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  三江平原沼泽湿地生态试验站简介

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  三江平原沼泽湿地生态试验站(简称三江站)隶属于中国科学院东北地理与农业生态研究所,位于三江平原腹地的黑龙江省同江市东南部(47°35N,133°31 E),始建于1986年,1992年加入中国生态系统研究网络(CERN),2005年成为国家野外观测研究站。三江站以三江平原沼泽湿地为主要研究对象,开展沼泽湿地生态系统要素和主要生态过程长期定位观测和科学研究,已成为我国多类型湿地生态过程、湿地资源保护及生态与环境安全管理等研究的综合研究基地。 

  

  

  一.研究方向: 

  面向国家资源环境与生态安全战略和长期生态系统研究的需求,针对国家社会经济发展中有关湿地生态环境和湿地生态学中的科学问题,三江站主要研究方向为:1)沼泽湿地生态系统物质循环与能量转化过程与长期演变规律;2)沼泽湿地生态系统结构、功能及环境效应;3)退化与垦殖沼泽湿地生态系统恢复与可持续管理;4)垦殖湿地农田土壤与水资源可持续利用及优化管理。  

  二.建站目标: 

  根据国家生态网络台站的总体布局,建成研究力量雄厚、人才队伍结构合理、设备先进、生活设施完善、通信交通便利、环境优美的我国沼泽湿地生态系统野外研究站,使之成为:区域沼泽湿地生态与环境要素长期监测基地;沼泽湿地生态领域及相关学科的试验研究与观测平台;退化沼泽湿地修复技术研究、集成与示范基地;国内外湿地合作研究与人才培养基地。 

  三.研究内容: 

  1、区域沼泽湿地资源及气候环境要素长期系统观测研究:通过长期系统定位观测,研究三江平原沼泽湿地生态系统的水文、土壤、大气、生物等要素动态变化规律及演变趋势,探明全球变化、人类活动对区域沼泽资源与农业生态环境的影响及沼泽湿地生态系统在目前人类干扰情况下演替规律,提出沼泽湿地资源保护的基本对策,为加强区域湿地资源保护提供科学依据。  

  2、沼泽湿地生态系统物质循环与能量转化过程:研究沼泽湿地系统生源物质(C、N、S、P)基本循环过程和主要驱动机制,探明气候变化和人类活动对生源物质地化过程的影响潜势;研究沼泽湿地水文传输与能量传递的耦合过程,揭示沼泽地表地-气间水分和温室气体交换规律及其对能量传输过程的相应机制,预测全球气候变化情势下区域沼泽湿地系统温室气体“源-汇”效应的改变趋势。 

  3、沼泽湿地生态系统结构、功能及环境效应:通过区域调查和长期定位观测,研究以三江平原沼泽湿地为代表的我国东北寒温带低平原湿地生态结构特征和功能,评价沼泽湿地在物种保育、洪水调节、净化污染等方面的生态功能;深入分析目前大面积垦殖情况下沼泽生态系统不同时空尺度上的结构和功能的退化机制,进行宏观的科学湿地生态景观规划,为维系沼泽正常结构和功能提供优化方案。 

  4、 退化与垦殖沼泽湿地生态系统恢复和管理及水土资源可持续利用:提出典型区退化湿地恢复的途径,根据恢复退化湿地的地理与生态环境特征确定具体的恢复路线,确定退化湿地恢复过程中的主要监测指标等主要采用工程与生物相结合的方法进行恢复;根据不同恢复阶段的主要生态及工程措施,构建沼泽湿地保护、恢复的技术体系,并建立退化湿地恢复试验示范区;通过揭示湿地格局形成与区域水文和土地利用格局的关系及区域农业种植结构与模式,提出基于湿地保护与农业水土资源可持续发展的合理化建议。 

  5、建立三江平原沼泽湿地生态数据库:建立区域沼泽湿地资源数据库、土地利用数据库、观测资料数据库、研究成果等数据库,构建三江平原生态综合知识库,为国家湿地研究、生态系统网络研究提供可靠的数据资料,为沼泽湿地生态系统优化管理及区域农业生产决策提供咨询,为从事沼泽湿地研究的国内外学者构建研究信息平台。 

  四.主要成果: 

  1、沼泽湿地系统界面水通量与水平衡研究 

  通对长期定位观测,揭示了沼泽湿地植物群落蒸散发量及界面通量变化规律,建立了沼泽蒸发模型及沼泽性河流降雨径流模型。明确了维持沼泽湿地生态系统平衡的水分消耗特征,发现沼泽湿地蒸发量是水面蒸发量的1~2倍,稻田蒸发量比沼泽湿地高10%~28%,得出沼泽湿地生长季总蒸散发量为420~430mm,为沼泽湿地生态保育的水调节提供了科学依据。  

  2、三江平原沼泽湿地演变过程与生物多样性变化研究 

  近50年来三江平原景观结构发生了重大改变,流域湿地纵向景观梯度特征趋于单一化,横向景观梯度特征基本丧失,景观隔离度由80年代的49%上升到目前的98%;景观多样性指数降低,物种丰富度减少。湿地景观破碎化是50余种高等植物濒危的主要原因,沼泽湿地植物群落已发生逆向演替,由毛果苔草群落为主(密度29%~58%),向小叶章草甸群落为主(密度45%~65%)演变。 

  积水水位是影响沼泽湿地植物物种密度与多样性指数变化的关键因素,沼泽湿地水位条件是影响植物优势群落变化的关键因子;物种密度随积水深度增大而降低;较浅积水条件下(0~20cm)生物多样性指数增加,积水深度增大则生物多样性指数明显降低。外源氮、磷输入对沼泽湿地植物生产力及物种多样性产生显著影响,一定氮输入条件下,植物生物量明显增加,植物的碳积累量增加,但过多的氮输入则不利于碳的生物累积,且不同湿地植物对氮输入的生理响应存在一定的差异。外源磷输入后物种密度呈减少趋势,植物多样性指数降低,而氮输入后表现为一定的氮素输入植物多样性指数有所增加,但浓度过度植物多样性指数又减小的规律。   

  3、人类活动影响下沼泽湿环境变化及生态效应研究 

  三江平原沼泽湿地经历4次大规模开垦后(由534.5万hm2减少到104.1万hm2,耕地由78.6万hm2增加到508万hm2),感热通量由原来占辐射平衡的20%增加到65%,局地气温平均升高1.2~2.3℃,降水量平均减少2.0 mm/a以上,使区域水热平衡规律发生明显改变。通过研究三江平原主要河流-挠力河流域上、中、下游沼泽率与最大洪峰流量时间序列关系,发现沼泽率高的下游区最大洪峰流量时间序列比上游低50%,证明了沼泽湿地具有显著的水文调节功能和均化洪水的重要作用。上世纪70年代以前,挠力河流域沼泽湿地基本为自然状态,旱、涝灾害发生频率分别为23.8%和33.3%,当流域内96%的低湿草甸被垦殖为农田、45%的沼泽湿地转化为低湿草甸后,旱、涝灾害发生频率分别增至33.3% 和47.9%,灾频率增加10%~15%。明确了沼泽湿地具有较强的水质净化功能,研究表明,三江平原毛果苔草和乌拉苔草沼泽对农田水中的氮、磷净化率分别为39.5%和42.0%;芦苇沼泽对氮、磷的净化率分别达59.7%和66.6%。沼泽土壤对水中的总氮、硝态氮和铵态氮的截留效率均达到90%以上。但沼泽湿地对外源氮、磷的净化能力有一定的阈值,沼泽湿地对其净化能力是有限的,只具有一定限度的净化作用,是湿地生态系统管理中参照的关键参数。   

  4、沼泽湿地碳、氮生物地球化学过程研究 

  明确了三江平原沼泽湿地碳的生物累积特征与分配模式,即沼泽湿地生物碳累积率与植物生长率有关,植物碳的分配模式为初期累积于地上部分,随植物的生长逐渐向地下部分积累,地下部分碳累积量大于地上部分,根际土壤活性有机碳的含量峰值与植物成熟期一致,与根层土壤有机碳的季节性变化。 

  三江平原沼泽湿地土壤有机碳季节性动态与土壤纤维素酶、淀粉酶、ß-葡萄糖苷酶酶活性密切相关,较高生产力、过饱和水分条件、较低年均土壤温度、有机质低分解速率和较长的分解周期是导致沼泽湿地土壤碳的累积主要原因。沼泽湿地枯落物分解速率的主要影响因素为近地面气温、近地表空气湿度,分解速率随时间呈指数递减趋势,但不同类型湿地枯落物的分解速率存在差异。土壤有机物碳矿化的主要控制因素为根层土壤温度及土壤水分条件,60%田间持水条件下有机物的分解速率最高,不同土壤层有机物的分解速率不同,表层土壤(0~10cm)有机物分解速率最大。估算出三江平原泥炭平均沉积速率约0.028cm.yr-1~0.043cm.yr-1。 

  人类活动造成的外源氮输入对三江平原沼泽湿地生态系统碳过程有重要影响。氮输入会导致沼泽湿地有机质分解速率发生变化,表现为过多的外源氮输入对常年积水沼泽湿地有机物质的分解有抑制作用,而非淹水条件下,氮的输入后有机物质的分解速率明显大于淹水条件。   

  5、沼泽湿地垦殖与退耕还湿过程中土壤质量变化研究 

  沼泽湿地垦殖后,生长季根层土壤平均温度高于天然沼泽湿地3℃~4℃,冻土层融通时间提前55~62天,土壤温度的升高和土壤水分条件的变化对土壤有机碳及氮矿化产生较大影响。湿地开垦导致土壤有机碳、氮含量下降。垦殖初期(5~7 年)农田表层土壤有机碳损失较快,15~20 年后趋于平缓,相对稳定在25g/kg 左右。开垦后5 年土壤有机碳含量减少60%左右,年均减少12%;开垦后5~15 年减少15%,年均减少1.5%;15~35 年减少5%,年均减少0.25%,主要表现为重组有机碳组分所占比例增大,土壤游离态轻组有机碳及水溶性有机碳含量明显降低。然而,随着垦殖时间的增长,DOC/TOC比值缓慢的增大,长期垦殖导致水溶性有机碳在土壤有机碳中的分配比例增加,这样更容易造成土壤有机碳的损失。在湿地开垦初期的1~3 a,土壤微生物量碳含量迅速下降,下降率高于总有机碳,3a 之后下降率开始低于总有机碳。沼泽湿地垦殖后,土壤微生物商、基础呼吸迅速降低,qCO2值明显增加。从目前的分析结果来看,湿地开垦后无论是种植水稻还是旱地作物并不影响土壤有机碳的相对变化量。 

  垦殖湿地农田退耕后,表层土壤有机碳有明显的增长趋势,表层土壤有机碳含量要恢复到未开垦小叶章湿地水平,大约需要17年左右时间。垦殖农田退耕3-9年间,土壤微生物量碳的增长速度显著高于总有机碳,能有效地指示该阶段土壤有机碳的动态。但是,水溶性有机碳增长速度始终低于土壤总有机碳。  

  6、沼泽湿地与湿地农田生态系统地-气间碳、水交换研究 

  明确了沼泽湿地为大气CO2的汇、CH4的源,季节性冻融作用对沼泽湿地碳收支的关键影响因素(影响沼泽湿地水文条件、水通量及土壤活性碳组分等变化),冻融作用过程及所造成的湿地水文条件变化共同影响着沼泽湿地碳过程。不同类型沼泽湿地CH4排放具有明显的时、空分异特征,三江平原沼泽湿地CH4排放通量是若尔盖高原沼泽湿地排放通量的4.7~5.4倍,土壤呼吸通量是其的近2.5倍。研究发现春季融雪积水对年度CH4排放量起决定作用,冻融期CH4排放在全年CH4排放量中占有重要份额(15%~23%),冻融期温室气体排放量明显增加,但冬季冰雪覆盖期沼泽湿地表现为N2O的吸收。水位波动、表层土壤温度、植物生长状况及Eh条件是决定沼泽湿地含碳气体排放通量季节性变化的主要环境因子,降水条件变化是决定含碳气体排放通量年际变化的主要因素,且与土壤水溶性有机碳和氮素含量密切相关。 

  沼泽湿地、稻田和大豆田碳通量具有基本一致的季节变化模态,但强度有明显差异。湿地开垦种植水稻使得碳固定强度增加,但种植大豆导致强度减弱。沼泽湿地CH4 排放明显高于开垦后的水稻田,这种差异在植物生长旺季(7-8 月份)尤为明显。7~8 月份稻田平均CH4 排放通量为7.8 mg.m2.h-1,沼泽湿地则高达22.9 mg.m2.h-1,是稻田的近3倍。 

  外源氮输入导致含碳气体排放量增大,而土壤活性有机碳如溶解有机碳含量明显降低。同时,过高的外源氮输入也引起沼泽湿地生态系统CO2净交换量降低,但氮输入没有改变沼泽湿地碳“汇”的功能,只是减弱了其作为碳“汇”的功能。外源氮输入也导致沼泽湿地全球增温潜势(GWP)明显提高,在长、短时间尺度上都将增强CH4和N2O的温室效应。  

  五.研究队伍:  

 

 

 

 

 

 姓名

学位

职称

职务

任务分工

宋长春

博士

研究员

站长

土壤监测

张光

学士

工程师

副站长

后勤管理

路永正

博士

副研究员

职工

水文监测

乔田华

硕士

工程师

职工

气象监测

郭跃东

博士

副研究员

职工

气象监测

杨桂生

博士

高级工程师

职工

土壤监测

赵志春

硕士

高级工程师

职工

生物监测

张新厚

硕士

助理研究员

职工

生物监测

宫超

硕士

助理研究员

职工

土壤监测

张加双

硕士

助理研究员

职工

水文监测

谭稳稳

硕士

助理研究员

职工

水文监测

石福习

硕士

助理研究员

职工

生物监测

 

 

 

 

 

 
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