宮兆寧,陳雨竹,*,趙文慧

1 三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點實驗室, 北京 100048 2 資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點實驗室, 北京 100048 3 北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心，北京 100048

近35年官廳水庫消落帶消漲特征及分區(qū)

宮兆寧1,2,陳雨竹1,2,*,趙文慧3

1 三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點實驗室, 北京 100048 2 資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點實驗室, 北京 100048 3 北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心，北京 100048

水庫消落帶作為重要的生態(tài)交錯帶,是深入分析生態(tài)要素內(nèi)在作用機制的特殊區(qū)域。以華北內(nèi)陸大型水庫——官廳水庫為研究對象,選擇1979—2013年Landsat MSS/TM/ETM+/OLI影像作為數(shù)據(jù)源,分析35年來官廳水庫消落帶的消漲特征、時空分布差異及其變化趨勢,在此基礎(chǔ)上進行消落帶淹水時長和淹水頻次的分區(qū)研究,揭示消落帶生態(tài)結(jié)構(gòu)的形成過程。研究結(jié)論如下：(1)近35年來,官廳水庫水位落差較大,達8.19m,水位變化分為3個特征時期：1979—1996年,漲落周期約為4—5a的間歇漲落期；1996—2007年,水位持續(xù)下降達7.12m的持續(xù)萎縮期；2007—2013年,漲落周期為2 a,且年際變化差穩(wěn)定在0.75m的頻繁漲落期。(2)35年來,官廳水庫水位消漲形成118.31km2的消落帶,對應(yīng)3個特征時期形成消落帶的面積依次為80.20 km2,76.81 km2和19.89km2。間歇漲落期形成的消落帶主要分布在永定河河口及平坦的康西草原一帶；持續(xù)萎縮期的消落帶有明顯向西北河岸帶擴張的趨勢；頻繁漲落期的消落帶以庫心區(qū)域水位回升為主,面積僅19.89 km2。(3)1979—2013年,基于淹水累計時長的分區(qū)中,消落帶整體上表現(xiàn)為淹水累計時長隨邊岸向庫區(qū)中心逐漸遞增的趨勢,25.85%的消落帶淹水時長不足5 a,71.77%的消落帶淹水時長大于16 a,但隨著淹水時長減少,消落帶區(qū)域植物旱化現(xiàn)象突出,同時植被群落蓋度和多樣性降低。淹水頻次分區(qū)中,相同淹水頻次的區(qū)域在空間上離散分布,一次淹水區(qū)面積為32.79km2,在消落帶中所占比例優(yōu)勢明顯,但累計淹水時長差異同樣顯著,分別為2 a和26 a,淹水最為頻繁的消落帶共經(jīng)歷了9次淹水過程；分區(qū)中的土壤有機質(zhì)含量差異表明,淹水頻次越高越有利于土壤有機質(zhì)的積淀。

水位變化；消落帶分區(qū)；射線法；疊置分析法；官廳水庫

Abstract： As an important transition ecozone, hydro-fluctuation belt is known to be the key area to find the function mechanism between all kinds of ecological factors. We selected the Guanting Reservoir, a large inland reservoir in North China, as the research area. Based on the monthly and annual water level statistic characteristics during 1979—2013 and synchronous Landsat MSS/TM/ETM+/OLI image acquired in wet and dry seasons, we first analyzed the spatial and temporal distribution characteristics and its variation trend. Thus based on the water level fluctuation history, using transect sample and overlay analysis, we quantitatively discussed the flooding frequency and duration in hydro-fluctuation belt; moreover, based on the flooding times and years, we explored subzone in hydro-fluctuation belt. It was found that: (1) during1979—2013, the water level in the Guanting Reservoir dropped significantly up to 8.19m. The changing process of hydro-fluctuation belt could be divided into three stages: the intermittent fluctuation period during 1979—1996 with a 4—5-year fluctuation cycle; the shrinking period from 1996 to 2007, whose water level continued to drop to 7.12m; and the frequent fluctuation period during 2007—2013 with a 2-year fluctuation cycle and its inter-annual variability settled to 0.75m.(2)For the last 35years, 118.31km2area of hydro-fluctuation belt was formed because of water level fluctuation. The areas that formed during the three characteristic periods were 80.20km2, 76.81 km2, and 19.89 km2, respectively. The hydro-fluctuation belt that formed in the intermittent fluctuation period was located in the Yongding River Estuary and the flat Kangxi prairie influenced by inflow water and terrain. In the shrinking period, the hydro-fluctuation belt showed an obvious trend of extension to the northwest riparian zone and was formed by water level rising during the frequent fluctuation period. (3)From 1979 to 2013, 25.85% of riparian flooded duration was less than 5 years, and 71.77% of riparian flooded duration was greater than 16 years, which show the obvious characteristics of wetland in the Guanting Reservoir. Furthermore, with the decrease of flooding time, the drought phenomenon of plant was outstanding, and the community coverage and diversity decreased. In the partition of flood frequency, the region with the same flood frequency was distributed discretely in space. Moreover, differences of soil organic matter content in partitions that show higher flooding frequency distribution present a discontinuous status, and regional soil organic matter content shows that precipitation was conducive to soil organic matter.

KeyWords: water level fluctuation; subzone in hydro-fluctuation belt; transect sample analysis; overlay analysis; Guanting Reservoir

水庫消落帶(Hydro-fluctuation belt)是季節(jié)性或人為控制性水位消漲在水庫與陸岸之間形成的巨大環(huán)庫生態(tài)隔離帶,是一類特殊的季節(jié)性濕地生態(tài)系統(tǒng)[1]。受周期性水位漲落影響,水庫消落帶具有陸地和水域的雙重屬性,是深入分析各種生態(tài)要素相互作用機制的重要研究區(qū)域。近年來,由于消落帶在生態(tài)系統(tǒng)中的特殊地位,使之成為地理科學(xué)、生態(tài)科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科交叉研究的熱門領(lǐng)域[2- 3]。消落帶淹水時長和淹水次數(shù)的差異一定程度上影響著區(qū)域生態(tài)要素間的內(nèi)在作用機制,如植被覆蓋演替趨勢及土壤有機物變遷[4-6]。因此,對消落帶進行合理分區(qū),是研究消落帶內(nèi)植被時空演替、土壤物理性質(zhì)變化以及土壤有機質(zhì)變遷的基礎(chǔ),同時,也有利于探究消落帶內(nèi)不同生態(tài)要素間的內(nèi)在作用機制,為消落帶的管理、開發(fā)利用和生態(tài)重建提供科學(xué)的理論支撐。

國外對消落帶的研究主要集中在消落帶的生態(tài)恢復(fù)[7-8]、氮磷的凈化機制[9-11]以及消落帶植被的恢復(fù)與重建[12-15],少有消落帶分區(qū)研究。在國內(nèi),消落帶研究主要集中在三峽水庫,除整體上研究其生境變化外,不少學(xué)者根據(jù)消落帶的形成原因、地貌特征、人類影響方式以及開發(fā)利用時間,對消落帶進行更細致的分區(qū),從區(qū)域特征上探究生態(tài)變化內(nèi)在機制[16-20]。已有的消落帶分區(qū)研究大多以空間定性為主,忽略了消落帶形成過程中水位反復(fù)消漲對土地出露時間長短的影響,不能反映出消落帶在時空序列上的形成過程。而水位變化是影響湖泊水庫生態(tài)系統(tǒng)的重要因素,對淺湖(庫)生態(tài)系統(tǒng)的影響尤為突出。因此,本文以1979—2013年長時間序列的Landsat MSS/TM/ETM+/OLI影像為數(shù)據(jù)源,逐年提取官廳水庫水體邊界,確定消落帶范圍。分析35年來官廳水庫消落帶的演變過程,并結(jié)合同期水位及水域面積數(shù)據(jù),采用射線法分析統(tǒng)計和疊置分析法對官廳水庫消落帶進行淹水次數(shù)和淹水年數(shù)分區(qū),揭示官廳水庫消落帶生態(tài)結(jié)構(gòu)的形成過程。

1 研究區(qū)概況

官廳水庫是海河流域五大支流之一永定河上的第一座大型水庫,曾經(jīng)是北京市的主要供水水源之一,流域面積達4.7×105km2。水庫地理位置為112°8.3′—116°20.6′E,38°51′—41°14.2′N,位于軍都山和海陀山兩列山脈之間(圖1)。全區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,夏季短暫,冬季漫長,全年多風(fēng)少雨,氣候干燥,降雨主要集中在7—9月[21]。研究區(qū)內(nèi)濕地植被資源豐富,按對水分梯度的響應(yīng)程度在空間上成帶狀分布,根據(jù)水分由多到少的環(huán)境梯度,依次分布沉水植物類型,如狐尾藻(MyriophyllumspicatumL.)、菹草(PotamogetoncrispusL.)；浮葉植物類型,如浮萍(LemnaminorL.)、兩棲蓼(PolygonumamphibiumL.)；挺水植物類型,如蘆葦(PhragmitesaustralisTrin. ex Steud)、香蒲(TyphaangustifoliaL.)；濕生植物類型,如酸模葉蓼(PolygonumlapathifoliumL.)、三葉鬼針草(BidenspilosaL.)和球穗莎草(CyperusglomeratusL.)、中生植物類型,如紫苜蓿(MedicagosativaL.)、牛鞭草(HemathriaaltissimaStapf et C.E.Hubb.)、小葉楊(PopulussimoniiCarr.)和鹽生植物類型,如紅皮柳(SalixpurpureaL.)、豬毛菜(SalsolacollinaPall.)。同時,官廳水庫消落帶還分布有種類多,數(shù)量大的各種蠕蟲、軟體動物、昆蟲、甲殼動物、兩棲動物、爬行動物和小型哺乳動物,豐富的植物資源和多樣的動物資源使得官廳水庫消落帶具有極其重要的生物多樣性保護價值[22]。

圖1 研究區(qū)的地理位置Fig.1 Location map of study area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)選取與預(yù)處理

研究選取1979—2013年長時間序列的中等分辨率Landsat MSS/TM/ETM+/OLI影像作為數(shù)據(jù)源對官廳水庫水體邊界進行提取。分析1979—2013年官廳水庫月平均水位統(tǒng)計資料發(fā)現(xiàn)：1979—2013年,年均最低水位出現(xiàn)在2007年,為470.32m,年均最高水位為477.23m(1979年)。因此,在滿足影像數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下,結(jié)合官廳水庫歷史水位數(shù)據(jù),在豐水年選擇豐水月影像,與此同時,在枯水年選擇枯水月影像,以保證消落帶的范圍。最終共選取35幅云量低于10%,清晰度較高的影像。技術(shù)路線主要分為兩個部分：ENVI環(huán)境下官廳水庫水體邊界提取及消落帶范圍的確定和ArcGIS環(huán)境下官廳水庫消落帶分區(qū)。

研究中需要從長時間序列上研究官廳水庫消落帶的演變規(guī)律,要求各景影像中消落帶的空間位置保持一致,因此需要對選取的影像進行幾何校正,消除由各種因素造成的影像幾何畸變。研究中采用二次多項式和雙線性內(nèi)插法對所有影像進行幾何校正,經(jīng)選點檢測最終將誤差控制在0.5個像元之內(nèi)[23]。為保證水體邊界的提取精度,利用ENVI中的FLAASH大氣校正模塊對各景影像進行大氣校正,消除因傳感器自身因素、大氣條件、太陽位置和角度等引起的傳感器測量值與目標(biāo)真實光譜反射率或輻射亮度值等物理量之間的差異[24]。

2.2 水體邊界提取

通過單波段閾值法、多波段譜間分析法和水體指數(shù)法提取官廳水庫水體邊界[25]。由于TM影像的中紅外波段(第五波段),入射能量幾乎被水體全部吸收,因此利用該波段制定出的閾值能很好地顯示出水體邊界,而不受水體中浮水植物和少量挺水植物的影響,便于濕地水體邊界的提取,水體邊界閾值的確定很大程度上決定了水體邊界提取的質(zhì)量。水體指數(shù)則是通過若干波段的不同組合增大反差,從而提取水體邊界,對于水體中植被少且水體邊界明確的影像,利用該方法能夠增大水體與陸地的差異從而確定水體范圍的閾值提取水體,相比于單波段閾值法更快捷方便。常用的水體指數(shù)有歸一化水體指數(shù)、改進的歸一化水體指數(shù)和增強型水體指數(shù)。

2.3 水庫消落帶分區(qū)方法

2.3.1 射線法

圖2 射線法分析統(tǒng)計Fig.2 Transect sample analysis

判斷點與多邊形的位置關(guān)系時,常會用到一種數(shù)形結(jié)合法——射線法,射線法的原理是通過給定點作任意方向的一條射線(通常使用水平或垂直射線), 求得射線與多邊形邊界的交點個數(shù), 根據(jù)交點的奇偶性來判斷點與多邊形的關(guān)系[26]。在1979—2013年官廳水庫水位值的變化折線的基礎(chǔ)上,利用射線法,以水位值所在點為射點,分別向兩端作平行于X軸的射線,相鄰的兩條射線作為一個射線組,根據(jù)兩射線與水位變化折線交點所形成的線段數(shù)來統(tǒng)計相鄰水位差形成的消落帶的淹水次數(shù)。以相鄰水位值473.46m(2002年)和473.20m(1989年)作兩條平行于X軸的射線(圖2),在Y=473.46 m和Y=473.20 m兩條射線之間共截出7條小線段,因此,在1979—2013年時間序列中,水位值位于473.46m和473.20m之間的區(qū)域共經(jīng)歷了7次淹水。

2.3.2 疊置分區(qū)法

圖3 官廳水庫歷年水位與面積折線圖Fig.3 The characteristic of water level and water body area from 1979 to 2013 in Guanting Reservoir(1)1979—1996年的間歇漲落階段(2)1996—2007年的持續(xù)萎縮階段(3)2007—2013年的頻繁漲落階段

疊置分析法是地理信息系統(tǒng)中用來提取空間隱含信息的方法之一。文中主要用圖層擦除(Erase)、交集操作(Intersect)和圖層聯(lián)合(Union)3種疊置分析方法確定官廳水庫消落帶的有效緩沖區(qū)范圍。如圖3所示：將相鄰年份的兩景水域邊界圖層進行擦除,以第n+1年的水體矢量擦除第n年的水體矢量圖,得到在第n至n+1年中的漲水區(qū)域。交集操作(Intersect)是通過疊置分析求得所有圖層的交集部分,疊置結(jié)果綜合了原來多個圖層的所有屬性。對長時間序列(1979—2013年)的35景水體矢量圖層進行交集疊置,得到研究時間序列內(nèi)官廳水庫的永久淹水區(qū)。圖層聯(lián)合操作(Union)是聯(lián)合多個圖層的區(qū)域范圍,并保持疊加圖層的所有圖層要素,提取的35景水體矢量數(shù)據(jù)經(jīng)聯(lián)合操作得到1979—2013年官廳水庫的最大淹水區(qū)域。而水庫消落帶的有效緩沖區(qū)范圍即最廣淹水范圍與永久淹水范圍的差值。

3 結(jié)果與分析

3.1 水位變化下官廳水庫消落帶的消漲特征

提取1979—2013年官廳水庫水體邊界,計算時間序列內(nèi)庫區(qū)水體面積,結(jié)合其歷史月均水位統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：1979—2013年官廳水庫的水位落差達8.19m。最高水位值出現(xiàn)在1979年,相應(yīng)的水域面積最大；2007年的水位值最低,水域面積也隨之達到歷史最低,為60.45 km2。在此期間水位的大幅度波動導(dǎo)致水域面積的變化達80.20km2,由此產(chǎn)生的水庫消落帶的有效緩沖區(qū)范圍為118.31km2。

官廳水庫水域面積在研究時序間波動頻繁,整體上呈減少趨勢,與水位的波動趨勢大體相符。統(tǒng)計官廳水庫歷史水位數(shù)據(jù)及其水域面積數(shù)據(jù)的漲落周期及波動幅度發(fā)現(xiàn),官廳水庫的消落帶變化大體可以分為3個階段(圖3)：1979—1996年的間歇漲落階段、1996—2007年的持續(xù)萎縮階段和2007—2013年的頻繁漲落階段。研究過程中,將水位完成一次漲落過程視為一個漲落周期,而漲落周期內(nèi)最大水位與最小水位的差值為漲落周期的水位變幅,如圖4所示：1979—2013年官廳水庫的水位整體上呈現(xiàn)下降趨勢,從漲落周期時長來看,1979—1996年水庫水位變化頻繁,共出現(xiàn)了4次比較明顯的消漲周期,每個消漲周期約為4—5a,呈現(xiàn)水位大幅度下落后緩慢上漲趨勢,平均漲落在0.5m/a左右,水位漲落周期較穩(wěn)定。然而,自1996年開始,官廳水庫水域面積出現(xiàn)持續(xù)萎縮現(xiàn)象(圖5),水位落差達7.12m,占整個時序內(nèi)水位落差的87.36%,是1979—2013年間出現(xiàn)的最大一次持續(xù)落水現(xiàn)象,持續(xù)落水時間長達10a,且年間水位落差較大,平均降幅0.64m/a,水域面積從1996年的113.12km2銳減至36.84km2,減少了76.28km2,水位達到了歷史最低值。2007—2013年,水域面積在經(jīng)過大幅度衰減后有小幅回升趨勢,但回升的趨勢不穩(wěn)定。6年間共經(jīng)歷了3次消漲周期為2a的頻繁漲落,與1979—1996年相比,水位波動更為頻繁。從水位差來看,水庫水位差在1979—1996年變化幅度較大,且變化極不穩(wěn)定,而1996年后,水庫水位雖經(jīng)歷了大幅度的持續(xù)落水和小幅度的反復(fù)消漲時期,但水位差變化相對平穩(wěn),在0.75m左右。

圖4 官廳水庫水位消漲周期Fig.4 Water level fluctuation cycle in Guanting Reservoir

圖5 官廳水庫相鄰年份水位差Fig.5 Water level difference betweenadjacent years in Guanting Reservoir

3.2 官廳水庫消落帶的時空分布差異分析

1979—2013年官廳水庫水位經(jīng)過反復(fù)波動形成的消落帶達118.31 km2(圖6),主要分布在媯水河、永定河河口以及平坦的康西草原一帶。1979—2013年官廳水庫水位變化具有明顯的特征趨勢,表現(xiàn)為1979—1996年的間歇消漲段、1996—2007年的持續(xù)萎縮段和2007—2013年的頻繁消漲段。因此,通過疊加分析確定官廳水庫3個特征時期形成的消落帶空間范圍,其中間歇消漲期形成的消落帶面積為80.20km2(圖6),1996—2007年持續(xù)萎縮形成76.81 km2消落帶(圖6),以及2007—2013年水域面積有所回升后形成的19.89 km2消落帶(圖6)。

圖6 官廳水庫消落帶的有效范圍Fig.6 The effective buffer zone of Guanting Reservoir

從各時期形成的消落帶空間分布可以看出：消落帶在1979—2013年形成期間,受到峽谷地形的影響,官廳水庫狹長帶兩側(cè)和永定河河口西南岸帶分布極少。間歇消漲期形成的消落帶主要分布于永定河河口、康西草原及媯水河一帶。1979—2013年大量泥沙隨著河水注入水庫,高達90%的泥沙淤積在庫區(qū),其中55%淤積于永定河河口,阻斷了永定河與官廳水庫的來水通道,是永定河河口水域面積萎縮的主要原因[27]。降雨及水文統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示(圖7,圖8)：隨時間推移水庫所在區(qū)域的年降水量波動逐漸減弱,整體呈減少趨勢,10a平均值由467.35mm減少到394.48mm,降水量的減少和區(qū)域持續(xù)干旱造成了官廳水庫消落帶面積大幅度擴大。自官廳水庫建成以來,水庫入水量呈持續(xù)減少趨勢,建庫初期達到最高25.48億m3,2009年降至歷史最低,僅0.22億m3,年平均入水量以每年0.5億m3的速度迅速減少。2000年以后水庫的出水量逐漸大于水庫入水量,水庫蓄水量銳減是官廳水庫消落帶面積逐步擴大的另一主要因素。從消落帶形成的時間特征上可以看出：1979年入庫水量出現(xiàn)突變現(xiàn)象,入庫水量為14.97億m3,除1996年出現(xiàn)水位回升外,時間序列內(nèi)處于持續(xù)走低趨勢,導(dǎo)致位于永定河河口的消落帶自形成后一直處于出露狀態(tài)。持續(xù)萎縮期形成的消落帶主要是在間歇消漲區(qū)形成的消落帶基礎(chǔ)上,向媯水河庫區(qū)西北湖岸帶進一步萎縮。而2007—2013年頻繁漲落期形成的消落帶主要來自于水域面積的回升,水域面積回升主要集中在媯水河周邊及平坦庫區(qū)中心一帶,在永定河河口的回升現(xiàn)象并不明顯。

圖7 1955—2013年官廳水庫降雨量Fig.7 The rainfall of Guanting Reservoir during 1955—2013

圖8 1955—2013年官廳水庫的出(入)庫水量Fig.8 The outflow (inflow) water of Guanting Reservoir during 1955—2013

圖9 1979—1996年、1996—2007年和2007—2013年水庫消落帶質(zhì)心變化Fig.9 The centroid distribution and variation during 1979—1996, 1996—2007 and 2007—2013

官廳水庫消落帶分布的質(zhì)心變化能表現(xiàn)出其在空間上的消漲幅度及方向,若官廳水庫消落帶面積在空間各方位上均勻消漲,則其質(zhì)心基本不變；若在某一方向上消漲比較明顯,則其質(zhì)心會發(fā)生明顯偏移[28]。間歇消漲期(1979—1996年)到持續(xù)萎縮期(1996—2007年),官廳水庫消落帶的質(zhì)心向東北方向移動了0.203km,偏移方向為東偏北26.56°,表現(xiàn)出消落帶的萎縮程度在媯水河入口及康西草原一帶加劇。而持續(xù)萎縮期(1996—2007年)至頻繁漲落期(2007—2013年),其質(zhì)心向東南方向移動了1.462km,偏移方向為東偏南6.71°(圖9),反映出兩個時期形成的消落帶在各方位的消漲趨于均勻,但消漲幅度更為明顯。

3.3 官廳水庫消落帶分區(qū)及其生態(tài)結(jié)構(gòu)變化

結(jié)合1979—2013年官廳水庫時間序列的水位變化及其水域面積數(shù)據(jù),從水位的最大值依次向下將1979—2013年時間段內(nèi)形成的消落帶劃分為34組相鄰水位所在區(qū)域,即將形成的消落帶劃分為34個區(qū)塊,并通過射線法統(tǒng)計各區(qū)塊的淹水頻次及其累計淹水時長(表1)。

表1 各區(qū)域的淹水頻次與淹水年數(shù)

表中的1號射線組表示最高水位值477.96m(1979年)和476.93m(1980年)之間的消落帶區(qū)域,并依次類推。淹水累計時長的分區(qū)結(jié)果顯示：整體上表現(xiàn)為淹水累計時長隨邊岸向庫區(qū)中心逐漸遞增的趨勢,與自然水位的消漲呈現(xiàn)一致性。結(jié)合官廳水庫野外濕地植物分布調(diào)查及區(qū)域地形可以看出：1979—2013年25.85%的消落帶淹水時長不足5a,且在消落帶中所占比例最大,位于永定河河口,主要由1979—1980年大幅度落水形成。長時間的出露狀態(tài)嚴(yán)重影響著區(qū)域植被組成結(jié)構(gòu)變化,持續(xù)的干旱條件導(dǎo)致土壤濕度降低,使得該區(qū)域植被旱化明顯。淹水時長不足5a的消落帶植被組成以中生植物和農(nóng)作物為主,取代了原有對土壤水分要求較高的濕生植物和挺水植物,大大降低了消落帶對生態(tài)調(diào)節(jié)的功能價值。研究時間序列中僅有6.02km2的消落帶經(jīng)歷的淹水時長為6—10a,在整個分區(qū)中所占比重最小,而淹水時長介于16—20 a的區(qū)域面積僅次于淹水時長為5年的消落帶,占比達25.67%。在16—20 a的淹水時長里,消落帶均經(jīng)歷了大于5次的反復(fù)淹水過程,屬于頻繁淹水區(qū)域。頻繁的淹水過程,一定程度上保證了土壤中的水分和有機物,中生植物如紫苜蓿(MedicagosativaL.)、牛鞭草(HemathriaaltissimaStapf et C. E. Hubb.)、小葉楊(PopulussimoniiCarr.)構(gòu)成了該區(qū)域的主要植被群落。35a的研究期間淹水時長達20a以上的消落帶保持著良好的濕地特征,該區(qū)域受到季節(jié)性水體交替淹沒,土壤水分高,扁稈藨草(ScirpusplaniculmisFr.Schmidt)和球穗莎草(CyperusglomeratusL.)是該區(qū)域的主要植物群落。受淹水時長的影響,消落帶生長的植被主要呈帶狀分布,由此可見,消落帶的淹水時長很大程度上影響了濕地植物的組成結(jié)構(gòu),決定了濕地植物的演變方向,隨著淹水時長的減少,水生及濕生植物逐漸被旱生植物和中生植物取代,同時受到土壤水分的影響,群落的蓋度和多樣性都有所降低(圖10)。

圖10 基于淹水時長的消落帶分區(qū)Fig.10 Subzone in water-level-fluctuation zone based on flooding duration

淹水累計時長隨邊岸向庫區(qū)中心呈階梯上升趨勢,而淹水頻次的分區(qū)結(jié)果在空間分布上規(guī)律性較弱。淹水頻次分區(qū)結(jié)果的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：從面積占比來看,一次淹水區(qū)面積為32.79km2,在消落帶中所占比例優(yōu)勢明顯,為27.72%,其次,經(jīng)歷6次反復(fù)淹水的消落帶面積僅2.76km2,占2.33%,其他淹水頻次面積所占比例相對均衡,淹水最為頻繁的消落帶共經(jīng)歷了9次淹水過程,形成消落帶面積約為7.11km2?？臻g格局分布上,以1996—2007年持續(xù)萎縮形成的消落帶為分界線,基于淹水頻次將官廳水庫消落帶分為兩個主要變化區(qū)間。其中,僅被淹水一次的區(qū)域在空間上呈不連續(xù)特征,其水位值分別為473.11—476.99m和470.54—471.57m,累計淹水時長差異明顯,分別為2 a和26 a(圖11)。頻繁的淹水除了對植被組成有所影響外,更多是對土壤中有機質(zhì)及N、P含量的影響。對消落帶區(qū)域進行分時段的采樣,測得各區(qū)域N、P和有機物的年平均值,數(shù)據(jù)顯示淹水頻繁區(qū)的有機質(zhì)平均含量為15.71g/kg,而間歇淹水區(qū)的有機質(zhì)含量為10.12g/kg,頻繁淹水區(qū)的有機質(zhì)含量明顯高于間歇淹水區(qū)的有機質(zhì)含量,達5.59g/kg。主要原因是頻繁淹水保證了土壤水分,同時對土壤的反復(fù)沖刷也有利于氮(N)、磷(P)的沉積,促進區(qū)域內(nèi)植被的生長,而植物衰敗后轉(zhuǎn)化的有機物含量就越多,形成一個良性循環(huán)。相反,間歇淹水區(qū)的淹水過程相對單一,長期出露區(qū)鹽澤化嚴(yán)重,植被稀少；而長期淹水區(qū)域植被多樣性較弱,都不利于區(qū)域土壤有機質(zhì)含量的積累。

圖11 基于淹水頻次的消落帶分區(qū)Fig.11 Subzone in water-level-fluctuation zone based on flooding frequency

4 結(jié)論與討論

長時間序列(1979—2013年)水位變化下的消落帶形成是一個復(fù)雜的演變過程。通過分析官廳水庫的消漲特征,采用數(shù)形結(jié)合的射線法和ArcGIS空間分析的疊加法,有效確定了水位變化下官廳水庫消落帶的范圍,分析了時間序列下官廳水庫不同時期消落帶的時空分布差異及其演變趨勢,并對水庫消落帶進行淹水頻次和淹水時長的定量分區(qū),分析不同消落帶的生態(tài)結(jié)構(gòu)形成過程。得出以下結(jié)論：

(1)1979—2013年官廳水庫水位在1979年達到最高,2007年水位降至最低,下落8.19m。水庫消落帶的消漲表現(xiàn)為3個明顯的時段：1979—1996年的間歇淹水期、1996—2007年的持續(xù)萎縮期和2007—2013年的頻繁淹水期。間歇消漲期的一個消漲周期約為4—5a,平均漲落在0.5m/a左右。1996—2007年水位,落差最大,達7.12m；水位平均降幅0.64m/a。2007—2013年官廳水庫水位呈小幅回升趨勢,漲落周期為2a,且年間漲落差穩(wěn)定在0.75m。

(2)1979—2013年官廳水庫周邊形成了118.31 km2的消落帶。間歇消漲期形成的消落帶面積為80.20km2,1996—2007年官廳水庫持續(xù)萎縮形成76.81 km2的消落帶,同時包括由于頻繁淹水期水域面積回升形成的19.89 km2消落帶。不同時期形成的消落帶在空間分布上呈現(xiàn)不均勻的消漲,間歇消漲期(1979—1996年)形成的消落帶主要分布在永定河河口及平坦的康西草原一帶,到持續(xù)萎縮期(1996—2007年),除媯水河段外,官廳水庫消落帶主要呈現(xiàn)向西北庫岸帶明顯擴展的趨勢；而從持續(xù)萎縮期(1996—2007年)至頻繁漲落期(2007—2013年)形成的消落帶面積小,且主要以庫區(qū)中心水位回升的消落帶為主。

(3)官廳水庫的消落帶淹水時長隨邊岸向庫區(qū)中心呈階梯式遞增,與自然水位消漲導(dǎo)致的淹水時長一致。1979—2013年25.85%的消落帶淹水時長不足5 a,長時間的干旱及土壤濕度降低,植物旱化現(xiàn)象明顯。從整體上看,35 a來,71.77%的消落帶經(jīng)歷了大于16 a的淹水時長,使得官廳水庫消落帶保持著良好的濕地特征,濕生植物和水生植物分布較多,以蘆葦(phragmitesaustralisTrin. ex Steud.)、香蒲(TyphaangustifoliaL.)群落為主,發(fā)揮著濕地對生物多樣性保護的重要作用。隨淹水時長的減少,植物組成中旱生植物和中生植物逐漸增多,同時群落蓋度和多樣性都有所降低,消落帶生長的植被主要呈帶狀分布?；谘退l次的分區(qū)結(jié)果顯示,相同淹水頻次的區(qū)域在空間分布上呈現(xiàn)出不連續(xù)狀,同時,淹水頻繁區(qū)的有機質(zhì)含量比間歇淹水區(qū)有機質(zhì)含量高5.59 g/kg,表明,淹水頻次越高越有利于土壤有機質(zhì)的積淀。

(4)消落帶分區(qū)是進一步研究消落帶內(nèi)植被時空演替、土壤物理性質(zhì)變化以及土壤有機質(zhì)變遷的基礎(chǔ),本文從多變的水位變化趨勢中分析消落帶的形成過程,在確定消落帶范圍的基礎(chǔ)上對消落帶進行合理分區(qū)是本文的研究重點。但本文僅從定性的角度分析了消落帶生態(tài)結(jié)構(gòu)的形成及其生態(tài)功能演化機制,未來的研究可以從微觀入手,結(jié)合生境變化的某一參數(shù),如植被覆蓋度、土壤種子庫和土壤有機物、N、P含量,在消落帶分區(qū)的基礎(chǔ)上定量分析其內(nèi)在作用機制,揭示更加細致的生態(tài)結(jié)構(gòu)形成過程。

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Analysisoffluctuationcharacteristicsandsubzoneinhydro-fluctuationbeltintheGuantingReservoirduring1979—2013

GONG Zhaoning1,2, CHEN Yuzhu1,2,*, ZHAO Wenhui3

1KeyLaboratoryof3-DimensionalInformationAcquisitionandApplication，MinistryofEducation,Beijing100048,China2KeyLaboratoryofResourceEnvironmentandGeographicInformationSystemofBeijingMunicipal,Beijing100048,China3BeijingMunicipalEnvironmentalMonitoringCenter,Beijing100048,China

國家國際科技合作專項(2014DFA21620)

2016- 05- 19; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 03- 25

*通訊作者Corresponding author.E-mail: cyzqita@sina.com

10.5846/stxb201605190968

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