1985—2016年安固里淖湖泊湿地生态系统稳态转变及对气候变化的响应

杨 丹， 王文杰， 吴秀芹， 蒋卫国， 张 欢

1.北京林业大学水土保持学院， 北京 100083 2.北京林业大学, 水土保持国家林业局重点实验室， 北京 100083 3.生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心， 北京 100012 4.北京师范大学地理科学学部， 北京 100875

稳态是指在一定时空尺度上，生态系统保持其结构和功能不变的状态. 这表明生态系统发育具有阶段性以及相对稳定的暂态，这些暂态之间的非线性变化称为稳态转变(regime shift)，具体表现为生态系统状态在一定范围内响应相当迟缓，接近某一临界水平时则会发生强烈的响应[1]. 生态系统发生转换的基础是多稳态现象，多稳态是指在相同的外界环境条件下，生态系统有可能出现两种或多种结构与功能不同的稳定状态[2]. 任何外部干扰都可能导致系统状态发生突变而进入管理者不希望的状态，即使在没有人为干扰的情况下，逐渐变化的环境条件(如营养负荷、气候变化、生境破碎化等)也可能超过阈值水平，从而诱发系统的突然响应. 当对人类有益的生态系统服务减少时，系统新的稳态可能会产生负面影响[3-4]，例如，淡水湖转变为富营养化而导致生物多样性枯竭. 而将系统恢复到以前的状态可能会很复杂，耗费巨大，有时甚至是不可能的[5-6]. 因此，多稳态的研究不仅有重要的生态学理论意义，还对生态系统管理者和决策者有早期预警的现实指导意义[7].

多稳态研究多是基于数理统计模型建立虚拟生态系统的理论模型[8-9]、浅水湖泊的多稳态特征[10-11]和基于多稳态概念的稳态转换驱动力等研究[1]. 目前，国内外也有不少学者专注于研究与多稳态密切相关的弹性. 弹性(resilience)的概念是由加拿大生态学家Holling[9]在1973年引入生态学领域，是指系统在经历变化时吸收扰动并保持其结构和功能的能力[12-13]. 由于生态系统存在多稳态，并且生态系统始终处于动态变化之中，因此弹性作为某一稳态对干扰的承受能力，它并不是一个定值，而是具有动态性[14-15]. 当生态系统的弹性增加时，系统对干扰事件的耐受性更强，而弹性的降低则增加了系统对以前可能承受的较小干扰的脆弱性. 因此，有必要对生态系统进行弹性管理，并在系统受到干扰和根本改变之前采取措施，使生态系统朝着有利于人类的方向发展[16-18].

京津冀地区是我国的首都经济圈，也是华北平原重要的生态屏障[19]. 在京津冀协同发展的战略背景下，保证京津冀地区的生态环境质量、促进区域可持续发展势在必行[20]. 湿地因易受外界干扰而改变，是京津冀地区生态环境的重点保护类型. 湿地生态系统健康的评价，不能仅依据单一的植被覆盖率水平或单一水资源量的多少[21].虽然弹性这一概念的管理价值已被人们接受[22]，但对于弹性的研究主要集中在概念及案例分析方面，定量研究相对较少[23-25]，生态系统弹性的测定成为进一步探讨弹性的切入点[26]. 同时，生态系统的指示变量是稳态转变的探测及弹性定量化测度的前提，但由于缺乏适宜的长期指标数据，使其成为稳态和弹性测试的制约因素，遥感数据的长时间序列弥补了这一缺陷，为定量研究和描述稳态转变与弹性变化提供了多时序的数据源.

内陆湖泊被称为气候变化的指标器[27]，河北坝上地区的内陆湖泊近些年受气候变化和人类活动的影响呈持续萎缩的状态，折射出该区域的水资源问题. 安固里淖作为华北第一大高原内陆湖泊，研究其湿地稳态转变及弹性变化，并分析湿地稳态转变与生态弹性对气候变化的响应，不仅可以还原坝上内陆湖泊湿地的典型退化过程，还可对区域湿地生态环境质量评价和保护恢复提供一定的科学依据，对京津冀地区保障湿地生态系统安全及环境容量空间扩展具有重要意义[2,28].

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

安固里淖湿地(114°20′E～114°27′E、41°18′N～41°24′N)位于河北省坝上张北县西北约30 km处，曾是京津冀地区最大的高原内陆湖，为内陆湖泊湿地典型代表. 湖盆呈浅碟状，海拔约 1 310 m，湖底东北高、西南低，面积约 4 760 hm2. 该区多年平均降水量401.6 mm，降水集中在6—8月，年均气温为2.6 ℃，年蒸发量为 1 500～2 000 mm，属中温带半干旱大陆性季风气候[29]. 安固里淖湿地湖水的补给为湖面降水和地表径流汇入，近些年受人类对水资源不合理的开发利用和气候变化的影响，以安固里淖湿地为代表的坝上部分湖泊已经干涸或基本干涸[30]. 安固里淖湿地是距北京较近且重要的湿地系统，是维护京津冀地区生态安全的重要一环，其稳态转变及弹性变化在京津冀地区内陆湿地动态演变过程研究中具有较好的代表性.

图1 研究区域位置示意Fig.1 Location of the study area

1.2 数据来源

1985—2016年覆盖安固里淖湿地的Landsat TM/ETM+影像(时相为6—9月)来源于美国地质勘探局(United States Geological Survey, USGS)(https://earthexplorer.usgs.gov). 为保证数据质量，使研究区处于基本无云层干扰状态，主要选用行列号(125，31)影像共79幅，运用ENVI 5.3软件进行辐射定标等影像预处理，然后计算NDVI(normalized difference vegetation index，植被指数)、MNDWI(modified normalized difference water index，水体指数)，并分别对每年的NDVI和MNDWI进行最大值合成后，计算每年的MVWR (modified vegetation water ratio，修正化植被水体指数)指数.

1985—2016年降水量与年均气温数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/site/index.html).

1.3 研究方法

1.3.1稳态转变探测

在生态系统的长期演变中，受到人类活动和气候变化的共同作用，生态系统通常会发生剧烈变化. 该研究使用Rodionov等[31]提出的序贯t检验方法，对稳态转变进行探测. 该方法广泛应用于陆地生态系统变化、水污染、大气污染和气候变化等领域[32-34]. 其中，RSI(regime shifts index)为稳态转变指数，计算流程如图2所示，具体算法见参考文献[33-34].

图2 STARS算法计算流程[33-34]Fig.2 Flowchart for STARS[33-34]

1.3.2弹性计算

使用生态系统状态变化的“杯球”模型(‘cup and ball’ model)来定量化弹性，弹性即系统在进入另一个吸引域的临界状态之前可以承受的总干扰量[35]. “杯球”模型中，杯子表示湿地生态系统的吸引域(稳定状态)，小球代表湿地生态系统的状态，箭头表示系统外部的干扰或影响(见图3). 当小球位于稳态杯的底部时，系统处于局部稳定状态；当系统遭受外界的干扰或不确定性风险时，小球将被迫离开稳态的杯子底部，并向杯子边缘移动，逐渐进入到另一个稳态杯子，形成新的局部稳定状态. 把小球从进入一个稳态杯到离开该稳态杯时其所能吸收的总干扰量作为生态弹性[36-38]，该文用弹性值(R)反映湿地生态系统的弹性变化.

图3 “杯球”模型示意Fig.3 Diagram of the ‘cup and ball’ model

该研究利用MVWR指数，即植被覆盖率与水体覆盖率之比，作为湿地生态系统稳态转变的指标：

(1)

(2)

式中，R为稳态期间湿地生态系统的弹性值，t1为发生稳态转变的年份，t2为发生下一稳态转变的年份，T为此稳态的持续时间，ΔMVWR为此稳态中每年承受的干扰量.

与NDVI、MNDWI或现有复合植被水体(VWR)相比，MVWR提高了检测湿地生态系统稳态转变的能力，它使用4个波段(Green、Red、NIR和SWIR)的信息内容，可以包含有关湿地物理状态的更多信息. 研究表明，与单独的植被或水体指数相比，基于植被和水体的组合指数可更有效地反映出湿地生态系统状态[39]. MVWR指数为正值时，表示有更多的绿色植被覆盖，为负值时则表示有更多的水体覆盖. 通过计算1985—2016年湿地丰水期所有影像的NDVI和MNDWI指数后，分别合成年最大值，然后计算MVWR指数.

2 结果与分析

2.1 安固里淖湿地稳态转变时空特征

注： MVWR为植被水体指数，Mean为稳态内的 MVWR平均值，RSI为发生稳态转变指数.图4 1985—2016年安固里淖湿地MVWR 指数及稳态转变Fig.4 MVWR and regime shift of Anguli wetland from 1985 to 2016

根据安固里淖湿地1985—2016年的MVWR指数(见图4)，对湿地发生稳态转变的次数及稳态转变程度分析，1985—2016年安固里淖湿地发生了两次稳态转变，分别在1995年(RSI为0.973)及2004年(RSI为2.108)，安固里淖湿地的3个稳态时期分别为1985—1994年、1995—2003年和2004—2016年，平均MVWR指数分别为-0.032、-0.661和0.200，揭示了该湿地水量在3种稳态下从增加到减少的变化过程，也表明了1995年和2004发生的稳态转变分别为湿地的恢复性转变和退化性转变，即1995年发生的稳态转变使得湿地水量和水域面积有小幅度增加，而2004年因在此前持续的强干扰下发生了稳态转变，湿地水面面积、水量减少及植被覆盖下降，进而导致湿地生态系统受损严重. 进一步就安固里淖湿地在2004年发生较强程度的稳态转变进行分析，发现在2004年以前，安固里淖湿地多年在丰水期大都以水体覆盖为主，此阶段的MVWR主体是在0以下，而大于0的只有1986年、1988年、1989年，这3年的MVWR指数分别为0.387、0.007、0.34；在2004年之后表现为绿色植被覆盖为主，此阶段的MVWR主体是在0以上，只有2010年和2012年MVWR指数为负值，分别为-0.060、-0.333；由此表明湿地整体不断干涸的过程，而且干涸的时期持续时间也在增加.

安固里淖湿地3个稳态阶段内MVWR指数平均值的空间分布(见图5)显示：在第一稳态时段(1985—1994年)，以水面覆盖为主的面积达31.36 km2，占比60.33%. 至第二稳态时段(1995—2003年)，湿地仍以水面覆盖为主，面积比上一稳态时段有所扩大，为47.69 km2，占比91.75%，湿地水量增加，东南部湿地植被生长状态有所改善，湿地状态总体得到小幅度恢复. 至第三稳态时段(2004—2016年)，湿地水面率明显缩小至2.78 km2，仅占湿地的5.36%，达到近30年最低水平，且植被向中部扩张，但是中部的植被稀少，转变为以祼地为主，湿地外围的植被覆盖面积虽然有所增加，但是MVWR指数最高仅为0.68，明显低于前面两个稳态时段，表明湿地发生严重退化.

图5 安固里淖湿地3个稳态阶段内MVWR指数平均值的空间分布Fig.5 Spatial distribution of mean MVWR index in three steady-state stages of Anguli wetland

进一步从1985—2016年湿地稳态转变强度的空间分布特征分析(见图6)，安固里淖在湿地外围的东部和南部生态系统状态出现了较大波动，在西北和中部波动较小. 将稳态转变强度通过ArcGIS软件的自然断点法分为3类：稳定、波动和剧烈波动(见表1). 结果显示，安固里淖湿地发生波动和剧烈波动的面积达9.26 km2,占比为17.81%，主要分布在湿地外围东部和南部，相对稳定地区的面积占比为82.19%；综合稳态转变时空特征表明，虽然湿地核心区域发生稳态转变的强度不及湿地外围东部和南部，但是湿地核心区域对于整个湿地系统起着关键作用，在核心区小的转变仍导致湿地生态系统的严重退化，湿地整体发生稳态转变.

图6 1985—2016年安固里淖湿地稳态 转变强度的空间分布Fig.6 Spatial distribution of regime shift intensity in Anguli wetland from 1985 to 2016

表1 安固里淖湿地稳态转变强度分类

2.2 安固里淖湿地生态系统弹性变化特征

生态系统弹性对湿地可持续发展具有重要作用，通过稳态转变的次数反映生态系统的稳定性，在稳态内所承受的扰动以反映弹性. 就弹性大小与变化状况而言，在各稳态段安固里淖湿地弹性呈现持续下降趋势(见图7). 1985—2016年其承受扰动量从 0.016 6 降至 0.010 6，下降了37.5%. 在第一个稳态期(1985—1994年)与第二个稳态(1995—2003年)期间，虽然湿地水量增加、水面扩大，但是湿地弹性却有小幅下降，降幅为7.48%，这表明对于湿地而言并非水量越多越有利于湿地的持续发展，而是保持适宜水量才能使得其有较强的恢复力；在第二个稳态期(1995—2003年)与第三个稳态(2004—2016年)期间，湿地弹性降幅达30.98%，由于前期的扰动累积，导致安固里淖湿地的生态系统退化，弹性降低，尽管湿地本身具有一定的恢复能力，但从干涸中恢复的难度越来越大.

图7 安固里淖湿地弹性变化Fig.7 Resilience change of Anguli wetland

2.3 气候变化对湿地稳态转变的影响

为进一步探究降水与气温变化对湿地状态的影响程度，分别将1985—2016年安固里淖湿地的降水量、气温与MVWR指数进行Spearman相关性分析，结果表明，安固里淖湿地降水量与MVWR指数呈显著负相关(Spearman相关系数为-0.371，sig显著性水平<0.05)，即降水越多，湿地水面率越大，植被相对覆盖较少；气温与MVWR指数没有明显的相关性，但从气温变化整体趋势(见图8)来看，坝上地区的年均气温增加较京津冀平原地区增温更明显[2]. 由此表明，安固里淖湿地受到降水及气温变化的一定影响[29]，其中，短期内受降水影响较为明显，持续的增温使得湿地蒸发量有所增加，干涸加剧，湿地弹性减弱.

图8 1980—2018年安固里淖湿地年平均气温变化Fig.8 Temperature change of Anguli wetland from 1980 to 2018

为进一步探究湿地与降水变化之间的关系，结合湿地降水的变化(见图9)，安固里淖湿地的生态系统状态受降水的影响很大，且有明显的滞后效应，稳态转变与水量的长期变化有关. 第1次稳态转变发生在1995年，主要受1990—1995年较多降水的综合影响，但在此前的1985—1989年经历了较少降水之后，1990年的降水增加并未立即引起湿地的稳态转变. 第2次稳转变发生在2004年，此前在1997年降雨量达到1985—2016年的最低水平(245.2 mm)，但是由于保证了前期的水量(自然降水以及1996年上游黄盖淖水库放水 2 000×104m3)[40]，湿地未发生稳态转变；在经历了1999—2002年较长时间的干旱之后，水面持续减少，湿地生态系统状态受影响，却没有在当年发生稳态转变，而是滞后2年，虽然2003—2004年短期内降雨有所增加，但水面仍处于萎缩状况[29]，由此进入了下一个稳态. 2004—2016年，湿地仍处在干旱状态，明水面极少，即使期间有降水增多的年份，但仍未改变湿地的状态.

图9 安固里淖湿地MVWR指数与降水量变化情况Fig.9 MVWR and precipitation of Anguli wetland

3 讨论

安固里淖湿地原本是京津冀坝上地区最大的天然湖泊，如今在自然环境变化和人为活动的影响下[29]，几乎处于干淖状态，其生态系统状态的变化受降水影响很大. 在长期干旱作用下，安固里淖湿地在各稳态期间承受的干扰量逐渐变小，其恢复难度也有增加趋势. 安固里淖湿地弹性的持续下降是对全球气候变化的响应，也代表了大部分生态较为脆弱的坝上地区的湿地变化趋势[2].

该研究结合较长时间的遥感数据生成MVWR指数，量化分析了湿地稳态转变与生态弹性，表明生态系统弹性对湿地可持续发展具有重要作用. 研究典型湿地生态弹性的变化规律，可以为其他京津冀生态较为脆弱的坝上地区湿地生态系统评价与管理提供参考. 湿地弹性持续下降可以作为生态预警的信号，提示湿地达到了需要保护、管理和恢复的临界. 同时，湿地本身具有一定的自我调节和弹性恢复功能，因此不能盲目进行应急补水，而应在保证湿地弹性不受威胁的情况下，科学实施补水机制和合理开展人类活动. 在保证湿地健康的同时，增加湿地行洪、滞洪空间，为区域的生态安全提供保障. 通过MVWR指数的长期变化，可直观反映出湿地水体与植被的变化情况，在一定程度上有效地反映出湿地生态系统状态，但湿地稳态的转变不只限于水体与植被状态的变化，还包括生物多样性的变化、土壤性状、水质等[41]，尚需进一步将多尺度时间序列数据与遥感数据结合起来探讨湿地的性质变化，还可以对弹性变化的阈值进行识别.

因影响安固里淖湿地发生稳态转变与弹性变化的因素多样且综合，除降水的变化、气温总体升高及蒸发加强等气候因素导致了湿地的干涸，在上游修建了蓄水工程阻断或减少了汇入湿地的地表径流，同时当地的农业灌溉用水主要通过打机井抽取地下水，随着农业规模的扩大，地下水水位明显下降，也直接或间接影响到了湿地的恢复能力[40]. 因此，量化关键驱动因子对湿地弹性变化的影响程度和贡献概率仍有进一步探讨的必要.

4 结论

a) 1985—2016年来安固里淖湿地于1995年、2004年发生了稳态转变，其稳态转变指数RSI分别为0.973、2.108；1995年发生恢复性稳态转变，使得湿地水量增加、水域面积扩大，植被生长状态有所恢复；2004年发生的退化性稳态转变，使得湿地进入严重受损状态，且2004年后湿地干涸的时期持续时间增加.

b) 就湿地稳态转变的空间分布而言，安固里淖湿地发生波动和剧烈波动的面积达9.26 km2,占比为17.81%，主要分布在湿地外围东部和南部，虽然湿地核心区域发生稳态转变的强度不及湿地外围东部和南部，但是在核心区小的转变仍能导致湿地生态系统的严重退化，湿地整体发生稳态转变.

c) 1985—2016年安固里淖湿地生态系统弹性水平呈持续性下降，降幅达37.5%，在第二个稳态时期(1995—2003年)与第三个稳态(2004—2016年)时期，湿地弹性降幅达30.98%，由于前期的扰动累积，导致安固里淖湿地从干涸中的恢复难度增加.

d) 气温和降水对安固里淖湿地稳态转变均有影响，其中降水的影响更为显著，尤其是受前期降水影响明显，湿地稳态转变与长期的水量变化有关；同时近30年坝上地区的气温升高明显，使得湿地蒸发量有所增加，干涸加剧，湿地弹性减弱.