黃河下游寬灘區(qū)荒草濕地生境分布與時(shí)空變化研究

孫煜航　杜鵬舉　程舒鵬等

關(guān)鍵詞：濕地生境;時(shí)空變化;影響因素;濕地分布;黃河下游

中圖分類號(hào)：TV882.1;TV853 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.017

引用格式：孫煜航，杜鵬舉，程舒鵬，等.黃河下游寬灘區(qū)荒草濕地生境分布與時(shí)空變化研究[J].人民黃河，2022，44（3）：85-90.

黃河下游沿黃濕地主要分布于寬灘區(qū)，是河南、山東兩省重要的生態(tài)環(huán)境資源。新中國(guó)成立以來(lái)，黃河中上游修建多座水庫(kù)以調(diào)控黃河下游水沙活動(dòng)，1999年小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用，有力地調(diào)節(jié)了黃河下游來(lái)水來(lái)沙量，使得黃河下游發(fā)生特大洪水漫灘事件的概率減小，但沿黃地區(qū)生態(tài)環(huán)境也受到了影響。近年來(lái)已有學(xué)者針對(duì)黃河下游灘區(qū)面臨的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，以濕地資源為切入點(diǎn)，分析濕地資源的時(shí)空變化[1-6]、濕地生態(tài)環(huán)境的影響因素等[7-9]，并提出了下游灘區(qū)的生態(tài)治理模式[10-12]，但從濕地的多樣性角度，針對(duì)灘區(qū)內(nèi)濕地生境的分布和變化的研究較少。筆者以黃河下游寬灘區(qū)濕地生境為切入點(diǎn)，研究近年來(lái)黃河下游濕地生境的時(shí)空變化，分析近年來(lái)變化顯著的濕地生境類型，并結(jié)合生態(tài)水文因子及社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)分析使荒草濕地生境變化顯著的因素，以期為黃河下游濕地保護(hù)提供參考。

1研究區(qū)概況

1.1自然地理概況

黃河下游灘區(qū)具有行洪、滯洪、沉沙等功能，是近190萬(wàn)灘區(qū)居民的生產(chǎn)生活空間[13]。為揭示黃河下游濕地生境時(shí)空變化規(guī)律，選取黃河下游濕地分布較為集中、面積相對(duì)較大的寬河段（花園口—陶城鋪段）作為研究河段進(jìn)行研究，研究區(qū)總面積為2744.48km。該河段涉及黃河游蕩河段、過(guò)渡河段，可以相對(duì)完整地展現(xiàn)黃河下游濕地生境狀況。

研究區(qū)地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明、氣候溫和。降水較為集中，6—9月降水量占全年降水量的60%以上。土壤主要有褐土、潮土、鹽堿土、風(fēng)沙土等。黃河灘地地下水位與黃河河道水位基本持平，埋深1.5～2.5m。

在植被分布方面，黃河下游沿黃區(qū)域尤其是灘區(qū)，受洪水漫灘事件及人類活動(dòng)影響，不存在自然演替形成的喬木林地，僅見(jiàn)一定量的天然檉柳灌木林地。受水沙活動(dòng)影響，臨近主河道的嫩灘、河間灘幾乎無(wú)植被覆蓋，靠近河道區(qū)域間斷分布有蘆葦、檉柳等植被群落。

1.2濕地生境概況

濕地生境是在水文、地形、地貌等自然因素以及人類活動(dòng)干擾共同作用下，濕地及棲息于濕地的動(dòng)植物、微生物等組成的統(tǒng)一整體[14]。黃河下游寬灘區(qū)主要由黃河徑流滋養(yǎng)的河流濕地生境和非河流濕地生境組成。河流濕地生境主要由黃河河道和河道內(nèi)的生物等共同組成;非河流濕地生境可以分為灘涂濕地生境和荒草濕地生境，其中荒草濕地生境可為大鴇、灰鶴等鳥類提供棲息場(chǎng)所，在生物多樣性保護(hù)等方面發(fā)揮著重要作用。

黃河下游寬灘區(qū)灘涂濕地位于黃河主河槽兩側(cè)，臨近黃河主河道，主要有河間灘、嫩灘等，灘涂濕地幾乎無(wú)植被覆蓋。黃河下游灘區(qū)荒草濕地生境指分布于河道兩側(cè)臨近灘地及灘地上的荒草等生物組成的生境。受不同周期河水淹覆影響，荒草濕地內(nèi)植被具有空間分異性，垂直黃河河道方向各區(qū)域?yàn)┑卮篌w依次分布有莎草型濕地植被、禾草型濕地植被、鹽生灌叢濕地植被及雜草類濕地植被等，見(jiàn)圖1。受河道變動(dòng)及灘地覆水頻率不同等影響，濕地植被并非線性平行于河道分布，露水時(shí)間短的灘地植被主要有檉柳或蘆葦?shù)扔酌纾端畷r(shí)間較長(zhǎng)的灘地植被基本為鹽生灌叢等。

灘區(qū)群眾為擴(kuò)大生產(chǎn)，大量開(kāi)墾灘區(qū)內(nèi)的荒草濕地，直接影響灘區(qū)濕地生境的數(shù)量和演替。生產(chǎn)堤、挖沙場(chǎng)的建設(shè)等也使?jié)竦厣车钠扑槎忍岣?。黃河下游灘地產(chǎn)權(quán)、使用權(quán)等劃分復(fù)雜冗亂，無(wú)明確權(quán)屬結(jié)構(gòu)[15]，造成黃河灘地利益相關(guān)方搶占、利用灘地，削弱了黃河下游寬灘區(qū)濕地生境保護(hù)的有效性，威脅灘區(qū)內(nèi)荒草濕地生境安全。

2數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

研究資料包括黃河下游各水文監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)，灘區(qū)范圍內(nèi)Landsat系列衛(wèi)星遙感影像，灘區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)和野外實(shí)地調(diào)研采樣獲取的灘區(qū)濕地分布數(shù)據(jù)等。收集到的水文數(shù)據(jù)主要為2002年以來(lái)黃河水資源年報(bào)、黃河泥沙公報(bào)及黃河下游各水文斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，來(lái)源于黃河水利委員會(huì)（www.yrcc.gov.cn）及國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心地理資源分中心（gre.geodata.cn）。灘區(qū)范圍內(nèi)Landsat系列衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘探局（earthexplorer.usgs.gov），主要收集2015—2020年覆蓋黃河下游灘區(qū)的遙感影像，其空間分辨率為30m。2000年和2015年灘區(qū)土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（www.resdc.cn），該數(shù)據(jù)為柵格數(shù)據(jù)（空間分辨率為30m），包括耕地、草地等6個(gè)一級(jí)土地利用類型的25個(gè)二級(jí)土地利用類型。通過(guò)建立Landsat系列數(shù)據(jù)土地利用/覆蓋目視解譯結(jié)果、實(shí)地調(diào)研獲取的濕地分布數(shù)據(jù)和谷歌地球真彩色圖像中濕地等數(shù)據(jù)間的聯(lián)系，對(duì)土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類合并。參考Liang等[16]的黃河下游濕地分類結(jié)果，結(jié)合灘區(qū)濕地水文特征與生境特點(diǎn)，對(duì)黃河下游寬灘區(qū)濕地生境特征及對(duì)應(yīng)土地利用類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。

2.2研究方法

將黃河下游寬灘區(qū)河段分為花園口—夾河灘、夾河灘—高村、高村—孫口、孫口—陶城鋪（分別簡(jiǎn)稱花夾段、夾高段、高孫段、孫陶段）4個(gè)河段，分河段統(tǒng)計(jì)濕地生境變化，同時(shí)基于野外濕地調(diào)查和衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，分析垂直于黃河河道方向上濕地生境變化。

基于衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，采用改進(jìn)歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）提取現(xiàn)狀水文條件下2015—2020年研究區(qū)逐月水面空間分布，間接識(shí)別灘區(qū)荒草濕地生境分布。改進(jìn)歸一化差異水體指數(shù)計(jì)算方法：

MNDWI=（Green-MIR）/（Green+MIR） （1）

式中：Green為綠光波段反射率;MIR為中紅外波段反射率。

通過(guò)識(shí)別黃河上游來(lái)水水文節(jié)律變化等，研究水文情勢(shì)對(duì)荒草濕地生境的影響，此外結(jié)合衛(wèi)星遙感影像解譯及實(shí)地考察等分析人類活動(dòng)對(duì)荒草濕地生境的影響。

3結(jié)果與討論

3.1黃河下游寬灘區(qū)荒草濕地生境時(shí)空變化

統(tǒng)計(jì)2000年和2015年黃河下游寬灘區(qū)濕地生境面積，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，荒草濕地生境時(shí)空變化最為顯著。整體上，2000—2015年，黃河下游寬灘區(qū)濕地生境面積略有增加，從363.96km增加到409.86km;荒草濕地生境面積呈減少趨勢(shì)，從2000年的49.31km減少到2015年的26.27km。從圖2可以看出，荒草濕地生境存在向下游遷移的趨勢(shì)，即在2015年基本分布于夾河灘斷面以下河段。河流濕地生境面積從2000年的194.02km增加到2015年的251.76km，灘涂濕地生境面積從120.63km增加到2015年的131.79km。

統(tǒng)計(jì)各河段濕地生境面積，見(jiàn)表2，可以看出，荒草濕地生境面積變化在各河段內(nèi)略有不同，花夾段及夾高段荒草濕地生境面積呈減少趨勢(shì);高孫段荒草濕地生境面積基本沒(méi)有變化，荒草濕地生境面積占該河段灘區(qū)總面積的3%左右;河流濕地生境及灘涂濕地生境面積在各河段呈增加趨勢(shì)。因此，選取黃河下游寬灘區(qū)變化比較顯著的荒草濕地生境，分析其空間分布特征及其分布變化影響因素。

3.2 荒草濕地生境空間分布特征

近年來(lái)黃河下游寬灘區(qū)荒草濕地生境時(shí)空變化明顯，分析其空間分布特征有助于荒草濕地生境的保護(hù)。生境包含生物及非生物要素，以灘區(qū)荒草濕地生境的主要非生物要素即黃河灘地為切入點(diǎn)，通過(guò)識(shí)別潛在分布荒草植被的灘地類型，進(jìn)而得到荒草濕地生境的范圍?；牟轁竦厣骋蛩?，是黃河下游灘地被水淹覆的衍生物，受調(diào)水調(diào)沙影響較大。

（1）分布荒草濕地生境的灘地類型。利用改進(jìn)歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）提取黃河河道不同水位、流量下的水面分布邊界，統(tǒng)計(jì)受不同頻率河水淹覆的灘地范圍，得到荒草濕地生境的空間分布。統(tǒng)計(jì)黃河下游近5a各月河道淹沒(méi)范圍，根據(jù)黃河下游近5a的水文節(jié)律以及相關(guān)水面斑塊面積的綜合排序，按照豐水期、枯水期、平水期對(duì)黃河下游各月的河道淹覆范圍進(jìn)行歸類。豐水期黃河下游河道淹沒(méi)范圍：黃河下游河道的徑流集中于6月至8月，考慮河道淹沒(méi)退水時(shí)間，將6月至9月黃河下游河道的淹沒(méi)范圍合并為豐水期河道淹沒(méi)范圍，該區(qū)域?qū)?yīng)大洪水脈沖影響下的區(qū)域?？菟邳S河下游河道淹沒(méi)范圍：將1月和12月河道淹沒(méi)范圍作為枯水期河道淹沒(méi)范圍。平水期黃河下游河道淹沒(méi)范圍：現(xiàn)行水文條件下，洪水脈沖峰值相對(duì)較小，河道淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水深稍遜于最大洪水脈沖的區(qū)域均可歸類合并為平水期濕地生境淹沒(méi)范圍，將2月至5月、10月、11月河道淹沒(méi)范圍歸類合并為平水期河道淹沒(méi)范圍。

目前黃河下游灘區(qū)有關(guān)“嫩灘”“二灘”“老灘”的劃分[17]已不符合黃河下游各灘地遭受水沙活動(dòng)影響的基本規(guī)律，因此結(jié)合相關(guān)水文節(jié)律將分布荒草濕地生境的灘地歸類為次生灘、中生灘、高級(jí)灘，見(jiàn)圖3、表3。

次生灘主要分布在平水期淹覆區(qū)域，該區(qū)域荒草濕地生境植被大都處于次生演替初級(jí)階段，受河道水位變化影響，會(huì)遭受一定程度洪水淹沒(méi)。主要分布有檉柳科、莎草科、禾本科等幼苗。在現(xiàn)行水文節(jié)律條件下，對(duì)應(yīng)洪水脈沖峰值約為0.5m，脈沖持續(xù)時(shí)長(zhǎng)60d以上。由于洪水脈沖相關(guān)數(shù)值超過(guò)了蘆葦及檉柳群落的生態(tài)水文因子極限值[18]，因此該區(qū)域僅分布有少量蘆葦和檉柳。

中生灘基本分布在6月至9月豐水期淹覆區(qū)域，中生灘濕地生境植被大都處于次生演替中級(jí)階段，植被群落組成相對(duì)穩(wěn)定，以禾本科植被群落或檉柳科植被群落為主。大約每年上水1次，洪水歷時(shí)2個(gè)月左右，洪水脈沖峰值在2m以上。植被群落處于禾本科植被群落和檉柳科植被群落的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)，通常禾本科植被群落占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)。

高級(jí)灘主要分布在近5～10a覆水1次的區(qū)域，該區(qū)域荒草濕地生境植被基本處于次生演替中級(jí)至高級(jí)階段。由于近幾年該區(qū)域鮮有上水，因此其植被已經(jīng)基本演替為以檉柳為主的灌木，存在向高大喬木演替的可能。

（2）荒草濕地生境分布?，F(xiàn)行水文條件下分布荒草濕地生境的灘地見(jiàn)圖4、表4，分布荒草濕地生境的灘地總面積247.41km，占沿黃寬灘區(qū)總面積的9.01%。分布荒草濕地生境的灘地類型主要為高級(jí)灘，次生灘及中生灘相對(duì)較少。中生灘僅在花園口至夾河灘河段分布相對(duì)較多，植被大多處于演替的中級(jí)階段，多為蘆葦草甸。夾河灘斷面以下河段分布的高級(jí)灘相對(duì)較多，植被多處于演替的高級(jí)階段。

在黃河下游河道防洪優(yōu)先的背景下，結(jié)合下游灘區(qū)不同洪水情景下的漫灘淹沒(méi)情況，綜合給出黃河下游寬灘區(qū)荒草濕地生境的具體分布。參考《鄭州黃河省級(jí)自然保護(hù)區(qū)總體規(guī)劃》，部分區(qū)域已經(jīng)20多a未漫灘上水，基本沒(méi)有自然形成的濕地生境。因此，按照20a一遇及其以下量級(jí)洪水的漫灘風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果[19]，將20a一遇洪水淹沒(méi)范圍作為黃河下游灘區(qū)荒草濕地生境最大分布范圍，見(jiàn)圖5?；▓@口—夾河灘段洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)極低，洪水漫灘形成濕地生境的可能性較小。夾河灘以下河段遭受洪水漫灘的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，而洪水漫灘有利于形成荒草濕地生境，可能逐步演替為以檉柳為主，處于演替高級(jí)階段的植被群落。

3.3荒草濕地生境時(shí)空變化影響因素分析

3.3.1水沙活動(dòng)對(duì)荒草濕地生境的影響

（1）上游來(lái)水量和水文節(jié)律對(duì)濕地生境的影響。根據(jù)黃河下游各水文監(jiān)測(cè)斷面年、月徑流量變化特征，小浪底水庫(kù)運(yùn)行以來(lái)，黃河下游來(lái)水量呈增大趨勢(shì)，一定程度上使得河流濕地及灘涂濕地生境面積增大。但相較于調(diào)水調(diào)沙前水文節(jié)律的均衡穩(wěn)定，調(diào)水調(diào)沙后的徑流量在年內(nèi)各月分配極不均勻，月徑流量驟變，不利于荒草濕地生境植被群落的穩(wěn)定演替。

（2）洪水脈沖對(duì)荒草濕地生境的影響。由低水位上升至高水位再降回低水位的過(guò)程稱為一個(gè)洪水脈沖[20]，洪水脈沖可以精確描述水文情勢(shì)變化的程度。由于未能獲取與遙感解譯結(jié)果相匹配年份的水文數(shù)據(jù)，因此對(duì)收集到的2002年黃河下游河段水文監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行概化處理，以近似獲取相應(yīng)年份（2000年）的水文數(shù)據(jù)（2013年水文數(shù)據(jù)近似匹配2015年遙感解譯結(jié)果），進(jìn)而分析洪水脈沖對(duì)荒草濕地生境的影響。在2002年7月4—15日，以小浪底水庫(kù)為主，黃河下游開(kāi)展了第一次調(diào)水調(diào)沙，考慮調(diào)水調(diào)沙事件影響的連續(xù)性，將2002年7月全月的相關(guān)水位數(shù)據(jù)剔除，近似獲取概化的2000年（未開(kāi)展調(diào)水調(diào)沙活動(dòng)前）黃河下游各水文監(jiān)測(cè)斷面水位變化情況，見(jiàn)圖6。

對(duì)比概化的2000年（未開(kāi)展調(diào)水調(diào)沙）及2013年（已開(kāi)展調(diào)水調(diào)沙）黃河下游各監(jiān)測(cè)斷面水位變化情況可以看出，概化的2000年黃河下游水位變化呈現(xiàn)周期性;2013年黃河下游水位變化呈現(xiàn)一極高雙峰式洪水脈沖，且雙峰出現(xiàn)間隔時(shí)間較短。以花園口監(jiān)測(cè)斷面為例，6月1日河道水位開(kāi)始上漲，在30d內(nèi)從90.07m上漲至91.98m，又經(jīng)過(guò)30d回落至90m左右。總結(jié)2013年洪水脈沖特點(diǎn)可知，洪水脈沖峰值約為2m，洪水脈沖總歷時(shí)約為2個(gè)月。

根據(jù)黃河下游灘區(qū)荒草濕地生境典型植被生態(tài)水文因子需求情況[18]（見(jiàn)表5，其中植被需水時(shí)間為4—6月植被萌發(fā)期，7—10月植被生長(zhǎng)期），水位變化等對(duì)灘區(qū)荒草濕地生境植被具有潛在影響。目前黃河下游洪水脈沖的峰值在夾河灘、高村斷面分別可達(dá)2、3m，洪水脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)60余d。根據(jù)表5中植被對(duì)生態(tài)水文因子的耐受性閾值，該洪水脈沖不利于蘆葦草甸等植被的穩(wěn)定演替，因此在一定程度上使得荒草濕地生境面積從2000年的49.31km降低到2015年的26.31km。但夾河灘以下洪水的水文峰值相對(duì)更大、洪水歷時(shí)相對(duì)更久，上游來(lái)水在退水過(guò)程中得以淹覆更多灘地，在一定程度上可以提供蘆葦沼澤的水文需求，為灘區(qū)內(nèi)荒草濕地生境的分布提供可能，使得2015年荒草濕地生境基本分布于夾河灘斷面以下。

3.3.2人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)對(duì)荒草濕地生境的影響

（1）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)荒草濕地生境的影響。人類活動(dòng)對(duì)荒草濕地生境的影響極為顯著，灘區(qū)群眾為增加耕地面積，對(duì)沿黃荒草濕地生境進(jìn)行改造。以黃河下游面積較大的中牟灘為例，2010年洪水漫灘事件后由原始嫩灘演替形成一處天然檉柳林，近幾年未遭受洪水淹覆，已經(jīng)演替為穩(wěn)定檉柳林。當(dāng)?shù)厝罕姙樵黾痈孛娣e，人為將檉柳林改造為耕地，該處檉柳林面積由2012年的36.90hm2減少到2019年0.46hm，面積減小到原來(lái)的1.25%。

（2）挖沙活動(dòng)對(duì)荒草濕地生境的影響。黃河下游河道需要開(kāi)展清淤排沙、輸沙工作等，灘區(qū)內(nèi)存在一定挖沙活動(dòng)。結(jié)合衛(wèi)星遙感影像，在2019年11月6日對(duì)典型挖沙區(qū)域進(jìn)行實(shí)地植被信息收集發(fā)現(xiàn)，未受挖沙影響區(qū)域分布有穩(wěn)定檉柳植被群落，檉柳單獨(dú)植株已近4m高，被挖沙活動(dòng)直接干擾的區(qū)域則僅見(jiàn)部分莎草科植被，黃河下游灘區(qū)內(nèi)的挖沙活動(dòng)已嚴(yán)重影響黃河下游灘區(qū)荒草濕地生境植被的演替發(fā)展。

4結(jié)論

利用Landsat系列衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，分析了黃河下游寬灘區(qū)荒草濕地生境時(shí)空變化規(guī)律。引入洪水脈沖等理論分析了水沙活動(dòng)對(duì)濕地生境的影響，基于實(shí)地調(diào)研分析了人類活動(dòng)對(duì)濕地生境的干擾，采用MNDWI間接識(shí)別灘區(qū)荒草濕地生境分布空間，得到如下結(jié)論。

（1）從2000年至2015年，黃河下游寬灘區(qū)濕地生境總面積略有增加（從363.96km增加到409.86km），但荒草濕地生境面積有所減少，且荒草濕地生境有向下游遷移的趨勢(shì)。

（2）現(xiàn)行水沙條件較小浪底水庫(kù)運(yùn)行前不利于黃河下游寬灘區(qū)荒草濕地植被生長(zhǎng)。目前黃河下游洪水脈沖峰值在夾河灘、高村斷面可分別達(dá)2、3m，洪水脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)60余d。結(jié)合荒草濕地生境植被對(duì)生態(tài)水文因子的耐受性閾值，該洪水脈沖干擾不利于荒草濕地生境植被演替，造成荒草濕地生境面積減小。

（3）在現(xiàn)狀水文條件下，分布荒草濕地生境的灘地總面積為247.41km，占沿黃寬灘區(qū)總面積的9.01%。分布荒草濕地生境的灘地類型主要為高級(jí)灘，次生灘和中生灘分布荒草濕地生境面積較小。

【責(zé)任編輯 呂艷梅】