易雨君，謝泓毅，宋 劼，楊志峰，4

（1.北京師范大學(xué) 教育部水沙科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.北京師范大學(xué) 水環(huán)境模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；3.交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院 環(huán)境資源所，北京 100028；4.廣東工業(yè)大學(xué) 環(huán)境生態(tài)工程研究院，廣東 廣州 510006）

1 研究背景

鹽沼濕地是一類具有豐富生態(tài)服務(wù)功能和生態(tài)價(jià)值的高生產(chǎn)力生態(tài)系統(tǒng)，多分布在濱海及河口地區(qū)［1-3］。鹽沼生態(tài)系統(tǒng)中環(huán)境梯度明顯、物種組成相對簡單，生長在其中的鹽沼植被常表現(xiàn)為帶狀分布的特征［4-5］。針對土壤營養(yǎng)元素與鹽沼植被生長之間的關(guān)系，已有大量的監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)研究成果［6］。鹽沼濕地地下水埋深相對較淺，對淺層土壤的影響明顯，其地下水過程與鹽沼植被的生長和分布關(guān)系緊密［7-8］。河口鹽沼濕地由于同時(shí)受潮汐和河流的共同影響，地下水動力過程尤其復(fù)雜［9-10］，使得對于鹽沼植被適宜生境和生物量時(shí)空分布的動態(tài)預(yù)測較為困難［11］。因此，基于鹽沼植被對土壤水鹽要素的響應(yīng)規(guī)律，研究河流徑流和潮汐共同作用對區(qū)域的地下水動力過程的驅(qū)動，進(jìn)一步明確對土壤水鹽的影響，從而揭示其對鹽沼植被的分布格局和生物量的影響機(jī)制，有助于理解河流徑流變化對河口濕地鹽沼植被分布格局的影響，為河口鹽沼濕地植被保護(hù)與修復(fù)提供支持。

黃河三角洲鹽沼濕地受黃河徑流和潮汐影響，植被呈明顯的帶狀分布，其中蘆葦、檉柳和翅堿蓬為3 種最為典型的鹽沼植被［12］。本文前篇《黃河口鹽沼濕地植被群落適宜生境模擬Ⅰ：理論》［13］中介紹了土壤水鹽協(xié)同-植被生長擴(kuò)散植被群落耦合模型的建立、率定和驗(yàn)證過程，該耦合模型由地下水動力模塊、土壤鹽度模擬模塊和種群增長-競爭模塊3 個(gè)部分組成，本文使用該耦合模型模擬了不同徑流過程和潮汐共同作用下，黃河三角洲鹽沼植被群落的適宜生境及生物量的時(shí)空分布。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)概況黃河三角洲是一片年輕的河口濕地，在黃河高含沙徑流與潮汐沖刷的作用下，這片區(qū)域一直在不斷地發(fā)生增長與蝕退，獨(dú)特的自然環(huán)境造就了我國暖溫帶最完整、最廣闊、最年輕的生態(tài)系統(tǒng)，也是河口鹽沼濕地生態(tài)系統(tǒng)的典型代表之一［14-15］。在河道與海洋間分布有廣闊的鹽沼濕地，在此區(qū)域地下水受潮汐和河流徑流共同影響，且埋深較淺，多年平均地下水埋深約為2.5 m［16］。該區(qū)域植被物種豐富，且自海向陸環(huán)境梯度上，日本鰻草-互花米草-翅堿蓬-檉柳-蘆葦?shù)塞}沼植被帶狀分布的現(xiàn)象普遍存在［17］（圖1）。蘆葦、翅堿蓬和檉柳占研究區(qū)群落生物總量60%左右，是該區(qū)域的優(yōu)勢鹽沼植被［18］，生長季為4—10月。本文研究的黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)面積約為4836 km2，其中陸地面積約為3536 km2。

圖1 研究區(qū)鹽沼植被帶狀分布示意

2.2 水文年時(shí)間序列設(shè)置流域水資源總量可以反映流域內(nèi)水量可被社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境有效使用的程度［19］，因此本文根據(jù)1956—2018年黃河流域水資源總量時(shí)間序列數(shù)據(jù)設(shè)置水文年時(shí)間序列情景（數(shù)據(jù)取自《黃河水資源公報(bào)》）。

采用頻率分析法確定黃河流域水資源總量的特征值，其公式為：

式中：Pm為累計(jì)頻率值；n為樣本總數(shù)；m為排序序號。

1956—2018 年的黃河流域水資源總量累積頻率曲線如圖2所示。分別以累計(jì)頻率為25%、50%和75%對應(yīng)的水資源總量作為豐、平、枯水年的水資源總量特征值。最終選取1964年、2012年、1971年、1999年和2002年分別作為黃河流域水資源總量最大、豐水、平水、枯水和最小年的代表年份，以此為依據(jù)設(shè)置時(shí)間序列。采用黃河下游利津站在代表年份的實(shí)測月均水位作為地下水模型河流邊界條件，具體設(shè)置見表1。

圖2 1956—2018年的黃河流域水資源總量累積頻率曲線

表1 利津站水位時(shí)間序列

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水動力模擬結(jié)果基于本文前篇土壤水鹽協(xié)同-植被生長擴(kuò)散植被群落耦合模型中的地下水動力模塊，模擬了5 個(gè)水文年時(shí)間序列情景下黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)地下水水位的分布情況。地下水模型時(shí)間步長為1 h，模擬時(shí)長為1 a?？紤]到水文年時(shí)間序列步長為1 個(gè)月，取每個(gè)月應(yīng)力期結(jié)束后地下水水位場穩(wěn)定時(shí)的結(jié)果作為當(dāng)月模擬結(jié)果。

地下水水位高程的模擬結(jié)果如圖3所示，黃河水位的變化對于河道近岸帶地下水有顯著影響，從河道向遠(yuǎn)離河道方向地下水水位遞減，隨后因?yàn)椴澈５难a(bǔ)給，地下水水位上升直至海平面。在距離黃河河道較遠(yuǎn)的東南部地下水整體穩(wěn)定在海平面以下，盡管該區(qū)域受到海水補(bǔ)給和黃河補(bǔ)給的共同影響，但因距離兩者均較遠(yuǎn)，受到補(bǔ)給的強(qiáng)度較弱。東側(cè)入海口處黃河河道較寬（約為上游河道寬度的7 倍），但上游側(cè)的補(bǔ)給影響比入?？谔幐鼜?qiáng)。

圖3 不同水文年時(shí)間序列下地下水模擬結(jié)果

黃河流域水資源總量最大年、豐水年和平水年時(shí)間序列的模擬結(jié)果均有較明顯的黃河補(bǔ)給峰值范圍，而枯水年和最小年時(shí)間序列黃河補(bǔ)給全年較為穩(wěn)定。最大年和平水年黃河補(bǔ)給的影響自4—10月持續(xù)增大，豐水年黃河補(bǔ)給的影響在6—8月逐漸增大，至10月略有下降，枯水年及最小年黃河補(bǔ)給影響的月際變化較小。

3.2 土壤鹽度模擬結(jié)果不同水文年時(shí)間序列下淺層土壤鹽度模擬結(jié)果如圖4所示，淺層土壤鹽度在黃河兩岸（0 ～15 g/L）和海岸線附近（0 ～10 g/L）鹽度均較低，而在黃河和海岸線之間出現(xiàn)鹽度較高的區(qū)域（＞20 g/L），表明在潮汐和徑流強(qiáng)影響區(qū)以外存在“超鹽帶”現(xiàn)象［20］。在研究區(qū)的北側(cè)、東側(cè)和東南側(cè)均出現(xiàn)了超鹽帶，鹽度分別大于20、30 和30 g/L。淺層土壤鹽度分布受黃河補(bǔ)給影響變化明顯，黃河補(bǔ)給增強(qiáng)導(dǎo)致黃河兩岸的淺層土壤鹽度快速下降，但同時(shí)也使超鹽帶的范圍擴(kuò)大。研究區(qū)淺層土壤鹽度的分布相對穩(wěn)定，均出現(xiàn)超鹽帶，但除最大年外其他4 個(gè)時(shí)間序列下的模擬結(jié)果超鹽帶均無明顯變化，僅在某些局部地區(qū)存在差異。

圖4 不同水文年時(shí)間序列下淺層土壤鹽度模擬結(jié)果

3.3 多物種適宜生境模擬適宜生境分布模擬結(jié)果如圖5所示，3 種鹽沼植被在研究區(qū)內(nèi)的適宜生境主要特征為在黃河兩岸呈帶狀分布，在距離黃河較遠(yuǎn)的地區(qū)呈散點(diǎn)狀分布。自黃河向海梯度上，依次為蘆葦、檉柳和翅堿蓬的分布條帶，條帶之間存在交錯(cuò)生長區(qū)。黃河水位較高時(shí)，在距離黃河較近的河岸無鹽沼植被生長，這可能與地下水水頭高于地表有關(guān)，導(dǎo)致地表長期處于淹沒，且淹沒深度超過了植物的耐受極限，植物根系處于缺氧脅迫所致。隨著黃河水位的增高，蘆葦在河岸的分布越來越集中，分布條帶的寬度減小，而翅堿蓬的分布條帶變寬。

圖5 不同水文年時(shí)間序列下蘆葦、檉柳和翅堿蓬適宜生境模擬結(jié)果

3.4 多物種生物量模擬鹽沼植被生物量分布模擬結(jié)果（以最大年為例）如圖6所示，對照適宜生境模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，鹽沼植被生物量的累積主要發(fā)生在受黃河河道補(bǔ)給較強(qiáng)的帶狀分布區(qū)內(nèi)，而散點(diǎn)狀分布區(qū)內(nèi)鹽沼植物的生物量積累相對緩慢。蘆葦?shù)纳锪糠e累主要發(fā)生在較窄的條帶上，而翅堿蓬和檉柳的生物量積累則主要發(fā)生在面狀區(qū)域。蘆葦?shù)纳锪糠植即嬖诳拷S河河道的生境內(nèi)生物量多于遠(yuǎn)離黃河河道的生境內(nèi)生物量的現(xiàn)象，說明黃河補(bǔ)給的直接作用對蘆葦生物量積累影響較大。檉柳的生物量分布較為均勻。翅堿蓬僅在8月出現(xiàn)靠近黃河河道的生境內(nèi)生物量明顯多于遠(yuǎn)離黃河河道的生境內(nèi)生物量的現(xiàn)象，這可能與黃河補(bǔ)給的影響范圍有關(guān)。翅堿蓬和檉柳適宜生境范圍內(nèi)黃河的橫向補(bǔ)給對地下水影響較小，土壤主要受到海洋和蒸散發(fā)的影響，不同水文年時(shí)間序列下黃河水位變化引起的補(bǔ)給范圍變化對生物量積累過程的影響較小。而在蘆葦?shù)倪m宜生境范圍內(nèi)，既存在黃河補(bǔ)給影響強(qiáng)烈的區(qū)域，又存在黃河補(bǔ)給影響較弱的區(qū)域，使整個(gè)生境范圍內(nèi)生物量積累的空間分布差異較大。

圖6 水資源總量最大年時(shí)間序列下蘆葦、檉柳和翅堿蓬生物量模擬結(jié)果

3.5 不同水文年時(shí)間序列對3 種典型植被生境和生物量的影響圖7（a）—（c）為蘆葦、檉柳和翅堿蓬在5 種水文年時(shí)間序列情景下適宜生境面積的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。蘆葦?shù)倪m宜生境面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7（a）所示，研究區(qū)內(nèi)蘆葦適宜生境面積在62 ～67 km2，最大年情景下7—9月蘆葦適宜生境面積快速減少，原因是此時(shí)為汛期，黃河水位較高，蘆葦受到淹沒影響，適宜生境減少。在5—6月，豐水年的水位最適宜蘆葦生長，同時(shí)最小年7—10月和平水年8—10月的水位也可使蘆葦適宜生境維持在較大水平。檉柳的適宜生境面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7（b）所示，研究區(qū)檉柳的適宜生境面積維持在6 ～13 km2，豐水年在整個(gè)生長季內(nèi)均能維持檉柳較高的適宜生境面積。翅堿蓬的適宜生境面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7（c）所示，研究區(qū)翅堿蓬的適宜生境面積維持在34 ～42 km2，在7—10月最大年下其適宜生境面積明顯高于其他時(shí)間序列。

鹽沼植被生物量變化模擬結(jié)果如圖7（d）—（f）所示。蘆葦?shù)纳锪繛?.90 萬～7.33 萬t ，不同水文年時(shí)間序列方案下蘆葦?shù)纳锪孔兓?guī)律一致，均在4—9月逐月遞增，在9月達(dá)到峰值，在10月下降。檉柳的生物量為0.42 萬～3.91 萬t ，在最大、豐水、平水和枯水年時(shí)間序列下逐月遞增，在最小年在4—6月逐月遞增，在7月驟減，隨后在7—10月遞增，峰值出現(xiàn)在6月。翅堿蓬的生物量為0.94 萬～14.28 萬t ，不同水文年時(shí)間序列方案下翅堿蓬的生物量變化規(guī)律一致，在4—7月逐月遞增，在8月驟增，在9月驟減，隨后在9—10月遞減，峰值出現(xiàn)在8月。

圖7 不同水文年時(shí)間序列下蘆葦、檉柳和翅堿蓬適宜生境面積和生物量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

通過計(jì)算鹽沼植被月均適宜生境面積占比（生長季內(nèi)鹽沼植被月均適宜生境面積與研究區(qū)總面積的比值）和月均生物量，比較了5 種水文年時(shí)間序列方案對典型鹽沼植被整個(gè)生長季內(nèi)生境和生物量的影響。結(jié)果如圖8所示，最小年為蘆葦適宜生境的最優(yōu)時(shí)間序列，豐水年為檉柳適宜生境的最優(yōu)時(shí)間序列，最大年為翅堿蓬適宜生境的最優(yōu)時(shí)間序列。3 種鹽沼植被月均適宜生境總面積占比計(jì)算結(jié)果表明，豐水年為3 種鹽沼植被適宜生境總面積的最優(yōu)時(shí)間序列?？菟晏J葦、檉柳和翅堿蓬均有較高的月均生物量，同時(shí)蘆葦在最小年的生物量也較高，3 種鹽沼植被月均總生物量同樣表明枯水年為3種鹽沼植被月均總生物量的最優(yōu)時(shí)間序列。

圖8 不同水文年時(shí)間序列下單物種及3 物種月均適宜生境面積占比和月均生物量結(jié)果

4 結(jié)論

黃河三角洲作為具有典型植被帶狀分布特征的鹽沼濕地，在徑流和潮汐的共同作用下，其淺層土壤水鹽條件發(fā)生動態(tài)變化，對于鹽沼植被的生長產(chǎn)生直接影響。本研究基于已構(gòu)建的土壤水鹽協(xié)同-植被生長擴(kuò)散植被群落適宜生境及生物量模擬模型，選取黃河最大、豐水、平水、枯水和最小年水文年時(shí)間序列作為模擬情景，對蘆葦、檉柳和翅堿蓬3 種類型鹽沼植被的適宜生境進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示，蘆葦、檉柳和翅堿蓬在研究區(qū)內(nèi)的適宜生境分布的主要特征為在黃河兩岸呈帶狀分布，在距離黃河較遠(yuǎn)的地區(qū)呈散點(diǎn)狀分布。保障蘆葦、檉柳、翅堿蓬和鹽沼植被總生境面積最大的最適宜水文年時(shí)間序列情景分別為最小年、豐水年、最大年和豐水年時(shí)間序列。蘆葦、檉柳和翅堿蓬生物量模擬結(jié)果顯示，3 種鹽沼植被在黃河兩岸的帶狀分布區(qū)生物量積累較高，而在遠(yuǎn)離河道的散點(diǎn)狀分布區(qū)生物量積累較少。蘆葦?shù)纳锪糠e累主要發(fā)生在較窄的條帶上，而翅堿蓬和檉柳的生物量積累均勻發(fā)生在面狀區(qū)域。除蘆葦?shù)淖畲笊锪砍霈F(xiàn)在最小年，檉柳、翅堿蓬和鹽沼植被總生物量的最大值均出現(xiàn)在枯水年。