基于历史生物多样性与湿地景观结构的三江平原湿地恢复优先性研究

曲 艺, 罗春雨, 张弘强, 曾星雨, 崔 玲, 李海燕, 倪红伟

黑龙江省科学院自然与生态研究所,湿地与生态保育国家地方联合工程实验室, 黑龙江省湿地与恢复生态学重点实验室, 哈尔滨 150040

经济快速发展背景下，湿地被大量的建设用地和农田侵蚀，导致湿地面积锐减，生态系统服务功能下降，威胁到区域可持续发展[1- 2]。近年来，人们逐渐意识到湿地恢复与重建的重要性，湿地恢复成为湿地研究的热点。但多数研究倾向于小尺度的、以植被恢复为主湿地恢复技术和管理[3- 5]。对于区域或景观尺度上确定湿地恢复优先性的研究较少，尤其是历史生物多样性对湿地恢复的支持作用和湿地景观结构对区域可持续发展的意义，在湿地恢复优先性研究中未得到应有的关注。

湿地恢复优先性评价，是指资源有限条件下，基于湿地恢复的最紧迫目标和限制因素，评估各分区湿地恢复的先后性，为阶段性恢复湿地提供选址依据的空间决策方法[6]。目前，比较常用的区域尺度湿地恢复优先性评估方法主要是多指标综合法，评估指标主要包括物种栖息地分布、土地利用类型、土壤类型、地形因子、水文因子等[7- 8]。如Dale和Siobhan[7]通过土壤、土地利用、河流等级、地形饱和指数等因子，建立适宜性模型，根据湿地恢复的适宜性进行了湿地恢复优先性评估；董张玉等[8]以东北地区退化湿地为研究对象，根据景观结构因子、河流及道路密度、湿度指数、地貌条件、耕地生产力5方面对湿地恢复潜力进行空间分析，确定了东北地区湿地恢复的优先性。Wilson等结合时间滞后性、湿地可恢复性、随机事件概率、反馈、空间连接性等因素开发了用于恢复优先性评估的决策支持工具[9]。以上研究均为景观或区域尺度的湿地恢复评估提供了科学参考，但这些研究忽略了历史生物多样性对湿地恢复的支持作用和湿地景观结构在区域可持续发展中的重要意义。

生物多样性是当前保护系统的主要指标，因此湿地恢复也应从生物多样性角度考虑其恢复价值。但值得注意的是，历史生物多样性时间节点的选择应考虑开垦年限。研究表明，一定开垦年限内的耕地，在土壤种子库的作用下，才具有一定程度的植被恢复能力[10- 11]。湿地植被恢复潜力与不同年限开垦的湿地土壤中残留种子的物种数量有关[12- 14]。通过植被恢复后才可能恢复动物多样性与功能多样性[15- 16]。因此，可将一定年限内的历史生物多样性作为湿地恢复优先性的一个评价指标来体现湿地恢复价值。

另外，平原地区的湿地洪水调蓄功能与水质提升功能的发挥还与湿地景观结构相关。过低的湿地比例会导致区域洪水蓄积能力和水质净化能力薄弱。Delaney[17]通过对美国农业活动影响下的洪泛平原(floodplain)研究建议，一个区域要想得益于湿地的洪水调蓄与水质提升功能，应具有5%—10%的湿地分布比例。因而现有湿地分布比例也是湿地恢复优先性评估需要考虑的重要内容。

综上所述，本研究结合历史生物多样性和湿地景观结构，对三江平原湿地的恢复优先性进行分析。湿地景观结构选取现有湿地比例为衡量指标，以行政县为空间单元，便于管理与实施，计算方法为每个县域内现存湿地面积与所在县域面积之比。历史生物多样性由于缺乏监测数据，难以通过生物多样性指数来表征历史生物多样性的空间分布差异，因此选取生物多样性保护中常用的系统保护规划(Systematic Conservation Planning, SCP)方法，以不可替代性指数(每个规划单元在完成区域整体保护目标过程中的重要性)体现生物多样性保护价值。SCP方法即使在缺乏实际监测数据的情况下，也可通过预测物种潜在栖息地进行快速评估，在保护对象选取、保护对象潜在空间分布预测、量化保护目标设定等步骤的基础上，通过不可替代性分析计算每个规划单元的不可替代性指数，最终构成区域整体生物多样性空间分布格局，即生物多样性保护价值的空间分布[18- 19]。目前该方法已经在生物多样性保护中得到广泛应用，也逐渐在湿地恢复规划中体现出应用潜力[9]。

本研究主要包括四个步骤：1)通过分析三江平原湿地的景观格局变化趋揭示三江平原湿地恢复的必要性；2) 利用SCP方法计算历史生物多样性的不可替代性指数，体现湿地恢复价值；3) 以县为空间单元计算每个县内的现有湿地比例，体现湿地恢复的紧迫性；4) 结合湿地恢复价值和恢复紧迫性，对三江平原湿地恢复的优先性进行分析。

1 研究方法

1.1 研究区概况

三江平原是我国最大的淡水沼泽分布区，同时也是中国环保部确定的35个生物多样性热点地区之一。本研究将研究范围定义为三江平原现有湿地及1995年来退化与消失的区域，即1995年湿地分布范围。自1995年以来，三江平原湿地减少了5776.26 km2，高达原湿地分布面积的40%。大面积的湿地被农田侵占，有部分湿地虽未开垦为农田，但也退化为沼泽草甸或杂草草甸，导致区域内生物多样性迅速流失，动植物物种减少，很多物种已经被列为濒危等级，尤其是以湿地为栖息地的鸟类[20]。

1.2 数据来源与处理

湿地景观格局变化中用到的1995年及2015年的土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)。生物多样性代表性特征主要包括物种、生态系统和生态过程。物种栖息地预测、生态系统及生态过程空间化数据均为1995年空间数据。40个物种的潜在栖息地利用栖息地适宜性模型进行模拟，所需数据包括土壤、植被类型、DEM、河流、居民分布等；代表性生态系统通过专家咨询获得，在植被类型图中提取；代表性生态过程包括河流廊道、高低地交界和宏观环境交界通过空间分析提取[21]。植被类型图来自于中国湿地科学数据库(CWSD, http://www.marsh.csdb.cn/)，其他数据来源于中国地球系统科学数据共享网((http://www.geodata.cn)，物种栖息地特征信息来源于中国物种红色名录[22]。

1.3 研究方法

1.3.1 景观格局变化分析

采用景观格局分析方法对三江平原湿地整体变化情况进行了分析。为了反映三江平原湿地的土地利用演变方向，将所有景观类型划分为5种类型，湿地、草地、林地、农田及建设用地。在1995和2015两期土地利用景观分类图基础上，通过景观格局指数分析软件FRAGSTAS和EXCEL构建景观转移矩阵，分析了湿地的土地利用演变方向。

将湿地分为水域、滩涂、沼泽、沼泽化草甸、湿草甸，计算了1995年与2015年三江平原各类型湿地整体特征(斑块数、形状指数、斑块密度等)、景观镶嵌格局特征(分离度、破碎度)、及反映景观异质性的特征(多样性指数、优势度、均匀度)方面的景观格局指数，用以分析近20年来三江平原湿地空间格局变化情况。

1.3.2 基于历史生物多样性保护价值的湿地恢复价值评价

本研究以1995年的历史生物多样性保护价值代表湿地恢复价值。这一时间节点的选取考虑了不同开垦年限内土壤种子库的存留数量。研究表明湿地被开垦20年内土壤中仍然有种子库存在，湿地植被在自然条件下还有恢复的可能性，进而恢复植被及相应的动物种群和生态系统功能[15- 16]；而退化或开垦20年以上的湿地中土壤种子库已经基本消失[14]。

历史生物多样性保护价值利用SCP方法进行评估，主要步骤包括生物多样性代表性特征选取与历史空间分布确定、代表性特性保护目标设定、不可替代性分析确定历史生物多样性保护价值(恢复价值)。本研究选取40个代表性物种(36种濒危与保护鸟类；4种保护植物)、9个代表性生态系统类型(8类对三江平原生物多样性具有重要贡献的沼泽湿地和水域生态系统)、6个代表性生态过程关键区(河流关键区、3个等级的地下水分布区、大生境交界处、高低地交界处)，共55个生物多样性代表特征。其历史分布区通过历史湿地分布数据、土壤数据、DEM等模拟或提取。代表性特征的保护目标(历史分布面积中需要保护的百分比)在综合考虑物种濒危等级、保护等级、栖息地稀有性的基础上，通过专家赋分计算获得。历史生物多样性恢复价值通过C-Plan保护规划软件进行不可替代性分析(Irreplaceability Analysis)获得。利用Jenks Natural Break分类方法将不可替代性值分为高恢复价值、较高恢复价值、中等恢复价值、较低恢复价值和低恢复价值五个等级，结合GIS软件显示不同等级的湿地恢复价值空间格局。

1.3.3 基于景观结构指数的恢复紧迫性评价

以现有湿地分布比例为湿地景观结构指标，对湿地恢复紧迫性进行分析。为了方便管理与恢复计划的实施，选取行政县为湿地分布比例的计算单元。根据Delaney对洪泛平原适宜湿地分布比例的研究结论(益于湿地洪水调蓄与水质提升功能发挥的湿地分布比例应达到5%—10%)，将三江平原各市县分为高紧迫性恢复区(<5%)、中等紧迫性恢复区(5%—10%)和低紧迫性恢复区(>10%)3个等级。

1.3.4 湿地恢复优先性分析

结合湿地恢复价值(不可替代性值)和恢复紧迫性(现有湿地分布比例)进行湿地恢复优先等级划分。高紧迫性恢复区中高恢复价值区面积比例大于5%的为一级优先区(P1)；高紧迫性恢复区中高恢复价值区面积比例小于5%的为二级优先区(P2)；中等紧迫性恢复区中高恢复价值区面积比例大于5%的为三级优先区(P3)；中等紧迫性恢复区中高恢复价值区面积比例小于5%的为四级优先区(P4)；低紧迫性恢复区中高恢复价值区面积比例大于5%的为五级优先区(P5)；低紧迫性恢复区中高恢复价值区面积比例小于5%的为六级优先区(P6)。

图1 三江平原土地利用演变方向

2 研究结果

2.1 三江平原湿地景观格局变化

1995—2015年间，三江平原湿地总面积由14308.55 km2减少到8532.29 km2，约40%的湿地已经退化为杂草地或转化为农田。景观转移矩阵表明，退化或消失的湿地中，70.92%转变为耕地，20.36%退化为杂草地，7.76%转化为林地，仅0.95%转化为其他土地覆被类型(图1)。

20年间，三江平原湿地面积大幅下降，而斑块数量却出现了显著增加的趋势，斑块数量增加了一倍，平均每年增加110.3块；斑块密度从1995年的0.15个/km2，增长到0.52个/km2；最大斑块面积从21.20减少到14.64，这些都表明三江平原湿地整体上呈现出破碎化的特征。对于水域和滩涂，各项指数都呈现出增加的趋势，而沼泽、沼泽化草甸和湿草甸除了斑块密度与周长面积分维升高外，其他基本都减少，说明农田开垦导致自然斑块被肆意分割，沼泽、沼泽化草甸和湿草甸的面积缩减，且破碎化严重。尤其是沼泽湿地和湿草甸的面积减少幅度很大，超过原湿地面积的20%。各类湿地类型的景观形状指数基本都存在增加的趋势，只有湿草甸呈现下降趋势，这说明人类在开垦过程中，对沼泽和沼泽化草甸的占用较多，导致这两种类型的湿地进一步复杂化；而湿草甸面积百分比增加幅度很大，但景观形状指数减少，可能是由于农田疏干造成水文条件变迁，沼泽与沼泽化草甸地下水位下降，使其向湿草甸发生演替而造成的(表1)。

表1 各湿地类型基本景观指数

PLAND：斑块所占景观面积比例，Percentage of Landscape；PD：斑块密度，Patch Density； LPI：最大斑块占景观面积比例，Largest Patch Index；LSI：景观形状指标，Landscape Shape Index；PAFRAC：周长/面积分维数，Perimeter Area Fractal Dimension

2.2 三江平原湿地恢复价值空间分布与等级划分

根据SCP方法构建的三江平原1995年生物多样性空间分布格局如图2所示。图中现有湿地内的不可替代性代表保护价值，湿地退化区(现有湿地以外区域)的不可替代性代表湿地恢复价值。将连续的不可替代性指数(IRR，Irreplaceability)分为5个等级：0≤IRR≤0.09 (Rank1)， 0.09

从各恢复等级面积及比例(表2)可以看出，目前已经退化或消失的湿地有一半以上有相对较高的恢复价值，而且还有20%左右的区域处于中等恢复价值水平，这些具有较高湿地恢复价值的区域为今后的湿地恢复工作开展的空间位置及优先性提供了科学的参考。

表2 不同恢复等级及面积比例

较高的恢复价值区域主要呈现出沿河流分布的特征，尤其是在松花江、黑龙江和挠力河的交汇处，兴凯湖周围的湿地分布区也有较高的恢复价值。在松花江与黑龙江交汇处的抚远县，地下水资源和河流廊道对形成较高的不可替代性起到主要作用；而在挠力河流域，对高不可替代性贡献最大的是河流廊道与多数物种的主要栖息地——芦苇沼泽湿地；在研究区的东南部，水域生态系统和具有代表性的沼泽湿地生态系统是高不可替代性的主要贡献类型。

表3 湿地面积比例及高恢复价值区比例

P1：高紧迫性县市中高恢复价值小于5%的区域划入一级恢复优先区；P2：中等紧迫性县市中高恢复价值小于5%的区域划入二级恢复优先区；P3：低紧迫性县市中高恢复价值大于5%的区域划入三级恢复优先区；P4：低紧迫性县市中高恢复价值大于5%的区域划入四级恢复优先区

2.3 三江平原湿地恢复紧迫性划分

在三江平原所有县市中，集贤县、双鸭山市、鸡西市、穆棱市主要景观类型为森林，因此不将其考虑进湿地恢复范围，其他参与分析的县市共19个。各县市现有湿地比例表明(表3)，三江平原现有湿地空间分布不均衡，东部县市湿地比例较高，基本都在10%以上，甚至有些县市湿地比例已经达到20%以上(密山市、抚远县、同江市)；而中部与西部县市湿地比例均较低，七台河市、友谊县的湿地比例甚至不足5%。根据表3中现有湿地比例可将三江平原各市县分为高紧迫性(湿地比例<5%)、中等紧迫性(湿地比例5%—10%)、低紧迫性(湿地比例>10%)3个等级。其中高紧迫性县市2个，中等紧迫性县市6个，低紧迫性11个。

2.4 三江平原湿地恢复优先性排序

三江平原涉及到湿地退化与消失的县市内湿地面积比例及高恢复价值区比例如表3所示。由于在高紧迫性与中等紧迫性县市中不存在高恢复价值大于5%的区域，因此将高紧迫性县市中高恢复价值小于5%的区域划入一级恢复优先区(P1)；中等紧迫性县市中高恢复价值小于5%的区域划入二级恢复优先区(P2)；低紧迫性县市中高恢复价值大于5%的区域划入三级恢复优先区(P3)；低紧迫性县市中高恢复价值大于5%的区域划入四级恢复优先区(P4)。

湿地恢复优先等级空间分布如图3所示。友谊县、七台河市、鹤岗市、依兰县、桦南县、勃利县、桦川县、鸡东县虽然高恢复等级区域所占比例较少，但湿地分布面积比例非常少，因此具有较高的恢复紧迫性。以上区域应尽快在关键区上快恢复一定比例的湿地面积，以保证市县范围内的生态系统稳定与安全，但这些区域农田开垦时间较长，湿地恢复比较困难。

3 讨论

经过几十年的开垦与城市建设，三江平原湿地面积已经减少75%以上，物种栖息地及迁移廊道破碎化，影响到物种的繁衍生存及其基因流动[23- 24]，同时也阻碍了区域生态安全与可持续发展。目前三江平原湿地面积占区域总面积的7.85%，虽然在5%—10%范围内，但比例偏低，且分布不均匀，尤其在建设用地与农田集中分布区，湿地分布比例甚少。三江平原各类型自然保护区面积仅占三江平原总面积的3.88%，而且大多数自然保护区由于管理不力已经被农田侵蚀，如果湿地再持续退化或消失，三江平原区域的生态安全与稳定将难以维持，三江平原湿地恢复尤为紧迫。本研究结合湿地历史生物多样性与景观结构确定了湿地恢复的空间位置与优先性，若将本研究提出的高恢复价值区域进行合理恢复，三江平原湿地总面积将由7.85%增加到13.17%，在增加区域安全性与稳定性的同时，还能够最大限度地恢复湿地生物多样性。

图2 三江平原1995年生物多样性空间分布格局

图3 三江平原湿地恢复等级空间分布图

本研究通过结合历史生物多样性与景观结构为区域湿地恢复优先性研究提供了快速评估方法，也为今后区域湿地恢复计划提供了直观的时空参考。本方法可以应用到其他生态系统类型的恢复优先性研究，尤其是对于缺乏详细生物多样性历史数据与资料的区域。虽然有学者利用不同的方法进行了类似的湿地恢复优先性研究，如Thomson等利用62个物种栖息地适宜性动态变化时滞性进行的恢复优先性分析[25]。但该方法是以未来生物多样性情况为基点所做的优先性分析，而本研究考虑了一定开垦年限内土壤种子库对湿地恢复的影响，以当前生物多样性情况为基点，通过历史生物多样性格局进行恢复优先性排序；另外，本研究综合考虑了物种、代表性生态系统及生态过程，更充分地表达了生物多样性[21]。

虽然本研究为湿地恢复评估提供了快速评估方法，但仍存在一些缺陷。历史生物多样性空间格局的构建，虽然是由量化目标驱动的，但在保护对象选取与目标制定过程中也存在主观性和不确定性。另外，三江平原作为我国重要的商品粮基地[26]，拥有大面积的农田，农田占地与生物多样性保护是三江平原一直以来的矛盾所在，因此在实际湿地恢复过程中，还应充分考虑耕地类型、湿地恢复潜力(成功恢复的可能性)、恢复成本及途径等问题[7, 27- 28]。比如考虑从恢复优先区去除受保护的基本农田、通过非法定机制控制人类干扰减少保护成本等。

4 结论

本研究对三江平原近20年的湿地空间格局变化进行了分析，三江平原湿地面积大幅减少，且破碎化现象严重，70%以上的退化或消失湿地是被耕地侵占，西部与中部县市湿地比例偏低，不利于生态安全与可持续发展，急需进行湿地恢复。通过结合基于不可替代性的历史生物多样性空间格局和现有湿地分布比例对三江平原湿地进行了湿地恢复优先性分析，将三江平原19个受湿地影响的市县划分为4个恢复优先等级，并确定了不同恢复等级市县内湿地恢复的空间位置。本研究为今后三江平原湿地恢复行动的时空顺序提供了参考，同时为缺少生物多样性历史数据的区域提供了快速评估的方法。

致谢：感谢中国科学院资源环境科学数据中心、中国地球系统科学数据共享网、中国湿地科学数据库提供的数据支持。