三江平原湿地类型分化的地下控制：垂直基质异质性在852农场湿地演化中的作用

《Water》：Subsurface Controls on Wetland-Type Differentiation: The Role of Vertical Substrate Heterogeneity in the Sanjiang Plain, Northeast China

　　

三江平原维系着全球重要的淡水沼泽生态系统，但集约化农业开垦已导致广泛的湿地丧失与破碎化。基质异质性在湿地类型分化中的作用仍认识不足。本研究以中国东北三江平原八五二农场为对象，采用便携式钻探与剖面调查刻画5 m深度内基质属性。建立了涵盖物理–水文、养分–生物、矿物–地球化学及化学–氧化还原属性的四类指标体系。运用基于GIS的空间分析与GeoDetector模型识别与湿地类型分化相关的基质因子，并量化其深度依赖的解释力及交互作用。基质构型表现出较强的解释力（q = 0.485）。因子重要性随深度变化：粒度变量在上层最强；pH、TiO₂和MnO在1 m处最强；有机质、Na₂O和SiO₂在5 m处仍具影响。上层粒度格局与质地相关的入渗和排水一致，而1 m处广泛的交互作用及5 m处异质的交互作用表明基质属性间存在深度特有的耦合。交互分析显示，许多因子对的解释力大于单因子，部分因子对呈非线性增强。交互作用在1 m处最广泛，在5 m处强但异质。结果表明，湿地类型分化与基质结构、水文条件、养分保持及矿物–地球化学过程间的深度依赖耦合有关。研究结果支持将基质条件纳入湿地恢复规划，并可为三江平原退化湿地适宜恢复区域识别及目标湿地类型选择提供依据。

研究背景方面，湿地是陆地与水生生态系统相互作用形成的生态过渡带，提供水源涵养、气候调节、养分循环和生物多样性维持等关键服务。然而，气候变化与强烈人类活动已导致全球范围内广泛的湿地丧失与退化，湿地生态系统破碎化、生态功能削弱，影响温室气体通量、洪水调节、蓄水及生物多样性保护。联合国生态系统恢复十年（2021–2030）将湿地列为优先事项，《昆明–蒙特利尔全球生物多样性框架》目标2要求到2030年至少30%的退化陆地、内陆水域、沿海和海洋生态系统得到有效恢复。现有湿地分类系统（Ramsar分类系统、Cowardin系统、水文地貌分类系统HGM、加拿大湿地分类系统CWCS及中国国家标准GB/T 24708-2009）及湿地演化研究主要关注地表水文、植被群落、气候变化、土地利用和景观格局，而对为湿地发育提供物质基础的基质，尤其是其垂直异质性及其与湿地类型分化的关系关注有限。在三江平原等低地湿地中，沉积环境、地下水过程与农业开垦长期相互作用，共同塑造了复杂的湿地环境；即使地表特征相似，地下基质的层序结构和理化性质也可能存在显著差异。因此，从基质异质性视角考察湿地类型发育，可为退化湿地的类型化恢复提供新的科学依据。三江平原由松花江、黑龙江和乌苏里江冲积形成，拥有世界最大的淡水沼泽湿地集中分布区之一，同时也是重要商品粮产区。自20世纪50年代以来，大规模农业开垦将自然湿地景观转变为农田主导的镶嵌格局；尽管中国自1992年加入《拉姆萨尔公约》以来加强了湿地保护与管理，但长期农业发展导致的湿地破碎化和水文连通性破坏在局部尺度上依然严重。八五二农场位于三江平原中部，经历了广泛的湿地向农田转化，除大型保护湿地外仅存孤立小型湿地，湿地排水也暴露出大面积地表基质，为浅层钻探、剖面观测和基质属性分析提供了有利条件，是研究强烈人为扰动下湿地退化与存续的代表性区域。

研究人员围绕八五二农场开展研究，将湿地类型发育的考察从地表水文、植被和土地利用拓展至基质及其垂直结构，具体回答四个问题：（1）八五二农场基质构型的空间分布如何？（2）单个基质因子及其垂直属性如何影响湿地类型分化？（3）不同湿地类型间基质结构与理化性质有何差异？（4）基质异质性如何为退化湿地的保护与恢复提供依据？研究得出，湿地类型分化并非由单一地表因子控制，而是与多种基质属性及其深度依赖组合相关；基质构型在各深度具有稳定解释力（q = 0.485），pH和有机质分别在1 m和5 m处解释力最高；近地表格局主要与粒度组成和基质构型相关，容重解释力持续较低；1 m层跨组交互最广泛，2 m层交互中等且局部化，5 m层交互强但异质。许多因子对的解释力大于单因子，部分呈非线性增强。研究表明基质结构、水文条件、养分保持与矿物–地球化学过程间存在深度依赖耦合，为将基质条件纳入湿地恢复规划、识别适宜恢复区域和目标湿地类型提供了科学依据。

在技术方法上，研究采用便携式钻探（采样密度为每4 km²一个点位，共156个钻孔、684个土壤样品，采样深度为地表0 m及1、2、5 m）与人工剖面调查（3个代表性剖面BWD01、BWD02、BWD03，分别代表沼泽草甸、森林沼泽和内陆泥滩，剖面规格2 m×1 m×2 m，采样间隔10 cm），结合室内理化分析建立基质属性数据库；湿地类型与空间分布数据来源于中国第三次全国国土调查。空间分析采用基于GIS的空间叠加分析与GeoDetector模型（因子探测器与交互探测器），数值指标经反距离权重插值生成30 m×30 m网格并离散化为6个自然断点类别，四个深度均保留497个共同网格单元用于跨深度比较；采用化学蚀变指数（CIA）表征化学风化程度。

研究结果方面，4.1 湿地类型发育的基质驱动因子识别：GeoDetector结果表明湿地类型空间分化不受单一地表因子主导，而受多种基质因子及其深度依赖属性共同控制；基质构型（X4）在各深度q值稳定为0.485，被确定为主导空间分化的主要基质因子。物理–水文因子在表土和1 m层解释力强，黏粒（Clay，X1）q值分别为0.421和0.546，砂粒（Sand，X3）为0.456和0.495，粉粒（Silt，X2）为0.414和0.434；5 m处黏粒仍具影响（q = 0.405），粉粒解释力弱（q = 0.101）；容重（BD，X5）解释力持续较弱（q = 0.029–0.033）。养分–生物因子呈异质深度格局，有机质（OM，X6）由表土0.107升至5 m处0.537，总碳（TC，X7）在表土至2 m中等（q = 0.282–0.330）但5 m降至0.071，总氮（TN，X8）在5 m处达峰，P₂O₅（X9）在1 m和5 m处较高。矿物–地球化学与化学–氧化还原因子呈强深度特异性，1 m层单个q值最高，尤其pH（X20）、TiO₂（X12）和MnO（X18），CaO（X15）、MgO（X16）和Se（X19）也在该深度达最大值；2 m处SiO₂（X10）、pH和K₂O（X13）中等；5 m处Na₂O（X14）和SiO₂影响最大。主导因子组合随深度变化：表土主要受基质构型与粒度组成共同控制；1 m处物理因子仍具影响，同时pH、TiO₂、MnO、Se、CaO和MgO解释力较高，呈现物理、化学与矿物–地球化学因子的最强联合影响；2 m处多数因子中等或较低，TC、SiO₂、pH和K₂为主导；5 m处OM、Na₂O、黏粒和TN解释力较高。4.2 基质驱动因子的交互效应：交互探测器显示许多因子组合解释力大于单因子，交互q值在1 m处分布最广，5 m处强但更异质；多数因子对q(Xi∩Xj)超过任一单因子，呈双因子或非线性增强。物理–水文因子在各深度与其余三组因子均发生交互；粒度组成与基质构型调节孔隙几何、渗透性和蓄水能力，有利于长期淹水和还原条件发育；基质构型在多个深度与其他因子强交互，可能是地表水文过程与地下物质组成间的重要结构纽带；容重未表现出一致的强交互格局。1 m层高q值交互分布最广，2 m层交互矩阵整体较弱且局部化，5 m层交互矩阵对比强烈并出现多个跨因子组高q带。4.3 关键驱动因子对湿地类型发育的影响：4.3.1 基质构型的空间分布——依据地貌部位、沉积成因和物质组成划分出12个基质单元，基质构型呈清晰地貌分带，东南部丘陵以残积丘陵土壤–基岩构型为主，中部阶地主要为冲洪积阶地土壤，河流与水库周边为冲洪积河漫滩沉积，西北部平原大面积覆盖细粒冲湖积平原土壤；整体由西北向东南由侵蚀地貌向沉积地貌、由浅层粗粒物质向厚层细粒沉积过渡。丘陵类面积13024.19 ha，含5种构型；阶地类3494.76 ha；河漫滩类9412.78 ha；平原类冲湖积平原土壤23189.32 ha，为最大基质构型单元。4.3.2 基质构型与湿地类型的关系——空间叠加分析显示残余湿地主要分布于水域单元和冲洪积河漫滩基质；水域单元内内陆泥滩277.82 ha，反映其与河湖水位波动及周期性淹没–出露的密切关联；残余陆地湿地249.32 ha，主要分布于冲洪积河漫滩土壤及冲洪积河漫滩土壤–砂。沼泽草甸在冲洪积河漫滩土壤上占优，覆盖51.37 ha，占该基质湿地面积的81.68%，该基质以细粒粉砂和黏土为主、保水能力强，利于有机质积累和湿生草本群落存续；内陆泥滩在冲洪积河漫滩土壤–砂上占优，覆盖142.36 ha，占76.61%，砂质组分高渗透性限制长期水分和有机质保持，形成间歇淹没和频繁干湿交替；森林沼泽仅零星分布，是残积丘陵土壤–千枚岩上唯一识别的湿地类型，坡麓残积物下伏致密变质基岩，降水与坡面径流汇聚可形成浅层滞水和还原性土壤条件；冲湖积平原土壤上仅存0.60 ha湿地且均为内陆泥滩，这并非表明该基质本身不适宜湿地发育，而很可能反映集约化农业改造下的湿地退化。4.4 三种湿地基质剖面的站点尺度比较：4.4.1 沼泽草甸剖面特征——剖面以粉砂沉积为主，表层暗色松散泥炭层，下伏灰白色潜育化底土并见锈色斑纹，指示长期缺氧还原条件；约1.2 m以下蓝黑色水饱和层渐与上覆沉积过渡；粒度数据集中于粉砂端元，容重总体低于其他两剖面；1 m为重要地球化学转换深度，以下CIA升高而SiO₂/Al₂O₃降低，指示碱金属阳离子淋失增强和铝质黏土矿物相对富集；Fe₂O₃/MnO随深度显著变化，指示Fe、Mn活化与再沉淀受水位波动和交替氧化还原条件影响；pH 5.6–6.4呈弱酸性；OM、TC和N在约0.4 m处达峰，0.6 m以下明显下降后趋稳，P₂O₅随深度渐增。4.4.2 森林沼泽剖面特征——剖面为残积–坡积物，表层明显泥炭–腐殖质层，下伏潜育化表土和底土，持续高水位维持还原条件，周期性水位波动形成锈色斑纹和铁锰结核，最深为致密黏质粉砂；粒度集中于粉砂与黏土端元；CIA约63–70，化学风化弱于其他两剖面；Fe₂O₃/MnO在0.6 m处达峰后随深度变异减小；pH 6.6–7.1近中性；OM、TC和N在0–0.3 m较高并随深度递减。4.4.3 内陆泥滩剖面特征——表层仅薄层有机泥炭，指示持续泥炭积累潜力有限而受洪水脉冲和沉积作用强烈影响；下伏潜育化粉砂含丰富橙红色斑纹和铁锰结核，指示淹没期缺氧促进Fe、Mn活化而水位下降或短期出露导致局部氧化和再沉淀；约1.1 m处多个地球化学指标突变，CIA 70–90较高，可能部分继承自上游物源；Fe₂O₃/MnO在此深度达峰，与剖面观测的铁锰斑纹和结核对应；pH 6.2–6.6弱酸性；OM、TC和N在上部和中部相对富集并于约0.6 m达峰，P₂O₅深层变化明显并在约1.7 m出现局部峰值。4.4.4 三种湿地剖面综合比较及其水文控制——三个剖面均以细粒沉积为主（粉砂和黏质粉砂，部分层位含少量砂），低渗透性和高保水能力限制垂直排水、延长水–基质接触并维持浅层饱和，表明三个调查站点具有共同的沉积与水文背景；站点特定地貌部位、沉积环境和垂直基质结构进一步调节水位波动、淋溶强度、氧化还原条件和元素迁移，进而影响植被建立和有机质积累。三种湿地类型受不同水文情势控制：森林沼泽为表层通气而深层持续饱和，利于木本植被和潜育化；内陆泥滩主要受洪水脉冲控制，周期性淹没与出露引起显著氧化还原振荡和Fe–Mn再分配；沼泽草甸位于低平地形、排水不畅、持水时间长的环境，持续湿润和缺氧抑制有机质分解，促进表层碳和养分积累。

讨论部分总结：5.1 基质异质性对湿地类型发育的水文与水文地球化学控制——八五二农场湿地类型空间分化不受单一基质属性或深度控制，而是基质构型、粒度组成、有机质与养分条件、矿物组成及氧化还原环境共同作用的结果；基质构型建立空间框架，粒度和容重调节水文过程，有机质、碳和氮支撑生态系统功能，矿物组成和氧化还原条件控制深层稳定性；基质构型不直接决定湿地类型，而是通过调节水文过程营造有利或限制性湿地生境。交互探测器表明湿地类型发育不能由单一指标完全解释，基质水文功能可能反映多属性间交互，且交互强度随深度变化。水文过程可能将基质物理性质与养分循环和氧化还原反应联系起来：低渗透基质和持续淹水促进缺氧还原条件，抑制好氧分解，利于有机质、总碳和总氮保存；分解释放的有机酸可改变pH并促进Fe、Mn还原活化及其在氧化界面再沉淀。因子解释力和交互格局随深度变化：表层以粒度组成和基质构型交互较突出，与表层质地和孔隙结构对入渗和排水的影响一致；容重单因子解释力低且无强交互格局；1 m层可能是跨组交互强烈的过渡带，剖面中该深度常见锈色斑纹和铁锰结核，可能指示反复氧化还原振荡；2 m层基质构型仍较有影响，TC、SiO₂、pH、K₂O和黏粒中等，交互总体中等并见局部高q值；5 m层有机质和Na₂O解释力最高，黏粒、TN、P₂O₅和SiO₂仍较有影响，交互强但异质，古湖泊和古河道环境沉积的深层黏土和粉砂可能有助于保水和局部还原条件，深层基质因而可能为湿地水文持续性和水文地球化学条件提供重要边界条件。5.2 基于基质异质性的类型化湿地恢复建议——湿地类型发育不仅取决于表层土壤性质和当前水文条件，还取决于更深部沉积结构、物质组成和地球化学环境；数十年农业开垦后残余湿地多为在有利基质条件下留存的残存斑块，其当前分布不能完全代表湿地发育的自然潜力；恢复优先区不应仅由土地利用类型或残余湿地面积决定，而应综合基质条件、水文恢复潜力和人为扰动强度，支持分区保护、类型化恢复和分层监测；恢复调查与监测应超越表层土壤，将地貌部位、沉积成因、粒度组成和垂直结构纳入保护区划和恢复适宜性评估；连续细粒沉积、高保水能力和适宜地下水条件的区域可优先恢复，但基质适宜性本身不保证恢复可行性，还需考虑水资源可得性、地表水–地下水连通性、排水设施、土地利用冲突和实施成本；冲洪积河漫滩土壤和冲湖积平原土壤细粒沉积丰富、保水能力强，在水源充足和排水可控条件下可优先保护和恢复沼泽草甸；冲湖积平原土壤上湿地虽少，但很可能反映长期排水和农业发展导致的湿地丧失而非恢复潜力低，恢复应着重重建浅层地下水情势，限制沟渠扩张、深耕和工程开挖以保护地下细粒保水层；冲洪积河漫滩土壤–砂更可能支持内陆泥滩，恢复应着眼于恢复自然水位波动和河漫滩连通性；森林沼泽保护应聚焦微地形、表层腐殖质层和局部滞水条件，在残存斑块周边建立缓冲区，减少排水、土地平整和林下土壤扰动。5.3 局限性与展望——当前湿地格局反映长期农业开垦和排水的遗留效应，观察到的基质构型与湿地类型关系代表当前扰动下的湿地存续和恢复潜力而非开垦前状况的完整重建；研究聚焦5 m以浅基质，未完全涵盖更深部地下水系统或水文地球化学过程的时间变异性；GeoDetector量化的是空间关联而非直接因果关系，所提机制需进一步验证；未来应整合历史遥感数据、扩展不同地貌和基质单元的钻孔与剖面采样，并开展地下水水位、淹没时长、土壤水分和氧化还原条件的连续监测及不同基质单元的水文恢复实验。

研究结论翻译：三江平原八五二农场湿地类型的空间分化不受单一地表因子控制，而与多种基质属性及其深度依赖组合相关。基质构型在各深度表现出稳定的解释值（q = 0.485），并在0 m和2 m处排名最高，而pH和有机质分别在1 m和5 m处排名最高。近地表格局主要与粒度组成和基质构型相关，容重解释力持续较低。1 m层跨组交互最广泛，2 m层交互中等且局部化，5 m层交互强但异质，有机质和Na₂O为影响最大的因子之列。许多因子对的解释力大于单因子，部分因子对呈非线性增强。结果表明基质结构、水文条件、养分保持与矿物–地球化学过程间存在深度依赖耦合。研究区识别出12个基质单元，基质条件由东南侵蚀丘陵向西北沉积平原过渡，垂向上浅层粗粒物质让位于厚层细粒沉积。在强烈农业扰动下，残余陆地湿地主要存续于冲洪积河漫滩土壤和冲洪积河漫滩土壤–砂，前者主要支持沼泽草甸，后者主要支持内陆泥滩，森林沼泽仅存零星斑块；冲湖积平原土壤上湿地极少，主要反映长期排水和农业发展导致的湿地丧失，并不否定该基质的恢复潜力。三个调查湿地剖面均以细粒沉积尤其是粉砂为主，其低渗透性和高保水能力与调查剖面近地表饱和相关；地貌部位和基质结构差异形成不同水文情势：森林沼泽兼具季节性表层通气和深层持续饱和，内陆泥滩主要受洪水脉冲和周期性淹没–出露控制，沼泽草甸以排水不畅和表层有机质积累为特征。退化湿地恢复应综合基质适宜性、水文恢复潜力和人为扰动强度，分区保护、类型化恢复和分层监测可改善恢复目标与基质–水文条件的匹配；地貌部位、沉积成因、粒度组成、垂直结构和水文连通性可指导恢复区划和目标湿地类型选择。