基于遥感反演预测“引江济淮”工程对菜子湖越冬水鸟栖息地的影响

周盛, 杨森, 鲍明霞, 杨阳, 李春林



基于遥感反演预测“引江济淮”工程对菜子湖越冬水鸟栖息地的影响

周盛, 杨森, 鲍明霞, 杨阳, 李春林*

安徽大学资源与环境工程学院, 合肥 230601

菜子湖位于“东亚-澳大利西亚”候鸟迁徙路线上, 为越冬水鸟提供重要的栖息地。“引江济淮”工程拟通过菜子湖调引长江水, 向巢湖和淮河输送水资源。工程实施后, 菜子湖冬季水位将明显抬升, 改变原有自然节律, 导致湿地景观格局发生重大变化, 可能对在此越冬的水鸟产生重要影响。结合遥感影像、水位季节动态及野外水鸟调查, 分析不同水位时各类湿地景观斑块的分布及面积, 预测工程实施后湖泊水位变化对越冬水鸟栖息地的影响。2016年和2017年两次同步调查共记录到水鸟49450只, 隶属于6目12科42种。菜子湖水位和湿地景观格局具有明显的季节动态, 10月份水位开始下降, 暴露多种湿地景观斑块, 泥滩和草滩面积随水位下降而增加, 为多种越冬水鸟提供觅食地。泥滩和草滩的分布具有空间异质性, 越冬水鸟的空间分布与此相适应。“引江济淮”工程实施后, 菜子湖冬季水位较高, 导致大量泥滩和草滩不能暴露, 越冬水鸟栖息地丧失严重, 如东方白鹳()(EN)、白鹤() (CR)、白头鹤()(UV)和鸿雁()(UV)等濒危物种。为降低工程对越冬水鸟栖息地的影响, 建议工程实施后菜子湖越冬期水位应不超过11.5米。

引江济淮; 菜子湖; 越冬水鸟; 湿地退化

0 前言

在过去的一个世纪中, 全球自然湿地几乎丧失一半以上, 中国也不例外, 特别是近50年来, 约40%的自然湿地严重退化或丧失[1]。湿地的退化和丧失对水鸟造成了严重的影响, 导致了全球范围内水鸟种群的下降[2-3]。自然湿地的退化和丧失主要归因于人类对湿地的不合理利用, 其中, 大型水利工程的实施是对湿地生态系统最严重的威胁之一[4-9]。中国是世界上拥有水利工程最多的国家之一, 截止2015年底, 我国已建成各类水库和大坝达十万余座[10]。尽管已有研究表明大型水利工程建设对自然湿地产生严重影响, 但此类工程仍有增无减, 这些工程的实施对自然湿地及其生物多样性的影响亟需深入研究。

大型水库和水坝的建设, 会导致湿地景观格局的巨大改变, 对水鸟等湿地生物的栖息地造成严重影响[10-13]。“引江济淮”工程是安徽省的“南水北调”工程, 该工程旨在改善巢湖水环境、发展江湖水运、支撑环湖经济发展[14]。工程拟通过枞阳闸引长江水通过菜子湖、经孔城河输入巢湖, 最终输入淮河, 全线规划总长度为1048.68 km, 其中, 菜子湖段的长度为113.18 km, 贯穿整个菜子湖[14]。菜子湖是典型的浅水通江湖泊, 自然的水文节律使其湿地景观格局具有明显的季节动态, 秋冬季湖水退却后暴露多种湿地斑块, 为东亚-澳大利西亚候鸟迁徙路线上的多种水鸟提供重要的食物资源, 每年有数以万计的水鸟在此停歇或越冬[15]。然而, 即将全面实施的“引江济淮”工程可能对菜子湖的湿地景观格局及生态系统功能产生巨大的影响。根据工程总体规划, 工程实施后, 菜子湖秋冬季水位将会抬升[14], 导致各种湿地斑块不能暴露, 对在此越冬的水鸟产生的影响亟需客观评价和预测。

本研究: (1)结合不同水位时遥感影像的解译及越冬水鸟的野外调查, 量化湖泊水位变化对各类群水鸟栖息地面积及空间分布的影响; (2)结合“引江济淮”工程对菜子湖水位的改变, 预测工程实施对不同水鸟栖息地的潜在影响; (3)在此基础上, 对如何降低“引江济淮”工程对菜子湖越冬水鸟及其栖息地的影响提出建议, 从而为保护在此越冬的水鸟提供科学依据。

1 研究地点

菜子湖(117°01′—117°09′ E, 30°43′—30°58′ N, 图1)位于长江北岸, 通过枞阳闸南接长江, 是安徽省沿江湿地自然保护区的重要组成部分[16]。整个湖区由白兔湖、嬉子湖和菜子湖区三部分构成, 流域面积为3234 km2, 主要支流有孔城河、大沙河、挂车河、龙眠河等[17]。湖区年平均气温16.6 ℃, 年平均降水量1291.3 mm, 年平均蒸发量为1403.3 mm[18]。

图1 菜子湖越冬水鸟调查点

Figure 1 Counting points for wintering waterbirds in Caizi Lake

菜子湖的湿生植物主要由陌上菅群丛(Ass.)和朝天萎陵菜群丛(Ass.)组成, 挺水植物主要由芦苇群丛(Ass.)和茭草群丛(Ass.)组成, 浮叶植物主要由菱群丛(Ass.)和莕菜群丛(Ass.)组成, 沉水植物主要由马来眼子菜群丛(Ass.)和苦草群丛(Ass.)组成[19]。多年的水鸟调查表明, 在菜子湖越冬的水鸟约多达80种以上, 其中, 有10种水鸟被列为IUCN受胁物种, 如东方白鹳、白鹤、凤头麦鸡()、白头鹤、鸿雁和红头潜鸭()等[20]。

2 数据与方法

2.1 数据来源

从安徽省水文信息网(http://61.191.22.157/ TYFW/InfoQuery/Lake.aspx)获取菜子湖水位数据, 并从中国科学院地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)和中国资源卫星应用中心(http://www.cresda.com/CN/)下载Landsat和高分一号遥感影像(表1),各影像对应水位平均间隔约为0.5 m。所有影像均已经过系统处理, 包括辐射校正和几何校正等[12]。其中, 2013年7月12日的影像日均水位(12.85 m, 吴淞高程)与菜子湖枞阳闸近十年(2007—2016年)丰水期平均水位(13.06 m)相接近, 我们选取此影像判读出的水域范围作为本研究的研究区域。

表1 本研究所用的遥感影像及其对应水位

2.2 遥感影像解译

首先, 运用ENVI 5.1软件, 对遥感影像进行预处理, 包括去云处理[21]、遥感影像融合[22]、使用假彩色组合建立遥感图像解译标志(表2)[23]。然后, 结合监督分类(最大似然法)和人工目视解译, 对影像进行分类[24]。地表覆被类型分为草滩、泥滩和水域, 分别为越冬水鸟三种主要的栖息地类型。

2.3 水鸟调查

我们沿菜子湖岸边共设置59个采样点, 用于越冬水鸟种群及栖息地利用调查。为避免重复计数, 调查点间最短距离为2 km(图1)。分别于2016年1月和2017年1月晴朗无风的日期, 对所有调查点进行水鸟同步调查。调查时, 观察者借助双筒望远镜(8.5×42 WB, SWAROVSKI)和单筒望远镜(ATS 20-60× 80 HD, SWAROVSKI), 使用直接计数法[25], 对每个调查点半径1 km范围内的水鸟进行计数, 同时记录各种水鸟所在的栖息地类型等信息。与湿地景观斑块类型划分相适应, 将水鸟分为雁类、涉禽和游禽。根据野外调查结果, 三种类型的水鸟分别主要在草滩、泥滩和水域觅食。

2.4 数据分析

在SPSS 20.0软件中, 使用K—S方法, 对各栖息地面积进行正态分布检验。在Sigma Plot 10.0软件中, 使用非线性回归, 采用三次多项式方法拟合湖泊水位与各类栖息地面积之间的关系。使用Python软件编写代码, 对拟合栖息地面积曲线求二阶导数, 求算泥滩、草滩的面积随水位变化的拐点, 即二阶导数为零的水位值。

我们将越冬水鸟种群数量较大(大于1900只)或发现至少2种IUCN受胁物种的调查点作为水鸟分布重点区域, 对其半径1 km范围内三种栖息地类型在水位最低点和最高点时的面积进行对比, 分析工程实施对这些重要区域各类水鸟栖息地的影响。

表2 不同景观斑块类型遥感影像解译标志

3 研究结果

3.1 越冬期水位

菜子湖水位呈明显的季节动态(图2), 丰水期(6—9月份)水位较高, 平均为13.06 m。每年10月中下旬, 水位开始退却, 水鸟越冬前期(11—12月)平均水位为8.25 m, 越冬中期(1—2月)为7.49 m, 越冬后期(3—4月)为8.58 m。

3.2 水鸟群落

2016年和2017年的两次同步调查共记录到49450只水鸟,隶属于6目12科42种, 其中迁徙水鸟33种, 占总种数的78.6%, 涉禽21种16669只, 游禽18种17225只, 雁类3种15556只。种群数量最多的6种水鸟分别是豆雁()、斑嘴鸭()、白琵鹭()、绿头鸭()、普通鸬鹚()和苍鹭(), 其数量占总数量的72.4%。有7种鸟类被列入IUCN红色物种名录, 分别是白鹤(CR)、东方白鹳(EN)、凤头麦鸡(NT)、罗纹鸭()(NT)、白头鹤(UV)、鸿雁(UV)和红头潜鸭(UV)。

3.3 越冬水鸟栖息地与水位的关系

菜子湖水位处于最低(7.64 m)时, 水域、泥滩和草滩的面积分别为2193.1 ha、6955.4 ha和13945.3 ha。随着湖泊水位的上升, 水域面积增加, 泥滩和草滩面积减少(图3)。冬季水位下降时, 草滩主要集中在白兔湖北部、菜子湖区与嬉子湖交界处及菜子湖区南部, 泥滩则主要集中在白兔湖北部、中部及菜子湖区南部(图4)。水位升高到12.85 m时, 水域面积增加了48.3%, 泥滩和草滩面积分别减少了74.0%和73.5%。泥滩、草滩的面积与水位的关系曲线中, 二阶导数为零的水位值分别为13.1 m和11.5 m。

3.4 越冬水鸟重点分布区域

越冬水鸟种群数量大于1900只或含至少2种IUCN受胁物种的调查点有7个。水位由7.64 m抬升到12.85 m后, 7个调查点内栖息地面积组成变化显著, 水域面积增加量由高到低分别为调查点3、1、9、11、22、59、31(图5)。水位为12.85 m时, 调查点1、3、22和59的观测区域内水域面积比例均大于90%(图6)。

4 讨论

本研究表明, 湖泊水位的变化导致菜子湖湿地景观格局发生显著改变, 从而可能对在此越冬的水鸟栖息地产生较大影响。9月下旬开始, 水位逐渐退去, 大量的泥滩暴露, 加之较高的气温, 湖滩湿地草本植物开始生长, 形成大片草滩[19]。菜子湖作为“东亚—澳大利西亚”迁徙路线上越冬水鸟的重要停歇地和越冬地, 每年9月末越冬水鸟迁徙至此, 11月数量达到最大值[15]。秋冬季菜子湖水位退去后暴露的各种湿地斑块, 如草滩、泥滩和浅水区, 恰好为这些水鸟提供丰富多样的栖息地。

图2 菜子湖2007-2017年水位变化(阴影为水鸟越冬期水位)

Figure 2 Water level fluctuation in Caizi Lake from 2007 to 2017 (The shadow area indicates the wintering period for waterbirds)

图3 菜子湖水位与越冬水鸟栖息地面积拟合的关系

Figure 3 The relationship between water level and habitat area for wintering waterbirds in Caizi Lake

与其他地区湿地与水鸟的关系类似[26-27], 菜子湖越冬水鸟的空间分布与湿地景观格局有着密切的关系。白兔湖和菜子湖区的高程相对较高, 湖泊水位下降过程中, 这些区域最先暴露出来, 并在整个冬季具有较长的暴露时间, 因此形成了大面积的草滩和泥滩。在湖泊水位下降到7.64 m时, 白兔湖内草滩和泥滩面积分别为986.6 ha和2477.4 ha, 各占白兔湖面积的14%和35%。菜子湖区草滩和泥滩面积分别为964.9 ha和3332 ha, 各占菜子湖区面积的9.5%和32%。而嬉子湖的草滩和泥滩面积只占其4.1%和19%, 分别为241.6 ha和1146.3 ha。与此相适应, 白兔湖和菜子湖区的水鸟种类和数量都较高,有多个调查点的水鸟数量超过1900只或发现IUCN濒危物种(图5)。这与多年其他研究人员的调查结果一致[28]。

图4 菜子湖不同水位时越冬水鸟栖息地面积及空间分布

Figure 4 Habitat area and spatial distribution for wintering waterbirds in Caizi Lake

湖泊水位的自然波动使其景观格局呈现季节性的变化, 长期以来, 在此越冬的水鸟已经适应了这种季节动态[10, 28-29]。然而, “引江济淮”工程实施后, 菜子湖冬季水位将大幅抬升, 并一直保持较高水位, 届时大面积草滩与泥滩将被淹没, 多种水鸟的适宜栖息地将不复存在, 豆雁、白琵鹭等雁类和涉禽的栖息地将受到严重影响。但水域面积增加后, 斑嘴鸭、绿头鸭和凤头鸊鷉()等游禽的栖息地将有所增加。我们的研究结果表明, 泥滩、草滩的面积与水位的关系曲线中, 二阶导数为零的水位值分别为13.1 m和11.5 m, 低于该水位时, 草滩和泥滩面积随水位上升的速率较快, 高于该水位时, 速率下降。当水位为11.5 m米时, 菜子湖的泥滩和草滩面积分别为2627.6 ha和1266.5 ha。因此, 为了降低“引江济淮”工程对菜子湖越冬水鸟栖息地的影响, 我们建议, 菜子湖秋冬季的水位应不高于11.5 m, 这与鄱阳湖等长江中下游其它通江湖泊的秋冬季建议水位大致相当[30-31]。为了有效管理和保护越冬水鸟, 除了合理控制秋冬季湖泊水位以外, 还应减少渔业养殖, 逐步恢复退化的水生植被, 特别是沉水植被, 为越冬水鸟提供丰富的食物资源[32]。

图5 菜子湖水鸟分布重点区域栖息地随水位的变化

Figure 5 Habitat changes in important areas for waterbirds in Caizi Lake

长江中下游通江湖泊湿地在东亚-澳大利西亚候鸟迁徙路线上占有重要地位, 为迁徙水鸟提供重要的停歇地、繁殖地和越冬地[31-32]。然而, 对湿地的不合理利用使湖泊湿地严重退化、丧失, 对在此栖息的水鸟以及其它湿地生物产生显著的负面影响[33-34]。“引江济淮”工程是安徽省一项重要的水利工程, 该工程对菜子湖秋冬季湿地景观格局将产生重大影响, 只有采取合理的水位控制以及湿地恢复措施, 才能尽量降低工程对在此越冬的水鸟及其栖息的负面影响。

图6 重要调查点栖息地比例变化(a, b分别代表7.64和12.85米水位)

Figure 6 Proportions of different habitats at important areas for wintering waterbirds in Caizi Lake (Water level for panel a and b is 7.64 m and 12.85 m, respectively)

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附表1 菜子湖越冬水鸟名录及保护等级

Appendix 1 Caizi Lake wintering waterbirds list and protection level

目科英文名中文名拉丁名IUCN等级国家保护等级 雁形目鸭科White-frontedGoose白额雁Anseralbifrons国家二级 鹤形目鹤科SiberianCrane白鹤GrusleucogeranusCR(及危物种)国家一级 鹳形目鹭科LittleEgret白鹭Egrettagarzetta 鹳形目鹮科WhiteSpoonbill白琵鹭Platalealeucorodia国家二级 雁形目鸭科Smew白秋沙鸭MergellusalbellusLC(低危物种) 鹤形目鹤科HoodedCrane白头鹤GrusmonachaVU(易危物种)国家一级 鸻形目鹬科GreenSandpiper白腰草鹬Tringaochropus 雁形目鸭科Spot-billedDuck斑嘴鸭Anaspoecilorhyncha 鹳形目鹭科GrayHeron苍鹭Ardeacinerea 雁形目鸭科RuddyShelduck赤麻鸭Tadornaferruginea 雁形目鸭科Gadwall赤膀鸭Anasstrepera 鹳形目鹭科GreatEgret大白鹭Ardeaalba 鹳形目鹳科OrientalWhiteStork东方白鹳CiconiaboycianaEN(濒危物种)国家一级 雁形目鸭科Beangoose豆雁Anserfabalis 鸻形目反嘴鹬科PiedAvocet反嘴鹬Recurvirostraavosetta 鸻形目鸻科NorthernLapwing凤头麦鸡VanellusvanellusNT(近危物种) 䴙䴘目䴙䴘科GreatCrestedGrebe凤头䴙䴘Podicepscristatus 鸻形目鹬科EurasianWoodcock鹤鹬Tringaerythropus 鹤形目秧鸡科CommonMoorhen黑水鸡Gallinulachloropus 鸻形目鹬科CommonRedshank红脚鹬Tringatotanus 雁形目鸭科CommonPochard红头潜鸭AythyaferinaVU(易危物种) 鹤形目秧鸡科BrownCrake红脚苦恶鸟Amaurornisakool 鹤形目鸥科Black-headedGull红嘴鸥Larusridibundus 雁形目鸭科Swangoose鸿雁AnsercygnoidesVU(易危物种) 鸻形目鸻科KentishPlover环颈鸻Charadriusalexandrinus 鹤形目鹤科CommonCrane灰鹤Grusgrus国家二级 鸻形目鹬科CommonSandpiper矶鹬Actitishypoleucos 鸻形目鸻科LittleRingedPlover金眶鸻Charadriusdubius 雁形目鸭科FalcatedDuck罗纹鸭AnasfalcataNT(近危物种) 雁形目鸭科Green-wingedTeal绿翅鸭Anascrecca 雁形目鸭科Mallard绿头鸭Anasplatyrhynchos 雁形目鸭科NorthernShoveler琵嘴鸭Anasclypeata 鹈形目鸬鹚科GreatCormorant普通鸬鹚Phalacrocoraxcarbo 雁形目鸭科CommonMerganser普通秋沙鸭Meregusmerganser 雁形目鸭科CommonShelduck翘鼻麻鸭Tadornatadorna 鸻形目鹬科CommonGreenshank青脚鹬Tringanebularia 鸻形目鹬科CommonSnipe扇尾沙锥Gallinagogallinago 䴙䴘目䴙䴘科LittleGrebe小䴙䴘Tachybaptusruficollis 雁形目鸭科TundraSwan小天鹅Cygnuscolumbianus国家二级 鸻形目欧科SiberianGull银鸥Larusvegae 雁形目鸭科NorthernPintail针尾鸭Anasacuta 鹳形目鹭科IntermediateEgret中白鹭Egrettaintermedia

Predicting the impact of the water transfer project from Yangtze River to Huai River on habitats of wintering waterbirds in Caizi Lake using remote sensed images

ZHOU Sheng, YANG Sen, BAO Mingxia, YANG yang, LI Chunlin*

School of Resources and Environmental Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China

Caizi Lake is located on the “East Asia-Australasia” migratory route, providing important habitats for wintering waterbirds. According to the water transfer project from Yangtze River to Huai River, water in Yangtze River will be transferred to Chao Lake and Huai River via Caizi Lake. The project will ultimately increase the water level in Caizi in winter, changing the seasonal water level fluctuations. The resulting changes in wetland landscape pattern may have great effects on the wintering waterbirds in the lake. To predict the potential effects of the project on wintering waterbirds in Caizi Lake, we quantified the relationship between habitat areas for wintering waterbirds and water level using remote sensed images, water data and waterbirds surveys. A total of 49 450 waterbirds, belonging to 42 species and 12 families, were recorded during the two surveys in 2016 and 2017. There were obviously seasonal fluctuations in water level and thus wetland landscape pattern in the lake. From October ofeach year, water begins to recede, exposing various wetland patches and providing foraging grounds for a large array of waterbird species. The distribution of mudflats and grassland is spatially heterogeneous, resulting in the spatial distribution pattern of the wintering waterbirds. After accomplishment of the project, the water level in winter will be high and the large areas of mudflats and grassland would not be exposed to provide habitats for the waterbirds, especially for endangered species on The IUCN Red List, e.g.(EN),(CR),(UV) and(UV)To reduce the negative effects of the project on the wintering waterbirds in Caizi Lake, we suggest that the water level in winter should not be higher than 11.5 m during the operation of the project.

the water transfer project from Yangtze River to Huai River; Caizi Lake; wintering waterbirds; wetland loss

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.01.010

Q958.15

A

1008-8873(2019)01-071-08

2018-01-26;

2018-03-21

国家自然科学基金(编号: 31770571)

周盛(1993—)男, 安徽六安人, 硕士, 主要从事鸟类生态学研究, E-mail: zhousheng3991@163.com

李春林, 男, 博士, 副教授, 主要从事鸟类生态学等方面研究, E-mail: lichunlin1985@163.com

周盛, 杨森, 鲍明霞, 等. 基于遥感反演预测“引江济淮”工程对菜子湖越冬水鸟栖息地的影响[J]. 生态科学, 2019, 38(1): 71-78.

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