洞庭湖典型洲灘濕地水分時空變化特征及其相關(guān)性分析

陳 波， 陳建湘， 代 娟， 任 杰，2

(1. 西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室， 陜西 西安 710048； 2. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室， 江蘇 南京 210098；3.長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局， 湖北 武漢 430072；4.長江水利委員會長江科學(xué)院， 湖北 武漢 430012)

1 研究背景

洲灘濕地是介于陸生和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡帶,水文過程、氣候變化、人為活動等是其主要的影響因子[1-3]。洲灘土壤-植物-大氣連續(xù)體中水分和能量交換頻繁，其中，土壤水分作為物質(zhì)循環(huán)和能量流動的主要介質(zhì)，調(diào)控著地-氣相互作用過程，是聯(lián)系大氣水、地表水、地下水和植物水的重要紐帶[4-5]。土壤水分運移的動態(tài)過程不僅直接影響著植物群落的生長及分布，同時通過改變土壤的物理化學(xué)地球過程也間接影響著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能與多樣性[6-8]。因此，研究洲灘土壤水分運移的動態(tài)變化特征對探討洲灘濕地系統(tǒng)的生態(tài)保護與修復(fù)、水資源綜合管理和應(yīng)對氣候變化等具有極其重要的意義。

洞庭湖位于湖南省北部、長江中下游荊江段南岸(27°55′N～30°23′N, 110° 50′ E～113° 45′ E)，匯集“四水”(湘江、資江、沅江、澧水)，北接“四口”(松滋口、太平口、藕池口、調(diào)弦口)分流入湖，經(jīng)調(diào)蓄后由岳陽城陵磯注入長江[9]。洞庭湖是我國第二大淡水湖泊，湖泊總面積2 670 km2，容積167×108m3，是長江流域重要的泄洪及蓄洪湖泊[10]，一直被國內(nèi)外學(xué)者高度關(guān)注和重點研究。自三峽水庫運行后，引起長江徑流量過程在中枯水期發(fā)生了較大的調(diào)整，進而使得流域來水、長江水和洞庭湖的水位流量關(guān)系在不同時期也產(chǎn)生了不同程度的變化[11]，相關(guān)研究表明，洞庭湖每年水位波動范圍約為7～16 m[12]，這種獨特的水文情勢變化形成大面積干濕交替的洲灘濕地[13]，導(dǎo)致洞庭湖洲灘大氣降水、地表水、土壤水、地下水、植物水交替轉(zhuǎn)化頻繁，土壤水分運移規(guī)律復(fù)雜，這直接影響著洲灘土壤生物地球化學(xué)過程和植物群落的生長與分布[14]。

近年來，國內(nèi)外關(guān)于洲灘濕地的水文過程的研究已有大量的報道，如Rogel等[15]在地中海地區(qū)的6處洲灘進行長達2年的研究中發(fā)現(xiàn)，洲灘土壤水分含量的大小是植被帶狀分布的主要因素；Francis等[16]在大壩泄水條件下，對Hornsby Bend Island洲灘內(nèi)的水壓力進行了監(jiān)測，指出河流水位波動快速改變了洲灘水力梯度及潛流帶的范圍，進而使河流與洲灘地下水之間相互作用的強度及方向發(fā)生改變。馮徽徽等[17]從流域、子流域等空間尺度研究了土壤水分的變化特征及其影響因素，研究表明土壤水分總體上呈現(xiàn)中心低、周邊高的“漏斗式”空間分布，同時降水是土壤水分的主要影響因素。任杰等[18-20]利用室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬的方法分析了水庫低溫水下泄對下游河岸洲灘土壤水分及溫度的動態(tài)變化的影響，認(rèn)為在低溫水入滲條件下，水頭及輻射溫度的變化對土壤的水分場及溫度場具有顯著影響。林歡等[2]通過數(shù)值模擬法量化了鄱陽湖典型洲灘不同界面水分連續(xù)體的補排關(guān)系，發(fā)現(xiàn)土壤水分通量存在季節(jié)性差異且受降雨的影響最大。于丹青等[21]通過分析瀾滄江某水庫庫內(nèi)洲灘內(nèi)部的水位及溫度變化規(guī)律，量化了水庫與洲灘之間的潛流交換量及熱傳輸量。上述研究雖然能夠反映洲灘水文過程的動態(tài)變化，但是針對變化條件下洲灘系統(tǒng)內(nèi)部的水分運移規(guī)律的研究仍有待進一步加強，關(guān)于洞庭湖區(qū)洲灘水分場的動態(tài)變化特征及其相關(guān)性更是鮮見報道。

本文選取洞庭湖區(qū)一典型洲灘斷面作為研究對象，通過原位自動監(jiān)測裝置對洲灘內(nèi)的土壤水分含量及湖區(qū)水位變化的動態(tài)過程進行長達兩個月的連續(xù)監(jiān)測，分析了不同深度土壤水分含量的連續(xù)動態(tài)變化過程及不同深度土壤水分含量與湖水位的相關(guān)性，以期為洞庭湖洲灘系統(tǒng)水分運移規(guī)律的研究提供參考。

2 材料與方法

2.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)(29°24′44″N, 113°07′47″E)位于中國湖南省岳陽市岳陽樓區(qū)西北部，地處湘、資、沅、澧四水和長江四口水流出洞庭湖入長江的咽喉地段，上游約 4 km 為東洞庭湖，下游 4 km 處為長江荊江與洞庭湖出流匯合口，是洞庭湖區(qū)典型洲灘濕地斷面，如圖1所示。

試驗區(qū)土壤主要是粉砂土，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，日照充足，雨水充沛，年均氣溫17 °C，多年平均降雨量為1 439.1 mm, 呈春夏多、秋冬少的格局，春夏雨量約占全年總雨量的70%，無霜期256～285 d[11]。年內(nèi)水位季節(jié)性波動顯著，最低水位出現(xiàn)在1月，最高水位出現(xiàn)在7-8月，此時斷面受湖水上漲而淹沒，9月后湖水位逐漸消退。季節(jié)性干濕交替形成了發(fā)育典型的洲灘植被，蘆葦群長勢良好，群落覆蓋率在90%以上[9]。

圖1 研究區(qū)域地理位置及監(jiān)測儀器布設(shè)

2.2 試驗設(shè)計與儀器布置

圖2為洲灘原位監(jiān)測裝置現(xiàn)場布置示意圖。為了對試驗區(qū)的土壤水分變化進行實時動態(tài)監(jiān)測，在選定斷面上共布設(shè)5臺土壤水分監(jiān)測儀器(云智能管式土壤水分儀，ET100)，離岸距離分別為0、2.02、4.36、6.0和8.2 m，離岸距離由近及遠(yuǎn)分別編號為T1～T5，自地表以下每0.1 m可測得一個土壤水分含量數(shù)據(jù)，最大監(jiān)測深度為1.0 m，共計50個監(jiān)測點。另外，在河道內(nèi)布置一臺壓力傳感器(HOBO U20-001-01；測量精度：±0.5 cm)，以觀測河道水位動態(tài)變化，且在試驗區(qū)域同時布置了兩臺溫度傳感器觀測氣溫和地溫。監(jiān)測時間自2018年10月7日開始至2018年12月7日終止，數(shù)據(jù)均自動觀測，記錄頻率為1 h。

圖2 洲灘原位監(jiān)測裝置現(xiàn)場布置示意圖

3 結(jié)果分析與討論

3.1 氣溫、地溫及湖水位的響應(yīng)關(guān)系

圖3為整個監(jiān)測時段內(nèi)研究區(qū)域的氣溫、地溫及湖水位的動態(tài)變化曲線圖。

由圖3可知，監(jiān)測時段內(nèi)，氣溫波動近似正弦曲線，呈典型的日周期變化，其波動幅度較大，最高氣溫30.1℃，最低氣溫4.1℃，平均氣溫為14.8℃，整體上略高于地溫。地溫變化趨勢與氣溫相似，但其相位滯后于氣溫，說明大氣溫度對地面熱傳導(dǎo)作用需要一定的時間。在10月9日至10月14日期間內(nèi)，地溫波動幅度降低，波動區(qū)間僅為19.2～24.0℃，而氣溫波動區(qū)間為11.6～27.2℃，可見此時氣溫對地溫的影響甚微。這是由于湖水位在2018年10月7日逐漸上漲，至2018年10月12日水位達到整個監(jiān)測時段內(nèi)的最大值，此時地溫監(jiān)測點(T1監(jiān)測井)受湖水上漲而淹沒，10月15日后湖水位消退，近岸洲灘濕地逐漸出露，地溫又出現(xiàn)與大氣溫度相似的強烈波動。監(jiān)測過程中，湖水位受上游水庫調(diào)控影響，分別于10月12日、11月19日出現(xiàn)峰值，水位變幅高達3.14 m。

圖3 2018年監(jiān)測時段研究區(qū)氣溫、地溫和湖水位數(shù)據(jù)的日變化

3.2 洞庭湖典型洲灘水分場時空分布規(guī)律

研究中所監(jiān)測的洲灘內(nèi)5臺監(jiān)測儀所表現(xiàn)的土壤含水量動態(tài)特征各異，選取T1和T3作為代表性的兩組進行分析。圖4表示的是在監(jiān)測時段內(nèi)，T1和T3監(jiān)測井中不同深度處(10、30、50、100 cm)土壤水分含量時間曲線，同時將各深度處的土壤水分含量數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。其中，將地表以下0～10 cm深度處的土壤視為淺層土壤，10～50 cm深度視為中層，50～100 cm深度視為深層。

表1 T1、T3監(jiān)測井不同深度土壤水分含量統(tǒng)計表

由圖4可以看出，洞庭湖典型洲灘水分場表現(xiàn)出顯著的時空動態(tài)特征。對于T1監(jiān)測井來說(圖4(a))，淺層(T1-10 cm)土壤水分含量波動強烈，其值為2.7%～37.6%，特別是在10月15日土壤水分含量大幅降低，11月份波動范圍不大，但變化比較頻繁；中層處(T1-30 cm、T1-50 cm)土壤水分含量曲線變化規(guī)律較為相似，土壤水分含量范圍在11.7%～30.5%，與淺層相比，波動幅度相對較弱，平均含水量為23.5%，高于淺層的16.2%。且波動時段主要集中在11月1日至11月7日和11月26日至12月3日；而深層處(T1-100 cm)土壤水分含量在整個監(jiān)測時段內(nèi)穩(wěn)定在30%左右。對于T3監(jiān)測井來說(圖4(b))，同樣在淺層處(T3-10 cm)土壤水分含量變化范圍最大，為6.4%～24.6%，平均值為15.3%，變化趨勢最為明顯，但與上述T1-10 cm相比，土壤水分含量的波動幅度有所降低。中層處(T3-30 cm與T3-50 cm)土壤水分含量在24%上下波動，與T1情況不同的是，T3-50 cm 處的水分含量變化趨勢與T3-30 cm 處差異顯著，在整個監(jiān)測過程中僅出現(xiàn)微弱波動；深層處(T3-100 cm)土壤水分含量在第一次落水后穩(wěn)定在32%左右，與T1-100 cm相比略有增大。

因此，對比不同位置、不同深度的土壤水分含量的時程曲線可以發(fā)現(xiàn)：

(1)在10月7日-10月17日、11月9日-12月1日時間段內(nèi)，河道水位出現(xiàn)大幅的漲跌，導(dǎo)致各監(jiān)測井地表以下10、30 cm處的水分波動強烈，且變化規(guī)律與水位波動近似，均在10月13日、11月20日左右出現(xiàn)波峰。相對于淺層水分場，50 cm以下深度的水分含量在整個監(jiān)測時段內(nèi)都趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)由表1可以看出，近岸的T1中T1-10、T1-30、T1-50、T1-100 cm 4個深度對應(yīng)的土壤水分含量平均值依次為16.2%、23.5%、23.5%、30.7%，T3中T3-10、T3-30、T3-50、T3-100 cm 4個深度對應(yīng)的土壤水分含量平均值依次為15.3%、23.3%、24.3%、31.9%。說明在試驗監(jiān)測深度范圍內(nèi)，同一監(jiān)測井中土壤水分含量隨深度增大而增大。

(3)在整個監(jiān)測時段內(nèi)，隨著深度的增加，土壤水分含量的波動幅度逐漸減小，且隨著離岸邊距離的增加，各監(jiān)測井距離地表同一深度的土壤水分含量波動幅度也逐漸減小。無論近岸還是遠(yuǎn)岸，各監(jiān)測井深層(100 cm)土壤水分含量均維持在30%以上，且無明顯波動。

為了進一步明確土壤水分含量在典型洲灘斷面上的分布規(guī)律，在2018年10月7日至2018年12月7日的觀測時段內(nèi)，選取漲水期(2018年10月11日)、落水期(2018年11月6日)各1 d為例，利用洲灘5臺觀測儀器離散的水分含量數(shù)據(jù)，分別繪制t=2:00、t=8:00、t=14:00、t=20:00 4個不同時刻的洲灘土壤水分含量等值線云圖，如圖5所示。為方便描述，將T1監(jiān)測井底部水平線定位為基準(zhǔn)線，即高程為0 m。其左、右邊界分別為離岸邊0、8.2 m處(T1、T5離岸距離分別為0.1、8.1 m)，而上、下邊界分別為高程0、1、2.75 m處(最低、最高水分監(jiān)測點高程分別為0、2.65 m)。

由圖5(a)可以看出，在漲水階段，整體上洲灘內(nèi)部水分含量較高，垂向上水分場呈現(xiàn)分區(qū)現(xiàn)象，即淺層土壤水分含量偏低，垂向水分梯度較大，深層水分含量較高，且趨于穩(wěn)定。隨著離岸距離的增加，分區(qū)現(xiàn)象尤為明顯，而水平方向上并沒有明顯的分區(qū)現(xiàn)象。通過對比10月11日4個時刻洲灘土壤水分含量可以發(fā)現(xiàn)，洲灘水分場在不同時刻的分布規(guī)律變化不大。

從圖5(b)可以看出，在落水階段，垂向上水分場同樣存在著分區(qū)現(xiàn)象，且比漲水期更加顯著。但洲灘內(nèi)部土壤水分含量整體偏低，高水分含量范圍相對漲水期大幅減小。從11月6日4個時刻的水分變化云圖中發(fā)現(xiàn)：在t=2:00時，整個洲灘淺層土壤水分含量偏低，無論近岸還是遠(yuǎn)岸處，水分場在垂向上均分區(qū)明顯。在t=8:00時，整個洲灘淺層土壤水分含量增大，低水分含量范圍大幅縮小，這是由于11月6日凌晨試驗區(qū)出現(xiàn)降雨導(dǎo)致淺層土壤水分含量迅速上升。在t=14:00至t=20:00時，土壤水分含量分布規(guī)律基本一致，總體上變化不大。值得注意的是，在監(jiān)測時段內(nèi)，距離T1監(jiān)測裝置2和6 m的地表以下約50 cm深度處，土壤水分含量出現(xiàn)不同程度的奇異現(xiàn)象，這是由于在洲灘內(nèi)部，土壤水分運移與河水水位及土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地等密切相關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場實際勘察，試驗區(qū)土層分層明顯，不同深度混有大量粗礫石、磚塊甚至巨石塊，如圖6所示。這對試驗區(qū)土壤水分的時空變化產(chǎn)生顯著影響，同時對儀器監(jiān)測形成了一定的干擾。

圖5 水位漲落過程中不同時刻研究區(qū)洲灘土壤水分含量分布

圖6 試驗區(qū)洲灘土層狀況

通過對比漲、落水過程中洲灘水分場分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)：

(1)在監(jiān)測時段內(nèi)，洲灘土壤水分場大致可以分為低水分含量區(qū)、中水分含量區(qū)和高水分含量區(qū)，根據(jù)圖3中湖水位曲線可知，在10月11日，湖水位接近峰值，此時高水分含量區(qū)面積達到整個計算模型面積的2/3。隨著湖水位的降低，呈現(xiàn)高水分含量區(qū)的面積出逐漸縮小，而低水分含量區(qū)面積逐漸增大的趨勢。

(2)洲灘水分場在水平方向波動幅度較小，在垂直方向上有明顯的水分分層現(xiàn)象，這是由于發(fā)生在湖岸系統(tǒng)內(nèi)的地表水與地下水側(cè)向交換量級和范圍遠(yuǎn)高于垂直方向[22]。淺層洲灘水分含量較低，垂向水分梯度較大；深層水分含量較高，垂向水分梯度較小，即洲灘含水層深處水分含量變化較小。

3.3 洲灘土壤水分含量和湖水位相關(guān)性分析

河流湖泊的水位波動在洲灘生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在，同時也是洲灘水文的重要組成部分[23-24]。相關(guān)研究表明[25]，水位變化改變了河岸帶土壤水分含量、鹽堿度，進而改變了以此為基礎(chǔ)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動，對洲灘濕生植物群落分布產(chǎn)生重要影響。因此本文基于SPSS軟件，對試驗區(qū)監(jiān)測時段內(nèi)的湖水位和洲灘不同深度土壤水分含量進行F檢驗(F-test)，得出其相關(guān)系數(shù)R2和顯著性P值，進而分析洞庭湖洲灘土壤水分含量與湖水位的相關(guān)性，結(jié)果如圖7所示。

圖7 研究區(qū)洲灘不同深度土壤水分含量(T1監(jiān)測井)與湖水位相關(guān)性

由于T1水分監(jiān)測儀距離湖區(qū)最近，受湖區(qū)水位波動的影響更加直接，因此選擇T1監(jiān)測儀中6個深度的水分?jǐn)?shù)據(jù)進行分析。從圖7可以看出，洲灘淺層(T1-10 cm)和深層(T1-100 cm)處土壤水分含量與湖水位無顯著相關(guān)性。T1-30 cm(R2=0.31，P<0.01)處土壤水分含量與湖水位顯著弱相關(guān)，T1-50 cm(R2=0.50，P<0.01)和T1-70 cm (R2=0.60，P<0.01)處土壤水分含量與湖水位顯著正相關(guān)。

通過上述分析可知，隨著深度的增加，擬合系數(shù)R2逐漸增大，至地表以下70 cm處，擬合系數(shù)R2達到最大值，即此深度土壤水分含量與湖水位相關(guān)性最高，說明湖水位是地表以下50-70 cm 深度處土壤水分含量的主要因子。隨著深度的進一步增加，擬合系數(shù)R2明顯降低，至100 cm深度時，擬合系數(shù)R2= 0.16，深度土壤水分基本不受湖水位波動影響。因此，土壤水分含量與湖水位的相關(guān)性在垂向上呈現(xiàn)空間異質(zhì)性。

而由圖4可以發(fā)現(xiàn)，在整個監(jiān)測時段內(nèi)，淺層(小于30 cm)土壤水分含量的波動頻率及幅度明顯高于其他深度。因此本文進一步對洲灘淺層(T1-10 cm)土壤含水量與大氣溫度進行相關(guān)性分析，如圖8所示。

圖8 研究區(qū)洲灘淺層土壤水分含量與氣溫相關(guān)性

通過圖8可以看出，擬合系數(shù)R2=0.30，顯著性P<0.01，呈顯著負(fù)相關(guān)性。從側(cè)面反映出淺層土壤水分的空間分布不僅受到水位波動的影響，同時也會受到其他近地表環(huán)境因子如大氣溫度、空氣濕度、降水、等影響，因此導(dǎo)致T1-10 cm(R2=0.06)處的土壤水分含量與湖水位的擬合系數(shù)最低，即無顯著相關(guān)性。

4 結(jié) 論

(1)在監(jiān)測時段內(nèi)，受上游水庫運行影響，洞庭湖區(qū)水位頻繁波動，水位振幅達3.14 m以上，使得洲灘間歇性被局部淹沒，研究區(qū)域氣溫和洲灘地表溫度均呈正弦波動，且規(guī)律基本一致。

(2)洲灘水分場具有時空分布異質(zhì)性。在垂向上，水分場分層現(xiàn)象明顯，同時，隨著深度的增加，土壤水分含量的波動幅度逐漸減小，深層(大于50 cm)土壤水分含量基本保持穩(wěn)定。在水平方向上，隨著離岸邊距離的增加，各監(jiān)測井距離地表同一深度的土壤水分含量波動幅度也逐漸減小。

(3)洞庭湖洲灘的土壤水分含量與湖水位之間的相關(guān)性隨著深度的增加呈先增強后減弱的趨勢。其中，淺層及深層的土壤水分含量與湖水位之間均呈無顯著相關(guān)性，地表以下50-70 cm 深度處土壤水分含量與湖水位相關(guān)性較高。

土壤水分運移受地質(zhì)結(jié)構(gòu)、土壤物理特征、植物根系和土壤生化環(huán)境的綜合控制[26]，且由于洞庭湖高度動態(tài)變化的水文情勢影響，洲灘大氣降水、地表水、土壤水、地下水、植物水交替轉(zhuǎn)換頻繁，土壤水分的運移過程及其復(fù)雜。因此，洲灘土壤水分的響應(yīng)機制及來源構(gòu)成等問題的定量研究有待深入。