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.中國地質大學（武漢），武漢 430074；4.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，武漢 430071）

0 引 言

河湖水位波動是湖泊生態系統結構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定乃至河湖生態平衡的關鍵因子[1]。近年來，全球變化以及人類活動等導致湖泊水位波動節律異常變化，持續高水位或反季水位波動異常都會導致湖泊生態系統退化與失穩[2]。

相關研究表明，湖泊現存的植被類型是對水位長期變動適應的結果[3]，因此不正常的水位變異將有可能產生負面影響[4]。湖泊長期的高水位，會抑制濕生及水生植物萌發生長[5]。如早春時節，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，幼苗因被淹沒難以獲得足夠的光照生長受到抑制，最終導致湖岸植被格局發生重大改變[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，會導致湖泊水生植物瘋長，這不僅會對湖泊水質產生影響，還會影響水下其他生物的生長繁殖，導致湖泊生態系統的退化[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區。近年來隨著流域經濟的迅速發展和城鎮化進程加快，梁子湖多年水位動態以及濕地退化存在較大風險[6,7]。尤其在1980-2000年間，經濟發展及工程建設高速發展，圍墾造田、過度開發等行為導致湖泊面積與水位動態明顯。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），坐標東經114°31′19″～114°42′52″、北緯30°4′55″～30°20′26″之間，是長江中游地區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 研究區地理位置圖Fig.1 Location of the studied area

梁子湖流域屬亞熱帶季風氣候區，區域年平均氣溫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。

區內主要的植被類型為水生植被和濕生植被。初步統計，梁子湖高等植物有331 種（含變種），全湖沉水植物占絕對優勢，覆蓋面積達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1981-2000年梁子湖水文站湖水位日動態數據、降水數據等水文資料，通過對水位數據的統計分析，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行湖區及湖濱帶植被覆蓋度遙感解譯。遙感影像數據源主要采用Landsat 系列遙感影像數據（表1），影像空間分辨率為30 m。

表1 Landsat影像數據Tab.1 Landsat image data

本文采用ENVI 中的輻射定標及FLAASH 大氣校正功能對6期遙感影像進行了輻射校正。目前使用較多的植被指數轉化法是Gutman 提出的根據歸一化植被指數(NDVI)來計算植被覆蓋度的方法[8]，根據像元二分模型，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，取值-1～1；NDVImax和NDVImin分別為區域內最大和最小的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 結果與討論

2.1 1981-2000年湖水位動態分析

2.1.1 水位分析

1981-2000年期間，梁子湖最高水位為20.35 m，出現在1983年；多年最低水位為16.13 m，出現在2000年；1984年、1990年、1991年、1996年、1998年及1999年均出現多峰高水位（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。結合降水量分析，水位變化與降水豐枯規律具有較強的相關關系，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據劃分為若干水位區間，根據水位區間頻率分布圖（圖4）可見，17.00 m 以下的低水位出現概率接近20%（19.71%），20.00 m以上的高水位出現概率接近12%（11.72%），總體來看，水位在17.00～18.50 m區間內的出現概率較高，達48.99%。

圖4 1981-2000年水位在不同區間的分布頻率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）確定統計參數和各頻率設計值，使其作為劃分水位豐、平、枯徑流系列的標準，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年均水位頻率統計圖Fig.5 Statistical chart of annual average water level frequency from 1981 to 2000

豐水年出現次數占總系列的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，認為該系列代表性較好，劃分妥當且能反映客觀規律。

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 植被覆蓋度動態分析

通過植被覆蓋度的分析顯示（圖6和表3），研究區1983、1992 與2000年同一個水文年內，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，植被生長季結束，此時為植被長勢最好，覆蓋度最高的時期，8月到達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域面積迅速降低。

圖6 研究區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現，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區域面積表現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；又可以保障淺水區充足的陽光，有利于植物春季的萌發和幼苗的生長。

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，而對應的植被覆蓋度大于60%的Ⅳ、Ⅴ區域面積在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 區域面積表現出相反的趨勢：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，研究區豐水期植被覆蓋度與水位呈負相關關系，2000年的低水位對應高植被覆蓋度；1983年的高水位對應低植被覆蓋度。

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，導致梁子湖湖水位在2000年出現異常波動，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）出現瘋長的現象，一些沉水植物一旦到達水面，生物量更會急劇增加[9]，不僅影響水質，還影響水下其他生物的生長繁殖，引發水體生態失衡的現象，導致生態系統退化[5,10]。

濕生及水生植物群落是河湖生態系統的重要初級生產者。無論是河湖濱岸帶挺水植物，還是敞水區沉水植物，都是長期適應自然河湖水環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，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]。這樣的自然節律更有利于長期維持水生生態系統的平衡。由此可見，恢復與維持河湖自然波動節律是促進河湖生態保護與修復的關鍵環節。

3 結 語

梁子湖水位自然波動遵循春季低水位、夏季高水位的節律，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相關關系，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系統各生態因子長期演替與適應的結果，保護與維持河湖水位自然波動的節律是河湖生態系統保護的關鍵。