鄱阳湖水文情势过程对典型湿地景观动态变化的影响

游海林,徐力刚,吴永明,刘桂林,王晓龙,刘丽贞

(1.江西省科学院鄱阳湖研究中心,江西南昌330096；2.中国科学院南京地理与湖泊研究所流域地理学重点实验室,江苏南京210008)

鄱阳湖水文情势过程对典型湿地景观动态变化的影响

游海林1,徐力刚2,吴永明1,刘桂林2,王晓龙2,刘丽贞1

(1.江西省科学院鄱阳湖研究中心,江西南昌330096；2.中国科学院南京地理与湖泊研究所流域地理学重点实验室,江苏南京210008)

以鄱阳湖赣江主支口三角洲湿地1973年～2009年16景遥感影像为基础,利用决策树分类分析近40年来赣江主支口三角洲不同湿地景观类型的组成结构及其演变趋势；并结合遥感影像对应的当天水位,探明水情变化与赣江主支口三角洲湿地景观类型面积之间的动态响应关系。结果表明，近40年来鄱阳湖水位变化以及4种特征水位的淹没天数都是呈现下降的趋势；植被面积呈增长趋势,而水体和裸露洲滩的面积均呈现减少趋势,且裸露洲滩的面积下降速率大于水体面积；水位变化与水体面积拟合关系最优,植被次之,与裸露洲滩拟合最差。研究结果能够进一步阐明鄱阳湖水情变化对典型湿地景观类型空间格局的影响,有助于维持鄱阳湖湿地生态系统结构与功能的稳定。

水情；景观类型；影响；典型湿地；鄱阳湖

鄱阳湖湿地是我国最大的淡水湖泊湿地。受“五河”(赣、信、抚、修和饶)与长江水位的双重影响,鄱阳湖季相特征明显,水情变化复杂而且剧烈。鄱阳湖季节性水位相差可达10 m,年际间水位变幅在9.79～15.36 m之间[1]。独特的水情动态和环境条件,孕育了鄱阳湖独特的“高水是湖,低水似河”的自然地理景观,在长江中下游湖泊群中极具代表性。鄱阳湖湿地具有重要的生态功能,不仅拥有极其丰富的生物多样性,蕴藏着珍贵的物种基因；而且其在涵养水源、调蓄洪水、调节气候等方面功不可没。水文过程是控制湿地生态过程发展与演替的主要驱动因子,在湿地形成、发育、演替直至消亡全过程中起重要作用。关于湿地水文过程与湿地景观之间关系的研究由来已久,大量文献研究表明：湿地景观类型与水位、淹水深度以及干湿交替周期过程等水文因子有关。黄群等通过对洞庭湖湿地1989年～2010年近20年遥感影像的解译发现：洞庭湖湿地景观格局变化较为迅速,各类景观中芦苇分布面积稳定增长而水面与泥滩的分布面积则大幅减少[2]。You et al.研究表明：在不同水位条件下,鄱阳湖不同景观类型分布高程不一以及面积的多寡均表现为对水位变化的响应[3]。谢冬明等研究则指出：在相似水位条件下,鄱阳湖湿地景观变化主要表现为居民地和裸地面积增加,而水域面积变化不明显；同一种景观类型之间对水文过程的响应也不尽相同[4]。张丽丽等通过对鄱阳湖自然保护区湿地植被景观类型与水文情势关系的研究表明：针对湿地植物群落而言,苔草群落、假俭草群落对水文条件变化敏感性较低,而虉草-苔草群落对水文条件变化的敏感性则相对较高[5]。目前研究多集中于湿地植物群落和水文过程的关系,对湿地不同景观类型与水文过程之间关系的研究报道较少。为此,本文以鄱阳湖典型洲滩湿地为例,通过选择星子水文站及确定四种特征水位,并对这四种特征水位的淹没天数进行分析；同时，借助不同年份鄱阳湖湿地秋季的遥感影像数据,结合遥感影像对应的当天星子水文站水位波动,运用多元统计分析方法,探讨水文情势变化过程对湿地景观类型演变趋势的影响,以期定量揭示鄱阳湖典型洲滩湿地水文过程与湿地景观之间的动态响应关系,为维持鄱阳湖湿地生态功能的稳定与鄱阳湖生态健康优化调控提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

赣江是鄱阳湖流域“五河”之首,也是长江流域入汛最早的河流水系之一。赣江西(主)支、修水在九江市永修县吴城镇汇合。河流的冲刷、搬运与堆积造就了鄱阳湖湿地中典型的河口三角洲冲积湿地,即赣江主支口湿地。赣江主支口湿地淹没-出露过程都比较频繁,洲滩出露主要受鄱阳湖水位高低的影响,进而影响湿地景观类型的动态演化。洪水期时,赣江主支口三角洲湿地的低地部分会被湖水季节性地淹没,而其高地部分则会相应地成为水陆过渡带并有较高的地下水位；枯水期时则广泛出露水位消落区以及毗邻的浅水区,伴有植被、沙滩、泥滩以及水域等湿地景观类型[6-7]。赣江主支口湿地植物群落类型丰富多样,总体来说包括芦苇群落、南荻群落、灰化苔草群落、藜蒿群落以及虉草群落等[8]。

1.2 数据来源

本研究使用的遥感数据源为由中国科学院对地观测与数字地球科学中心站经过几何系统纠正、大气辐射纠正的系统级纠正(Systematic Geocorrection)级别产品,包括1973年至2009年赣江主支口湿地秋季遥感影像,共计16景。每一景影像都取自不同的年份,16景遥感影像对应的年份分别是1973年、1976年、1989年、1991年、1995年、1996年、1998年、1999年、2001年和2003年～2009年。

赣江主支口三角洲湿地位于星子水文站的南部,它们之间相距很近,故本研究选用星子水文站的水位数据来反映赣江主支口三角洲湿地的水位变动特征。水位数据为星子水文站逐日水位数据(吴淞基面),时间序列为1973年～2009年,共计37 a。水位数据资料由中国科学院鄱阳湖湿地观测研究站提供。

1.3 影像信息提取与特征水位的确定

根据不同地物光谱曲线特征,提取鄱阳湖典型湿地秋季的景观类型信息；在参考《湿地公约》与《中国湿地分类系统》的基础上,结合实地考察与研究目的,建立了适合本文的湿地分类标准[9-10]。依据分类标准对赣江主支口湿地进行分类,提取得到水体、裸露洲滩、植被三种景观类型。通过湖岸定点观测与湖面巡航定点样方调查与采样分析等方式,对鄱阳湖湖区滩地出露现状以及湿地景观分布、结构等状况进行了实地调查研究,在鄱阳湖湿地随机选取61个样本(包括水质与植被采样点)并建立混淆矩阵以及Kappa系数对分层分类结果进行评价[11-12]。经验证：决策树分类方法对三种分类结果的提取较好,能够有效提取鄱阳湖湿地信息。与实际地物相对照,提取的鄱阳湖典型湿地信息的总体精度可达80%以上。赣江主支口湿地主要景观类型组成及结构沿高程梯度由高到低,依次是植被、裸露洲滩与水体。植被类型主要包括虉草群落、藜蒿群落、苔草群落与芦苇群落等,其分布高程在10～15 m之间。裸露洲滩主要包括沙滩和泥滩等,分布高程在8～10 m之间。水体的分布高程则一般低于8 m[13-14]。另外,据中国江西网公布的鄱阳湖星子水文站的警戒水位为19 m[15]。因此,在参照提取的三种景观类型分布高程的范围与界限以及公布的星子水文站警戒水位的基础上,本研究选择8、10、15 m和19 m 4种水位作为星子水文站的特征水位。根据16年景遥感影像对应的年份,对其中星子水文站的4个特征水位进行淹没天数分析。最后结合遥感影像对应的当天星子水文站的水位,分析水情变化对湿地景观类型的组成结构及其演变趋势的影响,进而探讨鄱阳湖典型洲滩湿地景观类型与水文情势变化过程之间的动态响应关系。

1.4 分析方法

首先,运用Origin8.5对星子水文站37年的逐日水位数据进行趋势分析；然后,对遥感影像对应年份中的4个特征水位进行淹没天数分析,并对3种湿地景观类型演变及其之间的相关性进行分析；再运用SPSS 16.0对选取的遥感影像当天水位和赣江主支口湿地的三种景观类型面积进行线性拟合；最后,根据判定系数R2的相对大小来决定拟合关系的优劣,R2的值域范围为0～1,值越大表明拟合度越高,并用单尾显著性(p值)对拟合结果进行显著性检验。

2 结果分析与讨论

2.1 典型湿地特征水位淹没天数分析

2.1.1 年际水位变动特征

图1 星子水文站逐日水位及变化趋势(吴淞基面,m)

从星子水文站的水位过程线与逐日水位变化趋势线(见图1)可以看出,近40年来鄱阳湖水位变化呈现下降的趋势,尤其是1998年后,水位下降趋势更加明显,这与闵骞报道相一致[16]。水位过程线表现出两种形态,即单峰型和双峰型。单峰型水位过程是“五河”洪水推迟,长江洪水提前,两者相遇；或者是“五河”洪水大,长江洪水小的情况下出现。双峰型水位过程则是由于“五河”洪水早,长江洪水迟,两者不相遇的情况下出现的,且第一个洪峰是由“五河”洪水入湖造成的[13]。在1973—2009年中,星子水文站有10年的水文过程线是单峰型的,其余的27年水位过程线则为双峰型。一般来讲,在未知“五河”和长江水位和水情变化相互作用的情况下,预测鄱阳湖某一年份的水位过程线是单峰型还是双峰型是比较困难的。但已有研究表明,鄱阳湖双峰型水位过程线的年份较单峰型水位过程线较多[17-18],这一报道与本文结果相一致。星子水文站最高日水位为22.50 m,发生在1998年；最低日水位为7.12 m,发生在2004年,最大日水位变幅相差15.38 m。最高年平均水位为15.61 m(1998年),最低年平均水位为11.59 m(2006年),两者年平均水位变幅相差4.02 m；多年平均水位为13.44 m。

2.1.2 特征水位淹没天数分析

从对应16景遥感影像年份中的星子水文站4种特征水位(8、10、15 m和19 m)的淹没天数的图2可以看出,水位≥8 m,在1999年之前星子站的淹没天数几乎全部以直线的形状呈现,所有年份每一天的水位都大于8 m；在1999年,淹没天数出现一个较小的下降趋势； 2004年,淹没天数下降到305 d。对于≥10 m水位的淹没天数,星子站一直表现为平稳的下降趋势直到2004年,淹没天数均出现了急剧的突变,此时淹没天数由2003年的310 d下降到2004年的248 d,淹没天数减少了62 d。对于≥15 m水位的淹没天数,星子站一开始就表现出急剧的下降趋势,淹没天数由1973年的207 d下降到1976年的115 d；并且在之后的几个年份中又表现出了急剧的突变,如1991和2001年。对于超过星子站警戒水位(≥19 m)的淹没天数而言,在1999年之前星子站的淹没天数呈现增加的趋势,之后则呈现出急剧下降的趋势,在2001年星子站的淹没天数已经降为0。值得一提的是,2006—2009年这四年中≥19 m的淹没天数均为0,这与已有研究报道鄱阳湖出现持续干旱的年份相一致[19-20]。

2.2 典型湿地景观类型演变

赣江主支口湿地三种景观类型(水体、植被和裸露洲滩)面积演变趋势分析表明,三种景观类型的面积均呈现不规则的变化。1973年～2009年,植被面积呈增长趋势,平均扩张速率为0.16 km2/a；水体和裸露洲滩的面积均呈现减少趋势,分别以0.019 km2/a和0.18 km2/a的速率递减。植被面积以2007年为最大(14.25 km2),以2004年为最小(2.67 km2)；裸露洲滩面积刚好与植被相反,2004年最大(12.17 km2),2007年最小(0.61 km2)；水体面积则为1989年最大(11.13 km2),1973年最小(0.083 km2)。总的来说,三种湿地景观类型面积在江湖关系、人类活动以及气候等环境因子共同作用下处于动态的变化中。例如,随着泥沙不断淤积,浅水湖泊地势逐渐升高,泥滩和沙滩开始出露水面,形成洲滩并侵占水体的面积；当洲滩中的营养盐浓度及成分累积到一定程度时,虉草和苔草等湿地优势种群草本植物开始生长并扩张。故可以说水体、植被和裸露洲滩这三种湿地景观类型并没有明显的分界线,或者分界线处于不断的变化之中。从空间扩展方向来说,赣江主支口典型湿地植被覆盖主要是顺赣江主支河道向饶河口方向延伸,同时向东南方向湖区深处呈扇形拓展。

图2 星子水文站四种特征水位淹没天数分析

从表1可以看出,裸露洲滩面积与水体面积和植被面积均呈显著负相关(P<0.01),主要是因为裸露洲滩与水体、植被毗邻分布,一旦裸露洲滩面积发生变化,会直接导致水体面积和植被面积发生相应的变化。尽管植被面积与水体面积不存在显著的相关关系,但是从相关系数可以反映出二者面积的变化趋势是相反的。当鄱阳湖水位过低的时候,水体对植被的影响程度不会很明显；然而,当水位持续上涨至一定高度的时候,水体将会漫过裸露洲滩,进而淹没植被。

表1 三种湿地景观类型面积的相关性分析

2.3 景观类型面积与水情变化之间的动态响应

图3 典型湿地三类景观类型面积与水位变化的拟合曲线

结合16景遥感影像对应的当天的水位,分析水情变化与赣江主支口三角洲湿地3类景观类型面积之间的动态响应关系,结果如图3所示。根据建立的线性方程的判定系数(R2)可以看出,水体面积与水位之间拟合关系最好,植被次之,裸露洲滩最低。当水位高的时候,鄱阳湖湖水面积也增大,反之亦然。所以,水体面积跟水位成正相关。同时,当水位高的时候也会将湿地其他类景观淹没,包括植被与洲滩等。故,水位与植被和植被、裸露洲滩的面积呈现相反的变化趋势。这一点从图3中也可以体现。植被面积与水位拟合关系也较好,两者相关关系显著(P=0.05)。这表明：鄱阳湖水情变化对植被空间格局的分布及演化具有重要的影响作用,尤其是对分布高程低的湿地植物(如虉草、苔草等)影响作用更为强烈[21-22]。已有研究也表明：鄱阳湖湿地植被分布面积与空间格局受水情变化影响明显,不同种群的湿地植物占据特定的水分生态空间,呈现出沿水平线成条带状分布的总体格局；从高位滩地至低位滩地再至湖心,随着湖底高程和相应水深的变化,湿地植被表现出连续变化的垂直分带特征,依次呈现出挺水植物带、湿生植物带、浮叶植物带等景观；同时受微地形影响,洲滩上的各种植被类型又呈斑块分布特征[7,23-24]。一般来说,尽管有少量沙滩或者泥滩等在鄱阳湖湿地中呈现斑块状分布,而对于大部分湿地洲滩而言,都是紧挨湖泊水体分布的,尤其是泥滩更是如此[25]。然而,图3中裸露洲滩面积与水位拟合关系最差,没有统计性意义(P=0.43)。其原因可能与近些年来气候异常及人类活动加剧的双重影响有关。尤其是采沙及兴建工程等人类活动,导致鄱阳湖与长江和“五河”等原有江湖关系发生改变,进而影响鄱阳湖湿地景观类型空间格局的形成与演化[26]。研究表明：近年来鄱阳湖水位波动出现的“高水不高,低水过低”的异常现象,导致洲滩出露时间比往常平均提早1～2个月,且出露面积大为增加；也进一步加剧了对鄱阳湖湿地植被的影响,使得植被发生了一系列的演变。如,高滩湿地植被退化,水陆过渡带植物生物多样性减少等[5,7]。

3 结 语

鄱阳湖水位受“五河”和长江水位的双重影响,季相特征显著,水情变化复杂而剧烈；探讨其水文过程内在的演化机制,历来都是众多学者关注的热点之一。水文情势过程是影响鄱阳湖湿地生态系统的重要控制性因子,对湿地景观类型的组成结构、分布及演化具有重要的影响作用。鄱阳湖高变幅水位是其水文情势变化过程最直接的表现形式,定量揭示其水位变化与湿地景观类型面积之间的动态关系,有助于揭示季节性湖泊湿地水情变化的生态效应与机理,对维持其湿地生态系统功能,降低区域生态灾害风险具有重要的理论价值和现实意义,并可为退化湿地的恢复与重建提供重要的科学依据。然而,本研究仅分析了水情变化对典型湿地景观类型动态演化的影响,缺乏对其他环境因子(土壤、地下水、降雨等)的相关研究及深入探讨。另外,本研究主要集中对鄱阳湖典型湿地秋季时间序列的遥感影像进行解译分类,缺乏对其他时相(如春季等)影像信息的提取；而这些将作为今后该项研究的主要方向与重心。

致谢:感谢中国科学院鄱阳湖湿地观测研究站在论文完成过程中给予的帮助,在此谨表谢意!

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(责任编辑 陈 萍)

Influence of Water Regime on Landscape at Typical Delta Wetland in Poyang Lake

YOU Hailin1, XU Ligang2, WU Yongming1, LIU Guilin2, WANG Xiaolong2, LIU Lizhen1

(1. Poyang Lake Research Center, Jiangxi Academy of Sciences, Nanchang 330096, Jiangxi, China;2. Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences, Nanjing Institute of Geography and Limnology,Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, Jiangsu, China)

The evolution laws and composition structure of landscape at Ganjiang main-branch delta wetland in Poyang Lake are studied by the decision tree classification of the autumn remote sensing images during the period of 1973—2009. As well as, the dynamic relationship between water regime and areas of three kinds of landscape are explored by combining with the corresponding water levels of Landsat images at typical delta wetland in Poyang Lake. The results showed that: (a) the water level of Poyang Lake and flooded days of four characteristic water levels both present consistent decrease trends in past 40 years; (b) the area of vegetation is increased, while the areas of water and bare delta wetland are decreased and the bare delta wetland is with a faster declining rate; and (c) the linear fitting relationships between water level and water area is best, then with vegetation, and the bare delta wetland is worst. The results could further explain the effects of water regime on spatial patterns of wetland landscapes, which is helpful to maintain the stability of Poyang Lake wetland ecosystem’s structure and function．

water regime; landscape; influence; typical delta wetland; Poyang Lake

2015-04-08

国家自然科学基金资助项目(41661018, 41371121, 41561093)；国家科技支撑计划课题(2014BAC09B02)；江苏省科技厅项目(BZ2014005, BE2014739)；江西省科学院科研开发专项基金项目(2014-YYB-31,2014-YYB-30)联合资助

游海林(1985—),男,江西上饶人,助理研究员,博士,研究方向为湖泊水文过程与湿地生态；徐力刚(通讯作者)．

Q142

A

0559-9342(2017)02-0001-05