寒区湿地演变驱动因子及其水文生态响应研究

论文摘要

扎龙湿地地处寒温带,其独特的地理位置使流域水文过程和生态过程紧密地耦合在一起,在调蓄洪水、净化水体、保护生物多样性等方面具有重要的作用。然而,近年来,受区域气候变化及人类活动的影响,湿地生态水文情势变化显著,湿地退化严重。本文针对扎龙湿地生态环境演变的驱动因子及水文生态对主驱动因子变化的响应关系进行研究,揭示湿地生态环境的演变机理,完善我国寒区湿地的退化与修复理论。主要研究内容和成果如下:（1）分析研究降水、径流等气象水文要素的变化特性,以揭示寒区湿地气象水文变化的基本规律;采用时间序列周期方差分析外推法对降水和上游来水径流变化周期进行分析,提取湿地水文周期;采用叠加趋势预测模型预测湿地区域降水量与上游来水径流量的变化趋势。结果表明:扎龙湿地降水量总体上有减少趋势,并呈现以21年为周期的周期性波动特征;年均气温呈波动式上升趋势;蒸发量年际间波动较大,但无显著变化趋势;上游来水径流量呈现逐年减少的趋势,并存在周期性的波动特征,12年为一个周期。（2）基于扎龙湿地生态水文特征,分析了区域气候变化和人为因素对生态水文的影响,用灰色相关法分析计算了湿地面积变化与气候因子的相关关系:以月和年两种时间尺度研究了影响湿地典型景观（水面）面积变化的显著气候水文主因子及典型景观（水面）面积变化对环境因子的敏感性,从而分离出湿地生态环境演变的主驱动因子,为第四章、第五章和第六章进行主驱动因子变化及湿地水文生态对主驱动因子变化的响应研究奠定基础。结果表明:扎龙湿地具有时空分异特征和脆弱性特征,气候环境与人为因素是湿地动态变化的主要影响因素:湿地面积与气候因子之间有较好的相关关系:湿地面积与气温和降水量分别为负相关和正相关,狄色关联系数分别为-0.617和0.467;月最高气温与湿地上游来水量是影响湿地景观（水面）面积变化的显著气候与水文主因子。（3）用逐月蒸发量修正系数改进两参数月水量平衡模型,建立扎龙湿地上游来水（乌裕尔河）径流模型。采用水文模拟方法,定量研究气候变化和人类活动对湿地上游来水径流变化的影响。结果表明,改进的两参数月水量平衡模型能较好地模拟湿地上游来水径流,湿地上游来水径流序列显著变化的转折年份为1981年;各年代径流量呈现递减趋势,90年代径流量减少明显,约为背景值的85%;90年代期间,气候变化是乌裕尔河流域径流减少的主要原因,其影响量约占径流总减少量的60%;80年代期间,人类活动是乌裕尔河流域径流减少的主要原因,其影响量约占径流总减少量的80%。（4）利用湿地水循环模型模拟上游来水径流量与水面面积的变化,以水面面积为湿地典型水文状态指标,研究自然来水频率下水文状态指标对湿地上游来水径流量变化的定量响应关系;选取芦苇覆盖面积、鸟类多样性和水质为湿地的生态环境指标,基于水文与生态环境的指标指数,研究湿地生态环境对水文状态变化的响应关系。结果表明:湿地年平均水面面积与年上游来水量的变化趋势一致;不同来水频率下,水面面积对来水量变化的响应程度不同;湿地生态环境指标的指数与水面面积指数的变化趋势基本一致,但生态环境指标的变化相对于水面面积有不同程度的滞后响应,滞后先后顺序为水质、芦苇覆盖面积、鸟类多样性;生态环境指标随水面面积的变化呈现波动趋势,当水面面积处于775-880 km2范围时,生态环境最好。（5）从大气-土壤的层面,研究了气候季节变化引起的湿地土壤环境变化及生态系统对土壤环境变化的响应,揭示了湿地水文生态对气候季节变化的响应关系:扎龙湿地芦苇沼泽的气温生长季节为3月29日～11月05日,约为248天,地温生长季节为5月29日～12月15日,约为200天;扎龙湿地季节性冻土广泛分布,土壤从每年的10月20日左右开始进入不稳定冻结期,第二年3月下旬达到冻结最大深度,3月5日左右开始消融到5月下旬全部消融;湿地的生态水文过程在很大程度上受季节性冻土及其水热状况的影响,季节性冻土的冻融过程有利于沼泽湿地的发育,同时对径流量和潜水位有重要影响,春末夏初增加径流量,秋冬季滞留降水,提高湿地的蓄水量。基于湿地气象水文要素的变化特性和生态水文特征分析,确定气候与水文因素中影响湿地生态环境演变的主驱动因子,从地表和土壤两个层面,研究湿地的水文生态对主驱动因子变化的响应关系,揭示湿地水文生态对气候变化与人类活动的响应以及湿地水文与生态系统之间相互影响、相互作用的关系,为正确修复与保护湿地提供理论依据和数据支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 题目来源
• 1.2 选题背景和研究意义
• 1.3 研究进展和现状
• 1.3.1 湿地生态水文过程研究
• 1.3.2 气候变化对湿地水文的影响
• 1.3.3 人类活动对湿地水文的影响
• 1.3.4 水文模型
• 1.3.5 湿地水文特征及其生态效应
• 1.3.6 湿地水文循环的生态效应
• 1.4 本文的目的、主要研究内容及拟解决的问题
• 1.4.1 本文的目的
• 1.4.2 主要研究内容
• 1.4.3 拟解决的关键性问题及实现方法
• 2 湿地气象水文特性及其变化趋势研究
• 2.1 湿地概况
• 2.2 资料来源
• 2.3 水文序列变化趋势分析方法
• 2.4 湿地气象水文变化特性
• 2.4.1 降水变化特性
• 2.4.2 气温变化特性
• 2.4.3 蒸发能力的变化特性
• 2.4.4 来水径流量变化特性
• 2.5 湿地水文周期变化及其趋势预测
• 2.5.1 降水量周期变化及其趋势预测
• 2.5.2 来水径流量周期变化及其趋势预测
• 2.6 小结
• 3 湿地生态水文特征及其与驱动因子的关系
• 3.1 生态水文特征
• 3.1.1 生态特征
• 3.1.2 水文特征
• 3.2 生态水文格局特征
• 3.2.1 时空分异特征
• 3.2.2 脆弱性特征
• 3.3 驱动因素分析
• 3.3.1 自然因素
• 3.3.2 人为因素
• 3.4 湿地消长动态变化与气候环境因子的关系研究
• 3.5 湿地景观面积变化对环境因子的敏感性分析
• 3.5.1 数据处理与分析计算方法
• 3.5.2 水面面积的年内变化及其相关显著的环境因子
• 3.5.3 水面面积的年际变化及其相关显著的环境因子
• 3.5.4 讨论
• 3.6 小结
• 4 湿地上游来水径流模拟
• 4.1 水文模型
• 4.1.1 模型选取
• 4.1.2 模型结构
• 4.2 模型参数率定与检验
• 4.3 模拟结果分析
• 4.4 龙安桥站径流量计算
• 4.5 气候变化和人类活动对上游来水影响的定量研究
• 4.5.1 径流变化成因分析方法
• 4.5.2 分析方法
• 4.5.3 乌双径流变化的阶段性
• 4.5.4 气候变化和人类活动对乌裕尔河依安站径流量的影响
• 4.6 小结与讨论
• 4.6.1 小结
• 4.6.2 讨论
• 5 湿地水文生态对上游来水量变化的响应研究
• 5.1 水文与生态指标选取
• 5.1.1 水文指标
• 5.1.2 生态指标
• 5.1.3 生境指标
• 5.2 湿地水循环模型
• 5.3 扎龙湿地的水循环特性
• 5.4 湿地水面面积对上游来水量变化的响应
• 5.4.1 上游来水特征
• 5.4.2 湿地水面面积对上游来水量变化的响应关系
• 5.5 湿地生态系统对水面面积变化的响应
• 5.5.1 评价指标指数的确定
• 5.5.2 生态环境指标对水面面积变化的响应
• 5.6 小结
• 6 湿地水文生态对气候季节变化的响应
• 6.1 定位观测
• 6.2 土壤水分时空分布及动态变化
• 6.2.1 土壤物理性质分析
• 6.2.2 土壤水分时间维动态变化
• 6.2.3 土壤水分垂直维分布特征
• 6.2.4 土壤水分空间分布特征
• 6.3 地温与植物生长季节
• 6.3.1 地温
• 6.3.2 地温与气温的相关性
• 6.3.3 湿地植物生长季节
• 6.4 季节性冻土分布特征
• 6.5 冻融过程土壤水热动态变化特征
• 6.5.1 土壤水分运移特征
• 6.5.2 土壤传热性能特征
• 6.6 季节性冻土的生态水文功能
• 6.6.1 季节性冻土促进沼泽湿地形成
• 6.6.2 季节性冻土冻融层的时空变化对径流的影响
• 6.6.3 季节性冻土冻融期潜水位变化特征
• 6.7 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士期间参加课题与完成论文情况
• 致谢