及大气中氧气进入土壤的主要通道。根据王明星等人。估计, 1988 年我国稻田CH4 排放量约为1721012g, 约占全国CH4 总排放量35101012

8、g 的一半。各种天然湿地的排放量约为2121012g, 约占总排放量的6% 左右。甲烷生产与湿地类型、水分状况、温度、土壤理化特征等因素有关。2.3湿地生态系统是氧化亚氮（N2O） 的“源”氧化亚氮（N2O）是仅次于CO2 和CH4 的温室气体。大气中N2O的95%来源于生态系统氮循环中的硝化和反硝化过程。高温、湿润、高碳氮含量的土壤是N2O产生的最佳环境。随土壤水分含量的增加, N2O产生的速率出现高峰, 但土壤含水量达到饱和以后, N2O释放率会显著下降。N2O的排放源主要是土壤, 其中农业土壤每年的释放量约3106 t, 自然土壤为6106 t。由于土壤性质和覆盖状况等因素的差异, 土壤

9、排放N2O的通量在时间和空间上变化很大。目前对N2O的测定工作大部分是在森林（特别是热带森林） 和各种农田上, 而对于天然湿地研究的很少。2.4湿地开发对全球变化的影响湿地曾经是受人类活动干扰较少的陆地生态系统之一, 是许多生物种群的优良生境, 存在着丰富的物种, 堪称生物多样性的储存库, 以我国湿地为例,湿地哺乳动物有65 种, 约占全国总数的13%; 湿地鸟类300 种, 约占全国鸟类总数的26%; 爬行类50 种,约占全国总数的13%; 两栖类45 种,约占全国总数的16%;鱼类1 040 种,约占全国总数的37%和世界淡水鱼总数的8% 以上。中国湿地还有高等植物1 548种, 其中被子

10、植物1 322 种、裸子植物10种、蕨类植物39种、苔藓植物167 种。湿地集土地资源、生物资源、水资源、矿产资源、旅游资源等于一体。但是在人类活动长期影响下, 特别是近年来湿地过度开发与利用的影响下, 湿地被不断围垦、污染和淤积, 面积日益缩小, 物种逐渐减少。湿地生态系统的结构、功能、分布等的变化必然会对区域, 甚至更大范围的气候和气候系统造成一定的影响。3 全球变暖对湿地的可能影响虽然全球变暖对湿地生态系统影响的研究在国内外都很有限, 但可以肯定全球气候系统的变化必将对湿地生态系统造成极大影响, 这可以从以下几个方面来分析:3.1对湿地水资源面积的影响在20世纪，北美洲、欧洲、澳大利亚和

11、新西兰等地特有的一些湿地，50以上已经发生了改变171；我国3期全国湿地分布遥感制图也显示，近20年间我国湿地总面积减少了1146，这些都与气候变化不无关系。目前，国内外都在积极研制气候变化模式，且有了突破性的进展圆。气候因子中的气温与降水量的不同组合形式是地表自然界景观干差万别的基础，也是湿地形成、发育及不同生态特征差异的控制因素。气候变化能够影响湿地的水文情势，诱发侵蚀并改变湿地沉淀速度，导致湿地景观面积的动态变化，是湿地扩张与萎缩的主要因素。Poiani等应用数学模型（WETSIM）研究了北部草原在气候变化下的动态响应，结果显示北部草原湿地景观面积变化与气候改变有良好的规律性。气候因子中

12、，气温是控制湿地消长最根本的动力因素，气温升高能够引起湿地水温及土壤温度升高，因而湿地的蒸发量也增加。赵慧颖等采用回归统计方法得出呼伦湖面积在气温升高1时约减少2880 kmz；Li等应用线性回归及主成分分析对黄河三角洲湿地景观格局进行了研究，认为湿地景观面积与径流量呈正相关，与温度呈负相关。除了气温的 显著影响外，降雨对湿地水文特征的影响最为明显，降水量下降则减少湿地水源补给，影响湿地水资源的分布，因此湿地景观面积与降水具有正相关性。葛德祥等n。1采用灰关联分析法分析了辉河湿地面积与气候因子的关系，研究表明辉河当地植物生长期的降水量是影响辉河湿地面积变化的主导因子。从以上实例可以看出经典统计

13、学方法在研究中的应用较为广泛，例如应用回归分析、主成分分析等统计学方法对气候因子与湿地景观面积进行数学建模；同时将灰色关联分析法等非统计学方法应用到湿地景观动态研究也具有重要的价值。气候变化还能够引发海平面上升，而河口湿地、滨海湿地及三角洲湿地面临的主要威胁来自气候变化，因而海平面上升对湿地景观格局的影响主要集中在这三类湿地的研究上。其中海平面上升对滨海湿地影响的研究模型主要包括海平面影响湿地模型（SLAMM），特定区域的过程模型（POSSM），湿地变化模型（WCM） 1151。Nichollstl61根据IPCC的SRES设定情景分析，应用“3s”（GIS、RS与GPS）技术得出，到2080

14、年时，全世界滨海湿地将由于海平面上升而减少5一20。Tian等应用“3s”技术、潮汐计量表、海图，研究了IPCC海平面上升情景下上海崇明东滩自然保护区的滨海湿地的响应。结果表明，到2100年时，海平面上升088 m的情景下，40研究区的陆地将被淹没。以上研究均应用了“3s”技术，同时Goetz等也强调了光学、雷达技术及多重传感器在研究气候变化对河口、滨海湿地影响中的重要性。3.2对湿地生态系统结构和功能的影响与陆地生态系统相比, 湿地的生物多样性较为丰富, 它为多种无脊椎动物、冷血和热血的脊椎动物提供栖息和繁衍的场所。湿地最为基本的功能之一就是为动物提供终年的居住环境, 还是一些候鸟越冬的生境

15、（取决于湿地的地理位置）。因而, 湿地生物多样性也将受到全球变化的影响。但是, 由于气候和水文要素的时空变异性, 地质地貌的区域差异, 湿地中的生物群落存在着极为明显的时空分异性, 各地湿地生态系统功能对全球变化的响应也表现出极大的区域性。在一些湿地, 气候变化引起的生物群落的变化, 有可能导致一些种群的变化（如有的种群可能会逐渐消失, 有的种群则会产生新的变种） , 例如,在塞舌尔, 小面积湿地的丧失, 有可能造成当地爬行类和小型鸟类的灭绝。在半干旱地区, 鸟类对于湿地的依存程度存在着明显的年际变化, 这主要取决于区域年降水量。如果塞舌尔西部的湿地变干, 一些依赖湿地生存, 而且相对容易迁移

16、的鸟类将会东移, 例如, 迁移至尼日尔、尼日利亚、喀麦隆、乍德等国。由于湿地, 尤其是温暖地区的季节性湿地,为许多严重疾病, 如疟疾、丝虫病、血吸虫病等的病媒的繁殖和生长提供了栖息地, 所以温度的升高和季节湿地分布的变化将改变这些疾病的时空分布。防洪作为湿地的基本功能之一也会受到全球变暖的直接和间接影响。4全球变暖对湿地生态系统影响的研究展望由于湿地生态系统自身的复杂性, 湿地生态系统与气候因子及其它环境因子之间的错综关系。因此, 湿地生态系统对全球变暖响应的研究目前在全球范围内都是初步的, 存在着许多的不确定性, 因而, 是未来全球变化研究中的一个重要方面。具体来说, 以下几个方面将可能是此

17、研究领域近期的重点方向:4.1CO2 等温室气体浓度增加对湿地生态系统的直接影响大气中CO2浓度增加会提高湿地生态系统中植物叶表面的CO2浓度梯度, 使得CO2容易进入叶片内部而提高光合速率。光合途径不同的植物, 其光合强度对CO2 浓度响应曲线有显著差异。CO2浓度增加提高光合效率对湿地生态系统生物量亦造成影响。根据国内外的研究, CO2增加, 多数作物取得明显的增产效应（如小麦、大麦、水稻等） , 但对湿地生态系统生物量的影响还未见详细报道。CO2增加的直接效应的另一个方面是影响植物水分利用效率。植物叶片的气孔是CO2和水汽进入植物的窗口, CO2增加会减小气孔的开度, 从面降低蒸腾量,

18、减少需水量, 提高水分利用率。CO2后可使C3、C4 类植物的气孔孔径减少40% , 降低蒸腾量23% 46%。目前, 此方面的研究大都集中在农田生态系统中, 而对湿地生态系统的研究还较少, 因而是未来全球变化对湿地生态系统研究的重要内容之一。4.2湿地生态系统中碳、氮循环的研究湿地生态系统中碳、氮等元素的循环过程不仅与大气中CO2、CH4、N2O、NO x 等气体的浓度、水分和能量收支状况、湿地生态系统的组成与结构等因素有关, 而且与气候因子（如降水、气温、辐射等） 休戚相关。但目前这种关系的认识多为定性分析, 缺乏定位定量研究, 因此, 从环境建设和经济发展的需要出发, 有待于加强湿地生态

19、系统中碳、氮等元素的循环过程及其主控因子之间的关系研究。4.3湿地生态系统动力学模型的发展与应用确定湿地生态系统对全球变暖的影响涉及到许多不同层次的复杂系统, 一种有效的方法是利用生态系统的动力学模型来处理这种复杂的系统。尽管现在已经有一系列的生态模型被不同的学者用于全球变化对生态系统影响的研究, 但大都适用了森林、草地、农田等生态系统, 而直接用于湿地生态系统的模型还很少。同时, 还需要从模型参数的率订和修改、模型物理结构的细化、模型精度的评估等几个方面进行深入研究。湿地模型主要包括湿地生态模型、湿地化学模型和湿地形态模型等三大类, 按其抽象的对象可以细分为能量循环模型、物质循环模型、水文学

20、模型、空间场生态模型、植物生长模型、因果关系模型、区域综合模型等。4.4湿地生态系统的阈值研究正如气候变化框架公约指出, 气候的变化及其不利的影响是人类共同关心的问题。所谓气候变化的不利影响是指气候变化所造成的自然环境或生物区系的变化, 这些变化对自然的和管理下的生态系统的组成、复原力、生产力, 或对社会经济系统的运作, 或对人类的健康和福利等产生重大且有害的影响。因此, 探讨和寻求造成湿地生态系统有害影响的阈值是极为重要的课题。当年月平均气温或最低气温高于某一特定值时, 某些物种便存在着可能灭绝的危险, 此时的温度便可以称为此物种对全球变暖响应的阈值。显然, 不仅温度可以是阈值的一个指标,

21、降水、土壤水分、养分等诸多环境因子都可成为阈值。不同湿地生态其阈值显然是有区别的。4.5极端事件对湿地生态系统的影响利用特有的历史文献、树木年轮、冰芯和古气候资料及数据, 分析历史时期气候变化对极端气候事件影响, 例如旱、涝、高温、病虫害等发生的频次、幅度、范围和强度等, 继而探讨这些气候极端事件发生时, 湿地生态系统的响应, 从而为未来全球变暖情景下, 气候极端事件发生的估计以及有可能对湿地生态系统带来的影响的评估提供依据。4.6全球变暖对湿地生态系统的综合研究目前, 全球变暖对湿地生态系统的研究, 往往只是考虑温度、降水等气象因子对生态系统结构、组成、分布、功能的影响。事实上, 这种影响是

22、十分复杂而多变的, 例如, 温室气体可能对湿地生态系统中物种的光合作用造成直接影响, 再比如, 全球变暖有可能改变害虫的数量和种类, 从而对湿地生态系统造成影响。认真分析全球变暖对湿地生态系统影响的各个方面和层次, 探讨其物理机制和反馈机理, 对此问题进行综合和深入的研究, 是此研究领域所面临的核心课题。4.7适应性对策研究全球变暖对湿地生态系统的影响有正负两个方面。如何采取积极而有效的措施, 降低或减缓其负面效应, 增大和加强其正面效应是全球变化中极其重要和不可缺少的组成部分。5 结果与展望 针对国内外气候变化对湿地生态水文的影响研究现状及发展态势，未来的发展趋势和热点问题体现为以下几个方面

23、:（ 1） 纵观国内外相关研究，大多数生态水文研究均是在情景分析的基础上进行“松散式”的机理识别，未能从水文过程和生态过程发生的物理机制上进行紧密耦合。全球气候变化背景下湿地生态水文学研究的重点在于湿地生态水文规律的探求和应用上，当前湿地生态水文学将从单一湿地生态水文过程为主要对象发展成为以研究气候-水文-生态三者相互作用机制为主要内容的综合性、交叉性学科。（ 2） 新兴交叉学科与地学信息技术和湿地生态水文生态模型耦合的特征将会日益明显。并且，随着湿地生态水文之间的机理性认识不断深入，具有物理机制的生态水文模型将逐渐占据主导地位。开展气候变量-水文变量-湿地生态过程之间的关系研究，解决气候模型

24、与湿地生态水文模型尺度转换问题，实现气候模型和湿地生态水文模型相耦合，是研究气候变化对湿地生态水文影响的重要环节。（ 3） 生态需水是生态水文学研究的重要内容之一，其实质是生态系统结构、功能和水分之间相互关系问题。在未来的研究中，应进一步加强气候变化对湿地系统需水机理及规律的研究，预估未来气候变化情景下湿地生态需水量的变化趋势，为湿地生态需水核算、湿地生态补水和水资源合理配置提供科学依据。（ 4） 从流域尺度上研究气候变化对湿地生态水文的影响及反馈作用机制，揭示湿地生态水文格局、过程的变化机理，制定应对气候变化的湿地水资源管理和生态保护的对策措施，维系湿地生态系统的良性循环，提高流域湿地系统的

25、整体应对气候变化的能力，保障流域水安全、生态安全和经济社会可持续发展。参考文献1李胜男，千根绪，邓伟湿地景观格局与水文过程研究进展fJI牛态学杂志，2008，27（6）：10121020Li Sheng-nan，Wang Gen-xu，Deng WeiResearch advancesin wetl and landscape pattern and hydrological pmcesJChinese Journal of Ecology。2H）8，27（6）：1012-11）20（in Chinese）2Bai J H，Ouyang H，Cui B S，et a1Changes in la

26、ndscapepattern of alpine wetlands on the Zoige Plateau in the pastfour decadesJActa Ecologica Sinica，21W）8，28（5），2245-22523IPCC. Climate change 2007: Physical science basis contributionM. Cambridge: Cambridge University Press，2007: 996.Zhao-qing. Advances in wetland hydrology J. Advances in Water Sc

27、ience，2003，14（ 4） : 52l-527. （ in Chinese） ）4 BURKETT V，KUSLER J. Climate change: Potential impacts and interactions in wetlands of the United States，Virginia J. Journalof the American Water Resources Association，2000，36（ 2） : 3l3-320.5 LAHMER W，PFUTZNER B，BECKER A. Assessment of land use and climat

28、e change impacts on the mesoscaleJ. Physics andChemistry of the Earth: Part B: Hydrology Oceans and Atmosphere，200l，26（ 7 /8） : 565-575.6 张建云. 气候变化对水的影响研究及其科学问题J. 中国水利，2008（ 2） : 14-18. （ ZHANG Jian-yun. Impacts of climate onwater resources in China and its relevant scientific problems to the furthe

29、r studied J. China Water Resources，2008（ 2） : 14-18.（ in Chinese） ）7 IPCC. Climate change 2007:8气候变化国家评估报告编委会，气候变化国家评估报告M. 北京: 科学出版社，2007. （ Editorial board of Chinas nationalassessment report on climate change. Chinas National Assessment Report on Climate ChangeM. Beijing: Science Press，2007. （ in

30、Chinese） ）9 张建云，王国庆，杨扬，等. 气候变化对中国水安全的影响研究J. 气候变化研究进展，2008，4（ 5） : 290-295. （ ZHANGJian-yun，WANG Guo-qing，YANG Yang，et al. The possible impacts of climate change on water security in China J. Advances inClimate Change Research，2008，4（ 5） : 290-295. （ in Chinese） ）10 王浩，严登华，贾仰文，等. 现代水文水资源学科体系及研究前沿和热点问

31、题J. 水科学进展，2010，21（ 4） : 479-489.（ WANG Hao，YAN Deng-hua，JIA Yang-wen，et al. Subject system of modern hydrology and water resources and research frontiersand hot issues J. Advances in Water Science，2010，21（ 4） : 479-489. （ in Chinese） ）11 任国玉，姜彤，李维京，等. 气候变化对中国水资源情势影响综合分析J. 水科学进展，2008，19（ 6） : 772-779. （ RENGuo-yu，JIANG Ton