洞庭湖典型洲滩湿地水分时空变化特征及其相关性分析

2020-04-20陈建湘

水资源与水工程学报 2020年1期

陈波，陈建湘，代娟，任杰，2

(1. 西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西西安 710048； 2. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210098；3.长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，湖北武汉 430072；4.长江水利委员会长江科学院，湖北武汉 430012)

1 研究背景

洲滩湿地是介于陆生和水生生态系统之间的过渡带,水文过程、气候变化、人为活动等是其主要的影响因子[1-3]。洲滩土壤-植物-大气连续体中水分和能量交换频繁，其中，土壤水分作为物质循环和能量流动的主要介质，调控着地-气相互作用过程，是联系大气水、地表水、地下水和植物水的重要纽带[4-5]。土壤水分运移的动态过程不仅直接影响着植物群落的生长及分布，同时通过改变土壤的物理化学地球过程也间接影响着生态系统的结构、功能与多样性[6-8]。因此，研究洲滩土壤水分运移的动态变化特征对探讨洲滩湿地系统的生态保护与修复、水资源综合管理和应对气候变化等具有极其重要的意义。

洞庭湖位于湖南省北部、长江中下游荆江段南岸(27°55′N～30°23′N, 110° 50′ E～113° 45′ E)，汇集“四水”(湘江、资江、沅江、澧水)，北接“四口”(松滋口、太平口、藕池口、调弦口)分流入湖，经调蓄后由岳阳城陵矶注入长江[9]。洞庭湖是我国第二大淡水湖泊，湖泊总面积2 670 km2，容积167×108m3，是长江流域重要的泄洪及蓄洪湖泊[10]，一直被国内外学者高度关注和重点研究。自三峡水库运行后，引起长江径流量过程在中枯水期发生了较大的调整，进而使得流域来水、长江水和洞庭湖的水位流量关系在不同时期也产生了不同程度的变化[11]，相关研究表明，洞庭湖每年水位波动范围约为7～16 m[12]，这种独特的水文情势变化形成大面积干湿交替的洲滩湿地[13]，导致洞庭湖洲滩大气降水、地表水、土壤水、地下水、植物水交替转化频繁，土壤水分运移规律复杂，这直接影响着洲滩土壤生物地球化学过程和植物群落的生长与分布[14]。

近年来，国内外关于洲滩湿地的水文过程的研究已有大量的报道，如Rogel等[15]在地中海地区的6处洲滩进行长达2年的研究中发现，洲滩土壤水分含量的大小是植被带状分布的主要因素；Francis等[16]在大坝泄水条件下，对Hornsby Bend Island洲滩内的水压力进行了监测，指出河流水位波动快速改变了洲滩水力梯度及潜流带的范围，进而使河流与洲滩地下水之间相互作用的强度及方向发生改变。冯徽徽等[17]从流域、子流域等空间尺度研究了土壤水分的变化特征及其影响因素，研究表明土壤水分总体上呈现中心低、周边高的“漏斗式”空间分布，同时降水是土壤水分的主要影响因素。任杰等[18-20]利用室内试验和数值模拟的方法分析了水库低温水下泄对下游河岸洲滩土壤水分及温度的动态变化的影响，认为在低温水入渗条件下，水头及辐射温度的变化对土壤的水分场及温度场具有显著影响。林欢等[2]通过数值模拟法量化了鄱阳湖典型洲滩不同界面水分连续体的补排关系，发现土壤水分通量存在季节性差异且受降雨的影响最大。于丹青等[21]通过分析澜沧江某水库库内洲滩内部的水位及温度变化规律，量化了水库与洲滩之间的潜流交换量及热传输量。上述研究虽然能够反映洲滩水文过程的动态变化，但是针对变化条件下洲滩系统内部的水分运移规律的研究仍有待进一步加强，关于洞庭湖区洲滩水分场的动态变化特征及其相关性更是鲜见报道。

本文选取洞庭湖区一典型洲滩断面作为研究对象，通过原位自动监测装置对洲滩内的土壤水分含量及湖区水位变化的动态过程进行长达两个月的连续监测，分析了不同深度土壤水分含量的连续动态变化过程及不同深度土壤水分含量与湖水位的相关性，以期为洞庭湖洲滩系统水分运移规律的研究提供参考。

2 材料与方法

2.1 试验区概况

试验区(29°24′44″N, 113°07′47″E)位于中国湖南省岳阳市岳阳楼区西北部，地处湘、资、沅、澧四水和长江四口水流出洞庭湖入长江的咽喉地段，上游约 4 km 为东洞庭湖，下游 4 km 处为长江荆江与洞庭湖出流汇合口，是洞庭湖区典型洲滩湿地断面，如图1所示。

试验区土壤主要是粉砂土，属于亚热带湿润季风气候，日照充足，雨水充沛，年均气温17 °C，多年平均降雨量为1 439.1 mm, 呈春夏多、秋冬少的格局，春夏雨量约占全年总雨量的70%，无霜期256～285 d[11]。年内水位季节性波动显著，最低水位出现在1月，最高水位出现在7-8月，此时断面受湖水上涨而淹没，9月后湖水位逐渐消退。季节性干湿交替形成了发育典型的洲滩植被，芦苇群长势良好，群落覆盖率在90%以上[9]。

图1 研究区域地理位置及监测仪器布设

2.2 试验设计与仪器布置

图2为洲滩原位监测装置现场布置示意图。为了对试验区的土壤水分变化进行实时动态监测，在选定断面上共布设5台土壤水分监测仪器(云智能管式土壤水分仪，ET100)，离岸距离分别为0、2.02、4.36、6.0和8.2 m，离岸距离由近及远分别编号为T1～T5，自地表以下每0.1 m可测得一个土壤水分含量数据，最大监测深度为1.0 m，共计50个监测点。另外，在河道内布置一台压力传感器(HOBO U20-001-01；测量精度：±0.5 cm)，以观测河道水位动态变化，且在试验区域同时布置了两台温度传感器观测气温和地温。监测时间自2018年10月7日开始至2018年12月7日终止，数据均自动观测，记录频率为1 h。

图2 洲滩原位监测装置现场布置示意图

3 结果分析与讨论

3.1 气温、地温及湖水位的响应关系

图3为整个监测时段内研究区域的气温、地温及湖水位的动态变化曲线图。

由图3可知，监测时段内，气温波动近似正弦曲线，呈典型的日周期变化，其波动幅度较大，最高气温30.1℃，最低气温4.1℃，平均气温为14.8℃，整体上略高于地温。地温变化趋势与气温相似，但其相位滞后于气温，说明大气温度对地面热传导作用需要一定的时间。在10月9日至10月14日期间内，地温波动幅度降低，波动区间仅为19.2～24.0℃，而气温波动区间为11.6～27.2℃，可见此时气温对地温的影响甚微。这是由于湖水位在2018年10月7日逐渐上涨，至2018年10月12日水位达到整个监测时段内的最大值，此时地温监测点(T1监测井)受湖水上涨而淹没，10月15日后湖水位消退，近岸洲滩湿地逐渐出露，地温又出现与大气温度相似的强烈波动。监测过程中，湖水位受上游水库调控影响，分别于10月12日、11月19日出现峰值，水位变幅高达3.14 m。

图3 2018年监测时段研究区气温、地温和湖水位数据的日变化

3.2 洞庭湖典型洲滩水分场时空分布规律

研究中所监测的洲滩内5台监测仪所表现的土壤含水量动态特征各异，选取T1和T3作为代表性的两组进行分析。图4表示的是在监测时段内，T1和T3监测井中不同深度处(10、30、50、100 cm)土壤水分含量时间曲线，同时将各深度处的土壤水分含量数据汇总如表1所示。其中，将地表以下0～10 cm深度处的土壤视为浅层土壤，10～50 cm深度视为中层，50～100 cm深度视为深层。

表1 T1、T3监测井不同深度土壤水分含量统计表

由图4可以看出，洞庭湖典型洲滩水分场表现出显著的时空动态特征。对于T1监测井来说(图4(a))，浅层(T1-10 cm)土壤水分含量波动强烈，其值为2.7%～37.6%，特别是在10月15日土壤水分含量大幅降低，11月份波动范围不大，但变化比较频繁；中层处(T1-30 cm、T1-50 cm)土壤水分含量曲线变化规律较为相似，土壤水分含量范围在11.7%～30.5%，与浅层相比，波动幅度相对较弱，平均含水量为23.5%，高于浅层的16.2%。且波动时段主要集中在11月1日至11月7日和11月26日至12月3日；而深层处(T1-100 cm)土壤水分含量在整个监测时段内稳定在30%左右。对于T3监测井来说(图4(b))，同样在浅层处(T3-10 cm)土壤水分含量变化范围最大，为6.4%～24.6%，平均值为15.3%，变化趋势最为明显，但与上述T1-10 cm相比，土壤水分含量的波动幅度有所降低。中层处(T3-30 cm与T3-50 cm)土壤水分含量在24%上下波动，与T1情况不同的是，T3-50 cm 处的水分含量变化趋势与T3-30 cm 处差异显著，在整个监测过程中仅出现微弱波动；深层处(T3-100 cm)土壤水分含量在第一次落水后稳定在32%左右，与T1-100 cm相比略有增大。

因此，对比不同位置、不同深度的土壤水分含量的时程曲线可以发现：

(1)在10月7日-10月17日、11月9日-12月1日时间段内，河道水位出现大幅的涨跌，导致各监测井地表以下10、30 cm处的水分波动强烈，且变化规律与水位波动近似，均在10月13日、11月20日左右出现波峰。相对于浅层水分场，50 cm以下深度的水分含量在整个监测时段内都趋于稳定状态。

(2)由表1可以看出，近岸的T1中T1-10、T1-30、T1-50、T1-100 cm 4个深度对应的土壤水分含量平均值依次为16.2%、23.5%、23.5%、30.7%，T3中T3-10、T3-30、T3-50、T3-100 cm 4个深度对应的土壤水分含量平均值依次为15.3%、23.3%、24.3%、31.9%。说明在试验监测深度范围内，同一监测井中土壤水分含量随深度增大而增大。

(3)在整个监测时段内，随着深度的增加，土壤水分含量的波动幅度逐渐减小，且随着离岸边距离的增加，各监测井距离地表同一深度的土壤水分含量波动幅度也逐渐减小。无论近岸还是远岸，各监测井深层(100 cm)土壤水分含量均维持在30%以上，且无明显波动。

为了进一步明确土壤水分含量在典型洲滩断面上的分布规律，在2018年10月7日至2018年12月7日的观测时段内，选取涨水期(2018年10月11日)、落水期(2018年11月6日)各1 d为例，利用洲滩5台观测仪器离散的水分含量数据，分别绘制t=2:00、t=8:00、t=14:00、t=20:00 4个不同时刻的洲滩土壤水分含量等值线云图，如图5所示。为方便描述，将T1监测井底部水平线定位为基准线，即高程为0 m。其左、右边界分别为离岸边0、8.2 m处(T1、T5离岸距离分别为0.1、8.1 m)，而上、下边界分别为高程0、1、2.75 m处(最低、最高水分监测点高程分别为0、2.65 m)。

由图5(a)可以看出，在涨水阶段，整体上洲滩内部水分含量较高，垂向上水分场呈现分区现象，即浅层土壤水分含量偏低，垂向水分梯度较大，深层水分含量较高，且趋于稳定。随着离岸距离的增加，分区现象尤为明显，而水平方向上并没有明显的分区现象。通过对比10月11日4个时刻洲滩土壤水分含量可以发现，洲滩水分场在不同时刻的分布规律变化不大。

从图5(b)可以看出，在落水阶段，垂向上水分场同样存在着分区现象，且比涨水期更加显著。但洲滩内部土壤水分含量整体偏低，高水分含量范围相对涨水期大幅减小。从11月6日4个时刻的水分变化云图中发现：在t=2:00时，整个洲滩浅层土壤水分含量偏低，无论近岸还是远岸处，水分场在垂向上均分区明显。在t=8:00时，整个洲滩浅层土壤水分含量增大，低水分含量范围大幅缩小，这是由于11月6日凌晨试验区出现降雨导致浅层土壤水分含量迅速上升。在t=14:00至t=20:00时，土壤水分含量分布规律基本一致，总体上变化不大。值得注意的是，在监测时段内，距离T1监测装置2和6 m的地表以下约50 cm深度处，土壤水分含量出现不同程度的奇异现象，这是由于在洲滩内部，土壤水分运移与河水水位及土壤结构、质地等密切相关。根据现场实际勘察，试验区土层分层明显，不同深度混有大量粗砾石、砖块甚至巨石块，如图6所示。这对试验区土壤水分的时空变化产生显著影响，同时对仪器监测形成了一定的干扰。

图5 水位涨落过程中不同时刻研究区洲滩土壤水分含量分布

图6 试验区洲滩土层状况

通过对比涨、落水过程中洲滩水分场分布规律可以发现：

(1)在监测时段内，洲滩土壤水分场大致可以分为低水分含量区、中水分含量区和高水分含量区，根据图3中湖水位曲线可知，在10月11日，湖水位接近峰值，此时高水分含量区面积达到整个计算模型面积的2/3。随着湖水位的降低，呈现高水分含量区的面积出逐渐缩小，而低水分含量区面积逐渐增大的趋势。

(2)洲滩水分场在水平方向波动幅度较小，在垂直方向上有明显的水分分层现象，这是由于发生在湖岸系统内的地表水与地下水侧向交换量级和范围远高于垂直方向[22]。浅层洲滩水分含量较低，垂向水分梯度较大；深层水分含量较高，垂向水分梯度较小，即洲滩含水层深处水分含量变化较小。

3.3 洲滩土壤水分含量和湖水位相关性分析

河流湖泊的水位波动在洲滩生态系统中普遍存在，同时也是洲滩水文的重要组成部分[23-24]。相关研究表明[25]，水位变化改变了河岸带土壤水分含量、盐碱度，进而改变了以此为基础的物质循环、能量流动，对洲滩湿生植物群落分布产生重要影响。因此本文基于SPSS软件，对试验区监测时段内的湖水位和洲滩不同深度土壤水分含量进行F检验(F-test)，得出其相关系数R2和显著性P值，进而分析洞庭湖洲滩土壤水分含量与湖水位的相关性，结果如图7所示。

图7 研究区洲滩不同深度土壤水分含量(T1监测井)与湖水位相关性

由于T1水分监测仪距离湖区最近，受湖区水位波动的影响更加直接，因此选择T1监测仪中6个深度的水分数据进行分析。从图7可以看出，洲滩浅层(T1-10 cm)和深层(T1-100 cm)处土壤水分含量与湖水位无显著相关性。T1-30 cm(R2=0.31，P<0.01)处土壤水分含量与湖水位显著弱相关，T1-50 cm(R2=0.50，P<0.01)和T1-70 cm (R2=0.60，P<0.01)处土壤水分含量与湖水位显著正相关。

通过上述分析可知，随着深度的增加，拟合系数R2逐渐增大，至地表以下70 cm处，拟合系数R2达到最大值，即此深度土壤水分含量与湖水位相关性最高，说明湖水位是地表以下50-70 cm 深度处土壤水分含量的主要因子。随着深度的进一步增加，拟合系数R2明显降低，至100 cm深度时，拟合系数R2= 0.16，深度土壤水分基本不受湖水位波动影响。因此，土壤水分含量与湖水位的相关性在垂向上呈现空间异质性。

而由图4可以发现，在整个监测时段内，浅层(小于30 cm)土壤水分含量的波动频率及幅度明显高于其他深度。因此本文进一步对洲滩浅层(T1-10 cm)土壤含水量与大气温度进行相关性分析，如图8所示。

图8 研究区洲滩浅层土壤水分含量与气温相关性

通过图8可以看出，拟合系数R2=0.30，显著性P<0.01，呈显著负相关性。从侧面反映出浅层土壤水分的空间分布不仅受到水位波动的影响，同时也会受到其他近地表环境因子如大气温度、空气湿度、降水、等影响，因此导致T1-10 cm(R2=0.06)处的土壤水分含量与湖水位的拟合系数最低，即无显著相关性。