湿地水文发生学因素范文

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1（S,D,F）阈值研究概述

1.1地表淹水或土壤水饱和持续历时阈值（D阈值）研究

1.1.1湿地上界处“D阈值”研究根据NTCHS湿地土壤定义[10]，形成湿地土壤所需的D阈值即从土壤水饱和开始到厌氧环境形成的时滞（时间滞后的简称，指一行为从启动到产生结果的时间段，确定D阈值的这个标准简称为“厌氧标准”）。厌氧环境的形成不仅有赖于土壤的湿度，也与温度、土壤有机质、微生物与有机质种类和数量、不同水源补给的溶解氧含量、pH及其他环境因素的变化有关，因而不同区类（不同自然地理区、不同类型）的湿地从土壤水饱和开始至形成厌氧环境的时滞各不相同。例如，Hudnall和Szogi[21]的研究发现，某些自然土壤在6、7月间的暴雨后几乎马上就形成了厌氧环境。Tiner[22]的研究发现，有些土壤中厌氧环境的形成只需1～2d时间。Larson等[23]的研究表明，有机质含量高的渍水土壤，在洪泛后2～3d内就可形成厌氧环境。加利福利亚大多数地区的土壤从水饱和开始到厌氧环境形成的历时约7d[11]，而在南加利福利亚水饱和持续至少30d才能形成厌氧环境[24]。Faulkner等[25]的研究发现，不同类型的土壤，厌氧环境形成的时滞为7～14d，有的多达28d。因此，不存在适用于所有区类湿地的、唯一确定的D阈值，不能将从某区类湿地研究得出的D阈值应用到其他区类的湿地中[1-5,17,20]。USACE(U.S.ArmyCorpsofEngineers)和EPA(theEnvironmentalProtectionAgency)认为，形成湿地植被所需的D阈值的确定应以“支持以适生于土壤水饱和环境下的植物占优势的植物群落”为原则[2-3,20,26]，但USACE和EPA并没有以此原则确定湿地植被上界的D阈值。目前湿地上界处D阈值的确定都是以“厌氧标准”为原则。

1.1.2湿地下界“D阈值”研究湿地土壤和湿地植被下界位于常年淹水区中，D为常数，湿地下界处水文阈值主要为S阈值问题。

1.2“淹埋深-历时”阈值（（S,D）阈值）发生的频率阈值（F阈值）研究因为水文情势的年际波动，陆地可能在某些年份满足形成湿地的(S,D)阈值条件，水体也可能在另外一些年份满足形成湿地的(S,D)阈值条件，而湿地也可能在这些年份不满足形成湿地的(S,D)阈值条件。因此，区域是否具有形成湿地的水文条件不是以某年是否满足(S,D)阈值来判断，而是相对一定保证率而言。多数学者认为，当满足(S,D)阈值的年份出现的频率≥50%时，才具有形成湿地的水文条件。在湿地下界处，因水文情势的年际波动，挺水植物分布下限也是波动的，一般用挺水植物分布下限淹水深的多年平均值作为湿地下界D阈值，而不是用F≥50%对应的淹水深作为湿地下界D阈值。

1.2（S,D,F）阈值标准比较美国是世界上(S,D,F)阈值研究最前沿的国家，由于美国不同州、不同部门和不同领域对湿地的管理有不同的目的和责任，因而采用不同的(S,D,F)标准。表1列出了美国最有影响的(S,D,F)阈值标准、《湿地公约》以及中国学者提出的(S,D,F)阈值标准。由于一致认为(S,D)阈值发生的F阈值应取≥50%，因而表1中没有给出F阈值。绝大多数国家都接受《湿地公约》标准，将滨海湿地与深水系统之间的淹水深度阈值规定为低潮时水深6m，并把陆地上所有水体都纳入湿地，因而内陆湿地没有下界淹水深度阈值。《湿地公约》缔约国有权扩大或缩小湿地边界范围，说明湿地上界(S,D,F)阈值是根据需要主观规定的。如果说《湿地公约》对湿地上界的规定是基于湿地有效管理的话，它既没有给出边界标准，也无约束力。表1中中国学者提出的阈值标准没有理论基础，没有用于科学研究，也没有用作湿地管理边界的界定标准，实际上没有得到国内学者的认可。美国各种(S,D)阈值确定的理论基础一致，即S阈值确定的原则是“水饱和至地表”，D阈值确定原则是“厌氧标准”。基于相同的理论，不同文献给出不同的(S,D)阈值，一方面因为不同的(S,D)阈值是不同学者或机构基于不同区类湿地研究得出的；另一方面，不同部门或机构根据不同的管理目的主观地选择某一(S,D)阈值作为监管湿地的判别标准。在这些湿地界定手册中，1987CorpsManual的标准直到现在仍然是广为接受的湿地界定标准。

2．“淹埋深-历时-频率”阈值研究的一致结论及评述

2.1关于“S阈值”的一致结论及评述

2.1.1湿地上界处“S阈值”的一致结论及评述水饱和至地表的地下水最大埋深即形成湿地土壤所需的地下水埋深阈值，这个阈值就是毛管边缘带的厚度。优势植物主要根系分布层下界是形成湿地植被的地下水埋深阈值，但在实际应用中一般是以“水饱和至地表”作为确定S阈值的原则。S阈值的确定具有一定的理论基础，也得到了科学家们的一致认可，但是，目前S阈值确定的理论只适合湿地土壤和湿地植被发育成熟的“正常情况下”的湿地类型，对于没有发育湿地土壤或（和）湿地植被的“非正常情况下”湿地类型而言，S阈值如何确定？目前还没有构建科学的理论和方法。

2.1.2湿地下界处“S阈值”的一致结论及评述一致认为，应以挺水植物分布下限淹水深度作为湿地下界S阈值，因为挺水植物分布下限的淹水深度一般不会超过2m，因此，USACE和EPA将“2m标准”作为湿地下界淹水深度阈值[2]。EPA[2,20]在净水法案404条款中将美国水体系统划分为“深水系统”和“特殊水生生境”，后者又划分为6种类型：①保护区和避难所；②湿地；③泥滩；④生长植被的浅滩；⑤珊瑚礁；⑥浅滩和水塘复合体。这里所说的“湿地”是“美国水体系统”中“特殊水生生境”的一个子类。EPA“湿地”定义的目的是要将“湿地”与深水系统、陆地系统以及其他“特殊水生生境”的子系统区分开来。按照EPA的观点，年均淹水深度≥6.6ft(2m)的区域生长着沉水植物，是生长植被的浅滩，而不是湿地。年均淹水深在2m以内的区域，如果生长的也是沉水植物，也是浅滩，而不是湿地。EPA实际上是将挺水植物分布的下界作为“湿地”与“浅滩”的边界，将“2m标准”作为区分“湿地”与“浅滩”的淹水深阈值。在湿地科学定义的研究中，将地表自然地理系统（或生态系统）划分为陆地、湿地和水体三大系统，湿地定义的目的是为了将湿地与水体系统和陆地系统区分开来。将湿地与水体作为同一等级的自然地理系统（或生态系统）时，沉水植物是属于湿地植物还是属于水生植物决定了浅滩是属于湿地还是水体？水体生态系统的生产者从水体中吸收营养，陆地生态系统的生产者从土壤中吸收营养。湿地生态系统是水陆过渡性生态系统，兼有两者的特征，其生产者既有从水体中吸收营养的浮游植物和漂浮植物，也有从土壤中吸收营养的根生植物。沉水植物是从土壤中吸收营养的根生植物，沉水植物分布区的生产者同时包括根生植物（沉水植物）和浮游及漂浮植物，沉水植物分布区显然符合湿地生态系统的特征。沉水植物分布下限以外的生态系统的生产者都是从水体中吸收营养，缺少从土壤中吸收营养的生产者，因而是水体生态系统。沉水植物分布下限淹水深可认为是湿地生态系统的水文下界。因此，以挺水植物分布下界淹水深（即2m标准）作为湿地下界淹水深阈值值得商榷。

2.2关于“D阈值”的一致结论和评述

2.2.1“厌氧标准”评述NTCHS关于湿地土壤的定义是确定湿地D阈值的理论基础，从水饱和开始至厌氧环境形成的时滞是D阈值确定的原则。NTCHS关于湿地土壤的定义至少存在以下几个问题：(1)定义中没有频率的限制，没有说明是每年都必须形成厌氧环境，还是大多数年份(≥50%)形成厌氧环境就可称为湿地土壤。从水饱和开始至厌氧环境形成的时滞是可测的，针对具体某一区类的湿地而言，这个时滞是相对稳定的。如图1所示，将地形剖面和年水位过程线叠放在一张图上。假设区域内形成湿地的(S,D)阈值测定为(-30cm,14d)，在第i年的水位过程线上，可以确定与连续历时14d所对应的水位（与Pi点高程相同）。在地形剖面上，比此水位高30cm的地面高程点即满足(-30cm,14d)的湿地水文边界点（Ni点）。因此，根据(S,D)阈值可在地形剖面上确定湿地水文边界点及其高程。这个边界点虽然是根据水文指标确定的，但它是湿地土壤鉴定的标准，因而也是湿地土壤的边界点。由于水文情势的年际变化，每年水位过程线都不同，而(S,D)阈值相对稳定。不同年份根据(-30cm,14d)阈值及当年的水位过程线在地形剖面上确定湿地土壤边界点是不同的，例如，根据第j年的水位过程线和(-30cm,14d)标准确定的湿地土壤边界点是Nj。如果有n年的水文观测资料，则可确定n个湿地土壤边界点。以哪个边界点作为湿地土壤边界点，取决于F值的大小，F值与湿地土壤边界点及其高程有一一对应关系。NTCHS湿地土壤定义没有给出F阈值，不能确定湿地土壤边界点，因而不能用于湿地土壤鉴别。(2)虽然在(S,D,F)阈值研究中给出了F阈值(≥50%)，“厌氧标准”也存在问题。根据“厌氧标准”确定的D阈值是稳定的，随着水文情势的年际波动，稳定的(S,D)阈值在地形剖面上对应的湿地土壤边界点也随之波动，而实际上土壤边界点相对稳定。如图1所示，对于稳定的湿地土壤边界点（B点），由于水位过程线每年都不同，稳定的湿地土壤边界点在不同年份水位过程线上对应的D阈值每年都不相同。第i年的D阈值是Di，第j年的D阈值是Dj，两者显然不相等。如果有n年的水文观测资料，则可确定n个D阈值。D阈值如何确定也取决于F值的大小，F值与D阈值的大小有一一对应关系。(3)即使不考虑频率问题，有些区域虽然经常淹水或水饱和，但没有形成可指示厌氧环境的土壤形态指标。如许多富氧地下水排泄区或者土壤受富氧地表水浸润的区域，尽管淹水或水饱和历时足够长，但没有形成厌氧环境，可是它们并不是陆地土壤。“厌氧标准”排除了这些长期受富氧水淹没或浸渍的湿地类型。(4)土壤学认为,湿地土壤的形成是以湿地土壤诊断层和诊断特征作为鉴别标志的。形成厌氧环境所需的水饱和历时是否使湿地土壤诊断层和诊断特征得以形成是检验“厌氧标准”科学性的标准。一种土壤的形成有多种成土过程的作用，其中主导的成土过程决定了土壤类型及其诊断层和诊断特征的形成。形成了厌氧环境并不等于说厌氧过程就是主导的成土过程，厌氧过程指在厌氧环境下土壤中发生的物理、化学和生物过程，而在厌氧环境的形成过程中，土壤环境不是厌氧的。如果以“形成厌氧环境”作为鉴别湿地土壤的标准，那些刚形成厌氧环境和厌氧环境持续历时很短的区域不可能形成湿地土壤诊断层和诊断特征。例如，那些只须水饱和1～2d即可形成厌氧环境的区域，如果水饱和历时只有1～2d，厌氧过程不可能是主导的成土过程。案例研究也表明，根据“厌氧标准”确定的D阈值偏小，不能致使湿地土壤诊断层和诊断特征的形成。因为上述科学性问题的存在，以“厌氧标准”作为D阈值确定的理论基础也必然存在着科学性问题。另外，以“厌氧标准”作为D阈值确定的原则只适合于湿地土壤发育成熟的“正常情况下”的湿地类型，不适合没有发育湿地土壤的“非正常情况下”的湿地类型。

2.2.2删除生长季在确定D阈值时，必须去除生长季的限制，即不能仅将生长季内的水饱和历时作为D阈值。原因主要有以下3个方面：①不同学者对生长季有不同的定义，不同生长季定义决定的生长季长不同。Cowardin等将生长季定义为无霜期，但将这个定义仅用于非土壤底质，1987CorpsManual将这个定义应用到土壤中。1988EPAManual和1989InteragencyManual都是根据生态0℃(5℃，41℉)定义生长季。1991ProposedManual将生长季定义为终杀霜后第三周至终杀霜前三周。按同一标准（如“12.5%生长季长”标准），根据不同的生长季定义会得到不同的D阈值。②非生长季内水饱和也可以促使厌氧环境形成。一般认为，当温度低于5℃时，微生物的活动很微弱。实际上，非生长季的低温并没有阻止因微生物活动而导致土壤形成厌氧环境的过程。③使用生长季长的百分比作为形成湿地D阈值往往是错误的。一方面，纬度越低，温度越高，生长季越长；另一方面，温度越高，微生物活动越旺盛，形成厌氧环境所需的D值越短。如果按“12.5%生长季长”作为D阈值标准，生长季长的温暖区域形成厌氧环境的D值要大于寒冷地区，而实际上温暖地区形成厌氧环境所需要的D值比寒冷地区要短。另外，到了高纬和高山地区可能没有生长季，因为土壤温度可能达不到生长季所要求的温度，按“12.5%生长季长”标准，就不能形成湿地，但实际上这些区域也有湿地分布。因此，在确定形成湿地的D阈值时，必须去除生长季的限制。

2.3关于F的一致结论与评述因为水文情势的年际波动，要具备形成湿地的水文条件，满足(S,D)阈值的年份出现的频率必须≥50%。虽然50%的F阈值得到大多数湿地科学家的认可，但从理论上讲，可以选取不同的F值作为湿地土壤边界点确定的标准（如果(S,D)值是稳定的）或D阈值确定的标准（如果湿地土壤边界是稳定的），这也就使得在研究形成湿地的水文条件和定义湿地时，F阈值是引起争论的关键因素之一。

3（S,D,F）阈值研究应解决的问题

上述分析表明，目前在(S,D,F)阈值研究中，存在的问题主要表现在：①确定D阈值的“厌氧标准”存在着科学性问题；②没有建立检验(S,D,F)阈值科学性的标准，这是目前(S,D,F)阈值存在科学性问题的关键原因之一；③目前(S,D,F)阈值研究的理论和方法都是针对湿地土壤和湿地植被发育成熟的“正常情况下”的湿地类型，对于没有发育湿地土壤或（和）湿地植被的“非正常情况下”湿地类型(S,D,F)阈值的研究还没有构建相应的理论和方法。要解决(S,D,F)阈值研究中存在的这些问题，必须构建确定(S,D,F)阈值的新的理论体系，主要包括以下3个方面：(1)正常情况下湿地类型(S,D,F)阈值确定的理论和方法的构建：包括湿地上界处(S,D,F)阈值确定的理论和方法以及湿地下界处淹水深度阈值确定的理论和方法。这些理论必须基于一定的理论基础，而不是主观的规定。(S,D,F)阈值确定的方法必须在实地可行，针对具体区类的湿地，可以据此理论和方法得出唯一的(S,D,F)阈值。(2)“非正常情况下”湿地类型(S,D,F)阈值确定的理论和方法构建：(S,D,F)阈值研究一般都是基于“正常情况下”典型样地的，“非正常情况”一般难以直接获取(S,D,F)阈值，如何从“正常情况下”确定的(S,D,F)阈值推演出“非正常情况下”的(S,D,F)阈值？是(S,D,F)阈值应用必须解决的问题，也必须构建科学的理论和方法。(3)(S,D,F)阈值科学性检验的理论和方法的构建：根据所构建的(S,D,F)阈值确定的理论和方法可以确定任一区类湿地的(S,D,F)阈值。所构建的理论和方法是否科学？关键要看据此理论和方法确定的(S,D,F)阈值是否科学。如何检验(S,D,F)阈值的科学性？也必须构建科学的理论和方法。

4．结论

目前“淹埋深-历时-频率”(S,D,F)阈值研究的理论认为：在湿地上界处，S阈值的确定原则是“水饱和至地表”，D阈值确定的原则是“厌氧标准”，满足(S,D)阈值的年份出现的频率必须≥50%才具备形成湿地的水文条件。在湿地下界处，因位于常年淹水区，因而D和F是稳定的，关键是S问题，目前一般是挺水植物分布下限淹水深作为湿地下界S阈值。对(S,D,F)阈值确定的理论和方法的分析表明：S阈值的确定原则具有科学的理论基础，也得到了科学家们的一致认可；F阈值的确定还缺乏充分的理论依据；确定D阈值的“厌氧标准”存在着科学性问题，也没有检验D阈值科学性的标准；特别是目前(S,D,F)阈值确定的理论和方法都是针对“正常情况下”湿地类型的，没有构建“非正常情况下”湿地类型(S,D,F)阈值确定的理论和方法。为了科学地解决(S,D,F)阈值问题，必须构建新的(S,D,F)阈值研究理论和方法，包括“正常情况下”和“非正常情况下”(S,D,F)阈值研究的理论和方法以及检验(S,D,F)阈值科学性的理论和方法。

作者：殷书柏 沈方 李子田 付波霖 单位：唐山师范学院资源管理系 中国科学院东北地理与农业生态研究所