黑龙江流域湿地的“百年坎坷”

科研人员在野外调查和采样。

野外监测仪器设备

■本报见习记者 韩扬眉

“这是一个敏感地区，你知道有多敏感吗？！”刚见到记者，中国科学院东北地理与农业生态研究所（以下简称东北地理所）研究员宋长春就抛出了这个问题，毫不掩饰心痛的情绪。

宋长春口中的“敏感地区”，就是地处北半球中高纬度、跨越中国和俄罗斯的黑龙江流域。一年之内，他们考察的观测点沿线的多年冻土融化了30厘米，而且消融速度还在加快。这同时意味着，又有一些物种将步入消亡。

研究了近20年的湿地生态，宋长春曾目睹三江平原湿地面积的急剧萎缩，他害怕再看到其他湿地重复同样的命运。

适宜性分布：为湿地“划界”

2016年7月，国家重点研发计划项目“中高纬度湿地系统对气候变化的响应研究”正式立项。宋长春担任首席科学家。

项目由东北地理所承担，并集合了东北师范大学、中国科学院遥感与数字地球研究所、北京师范大学、中国科学院南京地理与湖泊研究所和中国科学院大气物理研究所5家单位的科研力量，希望针对全球气候变化和人类活动加剧背景下的湿地生态系统恢复及维持，提出中国方案。

包括黑龙江流域在内的中高纬度湿地拥有着全球64%的天然湿地面积，承担着水源涵养与水文调节、生物多样性与生境维持、碳蓄积和气候调节等重要生态功能，在维系区域生态安全中发挥着不可替代的作用。然而，原本就对气候变化最为敏感且特别脆弱的中高纬度湿地，在气候变化与高强度人类活动的叠加“伤害”下，其退化和功能丧失速度远超其他类型的生态系统。

过去100年，这道天然“生态屏障”到底发生了什么？这是宋长春首先想要弄清楚的问题。

基于现有经验模型计算的答案并不理想。“必须研发耦合湿地景观格局与生态过程的景观空间动态模型，再配合其他方法开展综合研究，才能定量识别自然和人为两种因素的相互关系。”宋长春告诉《中国科学报》。为此，项目组构建了流域长时间序列气象、水文、冻土等数据集，以及高分辨率格点降水、气温数据集。

研究发现，近60年来，黑龙江流域垦殖现象加剧，湿地保持着高强度的退化速率，农田逐渐成为该区域的主导景观和基地景观。

湿地面积锐减的后果很严重。其中，冻土区湿地表现得最为敏感。据研究观测，黑龙江流域多年冻土已北移了80~100多公里，大小兴安岭一带的多年冻土深陷50余厘米，森林植被类型也随之北移。

“中高纬度地区的人类活动历史很短，但该地区湿地所遭受的损害在人类历史上却前所未有。”宋长春说。在他看来，了解湿地景观格局的历史变化，正是为了预知未来可能面临的风险，以便探究适应性调控机制和解决途径。

“适宜性分布”，这是项目组科学家提出的解决方案。研究发现，影响主要湿地—农田类型分布的相关要素存在差异性。湿地与降水有关，而水田与气温相关。此外，他们还进一步得到不同气候情景下主要湿地、农田系统的适宜性分布情况。

这些研究结果将为湿地保护与恢复、农田合理规划等提供科学依据。例如，某些区域在未来某种气候情景下，若不适宜旱田，则应该人为干预将其恢复为湿地或其他土地；而某些适宜水田生产的区域，则应该合理地规划利用，因地制宜。

精细化数据：为湿地“建模”

为获得全面的科学认识，项目组成员按照温度梯度设置了一条“样带”。这条样带贯穿整个黑龙江流域，跨越中俄两国，绵延1000多公里，包括连续多年冻土区、不连续多年冻土区、岛状多年冻土区和季节性冻土区等中高纬度不同类型冻土区湿地。

过去两年，他们沿着这条大样带，开展了大量的调查采样和野外原位控制实验。“与实验室实验相比，原位实验能最大化还原自然状态，尽可能减少人类扰动。”宋长春说，这能最接近真实地认识湿地及其生物多样性格局，了解湿地水文过程、冻土以及碳氮循环关键过程等变化规律，探查湿地对气候变化的响应以及主要驱动因素。

除此之外，研究人员还开展了中高纬度湿地野外综合定位观测，并基于此获得了长期连续性基础数据。

“目前我们建成了不同冻土区碳氮水野外综合观测研究平台，完成野外监测仪器设备购置与安装调试，开展了湿地水文、气象、土壤、植被等要素的野外连续定位观测。”项目组成员、东北地理所副研究员宋艳宇说。

在项目子课题“中高纬度湿地景观格局演变机制”研究骨干、东北地理所研究员、国家地球系统科学数据中心黑土与湿地分中心主任王宗明看来，数据是研究基础。“过去100年里，当年的湿地变成了什么、过去哪些地方分布着湿地、其面积变化如何等等，都需要精细化的数据。”

而获得数据的方法是遥感监测和历史文献地图。“不同土地类型就有不同的遥感图像特征，如农田有比较明显的纹理，湿地则比较均一。”王宗明告诉《中国科学报》，研究过去的变化需要通过遥感手段进行回溯。不过，在20世纪五六十年代以前，黑龙江流域的遥感数据记录并不充足，需要结合地形图和历史资料，构建模型并进行知识推理。

通过对中俄两国湿地对比分析，并比较无遥感时期和现代遥感时期的数据，科研人员发现，近100年来，黑龙江流域上、中、下游湿地面积和结构的变化存在较大差异。其中，俄罗斯境内上游湿地呈波动趋势，增加的主要来源和减少的主要去向为草地和林地。而中国境内，中、下游湿地呈持续下降趋势，减少的湿地主要转化为农田，但近年来转化为农田的比例逐渐减小。

“这些结果对于湿地管理保护和恢复很重要。”王宗明希望“至少保护区内不再有农田开垦现象”。不过，要想准确预估未来，还需要模型。

但由于已有的研究模型对认识湿地，尤其是水文过程并不完全适用，研究人员在原有模型基础上，增加了湿地、冻土和积雪融雪三大模块，系统开展了中高纬度湿地水文过程对气候变化的响应研究，定量评估了气候变化和人类活动对流域湿地、雪冰、冻土及生态过程的影响。

“认识机制、观测实验以及建模型来模拟验证，3个环节相辅相成、缺一不可。”宋长春说。

风险评估：为湿地保护“立规”

过去两年，项目组基本认识了过去100年里湿地景观格局的时空变化特征、人类活动对湿地面积变化的影响，并详细分析了黑龙江流域湿地面临的气候风险和人为风险强度。

现在，宋长春想要解决的问题是，水稻最多能种植多大面积，湿地最少需要保护多大面积，如何能维持湿地生态功能稳定和保持农业用水可持续供给。

“这需要进行风险评估。只有知道风险在哪里，才能为国家决策提供支持。”宋长春说。

目前，研究人员正从湿地生产力、植物生物多样性和土壤碳汇等方面分析风险模拟风险阈值，确定易受气候变化影响地带为湿地的重点保护区，受人为活动干扰较为明显的为优先恢复区。接下来，还需针对风险评估结果，提出适应全球变化的湿地—农田空间格局优化调控方案并确定其效益，最终设计出最优化的景观格局。

“湿地的生态系统服务功能甚至大于森林。”王宗明建议，在东北设立湿地保护专项，加大对湿地保护的投入和力度。

在宋长春看来，湿地研究是一个长期性工作，未来还要加强国际合作，积极参与国际科学计划，提升中国在湿地研究领域的国际学术影响力。“明年，希望借助中俄国际年的契机，中俄科学家能够共同建立试验站，开展联合观测研究。”

《中国科学报》 (2019-12-30 第1版 要闻)