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鄱阳湖在全球候鸟保护方面起着至关重要的作用:平均每年有38.4万余只候鸟在此越冬[1]；是世界上95%的白鹤和75%的东方白鹳等珍稀水禽种群的越冬场所[2], 也是世界上最大的越冬鸿雁群体所在地, 数量达3万只以上[3]。苦草作为鄱阳湖沉水植物群系的优势种, 其地下块茎-冬芽是鹤类、小天鹅、鸿雁等水禽的主要食物[3-4], 冬芽的产量对候鸟在鄱阳湖越冬具有重要意义, 特别是白鹤, 因为白鹤是除了鄱阳湖以外几乎没有其他真正适宜栖息地的物种之一[4]。然而, 2013年第二次鄱阳湖科学考察发现沉水植物分布面积已大幅缩减37.72%[5], 因此, 越冬水鸟食物资源苦草的保育对鄱阳湖湿地生态系统保护至关重要。
水位波动是湿地生态系统中普遍存在的一种干扰因素, 其变化对湿地水生植物群落的初级生产力、物种分布、物种多样性以及群落的演替都具有极其重要的影响[6]。长时间水淹或干旱均能导致沉水植物种群密度和生物量大大降低, 进而影响到种群的更新和恢复[7], 研究表明不同水深下苦草的株数、叶片长度、叶片厚度、冬芽密度等随水深变化显著[8-9]。因此, 水位变化会影响苦草等沉水植物生长, 进而影响候鸟在鄱阳湖越冬。鄱阳湖水位变化受流域“五河”和长江来水的双重影响, 长期以来形成了固有的丰枯变化节律；然而, 21世纪以来受长江及“五河”上游水库群运用等的影响, 鄱阳湖枯水节律发生了明显变化:枯水期提前、枯水历时延长、最低枯水位更枯[10]。为了应对新的枯水情势, 江西省提出兴建鄱阳湖水利枢纽工程按照“调枯不控洪”的方式保障枯水期的“三生”用水。该工程建议引起国内外广泛关注, 其中湿地与越冬水鸟保护是焦点问题之一, 天然水位节律的彻底改变对鄱阳湖湿地生态系统的影响需要深入研究。
已有的水位水深变化对苦草的影响研究集中在两个方面: ①水深对苦草生长的影响, 主要的研究手段是现场调查和室内实验, 已基本形成了共识性的苦草生长的适宜水深及耐受阈值[11-16]；②水位对鄱阳湖苦草等沉水植被分布面积的影响, 主要的研究手段是现场调查和遥感解译, 通过有限的观测散点获得特征水位下沉水植物分布面积及规律[17-19], 由于数据有限及遥感反演无法从沉水植物中精确区分出苦草, 导致所得规律存在不确定性。目前尚未见到通过长系列生境连续模拟建立水位对苦草生境定量影响函数的研究及成果, 生境模拟将物理生境因子条件和生物本身的需求结合起来, 模拟河湖水位、流量和特定物种或群落适宜生境分布之间的定量关系, 获得保护水生生物的生态水位和流量, 是生态需水计算中较为可靠的方法[20]。
本文在构建鄱阳湖苦草生境数值模拟模型的基础上, 以水深为关键生境因子, 通过长系列连续模拟建立水位变化与苦草潜在生境面积之间的定量响应函数, 揭示苦草生长的适宜生态水位区间, 为江湖新水沙条件下鄱阳湖湿地生态系统保育提供量化依据。
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鄱阳湖苦草生境模拟由物理生境因子时空分布模拟和生境适宜度评价两部分组成, 对白鹤、小天鹅、鸿雁等水禽的主要食物资源苦草的生境进行评价, 量化水位变化对苦草潜在生境面积的影响, 为生态水位调控提供依据。
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鄱阳湖苦草物理生境因子时空变化模拟基于环境流体动力学模型EFDC(The Environmental Fluid Dynamics Code), 该模型包括水动力、温热、水质和泥沙等模块。EFDC是美国国家环保署USEPA法定推荐的水系统模拟模型之一, 被广泛用于模拟河流、河口、湖泊、水库、湿地系统以及自近岸到陆架的海域一维、二维和三维流场、物质输运、生态过程及淡水入流, 能同时考虑风、浪、潮、径流的影响, 并可以设置水工建筑物[21]。本次物理生境因子模拟主要用到EFDC的水动力模块, 其水动力学方程采用垂向静压假定, 在水平方向上采用曲线正交坐标, 垂直方向上采用σ坐标变换, 沿重力方向分层求解三维紊动黏性方程, 主要模型方程见文献[22]。
鄱阳湖入湖水系较多, 模型上边界设为五河尾闾入流, 其中赣江西支、北支、中支和南支依据外洲站流量和各分支断面面积进行概化分配, 抚河采用李家渡站流量, 信江东大河、西大河依据梅港站流量和各分支断面面积进行概化分配, 饶河采用渡峰坑和石镇街站流量叠加, 修水采用虬津站和万家埠站流量叠加, 下边界采用湖口水位(位置如图 1所示)。鄱阳湖丰枯水期水位及湖面面积变化显著:枯水期呈现明显的“河相”, 水流只在河道深槽中流动, 大部分滩地显露；丰水期呈现明显的“湖相”, 湖面宽广, 水流趋于静止。为了能够精确地模拟鄱阳湖年内河湖相的交替变化过程, 采用曲线正交贴体网格对计算域进行剖分, 网格剖分尽量沿主河槽或堤防, 精确地概化出河道、滩地、岛屿等边界的过渡衔接, 使水流方向尽可能真实体现流动状态, 并对湖区内主槽网格进行加密处理, 充分反映计算域的特征以提高模型精度。最终水平网格数量14 110个, 范围覆盖了“五河”下游尾闾地区和整个丰水期时的湖面, 且将已与主湖分隔的军山湖剥离出计算域, 共计3 292 km2, 绝大部分网格尺寸在200~500 m之间, 湖区内主槽网格小至150 m左右, 部分滩地网格大至1 000 m左右。由于本文主要模拟水深的变化, 因此垂向上设置为1层以提高模型计算效率。湖床高程采用鄱阳湖2010年1: 10 000实测水下地形资料(国家85高程基准)进行插值, 插值后的地形见图 1。
图 1 鄱阳湖水系统及地形
Figure 1. River network and bathymetry in Poyang Lake
2008年9月28日三峡水库开始175 m正常蓄水位的试验性蓄水, 因此模型从2008年9月开始滚动计算直至2017年12月。根据鄱阳湖苦草的生长期, 选择3月中旬至10月下旬进行结果的统计分析。EFDC水动力模块的关键参数为床面粗糙高度, 经率定后取值在0.023~0.030 m之间。为反映“五河七口”以下20%左右未控区间产流对湖区水量平衡的影响, 采用预估-校正模式进行两次模拟:先仅基于“五河七口”实测流量模拟获得湖口出流计算值, 将其与实测湖口流量的差值作为全湖的未控区间水量；然后将估算的未控区间水量按照同期五河来水量比例叠加到边界入流上进行校正计算。模型对鄱阳湖区星子站、吴城(修水)站、吴城(赣江)站、棠荫站、鄱阳站、龙口站、康山站和都昌站8个站的水位进行了验证, 绝大部分时段水位误差在0.10 m以内。
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苦草为莲座型沉水植物, 在鄱阳湖主要分布在水深4 m以内的湖滨带[3-4]；每年的3月中旬至10月中下旬是苦草的生长期, 其中7月中旬以前是营养生长期、之后为繁殖生长期[3]。苦草作为沉水植物能通过水传播种子, 使其在系统内广泛扩散保存在种子库中, 只要遇上合适的条件就会萌发存活；相关调查也发现苦草种子广泛分布于鄱阳湖各湿地类型和不同水位区间[23], 这一特性保障了苦草能较快适应水位变化在异常洪水或干旱之后迅速恢复。鉴于苦草的这一特性, 同时考虑到其生长还受光照强度、透明度、基质、营养盐等其他环境因子的影响, 因此, 本文将3月中旬至10月中下旬水深≤4 m的水域界定为鄱阳湖苦草的潜在生境，表示其可能生长区域。
鄱阳湖苦草潜在生境适宜度评价采用适宜度曲线法。适宜度曲线以生境因子的数值为横坐标, 以目标物种对此生境因子的适宜度为纵坐标, 建立目标物种对单个生境因子的偏好与生境因子之间关系的连续曲线, 能定量描述物理生境特征与物种在该条件下的生存质量。用0和1之间的数值定义目标物种对单因子的偏好, 曲线的峰值代表生物对该因子的最适宜范围[25]。水深是影响沉水植物生长、繁殖与分布的重要环境因子, 沉水植物通过形态和生理上的响应来适应不同的水深条件。苦草属于阴生植物, 对于低光具有较强的耐受性, 而强光则造成光损伤反而抑制其生长。相关研究表明1~2 m水深苦草的相对生长率和生物量均最高:太湖梅梁湾水池实验表明苦草的最适生长水深为1.5 m左右[11], 洱海挂盆实验表明1 m水深处苦草的生物量显著高于2.4 m水深处的苦草[12], 梁子湖水深模拟实验发现1.0~1.6 m水深是苦草的最适生长深度[13], 江西人工湖水池实验表明1.0~1.4 m水深苦草生长最好[14]；太湖胥口湾室外模拟控制实验表明水深2 m苦草生长受到抑制[15], 西凉湖原位实验表明水深超过2 m后苦草生物量显著减少[16]。综合上述研究成果, 同时考虑到苦草适宜生长水深的空间异质性, 设定水深适宜度曲线如图 2所示。
图 2 苦草水深适宜度曲线
Figure 2. Habitat suitability curve for water depth
根据各网格单元水深及其适宜度指数采用加权可用面积法[25]计算鄱阳湖苦草潜在适宜生境面积, 见式(1), 以进一步反映水深≤4 m的水域内水深变化对苦草生长的影响。
$$ {A_{{\rm{WU}}}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{A_i}{S_i}} $$ (1) 式中: AWU为潜在适宜生境面积, km2；Ai为第i个网格单元的面积, km2；Si为第i个网格单元的生境适宜度。
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根据星子站实测水位和模拟计算的苦草潜在适宜生境面积相关图(图 3), 采用门限回归法建立鄱阳湖苦草潜在生境面积对水位变化的定量响应关系, 见式(2)。由于生境数值模拟最大的不确定性来自适宜度曲线, 进一步统计分析星子站实测水位和模拟计算的水深≤4 m水域面积之间的相关关系(图 4, 式(3)), 以此验证本文所设苦草水深适宜度曲线的合理性。
图 3 潜在适宜生境面积随水位变化
Figure 3. Area vers water level for potential suitable habitat
图 4 水深≤4 m水域面积随水位变化
Figure 4. Area vers water level for region(D≤4 m)
$$ {A_{{\rm{WU}}}} = \left\{ \begin{array}{l} - 0.240{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 162{Z^6} + 16.116{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 19{Z^5} - 446.874{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 9{Z^4} + 6{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 551.890{Z^3} - \\ {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 53{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 533.22{Z^2} + 230{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 994.3Z + 410{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 472{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} Z \le 14.80\\ 0.339{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 957{Z^6} - 36.749{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 21{Z^5} + 1{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 642.942{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 0{Z^4} - 38{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 871.134{Z^3} + \\ {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 513{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 185.54{Z^2} + 3{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 584{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 151.4Z + 10{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 347{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 462{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} Z > 14.80 \end{array} \right. $$ (2) $$ A = \left\{ \begin{array}{l} - 0.221{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 269{Z^6} + 15.128{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 44{Z^5} - 426.104{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 0{Z^4} + 6{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 322.783{Z^3} - \\ {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 52{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 073.98{Z^2} + 225{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 547.4Z - 399{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 856{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} Z \le 15.30\\ 0.616{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 346{Z^6} - 71.984{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 49{Z^5} + 3{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 460.282{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 7{Z^4} - 87{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 735.014{Z^3} + \\ {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 1{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 235{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 658.38{Z^2} - 9{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 239{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 978.7Z + 28{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 475{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 481{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} Z > 15.30 \end{array} \right. $$ (3) 式中: Z为星子站水位, m；A为水深≤4 m水域面积, km2。可见, 潜在适宜生境面积和水深≤4 m水域面积均在星子站水位15 m左右达到最大, 分别为1 703 km2和2 336 km2；当水位低于或高于这一临界点, 潜在适宜生境面积和水深≤4 m水域面积均下降, 高水区比低水区下降速率更快。此外, 亦可看出洪水相比枯水对苦草的损害更大:当星子水位低于9 m后, 潜在适宜生境和水深≤4 m水域面积分别稳定在700 km2和1 400 km2左右；而当星子水位涨至19 m时, 相应面积分别仅有190 km2和400 km2左右, 超过20 m后全湖苦草生境几乎全部丧失；2016年和2017年连续2年鄱阳湖遭遇大洪水、最高洪水位分别为21.36 m和20.87 m, 洪水过后主湖区和碟形湖均未发现沉水植物活体, 且2018年尚未恢复[6]。
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以三峡水库为核心的长江上游水库群建成运用后, 长江中下游河湖水文情势出现了一系列新变化, 对鄱阳湖而言汛末蓄水期是影响最大的时段, 每年的9月中下旬至10月底和11月初是三峡水库的蓄水期。基于1991—2017年星子站逐日水位序列, 采用本文建立的潜在适宜生境及水深≤4 m水域面积与星子站水位的函数计算苦草潜在生境面积的长系列变化并统计生成旬均值序列, 然后以2003年6月三峡水库蓄水运用为分界点分析三峡运用前后蓄水期苦草潜在生境面积的变化特征, 结果见表 1。三峡运用后蓄水期星子水位相比运用前明显下降、均值降幅达到1.58 m；但是苦草潜在适宜生境和水深≤4 m水域面积的均值和最大值在三峡运用前后变化很小, 而最小值运用后相比运用前增加非常明显, 说明三峡水库的运用有助于遏制苦草生境最不利情形；此外, 三峡运用后苦草潜在生境面积变化趋于稳定、扰动幅度减小, 潜在适宜生境和水深≤4 m水域面积序列标准差在三峡运用后减小幅度分别达到27%和47%。扰动对维持生态系统的弹性及物种多样性等具有重要意义, 三峡运用后鄱阳湖苦草潜在生境面积扰动幅度的减小是否会对其湿地生态系统产生不可逆的不利影响有待更长时段的观察和更深入的研究。
表 1 三峡运用前后蓄水期苦草潜在生境变化
Table 1. Change of potential habitat of Vallisneria natans in Poyang Lake after TGP operation
特征值 潜在适宜生境面积/km2 水深≤4 m水域面积/km2 星子站水位/m 三峡运用前 三峡运用后 三峡运用前 三峡运用后 三峡运用前 三峡运用后 均值 1 256 1 198 1 920 1 946 14.96 13.38 最大值 1 692 1 686 2 338 2 337 20.68 18.13 最小值 12 425 25 881 11.33 8.81 标准差 446 325 562 301 2.05 2.39 -
拟建鄱阳湖水利枢纽选择在鄱阳湖入江水道的屏峰山与长岭山之间建闸, 上距星子县城约12 km、下至鄱阳湖入长江口约27 km(位置见图 1)。论证中的鄱阳湖大闸水位调控分为5个时段:下闸蓄水期(9月1日—20日)、长江上游水库蓄水调节期(9月21日—10月31日)、补偿调节期(11月1日—次年2月28日)、低枯水位调控期(3月1日—31日)、江湖连通期(4月1日—8月31日)[2], 苦草生长期覆盖了前2个调度期。基于三峡运用前1953—2002年星子站月平均水位序列, 统计出的9月和10月5%高水位、50%平水位、95%枯水位见表 2[26]。可见, 9月50%多年平水位下潜在适宜生境及水深≤4 m水域面积与最大值相比偏小幅度分别为20%和7%；而10月该值接近最大值, 偏小幅度仅为1%。
表 2 星子站不同特征水位下苦草潜在生境面积
Table 2. Potential habitat area of Vallisneria natans in Poyang Lake under different water level at Xingzi station
月份 频率/% 星子水位/m 潜在适宜生境 水深≤4 m水域 面积/km2 偏离最大值幅度/% 面积/km2 偏离最大值幅度/% 9月 5 19.30 152 91 337 86 50 16.11 1 361 20 2 162 7 95 12.94 1 248 27 2 006 14 10月 5 17.57 612 64 1 241 47 50 14.67 1 693 1 2 321 1 95 11.78 1 010 41 1 837 21 目前已开展的大量论证方案中拟建鄱阳湖水利枢纽下闸蓄水期内建议的水位控制区间为14.50~17.50 m, 长江上游水库蓄水调节期内建议的水位控制区间为11.50~16.00 m。采用本文建立的生境面积与水位的函数关系, 评价不同调控方案对鄱阳湖苦草潜在生境面积的影响, 结果见表 3。从湿地生态系统保育出发, 拟建鄱阳湖枢纽下闸蓄水期内水位宜控制在16 m以下, 潜在适宜生境及水深≤4 m水域面积与最大值相比偏小幅度分别在20%和10%以内, 且略大于50%多年同期平水值；长江上游水库蓄水调节期内水位宜控制在13.50 m以上, 潜在适宜生境及水深≤4 m水域面积与最大值和50%多年同期平水值相比偏小幅度均分别在20%和10%以内。拟建鄱阳湖枢纽下闸蓄水期内建议最高控制水位16 m略低于多年同期平水位16.11 m, 长江上游水库蓄水调节期内建议最低控制水位13.50 m比多年同期平水位14.67 m低约1 m；按此控制建闸后鄱阳湖9—10月水位变幅收窄至2.50 m左右, 可有效保障苦草潜在生境面积, 但其变化趋于稳定、扰动幅度将显著减小, 是否会对湿地生态系统产生不可逆的不利影响有待更深入的研究。
表 3 拟建鄱阳湖大闸控制水位对苦草潜在生境面积的影响
Table 3. Potential habitat area of Vallisneria natans in Poyang Lake under different water control schemes
调控水位/m 适宜生境 水深≤4 m水域 面积/km 2 偏离最大值幅度/% 面积/km 2 偏离最大值幅度/% 17.50 644 62 1 295 45 17.00 897 47 1 674 28 16.50 1 165 32 1 991 15 16.00 1 411 17 2 197 6 15.50 1 594 6 2 302 1 15.00 1 689 1 2 352 1 14.50 1 668 2 2 294 2 14.00 1 546 9 2 197 6 13.50 1 399 18 2 099 10 13.00 1 263 26 2 015 14 12.50 1 147 33 1 941 17 12.00 1 049 38 1 870 20 11.50 963 43 1 793 23 -
(1) 基于生境数值模拟, 以星子站水位作为鄱阳湖代表性控制水位, 建立了苦草潜在适宜生境和水深≤4 m水域面积变化与水位的定量响应函数, 揭示了苦草潜在生境面积的变化规律:星子站水位15 m左右潜在生境面积最大, 潜在适宜生境和水深≤4 m水域最大面积分别约为1 703 km2和2 336 km2。
(2) 三峡水库运用可有效保障鄱阳湖苦草潜在生境面积, 有助于遏制生境最不利情景；但也导致苦草潜在生境面积变化趋于稳定、扰动幅度显著减小, 其长远的生态影响有待更长时段的观察和更深入的研究。
(3) 拟建鄱阳湖水利枢纽下闸蓄水期水位宜控制在16 m以下, 潜在适宜生境及水深≤4 m水域面积略大于50%多年同期平水值, 与最大值相比偏小幅度分别在20%和10%以内；长江上游水库蓄水调节期内拟建枢纽水位宜控制在13.5 m以上, 潜在适宜生境及水深≤4 m水域面积与最大值和多年同期平水值相比偏小幅度均分别在20%和10%以内。
水深仅是苦草生长的一个生境因子, 光照强度、透明度、基质、营养盐等都会影响苦草的生长,下阶段应构建复合生境因子作用下的鄱阳湖苦草生境数值模拟模型, 为湿地生态系统保育提供更为全面深入的科学依据。
Effects of water level fluctuation on the potential habitat area of Vallisneria natans in Poyang Lake
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摘要: 苦草是鄱阳湖越冬水鸟的重要食物资源，为量化水位变化对鄱阳湖苦草生境的影响，基于环境流体动力学模型（EFDC）和生境适宜度曲线，构建了鄱阳湖苦草生境数值模拟模型；对三峡水库175 m试验性蓄水后鄱阳湖苦草潜在生境面积变化进行了连续模拟，建立了苦草潜在适宜生境和水深≤4 m水域面积变化与星子站水位的定量响应函数；并据此分析了三峡水库运用及拟建鄱阳湖水利枢纽对苦草潜在生境面积的影响。星子站水位15 m左右时苦草潜在生境面积最大，潜在适宜生境和水深≤4 m水域面积分别为1 703 km2和2 336 km2。三峡水库运用可有效保障鄱阳湖苦草潜在生境面积，但其扰动幅度也明显减小，潜在适宜生境和水深≤4 m水域面积序列标准差在三峡运用后减幅分别达到27%和47%。拟建鄱阳湖水利枢纽调控水位在其下闸蓄水期和长江上游水库蓄水调节期内宜分别控制在16 m以下和13.5 m以上，可保障潜在适宜生境及水深≤4 m水域面积与最大值相比减幅分别控制在20%和10%以内。成果明晰了水位变化对鄱阳湖苦草潜在生境面积的定量影响规律，为江湖新水沙条件下鄱阳湖生态系统保育提供了量化依据。Abstract: As the dominant submerged macrophytes in Poyang Lake, the winter buds of Vallisneria natans provide food for wintering waterbirds. In order to quantify the effects of water level fluctuation on the habitat area of Vallisneria natans in Poyang Lake, a numerical model was developed by integrating an EFDC hydrodynamic model and habitat suitability curves. The habitat of Vallisneria natans in Poyang Lake was continuously simulated since the 175 m impoundment of the Three Gorges Reservoir in 2008. The quantitative response functions between potential habitat area and water level at Xingzi gauge station were developed for two habitat criteria:① suitable habitat based on suitability curves and ② regions with water depth≤4 m where Vallisneria natans can grow. It was found that potential habitat area of Vallisneria natans is maximized when the water level at Xingzi gauge station is around 15 m, producing a suitable habitat area is about 1 703 km2 and an area with water depths≤4 m is about 2 336 km2. The impacts of Three Gorges Reservoir and proposed Poyang Lake Lock on the potential habitat area of Vallisneria natans were analyzed. The operation of Three Gorges Reservoir could prevent habitat area getting too small, which could guarantee habitat stability. However, the fluctuation of habitat area decreases significantly, with standard deviations of habitat area declining 27% and 47% for potential suitable habitat and regions with water depth≤4 m respectively compared to its pre-operation. For the proposed Poyang Lake lock, in order to decrease its negetive effect on Vallisneria natans habitat, the recommended operation water level during its refill period should be lower than 16 m, and the water level during the refill period of Three Gorges Reservoir should be higher than 13.5 m. This operation results in a reduction in suitable habitat area by less than 20% from the maximum (1 703 km2), and in a reduction in the area of regions with water depth≤4 m less than 10% from the maximum(2 336 km2). The quantitative influence of water level fluctuation on the potential habitat area of Vallisneria natans in Poyang Lake has been clarified, and the quantitative basis for the conservation of Poyang Lake ecosystem under the modified regime of flow and sediment was provided.
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Key words:
- wetland /
- habitat modeling /
- ecological water level /
- submerged macrophyte /
- Poyang Lake
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表 1 三峡运用前后蓄水期苦草潜在生境变化
Table 1. Change of potential habitat of Vallisneria natans in Poyang Lake after TGP operation
特征值 潜在适宜生境面积/km2 水深≤4 m水域面积/km2 星子站水位/m 三峡运用前 三峡运用后 三峡运用前 三峡运用后 三峡运用前 三峡运用后 均值 1 256 1 198 1 920 1 946 14.96 13.38 最大值 1 692 1 686 2 338 2 337 20.68 18.13 最小值 12 425 25 881 11.33 8.81 标准差 446 325 562 301 2.05 2.39 
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表 2 星子站不同特征水位下苦草潜在生境面积
Table 2. Potential habitat area of Vallisneria natans in Poyang Lake under different water level at Xingzi station
月份 频率/% 星子水位/m 潜在适宜生境 水深≤4 m水域 面积/km2 偏离最大值幅度/% 面积/km2 偏离最大值幅度/% 9月 5 19.30 152 91 337 86 50 16.11 1 361 20 2 162 7 95 12.94 1 248 27 2 006 14 10月 5 17.57 612 64 1 241 47 50 14.67 1 693 1 2 321 1 95 11.78 1 010 41 1 837 21
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表 3 拟建鄱阳湖大闸控制水位对苦草潜在生境面积的影响
Table 3. Potential habitat area of Vallisneria natans in Poyang Lake under different water control schemes
调控水位/m 适宜生境 水深≤4 m水域 面积/km 2 偏离最大值幅度/% 面积/km 2 偏离最大值幅度/% 17.50 644 62 1 295 45 17.00 897 47 1 674 28 16.50 1 165 32 1 991 15 16.00 1 411 17 2 197 6 15.50 1 594 6 2 302 1 15.00 1 689 1 2 352 1 14.50 1 668 2 2 294 2 14.00 1 546 9 2 197 6 13.50 1 399 18 2 099 10 13.00 1 263 26 2 015 14 12.50 1 147 33 1 941 17 12.00 1 049 38 1 870 20 11.50 963 43 1 793 23
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