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浅谈海平面上升对沿海湿地的影响评估论文
海平面上升(sea level rise，SLR)已经成为全球现象，对沿海产生了一系列影响，如增加了基础设施、水、历史文化保护的风险性，加速了海岸线后退、沿海侵蚀的速率，加强了风暴潮发生的频率和强度，释放出污染性物质，造成沿海生物栖息地和种群的变化，导致了沿海湿地的变迁或损失，成为制约沿海地区可持续发展的重要因素.国内近几年也开展了海平面上升影响的研究，涉及到风险评估、生态损失及脆弱性评价、海岸线变化等，但存在着盲目夸大海平面上升程度、定量研究不足、海平面上升的影响过程简单化等局限性.本文以美国佛罗里达州Hillsborough县为例，采用海平面上升的湿地影响模型(sea level affectingmarshes model，SLAMM)和多种生态系统服务价值评估方法，从面积和生态系统服务价值变化两方面来评估海平面上升对湿地的影响.本文所指的湿地，采用国际湿地公约的定义，指天然或人工、长久或暂时性的沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体，包括低潮时水深不超过6m的水域.
1 海平面上升对湿地的影响过程及模拟
由于海平面上升，风暴潮发生的频率和强度提高，沿海的沙滩、沙丘向内陆转移，导致了湿地变化和损失、盐水入侵、排水不畅等问题.描述沿海侵蚀过程的模型之一就是布鲁恩法则.假定海洋气候稳定时海滩轮廓不发生变化;海平面在上升的过程中，淹没了一部分海滩，由于风浪侵蚀和沙子的堆积、海洋的膨胀，近海地区会保留着一个特定的深度(X′处)，近海岸底的沙子(X 处)发生迁移填补了这个深度，从而导致海岸线后退.海岸线后退是海滩上表面受到侵蚀和下表面沉积的共同结果.1m的海平面上升将导致50～100m的海岸线后退.以下为海平面上升过程中各种物理作用及其模拟方法.
①淹没(inundation)，是海平面垂直上升后，近海滩涂和一部分盐沼变成水域的过程，根据最小高程和坡度(斜率)计算.
②侵蚀(erosion)，由于海水入侵造成的河口湿地性质发生的变化.根据每个栅格单元的历史侵蚀率，给定河口水域和海域的阈值，确定未来的侵蚀率.
③冲积(overwash)，由于风暴的影响，距离海岸500m以内的湿地和岛屿发生的沉积和变化，其中50%的沼泽和25%的红树林由于冲积作用转化为沙滩和滩涂;河口的沙滩和海洋沙滩边缘线分别向后推进;毗邻海洋沙滩的土地将转化为海洋沙滩.根据海滩的迁移和沉积物的运输计算冲积率.
④饱和(saturation)，沿海沼泽和净水湿地由于地下水位的变化向邻近高地的迁移.由于盐水渗透地下水位发生变化，扩大了饱和区域的面积.根据当地的水位饱和度计算.
⑤吸积(accretion)，由于有机物和无机物表面积累造成的沼泽垂直上升，沼泽类型不同，上升的比率不同.根据湿地的高度、到海岸的距离和盐度来确定吸积率.
2 研究区域及研究方法、数据
2.1 研究区域
Hillsborough县位于美国佛罗里达半岛西岸中部、墨西哥湾东部、Tampa湾区的入口处，总面积3 280km2，其中陆域面积2 600km2，水域面积为640km2，海岸线长度大约为254.71km.该地区近百年来海平面上升速度为2.4mm·年-1.
2.2 研究方法与数据
SLAMM 模型是分析海平面上升对湿地影响的特定模型，采用几何关系来定量描述沿海土地利用的变化，与地理信息系统软件Arc GIS互动使用[13].模型中构建了淹没、侵蚀、冲积、饱和、吸积子模型，通过数据输入，能够模拟在设定海平面上升情景下，主要年份的海平面相对高度和用地类型的变化，将结果以表格和地理信息系统(GIS)栅格数据方式输出.本文基于SLAMM6.0.
关键的步骤是：
(1)基础数据库建立，即在Arc GIS10.0软件中建立地形、用地数据库，分析高程、坡度，对用地进行类型编码，将栅格数据转化为ASCⅡ码.
(2)确定海平面上升情景.根据联合国政府间气候变化委员会发布的碳排放情景特别报告，最大碳排放量的情景下，到2100年，全球海平面相对于2010年来说将上升至0.88m，计算公式为HLo，TM =HGl，TM +(TM -T0)·(HLo，Hi-HGl，Hi)式中：HLo，TM和HGl，TM分别为TM年相对于T0年地方和全球海平面上升相对高程，m;TM和T0分别为预测年份和基准年份;HLo，Hi和HGl，Hi分别为地方和全球历史海平面上升相对高程，m.2100年海平面上升为：H2100=0.88+(2100-2010)×(0.0024-0.0017)=0.943m，为方便计算，本文取值1m.
(3)在SLAMM6.0中输入地形、用地ASCⅡ码数据、影响参数，设定2100年海平面上升至1m，软件将进行计算分析每10年的用地变化情况.
3 湿地面积变化影响评估
3.1 总体评估
根据SLAMM 运行结果，输出2010年～2100年每10年的土地利用情况.其中，2010年和2100年各类土地面积见表2，旱地(包括已开发旱地和未开发旱地)的面积减少了约30.37km2，湿地面积增加了约30.37km2，这主要是由于海平面上升本身是一个缓慢的过程，在上升的过程中通过各种作用产生了更多的湿地.之所以旱地减少的面积数量恰好等于湿地增加的面积数量，是由于根据湿地的定义，被淹没、侵蚀的旱地其水深并未超过6m，成为新的不同类型的湿地(包括沿海水域).湿地面积随海平面上升的变化.
尽管湿地总量是增多的，但是湿地内部结构发生了变化.河口开放水域、滩涂、盐沼、定期洪水沼泽面积大量增加，分别增加了394.29%、380.62%、141.93%、121.41%，季节性洪水沼泽、潮汐淡水沼泽、河流潮汐、河口沙滩、内陆海岸受海平面上升影响较大，分别减少了95.52%、91.31%、59.29%、37.59%、21.44%;红树林、内陆开放水域、一般沼泽、内陆淡水沼泽、柏树沼泽受影响较小，分别减少了6.67%、4.05%、2.35%、0.90%、0.10%.从年均变化率来看，河口开放水域和滩涂年均增加率最高(分别为0.048 68%和0.046 99%)，而季节性洪水沼泽和潮汐淡水沼泽年均降低率最高(分别为0.011 79%和0.011 27%).
3.2 增加的湿地面积随海平面上升的变化情况
研究湿地面积变化与海平面上升的函数关系，一定程度上可以消除海平面上升随时间变化的不确定性.河口开放水域、滩涂、盐沼、定期洪水沼泽是面积增多的湿地类型，其共同特点是位于平均潮位以下，地理位置最接近海域.
3.3 减少的湿地面积随海平面上升的变化情况
柏树沼泽和红树林呈现平缓减少的趋势;一般沼泽呈逐渐减少的趋势;河流潮汐呈幂函数急剧减少，在海平面上升0.3～0.4m时减少最为显著;季节性洪水沼泽呈对数减少，在海平面上升0～0.1m时急剧减少，这均与海平面上升过程中各种物理作用有关.沿海地区的淡水湿地主要位于内陆，受海平面上升影响，面积发生了不同程度的减少.内陆海岸、内陆淡水沼泽、内陆开放水域和河口沙滩均持续减少，潮汐淡水沼泽基本消失.
4 湿地的生态系统服务价值影响评估
4.1 单位面积生态系统服务价值估算
生态系统服务(ecosystem services)指“生态系统与生态过程所形成及维系的人类赖以生存的自然生态环境条件与效用”，常用市场价值来评估生态系统服务的重要性(ecosystem services value，ESV).沿海湿地主要具有水供应、水调节、气候调节、干扰调节、栖息地保护、废物处理、艺术娱乐、文化精神等价值.ESV评估的准确性主要取决于各类湿地的单位面积ESV，与所处地域、环境密切相关，且随时间推进而不断提高[18].本文暂不讨论湿地的单位面积ESV 与时间的相关关系，仅按照2010年各类湿地单位面积ESV进行比较.
将具有类似ESV的湿地归类：净水湿地包括潮汐淡水沼泽、内陆海岸、内陆淡水沼泽、红树林、河流潮汐，盐水湿地包括滩涂、盐沼、定期洪水沼泽、一般沼泽、柏树沼泽、季节性洪水沼泽;未发展用地为未利用旱地;开放水域包括河口开放水域和内陆开放水域;滩涂和河口沙滩均为单独类别.对单位面积ESV进行评估，其中艺术娱乐、文化精神价值采用旅行费用法，水调节、干扰调节、栖息地保护、气候调节采用效益转移法，水供应采用生产力影响法，废物处理采用价值替代法.
4.2 生态系统服务价值总量变化
根据各种湿地的面积及其单位面积ESV，计算每10年的ESV总量变化，公式如下：ET =Σni=1PE，i·Ai，T式中：ET为第T 年的生态系统服务总价值，美元·年-1;i为湿地类型;Ai，T为第T 年第i 类湿地面积，km2;PE，i为第i类单位湿地面积的生态系统服务价值，美元·年-1·km-2;T 为年份. 尽管湿地面积增加，但ESV总量将减少(2010年为61 672万美元，到2100年为61 548万美元)，主要是具有最高单位面积ESV的净水湿地和沙滩减少所致.个别年份出现波动的原因在于某些湿地面积的急剧变化导致当年ESV总量的变化.如果考虑随时间推移单位面积ESV的提高，每年ESV减少的程度可能更为剧烈.
4.3 不同类型生态系统服务价值变化
计算每10年每类ESV变化，艺术娱乐、水调节、气候调节、文化精神价值将降低，相对于2010年，2100年分别减少了313、150、48、12万美元;水供应、栖息地保护、干扰调节和废物处理价值将增加，相对于2010年，2100年分别增加了19、65、155、159万美元.艺术娱乐价值减少最多的原因是失去了大量的河口沙滩，水调节价值减少的原因是净水湿地的损失;废物处理价值增加最多的原因是大量新的盐水湿地的产生.可见海平面上升在降低某些ESV的同时，由于新的湿地的产生也提高了某些ESV，但总体的ESV 是下降的.从生态系统服务价值的变化率来看，水调节、气候调节、艺术娱乐、文化精神价值年均降低率分别为0.026%、0.016%、0.015%、0.014%，废物处理、水供应、干扰调节、栖息地保护价值年均上升率分别为0.010%、0.017%、0.020%、0.084%.
5 结论
由于各地海平面上升的趋势不同、物理作用的强弱差异、地区地形地貌迥异，对湿地的影响也不同.Hillsborough县的研究结果表明，假定2010年～2100年海平面上升1m的情况下，对湿地产生如下影响：
(1)增加了约30.37km2 湿地总面积，但各类湿地面积的变化情况不同.由于海水淹没和侵蚀作用，河口开放水域、定期洪水沼泽、滩涂、盐沼面积分别增加了394.29%、380.62%、141.93%、121.41%;减少的湿地主要是淡水湿地和沙滩，其中柏树沼泽、内陆开放水域出现大面积的减少，季节性洪水沼泽、潮汐淡水沼泽、河流潮汐、河口沙滩、内陆海岸受海平面上升影响较大，分别减少了95.52%、91.31%、59.29%、37.59%、21.44%，其余湿地影响相对较小.导致湿地变化的原因在于海平面上升本身是一个较为缓慢的过程，淹没、侵蚀、冲积、饱和、吸积等作用共同影响所致.
(2)降低了湿地的生态系统服务价值.生态系统服务价值由2010年的61 672万美元减少到2100年的61 548万美元，主要是因为具有最高生态系统服务价值的净水湿地和沙滩面积的减少所致.如果考虑单位面积湿地生态系统服务价值随时间可能增大的情况下，生态系统服务价值总体减少的趋势可能更为明显.海平面上升在降低某些生态系统服务价值的同时，由于新的湿地的产生也提高了某些生态系统服务价值.比较2010年和2100年，艺术娱乐价值和水调节价值减少最为明显，分别减少了313万美元、150万美元;废物处理和干扰调节价值增加最为明显，分别增加了159万美元、155万美元.本文在评估海平面上升对湿地的面积和生态系统服务价值影响方面做了一定的尝试，但是在多情景分析、单位面积海平面上升随时间变化的规律方面还有待更为深入的探讨，以提高研究的科学性.
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