黃河下游寬灘區荒草濕地生境分布與時空變化研究

孫煜航　杜鵬舉　程舒鵬等

關鍵詞：濕地生境;時空變化;影響因素;濕地分布;黃河下游

中圖分類號：TV882.1;TV853 文獻標志碼：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.黃河下游寬灘區荒草濕地生境分布與時空變化研究[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，是河南、山東兩省重要的生態環境資源。新中國成立以來，黃河中上游修建多座水庫以調控黃河下游水沙活動，1999年小浪底水庫投入運用，有力地調節了黃河下游來水來沙量，使得黃河下游發生特大洪水漫灘事件的概率減小，但沿黃地區生態環境也受到了影響。近年來已有學者針對黃河下游灘區面臨的生態環境問題，以濕地資源為切入點，分析濕地資源的時空變化[1-6]、濕地生態環境的影響因素等[7-9]，并提出了下游灘區的生態治理模式[10-12]，但從濕地的多樣性角度，針對灘區內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濕地生境為切入點，研究近年來黃河下游濕地生境的時空變化，分析近年來變化顯著的濕地生境類型，并結合生態水文因子及社會經濟活動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提供參考。

1研究區概況

1.1自然地理概況

黃河下游灘區具有行洪、滯洪、沉沙等功能，是近190萬灘區居民的生產生活空間[13]。為揭示黃河下游濕地生境時空變化規律，選取黃河下游濕地分布較為集中、面積相對較大的寬河段（花園口—陶城鋪段）作為研究河段進行研究，研究區總面積為2744.48km。該河段涉及黃河游蕩河段、過渡河段，可以相對完整地展現黃河下游濕地生境狀況。

研究區地處暖溫帶大陸性季風氣候區，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，黃河下游沿黃區域尤其是灘區，受洪水漫灘事件及人類活動影響，不存在自然演替形成的喬木林地，僅見一定量的天然檉柳灌木林地。受水沙活動影響，臨近主河道的嫩灘、河間灘幾乎無植被覆蓋，靠近河道區域間斷分布有蘆葦、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干擾共同作用下，濕地及棲息于濕地的動植物、微生物等組成的統一整體[14]。黃河下游寬灘區主要由黃河徑流滋養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所，在生物多樣性保護等方面發揮著重要作用。

黃河下游寬灘區灘涂濕地位于黃河主河槽兩側，臨近黃河主河道，主要有河間灘、嫩灘等，灘涂濕地幾乎無植被覆蓋。黃河下游灘區荒草濕地生境指分布于河道兩側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，荒草濕地內植被具有空間分異性，垂直黃河河道方向各區域灘地大體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，見圖1。受河道變動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，露水時間短的灘地植被主要有檉柳或蘆葦等幼苗，露水時間較長的灘地植被基本為鹽生灌叢等。

灘區群眾為擴大生產，大量開墾灘區內的荒草濕地，直接影響灘區濕地生境的數量和演替。生產堤、挖沙場的建設等也使濕地生境的破碎度提高。黃河下游灘地產權、使用權等劃分復雜冗亂，無明確權屬結構[15]，造成黃河灘地利益相關方搶占、利用灘地，削弱了黃河下游寬灘區濕地生境保護的有效性，威脅灘區內荒草濕地生境安全。

2數據來源與研究方法

2.1數據來源與處理

研究資料包括黃河下游各水文監測斷面實測水文數據，灘區范圍內Landsat系列衛星遙感影像，灘區土地利用類型數據和野外實地調研采樣獲取的灘區濕地分布數據等。收集到的水文數據主要為2002年以來黃河水資源年報、黃河泥沙公報及黃河下游各水文斷面監測數據等，來源于黃河水利委員會（www.yrcc.gov.cn）及國家地球系統科學數據中心地理資源分中心（gre.geodata.cn）。灘區范圍內Landsat系列衛星遙感影像數據來源于美國地質勘探局（earthexplorer.usgs.gov），主要收集2015—2020年覆蓋黃河下游灘區的遙感影像，其空間分辨率為30m。2000年和2015年灘區土地利用數據來自中國科學院資源環境科學數據中心（www.resdc.cn），該數據為柵格數據（空間分辨率為30m），包括耕地、草地等6個一級土地利用類型的25個二級土地利用類型。通過建立Landsat系列數據土地利用/覆蓋目視解譯結果、實地調研獲取的濕地分布數據和谷歌地球真彩色圖像中濕地等數據間的聯系，對土地利用/覆蓋數據進行歸類合并。參考Liang等[16]的黃河下游濕地分類結果，結合灘區濕地水文特征與生境特點，對黃河下游寬灘區濕地生境特征及對應土地利用類型進行統計，見表1。

2.2研究方法

將黃河下游寬灘區河段分為花園口—夾河灘、夾河灘—高村、高村—孫口、孫口—陶城鋪（分別簡稱花夾段、夾高段、高孫段、孫陶段）4個河段，分河段統計濕地生境變化，同時基于野外濕地調查和衛星遙感影像數據，分析垂直于黃河河道方向上濕地生境變化。

基于衛星遙感影像數據，采用改進歸一化差異水體指數（MNDWI）提取現狀水文條件下2015—2020年研究區逐月水面空間分布，間接識別灘區荒草濕地生境分布。改進歸一化差異水體指數計算方法：

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。

通過識別黃河上游來水水文節律變化等，研究水文情勢對荒草濕地生境的影響，此外結合衛星遙感影像解譯及實地考察等分析人類活動對荒草濕地生境的影響。

3結果與討論

3.1黃河下游寬灘區荒草濕地生境時空變化

統計2000年和2015年黃河下游寬灘區濕地生境面積，對比發現，荒草濕地生境時空變化最為顯著。整體上，2000—2015年，黃河下游寬灘區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，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，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。

統計各河段濕地生境面積，見表2，可以看出，荒草濕地生境面積變化在各河段內略有不同，花夾段及夾高段荒草濕地生境面積呈減少趨勢;高孫段荒草濕地生境面積基本沒有變化，荒草濕地生境面積占該河段灘區總面積的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。因此，選取黃河下游寬灘區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

近年來黃河下游寬灘區荒草濕地生境時空變化明顯，分析其空間分布特征有助于荒草濕地生境的保護。生境包含生物及非生物要素，以灘區荒草濕地生境的主要非生物要素即黃河灘地為切入點，通過識別潛在分布荒草植被的灘地類型，進而得到荒草濕地生境的范圍。荒草濕地生境因水而生，是黃河下游灘地被水淹覆的衍生物，受調水調沙影響較大。

（1）分布荒草濕地生境的灘地類型。利用改進歸一化差異水體指數（MNDWI）提取黃河河道不同水位、流量下的水面分布邊界，統計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。統計黃河下游近5a各月河道淹沒范圍，根據黃河下游近5a的水文節律以及相關水面斑塊面積的綜合排序，按照豐水期、枯水期、平水期對黃河下游各月的河道淹覆范圍進行歸類。豐水期黃河下游河道淹沒范圍：黃河下游河道的徑流集中于6月至8月，考慮河道淹沒退水時間，將6月至9月黃河下游河道的淹沒范圍合并為豐水期河道淹沒范圍，該區域對應大洪水脈沖影響下的區域。枯水期黃河下游河道淹沒范圍：將1月和12月河道淹沒范圍作為枯水期河道淹沒范圍。平水期黃河下游河道淹沒范圍：現行水文條件下，洪水脈沖峰值相對較小，河道淹沒范圍、淹沒水深稍遜于最大洪水脈沖的區域均可歸類合并為平水期濕地生境淹沒范圍，將2月至5月、10月、11月河道淹沒范圍歸類合并為平水期河道淹沒范圍。

目前黃河下游灘區有關“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影響的基本規律，因此結合相關水文節律將分布荒草濕地生境的灘地歸類為次生灘、中生灘、高級灘，見圖3、表3。

次生灘主要分布在平水期淹覆區域，該區域荒草濕地生境植被大都處于次生演替初級階段，受河道水位變化影響，會遭受一定程度洪水淹沒。主要分布有檉柳科、莎草科、禾本科等幼苗。在現行水文節律條件下，對應洪水脈沖峰值約為0.5m，脈沖持續時長60d以上。由于洪水脈沖相關數值超過了蘆葦及檉柳群落的生態水文因子極限值[18]，因此該區域僅分布有少量蘆葦和檉柳。

中生灘基本分布在6月至9月豐水期淹覆區域，中生灘濕地生境植被大都處于次生演替中級階段，植被群落組成相對穩定，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2個月左右，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爭態，通常禾本科植被群落占據一定優勢。

高級灘主要分布在近5～10a覆水1次的區域，該區域荒草濕地生境植被基本處于次生演替中級至高級階段。由于近幾年該區域鮮有上水，因此其植被已經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。現行水文條件下分布荒草濕地生境的灘地見圖4、表4，分布荒草濕地生境的灘地總面積247.41km，占沿黃寬灘區總面積的9.01%。分布荒草濕地生境的灘地類型主要為高級灘，次生灘及中生灘相對較少。中生灘僅在花園口至夾河灘河段分布相對較多，植被大多處于演替的中級階段，多為蘆葦草甸。夾河灘斷面以下河段分布的高級灘相對較多，植被多處于演替的高級階段。

在黃河下游河道防洪優先的背景下，結合下游灘區不同洪水情景下的漫灘淹沒情況，綜合給出黃河下游寬灘區荒草濕地生境的具體分布。參考《鄭州黃河省級自然保護區總體規劃》，部分區域已經20多a未漫灘上水，基本沒有自然形成的濕地生境。因此，按照20a一遇及其以下量級洪水的漫灘風險評估結果[19]，將20a一遇洪水淹沒范圍作為黃河下游灘區荒草濕地生境最大分布范圍，見圖5。花園口—夾河灘段洪水漫灘風險極低，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險相對較大，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，處于演替高級階段的植被群落。

3.3荒草濕地生境時空變化影響因素分析

3.3.1水沙活動對荒草濕地生境的影響

（1）上游來水量和水文節律對濕地生境的影響。根據黃河下游各水文監測斷面年、月徑流量變化特征，小浪底水庫運行以來，黃河下游來水量呈增大趨勢，一定程度上使得河流濕地及灘涂濕地生境面積增大。但相較于調水調沙前水文節律的均衡穩定，調水調沙后的徑流量在年內各月分配極不均勻，月徑流量驟變，不利于荒草濕地生境植被群落的穩定演替。

（2）洪水脈沖對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程稱為一個洪水脈沖[20]，洪水脈沖可以精確描述水文情勢變化的程度。由于未能獲取與遙感解譯結果相匹配年份的水文數據，因此對收集到的2002年黃河下游河段水文監測斷面實測水位數據進行概化處理，以近似獲取相應年份（2000年）的水文數據（2013年水文數據近似匹配2015年遙感解譯結果），進而分析洪水脈沖對荒草濕地生境的影響。在2002年7月4—15日，以小浪底水庫為主，黃河下游開展了第一次調水調沙，考慮調水調沙事件影響的連續性，將2002年7月全月的相關水位數據剔除，近似獲取概化的2000年（未開展調水調沙活動前）黃河下游各水文監測斷面水位變化情況，見圖6。

對比概化的2000年（未開展調水調沙）及2013年（已開展調水調沙）黃河下游各監測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周期性;2013年黃河下游水位變化呈現一極高雙峰式洪水脈沖，且雙峰出現間隔時間較短。以花園口監測斷面為例，6月1日河道水位開始上漲，在30d內從90.07m上漲至91.98m，又經過30d回落至90m左右。總結2013年洪水脈沖特點可知，洪水脈沖峰值約為2m，洪水脈沖總歷時約為2個月。

根據黃河下游灘區荒草濕地生境典型植被生態水文因子需求情況[18]（見表5，其中植被需水時間為4—6月植被萌發期，7—10月植被生長期），水位變化等對灘區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2、3m，洪水脈沖持續時間長達60余d。根據表5中植被對生態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更大、洪水歷時相對更久，上游來水在退水過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，為灘區內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人類經濟社會活動對荒草濕地生境的影響

（1）農業生產對荒草濕地生境的影響。人類活動對荒草濕地生境的影響極為顯著，灘區群眾為增加耕地面積，對沿黃荒草濕地生境進行改造。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，已經演替為穩定檉柳林。當地群眾為增加耕地面積，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，面積減小到原來的1.25%。

（2）挖沙活動對荒草濕地生境的影響。黃河下游河道需要開展清淤排沙、輸沙工作等，灘區內存在一定挖沙活動。結合衛星遙感影像，在2019年11月6日對典型挖沙區域進行實地植被信息收集發現，未受挖沙影響區域分布有穩定檉柳植被群落，檉柳單獨植株已近4m高，被挖沙活動直接干擾的區域則僅見部分莎草科植被，黃河下游灘區內的挖沙活動已嚴重影響黃河下游灘區荒草濕地生境植被的演替發展。

4結論

利用Landsat系列衛星遙感影像數據，分析了黃河下游寬灘區荒草濕地生境時空變化規律。引入洪水脈沖等理論分析了水沙活動對濕地生境的影響，基于實地調研分析了人類活動對濕地生境的干擾，采用MNDWI間接識別灘區荒草濕地生境分布空間，得到如下結論。

（1）從2000年至2015年，黃河下游寬灘區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。

（2）現行水沙條件較小浪底水庫運行前不利于黃河下游寬灘區荒草濕地植被生長。目前黃河下游洪水脈沖峰值在夾河灘、高村斷面可分別達2、3m，洪水脈沖持續時間長達60余d。結合荒草濕地生境植被對生態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，占沿黃寬灘區總面積的9.01%。分布荒草濕地生境的灘地類型主要為高級灘，次生灘和中生灘分布荒草濕地生境面積較小。

【責任編輯 呂艷梅】