鄱阳湖湿地植被时空分布特征及其对水位变化的响应研究

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湿地在维系全球生态平衡方面具有不可替代的作用,长期以来为人类提供了丰富的资源,具有重要的自然生态和人文价值。然而,受气候变化及人类活动共同影响,全球天然湿地正日益减少,湿地健康状况日益恶化。植被作为湿地的核心组成要素,在湿地生态功能的发挥中扮演重要角色,同时也是评价湿地健康状况的重要指标。湿地水文不仅左右着湿地的物理、化学和生态作用,也在湿地发育演化和维持景观效益方面起到关键作用。因此认识水文变化对湿地景观,尤其是植被景观的影响对湿地保护具有重要意义。  鄱阳湖是我国最大的天然通江淡水湖泊,与上游河流和长江之间存在着紧密的水力联系。鄱阳湖水面变化剧烈,丰水期湖泊面积超过4000 km2,而枯水期湖泊面积不足1000 km2,进而形成广阔的草洲湿地。水位的周期性波动形成洲滩上特定的环境梯度,湿地植物群落沿环境梯度呈现有规律的带状分布。21世纪以来,上游来水减少以及三峡水库蓄水等导致鄱阳湖丰水期水位下降及枯水期提前等水文变化,给湿地植被带来一系列影响:如高滩地植被退化,水陆过渡带局部植被发生演替,低滩地新出露的区域水生植被减少等。因而,认识鄱阳湖植被的时空分布特征及其对水位变化的响应具有重要的科学价值和现实意义。  虽然已有研究对典型湿地或断面的水位-植被关系进行过探讨,但从全湖尺度,对具体水情与植物群落分布的关系及不同水文阶段水位波动对植被变化的影响认识仍有不足之处。本文采用最新的Landsat8遥感影像解译了2013年枯水期鄱阳湖的湿地类型,运用二维平面水流数学模型MIKE21 HD模拟了湖区2000-2012年逐日的水情特征。在此基础上,分析并揭示了大尺度湿地植被空间分布特征及其与关键水情要素之间的关系。通过MODIS EVI(EnhancedVegetation Index)统计了鄱阳湖的草洲面积,探明了不同水文阶段湿地植被变化对水位变化的响应差异。论文得到的主要结论总结如下:  1.鄱阳湖湿地三种优势植物群落分布的最适高程依次为:藜蒿群落(Artemisia community,14.3 m)>南荻群落(Triarrhena community,13.2 m)>苔草群落(Carex community,12.4 m)。苔草群落分布面积最广(591.46km2),其次是南荻群落(310.69 km2),最后是藜蒿群落(123.71 km2)。与历史研究结果相比,三种群落类型的分布高程均有不同程度下降的现象,南荻群落的分布面积有所减小,而苔草群落的分布面积有所增加。三种优势植物群落在南矶湿地国家级自然保护区的分布高程比在鄱阳湖国家自然保护区的分布高程高约1m,这种分布差异很可能是由鄱阳湖湿地水情变化引起的。  2.鄱阳湖湿地三种优势植物群落空间分布最适的淹水历时:藜蒿群落(129d)<南荻群落(148 d)<苔草群落(162 d);最适淹没深度同样为藜蒿群落(0.7m)<南荻群落(1.1 m)<苔草群落(1.4 m);最适淹水频率均为1-2 d。淹水历时是影响鄱阳湖植物群落空间分布最重要的水情因子。湿地生态系统中各种环境因子相互联系、共同作用,最终形成了鄱阳湖湿地现在的植被空间分布格局。  3.进入21世纪后,鄱阳湖湿地生长在海拔较高的滩地上的植被有显著减少的趋势(P<0.05),而生长在低滩地的植被有显著增加的趋势(P<0.05)。植被增长的区域面积(1135.80 km2)显著大于减少的区域面积(361.44 km2)。高滩地上的草洲植被EVI正以平均每10年0.0745的速率在减少。而低滩地的植被EVI正以平均每10年0.0661的速率在增加。这种空间格局主要是由于干旱胁迫下,淹水历时减少等水情变化导致高滩地上植被退化以及低滩地上植被发生正向演替而形成的。  4.三峡工程运行后鄱阳湖多年平均草洲面积(2093.36km2)显著大于三峡工程运行前的多年平均草洲面积(1672.57km2)。草洲面积的变化与都昌站水位变化存在着显著的联系(R2>0.50,P<0.01)。从四个代表水文站的水位变化对草洲面积的影响来看,总体上南部湖区的水位与草洲面积的拟合精度最高。从涨水期、丰水期、退水期和枯水期四个水文阶段来看,退水期草洲面积变化对水位变化的响应更强烈(R2>0.54,P<0.01),枯水期二者关系最不显著(R2<0.17)。当星子站水位低于14 m时,鄱阳湖草洲面积变化几乎不受主湖区的水位变化影响。  本文首次将定量遥感分析与二维平面水流数学模拟的方法相结合来揭示植被-水位关系,为大尺度生态系统研究提供了新的方法和思路。论文量化了鄱阳湖优势植物群落沿高程梯度及水情梯度分布的最优生态位及生态幅,并建立了不同水文阶段植被变化对水位变化的响应模型。研究结果有助于揭示季节性湖泊湿地水位变化对植被时空分布的影响方式和作用机理,对维持鄱阳湖湿地生态系统功能,降低区域生态灾害风险具有重要的理论价值和现实意义,并可为退化湿地的恢复与重建提供重要科学依据。
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