梁子湖水位波動對湖岸植被分布格局的影響

胡艷欣，周建偉，馮海波，張津瑞

（1.湖北省水利水電科學(xué)研究院，武漢 430070；2.湖北省水利水電科技情報中心，武漢 430070；3.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），武漢 430074；4.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計院有限公司，武漢 430071）

0 引 言

河湖水位波動是湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的重要控制因素，也是影響湖岸帶植物以及濕生水生植物群落穩(wěn)定乃至河湖生態(tài)平衡的關(guān)鍵因子[1]。近年來，全球變化以及人類活動等導(dǎo)致湖泊水位波動節(jié)律異常變化，持續(xù)高水位或反季水位波動異常都會導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化與失穩(wěn)[2]。

相關(guān)研究表明，湖泊現(xiàn)存的植被類型是對水位長期變動適應(yīng)的結(jié)果[3]，因此不正常的水位變異將有可能產(chǎn)生負(fù)面影響[4]。湖泊長期的高水位，會抑制濕生及水生植物萌發(fā)生長[5]。如早春時節(jié)，一般為枯水期，湖泊的長期高水位會使得植物繁殖體被淹沒而難以萌發(fā)，幼苗因被淹沒難以獲得足夠的光照生長受到抑制，最終導(dǎo)致湖岸植被格局發(fā)生重大改變[5]。而湖泊長期維持較低的水位則會減小敞水區(qū)面積，使得湖泊水溫和鹽度上升。尤其是在夏季豐水期長期維持低水位，會導(dǎo)致湖泊水生植物瘋長，這不僅會對湖泊水質(zhì)產(chǎn)生影響，還會影響水下其他生物的生長繁殖，導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)的退化[4]。

梁子湖作為長江中下游的典型淺水湖之一，以其生物多樣性和稀有性被列為省級濕地自然保護(hù)區(qū)。近年來隨著流域經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，梁子湖多年水位動態(tài)以及濕地退化存在較大風(fēng)險[6,7]。尤其在1980-2000年間，經(jīng)濟(jì)發(fā)展及工程建設(shè)高速發(fā)展，圍墾造田、過度開發(fā)等行為導(dǎo)致湖泊面積與水位動態(tài)明顯。因此，本文以梁子湖為研究對象，通過對1980-2000年近20年湖泊水位動態(tài)的分析，揭示水位波動對湖岸植被分布格局的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

梁子湖位于湖北省鄂州市，地處江漢平原東南（圖1），坐標(biāo)東經(jīng)114°31′19″～114°42′52″、北緯30°4′55″～30°20′26″之間，是長江中游地區(qū)典型的淺水草型湖泊，是湖北省面積第二、庫容第一的淡水湖，集水面積2 085 km2，湖泊水面約227 km2，平均水深2.5 m，容積約5.7 億m3。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location of the studied area

梁子湖流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，區(qū)域年平均氣溫17.0 ℃，多年平均降水量為1 347.4 mm，主要集中于春夏兩個季節(jié)。

區(qū)內(nèi)主要的植被類型為水生植被和濕生植被。初步統(tǒng)計，梁子湖高等植物有331 種（含變種），全湖沉水植物占絕對優(yōu)勢，覆蓋面積達(dá)80%以上，以微齒眼子菜群落為主；挺水植物次之；濕地植被是非地帶性植被。

1.2 資料與方法

根據(jù)1981-2000年梁子湖水文站湖水位日動態(tài)數(shù)據(jù)、降水?dāng)?shù)據(jù)等水文資料，通過對水位數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，分別選取豐水年、平水年和枯水年1983年、1992年以及2000年枯水期與豐水期進(jìn)行湖區(qū)及湖濱帶植被覆蓋度遙感解譯。遙感影像數(shù)據(jù)源主要采用Landsat 系列遙感影像數(shù)據(jù)（表1），影像空間分辨率為30 m。

表1 Landsat影像數(shù)據(jù)Tab.1 Landsat image data

本文采用ENVI 中的輻射定標(biāo)及FLAASH 大氣校正功能對6期遙感影像進(jìn)行了輻射校正。目前使用較多的植被指數(shù)轉(zhuǎn)化法是Gutman 提出的根據(jù)歸一化植被指數(shù)(NDVI)來計算植被覆蓋度的方法[8]，根據(jù)像元二分模型，每個像元的NDVI值可以看成是有植被覆蓋部分的NDVI值與無植被覆蓋部分的NDVI的加權(quán)平均，利用NDVI計算植被覆蓋度的公式：

由公式（1）可得：

式中：F為植被覆蓋度，%；NDVI為歸一化植被覆蓋指數(shù)，取值-1～1；NDVImax和NDVImin分別為區(qū)域內(nèi)最大和最小的NDVI值。

利用ENVI 5.3 遙感圖像處理軟件中的Band Math 編寫MODEL 計算植被覆蓋度，并將研究區(qū)植被覆蓋度劃分為5 個等級，Ⅴ：高植被覆蓋度（F>80%），Ⅳ：中高植被覆蓋度（60%

2 結(jié)果與討論

2.1 1981-2000年湖水位動態(tài)分析

2.1.1 水位分析

1981-2000年期間，梁子湖最高水位為20.35 m，出現(xiàn)在1983年；多年最低水位為16.13 m，出現(xiàn)在2000年；1984年、1990年、1991年、1996年、1998年及1999年均出現(xiàn)多峰高水位（圖2）。

圖2 梁子湖1981-2000年日均水位及降水量分布圖Fig.2 Daily average water level and precipitation of Liangzi Lake from 1981 to 2000

根據(jù)多年月平均水位（圖3）可知，8月份平均水位最高，為18.85 m，3月份平均水位最低，為16.98 m，兩者水位相差1.87 m。結(jié)合降水量分析，水位變化與降水豐枯規(guī)律具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，豐水期水位較高，枯水期水位較低。

圖3 1981-2000年月平均水位與月平均降水量分布圖Fig.3 Monthly average water level and precipitation from 1981 to 2000

本文將梁子湖水文站1981-2000年逐日觀測的水位數(shù)據(jù)劃分為若干水位區(qū)間，根據(jù)水位區(qū)間頻率分布圖（圖4）可見，17.00 m 以下的低水位出現(xiàn)概率接近20%（19.71%），20.00 m以上的高水位出現(xiàn)概率接近12%（11.72%），總體來看，水位在17.00～18.50 m區(qū)間內(nèi)的出現(xiàn)概率較高，達(dá)48.99%。

圖4 1981-2000年水位在不同區(qū)間的分布頻率Fig.4 Water level distribution frequency in different water level range from 1981 to 2000

2.1.2 豐、平、枯水年的劃分

采用頻率分析法（皮爾遜Ⅲ型曲線）確定統(tǒng)計參數(shù)和各頻率設(shè)計值，使其作為劃分水位豐、平、枯徑流系列的標(biāo)準(zhǔn)，取保證率P≤20%的年份為豐水年，20%＜P≤80%的年份為平水年，P≥80%的年份為枯水年（見圖5和表2）。

表2 豐水年、平水年與枯水年的劃分Tab.2 Division of high,normal,and low flow year

圖5 1981-2000年均水位頻率統(tǒng)計圖Fig.5 Statistical chart of annual average water level frequency from 1981 to 2000

豐水年出現(xiàn)次數(shù)占總系列的31.6%，平水年占36.8%，枯水年占31.6%，3 個特征級別的百分比基本均衡，認(rèn)為該系列代表性較好，劃分妥當(dāng)且能反映客觀規(guī)律。

本文選取1983年（極豐）、1992年（平）以及2000年（極枯）3 個具有典型降水量特征的年份，研究水位波動對湖岸植被分布格局的影響。

2.2 植被覆蓋度動態(tài)分析

通過植被覆蓋度的分析顯示（圖6和表3），研究區(qū)1983、1992 與2000年同一個水文年內(nèi)，豐水即每年的4-6月份，隨著7月份雨季的到來，梁子湖水位逐漸上升，植被生長季結(jié)束，此時為植被長勢最好，覆蓋度最高的時期，8月到達(dá)全年梁子湖水位最高時期，湖岸帶植物逐漸被水體淹沒，此后高植被覆蓋度區(qū)域面積迅速降低。

圖6 研究區(qū)不同時相植被覆蓋度分布圖Fig.6 The vegetation coverage distribution in different phases in the study area

表3 植被覆蓋度分級面積統(tǒng)計km2Tab.3 Statistic of the classified area of vegetation coverage

對比豐水年1983年、平水年1992年與枯水年2000年湖水位與植被覆蓋度發(fā)現(xiàn)，1983年、1992年與2000年春季枯水期湖水位差別較小（多年均值為17.50 m），分別為17.09、17.47以及17.50 m。植被覆蓋度大于60%的Ⅳ、Ⅴ區(qū)域面積表現(xiàn)為與多年平均水位相近的2000年最大。由此可見，春季枯水期湖水位保持在多年平均水位更有利于湖岸帶植被萌發(fā)與生長，適宜的水位既可以保證湖岸帶灘地植物繁殖體的呼吸和萌發(fā)；又可以保障淺水區(qū)充足的陽光，有利于植物春季的萌發(fā)和幼苗的生長。

1983年、1992年與2000年夏季豐水期湖水位相差較大（多年均值為18.50 m），分別為20.71、19.15 和16.73 m，而對應(yīng)的植被覆蓋度大于60%的Ⅳ、Ⅴ區(qū)域面積在2000年>1992年>1983年，分別占總面積的30.8%、17.9%和14.8%；植被覆蓋度小于20%的I 區(qū)域面積表現(xiàn)出相反的趨勢：枯水年2000年面積最小，為174.61 km2；在豐水年2000年最大，為233.73 km2。由此可見，研究區(qū)豐水期植被覆蓋度與水位呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，2000年的低水位對應(yīng)高植被覆蓋度；1983年的高水位對應(yīng)低植被覆蓋度。

2.3 水位異常波動對湖濱帶植被分布格局的影響

2000年夏季豐水期降水量顯著低于多年平均降水量，導(dǎo)致梁子湖湖水位在2000年出現(xiàn)異常波動，其豐水期的湖水位較其余枯水期水位低，而該年份的低水位使湖岸帶范圍擴(kuò)張，促使湖岸帶濕生植物生長，增加了岸帶植被覆蓋度。同時，夏季豐水期湖水位的異常降低，加之氣溫較高，促使湖泊水生植物（包括漂浮植物、沉水植物）出現(xiàn)瘋長的現(xiàn)象，一些沉水植物一旦到達(dá)水面，生物量更會急劇增加[9]，不僅影響水質(zhì)，還影響水下其他生物的生長繁殖，引發(fā)水體生態(tài)失衡的現(xiàn)象，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)退化[5,10]。

濕生及水生植物群落是河湖生態(tài)系統(tǒng)的重要初級生產(chǎn)者。無論是河湖濱岸帶挺水植物，還是敞水區(qū)沉水植物，都是長期適應(yīng)自然河湖水環(huán)境而形成的獨特植物群落[11,12]。水位波動通過改變水下光照、溫度、溶解氧等因素影響水生植物[5,13]。湖泊水位的自然波動一般遵循枯水期水位較低，更有利于岸帶植被呼吸萌發(fā)，以及幼苗的生長[14]；而在豐水期，水位較高，使沉水植物淹沒在水下，抑制水生植物的瘋長[15]。這樣的自然節(jié)律更有利于長期維持水生生態(tài)系統(tǒng)的平衡。由此可見，恢復(fù)與維持河湖自然波動節(jié)律是促進(jìn)河湖生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3 結(jié) 語

梁子湖水位自然波動遵循春季低水位、夏季高水位的節(jié)律，春季平均水位為17.50 m，夏季平均水位為18.50 m。

植被覆蓋度與水位呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，2000年枯水年，湖泊水位極低，而植被覆蓋度高；1983年湖泊水位高，植被覆蓋度低。這主要是水位過高致使濱岸帶植被生境長期被湖水淹沒，導(dǎo)致植被覆蓋度較低。由此可知，雖然豐富的降水量是對植被生長有利因素，但在一定邊界條件下，過于豐富的降水量反而會破壞了植被的生長環(huán)境，從而影響植被生長。

由此可見，水位的有序波動是河湖生態(tài)系統(tǒng)各生態(tài)因子長期演替與適應(yīng)的結(jié)果，保護(hù)與維持河湖水位自然波動的節(jié)律是河湖生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的關(guān)鍵。