濕地水文發生學因素范文

本站小編為你精心準備了濕地水文發生學因素參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

1（S,D,F）閾值研究概述

1.1地表淹水或土壤水飽和持續歷時閾值（D閾值）研究

1.1.1濕地上界處“D閾值”研究根據NTCHS濕地土壤定義[10]，形成濕地土壤所需的D閾值即從土壤水飽和開始到厭氧環境形成的時滯（時間滯后的簡稱，指一行為從啟動到產生結果的時間段，確定D閾值的這個標準簡稱為“厭氧標準”）。厭氧環境的形成不僅有賴于土壤的濕度，也與溫度、土壤有機質、微生物與有機質種類和數量、不同水源補給的溶解氧含量、pH及其他環境因素的變化有關，因而不同區類（不同自然地理區、不同類型）的濕地從土壤水飽和開始至形成厭氧環境的時滯各不相同。例如，Hudnall和Szogi[21]的研究發現，某些自然土壤在6、7月間的暴雨后幾乎馬上就形成了厭氧環境。Tiner[22]的研究發現，有些土壤中厭氧環境的形成只需1～2d時間。Larson等[23]的研究表明，有機質含量高的漬水土壤，在洪泛后2～3d內就可形成厭氧環境。加利福利亞大多數地區的土壤從水飽和開始到厭氧環境形成的歷時約7d[11]，而在南加利福利亞水飽和持續至少30d才能形成厭氧環境[24]。Faulkner等[25]的研究發現，不同類型的土壤，厭氧環境形成的時滯為7～14d，有的多達28d。因此，不存在適用于所有區類濕地的、唯一確定的D閾值，不能將從某區類濕地研究得出的D閾值應用到其他區類的濕地中[1-5,17,20]。USACE(U.S.ArmyCorpsofEngineers)和EPA(theEnvironmentalProtectionAgency)認為，形成濕地植被所需的D閾值的確定應以“支持以適生于土壤水飽和環境下的植物占優勢的植物群落”為原則[2-3,20,26]，但USACE和EPA并沒有以此原則確定濕地植被上界的D閾值。目前濕地上界處D閾值的確定都是以“厭氧標準”為原則。

1.1.2濕地下界“D閾值”研究濕地土壤和濕地植被下界位于常年淹水區中，D為常數，濕地下界處水文閾值主要為S閾值問題。

1.2“淹埋深-歷時”閾值（（S,D）閾值）發生的頻率閾值（F閾值）研究因為水文情勢的年際波動，陸地可能在某些年份滿足形成濕地的(S,D)閾值條件，水體也可能在另外一些年份滿足形成濕地的(S,D)閾值條件，而濕地也可能在這些年份不滿足形成濕地的(S,D)閾值條件。因此，區域是否具有形成濕地的水文條件不是以某年是否滿足(S,D)閾值來判斷，而是相對一定保證率而言。多數學者認為，當滿足(S,D)閾值的年份出現的頻率≥50%時，才具有形成濕地的水文條件。在濕地下界處，因水文情勢的年際波動，挺水植物分布下限也是波動的，一般用挺水植物分布下限淹水深的多年平均值作為濕地下界D閾值，而不是用F≥50%對應的淹水深作為濕地下界D閾值。

1.2（S,D,F）閾值標準比較美國是世界上(S,D,F)閾值研究最前沿的國家，由于美國不同州、不同部門和不同領域對濕地的管理有不同的目的和責任，因而采用不同的(S,D,F)標準。表1列出了美國最有影響的(S,D,F)閾值標準、《濕地公約》以及中國學者提出的(S,D,F)閾值標準。由于一致認為(S,D)閾值發生的F閾值應取≥50%，因而表1中沒有給出F閾值。絕大多數國家都接受《濕地公約》標準，將濱海濕地與深水系統之間的淹水深度閾值規定為低潮時水深6m，并把陸地上所有水體都納入濕地，因而內陸濕地沒有下界淹水深度閾值。《濕地公約》締約國有權擴大或縮小濕地邊界范圍，說明濕地上界(S,D,F)閾值是根據需要主觀規定的。如果說《濕地公約》對濕地上界的規定是基于濕地有效管理的話，它既沒有給出邊界標準，也無約束力。表1中中國學者提出的閾值標準沒有理論基礎，沒有用于科學研究，也沒有用作濕地管理邊界的界定標準，實際上沒有得到國內學者的認可。美國各種(S,D)閾值確定的理論基礎一致，即S閾值確定的原則是“水飽和至地表”，D閾值確定原則是“厭氧標準”。基于相同的理論，不同文獻給出不同的(S,D)閾值，一方面因為不同的(S,D)閾值是不同學者或機構基于不同區類濕地研究得出的；另一方面，不同部門或機構根據不同的管理目的主觀地選擇某一(S,D)閾值作為監管濕地的判別標準。在這些濕地界定手冊中，1987CorpsManual的標準直到現在仍然是廣為接受的濕地界定標準。

2．“淹埋深-歷時-頻率”閾值研究的一致結論及評述

2.1關于“S閾值”的一致結論及評述

2.1.1濕地上界處“S閾值”的一致結論及評述水飽和至地表的地下水最大埋深即形成濕地土壤所需的地下水埋深閾值，這個閾值就是毛管邊緣帶的厚度。優勢植物主要根系分布層下界是形成濕地植被的地下水埋深閾值，但在實際應用中一般是以“水飽和至地表”作為確定S閾值的原則。S閾值的確定具有一定的理論基礎，也得到了科學家們的一致認可，但是，目前S閾值確定的理論只適合濕地土壤和濕地植被發育成熟的“正常情況下”的濕地類型，對于沒有發育濕地土壤或（和）濕地植被的“非正常情況下”濕地類型而言，S閾值如何確定？目前還沒有構建科學的理論和方法。

2.1.2濕地下界處“S閾值”的一致結論及評述一致認為，應以挺水植物分布下限淹水深度作為濕地下界S閾值，因為挺水植物分布下限的淹水深度一般不會超過2m，因此，USACE和EPA將“2m標準”作為濕地下界淹水深度閾值[2]。EPA[2,20]在凈水法案404條款中將美國水體系統劃分為“深水系統”和“特殊水生生境”，后者又劃分為6種類型：①保護區和避難所；②濕地；③泥灘；④生長植被的淺灘；⑤珊瑚礁；⑥淺灘和水塘復合體。這里所說的“濕地”是“美國水體系統”中“特殊水生生境”的一個子類。EPA“濕地”定義的目的是要將“濕地”與深水系統、陸地系統以及其他“特殊水生生境”的子系統區分開來。按照EPA的觀點，年均淹水深度≥6.6ft(2m)的區域生長著沉水植物，是生長植被的淺灘，而不是濕地。年均淹水深在2m以內的區域，如果生長的也是沉水植物，也是淺灘，而不是濕地。EPA實際上是將挺水植物分布的下界作為“濕地”與“淺灘”的邊界，將“2m標準”作為區分“濕地”與“淺灘”的淹水深閾值。在濕地科學定義的研究中，將地表自然地理系統（或生態系統）劃分為陸地、濕地和水體三大系統，濕地定義的目的是為了將濕地與水體系統和陸地系統區分開來。將濕地與水體作為同一等級的自然地理系統（或生態系統）時，沉水植物是屬于濕地植物還是屬于水生植物決定了淺灘是屬于濕地還是水體？水體生態系統的生產者從水體中吸收營養，陸地生態系統的生產者從土壤中吸收營養。濕地生態系統是水陸過渡性生態系統，兼有兩者的特征，其生產者既有從水體中吸收營養的浮游植物和漂浮植物，也有從土壤中吸收營養的根生植物。沉水植物是從土壤中吸收營養的根生植物，沉水植物分布區的生產者同時包括根生植物（沉水植物）和浮游及漂浮植物，沉水植物分布區顯然符合濕地生態系統的特征。沉水植物分布下限以外的生態系統的生產者都是從水體中吸收營養，缺少從土壤中吸收營養的生產者，因而是水體生態系統。沉水植物分布下限淹水深可認為是濕地生態系統的水文下界。因此，以挺水植物分布下界淹水深（即2m標準）作為濕地下界淹水深閾值值得商榷。

2.2關于“D閾值”的一致結論和評述

2.2.1“厭氧標準”評述NTCHS關于濕地土壤的定義是確定濕地D閾值的理論基礎，從水飽和開始至厭氧環境形成的時滯是D閾值確定的原則。NTCHS關于濕地土壤的定義至少存在以下幾個問題：(1)定義中沒有頻率的限制，沒有說明是每年都必須形成厭氧環境，還是大多數年份(≥50%)形成厭氧環境就可稱為濕地土壤。從水飽和開始至厭氧環境形成的時滯是可測的，針對具體某一區類的濕地而言，這個時滯是相對穩定的。如圖1所示，將地形剖面和年水位過程線疊放在一張圖上。假設區域內形成濕地的(S,D)閾值測定為(-30cm,14d)，在第i年的水位過程線上，可以確定與連續歷時14d所對應的水位（與Pi點高程相同）。在地形剖面上，比此水位高30cm的地面高程點即滿足(-30cm,14d)的濕地水文邊界點（Ni點）。因此，根據(S,D)閾值可在地形剖面上確定濕地水文邊界點及其高程。這個邊界點雖然是根據水文指標確定的，但它是濕地土壤鑒定的標準，因而也是濕地土壤的邊界點。由于水文情勢的年際變化，每年水位過程線都不同，而(S,D)閾值相對穩定。不同年份根據(-30cm,14d)閾值及當年的水位過程線在地形剖面上確定濕地土壤邊界點是不同的，例如，根據第j年的水位過程線和(-30cm,14d)標準確定的濕地土壤邊界點是Nj。如果有n年的水文觀測資料，則可確定n個濕地土壤邊界點。以哪個邊界點作為濕地土壤邊界點，取決于F值的大小，F值與濕地土壤邊界點及其高程有一一對應關系。NTCHS濕地土壤定義沒有給出F閾值，不能確定濕地土壤邊界點，因而不能用于濕地土壤鑒別。(2)雖然在(S,D,F)閾值研究中給出了F閾值(≥50%)，“厭氧標準”也存在問題。根據“厭氧標準”確定的D閾值是穩定的，隨著水文情勢的年際波動，穩定的(S,D)閾值在地形剖面上對應的濕地土壤邊界點也隨之波動，而實際上土壤邊界點相對穩定。如圖1所示，對于穩定的濕地土壤邊界點（B點），由于水位過程線每年都不同，穩定的濕地土壤邊界點在不同年份水位過程線上對應的D閾值每年都不相同。第i年的D閾值是Di，第j年的D閾值是Dj，兩者顯然不相等。如果有n年的水文觀測資料，則可確定n個D閾值。D閾值如何確定也取決于F值的大小，F值與D閾值的大小有一一對應關系。(3)即使不考慮頻率問題，有些區域雖然經常淹水或水飽和，但沒有形成可指示厭氧環境的土壤形態指標。如許多富氧地下水排泄區或者土壤受富氧地表水浸潤的區域，盡管淹水或水飽和歷時足夠長，但沒有形成厭氧環境，可是它們并不是陸地土壤。“厭氧標準”排除了這些長期受富氧水淹沒或浸漬的濕地類型。(4)土壤學認為,濕地土壤的形成是以濕地土壤診斷層和診斷特征作為鑒別標志的。形成厭氧環境所需的水飽和歷時是否使濕地土壤診斷層和診斷特征得以形成是檢驗“厭氧標準”科學性的標準。一種土壤的形成有多種成土過程的作用，其中主導的成土過程決定了土壤類型及其診斷層和診斷特征的形成。形成了厭氧環境并不等于說厭氧過程就是主導的成土過程，厭氧過程指在厭氧環境下土壤中發生的物理、化學和生物過程，而在厭氧環境的形成過程中，土壤環境不是厭氧的。如果以“形成厭氧環境”作為鑒別濕地土壤的標準，那些剛形成厭氧環境和厭氧環境持續歷時很短的區域不可能形成濕地土壤診斷層和診斷特征。例如，那些只須水飽和1～2d即可形成厭氧環境的區域，如果水飽和歷時只有1～2d，厭氧過程不可能是主導的成土過程。案例研究也表明，根據“厭氧標準”確定的D閾值偏小，不能致使濕地土壤診斷層和診斷特征的形成。因為上述科學性問題的存在，以“厭氧標準”作為D閾值確定的理論基礎也必然存在著科學性問題。另外，以“厭氧標準”作為D閾值確定的原則只適合于濕地土壤發育成熟的“正常情況下”的濕地類型，不適合沒有發育濕地土壤的“非正常情況下”的濕地類型。

2.2.2刪除生長季在確定D閾值時，必須去除生長季的限制，即不能僅將生長季內的水飽和歷時作為D閾值。原因主要有以下3個方面：①不同學者對生長季有不同的定義，不同生長季定義決定的生長季長不同。Cowardin等將生長季定義為無霜期，但將這個定義僅用于非土壤底質，1987CorpsManual將這個定義應用到土壤中。1988EPAManual和1989InteragencyManual都是根據生態0℃(5℃，41℉)定義生長季。1991ProposedManual將生長季定義為終殺霜后第三周至終殺霜前三周。按同一標準（如“12.5%生長季長”標準），根據不同的生長季定義會得到不同的D閾值。②非生長季內水飽和也可以促使厭氧環境形成。一般認為，當溫度低于5℃時，微生物的活動很微弱。實際上，非生長季的低溫并沒有阻止因微生物活動而導致土壤形成厭氧環境的過程。③使用生長季長的百分比作為形成濕地D閾值往往是錯誤的。一方面，緯度越低，溫度越高，生長季越長；另一方面，溫度越高，微生物活動越旺盛，形成厭氧環境所需的D值越短。如果按“12.5%生長季長”作為D閾值標準，生長季長的溫暖區域形成厭氧環境的D值要大于寒冷地區，而實際上溫暖地區形成厭氧環境所需要的D值比寒冷地區要短。另外，到了高緯和高山地區可能沒有生長季，因為土壤溫度可能達不到生長季所要求的溫度，按“12.5%生長季長”標準，就不能形成濕地，但實際上這些區域也有濕地分布。因此，在確定形成濕地的D閾值時，必須去除生長季的限制。

2.3關于F的一致結論與評述因為水文情勢的年際波動，要具備形成濕地的水文條件，滿足(S,D)閾值的年份出現的頻率必須≥50%。雖然50%的F閾值得到大多數濕地科學家的認可，但從理論上講，可以選取不同的F值作為濕地土壤邊界點確定的標準（如果(S,D)值是穩定的）或D閾值確定的標準（如果濕地土壤邊界是穩定的），這也就使得在研究形成濕地的水文條件和定義濕地時，F閾值是引起爭論的關鍵因素之一。

3（S,D,F）閾值研究應解決的問題

上述分析表明，目前在(S,D,F)閾值研究中，存在的問題主要表現在：①確定D閾值的“厭氧標準”存在著科學性問題；②沒有建立檢驗(S,D,F)閾值科學性的標準，這是目前(S,D,F)閾值存在科學性問題的關鍵原因之一；③目前(S,D,F)閾值研究的理論和方法都是針對濕地土壤和濕地植被發育成熟的“正常情況下”的濕地類型，對于沒有發育濕地土壤或（和）濕地植被的“非正常情況下”濕地類型(S,D,F)閾值的研究還沒有構建相應的理論和方法。要解決(S,D,F)閾值研究中存在的這些問題，必須構建確定(S,D,F)閾值的新的理論體系，主要包括以下3個方面：(1)正常情況下濕地類型(S,D,F)閾值確定的理論和方法的構建：包括濕地上界處(S,D,F)閾值確定的理論和方法以及濕地下界處淹水深度閾值確定的理論和方法。這些理論必須基于一定的理論基礎，而不是主觀的規定。(S,D,F)閾值確定的方法必須在實地可行，針對具體區類的濕地，可以據此理論和方法得出唯一的(S,D,F)閾值。(2)“非正常情況下”濕地類型(S,D,F)閾值確定的理論和方法構建：(S,D,F)閾值研究一般都是基于“正常情況下”典型樣地的，“非正常情況”一般難以直接獲取(S,D,F)閾值，如何從“正常情況下”確定的(S,D,F)閾值推演出“非正常情況下”的(S,D,F)閾值？是(S,D,F)閾值應用必須解決的問題，也必須構建科學的理論和方法。(3)(S,D,F)閾值科學性檢驗的理論和方法的構建：根據所構建的(S,D,F)閾值確定的理論和方法可以確定任一區類濕地的(S,D,F)閾值。所構建的理論和方法是否科學？關鍵要看據此理論和方法確定的(S,D,F)閾值是否科學。如何檢驗(S,D,F)閾值的科學性？也必須構建科學的理論和方法。

4．結論

目前“淹埋深-歷時-頻率”(S,D,F)閾值研究的理論認為：在濕地上界處，S閾值的確定原則是“水飽和至地表”，D閾值確定的原則是“厭氧標準”，滿足(S,D)閾值的年份出現的頻率必須≥50%才具備形成濕地的水文條件。在濕地下界處，因位于常年淹水區，因而D和F是穩定的，關鍵是S問題，目前一般是挺水植物分布下限淹水深作為濕地下界S閾值。對(S,D,F)閾值確定的理論和方法的分析表明：S閾值的確定原則具有科學的理論基礎，也得到了科學家們的一致認可；F閾值的確定還缺乏充分的理論依據；確定D閾值的“厭氧標準”存在著科學性問題，也沒有檢驗D閾值科學性的標準；特別是目前(S,D,F)閾值確定的理論和方法都是針對“正常情況下”濕地類型的，沒有構建“非正常情況下”濕地類型(S,D,F)閾值確定的理論和方法。為了科學地解決(S,D,F)閾值問題，必須構建新的(S,D,F)閾值研究理論和方法，包括“正常情況下”和“非正常情況下”(S,D,F)閾值研究的理論和方法以及檢驗(S,D,F)閾值科學性的理論和方法。

作者：殷書柏 沈方 李子田 付波霖 單位：唐山師范學院資源管理系 中國科學院東北地理與農業生態研究所