【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。
野外監測儀器設備
“這是一個敏感地區，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生態研究所（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”，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，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，國家重點研發計劃項目“中高緯度濕地系統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系統恢復及維持，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，承擔著水源涵養與水文調節、生物多樣性與生境維持、碳蓄積和氣候調節等重要生態功能，在維系區域生態安全中發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系統。
過去100年，這道天然“生態屏障”到底發生了什么？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。“必須研發耦合濕地景觀格局與生態過程的景觀空間動態模型，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。
“中高緯度地區的人類活動歷史很短，但該地區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、農田合理規劃等提供科學依據。例如，某些區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域，則應該合理地規劃利用，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，包括連續多年凍土區、不連續多年凍土區、島狀多年凍土區和季節性凍土區等中高緯度不同類型凍土區濕地。
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，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、凍土以及碳氮循環關鍵過程等變化規律，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性基礎數據。
“目前我們建成了不同凍土區碳氮水野外綜合觀測研究平臺，完成野外監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個環節相輔相成、缺一不可。”宋長春說。
風險評估：為濕地保護“立規”
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功能穩定和保持農業用水可持續供給。
“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，受人為活動干擾較為明顯的為優先恢復區。接下來，還需針對風險評估結果，提出適應全球變化的濕地—農田空間格局優化調控方案并確定其效益，最終設計出最優化的景觀格局。
“濕地的生態系統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，開展聯合觀測研究。”
《中國科學報》 (2019-12-30 第1版 要聞)
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