黃河口鹽沼濕地植被群落適宜生境模擬Ⅱ：應用

易雨君，謝泓毅，宋 劼，楊志峰，4

（1.北京師范大學 教育部水沙科學重點實驗室，北京 100875；2.北京師范大學 水環境模擬國家重點實驗室，北京 100875；3.交通運輸部規劃研究院 環境資源所，北京 100028；4.廣東工業大學 環境生態工程研究院，廣東 廣州 510006）

1 研究背景

鹽沼濕地是一類具有豐富生態服務功能和生態價值的高生產力生態系統，多分布在濱海及河口地區［1-3］。鹽沼生態系統中環境梯度明顯、物種組成相對簡單，生長在其中的鹽沼植被常表現為帶狀分布的特征［4-5］。針對土壤營養元素與鹽沼植被生長之間的關系，已有大量的監測和實驗研究成果［6］。鹽沼濕地地下水埋深相對較淺，對淺層土壤的影響明顯，其地下水過程與鹽沼植被的生長和分布關系緊密［7-8］。河口鹽沼濕地由于同時受潮汐和河流的共同影響，地下水動力過程尤其復雜［9-10］，使得對于鹽沼植被適宜生境和生物量時空分布的動態預測較為困難［11］。因此，基于鹽沼植被對土壤水鹽要素的響應規律，研究河流徑流和潮汐共同作用對區域的地下水動力過程的驅動，進一步明確對土壤水鹽的影響，從而揭示其對鹽沼植被的分布格局和生物量的影響機制，有助于理解河流徑流變化對河口濕地鹽沼植被分布格局的影響，為河口鹽沼濕地植被保護與修復提供支持。

黃河三角洲鹽沼濕地受黃河徑流和潮汐影響，植被呈明顯的帶狀分布，其中蘆葦、檉柳和翅堿蓬為3 種最為典型的鹽沼植被［12］。本文前篇《黃河口鹽沼濕地植被群落適宜生境模擬Ⅰ：理論》［13］中介紹了土壤水鹽協同-植被生長擴散植被群落耦合模型的建立、率定和驗證過程，該耦合模型由地下水動力模塊、土壤鹽度模擬模塊和種群增長-競爭模塊3 個部分組成，本文使用該耦合模型模擬了不同徑流過程和潮汐共同作用下，黃河三角洲鹽沼植被群落的適宜生境及生物量的時空分布。

2 研究方法

2.1 研究區概況黃河三角洲是一片年輕的河口濕地，在黃河高含沙徑流與潮汐沖刷的作用下，這片區域一直在不斷地發生增長與蝕退，獨特的自然環境造就了我國暖溫帶最完整、最廣闊、最年輕的生態系統，也是河口鹽沼濕地生態系統的典型代表之一［14-15］。在河道與海洋間分布有廣闊的鹽沼濕地，在此區域地下水受潮汐和河流徑流共同影響，且埋深較淺，多年平均地下水埋深約為2.5 m［16］。該區域植被物種豐富，且自海向陸環境梯度上，日本鰻草-互花米草-翅堿蓬-檉柳-蘆葦等鹽沼植被帶狀分布的現象普遍存在［17］（圖1）。蘆葦、翅堿蓬和檉柳占研究區群落生物總量60%左右，是該區域的優勢鹽沼植被［18］，生長季為4—10月。本文研究的黃河三角洲自然保護區面積約為4836 km2，其中陸地面積約為3536 km2。

圖1 研究區鹽沼植被帶狀分布示意

2.2 水文年時間序列設置流域水資源總量可以反映流域內水量可被社會經濟發展和生態環境有效使用的程度［19］，因此本文根據1956—2018年黃河流域水資源總量時間序列數據設置水文年時間序列情景（數據取自《黃河水資源公報》）。

采用頻率分析法確定黃河流域水資源總量的特征值，其公式為：

式中：Pm為累計頻率值；n為樣本總數；m為排序序號。

1956—2018 年的黃河流域水資源總量累積頻率曲線如圖2所示。分別以累計頻率為25%、50%和75%對應的水資源總量作為豐、平、枯水年的水資源總量特征值。最終選取1964年、2012年、1971年、1999年和2002年分別作為黃河流域水資源總量最大、豐水、平水、枯水和最小年的代表年份，以此為依據設置時間序列。采用黃河下游利津站在代表年份的實測月均水位作為地下水模型河流邊界條件，具體設置見表1。

圖2 1956—2018年的黃河流域水資源總量累積頻率曲線

表1 利津站水位時間序列

3 結果與討論

3.1 地下水動力模擬結果基于本文前篇土壤水鹽協同-植被生長擴散植被群落耦合模型中的地下水動力模塊，模擬了5 個水文年時間序列情景下黃河三角洲自然保護區地下水水位的分布情況。地下水模型時間步長為1 h，模擬時長為1 a。考慮到水文年時間序列步長為1 個月，取每個月應力期結束后地下水水位場穩定時的結果作為當月模擬結果。

地下水水位高程的模擬結果如圖3所示，黃河水位的變化對于河道近岸帶地下水有顯著影響，從河道向遠離河道方向地下水水位遞減，隨后因為渤海的補給，地下水水位上升直至海平面。在距離黃河河道較遠的東南部地下水整體穩定在海平面以下，盡管該區域受到海水補給和黃河補給的共同影響，但因距離兩者均較遠，受到補給的強度較弱。東側入海口處黃河河道較寬（約為上游河道寬度的7 倍），但上游側的補給影響比入海口處更強。

圖3 不同水文年時間序列下地下水模擬結果

黃河流域水資源總量最大年、豐水年和平水年時間序列的模擬結果均有較明顯的黃河補給峰值范圍，而枯水年和最小年時間序列黃河補給全年較為穩定。最大年和平水年黃河補給的影響自4—10月持續增大，豐水年黃河補給的影響在6—8月逐漸增大，至10月略有下降，枯水年及最小年黃河補給影響的月際變化較小。

3.2 土壤鹽度模擬結果不同水文年時間序列下淺層土壤鹽度模擬結果如圖4所示，淺層土壤鹽度在黃河兩岸（0 ～15 g/L）和海岸線附近（0 ～10 g/L）鹽度均較低，而在黃河和海岸線之間出現鹽度較高的區域（＞20 g/L），表明在潮汐和徑流強影響區以外存在“超鹽帶”現象［20］。在研究區的北側、東側和東南側均出現了超鹽帶，鹽度分別大于20、30 和30 g/L。淺層土壤鹽度分布受黃河補給影響變化明顯，黃河補給增強導致黃河兩岸的淺層土壤鹽度快速下降，但同時也使超鹽帶的范圍擴大。研究區淺層土壤鹽度的分布相對穩定，均出現超鹽帶，但除最大年外其他4 個時間序列下的模擬結果超鹽帶均無明顯變化，僅在某些局部地區存在差異。

圖4 不同水文年時間序列下淺層土壤鹽度模擬結果

3.3 多物種適宜生境模擬適宜生境分布模擬結果如圖5所示，3 種鹽沼植被在研究區內的適宜生境主要特征為在黃河兩岸呈帶狀分布，在距離黃河較遠的地區呈散點狀分布。自黃河向海梯度上，依次為蘆葦、檉柳和翅堿蓬的分布條帶，條帶之間存在交錯生長區。黃河水位較高時，在距離黃河較近的河岸無鹽沼植被生長，這可能與地下水水頭高于地表有關，導致地表長期處于淹沒，且淹沒深度超過了植物的耐受極限，植物根系處于缺氧脅迫所致。隨著黃河水位的增高，蘆葦在河岸的分布越來越集中，分布條帶的寬度減小，而翅堿蓬的分布條帶變寬。

圖5 不同水文年時間序列下蘆葦、檉柳和翅堿蓬適宜生境模擬結果

3.4 多物種生物量模擬鹽沼植被生物量分布模擬結果（以最大年為例）如圖6所示，對照適宜生境模擬結果可以發現，鹽沼植被生物量的累積主要發生在受黃河河道補給較強的帶狀分布區內，而散點狀分布區內鹽沼植物的生物量積累相對緩慢。蘆葦的生物量積累主要發生在較窄的條帶上，而翅堿蓬和檉柳的生物量積累則主要發生在面狀區域。蘆葦的生物量分布存在靠近黃河河道的生境內生物量多于遠離黃河河道的生境內生物量的現象，說明黃河補給的直接作用對蘆葦生物量積累影響較大。檉柳的生物量分布較為均勻。翅堿蓬僅在8月出現靠近黃河河道的生境內生物量明顯多于遠離黃河河道的生境內生物量的現象，這可能與黃河補給的影響范圍有關。翅堿蓬和檉柳適宜生境范圍內黃河的橫向補給對地下水影響較小，土壤主要受到海洋和蒸散發的影響，不同水文年時間序列下黃河水位變化引起的補給范圍變化對生物量積累過程的影響較小。而在蘆葦的適宜生境范圍內，既存在黃河補給影響強烈的區域，又存在黃河補給影響較弱的區域，使整個生境范圍內生物量積累的空間分布差異較大。

圖6 水資源總量最大年時間序列下蘆葦、檉柳和翅堿蓬生物量模擬結果

3.5 不同水文年時間序列對3 種典型植被生境和生物量的影響圖7（a）—（c）為蘆葦、檉柳和翅堿蓬在5 種水文年時間序列情景下適宜生境面積的統計結果。蘆葦的適宜生境面積統計結果如圖7（a）所示，研究區內蘆葦適宜生境面積在62 ～67 km2，最大年情景下7—9月蘆葦適宜生境面積快速減少，原因是此時為汛期，黃河水位較高，蘆葦受到淹沒影響，適宜生境減少。在5—6月，豐水年的水位最適宜蘆葦生長，同時最小年7—10月和平水年8—10月的水位也可使蘆葦適宜生境維持在較大水平。檉柳的適宜生境面積統計結果如圖7（b）所示，研究區檉柳的適宜生境面積維持在6 ～13 km2，豐水年在整個生長季內均能維持檉柳較高的適宜生境面積。翅堿蓬的適宜生境面積統計結果如圖7（c）所示，研究區翅堿蓬的適宜生境面積維持在34 ～42 km2，在7—10月最大年下其適宜生境面積明顯高于其他時間序列。

鹽沼植被生物量變化模擬結果如圖7（d）—（f）所示。蘆葦的生物量為1.90 萬～7.33 萬t ，不同水文年時間序列方案下蘆葦的生物量變化規律一致，均在4—9月逐月遞增，在9月達到峰值，在10月下降。檉柳的生物量為0.42 萬～3.91 萬t ，在最大、豐水、平水和枯水年時間序列下逐月遞增，在最小年在4—6月逐月遞增，在7月驟減，隨后在7—10月遞增，峰值出現在6月。翅堿蓬的生物量為0.94 萬～14.28 萬t ，不同水文年時間序列方案下翅堿蓬的生物量變化規律一致，在4—7月逐月遞增，在8月驟增，在9月驟減，隨后在9—10月遞減，峰值出現在8月。

圖7 不同水文年時間序列下蘆葦、檉柳和翅堿蓬適宜生境面積和生物量統計結果

通過計算鹽沼植被月均適宜生境面積占比（生長季內鹽沼植被月均適宜生境面積與研究區總面積的比值）和月均生物量，比較了5 種水文年時間序列方案對典型鹽沼植被整個生長季內生境和生物量的影響。結果如圖8所示，最小年為蘆葦適宜生境的最優時間序列，豐水年為檉柳適宜生境的最優時間序列，最大年為翅堿蓬適宜生境的最優時間序列。3 種鹽沼植被月均適宜生境總面積占比計算結果表明，豐水年為3 種鹽沼植被適宜生境總面積的最優時間序列。枯水年蘆葦、檉柳和翅堿蓬均有較高的月均生物量，同時蘆葦在最小年的生物量也較高，3 種鹽沼植被月均總生物量同樣表明枯水年為3種鹽沼植被月均總生物量的最優時間序列。

圖8 不同水文年時間序列下單物種及3 物種月均適宜生境面積占比和月均生物量結果

4 結論

黃河三角洲作為具有典型植被帶狀分布特征的鹽沼濕地，在徑流和潮汐的共同作用下，其淺層土壤水鹽條件發生動態變化，對于鹽沼植被的生長產生直接影響。本研究基于已構建的土壤水鹽協同-植被生長擴散植被群落適宜生境及生物量模擬模型，選取黃河最大、豐水、平水、枯水和最小年水文年時間序列作為模擬情景，對蘆葦、檉柳和翅堿蓬3 種類型鹽沼植被的適宜生境進行了模擬，結果顯示，蘆葦、檉柳和翅堿蓬在研究區內的適宜生境分布的主要特征為在黃河兩岸呈帶狀分布，在距離黃河較遠的地區呈散點狀分布。保障蘆葦、檉柳、翅堿蓬和鹽沼植被總生境面積最大的最適宜水文年時間序列情景分別為最小年、豐水年、最大年和豐水年時間序列。蘆葦、檉柳和翅堿蓬生物量模擬結果顯示，3 種鹽沼植被在黃河兩岸的帶狀分布區生物量積累較高，而在遠離河道的散點狀分布區生物量積累較少。蘆葦的生物量積累主要發生在較窄的條帶上，而翅堿蓬和檉柳的生物量積累均勻發生在面狀區域。除蘆葦的最大生物量出現在最小年，檉柳、翅堿蓬和鹽沼植被總生物量的最大值均出現在枯水年。