近百年鄱阳湖湿地格局演变研究*

2022-05-17万荣荣杨桂山谭志强王殿常吴兴华

湖泊科学 2022年3期

李冰，万荣荣，杨桂山，谭志强，王殿常，吴兴华

(1：中国科学院南京地理与湖泊研究所，中国科学院流域地理学实验室，南京 210008) (2：中国科学院大学，北京 100049) (3：中国长江三峡集团有限公司，北京100038)

湖泊湿地作为全球内陆湿地的重要组成部分，提供了丰富的洪水调蓄、水环境净化、生物多样性维持、淡水与食物供给等生态系统服务[1-2]. 20世纪以来，受到气候变化、围垦和水利设施建设等的干扰，河湖水文连通性下降明显，全球范围湿地的长期损失率高达42%[3]，其中1970-2015年间35%的自然湿地因土地利用变化与人为筑坝而消失[2]，大量天然湿地丧失阻碍了湖泊湿地关键生态系统服务的维持[4-6]. 湖泊湿地空间格局长期演变及其对土地利用和水文连通性变化的响应研究也成为国内外学者关注的焦点，成果被广泛应用于湿地生态修复与管理、湿地保护政策制定等方面[5-8].

长江中下游湖泊湿地是全球典型的江湖淤塞淡水湿地，季节性的洪水、周期性的湖水快速更换，以及与大江大河密切的水文连通性，形成了包括湖泊湿地生态系统、江湖交互作用和人文地理等彼此相关的复杂水文环境与湿地结构. 随着遥感手段的兴起，多源遥感数据被广泛应用于长江中下游湖泊湿地的变化监测，包括湿地景观格局变化、湿地变迁、湿地生态系统健康等方面[9-13]. 中国科学院南京地理与湖泊研究所于2007-2009年开展了全国1 km2以上的湖泊遥感调查，与历史时期湖泊调查数据对比发现，中国湖泊数量大幅度减少，其中长江中游地区约2/3的湖泊因围垦而消失[12]. Wang等[9]基于MODIS数据监测了长江中下游20 km2以上湖泊湿地的旬尺度动态，结果表明2000-2011年间湖泊湿地共损失了约7.4%，并提出区域气候变异和长江干流与流域支流水利设施建设是湖泊湿地演变的主要原因. 然而目前湖泊湿地格局演变的研究主要集中于遥感手段兴起以来的近40年，由于缺少历史资料的整编，以及监测频度和精度的限制，罕有横跨中华人民共和国成立前后、改革开放、大型水利工程建设等重要人类活动事件的湿地格局长期演变研究. 因此，已有学者开始将遥感数据与历史地形图和航片数据相结合，并对江汉平原湖群[14-16]、洞庭湖区[17-18]湖泊长期演变规律开展了研究并取得了较好的成果，为湖泊湿地生态修复和保护政策的制定提供了重要依据. 如余姝辰等[18]利用清光绪22年以来的包含《洞庭湖全图》、堤垸分布图、民国时期历史地形图、中华人民共和国成立初期历史地形图、遥感影像等数据，重建了洞庭湖区通江水域面积的时序变化.

鄱阳湖是我国最大的淡水湖泊和长江中游仅存的两个通江湖泊之一，其自然通江的湖泊湿地范围、结构的季节性与年际变化直接影响了湖泊洪水调蓄、水资源供给、生物多样性维持和水环境净化等多种生态系统服务功能的发挥. 目前针对鄱阳湖湖泊湿地演变的研究主要集中于湖泊湿地遥感监测与水文情势波动的生态效应等方面[19-24]. 众多研究结果表明近几十年来鄱阳湖秋冬季节湿地植被面积呈现明显的上升趋势，且表现为湿生植被向湖心迁移的特征，湿地旱化明显[20,25-26]. 此外，湖泊湿地面积的变化与水文情势波动变化关系明显[27]，三峡水库运行叠加影响下的湖泊退水期水位降低是洲滩湿地出露提前、旱化加重的重要原因[20,22,28-29]. 在湖泊湿地长期演变研究方面，万智巍等[30]针对鄱阳湖局部(南部区域)水体的演变，基于1930s军事地形图和两期遥感影像采用景观格局指数和湿地密度开展了研究. 然而鄱阳湖自然通江的湖泊湿地在近百年是如何演变的，其对土地利用和水文连通性变化的响应如何，有赖于充分挖掘历史地形图资料，拓展遥感数据研究时间尺度，从而重建百年尺度鄱阳湖湿地格局，为鄱阳湖湿地生态修复、生态系统服务提升等提供客观资料. 综上所述，本研究的目标是：基于历史地形图和遥感产品，探明近百年鄱阳湖湿地格局演变过程，解析土地利用变化与水文连通性变化及其对湿地格局演变的影响.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

鄱阳湖位于我国江西北部、长江南岸(28°22′～29°45′N，115°47′～116°45′E)，南北长170 km，东西平均宽度16.9 km，最大宽度约74 km(图1)[31]. 鄱阳湖上承流域赣、抚、信、饶、修五河来水，北部通过湖口水道注入长江，并与长江存在出流、顶托与倒灌的复杂江湖关系. 湖区属北亚热带季风气候，年均气温16.5～17.8℃，多年平均降水量1570 mm. 鄱阳湖年径流量占长江年径流总量的18%以上，不仅为长江中下游提供了可靠的优质水源，而且也是中下游洪水的巨大调蓄库，承担着调蓄长江中游25亿 m3超额洪水的重任[32]. 同时作为具有国际意义的重要湿地，鄱阳湖是全球95%的白鹤、60%的东方白鹳等珍稀水禽的越冬场所[33]. 此外，鄱阳湖还提供了巨大的水质净化[34-35]与气候调节功能[36].

图1 研究区域示意图Fig.1 Sketch of the study area

1.2 数据

为综合考虑中华人民共和国成立前后、围湖造田、退田还湖等重大人类活动事件脉络下鄱阳湖湿地格局的演变特征，本研究收集整理了1980s年以前的历史地形图数据和1980s年以后的遥感解译土地利用数据，具体包括：

1)1920s-1940s民国时期历史地形图. 该图为美国陆军工程署制图局根据民国时期江西省3种最大比例尺地形图编撰而成的1∶5万地形图，共计36幅，采用横轴莫卡托投影50分带投影. 信息源主要包括民国时期江西陆地测量局测量的江西1∶2.5万地形图、1∶5万地形图和部分湖北省陆地测量局测量的1∶5万地形图. 其中1∶2.5万地形图测图时间为1930s，而1∶5万地形图测图时间横跨1920s-1930s(图2)，通过对不同图件测量时间的汇总发现，绝大多数的地形图测图时间为1920s-1930s(约占84%)，因此，本研究认为该时期历史地形图反映的湖区真实年代为1930s.

图2 鄱阳湖1920s-1940s历史地形图测图年份分布： (a)1∶5万比例尺；(b)1∶2.5万比例尺(图中竖线表示1940年)Fig.2 The survey time of historical topographic map of Lake Poyang from the 1920s to 1940s: (a) 1∶50000 scale; (b) 1∶25000 scale (The vertical line indicates year 1940)

2)1960s-1970s解放军陆军总参谋部测绘出版的地形图. 比例尺为1∶10万，中国人民解放军陆军总参谋部根据1971年修测、1972年出版的1∶5万地形图编绘而成，地形图采用了1954年北京坐标系，高程基准为1956年黄海高程系[37]. 为便于说明，在文中统一采用1970s来表示.

3)1980s以来湖区土地利用数据和遥感影像. 考虑到基于遥感影像的土地利用技术已经颇为成熟，本研究采用了国家基础地理信息中心发布的3期30 m分辨率土地利用数据(http://www.globallandcover.com)，经裁剪后得到鄱阳湖区1990s、2000s和2010s三期土地利用数据. 在此基础上，下载了鄱阳湖区1990s以来的年代际最小云量Landsat影像用于土地利用数据的目视检查与精度判别，对明显错分的土地利用数据进行了手动修改，进一步保证土地利用数据可靠性. 影像日期分别为：1995年9月29日、1999年12月2日、2005年9月29日、2017年7月28日.

1.3 研究方法

1.3.1 通江湖泊湿地信息提取 1930s、1970s历史地形图数据采用鄱阳湖1∶1万地形图进行平面控制，根据图幅经纬度坐标进行初步配准，通过与遥感影像、谷歌卫星地图叠加对比，利用地形图与影像中的山峰等标志性地物对配准结果进行反复微调，以最大程度上减少地形图信息提取误差. 值得说明的是，本文的研究对象为鄱阳湖保持自然通江的湖泊湿地，是指不受圩垸与闸坝控制的，随季节性水位波动而呈现特定水文节律的水体、草滩与泥滩的统称. 此外，在利用历史地形图和遥感影像提取鄱阳湖湿地信息过程中，考虑到鄱阳湖湿地面积年内变化剧烈，而两期历史地形图测图季节不详，因此不考虑由于水位波动导致的湖泊湿地面积变化. 为与遥感产品结果保持统一，将地形图矢量化过程中的草滩、泥滩统一标识为草洲. 在确定鄱阳湖湿地边界时，参考中国科学院南京地理与湖泊研究所开展的第二次湖泊调查湖泊边界判译规则[13]，在有堤防或闸坝控制的岸段，以堤防或闸坝的中心线作为通江水域湿地边界，而在无堤防控制的岸段，考虑到鄱阳湖年内水位波动剧烈，按照地形图和遥感影像中最大水涯线或草滩与泥滩的最外延边界作为通江水域湿地的边界，在入湖河口位置，根据湖泊的形状，在河流宽度突然增大出将湖岸线自然延伸连接. 此外，为充分反映子湖闸控或圩垸对湖泊湿地面积、水文连通性变化的影响，针对不同历史时期湖泊内部存在的因堤坝或圩垸与主湖阻隔的子湖，在ArcGIS中沿堤防与闸坝的中心线和子湖湿地最外延边界手动矢量化得到闸控子湖信息. 为消除不同人员主观认知上的差异，控制并保证调查精度，边界的划定和子湖的矢量化等工作由专人负责检查修订. 同时，考虑到不同时期湖泊湿地提取数据源不同，本文将数据空间信息统一投影至World UTM 50N分带，以保证空间信息对比的可靠性.

上官星雨却不同意，她说：“我听说东方宇轩谷主离开东海，来秦岭山中开辟万花谷，他的家人并不赞同，特别是谷主他老人家的未婚妻子方碧玲，甚至是一路追寻到秦岭，在万花谷畔的绝情谷隐居下来，希望他能够收回成命，随她回蓬莱岛践行婚约，生儿育女。谷主当然是没有答应，不然哪里有什么万花谷！外面的人猜谷主心意如铁，对方女侠无情狠绝，我倒是觉得他是将情愫深埋在心里，就像这朵牡丹深埋在山里，你们仔细看，这朵花的模样好伤感，不像是含苞开放，而是迷思于烟雨中，泫然欲泪。”

1.3.2 湖泊湿地丧失情况分析高强度的人类活动通过垦殖、城镇化、退田还湖等土地利用方式的改变直接影响了鄱阳湖湿地格局的演变. 为反映土地利用变化对湖泊湿地格局演变的影响，本研究以1930s鄱阳湖湿地范围为基准，通过ArcGIS平台的相交、擦除、联合等工具，结合马尔科夫转移矩阵分析近百年鄱阳湖湿地丧失的范围、面积与转变情况. 值得说明的是，在土地利用变化比较过程中，将前一期中水体与草洲合并为湿地，进而分析前期湖泊湿地向下一时期水体、草洲、耕地、林地与建设用地的变化过程.

1.3.3 基于地统计学的水文连通性变化分析为表征不同历史时期由于圩垸和堤坝的建设导致的湖泊湿地阻隔造成的水文连通性丧失，本文采用Trigg等[38]提出的基于干湿二元栅格数据集的地统计学水文连通函数. 该函数计算了给定距离条件下两个湿像元存在水力联系的可能性，由连通的湿像元总数和总湿像元集对的比值的计算. 其概念模型如下式所示：

(1)

式中，∏为乘积算子，CF(n;zc)为沿特定方向n个单元距离的值均大于阈值zc的概率，I(uj;zc)表示地点uj处z(uj)大于阈值zc的判断，当uj大于zc时，I(uj;zc)=1，否则I(uj;zc)=0[38].

该函数曲线随距离的增加下降越缓慢，表明湖泊湿地内部的连通性越高，其中短距离高连通性多代表破碎水体，而长距离高连通性多表示大片连续水体. 该方法已成功应用于洪泛区水文连通性变化过程的定量刻画[39-40]. 以1930s鄱阳湖湿地范围作为基准，基于MATLAB平台计算了1930s、1970s、1990s、2000s和2010s鄱阳湖湿地沿西-东与北-南方向的连通性函数值，用于近似表征湖泊横向与纵向水文连通性的变化.

图3 近百年鄱阳湖自然通江的湖泊湿地范围变化Fig.3 The Yangtze connected lake-wetland changes in Lake Poyang for the recent century

2 研究结果

2.1 近百年鄱阳湖湿地面积演变特征

近百年鄱阳湖湿地分布变化如图3所示. 1930s鄱阳湖湿地面积约为5024.3 km2，其中水体与草洲占比分别为21%和78%，没有闸控或圩垸导致的子湖. 中华人民共和国成立以来，湖区开展了大规模的垦殖和防洪工程，军山湖和康山圩于1960s修筑大堤，湖泊北部通江水道的南北港湖、新妙湖等湖汊也相继修筑闸坝与主湖阻隔，鄱阳湖湿地面积在1970s锐减至3356.8 km2. 1990s湖泊湿地面积持续减少至3224.7 km2，之后由于1998年大洪水事件后开始的退田还湖活动湖泊湿地面积有所上升，但基本保持稳定，2000s湖泊湿地面积为3235.2 km2，目前，仍保持与长江连通的鄱阳湖湿地面积为3232.7 km2. 通过对比1930s与2010s鄱阳湖湿地分布范围变化，发现相较民国时期，鄱阳湖湿地面积减少了1791.6 km2，长期丧失率高达35.7%，且主要分布于赣江入湖尾闾、饶河入湖尾闾与康山圩，人工闸坝与堤垸的建设也导致鄱阳湖湿地的大幅减少，包括军山湖、南北港、新妙湖和和康山圩大明湖等. 对鄱阳湖湿地的质心而言，2010s的湿地质心相较1930s向西和向北分别转移了3.2和6.3 km，也表明了鄱阳湖湿地在南部和西部湖区面积丧失较大.

2.2 通江湖泊湿地丧失情况

为进一步分析近百年来鄱阳湖湿地的丧失情况，以1930s湖泊湿地范围和不同时期为基准，逐年代对比了不同历史时期原属1930s自然通江湖泊湿地范围的湿地向其他用地类型转移情况(表1，图4). 1930s-2010s，自然通江的湖泊湿地主要转变为耕地，累计面积达1149.6 km2，占该时段湿地丧失总面积的59%，其中以1930s-1970s这一时段转变为耕地最为明显，达867.1 km2. 其次为1970s-1990s，有270.8 km2的湿地转变为耕地，且主要表现为与主湖分隔的湖泊湿地的丧失，如康山圩内部湖泊湿地的持续减少. 进入20世纪以来，湖泊湿地转变为耕地的面积大幅减少，1990s-2000s和2000s-2010s分别为9.4和2.3 km2. 此外，与1930s相比，目前有约634.1 km2的湖泊湿地仍保持着水体和草洲的用地类型，约占37.1%，但值得注意的是，这部分湖泊湿地大多由于闸控或圩垸与通江主湖阻隔，不具备通江属性，一定程度上阻碍了其关键生态系统服务的发挥.

表1 近百年鄱阳湖自然通江的湖泊湿地丧失转移情况 (km2)

图4 近百年鄱阳湖自然通江的湖泊湿地丧失空间分布Fig.4 Spatial pattern of Yangtze connected lake-wetland loss in Lake Poyang for the recent century

就湖泊湿地丧失的空间分布而言，与不同历史时期自然通江的湖泊湿地边界范围的变化类似，1930s-1970s湿地向耕地的转移主要发生在赣江、饶河的入湖尾闾地区和康山圩等. 1970s-1990s湿地向耕地的转移则主要发生在康山圩内部，与主湖分隔后的大明湖持续受到垦殖的作用，湖泊湿地面积进一步缩小，而通江主湖面积变化不大. 1990s以后湖区湿地丧失情况基本保持稳定.

图5 不同历史时期闸控或圩垸子湖分布Fig.5 The distribution of controlled sub-lakes in different epochs

2.3 通江湖泊湿地水文连通性变化

湖泊围垦等因素导致的湖区土地利用变化是导致湖泊湿地丧失的重要原因，而水文连通性变化则加剧了通江湖泊湿地的丧失. 鄱阳湖目前受闸控或圩垸阻隔的子湖面积633.6 km2，其中最大子湖水文阻隔面积发生在1930s-1970s，共有549.4 km2，其次为1970s-1990s，共有131.1 km2湖泊湿地与通江湿地阻隔，随着2000s以来鄱阳湖生态保护力度的不断加大，子湖阻隔现象明显减少，1990s-2000s、2000s-2010s新增江湖阻隔子湖面积分别为0.6与2.3 km2(图5). 较为典型的阻隔子湖为湖区南部的军山湖、康山圩内的大明湖、原属东部湖汊的珠湖，以及位于北部通江水道的新妙湖、南北港等，这些子湖目前主要用于区域防洪、灌溉和养殖.

就北-南方向纵向连通而言，1930s纵向水文连通函数与横向水文连通函数曲线类似，基本维持在1左右，表明该时段湖泊的纵向水文连通性最佳. 由于南部军山湖、康山圩内的大明湖等大面积南北向水体与主湖阻隔，1970s纵向水文连通性大幅下降，不同连通距离水文连通函数均值为0.71，1990s及之后年代纵向水文连通性进一步减小并维持在相对稳定的水平，水文连通函数均值在0.65左右.

对比不同年代横向与纵向水文连通性沿距离的变化，可以发现相较历史时期，鄱阳湖纵向水文连通性的下降更为显著. 值得说明的是，尽管目前鄱阳湖湿地水文连通性相较1930s和1970s有了一定程度下降，但其不同连通距离的横向与纵向水文连通函数均在0.65左右，尤其是横向水文连通性函数在0～60 km内下降较为缓慢，表明鄱阳湖水文连通程度仍处于较好的状态.

3 讨论

历史时期地形图与遥感数据相结合能够有效拓展河湖面积和形态变化研究的时间尺度[18, 41]，从而为河湖生态系统现状的保护提供参考本底. 本研究采用民国时期高精度军事地形图、改革开放前1∶10万地形图和遥感解译产品重建了近百年鄱阳湖湿地的变化过程. 由于历史时期，尤其是民国时期测绘技术、人员水平的限制，湖泊湿地信息提取过程中会不可避免地产生一定不确定性，笔者在配准与矢量化过程中，不断与遥感影像、谷歌影像数据进行比对校核，尽可能地减少该不确定性对历史时期湖泊湿地状态的影响. 此外，民国时期地形图在近年来被陆续发掘，并在历史时期土地利用重建、城市化水平、湖泊演变等研究领域取得了众多成果[41-43]. 学者也在不同地区开展了该类军事地形图精度的验证，结果表明通过地形图标志性地物与遥感影像的对比，发现标志点的误差在0.227和3.84 km之间[41,44]. 表明该批军事地形图精度较好，提取的湖泊湿地信息可信度较高.

近百年来鄱阳湖湿地面积从5024.3 km2下降至3232.7 km2，长期损失率高达35.7%，其中湖泊湿地向耕地的转换是鄱阳湖近百年湿地丧失的主要形式，累计有1149.6 km2湖泊湿地转变为耕地. 自然因素和湖区高强度的人类活动是驱动长江中游湖泊湿地面积萎缩的主要原因，已形成共识[12]. 对于鄱阳湖而言，围垦是1990s以前鄱阳湖滩地资源开发利用的主要方式之一，受到“以粮为纲”指导方针的影响，1950-1970s末，鄱阳湖区兴建大型圩达331座，由围垦导致平均每年减少湖泊面积40余 km2，尤其是康山圩的建设，围垦面积占鄱阳湖总面积的8.6%[31]. 1990s以来，鄱阳湖自然通江的湖泊湿地范围总体保持稳定(图3)，这主要是由于1980s以后，鄱阳湖区大规模建圩活动已基本得到控制，主要进行的是湖泊湿地边界范围外的联圩并垸工程[45]. 此外，1998年长江流域大洪水事件发生后，国务院下发了“封山育林，退耕还林；退田还湖，平垸行洪；以工代赈，移民建镇；加固干堤，疏通河道”32字方针指导灾后重建与生态修复，其中退田还湖是最早开始实施的生态工程，江西省在鄱阳湖区实行了规模空前的退田还湖工程，其中双退圩堤95座，单退圩堤185座，鄱阳湖湿地面积有所上升，并在应对2020年鄱阳湖汛期水位暴涨中取得了重要成效[46].

图6 基于地统计的鄱阳湖水文连通函数曲线变化：(a)自西向东方向；(b)自南向北方向Fig.6 Changes of geostatistical hydrological connectivity curves in Lake Poyang: (a) the west-east direction; (b) the north-south direction

水文连通性作为湖泊湿地生态系统以水为介质的物质、能量循环和生物迁移等关键过程的传输纽带，对于河湖生态系统服务稳定发挥具有重要意义[47]. 随着全球范围内水库和闸坝的建设，天然河湖系统水文连通性丧失严重，并给生态环境带来了深远的负面影响[48]. 相较1930s，鄱阳湖共有约683.4 km2湖泊湿地由于闸坝和圩堤与主湖阻隔，水文节律完全独立于鄱阳湖湿地，造成了鄱阳湖横向与纵向的水文连通性均出现一定程度的丧失. 研究表明，水文阻隔改变河湖原有水文水动力过程，水体营养盐滞留时间增大，是藻类水华暴发的主要诱因[49]. 董芮等[50]在西洞庭湖湿地大型底栖动物群落结构对水文连通性响应研究中发现，大型底栖动物的物种丰富度、密度、多样性都会受到低连通度的负面影响. Shi 等[51]通过比较鄱阳湖自由连通与闸控子湖湿地植被生态系统稳定性，发现连通湿地的植被生长具有显著更高的恢复力稳定性.

近年来，受气候变化和重大水利工程的双重影响，长江中游江湖关系发生根本调整[52]. 鄱阳湖生态系统也发生了深刻变化，出现了水资源季节性短缺[28, 53]、洪水调蓄功能受损[54-55]、水环境净化功能减弱[56]、湖泊与洲滩湿地生境退化[25, 27, 57]等一系列问题，并由此引发了鄱阳湖湖口水利枢纽工程建设的激烈争论. 与此同时，我国首部流域保护专门法律《长江保护法》明确提出要加大对鄱阳湖实施生态环境修复的支持力度. 因此，在鄱阳湖水利枢纽工程等大型水利工程措施调控以外，探索其他可能的生态环境修复路径，尤其是近自然的措施，对于鄱阳湖生态系统保护具有重要意义. 重建百年尺度鄱阳湖湿地演变过程，有助于在较长时间尺度上审视鄱阳湖生态系统变化. 此外，未来可借助民国时期鄱阳湖水文连通格局与地形数据，通过水文水动力与生态水文过程模拟，情景分析恢复鄱阳湖水文连通格局对鄱阳湖洪水调蓄、水环境净化、生物多样性保持等关键生态系统服务的提升或消损作用，通过恢复闸控子湖与鄱阳湖主湖的自然水文连通过程，设置不同水文连通格局恢复方案，遴选综合生态效益、社会效益和经济效益的最佳优化方案. 值得注意的是，水文连通的恢复重建将不可避免地产生大量工程与社会成本，实施难度较大，尤其考虑到闸控子湖已成为周边居民赖以生活的重要资源，但对该方案的模拟研究对于拓展鄱阳湖生态修复与保护策略和路径具有重要意义.