黄河下游宽滩区荒草湿地生境分布与时空变化研究

孙煜航　杜鹏举　程舒鹏等

关键词：湿地生境;时空变化;影响因素;湿地分布;黄河下游

中图分类号：TV882.1;TV853 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.017

引用格式：孙煜航，杜鹏举，程舒鹏，等.黄河下游宽滩区荒草湿地生境分布与时空变化研究[J].人民黄河，2022，44（3）：85-90.

黄河下游沿黄湿地主要分布于宽滩区，是河南、山东两省重要的生态环境资源。新中国成立以来，黄河中上游修建多座水库以调控黄河下游水沙活动，1999年小浪底水库投入运用，有力地调节了黄河下游来水来沙量，使得黄河下游发生特大洪水漫滩事件的概率减小，但沿黄地区生态环境也受到了影响。近年来已有学者针对黄河下游滩区面临的生态环境问题，以湿地资源为切入点，分析湿地资源的时空变化[1-6]、湿地生态环境的影响因素等[7-9]，并提出了下游滩区的生态治理模式[10-12]，但从湿地的多样性角度，针对滩区内湿地生境的分布和变化的研究较少。笔者以黄河下游宽滩区湿地生境为切入点，研究近年来黄河下游湿地生境的时空变化，分析近年来变化显著的湿地生境类型，并结合生态水文因子及社会经济活动分析使荒草湿地生境变化显著的因素，以期为黄河下游湿地保护提供参考。

1研究区概况

1.1自然地理概况

黄河下游滩区具有行洪、滞洪、沉沙等功能，是近190万滩区居民的生产生活空间[13]。为揭示黄河下游湿地生境时空变化规律，选取黄河下游湿地分布较为集中、面积相对较大的宽河段（花园口—陶城铺段）作为研究河段进行研究，研究区总面积为2744.48km。该河段涉及黄河游荡河段、过渡河段，可以相对完整地展现黄河下游湿地生境状况。

研究区地处暖温带大陆性季风气候区，四季分明、气候温和。降水较为集中，6—9月降水量占全年降水量的60%以上。土壤主要有褐土、潮土、盐碱土、风沙土等。黄河滩地地下水位与黄河河道水位基本持平，埋深1.5～2.5m。

在植被分布方面，黄河下游沿黄区域尤其是滩区，受洪水漫滩事件及人类活动影响，不存在自然演替形成的乔木林地，仅见一定量的天然柽柳灌木林地。受水沙活动影响，临近主河道的嫩滩、河间滩几乎无植被覆盖，靠近河道区域间断分布有芦苇、柽柳等植被群落。

1.2湿地生境概况

湿地生境是在水文、地形、地貌等自然因素以及人类活动干扰共同作用下，湿地及栖息于湿地的动植物、微生物等組成的统一整体[14]。黄河下游宽滩区主要由黄河径流滋养的河流湿地生境和非河流湿地生境组成。河流湿地生境主要由黄河河道和河道内的生物等共同组成;非河流湿地生境可以分为滩涂湿地生境和荒草湿地生境，其中荒草湿地生境可为大鸨、灰鹤等鸟类提供栖息场所，在生物多样性保护等方面发挥着重要作用。

黄河下游宽滩区滩涂湿地位于黄河主河槽两侧，临近黄河主河道，主要有河间滩、嫩滩等，滩涂湿地几乎无植被覆盖。黄河下游滩区荒草湿地生境指分布于河道两侧临近滩地及滩地上的荒草等生物组成的生境。受不同周期河水淹覆影响，荒草湿地内植被具有空间分异性，垂直黄河河道方向各区域滩地大体依次分布有莎草型湿地植被、禾草型湿地植被、盐生灌丛湿地植被及杂草类湿地植被等，见图1。受河道变动及滩地覆水频率不同等影响，湿地植被并非线性平行于河道分布，露水时间短的滩地植被主要有柽柳或芦苇等幼苗，露水时间较长的滩地植被基本为盐生灌丛等。

滩区群众为扩大生产，大量开垦滩区内的荒草湿地，直接影响滩区湿地生境的数量和演替。生产堤、挖沙场的建设等也使湿地生境的破碎度提高。黄河下游滩地产权、使用权等划分复杂冗乱，无明确权属结构[15]，造成黄河滩地利益相关方抢占、利用滩地，削弱了黄河下游宽滩区湿地生境保护的有效性，威胁滩区内荒草湿地生境安全。

2数据来源与研究方法

2.1数据来源与处理

研究资料包括黄河下游各水文监测断面实测水文数据，滩区范围内Landsat系列卫星遥感影像，滩区土地利用类型数据和野外实地调研采样获取的滩区湿地分布数据等。收集到的水文数据主要为2002年以来黄河水资源年报、黄河泥沙公报及黄河下游各水文断面监测数据等，来源于黄河水利委员会（www.yrcc.gov.cn）及国家地球系统科学数据中心地理资源分中心（gre.geodata.cn）。滩区范围内Landsat系列卫星遥感影像数据来源于美国地质勘探局（earthexplorer.usgs.gov），主要收集2015—2020年覆盖黄河下游滩区的遥感影像，其空间分辨率为30m。2000年和2015年滩区土地利用数据来自中国科学院资源环境科学数据中心（www.resdc.cn），该数据为栅格数据（空间分辨率为30m），包括耕地、草地等6个一级土地利用类型的25个二级土地利用类型。通过建立Landsat系列数据土地利用/覆盖目视解译结果、实地调研获取的湿地分布数据和谷歌地球真彩色图像中湿地等数据间的联系，对土地利用/覆盖数据进行归类合并。参考Liang等[16]的黄河下游湿地分类结果，结合滩区湿地水文特征与生境特点，对黄河下游宽滩区湿地生境特征及对应土地利用类型进行统计，见表1。

2.2研究方法

将黄河下游宽滩区河段分为花园口—夹河滩、夹河滩—高村、高村—孙口、孙口—陶城铺（分别简称花夹段、夹高段、高孙段、孙陶段）4个河段，分河段统计湿地生境变化，同时基于野外湿地调查和卫星遥感影像数据，分析垂直于黄河河道方向上湿地生境变化。

基于卫星遥感影像数据，采用改进归一化差异水体指数（MNDWI）提取现状水文条件下2015—2020年研究区逐月水面空间分布，间接识别滩区荒草湿地生境分布。改进归一化差异水体指数计算方法：

MNDWI=（Green-MIR）/（Green+MIR） （1）

式中：Green为绿光波段反射率;MIR为中红外波段反射率。

通过识别黄河上游来水水文节律变化等，研究水文情势对荒草湿地生境的影响，此外结合卫星遥感影像解译及实地考察等分析人类活动对荒草湿地生境的影响。

3结果与讨论

3.1黄河下游宽滩区荒草湿地生境时空变化

统计2000年和2015年黄河下游宽滩区湿地生境面积，对比发现，荒草湿地生境时空变化最为显著。整体上，2000—2015年，黄河下游宽滩区湿地生境面积略有增加，从363.96km增加到409.86km;荒草湿地生境面积呈减少趋势，从2000年的49.31km减少到2015年的26.27km。从图2可以看出，荒草湿地生境存在向下游迁移的趋势，即在2015年基本分布于夹河滩断面以下河段。河流湿地生境面积从2000年的194.02km增加到2015年的251.76km，滩涂湿地生境面积从120.63km增加到2015年的131.79km。

统计各河段湿地生境面积，见表2，可以看出，荒草湿地生境面积变化在各河段内略有不同，花夹段及夹高段荒草湿地生境面积呈减少趋势;高孙段荒草湿地生境面积基本没有变化，荒草湿地生境面积占该河段滩区总面积的3%左右;河流湿地生境及滩涂湿地生境面积在各河段呈增加趋势。因此，选取黄河下游宽滩区变化比较显著的荒草湿地生境，分析其空间分布特征及其分布变化影响因素。

3.2 荒草湿地生境空间分布特征

近年来黄河下游宽滩区荒草湿地生境时空变化明显，分析其空间分布特征有助于荒草湿地生境的保护。生境包含生物及非生物要素，以滩区荒草湿地生境的主要非生物要素即黄河滩地为切入点，通过识别潜在分布荒草植被的滩地类型，进而得到荒草湿地生境的范围。荒草湿地生境因水而生，是黄河下游滩地被水淹覆的衍生物，受调水调沙影响较大。

（1）分布荒草湿地生境的滩地类型。利用改进归一化差异水体指数（MNDWI）提取黄河河道不同水位、流量下的水面分布边界，统计受不同频率河水淹覆的滩地范围，得到荒草湿地生境的空间分布。统计黄河下游近5a各月河道淹没范围，根据黄河下游近5a的水文节律以及相关水面斑块面积的综合排序，按照丰水期、枯水期、平水期对黄河下游各月的河道淹覆范围进行归类。丰水期黄河下游河道淹没范围：黄河下游河道的径流集中于6月至8月，考虑河道淹没退水时间，将6月至9月黄河下游河道的淹没范围合并为丰水期河道淹没范围，该区域对应大洪水脉冲影响下的区域。枯水期黄河下游河道淹没范围：将1月和12月河道淹没范围作为枯水期河道淹没范围。平水期黄河下游河道淹没范围：现行水文条件下，洪水脉冲峰值相对较小，河道淹没范围、淹没水深稍逊于最大洪水脉冲的区域均可归类合并为平水期湿地生境淹没范围，将2月至5月、10月、11月河道淹没范围归类合并为平水期河道淹没范围。

目前黄河下游滩区有关“嫩滩”“二滩”“老滩”的划分[17]已不符合黄河下游各滩地遭受水沙活动影响的基本规律，因此结合相关水文节律将分布荒草湿地生境的滩地归类为次生滩、中生滩、高级滩，见图3、表3。

次生滩主要分布在平水期淹覆区域，该区域荒草湿地生境植被大都处于次生演替初级阶段，受河道水位变化影响，会遭受一定程度洪水淹没。主要分布有柽柳科、莎草科、禾本科等幼苗。在现行水文节律条件下，对应洪水脉冲峰值约为0.5m，脉冲持续时长60d以上。由于洪水脉冲相关数值超过了芦苇及柽柳群落的生态水文因子极限值[18]，因此该区域仅分布有少量芦苇和柽柳。

中生滩基本分布在6月至9月丰水期淹覆区域，中生滩湿地生境植被大都处于次生演替中级阶段，植被群落组成相对稳定，以禾本科植被群落或柽柳科植被群落为主。大约每年上水1次，洪水历时2个月左右，洪水脉冲峰值在2m以上。植被群落处于禾本科植被群落和柽柳科植被群落的竞争态，通常禾本科植被群落占据一定优势。

高级滩主要分布在近5～10a覆水1次的区域，该区域荒草湿地生境植被基本处于次生演替中级至高级阶段。由于近几年该区域鲜有上水，因此其植被已经基本演替为以柽柳为主的灌木，存在向高大乔木演替的可能。

（2）荒草湿地生境分布。现行水文条件下分布荒草湿地生境的滩地见图4、表4，分布荒草湿地生境的滩地总面积247.41km，占沿黄宽滩区总面积的9.01%。分布荒草湿地生境的滩地类型主要为高级滩，次生滩及中生滩相对较少。中生滩仅在花园口至夹河滩河段分布相对较多，植被大多处于演替的中级阶段，多为芦苇草甸。夾河滩断面以下河段分布的高级滩相对较多，植被多处于演替的高级阶段。

在黄河下游河道防洪优先的背景下，结合下游滩区不同洪水情景下的漫滩淹没情况，综合给出黄河下游宽滩区荒草湿地生境的具体分布。参考《郑州黄河省级自然保护区总体规划》，部分区域已经20多a未漫滩上水，基本没有自然形成的湿地生境。因此，按照20a一遇及其以下量级洪水的漫滩风险评估结果[19]，将20a一遇洪水淹没范围作为黄河下游滩区荒草湿地生境最大分布范围，见图5。花园口—夹河滩段洪水漫滩风险极低，洪水漫滩形成湿地生境的可能性较小。夹河滩以下河段遭受洪水漫滩的风险相对较大，而洪水漫滩有利于形成荒草湿地生境，可能逐步演替为以柽柳为主，处于演替高级阶段的植被群落。

3.3荒草湿地生境时空变化影响因素分析

3.3.1水沙活动对荒草湿地生境的影响

（1）上游来水量和水文节律对湿地生境的影响。根据黄河下游各水文监测断面年、月径流量变化特征，小浪底水库运行以来，黄河下游来水量呈增大趋势，一定程度上使得河流湿地及滩涂湿地生境面积增大。但相较于调水调沙前水文节律的均衡稳定，调水调沙后的径流量在年内各月分配极不均匀，月径流量骤变，不利于荒草湿地生境植被群落的稳定演替。

（2）洪水脉冲对荒草湿地生境的影响。由低水位上升至高水位再降回低水位的过程称为一个洪水脉冲[20]，洪水脉冲可以精确描述水文情势变化的程度。由于未能获取与遥感解译结果相匹配年份的水文数据，因此对收集到的2002年黄河下游河段水文监测断面实测水位数据进行概化处理，以近似获取相应年份（2000年）的水文数据（2013年水文数据近似匹配2015年遥感解译结果），进而分析洪水脉冲对荒草湿地生境的影响。在2002年7月4—15日，以小浪底水库为主，黄河下游开展了第一次调水调沙，考虑调水调沙事件影响的连续性，将2002年7月全月的相关水位数据剔除，近似获取概化的2000年（未开展调水调沙活动前）黄河下游各水文监测断面水位变化情况，见图6。

对比概化的2000年（未开展调水调沙）及2013年（已开展调水调沙）黄河下游各监测断面水位变化情况可以看出，概化的2000年黄河下游水位变化呈现周期性;2013年黄河下游水位变化呈现一极高双峰式洪水脉冲，且双峰出现间隔时间较短。以花园口监测断面为例，6月1日河道水位开始上涨，在30d内从90.07m上涨至91.98m，又经过30d回落至90m左右。总结2013年洪水脉冲特点可知，洪水脉冲峰值约为2m，洪水脉冲总历时约为2个月。

根据黄河下游滩区荒草湿地生境典型植被生态水文因子需求情况[18]（见表5，其中植被需水时间为4—6月植被萌发期，7—10月植被生长期），水位变化等对滩区荒草湿地生境植被具有潜在影响。目前黄河下游洪水脉冲的峰值在夹河滩、高村断面分别可达2、3m，洪水脉冲持续时间长达60余d。根据表5中植被对生态水文因子的耐受性阈值，该洪水脉冲不利于芦苇草甸等植被的稳定演替，因此在一定程度上使得荒草湿地生境面积从2000年的49.31km降低到2015年的26.31km。但夹河滩以下洪水的水文峰值相对更大、洪水历时相对更久，上游来水在退水过程中得以淹覆更多滩地，在一定程度上可以提供芦苇沼泽的水文需求，为滩区内荒草湿地生境的分布提供可能，使得2015年荒草湿地生境基本分布于夹河滩断面以下。

3.3.2人类经济社会活动对荒草湿地生境的影响

（1）农业生产对荒草湿地生境的影响。人类活动对荒草湿地生境的影响极为显著，滩区群众为增加耕地面积，对沿黄荒草湿地生境进行改造。以黄河下游面积较大的中牟滩为例，2010年洪水漫滩事件后由原始嫩滩演替形成一处天然柽柳林，近几年未遭受洪水淹覆，已经演替为稳定柽柳林。当地群众为增加耕地面积，人为将柽柳林改造为耕地，该处柽柳林面积由2012年的36.90hm2减少到2019年0.46hm，面积减小到原来的1.25%。

（2）挖沙活动对荒草湿地生境的影響。黄河下游河道需要开展清淤排沙、输沙工作等，滩区内存在一定挖沙活动。结合卫星遥感影像，在2019年11月6日对典型挖沙区域进行实地植被信息收集发现，未受挖沙影响区域分布有稳定柽柳植被群落，柽柳单独植株已近4m高，被挖沙活动直接干扰的区域则仅见部分莎草科植被，黄河下游滩区内的挖沙活动已严重影响黄河下游滩区荒草湿地生境植被的演替发展。

4结论

利用Landsat系列卫星遥感影像数据，分析了黄河下游宽滩区荒草湿地生境时空变化规律。引入洪水脉冲等理论分析了水沙活动对湿地生境的影响，基于实地调研分析了人类活动对湿地生境的干扰，采用MNDWI间接识别滩区荒草湿地生境分布空间，得到如下结论。

（1）从2000年至2015年，黄河下游宽滩区湿地生境总面积略有增加（从363.96km增加到409.86km），但荒草湿地生境面积有所减少，且荒草湿地生境有向下游迁移的趋势。

（2）现行水沙条件较小浪底水库运行前不利于黄河下游宽滩区荒草湿地植被生长。目前黄河下游洪水脉冲峰值在夹河滩、高村断面可分别达2、3m，洪水脉冲持续时间长达60余d。结合荒草湿地生境植被对生态水文因子的耐受性阈值，该洪水脉冲干扰不利于荒草湿地生境植被演替，造成荒草湿地生境面积减小。

（3）在现状水文条件下，分布荒草湿地生境的滩地总面积为247.41km，占沿黄宽滩区总面积的9.01%。分布荒草湿地生境的滩地类型主要为高级滩，次生滩和中生滩分布荒草湿地生境面积较小。

【责任编辑 吕艳梅】