长江中游水位下降引起的浅滩出露及其对产粘性卵鱼类繁衍的潜在影响探讨——以2020年春季为例

杨 帆，何报寅*， 冯 奇， 肖 飞， 班 璇， 涂世平， 舒 炜

(1.中国科学院精密测量科学与技术创新研究院环境与灾害监测评估湖北省重点实验室， 武汉 430071；2.中国科学院大学， 北京 100049； 3.武汉市生态环境局汉阳区分局， 武汉 430022；4.青岛经济技术开发区管理委员会， 山东 青岛 266425)

长江中游一般指三峡大坝以下，从湖北宜昌至江西湖口约955 km的江段，该江段蜿蜒曲折，浅滩沙洲众多，拥有十分丰富的鱼类资源[1-3].据统计，长江现有鱼类400余种，纯淡水鱼有360余种，其中中下游有纯淡水鱼类200余种，约占整个长江淡水鱼种类数的60%[4-5].然而，在过度捕捞、大型水利工程建设、水环境污染等人类活动因素的影响下，长江中游的鱼类资源曾经急剧减少[6-8].

已有研究显示，长江中游水位的变化可以直接影响水域以及浅滩出露面积，从而可能对产粘性卵鱼类的繁殖产生不利影响.田伟国等[9]利用MODIS遥感数据，对2003年前后洞庭湖的枯水期与丰水期的水域面积对比分析，建立了洞庭湖水体面积与城陵矶水位之间的线性关系，对洞庭湖面积变化序列进行了分析；姚仕明等[10]利用Sentinel-1遥感影像提取了2020年汛期鄱阳湖的水域面积，并分析了水体面积与水位之间的相关关系(R2=0.903).同时，李成[11]对1997—2005年洞庭湖的鲤、鲫鱼产卵场及索饵场的调查，研究显示自三峡大坝建立以后，西洞庭湖鲤、鲫产卵场和索饵场数量和面积均在减小；朱轶等[12]对三峡大坝运行前后西洞庭湖的鱼类群落结构特征变化进行分析，阐述了三峡大坝运行以来，改变了洞庭湖的水文规律，使得浅滩淹没时间变短，产粘性卵鱼类数量比例呈下降趋势.

本文依据2020年春季长江中游水位变化情况，结合相关站点的历史水位、气象以及遥感数据，分析了2020年春季长江中游水位下降的过程和原因，对长江中游水位、浅滩变化对产粘性卵鱼类繁衍的潜在影响进行探讨，期望能为长江鱼类资源保护、水利工程生态调度的优化提供科学依据.

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

本研究选取城陵矶河段、鄱阳湖和洞庭湖作为长江中游典型区域进行遥感监测(图1).城陵矶河段位于湖南省岳阳市北端，是洞庭湖出口，也是长江干流与洞庭湖的交汇处，该河段宽窄相间，堤岸坡度缓和[13]，水位的涨落对其浅滩面积变化影响较大.鄱阳湖与洞庭湖位于长江中游南岸，作为长江流域典型的季节性浅水湖泊，其水位变化都存在较大的季节差异性，“高水是湖，低水似河”、“洪水一片，枯水一线”更是鄱阳湖的自然地理特征.

图1 气象、水位站点与遥感监测区域Fig.1 Meteorological stations， water level stations and remote sensing monitoring area

1.2 数据来源

本研究选取长江中上游4个水位站点和18个气象站点近十年来的水位与降雨量数据(图1).其中2019年5月份长江中游水位在近十年中具有代表性，所以选取2020与2019年5月份城陵矶河段、鄱阳湖、洞庭湖遥感影像数据进行水体提取与比较.数据来源详见表1.

表1 各项数据来源

1.3 研究方法

本研究采用Sentinel-1、Sentinel-2遥感影像数据(https：//scihub.copernicus.eu)，Sentinel-1可提供连续图像，不受天气的影响，适合大空间尺度的地表监测；Sentinel-2受天气影响较大，但其空间分辨率高，适合小范围的内陆水环境监测.首先对遥感影像数据进行预处理，通过阈值分割的方法对研究区域进行水陆分离，实现水体与非水体的二值化(图2).最后比较2020年与2019年5月的水体区域，得到2020年5月长江中游鄱阳湖、洞庭湖的浅出露情况.同时，利用Mann-Whitney U检验方法[14]，分别对气象站点2020年上半年日平均累积降雨量与2010-2019年平均累积降雨量进行显著性检验.

图2 遥感影像处理流程Fig.2 Remote sensing image processing flow

2 结果与分析

2.1 2020年春季长江中游水位下降与浅滩出露情况

2020年2月上旬至4月上旬，长江中游城陵矶站、汉口站、湖口站水位都要高于近十年平均，在4月7日左右达到最高值，随后水位开始下降，城陵矶站、汉口站、湖口站水位下降速度分别达到0.151 m·d-1、0.147 m·d-1、0.159 m·d-1，并在5月上旬达到最低值，最低值水位分别为22.17 m、16.03 m、10 m，比近十年平均水位降低了3.1 m左右(图3).

图3 长江中游水位变化Fig.3 Water level changes in the middle reaches of the Yangtze River

随着2020年春季长江中游水位的降低，相比较2019年同时期，城陵矶河段出现多处江心洲，浅滩最大延伸宽度达到500 m(图4)；鄱阳湖与洞庭湖也都出现了大面积的浅滩出露情况，出露面积分别达到670 km2和480 km2(图5～6).

图4 城陵矶河段浅滩出露部分Fig.4 Exposed part of shoal in Chenglingji Reach

图5 鄱阳湖浅滩出露部分Fig.5 Exposed part of shoal in Poyang Lake

图6 洞庭湖浅滩出露部分Fig.6 Exposed part of shoal in Dongting Lake

2.2 2020年长江中游水位下降的原因

2.2.1 降雨量 2020年长江中游水位受气候变化的影响，在1至2月份，中上游降雨量较往年显著性增多(p<0.05，图7)，水位也随之上升，但是从4月份开始，长江中游降雨量显著性减少(p<0.05)，较往年平均减少44.6%(表2)，5月份也减少了23.9%，使得长江中游4月中旬至6月上旬处于低水位状态.整体来看，长江中上游的降雨量情况与中游水位变化情况基本吻合，降雨量的减少是造成2020年春季长江中游水位骤降主要原因.

图7 长江中上游1—6月降雨量Fig.7 Rainfall from January to June in the middle and upper reaches of the Yangtze River

表2 长江中上游2020年1—6月降雨量统计表

2.2.2 三峡水库的调度 每年10月至翌年6月，三峡水库水位逐渐消落，其中3-6月为主消落期[15].2020年上半年，三峡水库正常运行(图8(b))，但由于受到降雨量变化带来的影响，三峡水库的出库流量(图8(a))与入库流量(图8(c))同步变化.在2020年2月下旬至4月中旬，出入库流量相比较往年平均都明显偏多，水位也高于往年平均；在4月中旬至6月上旬，三峡水库的出入库流量有所减少，并在5月10日达到最低值5 830 m3·s-1，水位下降速度加快，相比较往年处于较低状态.2020年三峡水库的出库流量与长江中游的水位变化情况相吻合，在一定程度上也影响了长江中游的水位变化.

图8 三峡水库水文信息Fig.8 Hydrological information of the Three Gorges Reservoir

2.3 水位下降与浅滩出露对产粘性卵鱼类的潜在影响

鲤鱼、鲫鱼等产粘性卵鱼类产卵的高峰期多为每年4—6月(图3)，由于浅滩处水压小，便于产卵，所以产粘性卵鱼类大多都会在近岸浅滩处产卵，并将鱼卵附着在浅滩植物体、砂石等基质上发育.随着雨季的到来，江河水位逐步抬升，逐步淹没春季生长的浅草滩，鱼卵不会脱落到水底窒息死亡，也不会露出水面[15-16].它们的繁殖行为、孵化方式已经适应了长期以来长江流域的自然生态环境.但是2020年春季长江中游水位的异常下降，会导致浅滩的大面积出露，从而使产粘性卵鱼类失去产卵地点，大量的鱼卵也会随之露出水面.城陵矶河段、鄱阳湖、洞庭湖作为长江中游的典型河段及湖泊，其水位变化在一定程度上能够体现整个长江中游的水位变化情况，同时它们也是我国淡水鱼的重要产地[17-18]，浅滩的大范围出露可能会给长江中游的鱼类繁衍产生大范围的不利影响，长江鱼类资源也会受到较大损失.

3 讨论

3.1 生态调度与鱼类繁殖行为需适应

大型水利工程的修建主要目的是防洪、发电与航运[19]，推动了我国社会经济的发展，但也改变了河流的生态环境.随着长江流域渔业资源的持续衰退[20]，水利设施的调度对鱼类资源的潜在影响越来越被人们重视，例如在2011年三峡水库首次开展了针对四大家鱼自然繁殖的生态调度试验，至2020年开展针对产粘性卵鱼类繁殖的生态调度试验，已经进行了14次，并都取得了一定的促进作用[21].周雪等[22]对近年来三峡水库生态调度对长江中游监利江段四大家鱼繁殖的影响展开研究，结果表明三峡水库生态调度所产生的涨水过程在一定程度上满足监利江段四大家鱼繁殖的水文需求.汪登强等[23]对汉江下游梯级联合生态调度对鱼类繁殖影响进行初步研究，结果表明开展生态调度对鱼类繁殖具有明显促进作用.

2020年春季，在降雨量减少的因素影响下，2020年春季长江中游水位异常下降，长江中游乃至整个中下游的浅滩都会出现不同程度的出露，产粘性卵鱼类的繁殖行为会因此受到影响，可能会对整个长江中下游的鱼类资源产生系统性和深刻的不利影响.在自然降水减少的情况下，大型水利工程的生态调度尤为重要，不仅需要考虑防洪、发电、航运、供水以及对大型洄游性鱼类产生的影响等问题，还应该对气候变化有一定的预见性，与下游水位的实际情况相结合，重视和考虑中下游产粘性卵鱼类的自然繁殖习性，来制定更科学合理的联合调度方案，以减弱对中下游鱼类资源的影响，保证产粘性卵鱼类产卵繁殖所需的涨水条件.同时，也建议有关部门和单位密切关注产粘性卵鱼类资源的动态变化情况，加强监测评价，最大程度地保护长江鱼类资源，实现长江健康可持续发展.

3.2 利用遥感技术监测浅滩变化

目前，相关学者对长江中游的鱼类资源情况的调查大多关注四大家鱼等产漂流性卵的鱼类[24-27]，但以鲫鱼、鲤鱼为代表的产粘性卵鱼类却少有人关注.浅滩作为鲤、鲫等产粘性卵鱼类的主要产卵场地[28]，会随着水位的涨落而淹没或出露，而卫星遥感技术作为一个新兴的地表观测手段，可以动态、大范围的监测湖泊、河流的结构、岸线等特征，且不受地表、天气、人为等因素的影响和限制，可以实时动态监测浅滩面积以及水位变化情况，以及推测不同区域的鱼类潜在产卵场[29-31].刘云珠等[32]对2013年与1996年的遥感影像解译，发现西洞庭湖的水域、草滩、泥滩等湿地面积分别减少了46.4%、49.9%、39.8%，同时鲤、鲫鱼产卵场面积也减少了46.6%[28].

所以，遥感技术可以作为浅滩变化情况实时动态的监测手段，来配合大型水利工程更合理的进行生态调度，为长江生态环境、鱼类资源的保护提供全新的可能.

4 结论

2020年春季长江中上游的降雨量的减少，造成了长江中游两大通江湖泊鄱阳湖与洞庭湖相比较2019年同时期浅滩出露面积分别达到670 km2和480 km2，同时以城陵矶河段为代表的长江干流也出现了大面积的浅滩出露情况，可能会对长江中下游产粘性卵鱼类的繁衍产生系统性和深刻的不利影响，其后续效应需要引起有关部门的密切关注，加强对产粘性卵鱼类资源的监测.