基于遙感反演預(yù)測“引江濟淮”工程對菜子湖越冬水鳥棲息地的影響

周盛, 楊森, 鮑明霞, 楊陽, 李春林

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基于遙感反演預(yù)測“引江濟淮”工程對菜子湖越冬水鳥棲息地的影響

周盛, 楊森, 鮑明霞, 楊陽, 李春林*

安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 合肥 230601

菜子湖位于“東亞-澳大利西亞”候鳥遷徙路線上, 為越冬水鳥提供重要的棲息地?！耙瓭础惫こ虜M通過菜子湖調(diào)引長江水, 向巢湖和淮河輸送水資源。工程實施后, 菜子湖冬季水位將明顯抬升, 改變原有自然節(jié)律, 導(dǎo)致濕地景觀格局發(fā)生重大變化, 可能對在此越冬的水鳥產(chǎn)生重要影響。結(jié)合遙感影像、水位季節(jié)動態(tài)及野外水鳥調(diào)查, 分析不同水位時各類濕地景觀斑塊的分布及面積, 預(yù)測工程實施后湖泊水位變化對越冬水鳥棲息地的影響。2016年和2017年兩次同步調(diào)查共記錄到水鳥49450只, 隸屬于6目12科42種。菜子湖水位和濕地景觀格局具有明顯的季節(jié)動態(tài), 10月份水位開始下降, 暴露多種濕地景觀斑塊, 泥灘和草灘面積隨水位下降而增加, 為多種越冬水鳥提供覓食地。泥灘和草灘的分布具有空間異質(zhì)性, 越冬水鳥的空間分布與此相適應(yīng)。“引江濟淮”工程實施后, 菜子湖冬季水位較高, 導(dǎo)致大量泥灘和草灘不能暴露, 越冬水鳥棲息地喪失嚴重, 如東方白鸛()(EN)、白鶴() (CR)、白頭鶴()(UV)和鴻雁()(UV)等瀕危物種。為降低工程對越冬水鳥棲息地的影響, 建議工程實施后菜子湖越冬期水位應(yīng)不超過11.5米。

引江濟淮; 菜子湖; 越冬水鳥; 濕地退化

0 前言

在過去的一個世紀中, 全球自然濕地幾乎喪失一半以上, 中國也不例外, 特別是近50年來, 約40%的自然濕地嚴重退化或喪失[1]。濕地的退化和喪失對水鳥造成了嚴重的影響, 導(dǎo)致了全球范圍內(nèi)水鳥種群的下降[2-3]。自然濕地的退化和喪失主要歸因于人類對濕地的不合理利用, 其中, 大型水利工程的實施是對濕地生態(tài)系統(tǒng)最嚴重的威脅之一[4-9]。中國是世界上擁有水利工程最多的國家之一, 截止2015年底, 我國已建成各類水庫和大壩達十萬余座[10]。盡管已有研究表明大型水利工程建設(shè)對自然濕地產(chǎn)生嚴重影響, 但此類工程仍有增無減, 這些工程的實施對自然濕地及其生物多樣性的影響亟需深入研究。

大型水庫和水壩的建設(shè), 會導(dǎo)致濕地景觀格局的巨大改變, 對水鳥等濕地生物的棲息地造成嚴重影響[10-13]?！耙瓭础惫こ淌前不帐〉摹澳纤闭{(diào)”工程, 該工程旨在改善巢湖水環(huán)境、發(fā)展江湖水運、支撐環(huán)湖經(jīng)濟發(fā)展[14]。工程擬通過樅陽閘引長江水通過菜子湖、經(jīng)孔城河輸入巢湖, 最終輸入淮河, 全線規(guī)劃總長度為1048.68 km, 其中, 菜子湖段的長度為113.18 km, 貫穿整個菜子湖[14]。菜子湖是典型的淺水通江湖泊, 自然的水文節(jié)律使其濕地景觀格局具有明顯的季節(jié)動態(tài), 秋冬季湖水退卻后暴露多種濕地斑塊, 為東亞-澳大利西亞候鳥遷徙路線上的多種水鳥提供重要的食物資源, 每年有數(shù)以萬計的水鳥在此停歇或越冬[15]。然而, 即將全面實施的“引江濟淮”工程可能對菜子湖的濕地景觀格局及生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生巨大的影響。根據(jù)工程總體規(guī)劃, 工程實施后, 菜子湖秋冬季水位將會抬升[14], 導(dǎo)致各種濕地斑塊不能暴露, 對在此越冬的水鳥產(chǎn)生的影響亟需客觀評價和預(yù)測。

本研究: (1)結(jié)合不同水位時遙感影像的解譯及越冬水鳥的野外調(diào)查, 量化湖泊水位變化對各類群水鳥棲息地面積及空間分布的影響; (2)結(jié)合“引江濟淮”工程對菜子湖水位的改變, 預(yù)測工程實施對不同水鳥棲息地的潛在影響; (3)在此基礎(chǔ)上, 對如何降低“引江濟淮”工程對菜子湖越冬水鳥及其棲息地的影響提出建議, 從而為保護在此越冬的水鳥提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地點

菜子湖(117°01′—117°09′ E, 30°43′—30°58′ N, 圖1)位于長江北岸, 通過樅陽閘南接長江, 是安徽省沿江濕地自然保護區(qū)的重要組成部分[16]。整個湖區(qū)由白兔湖、嬉子湖和菜子湖區(qū)三部分構(gòu)成, 流域面積為3234 km2, 主要支流有孔城河、大沙河、掛車河、龍眠河等[17]。湖區(qū)年平均氣溫16.6 ℃, 年平均降水量1291.3 mm, 年平均蒸發(fā)量為1403.3 mm[18]。

圖1 菜子湖越冬水鳥調(diào)查點

Figure 1 Counting points for wintering waterbirds in Caizi Lake

菜子湖的濕生植物主要由陌上菅群叢(Ass.)和朝天萎陵菜群叢(Ass.)組成, 挺水植物主要由蘆葦群叢(Ass.)和茭草群叢(Ass.)組成, 浮葉植物主要由菱群叢(Ass.)和莕菜群叢(Ass.)組成, 沉水植物主要由馬來眼子菜群叢(Ass.)和苦草群叢(Ass.)組成[19]。多年的水鳥調(diào)查表明, 在菜子湖越冬的水鳥約多達80種以上, 其中, 有10種水鳥被列為IUCN受脅物種, 如東方白鸛、白鶴、鳳頭麥雞()、白頭鶴、鴻雁和紅頭潛鴨()等[20]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

從安徽省水文信息網(wǎng)(http://61.191.22.157/ TYFW/InfoQuery/Lake.aspx)獲取菜子湖水位數(shù)據(jù), 并從中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)和中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心(http://www.cresda.com/CN/)下載Landsat和高分一號遙感影像(表1),各影像對應(yīng)水位平均間隔約為0.5 m。所有影像均已經(jīng)過系統(tǒng)處理, 包括輻射校正和幾何校正等[12]。其中, 2013年7月12日的影像日均水位(12.85 m, 吳淞高程)與菜子湖樅陽閘近十年(2007—2016年)豐水期平均水位(13.06 m)相接近, 我們選取此影像判讀出的水域范圍作為本研究的研究區(qū)域。

表1 本研究所用的遙感影像及其對應(yīng)水位

2.2 遙感影像解譯

首先, 運用ENVI 5.1軟件, 對遙感影像進行預(yù)處理, 包括去云處理[21]、遙感影像融合[22]、使用假彩色組合建立遙感圖像解譯標(biāo)志(表2)[23]。然后, 結(jié)合監(jiān)督分類(最大似然法)和人工目視解譯, 對影像進行分類[24]。地表覆被類型分為草灘、泥灘和水域, 分別為越冬水鳥三種主要的棲息地類型。

2.3 水鳥調(diào)查

我們沿菜子湖岸邊共設(shè)置59個采樣點, 用于越冬水鳥種群及棲息地利用調(diào)查。為避免重復(fù)計數(shù), 調(diào)查點間最短距離為2 km(圖1)。分別于2016年1月和2017年1月晴朗無風(fēng)的日期, 對所有調(diào)查點進行水鳥同步調(diào)查。調(diào)查時, 觀察者借助雙筒望遠鏡(8.5×42 WB, SWAROVSKI)和單筒望遠鏡(ATS 20-60× 80 HD, SWAROVSKI), 使用直接計數(shù)法[25], 對每個調(diào)查點半徑1 km范圍內(nèi)的水鳥進行計數(shù), 同時記錄各種水鳥所在的棲息地類型等信息。與濕地景觀斑塊類型劃分相適應(yīng), 將水鳥分為雁類、涉禽和游禽。根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果, 三種類型的水鳥分別主要在草灘、泥灘和水域覓食。

2.4 數(shù)據(jù)分析

在SPSS 20.0軟件中, 使用K—S方法, 對各棲息地面積進行正態(tài)分布檢驗。在Sigma Plot 10.0軟件中, 使用非線性回歸, 采用三次多項式方法擬合湖泊水位與各類棲息地面積之間的關(guān)系。使用Python軟件編寫代碼, 對擬合棲息地面積曲線求二階導(dǎo)數(shù), 求算泥灘、草灘的面積隨水位變化的拐點, 即二階導(dǎo)數(shù)為零的水位值。

我們將越冬水鳥種群數(shù)量較大(大于1900只)或發(fā)現(xiàn)至少2種IUCN受脅物種的調(diào)查點作為水鳥分布重點區(qū)域, 對其半徑1 km范圍內(nèi)三種棲息地類型在水位最低點和最高點時的面積進行對比, 分析工程實施對這些重要區(qū)域各類水鳥棲息地的影響。

表2 不同景觀斑塊類型遙感影像解譯標(biāo)志

3 研究結(jié)果

3.1 越冬期水位

菜子湖水位呈明顯的季節(jié)動態(tài)(圖2), 豐水期(6—9月份)水位較高, 平均為13.06 m。每年10月中下旬, 水位開始退卻, 水鳥越冬前期(11—12月)平均水位為8.25 m, 越冬中期(1—2月)為7.49 m, 越冬后期(3—4月)為8.58 m。

3.2 水鳥群落

2016年和2017年的兩次同步調(diào)查共記錄到49450只水鳥,隸屬于6目12科42種, 其中遷徙水鳥33種, 占總種數(shù)的78.6%, 涉禽21種16669只, 游禽18種17225只, 雁類3種15556只。種群數(shù)量最多的6種水鳥分別是豆雁()、斑嘴鴨()、白琵鷺()、綠頭鴨()、普通鸕鶿()和蒼鷺(), 其數(shù)量占總數(shù)量的72.4%。有7種鳥類被列入IUCN紅色物種名錄, 分別是白鶴(CR)、東方白鸛(EN)、鳳頭麥雞(NT)、羅紋鴨()(NT)、白頭鶴(UV)、鴻雁(UV)和紅頭潛鴨(UV)。

3.3 越冬水鳥棲息地與水位的關(guān)系

菜子湖水位處于最低(7.64 m)時, 水域、泥灘和草灘的面積分別為2193.1 ha、6955.4 ha和13945.3 ha。隨著湖泊水位的上升, 水域面積增加, 泥灘和草灘面積減少(圖3)。冬季水位下降時, 草灘主要集中在白兔湖北部、菜子湖區(qū)與嬉子湖交界處及菜子湖區(qū)南部, 泥灘則主要集中在白兔湖北部、中部及菜子湖區(qū)南部(圖4)。水位升高到12.85 m時, 水域面積增加了48.3%, 泥灘和草灘面積分別減少了74.0%和73.5%。泥灘、草灘的面積與水位的關(guān)系曲線中, 二階導(dǎo)數(shù)為零的水位值分別為13.1 m和11.5 m。

3.4 越冬水鳥重點分布區(qū)域

越冬水鳥種群數(shù)量大于1900只或含至少2種IUCN受脅物種的調(diào)查點有7個。水位由7.64 m抬升到12.85 m后, 7個調(diào)查點內(nèi)棲息地面積組成變化顯著, 水域面積增加量由高到低分別為調(diào)查點3、1、9、11、22、59、31(圖5)。水位為12.85 m時, 調(diào)查點1、3、22和59的觀測區(qū)域內(nèi)水域面積比例均大于90%(圖6)。

4 討論

本研究表明, 湖泊水位的變化導(dǎo)致菜子湖濕地景觀格局發(fā)生顯著改變, 從而可能對在此越冬的水鳥棲息地產(chǎn)生較大影響。9月下旬開始, 水位逐漸退去, 大量的泥灘暴露, 加之較高的氣溫, 湖灘濕地草本植物開始生長, 形成大片草灘[19]。菜子湖作為“東亞—澳大利西亞”遷徙路線上越冬水鳥的重要停歇地和越冬地, 每年9月末越冬水鳥遷徙至此, 11月數(shù)量達到最大值[15]。秋冬季菜子湖水位退去后暴露的各種濕地斑塊, 如草灘、泥灘和淺水區(qū), 恰好為這些水鳥提供豐富多樣的棲息地。

圖2 菜子湖2007-2017年水位變化(陰影為水鳥越冬期水位)

Figure 2 Water level fluctuation in Caizi Lake from 2007 to 2017 (The shadow area indicates the wintering period for waterbirds)

圖3 菜子湖水位與越冬水鳥棲息地面積擬合的關(guān)系

Figure 3 The relationship between water level and habitat area for wintering waterbirds in Caizi Lake

與其他地區(qū)濕地與水鳥的關(guān)系類似[26-27], 菜子湖越冬水鳥的空間分布與濕地景觀格局有著密切的關(guān)系。白兔湖和菜子湖區(qū)的高程相對較高, 湖泊水位下降過程中, 這些區(qū)域最先暴露出來, 并在整個冬季具有較長的暴露時間, 因此形成了大面積的草灘和泥灘。在湖泊水位下降到7.64 m時, 白兔湖內(nèi)草灘和泥灘面積分別為986.6 ha和2477.4 ha, 各占白兔湖面積的14%和35%。菜子湖區(qū)草灘和泥灘面積分別為964.9 ha和3332 ha, 各占菜子湖區(qū)面積的9.5%和32%。而嬉子湖的草灘和泥灘面積只占其4.1%和19%, 分別為241.6 ha和1146.3 ha。與此相適應(yīng), 白兔湖和菜子湖區(qū)的水鳥種類和數(shù)量都較高,有多個調(diào)查點的水鳥數(shù)量超過1900只或發(fā)現(xiàn)IUCN瀕危物種(圖5)。這與多年其他研究人員的調(diào)查結(jié)果一致[28]。

圖4 菜子湖不同水位時越冬水鳥棲息地面積及空間分布

Figure 4 Habitat area and spatial distribution for wintering waterbirds in Caizi Lake

湖泊水位的自然波動使其景觀格局呈現(xiàn)季節(jié)性的變化, 長期以來, 在此越冬的水鳥已經(jīng)適應(yīng)了這種季節(jié)動態(tài)[10, 28-29]。然而, “引江濟淮”工程實施后, 菜子湖冬季水位將大幅抬升, 并一直保持較高水位, 屆時大面積草灘與泥灘將被淹沒, 多種水鳥的適宜棲息地將不復(fù)存在, 豆雁、白琵鷺等雁類和涉禽的棲息地將受到嚴重影響。但水域面積增加后, 斑嘴鴨、綠頭鴨和鳳頭鸊鷉()等游禽的棲息地將有所增加。我們的研究結(jié)果表明, 泥灘、草灘的面積與水位的關(guān)系曲線中, 二階導(dǎo)數(shù)為零的水位值分別為13.1 m和11.5 m, 低于該水位時, 草灘和泥灘面積隨水位上升的速率較快, 高于該水位時, 速率下降。當(dāng)水位為11.5 m米時, 菜子湖的泥灘和草灘面積分別為2627.6 ha和1266.5 ha。因此, 為了降低“引江濟淮”工程對菜子湖越冬水鳥棲息地的影響, 我們建議, 菜子湖秋冬季的水位應(yīng)不高于11.5 m, 這與鄱陽湖等長江中下游其它通江湖泊的秋冬季建議水位大致相當(dāng)[30-31]。為了有效管理和保護越冬水鳥, 除了合理控制秋冬季湖泊水位以外, 還應(yīng)減少漁業(yè)養(yǎng)殖, 逐步恢復(fù)退化的水生植被, 特別是沉水植被, 為越冬水鳥提供豐富的食物資源[32]。

圖5 菜子湖水鳥分布重點區(qū)域棲息地隨水位的變化

Figure 5 Habitat changes in important areas for waterbirds in Caizi Lake

長江中下游通江湖泊濕地在東亞-澳大利西亞候鳥遷徙路線上占有重要地位, 為遷徙水鳥提供重要的停歇地、繁殖地和越冬地[31-32]。然而, 對濕地的不合理利用使湖泊濕地嚴重退化、喪失, 對在此棲息的水鳥以及其它濕地生物產(chǎn)生顯著的負面影響[33-34]?！耙瓭础惫こ淌前不帐∫豁椫匾乃こ? 該工程對菜子湖秋冬季濕地景觀格局將產(chǎn)生重大影響, 只有采取合理的水位控制以及濕地恢復(fù)措施, 才能盡量降低工程對在此越冬的水鳥及其棲息的負面影響。

圖6 重要調(diào)查點棲息地比例變化(a, b分別代表7.64和12.85米水位)

Figure 6 Proportions of different habitats at important areas for wintering waterbirds in Caizi Lake (Water level for panel a and b is 7.64 m and 12.85 m, respectively)

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附表1 菜子湖越冬水鳥名錄及保護等級

Appendix 1 Caizi Lake wintering waterbirds list and protection level

目科英文名中文名拉丁名IUCN等級國家保護等級 雁形目鴨科White-frontedGoose白額雁Anseralbifrons國家二級 鶴形目鶴科SiberianCrane白鶴GrusleucogeranusCR(及危物種)國家一級 鸛形目鷺科LittleEgret白鷺Egrettagarzetta 鸛形目鹮科WhiteSpoonbill白琵鷺Platalealeucorodia國家二級 雁形目鴨科Smew白秋沙鴨MergellusalbellusLC(低危物種) 鶴形目鶴科HoodedCrane白頭鶴GrusmonachaVU(易危物種)國家一級 鸻形目鷸科GreenSandpiper白腰草鷸Tringaochropus 雁形目鴨科Spot-billedDuck斑嘴鴨Anaspoecilorhyncha 鸛形目鷺科GrayHeron蒼鷺Ardeacinerea 雁形目鴨科RuddyShelduck赤麻鴨Tadornaferruginea 雁形目鴨科Gadwall赤膀鴨Anasstrepera 鸛形目鷺科GreatEgret大白鷺Ardeaalba 鸛形目鸛科OrientalWhiteStork東方白鸛CiconiaboycianaEN(瀕危物種)國家一級 雁形目鴨科Beangoose豆雁Anserfabalis 鸻形目反嘴鷸科PiedAvocet反嘴鷸Recurvirostraavosetta 鸻形目鸻科NorthernLapwing鳳頭麥雞VanellusvanellusNT(近危物種) ??目??科GreatCrestedGrebe鳳頭??Podicepscristatus 鸻形目鷸科EurasianWoodcock鶴鷸Tringaerythropus 鶴形目秧雞科CommonMoorhen黑水雞Gallinulachloropus 鸻形目鷸科CommonRedshank紅腳鷸Tringatotanus 雁形目鴨科CommonPochard紅頭潛鴨AythyaferinaVU(易危物種) 鶴形目秧雞科BrownCrake紅腳苦惡鳥Amaurornisakool 鶴形目鷗科Black-headedGull紅嘴鷗Larusridibundus 雁形目鴨科Swangoose鴻雁AnsercygnoidesVU(易危物種) 鸻形目鸻科KentishPlover環(huán)頸鸻Charadriusalexandrinus 鶴形目鶴科CommonCrane灰鶴Grusgrus國家二級 鸻形目鷸科CommonSandpiper磯鷸Actitishypoleucos 鸻形目鸻科LittleRingedPlover金眶鸻Charadriusdubius 雁形目鴨科FalcatedDuck羅紋鴨AnasfalcataNT(近危物種) 雁形目鴨科Green-wingedTeal綠翅鴨Anascrecca 雁形目鴨科Mallard綠頭鴨Anasplatyrhynchos 雁形目鴨科NorthernShoveler琵嘴鴨Anasclypeata 鵜形目鸕鶿科GreatCormorant普通鸕鶿Phalacrocoraxcarbo 雁形目鴨科CommonMerganser普通秋沙鴨Meregusmerganser 雁形目鴨科CommonShelduck翹鼻麻鴨Tadornatadorna 鸻形目鷸科CommonGreenshank青腳鷸Tringanebularia 鸻形目鷸科CommonSnipe扇尾沙錐Gallinagogallinago ??目??科LittleGrebe小??Tachybaptusruficollis 雁形目鴨科TundraSwan小天鵝Cygnuscolumbianus國家二級 鸻形目歐科SiberianGull銀鷗Larusvegae 雁形目鴨科NorthernPintail針尾鴨Anasacuta 鸛形目鷺科IntermediateEgret中白鷺Egrettaintermedia

Predicting the impact of the water transfer project from Yangtze River to Huai River on habitats of wintering waterbirds in Caizi Lake using remote sensed images

ZHOU Sheng, YANG Sen, BAO Mingxia, YANG yang, LI Chunlin*

School of Resources and Environmental Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China

Caizi Lake is located on the “East Asia-Australasia” migratory route, providing important habitats for wintering waterbirds. According to the water transfer project from Yangtze River to Huai River, water in Yangtze River will be transferred to Chao Lake and Huai River via Caizi Lake. The project will ultimately increase the water level in Caizi in winter, changing the seasonal water level fluctuations. The resulting changes in wetland landscape pattern may have great effects on the wintering waterbirds in the lake. To predict the potential effects of the project on wintering waterbirds in Caizi Lake, we quantified the relationship between habitat areas for wintering waterbirds and water level using remote sensed images, water data and waterbirds surveys. A total of 49 450 waterbirds, belonging to 42 species and 12 families, were recorded during the two surveys in 2016 and 2017. There were obviously seasonal fluctuations in water level and thus wetland landscape pattern in the lake. From October ofeach year, water begins to recede, exposing various wetland patches and providing foraging grounds for a large array of waterbird species. The distribution of mudflats and grassland is spatially heterogeneous, resulting in the spatial distribution pattern of the wintering waterbirds. After accomplishment of the project, the water level in winter will be high and the large areas of mudflats and grassland would not be exposed to provide habitats for the waterbirds, especially for endangered species on The IUCN Red List, e.g.(EN),(CR),(UV) and(UV)To reduce the negative effects of the project on the wintering waterbirds in Caizi Lake, we suggest that the water level in winter should not be higher than 11.5 m during the operation of the project.

the water transfer project from Yangtze River to Huai River; Caizi Lake; wintering waterbirds; wetland loss

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.01.010

Q958.15

A

1008-8873(2019)01-071-08

2018-01-26;

2018-03-21

國家自然科學(xué)基金(編號: 31770571)

周盛(1993—)男, 安徽六安人, 碩士, 主要從事鳥類生態(tài)學(xué)研究, E-mail: zhousheng3991@163.com

李春林, 男, 博士, 副教授, 主要從事鳥類生態(tài)學(xué)等方面研究, E-mail: lichunlin1985@163.com

周盛, 楊森, 鮑明霞, 等. 基于遙感反演預(yù)測“引江濟淮”工程對菜子湖越冬水鳥棲息地的影響[J]. 生態(tài)科學(xué), 2019, 38(1): 71-78.

ZHOU Sheng, YANG Sen, BAO Mingxia, et al. Predicting the impact of the water transfer project from Yangtze River to Huai River on habitats of wintering waterbirds in Caizi Lake using remote sensed images[J]. Ecological Science, 2019, 38(1): 71-78.