小微濕地研究綜述：定義、類型及生態系統服務

崔麗娟,雷茵茹,張曼胤,李 偉

1 中國林業科學研究院濕地研究所, 北京 100091 2 濕地生態功能與恢復北京市重點實驗室, 北京 100091 3 北京漢石橋濕地生態系統國家定位觀測研究站, 北京 101399

濕地是全球生物多樣性最高的生態系統之一,為人類的健康和福祉提供了多種生態系統服務。但是隨著工業和城市化發展,全球濕地遭受了嚴重的破壞。1970年至2015年間,全球濕地面積減少了約35%[1]。如何遏制濕地的快速消失和退化,成為世界各國學者和政策制定者共同關心的重要議題之一。但相比之下,大型濕地受到了更多的關注,也實施了更為完善的保護措施,而面積較小的濕地,卻常常在現有的濕地保護體系、保護名錄和濕地資源調查中“缺席”[2]。例如全球國際重要濕地的平均面積為106310 hm2,我國國家級濕地類型自然保護區的平均面積為220500 hm2[3-4]。濕地政策,例如美國施行的“零凈損失”政策和濕地緩解銀行,也曾傾向于通過恢復或者重建少量的大型濕地,來彌補眾多被占用和破壞的小型濕地[5]。這些被忽略和替代的小型濕地,其生態系統服務價值被嚴重低估,成為了隱形消失的自然資產。

自20世紀60年代起,美國、英國和愛爾蘭等發達國家陸續開展了針對草原湖穴、池塘等小型濕地的生態調查和保護恢復工作[6-8]。我國小微濕地的研究正處于起步階段,有少量文獻介紹了小微濕地的概念、管理和營造技術[9-10],缺乏對小微濕地內涵、分類體系、生態特征和生態功能等的清晰界定和系統梳理。本文介紹了小微濕地研究興起的背景,總結了小微濕地面積范圍和分類體系,梳理了小微濕地累加作用和景觀特征,并著重分析了小微濕地在維護關鍵生物種群、提供生物遷移踏腳石、促進雨洪管理和水質提升,以及營造城鄉優美景觀等方面發揮的重要作用,以期為我國逐步興起的小微濕地建設、恢復及保護提供科學參考。

1 小微濕地的面積和特征

以往的研究中出現過小型濕地(small wetland)、小尺度濕地(small-scale wetlands)、小塊濕地(small patches of wetlands),微型濕地(micro wetlands)、迷你濕地(mini-wetland)、濕地鑲嵌體(wetland mosaics)等不同名詞[2,11-13]。可以看出,這些概念大部分都是強調濕地面積的“小”和“微”。面積是決定小微濕地生態特征的核心要素之一。

1.1 小微濕地的面積

目前,關于小微濕地的面積還沒有清晰的范圍界定。生態學家一般通過考慮局域種群所需的生境面積、種群生存力等確定棲息地或者自然保護地的面積[14]。在國內外開展的相關研究和濕地恢復實踐中,小微濕地的面積根據其所保護的種群類型和功能,從0.1 hm2到幾十hm2不等(見表1),其中1 hm2左右的小微濕地在維持爬行和兩棲動物多樣性上發揮了重要作用。

表1 小微濕地的保護對象及其面積范圍

政策制定者則是從濕地調查的精度或管理的角度來界定小微濕地的面積。例如,我國第二次全國濕地資源調查的起調面積為8 hm2[25],因此許多管理條例、辦法將面積小于8 hm2的濕地界定為小微濕地。隨著濕地調查技術的快速發展,許多國家和地區都在不斷縮小濕地調查的起調面積。美國陸軍工程兵團的濕地恢復法案修訂版將濕地起調面積由4 hm2降低為1.2 hm2[26]；蘇格蘭制定的《池塘、水塘和小內湖：蘇格蘭小水體管理和建設的優秀實踐指南》中將小于2 hm2作為小型濕地的起調面積；英國在2007年鄉村普查中調查了0.0025—2 hm2范圍的池塘[9]；北京市在2018年啟動的濕地資源調查中,將濕地的起調面積進一步縮小為0.0667 hm2[27]。

1.2 小微濕地的特征

1.2.1小微濕地的累加作用

一般來說,濕地生態系統功能與其面積大小密切相關。傳統的景觀生態學認為,濕地面積在一定范圍內與物種的種類和數量顯著相關,面積越大的濕地具有更多樣的生境,可以維持更多的物種生存。隨著島嶼生物地理學理論與集合種群理論的發展,相關研究表明小微濕地之間的連接性和目標物種的最小生境面積,均是影響小微濕地生態功能的重要因素[28- 29]。如果在一個大的地理區中擁有數量眾多的小型濕地,因為它們的分布更廣泛,具有更多變的氣候、土壤、地質和土地利用情況,生境異質性更高[15,30],因此在特定情況下比同等面積的獨立大型濕地發揮更重要的生態功能。

1.2.2小微濕地的景觀特征

小微濕地的斑塊形狀各異,斑塊內部和邊緣區域的物質循環和能量流動存在較大差異。相比與大型濕地,同等面積的小微濕地通常具有更長的水陸岸線長度和生態交錯區面積[31],可增強某些特殊的生態過程。同時,小微濕地通常作為離散斑塊存在于大型濕地之間,可以作為物種遷移的“踏腳石”,尤其對一些遷移距離不遠的兩棲動物和部分昆蟲等提供關鍵棲息地,同時也為某些濕地水鳥生命周期的特定階段提供停歇地和棲息地[32]。有些小微濕地是地理上的孤立斑塊,能夠為某些珍稀和隔離的物種提供庇護所,促進分區物種的形成[33]。

2 小微濕地的分類

濕地生態系統結構復雜,濕地類型在不同區域差異很大,致使濕地存在多種分類系統。與濕地分類系統相對應,小微濕地也存在不同的分類方法。

2.1 依據地理位置分類

按照與大型濕地的位置關系,小微濕地可以劃分為(1)與大型濕地相聯系的小微濕地,以及(2)地理位置上相對獨立的小微濕地(Geographically isolated wetlands, GIW)。前者因為與大型濕地同處于一個大的地理區位,屬于大型濕地的附屬部分,因此類型也與大型濕地相對應,如流域中的小型沼澤濕地,河流濱水濕地,天然滲流區、水文通道沿岸的潮濕洼地、與排水區相連的溝渠等[2]。這些小微濕地能夠豐富大型濕地的生境類型,提高整個區域的生境異質性。后者是指與上下游水域缺乏明顯地表水聯系的一類小微濕地[34]。Tiner將美國的小型獨立濕地按照地理位置分為了9個不同類型,包括(1)大陸中部草原和草原盆地濕地,包括草原壺穴、鹽湖、雨水盆地濕地和沙丘濕地；(2)半沙漠和沙漠盆地及平原濕地,包括鹽湖、鹽灘、河道疤地和沙漠泉等；(3)冰穴濕地；(4)大西洋海灣沿岸平原盆地濕地,包括德瑪瓦半島壺穴、卡羅萊納州港灣和淺沼澤等；(5)卡斯特盆地濕地,包括柏樹穹頂和石灰石天坑等；(6)春池濕地,包括西海岸春池和森林春池等；(7)濱海潮間帶濕地；(8)五大湖矮灌木濕地；(9)不活躍的河漫灘濕地[35]。這些小型濕地往往分布有一些獨特的物種,或者某些物種的亞種或變種等,成為獨特的生境類型。

2.2 依據水文周期分類

小微濕地的水文周期,包括積水的時間和泛洪的頻率等。Boulton和Brock依據水文周期將小微濕地分為5類,包括(1)短暫型濕地,只有在突發性暴雨和徑流后存在,一段時間后自然消失,只能支持少量水生生物短期存在；(2)偶然型濕地,10年內大概有9年是干枯的,經歷少量不規則的泛洪,保持濕潤的時間持續幾個月,大部分是陸生植物區系,生長著少量水生植物,有一些擴散能力強或抗旱能力高的動物存在；(3)間歇型濕地,干濕交替存在,但是淹水頻率不太規則,泛洪時間可能持續數月或數年,水生植物在岸帶生長,有適宜短期水體的動物生存,也為其他動物提供繁殖或覓食地；(4)季節性濕地,每年干濕交替存在,在雨季保持濕潤,在旱季變干,大部分植物和動物能夠完成它們的生命周期；(5)近永久型濕地,規律性泛洪,水位波動,10年內大概有1年是干枯的,生存的生物大部分都不具有耐旱性[36]。這種分類方法在分析氣候變化影響下,小微濕地水文情勢變化對其生態功能影響時具有獨特的優勢[37]。

2.3 按照人為干擾影響程度分類

按照人為干擾影響程度劃分,小微濕地既包括自然演變形成的河流(寬度一般在5 m以下)、溝、蕩、泡沼、溪流、河浜、泉、潭等天然濕地；也包括坑塘、養殖塘、陂塘、水田、城市景觀水面、雨水濕地和凈化濕地等人工濕地。隨著人類活動干擾加劇,許多城市和農業用地周圍的天然小微濕地在城市化進程中逐漸消失。人工型小微濕地多根據人們需求,以人工建造或者人工控制為主,受人類活動影響大,其凈化、景觀、休閑娛樂等社會服務功能被顯著增強。

2.4 按照主導生態系統服務分類

小微濕地受到面積的制約,通常不能發揮大型濕地所具有的完備的生態系統服務,但會發揮某種或某幾種主導功能。以主導的生態系統服務劃分小微濕地,更有利于體現出小微濕地的特點和功能,也能更直接地指導小微濕地的恢復和建設實踐。表2列舉了小微濕地提供的主導生態系統服務,但是這些主導生態系統服務通常不是單一存在的。例如,有時水質凈化型小微濕地同時也是景觀游憩型小微濕地和科普宣教型小微濕地。

表2 基于主導生態系統服務的小微濕地分類

3 小微濕地的主導生態系統服務

小微濕地具有獨特的水文、地理特性和生物地球化學過程,因此也提供了一些大型濕地無法提供的生態系統服務。

3.1 提供關鍵物種生境

濕地是眾多瀕危野生動植物,特別是珍稀水禽的棲息、繁殖和越冬地。由于面積的限制,小微濕地不可能成為大型哺乳動物或大型水鳥永久的棲息地,但是卻是某些特殊動物、植物的重要生境。

兩棲動物和爬行動物不一定需要大型的或植物區系多樣的濕地,小型的、結構簡單的濕地通常對它們具有更高的價值。小微濕地中的水體通常較淺,會隨著季節變化淹水或干涸,水位變化增強了濕地的初級生產力,有利于旱生植物和水生植物同時存在[38],為兩棲動物和爬行動物提供相對充足的食物。因為一年中只有部分時間有水,不適合食肉性魚類生存,減少了捕食兩棲動物卵和幼體的機會,提高了兩棲動物的存活率[39]。此外,與周邊濕地相連的某些小微濕地,如河漫灘上的水塘、與地表水相連的溝渠等,可為多種魚類提供重要的產卵和育苗場所[2]。含鈣和鎂離子較高的巖溶洞穴濕地(面積通常小于0.25 hm2)則是某些罕見的耐鈣植物的生存場所[40]。

3.2 生物遷移踏腳石

在提供棲息地之外,小微濕地還可增加景觀的連通性來促進生物多樣性的保護。隨著如疏浚、排水和填埋等人類活動加劇,天然的大型濕地斑塊逐漸破碎化,影響了那些遷移能力不強的小型濕地動物。例如青蛙、蠑螈和小型哺乳動物的平均散布距離一般小于0.3 km,爬行動物的散布距離一般小于0.5 km[39]。小微濕地可以作為這些動物遷移過程中的“踏腳石(Stepping Stone)”,提高動物在遷移中的存活率[41](如圖1)。例如北美豹蛙(Lithobatespipiens)和美洲牛蛙(Lithobatescatesbeianus)習慣在水位較深的濕地越冬,遷移到小微濕地覓食和繁殖,然后返回深水棲息地冬眠[37]。

圖1 小微濕地作為生物遷移的“踏腳石”Fig.1 Small wetlands as stepping stones for biological migration

3.3 支撐周圍的食物鏈

小微濕地也可以為周圍生態系統中的動物如食肉昆蟲、蛇、烏龜、鳥類和小型哺乳動物等提供食物[42],提高生態系統營養層級的復雜性,使生態系統更為穩定。Moler和Franz提出,生活在1 hm2小微濕地及其周圍的蟾蜍可以養活附近1000 hm2的蛇類種群[17]。Eldridge[43]發現小微濕地通常比大型濕地更容易解凍,因此在早春時期筑巢的雌鳥和雛鳥更容易在小型濕地中捕食到更多的無脊椎動物。

3.4 水文與雨洪調節

小微濕地被認為是濕地生態水文網絡中的節點,從縱向、橫向、垂直和時間四個維度連接景觀[56]。與較大面積的濕地相比,小微濕地具有更小的內緣比,意味著同等面積下,小微濕地岸線更長。岸帶區域是植物生長密集區域,因此小微濕地有更高的蒸散率,多個小微濕地的累加作用在流域尺度上有可能更有效減少徑流[31]。如果流域上游存在多個小型濕地,流域下游的濕地能更有效地衰減洪水[44]。在濕地恢復工程中,如果限于場地原因只能在流域下游修建濕地,那么沿著河道修建一些小微濕地,比單獨地建造一個大型濕地更能削減洪水徑流[45]。例如,Evrard等在比利時的研究表明,修建小型蓄水性池塘,可以減少流域40%的峰值流量[46]。Schmied[4]的研究表明,小微濕地在均化洪水的同時,能夠在干旱時期為流域提供基流。世界野生動物基金(World Wildlife Fund, WWF)和濕地國際(Wetland International, WI)在萊茵河流域,通過在泛洪區修復或新建小微濕地(報告中稱為Nature Sponges,天然海綿)來實現雨洪管理,初步評估結果顯示當地向萊茵河輸入的支流的洪峰降低了5%—8%[47]。

在城市區域,小微濕地是為數不多保持滲透性的區域,能將雨洪水滲透到地下。海綿城市就是充分考慮了城市雨洪與濕地的密切關系,通過設置引水裝置,收集城市雨洪水并進行凈化,既緩解了城市內澇的發生,又解決了景觀中的水體平衡和水質問題[48]。

3.5 凈化水質

濕地的凈化功能與植物配置、水力停留時間、基質類型等要素較為相關。有研究表明凈化型小微濕地的單位面積凈化效率可能要高于大型濕地[2]。小微濕地通過調控可具有更動態變化的水位,好氧(高地)和厭氧(濕地)的土壤條件能夠交互出現,從而增強土壤中微生物的反硝化過程[49]。例如,Capps等的研究發現美國緬因州中部的春池濕地是凋落物分解、反硝化和酶活性最為活躍的區域[50]。

溝渠類型的小微濕地也具有很強的水質凈化功能,通常作為緩解農業面源污染的緩沖區域[51]。最具有代表性的一類水質凈化型小微濕地是人工處理濕地,因其面積小、使用靈活、運行成本低等特點,被廣泛應用于生活污水、牲畜糞便、餐飲油脂污水的處理中[52]。實踐表明,多個面積較小的處理單元級聯耦合而成的人工處理濕地,通常具有更高的處理效率[53]。

3.6 景觀游憩與自然教育

濕地能夠為人類提供親近自然的體驗與游憩空間,如公園水景營建、城市河道修復、人居環境改善等[54]。近20年來我國城市化進程進入快速推進階段,城市化率由1992年的27.46%提高到2019年的60.60%[55]。隨著城市發展日漸成熟,城市范圍內可以用作建設濕地景觀的生態空間變得越發有限,小微濕地的出現滿足了城市居民對多樣游憩空間的需求,同時其也成為了各類城市用地之間的生態緩沖區域。任全進[10]和高利雪[56]指出在各類城市綠地建設中恢復與營造小微濕地,是未來城市景觀建設的新方向。

此外,還可以通過展示小微濕地生態系統、多樣的濕地動植物群落,水質凈化效果等,為自然教育提供材料和實驗基地。在北京市野生動物救護與繁育中心依托園區內的小型人工處理濕地開展了豐富的濕地宣教活動,成為獨特的戶外課堂,展示了濕地的生態功能,傳播了濕地保護理念。

3.7 其他生態系統服務

除此之外,小微濕地還能提供儲蓄水源、生產供給、調節局地小氣候等服務。在水源貧瘠區域,積水的露巖、溶石孔等可以為當地居民提供臨時水源[57]。某些特定類型的小微濕地,如稻田、藕塘、魚塘、葦塘等可以向人類提供食物、原材料等各種直接和間接可利用資源。一些復合式小微濕地產業模式,如江蘇省潮間帶灘涂貝類養護基地、西溪濕地柿基魚塘、珠江三角洲泡沼基塘等經過實踐證明能夠優化濕地資源利用,實現濕地可持續發展[58-59]。此外,小微濕地可以通過影響周圍的氣溫和濕度來調節局地小氣候[60]。

與此同時,小微濕地也可能也會帶來一些負面影響。人工處理濕地在凈化污水的過程中會生產和排放甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)等溫室氣體[61]；凈水塘和雨水蓄留型濕地,其滯留的水體和茂密的植被為蚊蟲提供了孳生場所,會為當地居民帶來健康風險[62]。

4 展望與建議

2018年,《濕地公約》第十三次締約國大會接受并通過了由中國提交的“小微濕地保護管理(Conservation and Management of Small Wetland)”決議草案,呼吁各締約國關注小微濕地發揮的重要生態功能,以及在氣候變化和城市化發展中面臨的日益增長的威脅風險。在該項決議的指導下,針對小微濕地的調查、保護和修復將成為全球未來濕地管理工作的一項重要內容。

我國的濕地保護方針經歷了從優先性保護到全面保護的轉變,并逐漸向精細化管理發展。2016年底,國務院辦公廳印發的《濕地保護修復制度方案》提出“將全國所有濕地納入保護范圍”,“實行濕地面積總量控制”,通過“先補后占,占補平衡”的辦法確保濕地面積不減少,濕地質量不下降[63]。在隨后各省出臺的配套落實文件中,部分省市提出了專門針對小微濕地保護管理的政策導向,如北京市要求建立小微濕地臺賬,并打造以小微濕地為主的城市濕地。浙江省等也開始探索小型池塘、溝渠、河浜的治理和恢復。小微濕地的恢復與建設,在某種程度上契合了目前高密度人口國家和地區生態建設的重要需求,在區域城市化水平高,水資源、空間資源和土地資源緊缺的情況下,廣泛推進小微濕地的恢復建設,能夠精準補充區域生態本底資源的不足和生態空間的空缺。

在小微濕地恢復與建設蓬勃發展的契機下,未來應加強小微濕地機理研究,關注小微濕地生物地球化學循環和關鍵水文生態過程,探究面積、形狀、地理區位與水文聯通性等要素如何影響小微濕地的生態系統服務；研發提高空間分辨率的遙感技術,提升小微濕地的識別精度。同時,建議將小微濕地建設與管理與現行的濕地保護體系有機結合。針對小微濕地開展專項資源調查,了解小微濕地的資源總量和分布情況。將小微濕地納入濕地監測體系,了解小微濕地動態變化情況。并進一步將小微濕地建設與城市雙修、鄉村人居環境綜合整治等深度整合,通過建設一批農村分散型污染處理濕地、城市海綿濕地、城市景觀游憩濕地等具有特殊主導功能的小微濕地,促進生態宜居城市和美麗鄉村建設。最后,應盡早制定國家、行業及地方小微濕地標準,指導小微濕地恢復與建設的科學開展。

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