長(zhǎng)江中游水位下降引起的淺灘出露及其對(duì)產(chǎn)粘性卵魚(yú)類繁衍的潛在影響探討
——以2020年春季為例

楊 帆，何報(bào)寅*， 馮 奇， 肖 飛， 班 璇， 涂世平， 舒 煒

(1.中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430071；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 3.武漢市生態(tài)環(huán)境局漢陽(yáng)區(qū)分局， 武漢 430022；4.青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)管理委員會(huì)， 山東 青島 266425)

長(zhǎng)江中游一般指三峽大壩以下，從湖北宜昌至江西湖口約955 km的江段，該江段蜿蜒曲折，淺灘沙洲眾多，擁有十分豐富的魚(yú)類資源[1-3].據(jù)統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)江現(xiàn)有魚(yú)類400余種，純淡水魚(yú)有360余種，其中中下游有純淡水魚(yú)類200余種，約占整個(gè)長(zhǎng)江淡水魚(yú)種類數(shù)的60%[4-5].然而，在過(guò)度捕撈、大型水利工程建設(shè)、水環(huán)境污染等人類活動(dòng)因素的影響下，長(zhǎng)江中游的魚(yú)類資源曾經(jīng)急劇減少[6-8].

已有研究顯示，長(zhǎng)江中游水位的變化可以直接影響水域以及淺灘出露面積，從而可能對(duì)產(chǎn)粘性卵魚(yú)類的繁殖產(chǎn)生不利影響.田偉國(guó)等[9]利用MODIS遙感數(shù)據(jù)，對(duì)2003年前后洞庭湖的枯水期與豐水期的水域面積對(duì)比分析，建立了洞庭湖水體面積與城陵磯水位之間的線性關(guān)系，對(duì)洞庭湖面積變化序列進(jìn)行了分析；姚仕明等[10]利用Sentinel-1遙感影像提取了2020年汛期鄱陽(yáng)湖的水域面積，并分析了水體面積與水位之間的相關(guān)關(guān)系(R2=0.903).同時(shí)，李成[11]對(duì)1997—2005年洞庭湖的鯉、鯽魚(yú)產(chǎn)卵場(chǎng)及索餌場(chǎng)的調(diào)查，研究顯示自三峽大壩建立以后，西洞庭湖鯉、鯽產(chǎn)卵場(chǎng)和索餌場(chǎng)數(shù)量和面積均在減小；朱軼等[12]對(duì)三峽大壩運(yùn)行前后西洞庭湖的魚(yú)類群落結(jié)構(gòu)特征變化進(jìn)行分析，闡述了三峽大壩運(yùn)行以來(lái)，改變了洞庭湖的水文規(guī)律，使得淺灘淹沒(méi)時(shí)間變短，產(chǎn)粘性卵魚(yú)類數(shù)量比例呈下降趨勢(shì).

本文依據(jù)2020年春季長(zhǎng)江中游水位變化情況，結(jié)合相關(guān)站點(diǎn)的歷史水位、氣象以及遙感數(shù)據(jù)，分析了2020年春季長(zhǎng)江中游水位下降的過(guò)程和原因，對(duì)長(zhǎng)江中游水位、淺灘變化對(duì)產(chǎn)粘性卵魚(yú)類繁衍的潛在影響進(jìn)行探討，期望能為長(zhǎng)江魚(yú)類資源保護(hù)、水利工程生態(tài)調(diào)度的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究選取城陵磯河段、鄱陽(yáng)湖和洞庭湖作為長(zhǎng)江中游典型區(qū)域進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)(圖1).城陵磯河段位于湖南省岳陽(yáng)市北端，是洞庭湖出口，也是長(zhǎng)江干流與洞庭湖的交匯處，該河段寬窄相間，堤岸坡度緩和[13]，水位的漲落對(duì)其淺灘面積變化影響較大.鄱陽(yáng)湖與洞庭湖位于長(zhǎng)江中游南岸，作為長(zhǎng)江流域典型的季節(jié)性淺水湖泊，其水位變化都存在較大的季節(jié)差異性，“高水是湖，低水似河”、“洪水一片，枯水一線”更是鄱陽(yáng)湖的自然地理特征.

圖1 氣象、水位站點(diǎn)與遙感監(jiān)測(cè)區(qū)域Fig.1 Meteorological stations， water level stations and remote sensing monitoring area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究選取長(zhǎng)江中上游4個(gè)水位站點(diǎn)和18個(gè)氣象站點(diǎn)近十年來(lái)的水位與降雨量數(shù)據(jù)(圖1).其中2019年5月份長(zhǎng)江中游水位在近十年中具有代表性，所以選取2020與2019年5月份城陵磯河段、鄱陽(yáng)湖、洞庭湖遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行水體提取與比較.數(shù)據(jù)來(lái)源詳見(jiàn)表1.

表1 各項(xiàng)數(shù)據(jù)來(lái)源

1.3 研究方法

本研究采用Sentinel-1、Sentinel-2遙感影像數(shù)據(jù)(https：//scihub.copernicus.eu)，Sentinel-1可提供連續(xù)圖像，不受天氣的影響，適合大空間尺度的地表監(jiān)測(cè)；Sentinel-2受天氣影響較大，但其空間分辨率高，適合小范圍的內(nèi)陸水環(huán)境監(jiān)測(cè).首先對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)閾值分割的方法對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行水陸分離，實(shí)現(xiàn)水體與非水體的二值化(圖2).最后比較2020年與2019年5月的水體區(qū)域，得到2020年5月長(zhǎng)江中游鄱陽(yáng)湖、洞庭湖的淺出露情況.同時(shí)，利用Mann-Whitney U檢驗(yàn)方法[14]，分別對(duì)氣象站點(diǎn)2020年上半年日平均累積降雨量與2010-2019年平均累積降雨量進(jìn)行顯著性檢驗(yàn).

圖2 遙感影像處理流程Fig.2 Remote sensing image processing flow

2 結(jié)果與分析

2.1 2020年春季長(zhǎng)江中游水位下降與淺灘出露情況

2020年2月上旬至4月上旬，長(zhǎng)江中游城陵磯站、漢口站、湖口站水位都要高于近十年平均，在4月7日左右達(dá)到最高值，隨后水位開(kāi)始下降，城陵磯站、漢口站、湖口站水位下降速度分別達(dá)到0.151 m·d-1、0.147 m·d-1、0.159 m·d-1，并在5月上旬達(dá)到最低值，最低值水位分別為22.17 m、16.03 m、10 m，比近十年平均水位降低了3.1 m左右(圖3).

圖3 長(zhǎng)江中游水位變化Fig.3 Water level changes in the middle reaches of the Yangtze River

隨著2020年春季長(zhǎng)江中游水位的降低，相比較2019年同時(shí)期，城陵磯河段出現(xiàn)多處江心洲，淺灘最大延伸寬度達(dá)到500 m(圖4)；鄱陽(yáng)湖與洞庭湖也都出現(xiàn)了大面積的淺灘出露情況，出露面積分別達(dá)到670 km2和480 km2(圖5～6).

圖4 城陵磯河段淺灘出露部分Fig.4 Exposed part of shoal in Chenglingji Reach

圖5 鄱陽(yáng)湖淺灘出露部分Fig.5 Exposed part of shoal in Poyang Lake

圖6 洞庭湖淺灘出露部分Fig.6 Exposed part of shoal in Dongting Lake

2.2 2020年長(zhǎng)江中游水位下降的原因

2.2.1 降雨量 2020年長(zhǎng)江中游水位受氣候變化的影響，在1至2月份，中上游降雨量較往年顯著性增多(p<0.05，圖7)，水位也隨之上升，但是從4月份開(kāi)始，長(zhǎng)江中游降雨量顯著性減少(p<0.05)，較往年平均減少44.6%(表2)，5月份也減少了23.9%，使得長(zhǎng)江中游4月中旬至6月上旬處于低水位狀態(tài).整體來(lái)看，長(zhǎng)江中上游的降雨量情況與中游水位變化情況基本吻合，降雨量的減少是造成2020年春季長(zhǎng)江中游水位驟降主要原因.

圖7 長(zhǎng)江中上游1—6月降雨量Fig.7 Rainfall from January to June in the middle and upper reaches of the Yangtze River

表2 長(zhǎng)江中上游2020年1—6月降雨量統(tǒng)計(jì)表

2.2.2 三峽水庫(kù)的調(diào)度 每年10月至翌年6月，三峽水庫(kù)水位逐漸消落，其中3-6月為主消落期[15].2020年上半年，三峽水庫(kù)正常運(yùn)行(圖8(b))，但由于受到降雨量變化帶來(lái)的影響，三峽水庫(kù)的出庫(kù)流量(圖8(a))與入庫(kù)流量(圖8(c))同步變化.在2020年2月下旬至4月中旬，出入庫(kù)流量相比較往年平均都明顯偏多，水位也高于往年平均；在4月中旬至6月上旬，三峽水庫(kù)的出入庫(kù)流量有所減少，并在5月10日達(dá)到最低值5 830 m3·s-1，水位下降速度加快，相比較往年處于較低狀態(tài).2020年三峽水庫(kù)的出庫(kù)流量與長(zhǎng)江中游的水位變化情況相吻合，在一定程度上也影響了長(zhǎng)江中游的水位變化.

圖8 三峽水庫(kù)水文信息Fig.8 Hydrological information of the Three Gorges Reservoir

2.3 水位下降與淺灘出露對(duì)產(chǎn)粘性卵魚(yú)類的潛在影響

鯉魚(yú)、鯽魚(yú)等產(chǎn)粘性卵魚(yú)類產(chǎn)卵的高峰期多為每年4—6月(圖3)，由于淺灘處水壓小，便于產(chǎn)卵，所以產(chǎn)粘性卵魚(yú)類大多都會(huì)在近岸淺灘處產(chǎn)卵，并將魚(yú)卵附著在淺灘植物體、砂石等基質(zhì)上發(fā)育.隨著雨季的到來(lái)，江河水位逐步抬升，逐步淹沒(méi)春季生長(zhǎng)的淺草灘，魚(yú)卵不會(huì)脫落到水底窒息死亡，也不會(huì)露出水面[15-16].它們的繁殖行為、孵化方式已經(jīng)適應(yīng)了長(zhǎng)期以來(lái)長(zhǎng)江流域的自然生態(tài)環(huán)境.但是2020年春季長(zhǎng)江中游水位的異常下降，會(huì)導(dǎo)致淺灘的大面積出露，從而使產(chǎn)粘性卵魚(yú)類失去產(chǎn)卵地點(diǎn)，大量的魚(yú)卵也會(huì)隨之露出水面.城陵磯河段、鄱陽(yáng)湖、洞庭湖作為長(zhǎng)江中游的典型河段及湖泊，其水位變化在一定程度上能夠體現(xiàn)整個(gè)長(zhǎng)江中游的水位變化情況，同時(shí)它們也是我國(guó)淡水魚(yú)的重要產(chǎn)地[17-18]，淺灘的大范圍出露可能會(huì)給長(zhǎng)江中游的魚(yú)類繁衍產(chǎn)生大范圍的不利影響，長(zhǎng)江魚(yú)類資源也會(huì)受到較大損失.

3 討論

3.1 生態(tài)調(diào)度與魚(yú)類繁殖行為需適應(yīng)

大型水利工程的修建主要目的是防洪、發(fā)電與航運(yùn)[19]，推動(dòng)了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但也改變了河流的生態(tài)環(huán)境.隨著長(zhǎng)江流域漁業(yè)資源的持續(xù)衰退[20]，水利設(shè)施的調(diào)度對(duì)魚(yú)類資源的潛在影響越來(lái)越被人們重視，例如在2011年三峽水庫(kù)首次開(kāi)展了針對(duì)四大家魚(yú)自然繁殖的生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)，至2020年開(kāi)展針對(duì)產(chǎn)粘性卵魚(yú)類繁殖的生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)，已經(jīng)進(jìn)行了14次，并都取得了一定的促進(jìn)作用[21].周雪等[22]對(duì)近年來(lái)三峽水庫(kù)生態(tài)調(diào)度對(duì)長(zhǎng)江中游監(jiān)利江段四大家魚(yú)繁殖的影響展開(kāi)研究，結(jié)果表明三峽水庫(kù)生態(tài)調(diào)度所產(chǎn)生的漲水過(guò)程在一定程度上滿足監(jiān)利江段四大家魚(yú)繁殖的水文需求.汪登強(qiáng)等[23]對(duì)漢江下游梯級(jí)聯(lián)合生態(tài)調(diào)度對(duì)魚(yú)類繁殖影響進(jìn)行初步研究，結(jié)果表明開(kāi)展生態(tài)調(diào)度對(duì)魚(yú)類繁殖具有明顯促進(jìn)作用.

2020年春季，在降雨量減少的因素影響下，2020年春季長(zhǎng)江中游水位異常下降，長(zhǎng)江中游乃至整個(gè)中下游的淺灘都會(huì)出現(xiàn)不同程度的出露，產(chǎn)粘性卵魚(yú)類的繁殖行為會(huì)因此受到影響，可能會(huì)對(duì)整個(gè)長(zhǎng)江中下游的魚(yú)類資源產(chǎn)生系統(tǒng)性和深刻的不利影響.在自然降水減少的情況下，大型水利工程的生態(tài)調(diào)度尤為重要，不僅需要考慮防洪、發(fā)電、航運(yùn)、供水以及對(duì)大型洄游性魚(yú)類產(chǎn)生的影響等問(wèn)題，還應(yīng)該對(duì)氣候變化有一定的預(yù)見(jiàn)性，與下游水位的實(shí)際情況相結(jié)合，重視和考慮中下游產(chǎn)粘性卵魚(yú)類的自然繁殖習(xí)性，來(lái)制定更科學(xué)合理的聯(lián)合調(diào)度方案，以減弱對(duì)中下游魚(yú)類資源的影響，保證產(chǎn)粘性卵魚(yú)類產(chǎn)卵繁殖所需的漲水條件.同時(shí)，也建議有關(guān)部門(mén)和單位密切關(guān)注產(chǎn)粘性卵魚(yú)類資源的動(dòng)態(tài)變化情況，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，最大程度地保護(hù)長(zhǎng)江魚(yú)類資源，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江健康可持續(xù)發(fā)展.

3.2 利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)淺灘變化

目前，相關(guān)學(xué)者對(duì)長(zhǎng)江中游的魚(yú)類資源情況的調(diào)查大多關(guān)注四大家魚(yú)等產(chǎn)漂流性卵的魚(yú)類[24-27]，但以鯽魚(yú)、鯉魚(yú)為代表的產(chǎn)粘性卵魚(yú)類卻少有人關(guān)注.淺灘作為鯉、鯽等產(chǎn)粘性卵魚(yú)類的主要產(chǎn)卵場(chǎng)地[28]，會(huì)隨著水位的漲落而淹沒(méi)或出露，而衛(wèi)星遙感技術(shù)作為一個(gè)新興的地表觀測(cè)手段，可以動(dòng)態(tài)、大范圍的監(jiān)測(cè)湖泊、河流的結(jié)構(gòu)、岸線等特征，且不受地表、天氣、人為等因素的影響和限制，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)淺灘面積以及水位變化情況，以及推測(cè)不同區(qū)域的魚(yú)類潛在產(chǎn)卵場(chǎng)[29-31].劉云珠等[32]對(duì)2013年與1996年的遙感影像解譯，發(fā)現(xiàn)西洞庭湖的水域、草灘、泥灘等濕地面積分別減少了46.4%、49.9%、39.8%，同時(shí)鯉、鯽魚(yú)產(chǎn)卵場(chǎng)面積也減少了46.6%[28].

所以，遙感技術(shù)可以作為淺灘變化情況實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)手段，來(lái)配合大型水利工程更合理的進(jìn)行生態(tài)調(diào)度，為長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境、魚(yú)類資源的保護(hù)提供全新的可能.

4 結(jié)論

2020年春季長(zhǎng)江中上游的降雨量的減少，造成了長(zhǎng)江中游兩大通江湖泊鄱陽(yáng)湖與洞庭湖相比較2019年同時(shí)期淺灘出露面積分別達(dá)到670 km2和480 km2，同時(shí)以城陵磯河段為代表的長(zhǎng)江干流也出現(xiàn)了大面積的淺灘出露情況，可能會(huì)對(duì)長(zhǎng)江中下游產(chǎn)粘性卵魚(yú)類的繁衍產(chǎn)生系統(tǒng)性和深刻的不利影響，其后續(xù)效應(yīng)需要引起有關(guān)部門(mén)的密切關(guān)注，加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)粘性卵魚(yú)類資源的監(jiān)測(cè).