濕地水文發(fā)生學(xué)因素范文

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1（S,D,F）閾值研究概述

1.1地表淹水或土壤水飽和持續(xù)歷時閾值（D閾值）研究

1.1.1濕地上界處“D閾值”研究根據(jù)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(huán)境形成的時滯（時間滯后的簡稱，指一行為從啟動到產(chǎn)生結(jié)果的時間段，確定D閾值的這個標(biāo)準(zhǔn)簡稱為“厭氧標(biāo)準(zhǔn)”）。厭氧環(huán)境的形成不僅有賴于土壤的濕度，也與溫度、土壤有機(jī)質(zhì)、微生物與有機(jī)質(zhì)種類和數(shù)量、不同水源補(bǔ)給的溶解氧含量、pH及其他環(huán)境因素的變化有關(guān)，因而不同區(qū)類（不同自然地理區(qū)、不同類型）的濕地從土壤水飽和開始至形成厭氧環(huán)境的時滯各不相同。例如，Hudnall和Szogi[21]的研究發(fā)現(xiàn)，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(huán)境。Tiner[22]的研究發(fā)現(xiàn)，有些土壤中厭氧環(huán)境的形成只需1～2d時間。Larson等[23]的研究表明，有機(jī)質(zhì)含量高的漬水土壤，在洪泛后2～3d內(nèi)就可形成厭氧環(huán)境。加利福利亞大多數(shù)地區(qū)的土壤從水飽和開始到厭氧環(huán)境形成的歷時約7d[11]，而在南加利福利亞水飽和持續(xù)至少30d才能形成厭氧環(huán)境[24]。Faulkner等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的土壤，厭氧環(huán)境形成的時滯為7～14d，有的多達(dá)28d。因此，不存在適用于所有區(qū)類濕地的、唯一確定的D閾值，不能將從某區(qū)類濕地研究得出的D閾值應(yīng)用到其他區(qū)類的濕地中[1-5,17,20]。USACE(U.S.ArmyCorpsofEngineers)和EPA(theEnvironmentalProtectionAgency)認(rèn)為，形成濕地植被所需的D閾值的確定應(yīng)以“支持以適生于土壤水飽和環(huán)境下的植物占優(yōu)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(biāo)準(zhǔn)”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(qū)中，D為常數(shù)，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(fā)生的頻率閾值（F閾值）研究因?yàn)樗那閯莸哪觌H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(qū)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(shù)學(xué)者認(rèn)為，當(dāng)滿足(S,D)閾值的年份出現(xiàn)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(yīng)的淹水深作為濕地下界D閾值。

1.2（S,D,F）閾值標(biāo)準(zhǔn)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(lǐng)域?qū)竦氐墓芾碛胁煌哪康暮拓?zé)任，因而采用不同的(S,D,F)標(biāo)準(zhǔn)。表1列出了美國最有影響的(S,D,F)閾值標(biāo)準(zhǔn)、《濕地公約》以及中國學(xué)者提出的(S,D,F)閾值標(biāo)準(zhǔn)。由于一致認(rèn)為(S,D)閾值發(fā)生的F閾值應(yīng)取≥50%，因而表1中沒有給出F閾值。絕大多數(shù)國家都接受《濕地公約》標(biāo)準(zhǔn)，將濱海濕地與深水系統(tǒng)之間的淹水深度閾值規(guī)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(nèi)陸濕地沒有下界淹水深度閾值。《濕地公約》締約國有權(quán)擴(kuò)大或縮小濕地邊界范圍，說明濕地上界(S,D,F)閾值是根據(jù)需要主觀規(guī)定的。如果說《濕地公約》對濕地上界的規(guī)定是基于濕地有效管理的話，它既沒有給出邊界標(biāo)準(zhǔn)，也無約束力。表1中中國學(xué)者提出的閾值標(biāo)準(zhǔn)沒有理論基礎(chǔ)，沒有用于科學(xué)研究，也沒有用作濕地管理邊界的界定標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際上沒有得到國內(nèi)學(xué)者的認(rèn)可。美國各種(S,D)閾值確定的理論基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)”。基于相同的理論，不同文獻(xiàn)給出不同的(S,D)閾值，一方面因?yàn)椴煌?S,D)閾值是不同學(xué)者或機(jī)構(gòu)基于不同區(qū)類濕地研究得出的；另一方面，不同部門或機(jī)構(gòu)根據(jù)不同的管理目的主觀地選擇某一(S,D)閾值作為監(jiān)管濕地的判別標(biāo)準(zhǔn)。在這些濕地界定手冊中，1987CorpsManual的標(biāo)準(zhǔn)直到現(xiàn)在仍然是廣為接受的濕地界定標(biāo)準(zhǔn)。

2．“淹埋深-歷時-頻率”閾值研究的一致結(jié)論及評述

2.1關(guān)于“S閾值”的一致結(jié)論及評述

2.1.1濕地上界處“S閾值”的一致結(jié)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(yōu)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(shí)際應(yīng)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(chǔ)，也得到了科學(xué)家們的一致認(rèn)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(fā)育成熟的“正常情況下”的濕地類型，對于沒有發(fā)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(gòu)建科學(xué)的理論和方法。

2.1.2濕地下界處“S閾值”的一致結(jié)論及評述一致認(rèn)為，應(yīng)以挺水植物分布下限淹水深度作為濕地下界S閾值，因?yàn)橥λ参锓植枷孪薜难退疃纫话悴粫^2m，因此，USACE和EPA將“2m標(biāo)準(zhǔn)”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(tǒng)劃分為“深水系統(tǒng)”和“特殊水生生境”，后者又劃分為6種類型：①保護(hù)區(qū)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(fù)合體。這里所說的“濕地”是“美國水體系統(tǒng)”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(tǒng)、陸地系統(tǒng)以及其他“特殊水生生境”的子系統(tǒng)區(qū)分開來。按照EPA的觀點(diǎn)，年均淹水深度≥6.6ft(2m)的區(qū)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(nèi)的區(qū)域，如果生長的也是沉水植物，也是淺灘，而不是濕地。EPA實(shí)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(biāo)準(zhǔn)”作為區(qū)分“濕地”與“淺灘”的淹水深閾值。在濕地科學(xué)定義的研究中，將地表自然地理系統(tǒng)（或生態(tài)系統(tǒng)）劃分為陸地、濕地和水體三大系統(tǒng)，濕地定義的目的是為了將濕地與水體系統(tǒng)和陸地系統(tǒng)區(qū)分開來。將濕地與水體作為同一等級的自然地理系統(tǒng)（或生態(tài)系統(tǒng)）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(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者從水體中吸收營養(yǎng)，陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者從土壤中吸收營養(yǎng)。濕地生態(tài)系統(tǒng)是水陸過渡性生態(tài)系統(tǒng)，兼有兩者的特征，其生產(chǎn)者既有從水體中吸收營養(yǎng)的浮游植物和漂浮植物，也有從土壤中吸收營養(yǎng)的根生植物。沉水植物是從土壤中吸收營養(yǎng)的根生植物，沉水植物分布區(qū)的生產(chǎn)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(qū)顯然符合濕地生態(tài)系統(tǒng)的特征。沉水植物分布下限以外的生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者都是從水體中吸收營養(yǎng)，缺少從土壤中吸收營養(yǎng)的生產(chǎn)者，因而是水體生態(tài)系統(tǒng)。沉水植物分布下限淹水深可認(rèn)為是濕地生態(tài)系統(tǒng)的水文下界。因此，以挺水植物分布下界淹水深（即2m標(biāo)準(zhǔn)）作為濕地下界淹水深閾值值得商榷。

2.2關(guān)于“D閾值”的一致結(jié)論和評述

2.2.1“厭氧標(biāo)準(zhǔn)”評述NTCHS關(guān)于濕地土壤的定義是確定濕地D閾值的理論基礎(chǔ)，從水飽和開始至厭氧環(huán)境形成的時滯是D閾值確定的原則。NTCHS關(guān)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(huán)境，還是大多數(shù)年份(≥50%)形成厭氧環(huán)境就可稱為濕地土壤。從水飽和開始至厭氧環(huán)境形成的時滯是可測的，針對具體某一區(qū)類的濕地而言，這個時滯是相對穩(wěn)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(shè)區(qū)域內(nèi)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(xù)歷時14d所對應(yīng)的水位（與Pi點(diǎn)高程相同）。在地形剖面上，比此水位高30cm的地面高程點(diǎn)即滿足(-30cm,14d)的濕地水文邊界點(diǎn)（Ni點(diǎn)）。因此，根據(jù)(S,D)閾值可在地形剖面上確定濕地水文邊界點(diǎn)及其高程。這個邊界點(diǎn)雖然是根據(jù)水文指標(biāo)確定的，但它是濕地土壤鑒定的標(biāo)準(zhǔn)，因而也是濕地土壤的邊界點(diǎn)。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(wěn)定。不同年份根據(jù)(-30cm,14d)閾值及當(dāng)年的水位過程線在地形剖面上確定濕地土壤邊界點(diǎn)是不同的，例如，根據(jù)第j年的水位過程線和(-30cm,14d)標(biāo)準(zhǔn)確定的濕地土壤邊界點(diǎn)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(diǎn)。以哪個邊界點(diǎn)作為濕地土壤邊界點(diǎn)，取決于F值的大小，F(xiàn)值與濕地土壤邊界點(diǎn)及其高程有一一對應(yīng)關(guān)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(diǎn)，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(biāo)準(zhǔn)”也存在問題。根據(jù)“厭氧標(biāo)準(zhǔn)”確定的D閾值是穩(wěn)定的，隨著水文情勢的年際波動，穩(wěn)定的(S,D)閾值在地形剖面上對應(yīng)的濕地土壤邊界點(diǎn)也隨之波動，而實(shí)際上土壤邊界點(diǎn)相對穩(wěn)定。如圖1所示，對于穩(wěn)定的濕地土壤邊界點(diǎn)（B點(diǎn)），由于水位過程線每年都不同，穩(wěn)定的濕地土壤邊界點(diǎn)在不同年份水位過程線上對應(yīng)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(xiàn)值與D閾值的大小有一一對應(yīng)關(guān)系。(3)即使不考慮頻率問題，有些區(qū)域雖然經(jīng)常淹水或水飽和，但沒有形成可指示厭氧環(huán)境的土壤形態(tài)指標(biāo)。如許多富氧地下水排泄區(qū)或者土壤受富氧地表水浸潤的區(qū)域，盡管淹水或水飽和歷時足夠長，但沒有形成厭氧環(huán)境，可是它們并不是陸地土壤。“厭氧標(biāo)準(zhǔn)”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(xué)認(rèn)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(biāo)志的。形成厭氧環(huán)境所需的水飽和歷時是否使?jié)竦赝寥涝\斷層和診斷特征得以形成是檢驗(yàn)“厭氧標(biāo)準(zhǔn)”科學(xué)性的標(biāo)準(zhǔn)。一種土壤的形成有多種成土過程的作用，其中主導(dǎo)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(huán)境并不等于說厭氧過程就是主導(dǎo)的成土過程，厭氧過程指在厭氧環(huán)境下土壤中發(fā)生的物理、化學(xué)和生物過程，而在厭氧環(huán)境的形成過程中，土壤環(huán)境不是厭氧的。如果以“形成厭氧環(huán)境”作為鑒別濕地土壤的標(biāo)準(zhǔn)，那些剛形成厭氧環(huán)境和厭氧環(huán)境持續(xù)歷時很短的區(qū)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(huán)境的區(qū)域，如果水飽和歷時只有1～2d，厭氧過程不可能是主導(dǎo)的成土過程。案例研究也表明，根據(jù)“厭氧標(biāo)準(zhǔn)”確定的D閾值偏小，不能致使?jié)竦赝寥涝\斷層和診斷特征的形成。因?yàn)樯鲜隹茖W(xué)性問題的存在，以“厭氧標(biāo)準(zhǔn)”作為D閾值確定的理論基礎(chǔ)也必然存在著科學(xué)性問題。另外，以“厭氧標(biāo)準(zhǔn)”作為D閾值確定的原則只適合于濕地土壤發(fā)育成熟的“正常情況下”的濕地類型，不適合沒有發(fā)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(nèi)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(xué)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(zhì)，1987CorpsManual將這個定義應(yīng)用到土壤中。1988EPAManual和1989InteragencyManual都是根據(jù)生態(tài)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(biāo)準(zhǔn)（如“12.5%生長季長”標(biāo)準(zhǔn)），根據(jù)不同的生長季定義會得到不同的D閾值。②非生長季內(nèi)水飽和也可以促使厭氧環(huán)境形成。一般認(rèn)為，當(dāng)溫度低于5℃時，微生物的活動很微弱。實(shí)際上，非生長季的低溫并沒有阻止因微生物活動而導(dǎo)致土壤形成厭氧環(huán)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(huán)境所需的D值越短。如果按“12.5%生長季長”作為D閾值標(biāo)準(zhǔn)，生長季長的溫暖區(qū)域形成厭氧環(huán)境的D值要大于寒冷地區(qū)，而實(shí)際上溫暖地區(qū)形成厭氧環(huán)境所需要的D值比寒冷地區(qū)要短。另外，到了高緯和高山地區(qū)可能沒有生長季，因?yàn)橥寥罍囟瓤赡苓_(dá)不到生長季所要求的溫度，按“12.5%生長季長”標(biāo)準(zhǔn)，就不能形成濕地，但實(shí)際上這些區(qū)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(guān)于F的一致結(jié)論與評述因?yàn)樗那閯莸哪觌H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(xiàn)的頻率必須≥50%。雖然50%的F閾值得到大多數(shù)濕地科學(xué)家的認(rèn)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(diǎn)確定的標(biāo)準(zhǔn)（如果(S,D)值是穩(wěn)定的）或D閾值確定的標(biāo)準(zhǔn)（如果濕地土壤邊界是穩(wěn)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(xiàn)閾值是引起爭論的關(guān)鍵因素之一。

3（S,D,F）閾值研究應(yīng)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(xiàn)在：①確定D閾值的“厭氧標(biāo)準(zhǔn)”存在著科學(xué)性問題；②沒有建立檢驗(yàn)(S,D,F)閾值科學(xué)性的標(biāo)準(zhǔn)，這是目前(S,D,F)閾值存在科學(xué)性問題的關(guān)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(fā)育成熟的“正常情況下”的濕地類型，對于沒有發(fā)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(gòu)建相應(yīng)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(gòu)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(gòu)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(chǔ)，而不是主觀的規(guī)定。(S,D,F)閾值確定的方法必須在實(shí)地可行，針對具體區(qū)類的濕地，可以據(jù)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(gòu)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(yīng)用必須解決的問題，也必須構(gòu)建科學(xué)的理論和方法。(3)(S,D,F)閾值科學(xué)性檢驗(yàn)的理論和方法的構(gòu)建：根據(jù)所構(gòu)建的(S,D,F)閾值確定的理論和方法可以確定任一區(qū)類濕地的(S,D,F)閾值。所構(gòu)建的理論和方法是否科學(xué)？關(guān)鍵要看據(jù)此理論和方法確定的(S,D,F)閾值是否科學(xué)。如何檢驗(yàn)(S,D,F)閾值的科學(xué)性？也必須構(gòu)建科學(xué)的理論和方法。

4．結(jié)論

目前“淹埋深-歷時-頻率”(S,D,F)閾值研究的理論認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)”，滿足(S,D)閾值的年份出現(xiàn)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(qū)，因而D和F是穩(wěn)定的，關(guān)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(xué)的理論基礎(chǔ)，也得到了科學(xué)家們的一致認(rèn)可；F閾值的確定還缺乏充分的理論依據(jù)；確定D閾值的“厭氧標(biāo)準(zhǔn)”存在著科學(xué)性問題，也沒有檢驗(yàn)D閾值科學(xué)性的標(biāo)準(zhǔn)；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(gòu)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(xué)地解決(S,D,F)閾值問題，必須構(gòu)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(yàn)(S,D,F)閾值科學(xué)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(xué)院資源管理系 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所