【中國科學報】黑龍江流域濕地的“百年坎坷”
科研人員在野外調查和采樣。
野外監(jiān)測儀器設備
“這是一個敏感地區(qū)，你知道有多敏感嗎？！”剛見到記者，中國科學院東北地理與農業(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，他們考察的觀測點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同樣的命運。
適宜性分布：為濕地“劃界”
2016年7月，國家重點研發(fā)計劃項目“中高緯度濕地系統(tǒng)對氣候變化的響應研究”正式立項。宋長春擔任首席科學家。
項目由東北地理所承擔，并集合了東北師范大學、中國科學院遙感與數字地球研究所、北京師范大學、中國科學院南京地理與湖泊研究所和中國科學院大氣物理研究所5家單位的科研力量，希望針對全球氣候變化和人類活動加劇背景下的濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復及維持，提出中國方案。
包括黑龍江流域在內的中高緯度濕地擁有著全球64%的天然濕地面積，承擔著水源涵養(yǎng)與水文調節(jié)、生物多樣性與生境維持、碳蓄積和氣候調節(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，在氣候變化與高強度人類活動的疊加“傷害”下，其退化和功能喪失速度遠超其他類型的生態(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。
基于現有經驗模型計算的答案并不理想。“必須研發(fā)耦合濕地景觀格局與生態(tài)過程的景觀空間動態(tài)模型，再配合其他方法開展綜合研究，才能定量識別自然和人為兩種因素的相互關系。”宋長春告訴《中國科學報》。為此，項目組構建了流域長時間序列氣象、水文、凍土等數據集，以及高分辨率格點降水、氣溫數據集。
研究發(fā)現，近60年來，黑龍江流域墾殖現象加劇，濕地保持著高強度的退化速率，農田逐漸成為該區(qū)域的主導景觀和基地景觀。
濕地面積銳減的后果很嚴重。其中，凍土區(qū)濕地表現得最為敏感。據研究觀測，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，正是為了預知未來可能面臨的風險，以便探究適應性調控機制和解決途徑。
“適宜性分布”，這是項目組科學家提出的解決方案。研究發(fā)現，影響主要濕地—農田類型分布的相關要素存在差異性。濕地與降水有關，而水田與氣溫相關。此外，他們還進一步得到不同氣候情景下主要濕地、農田系統(tǒng)的適宜性分布情況。
這些研究結果將為濕地保護與恢復、農田合理規(guī)劃等提供科學依據。例如，某些區(qū)域在未來某種氣候情景下，若不適宜旱田，則應該人為干預將其恢復為濕地或其他土地；而某些適宜水田生產的區(qū)域，則應該合理地規(guī)劃利用，因地制宜。
精細化數據：為濕地“建模”
為獲得全面的科學認識，項目組成員按照溫度梯度設置了一條“樣帶”。這條樣帶貫穿整個黑龍江流域，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，開展了大量的調查采樣和野外原位控制實驗。“與實驗室實驗相比，原位實驗能最大化還原自然狀態(tài)，盡可能減少人類擾動。”宋長春說，這能最接近真實地認識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)關鍵過程等變化規(guī)律，探查濕地對氣候變化的響應以及主要驅動因素。
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，并基于此獲得了長期連續(xù)性基礎數據。
“目前我們建成了不同凍土區(qū)碳氮水野外綜合觀測研究平臺，完成野外監(jiān)測儀器設備購置與安裝調試，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。”項目組成員、東北地理所副研究員宋艷宇說。
在項目子課題“中高緯度濕地景觀格局演變機制”研究骨干、東北地理所研究員、國家地球系統(tǒng)科學數據中心黑土與濕地分中心主任王宗明看來，數據是研究基礎。“過去100年里，當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，都需要精細化的數據。”
而獲得數據的方法是遙感監(jiān)測和歷史文獻地圖。“不同土地類型就有不同的遙感圖像特征，如農田有比較明顯的紋理，濕地則比較均一。”王宗明告訴《中國科學報》，研究過去的變化需要通過遙感手段進行回溯。不過，在20世紀五六十年代以前，黑龍江流域的遙感數據記錄并不充足，需要結合地形圖和歷史資料，構建模型并進行知識推理。
通過對中俄兩國濕地對比分析，并比較無遙感時期和現代遙感時期的數據，科研人員發(fā)現，近100年來，黑龍江流域上、中、下游濕地面積和結構的變化存在較大差異。其中，俄羅斯境內上游濕地呈波動趨勢，增加的主要來源和減少的主要去向為草地和林地。而中國境內，中、下游濕地呈持續(xù)下降趨勢，減少的濕地主要轉化為農田，但近年來轉化為農田的比例逐漸減小。
“這些結果對于濕地管理保護和恢復很重要。”王宗明希望“至少保護區(qū)內不再有農田開墾現象”。不過，要想準確預估未來，還需要模型。
但由于已有的研究模型對認識濕地，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氣候變化的響應研究，定量評估了氣候變化和人類活動對流域濕地、雪冰、凍土及生態(tài)過程的影響。
“認識機制、觀測實驗以及建模型來模擬驗證，3個環(huán)節(jié)相輔相成、缺一不可。”宋長春說。
風險評估：為濕地保護“立規(guī)”
過去兩年，項目組基本認識了過去100年里濕地景觀格局的時空變化特征、人類活動對濕地面積變化的影響，并詳細分析了黑龍江流域濕地面臨的氣候風險和人為風險強度。
現在，宋長春想要解決的問題是，水稻最多能種植多大面積，濕地最少需要保護多大面積，如何能維持濕地生態(tài)功能穩(wěn)定和保持農業(yè)用水可持續(xù)供給。
“這需要進行風險評估。只有知道風險在哪里，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力、植物生物多樣性和土壤碳匯等方面分析風險模擬風險閾值，確定易受氣候變化影響地帶為濕地的重點保護區(qū)，受人為活動干擾較為明顯的為優(yōu)先恢復區(qū)。接下來，還需針對風險評估結果，提出適應全球變化的濕地—農田空間格局優(yōu)化調控方案并確定其效益，最終設計出最優(yōu)化的景觀格局。
“濕地的生態(tài)系統(tǒng)服務功能甚至大于森林。”王宗明建議，在東北設立濕地保護專項，加大對濕地保護的投入和力度。
在宋長春看來，濕地研究是一個長期性工作，未來還要加強國際合作，積極參與國際科學計劃，提升中國在濕地研究領域的國際學術影響力。“明年，希望借助中俄國際年的契機，中俄科學家能夠共同建立試驗站，開展聯(lián)合觀測研究。”
《中國科學報》 (2019-12-30 第1版 要聞)
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