游海林,徐力剛,吳永明,劉桂林,王曉龍,劉麗貞

(1.江西省科學院鄱陽湖研究中心,江西南昌330096；2.中國科學院南京地理與湖泊研究所流域地理學重點實驗室,江蘇南京210008)

鄱陽湖水文情勢過程對典型濕地景觀動態(tài)變化的影響

游海林1,徐力剛2,吳永明1,劉桂林2,王曉龍2,劉麗貞1

(1.江西省科學院鄱陽湖研究中心,江西南昌330096；2.中國科學院南京地理與湖泊研究所流域地理學重點實驗室,江蘇南京210008)

以鄱陽湖贛江主支口三角洲濕地1973年～2009年16景遙感影像為基礎,利用決策樹分類分析近40年來贛江主支口三角洲不同濕地景觀類型的組成結構及其演變趨勢；并結合遙感影像對應的當天水位,探明水情變化與贛江主支口三角洲濕地景觀類型面積之間的動態(tài)響應關系。結果表明，近40年來鄱陽湖水位變化以及4種特征水位的淹沒天數(shù)都是呈現(xiàn)下降的趨勢；植被面積呈增長趨勢,而水體和裸露洲灘的面積均呈現(xiàn)減少趨勢,且裸露洲灘的面積下降速率大于水體面積；水位變化與水體面積擬合關系最優(yōu),植被次之,與裸露洲灘擬合最差。研究結果能夠進一步闡明鄱陽湖水情變化對典型濕地景觀類型空間格局的影響,有助于維持鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)結構與功能的穩(wěn)定。

水情；景觀類型；影響；典型濕地；鄱陽湖

鄱陽湖濕地是我國最大的淡水湖泊濕地。受“五河”(贛、信、撫、修和饒)與長江水位的雙重影響,鄱陽湖季相特征明顯,水情變化復雜而且劇烈。鄱陽湖季節(jié)性水位相差可達10 m,年際間水位變幅在9.79～15.36 m之間[1]。獨特的水情動態(tài)和環(huán)境條件,孕育了鄱陽湖獨特的“高水是湖,低水似河”的自然地理景觀,在長江中下游湖泊群中極具代表性。鄱陽湖濕地具有重要的生態(tài)功能,不僅擁有極其豐富的生物多樣性,蘊藏著珍貴的物種基因；而且其在涵養(yǎng)水源、調(diào)蓄洪水、調(diào)節(jié)氣候等方面功不可沒。水文過程是控制濕地生態(tài)過程發(fā)展與演替的主要驅動因子,在濕地形成、發(fā)育、演替直至消亡全過程中起重要作用。關于濕地水文過程與濕地景觀之間關系的研究由來已久,大量文獻研究表明：濕地景觀類型與水位、淹水深度以及干濕交替周期過程等水文因子有關。黃群等通過對洞庭湖濕地1989年～2010年近20年遙感影像的解譯發(fā)現(xiàn)：洞庭湖濕地景觀格局變化較為迅速,各類景觀中蘆葦分布面積穩(wěn)定增長而水面與泥灘的分布面積則大幅減少[2]。You et al.研究表明：在不同水位條件下,鄱陽湖不同景觀類型分布高程不一以及面積的多寡均表現(xiàn)為對水位變化的響應[3]。謝冬明等研究則指出：在相似水位條件下,鄱陽湖濕地景觀變化主要表現(xiàn)為居民地和裸地面積增加,而水域面積變化不明顯；同一種景觀類型之間對水文過程的響應也不盡相同[4]。張麗麗等通過對鄱陽湖自然保護區(qū)濕地植被景觀類型與水文情勢關系的研究表明：針對濕地植物群落而言,苔草群落、假儉草群落對水文條件變化敏感性較低,而虉草-苔草群落對水文條件變化的敏感性則相對較高[5]。目前研究多集中于濕地植物群落和水文過程的關系,對濕地不同景觀類型與水文過程之間關系的研究報道較少。為此,本文以鄱陽湖典型洲灘濕地為例,通過選擇星子水文站及確定四種特征水位,并對這四種特征水位的淹沒天數(shù)進行分析；同時，借助不同年份鄱陽湖濕地秋季的遙感影像數(shù)據(jù),結合遙感影像對應的當天星子水文站水位波動,運用多元統(tǒng)計分析方法,探討水文情勢變化過程對濕地景觀類型演變趨勢的影響,以期定量揭示鄱陽湖典型洲灘濕地水文過程與濕地景觀之間的動態(tài)響應關系,為維持鄱陽湖濕地生態(tài)功能的穩(wěn)定與鄱陽湖生態(tài)健康優(yōu)化調(diào)控提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

贛江是鄱陽湖流域“五河”之首,也是長江流域入汛最早的河流水系之一。贛江西(主)支、修水在九江市永修縣吳城鎮(zhèn)匯合。河流的沖刷、搬運與堆積造就了鄱陽湖濕地中典型的河口三角洲沖積濕地,即贛江主支口濕地。贛江主支口濕地淹沒-出露過程都比較頻繁,洲灘出露主要受鄱陽湖水位高低的影響,進而影響濕地景觀類型的動態(tài)演化。洪水期時,贛江主支口三角洲濕地的低地部分會被湖水季節(jié)性地淹沒,而其高地部分則會相應地成為水陸過渡帶并有較高的地下水位；枯水期時則廣泛出露水位消落區(qū)以及毗鄰的淺水區(qū),伴有植被、沙灘、泥灘以及水域等濕地景觀類型[6-7]。贛江主支口濕地植物群落類型豐富多樣,總體來說包括蘆葦群落、南荻群落、灰化苔草群落、藜蒿群落以及虉草群落等[8]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的遙感數(shù)據(jù)源為由中國科學院對地觀測與數(shù)字地球科學中心站經(jīng)過幾何系統(tǒng)糾正、大氣輻射糾正的系統(tǒng)級糾正(Systematic Geocorrection)級別產(chǎn)品,包括1973年至2009年贛江主支口濕地秋季遙感影像,共計16景。每一景影像都取自不同的年份,16景遙感影像對應的年份分別是1973年、1976年、1989年、1991年、1995年、1996年、1998年、1999年、2001年和2003年～2009年。

贛江主支口三角洲濕地位于星子水文站的南部,它們之間相距很近,故本研究選用星子水文站的水位數(shù)據(jù)來反映贛江主支口三角洲濕地的水位變動特征。水位數(shù)據(jù)為星子水文站逐日水位數(shù)據(jù)(吳淞基面),時間序列為1973年～2009年,共計37 a。水位數(shù)據(jù)資料由中國科學院鄱陽湖濕地觀測研究站提供。

1.3 影像信息提取與特征水位的確定

根據(jù)不同地物光譜曲線特征,提取鄱陽湖典型濕地秋季的景觀類型信息；在參考《濕地公約》與《中國濕地分類系統(tǒng)》的基礎上,結合實地考察與研究目的,建立了適合本文的濕地分類標準[9-10]。依據(jù)分類標準對贛江主支口濕地進行分類,提取得到水體、裸露洲灘、植被三種景觀類型。通過湖岸定點觀測與湖面巡航定點樣方調(diào)查與采樣分析等方式,對鄱陽湖湖區(qū)灘地出露現(xiàn)狀以及濕地景觀分布、結構等狀況進行了實地調(diào)查研究,在鄱陽湖濕地隨機選取61個樣本(包括水質與植被采樣點)并建立混淆矩陣以及Kappa系數(shù)對分層分類結果進行評價[11-12]。經(jīng)驗證：決策樹分類方法對三種分類結果的提取較好,能夠有效提取鄱陽湖濕地信息。與實際地物相對照,提取的鄱陽湖典型濕地信息的總體精度可達80%以上。贛江主支口濕地主要景觀類型組成及結構沿高程梯度由高到低,依次是植被、裸露洲灘與水體。植被類型主要包括虉草群落、藜蒿群落、苔草群落與蘆葦群落等,其分布高程在10～15 m之間。裸露洲灘主要包括沙灘和泥灘等,分布高程在8～10 m之間。水體的分布高程則一般低于8 m[13-14]。另外,據(jù)中國江西網(wǎng)公布的鄱陽湖星子水文站的警戒水位為19 m[15]。因此,在參照提取的三種景觀類型分布高程的范圍與界限以及公布的星子水文站警戒水位的基礎上,本研究選擇8、10、15 m和19 m 4種水位作為星子水文站的特征水位。根據(jù)16年景遙感影像對應的年份,對其中星子水文站的4個特征水位進行淹沒天數(shù)分析。最后結合遙感影像對應的當天星子水文站的水位,分析水情變化對濕地景觀類型的組成結構及其演變趨勢的影響,進而探討鄱陽湖典型洲灘濕地景觀類型與水文情勢變化過程之間的動態(tài)響應關系。

1.4 分析方法

首先,運用Origin8.5對星子水文站37年的逐日水位數(shù)據(jù)進行趨勢分析；然后,對遙感影像對應年份中的4個特征水位進行淹沒天數(shù)分析,并對3種濕地景觀類型演變及其之間的相關性進行分析；再運用SPSS 16.0對選取的遙感影像當天水位和贛江主支口濕地的三種景觀類型面積進行線性擬合；最后,根據(jù)判定系數(shù)R2的相對大小來決定擬合關系的優(yōu)劣,R2的值域范圍為0～1,值越大表明擬合度越高,并用單尾顯著性(p值)對擬合結果進行顯著性檢驗。

2 結果分析與討論

2.1 典型濕地特征水位淹沒天數(shù)分析

2.1.1 年際水位變動特征

圖1 星子水文站逐日水位及變化趨勢(吳淞基面,m)

從星子水文站的水位過程線與逐日水位變化趨勢線(見圖1)可以看出,近40年來鄱陽湖水位變化呈現(xiàn)下降的趨勢,尤其是1998年后,水位下降趨勢更加明顯,這與閔騫報道相一致[16]。水位過程線表現(xiàn)出兩種形態(tài),即單峰型和雙峰型。單峰型水位過程是“五河”洪水推遲,長江洪水提前,兩者相遇；或者是“五河”洪水大,長江洪水小的情況下出現(xiàn)。雙峰型水位過程則是由于“五河”洪水早,長江洪水遲,兩者不相遇的情況下出現(xiàn)的,且第一個洪峰是由“五河”洪水入湖造成的[13]。在1973—2009年中,星子水文站有10年的水文過程線是單峰型的,其余的27年水位過程線則為雙峰型。一般來講,在未知“五河”和長江水位和水情變化相互作用的情況下,預測鄱陽湖某一年份的水位過程線是單峰型還是雙峰型是比較困難的。但已有研究表明,鄱陽湖雙峰型水位過程線的年份較單峰型水位過程線較多[17-18],這一報道與本文結果相一致。星子水文站最高日水位為22.50 m,發(fā)生在1998年；最低日水位為7.12 m,發(fā)生在2004年,最大日水位變幅相差15.38 m。最高年平均水位為15.61 m(1998年),最低年平均水位為11.59 m(2006年),兩者年平均水位變幅相差4.02 m；多年平均水位為13.44 m。

2.1.2 特征水位淹沒天數(shù)分析

從對應16景遙感影像年份中的星子水文站4種特征水位(8、10、15 m和19 m)的淹沒天數(shù)的圖2可以看出,水位≥8 m,在1999年之前星子站的淹沒天數(shù)幾乎全部以直線的形狀呈現(xiàn),所有年份每一天的水位都大于8 m；在1999年,淹沒天數(shù)出現(xiàn)一個較小的下降趨勢； 2004年,淹沒天數(shù)下降到305 d。對于≥10 m水位的淹沒天數(shù),星子站一直表現(xiàn)為平穩(wěn)的下降趨勢直到2004年,淹沒天數(shù)均出現(xiàn)了急劇的突變,此時淹沒天數(shù)由2003年的310 d下降到2004年的248 d,淹沒天數(shù)減少了62 d。對于≥15 m水位的淹沒天數(shù),星子站一開始就表現(xiàn)出急劇的下降趨勢,淹沒天數(shù)由1973年的207 d下降到1976年的115 d；并且在之后的幾個年份中又表現(xiàn)出了急劇的突變,如1991和2001年。對于超過星子站警戒水位(≥19 m)的淹沒天數(shù)而言,在1999年之前星子站的淹沒天數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢,之后則呈現(xiàn)出急劇下降的趨勢,在2001年星子站的淹沒天數(shù)已經(jīng)降為0。值得一提的是,2006—2009年這四年中≥19 m的淹沒天數(shù)均為0,這與已有研究報道鄱陽湖出現(xiàn)持續(xù)干旱的年份相一致[19-20]。

2.2 典型濕地景觀類型演變

贛江主支口濕地三種景觀類型(水體、植被和裸露洲灘)面積演變趨勢分析表明,三種景觀類型的面積均呈現(xiàn)不規(guī)則的變化。1973年～2009年,植被面積呈增長趨勢,平均擴張速率為0.16 km2/a；水體和裸露洲灘的面積均呈現(xiàn)減少趨勢,分別以0.019 km2/a和0.18 km2/a的速率遞減。植被面積以2007年為最大(14.25 km2),以2004年為最小(2.67 km2)；裸露洲灘面積剛好與植被相反,2004年最大(12.17 km2),2007年最小(0.61 km2)；水體面積則為1989年最大(11.13 km2),1973年最小(0.083 km2)?？偟膩碚f,三種濕地景觀類型面積在江湖關系、人類活動以及氣候等環(huán)境因子共同作用下處于動態(tài)的變化中。例如,隨著泥沙不斷淤積,淺水湖泊地勢逐漸升高,泥灘和沙灘開始出露水面,形成洲灘并侵占水體的面積；當洲灘中的營養(yǎng)鹽濃度及成分累積到一定程度時,虉草和苔草等濕地優(yōu)勢種群草本植物開始生長并擴張。故可以說水體、植被和裸露洲灘這三種濕地景觀類型并沒有明顯的分界線,或者分界線處于不斷的變化之中。從空間擴展方向來說,贛江主支口典型濕地植被覆蓋主要是順贛江主支河道向饒河口方向延伸,同時向東南方向湖區(qū)深處呈扇形拓展。

圖2 星子水文站四種特征水位淹沒天數(shù)分析

從表1可以看出,裸露洲灘面積與水體面積和植被面積均呈顯著負相關(P<0.01),主要是因為裸露洲灘與水體、植被毗鄰分布,一旦裸露洲灘面積發(fā)生變化,會直接導致水體面積和植被面積發(fā)生相應的變化。盡管植被面積與水體面積不存在顯著的相關關系,但是從相關系數(shù)可以反映出二者面積的變化趨勢是相反的。當鄱陽湖水位過低的時候,水體對植被的影響程度不會很明顯；然而,當水位持續(xù)上漲至一定高度的時候,水體將會漫過裸露洲灘,進而淹沒植被。

表1 三種濕地景觀類型面積的相關性分析

2.3 景觀類型面積與水情變化之間的動態(tài)響應

圖3 典型濕地三類景觀類型面積與水位變化的擬合曲線

結合16景遙感影像對應的當天的水位,分析水情變化與贛江主支口三角洲濕地3類景觀類型面積之間的動態(tài)響應關系,結果如圖3所示。根據(jù)建立的線性方程的判定系數(shù)(R2)可以看出,水體面積與水位之間擬合關系最好,植被次之,裸露洲灘最低。當水位高的時候,鄱陽湖湖水面積也增大,反之亦然。所以,水體面積跟水位成正相關。同時,當水位高的時候也會將濕地其他類景觀淹沒,包括植被與洲灘等。故,水位與植被和植被、裸露洲灘的面積呈現(xiàn)相反的變化趨勢。這一點從圖3中也可以體現(xiàn)。植被面積與水位擬合關系也較好,兩者相關關系顯著(P=0.05)。這表明：鄱陽湖水情變化對植被空間格局的分布及演化具有重要的影響作用,尤其是對分布高程低的濕地植物(如虉草、苔草等)影響作用更為強烈[21-22]。已有研究也表明：鄱陽湖濕地植被分布面積與空間格局受水情變化影響明顯,不同種群的濕地植物占據(jù)特定的水分生態(tài)空間,呈現(xiàn)出沿水平線成條帶狀分布的總體格局；從高位灘地至低位灘地再至湖心,隨著湖底高程和相應水深的變化,濕地植被表現(xiàn)出連續(xù)變化的垂直分帶特征,依次呈現(xiàn)出挺水植物帶、濕生植物帶、浮葉植物帶等景觀；同時受微地形影響,洲灘上的各種植被類型又呈斑塊分布特征[7,23-24]。一般來說,盡管有少量沙灘或者泥灘等在鄱陽湖濕地中呈現(xiàn)斑塊狀分布,而對于大部分濕地洲灘而言,都是緊挨湖泊水體分布的,尤其是泥灘更是如此[25]。然而,圖3中裸露洲灘面積與水位擬合關系最差,沒有統(tǒng)計性意義(P=0.43)。其原因可能與近些年來氣候異常及人類活動加劇的雙重影響有關。尤其是采沙及興建工程等人類活動,導致鄱陽湖與長江和“五河”等原有江湖關系發(fā)生改變,進而影響鄱陽湖濕地景觀類型空間格局的形成與演化[26]。研究表明：近年來鄱陽湖水位波動出現(xiàn)的“高水不高,低水過低”的異?，F(xiàn)象,導致洲灘出露時間比往常平均提早1～2個月,且出露面積大為增加；也進一步加劇了對鄱陽湖濕地植被的影響,使得植被發(fā)生了一系列的演變。如,高灘濕地植被退化,水陸過渡帶植物生物多樣性減少等[5,7]。

3 結 語

鄱陽湖水位受“五河”和長江水位的雙重影響,季相特征顯著,水情變化復雜而劇烈；探討其水文過程內(nèi)在的演化機制,歷來都是眾多學者關注的熱點之一。水文情勢過程是影響鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要控制性因子,對濕地景觀類型的組成結構、分布及演化具有重要的影響作用。鄱陽湖高變幅水位是其水文情勢變化過程最直接的表現(xiàn)形式,定量揭示其水位變化與濕地景觀類型面積之間的動態(tài)關系,有助于揭示季節(jié)性湖泊濕地水情變化的生態(tài)效應與機理,對維持其濕地生態(tài)系統(tǒng)功能,降低區(qū)域生態(tài)災害風險具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義,并可為退化濕地的恢復與重建提供重要的科學依據(jù)。然而,本研究僅分析了水情變化對典型濕地景觀類型動態(tài)演化的影響,缺乏對其他環(huán)境因子(土壤、地下水、降雨等)的相關研究及深入探討。另外,本研究主要集中對鄱陽湖典型濕地秋季時間序列的遙感影像進行解譯分類,缺乏對其他時相(如春季等)影像信息的提取；而這些將作為今后該項研究的主要方向與重心。

致謝:感謝中國科學院鄱陽湖濕地觀測研究站在論文完成過程中給予的幫助,在此謹表謝意!

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(責任編輯 陳 萍)

Influence of Water Regime on Landscape at Typical Delta Wetland in Poyang Lake

YOU Hailin1, XU Ligang2, WU Yongming1, LIU Guilin2, WANG Xiaolong2, LIU Lizhen1

(1. Poyang Lake Research Center, Jiangxi Academy of Sciences, Nanchang 330096, Jiangxi, China;2. Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences, Nanjing Institute of Geography and Limnology,Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, Jiangsu, China)

The evolution laws and composition structure of landscape at Ganjiang main-branch delta wetland in Poyang Lake are studied by the decision tree classification of the autumn remote sensing images during the period of 1973—2009. As well as, the dynamic relationship between water regime and areas of three kinds of landscape are explored by combining with the corresponding water levels of Landsat images at typical delta wetland in Poyang Lake. The results showed that: (a) the water level of Poyang Lake and flooded days of four characteristic water levels both present consistent decrease trends in past 40 years; (b) the area of vegetation is increased, while the areas of water and bare delta wetland are decreased and the bare delta wetland is with a faster declining rate; and (c) the linear fitting relationships between water level and water area is best, then with vegetation, and the bare delta wetland is worst. The results could further explain the effects of water regime on spatial patterns of wetland landscapes, which is helpful to maintain the stability of Poyang Lake wetland ecosystem’s structure and function．

water regime; landscape; influence; typical delta wetland; Poyang Lake

2015-04-08

國家自然科學基金資助項目(41661018, 41371121, 41561093)；國家科技支撐計劃課題(2014BAC09B02)；江蘇省科技廳項目(BZ2014005, BE2014739)；江西省科學院科研開發(fā)專項基金項目(2014-YYB-31,2014-YYB-30)聯(lián)合資助

游海林(1985—),男,江西上饒人,助理研究員,博士,研究方向為湖泊水文過程與濕地生態(tài)；徐力剛(通訊作者)．

Q142

A

0559-9342(2017)02-0001-05