黄河口盐沼湿地植被群落适宜生境模拟Ⅱ：应用

易雨君，谢泓毅，宋 劼，杨志峰，4

（1.北京师范大学 教育部水沙科学重点实验室，北京 100875；2.北京师范大学 水环境模拟国家重点实验室，北京 100875；3.交通运输部规划研究院 环境资源所，北京 100028；4.广东工业大学 环境生态工程研究院，广东 广州 510006）

1 研究背景

盐沼湿地是一类具有丰富生态服务功能和生态价值的高生产力生态系统，多分布在滨海及河口地区［1-3］。盐沼生态系统中环境梯度明显、物种组成相对简单，生长在其中的盐沼植被常表现为带状分布的特征［4-5］。针对土壤营养元素与盐沼植被生长之间的关系，已有大量的监测和实验研究成果［6］。盐沼湿地地下水埋深相对较浅，对浅层土壤的影响明显，其地下水过程与盐沼植被的生长和分布关系紧密［7-8］。河口盐沼湿地由于同时受潮汐和河流的共同影响，地下水动力过程尤其复杂［9-10］，使得对于盐沼植被适宜生境和生物量时空分布的动态预测较为困难［11］。因此，基于盐沼植被对土壤水盐要素的响应规律，研究河流径流和潮汐共同作用对区域的地下水动力过程的驱动，进一步明确对土壤水盐的影响，从而揭示其对盐沼植被的分布格局和生物量的影响机制，有助于理解河流径流变化对河口湿地盐沼植被分布格局的影响，为河口盐沼湿地植被保护与修复提供支持。

黄河三角洲盐沼湿地受黄河径流和潮汐影响，植被呈明显的带状分布，其中芦苇、柽柳和翅碱蓬为3 种最为典型的盐沼植被［12］。本文前篇《黄河口盐沼湿地植被群落适宜生境模拟Ⅰ：理论》［13］中介绍了土壤水盐协同-植被生长扩散植被群落耦合模型的建立、率定和验证过程，该耦合模型由地下水动力模块、土壤盐度模拟模块和种群增长-竞争模块3 个部分组成，本文使用该耦合模型模拟了不同径流过程和潮汐共同作用下，黄河三角洲盐沼植被群落的适宜生境及生物量的时空分布。

2 研究方法

2.1 研究区概况黄河三角洲是一片年轻的河口湿地，在黄河高含沙径流与潮汐冲刷的作用下，这片区域一直在不断地发生增长与蚀退，独特的自然环境造就了我国暖温带最完整、最广阔、最年轻的生态系统，也是河口盐沼湿地生态系统的典型代表之一［14-15］。在河道与海洋间分布有广阔的盐沼湿地，在此区域地下水受潮汐和河流径流共同影响，且埋深较浅，多年平均地下水埋深约为2.5 m［16］。该区域植被物种丰富，且自海向陆环境梯度上，日本鳗草-互花米草-翅碱蓬-柽柳-芦苇等盐沼植被带状分布的现象普遍存在［17］（图1）。芦苇、翅碱蓬和柽柳占研究区群落生物总量60%左右，是该区域的优势盐沼植被［18］，生长季为4—10月。本文研究的黄河三角洲自然保护区面积约为4836 km2，其中陆地面积约为3536 km2。

图1 研究区盐沼植被带状分布示意

2.2 水文年时间序列设置流域水资源总量可以反映流域内水量可被社会经济发展和生态环境有效使用的程度［19］，因此本文根据1956—2018年黄河流域水资源总量时间序列数据设置水文年时间序列情景（数据取自《黄河水资源公报》）。

采用频率分析法确定黄河流域水资源总量的特征值，其公式为：

式中：Pm为累计频率值；n为样本总数；m为排序序号。

1956—2018 年的黄河流域水资源总量累积频率曲线如图2所示。分别以累计频率为25%、50%和75%对应的水资源总量作为丰、平、枯水年的水资源总量特征值。最终选取1964年、2012年、1971年、1999年和2002年分别作为黄河流域水资源总量最大、丰水、平水、枯水和最小年的代表年份，以此为依据设置时间序列。采用黄河下游利津站在代表年份的实测月均水位作为地下水模型河流边界条件，具体设置见表1。

图2 1956—2018年的黄河流域水资源总量累积频率曲线

表1 利津站水位时间序列

3 结果与讨论

3.1 地下水动力模拟结果基于本文前篇土壤水盐协同-植被生长扩散植被群落耦合模型中的地下水动力模块，模拟了5 个水文年时间序列情景下黄河三角洲自然保护区地下水水位的分布情况。地下水模型时间步长为1 h，模拟时长为1 a。考虑到水文年时间序列步长为1 个月，取每个月应力期结束后地下水水位场稳定时的结果作为当月模拟结果。

地下水水位高程的模拟结果如图3所示，黄河水位的变化对于河道近岸带地下水有显著影响，从河道向远离河道方向地下水水位递减，随后因为渤海的补给，地下水水位上升直至海平面。在距离黄河河道较远的东南部地下水整体稳定在海平面以下，尽管该区域受到海水补给和黄河补给的共同影响，但因距离两者均较远，受到补给的强度较弱。东侧入海口处黄河河道较宽（约为上游河道宽度的7 倍），但上游侧的补给影响比入海口处更强。

图3 不同水文年时间序列下地下水模拟结果

黄河流域水资源总量最大年、丰水年和平水年时间序列的模拟结果均有较明显的黄河补给峰值范围，而枯水年和最小年时间序列黄河补给全年较为稳定。最大年和平水年黄河补给的影响自4—10月持续增大，丰水年黄河补给的影响在6—8月逐渐增大，至10月略有下降，枯水年及最小年黄河补给影响的月际变化较小。

3.2 土壤盐度模拟结果不同水文年时间序列下浅层土壤盐度模拟结果如图4所示，浅层土壤盐度在黄河两岸（0 ～15 g/L）和海岸线附近（0 ～10 g/L）盐度均较低，而在黄河和海岸线之间出现盐度较高的区域（＞20 g/L），表明在潮汐和径流强影响区以外存在“超盐带”现象［20］。在研究区的北侧、东侧和东南侧均出现了超盐带，盐度分别大于20、30 和30 g/L。浅层土壤盐度分布受黄河补给影响变化明显，黄河补给增强导致黄河两岸的浅层土壤盐度快速下降，但同时也使超盐带的范围扩大。研究区浅层土壤盐度的分布相对稳定，均出现超盐带，但除最大年外其他4 个时间序列下的模拟结果超盐带均无明显变化，仅在某些局部地区存在差异。

图4 不同水文年时间序列下浅层土壤盐度模拟结果

3.3 多物种适宜生境模拟适宜生境分布模拟结果如图5所示，3 种盐沼植被在研究区内的适宜生境主要特征为在黄河两岸呈带状分布，在距离黄河较远的地区呈散点状分布。自黄河向海梯度上，依次为芦苇、柽柳和翅碱蓬的分布条带，条带之间存在交错生长区。黄河水位较高时，在距离黄河较近的河岸无盐沼植被生长，这可能与地下水水头高于地表有关，导致地表长期处于淹没，且淹没深度超过了植物的耐受极限，植物根系处于缺氧胁迫所致。随着黄河水位的增高，芦苇在河岸的分布越来越集中，分布条带的宽度减小，而翅碱蓬的分布条带变宽。

图5 不同水文年时间序列下芦苇、柽柳和翅碱蓬适宜生境模拟结果

3.4 多物种生物量模拟盐沼植被生物量分布模拟结果（以最大年为例）如图6所示，对照适宜生境模拟结果可以发现，盐沼植被生物量的累积主要发生在受黄河河道补给较强的带状分布区内，而散点状分布区内盐沼植物的生物量积累相对缓慢。芦苇的生物量积累主要发生在较窄的条带上，而翅碱蓬和柽柳的生物量积累则主要发生在面状区域。芦苇的生物量分布存在靠近黄河河道的生境内生物量多于远离黄河河道的生境内生物量的现象，说明黄河补给的直接作用对芦苇生物量积累影响较大。柽柳的生物量分布较为均匀。翅碱蓬仅在8月出现靠近黄河河道的生境内生物量明显多于远离黄河河道的生境内生物量的现象，这可能与黄河补给的影响范围有关。翅碱蓬和柽柳适宜生境范围内黄河的横向补给对地下水影响较小，土壤主要受到海洋和蒸散发的影响，不同水文年时间序列下黄河水位变化引起的补给范围变化对生物量积累过程的影响较小。而在芦苇的适宜生境范围内，既存在黄河补给影响强烈的区域，又存在黄河补给影响较弱的区域，使整个生境范围内生物量积累的空间分布差异较大。

图6 水资源总量最大年时间序列下芦苇、柽柳和翅碱蓬生物量模拟结果

3.5 不同水文年时间序列对3 种典型植被生境和生物量的影响图7（a）—（c）为芦苇、柽柳和翅碱蓬在5 种水文年时间序列情景下适宜生境面积的统计结果。芦苇的适宜生境面积统计结果如图7（a）所示，研究区内芦苇适宜生境面积在62 ～67 km2，最大年情景下7—9月芦苇适宜生境面积快速减少，原因是此时为汛期，黄河水位较高，芦苇受到淹没影响，适宜生境减少。在5—6月，丰水年的水位最适宜芦苇生长，同时最小年7—10月和平水年8—10月的水位也可使芦苇适宜生境维持在较大水平。柽柳的适宜生境面积统计结果如图7（b）所示，研究区柽柳的适宜生境面积维持在6 ～13 km2，丰水年在整个生长季内均能维持柽柳较高的适宜生境面积。翅碱蓬的适宜生境面积统计结果如图7（c）所示，研究区翅碱蓬的适宜生境面积维持在34 ～42 km2，在7—10月最大年下其适宜生境面积明显高于其他时间序列。

盐沼植被生物量变化模拟结果如图7（d）—（f）所示。芦苇的生物量为1.90 万～7.33 万t ，不同水文年时间序列方案下芦苇的生物量变化规律一致，均在4—9月逐月递增，在9月达到峰值，在10月下降。柽柳的生物量为0.42 万～3.91 万t ，在最大、丰水、平水和枯水年时间序列下逐月递增，在最小年在4—6月逐月递增，在7月骤减，随后在7—10月递增，峰值出现在6月。翅碱蓬的生物量为0.94 万～14.28 万t ，不同水文年时间序列方案下翅碱蓬的生物量变化规律一致，在4—7月逐月递增，在8月骤增，在9月骤减，随后在9—10月递减，峰值出现在8月。

图7 不同水文年时间序列下芦苇、柽柳和翅碱蓬适宜生境面积和生物量统计结果

通过计算盐沼植被月均适宜生境面积占比（生长季内盐沼植被月均适宜生境面积与研究区总面积的比值）和月均生物量，比较了5 种水文年时间序列方案对典型盐沼植被整个生长季内生境和生物量的影响。结果如图8所示，最小年为芦苇适宜生境的最优时间序列，丰水年为柽柳适宜生境的最优时间序列，最大年为翅碱蓬适宜生境的最优时间序列。3 种盐沼植被月均适宜生境总面积占比计算结果表明，丰水年为3 种盐沼植被适宜生境总面积的最优时间序列。枯水年芦苇、柽柳和翅碱蓬均有较高的月均生物量，同时芦苇在最小年的生物量也较高，3 种盐沼植被月均总生物量同样表明枯水年为3种盐沼植被月均总生物量的最优时间序列。

图8 不同水文年时间序列下单物种及3 物种月均适宜生境面积占比和月均生物量结果

4 结论

黄河三角洲作为具有典型植被带状分布特征的盐沼湿地，在径流和潮汐的共同作用下，其浅层土壤水盐条件发生动态变化，对于盐沼植被的生长产生直接影响。本研究基于已构建的土壤水盐协同-植被生长扩散植被群落适宜生境及生物量模拟模型，选取黄河最大、丰水、平水、枯水和最小年水文年时间序列作为模拟情景，对芦苇、柽柳和翅碱蓬3 种类型盐沼植被的适宜生境进行了模拟，结果显示，芦苇、柽柳和翅碱蓬在研究区内的适宜生境分布的主要特征为在黄河两岸呈带状分布，在距离黄河较远的地区呈散点状分布。保障芦苇、柽柳、翅碱蓬和盐沼植被总生境面积最大的最适宜水文年时间序列情景分别为最小年、丰水年、最大年和丰水年时间序列。芦苇、柽柳和翅碱蓬生物量模拟结果显示，3 种盐沼植被在黄河两岸的带状分布区生物量积累较高，而在远离河道的散点状分布区生物量积累较少。芦苇的生物量积累主要发生在较窄的条带上，而翅碱蓬和柽柳的生物量积累均匀发生在面状区域。除芦苇的最大生物量出现在最小年，柽柳、翅碱蓬和盐沼植被总生物量的最大值均出现在枯水年。