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湿地并非孤立的水文单元,而是动态的、复杂的栖息地,湿地内部以及湿地组分之间通过各种复杂的水文过程相互联系和影响,形成具有整体性和组织性的湿地系统。本研究采用多学科综合和跨学科交叉,综合考虑由河流、湖泊和水库等不同湿地组分构成的湿地系统,引入生态网络方法开展湿地系统理论和实践研究。针对湿地系统的自然和社会属性,以白洋淀流域为案例,开展了湿地系统整体特性分析、功能动态演化、生态需水配置以及流域尺度虚拟水核算四个层面的研究,为流域尺度的湿地恢复和水资源管理提供科学指导。主要成果如下：
⑴在图论的基础上,构建了白洋淀湿地系统网络模型,引入生态网络分析方法定量描述湿地系统的整体特性。通过对8种模拟情景定量研究湿地系统对外界扰动的反馈机理以及整体和部分的互动机制。结果显示,各类指标对不同的情景反馈不同。整体指标对网络结构和流量变化的敏感度高于比例指标,而AMI(Average mutual information)的敏感性最低。而对于网络结构的变化,各类指标均表现出较高的敏感性。
⑵将白洋淀湿地系统与美国奥克弗诺基沼泽湿地系统进行了对比分析,丰富湿地系统的理论的同时,验证网络分析方法的适用性。综合上述研究结果,我们认为湿地系统是在一定的气候、水文、地形、土壤和植被条件下形成的有机整体,系统整体和部分之间存在着密切而复杂的互动关系,而其内在运行机制可通过生态网络分析方法的定量描述和表征。
⑶基于流量-状态-响应模型,开展湿地系统动态评价和整体恢复研究。采用20年时间序列研究,判断湿地系统的动态演化规律并开展湿地系统的功能状态评估。利用相关的功能评价指标构建系统偏离指数,用来分析湿地系统功能退化的程度和原因。结果显示,研究期内湿地系统功能持续退化,退化指数由0.689上升至0.962,最后增大到1.089,湿地系统在第二阶段退化的程度最大,而春季和秋季是湿地系统退化的主要季节,人为原因是湿地系统退化的主导因素。相关的结果用来指导流域尺度的生态需水配置,提供了重要河流、水库和湖泊节点的生态需水配置推荐值,以期实现流域湿地系统的整体恢复。
⑷由于上述网络评价方法是基于系统湿地组分之间流量过程构建的,各湿地组分的存量未能体现在评价指标中,可能造成分析结果不够全面和准确。为弥补上述不足,引入并细化了综合考虑系统流量和存量的网络评价指标对湿地系统进行动态功能评估。结果表明,该指标具有更好的区分度,能更准确和敏感地反馈系统特征变化。研究期内湿地系统持续退化,退化指数由1.06上升至1.28,最后增大到1.43,第二阶段是湿地系统退化的主要阶段,而人为原因是湿地系统退化的主导因素。采用新的功能评价指标构建了系统偏离指数,用来分析湿地系统功能退化的程度和原因,并将相关的结果用来指导流域湿地生态需水配置。
⑸考虑到白洋淀流域水资源的紧缺现状,开展了流域尺度的虚拟水研究,核算流域各产业单元的水足迹结构。在此基础上,建立流域虚拟水贸易网络模型并引入生态网络分析,判断虚拟水贸易情景下各用水单元的依赖关系、互利水平以及最终的消费结构,提出实现流域合生态需水配置提供新的策略和方法,最终为流域水资源政策提供有效的信息,协调经济、社会和生态关系以实现流域可持续发展。
⑹综合上述研究成果可以发现,湿地系统和整体层次的评价、分析和研究是实现湿地保护、恢复和可持续利用的重要基础,而生态网络分析方法为此提供了有力的理论和技术支持。由于湿地系统的网络分析仅仅处于相关研究的起步阶段,需要更多的理论和实践研究,这些都让我们对生态网络方法提出了更多的期待。