唐彩紅，陳東明，易雨君，周 揚(yáng)，張尚弘

(1:華北電力大學(xué)水利與水電工程學(xué)院，北京 102206)(2:北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875)

植被是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，尤其是大型水生植被，是淺水湖泊重要的初級(jí)生產(chǎn)者，為魚類、大型底棲動(dòng)物等提供食源與棲息地，同時(shí)能有效去除污染物，改善湖泊水質(zhì)和透明度，是維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能完整不可或缺的要素[1].植被格局是植被在其生存空間中的位置和布局狀況，其形成過(guò)程受氣候、水文、地貌、土壤等外界環(huán)境因子和物種本身的生物學(xué)特性等多種因素共同影響[2].在過(guò)去幾十、上百年來(lái)，氣候變化與人類活動(dòng)的共同影響使得植被的分布格局和演替過(guò)程發(fā)生了明顯的變化[3-4]，植被格局的變化主要體現(xiàn)在其種群數(shù)量、群落多樣性、優(yōu)勢(shì)物種、生物量等方面[5-6]，水文條件和人類活動(dòng)對(duì)濕地植被初級(jí)生產(chǎn)力的空間分布也具有影響顯著[7].

傳統(tǒng)基于群落和個(gè)體尺度的樣方調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析并不足以反映野外植被分布格局的實(shí)際情況，且該方法存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、監(jiān)測(cè)范圍小等缺點(diǎn).因此，全湖尺度的植被觀測(cè)以及生物量估算對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估湖泊植被生長(zhǎng)以及格局動(dòng)態(tài)演變過(guò)程而言至關(guān)重要[4].遙感技術(shù)因其成本低、速度快且具有時(shí)空連續(xù)性的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于植被的分類、時(shí)空分布特征評(píng)估、生物量和生產(chǎn)力反演等方面.基于Sentinel-2高光譜數(shù)據(jù)，通過(guò)構(gòu)建浮葉類植被指數(shù)(floating-leaved aquatic vegetation index,FAVI)和沉水植被指數(shù)(submerged aquatic vegetation index,SAVI)進(jìn)行翠屏湖的水生植被分類[8]；運(yùn)用纓帽變換和主成分變化對(duì)原始遙感影像進(jìn)行增強(qiáng)，通過(guò)構(gòu)建浮葉類植被敏感指數(shù)(floating-leaved vegetation sensitive index,FVSI)和沉水植被敏感指數(shù)(submerged vegetation sensitive index,SVSI)對(duì)太湖水生植被進(jìn)行分類[9]；利用綠波段和短波紅外波段的光譜特征區(qū)分挺水植物、沉水植物和漂浮藻類，并構(gòu)建不同植被冠層的水深反演模型，定量評(píng)估不同植被冠層沿水深的時(shí)空動(dòng)態(tài)分布[10]；以及運(yùn)用遙感影像數(shù)據(jù)，估算蘆葦濕地植被的凈初級(jí)生產(chǎn)力[7]等都是遙感技術(shù)應(yīng)用的實(shí)例.

不同于普通淺水湖泊，如太湖、巢湖等擁有大面積寬闊水域，白洋淀是華北平原典型的淺水草型湖泊，位于白洋淀流域末梢，淀區(qū)河淀相連，溝壑縱橫，由3700多條溝壕和河道，將大小不同的淀泊連接在一起，形成蘆葦田、園田臺(tái)地、洼地、村莊相融合的獨(dú)特自然景觀.自2017年雄安新區(qū)設(shè)立之后，統(tǒng)籌城水林田淀系統(tǒng)治理，做好白洋淀生態(tài)環(huán)境保護(hù)恢復(fù)“華北之腎”功能，是雄安新區(qū)打造新時(shí)代生態(tài)文明典范城市的重要環(huán)節(jié).為恢復(fù)白洋淀的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，1981-2019年間，白洋淀接受來(lái)自王快水庫(kù)、西大洋水庫(kù)、安各莊水庫(kù)、岳城水庫(kù)、黃河、南水北調(diào)中線工程等流域內(nèi)外的生態(tài)補(bǔ)水累計(jì)19.26億m3[11].對(duì)于淡水湖泊濕地而言，水位是其植被格局形成的主導(dǎo)因子[2]，當(dāng)前生態(tài)補(bǔ)水對(duì)淡水湖泊濕地的影響評(píng)估整體基于維持湖泊濕地生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、恢復(fù)景觀格局、提升生物多樣性等補(bǔ)水目標(biāo)[12-13]，通過(guò)野外調(diào)查和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以及模型預(yù)測(cè)評(píng)估，對(duì)比分析生態(tài)補(bǔ)水前后湖泊水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量、景觀格局、典型物種與種群等生態(tài)環(huán)境要素的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征[14-16]，以此描述生態(tài)補(bǔ)水對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境的提升效果.針對(duì)白洋淀多年的生態(tài)補(bǔ)水狀況，已有大量研究提出不同生態(tài)管理目標(biāo)下的白洋淀生態(tài)需水量[17-18]，評(píng)估生態(tài)補(bǔ)水策略以及補(bǔ)水路徑對(duì)淀區(qū)水動(dòng)力循環(huán)過(guò)程、水體氮磷濃度的改善效果[14]，考慮淀區(qū)優(yōu)勢(shì)植被蘆葦?shù)倪m宜生境分布和生長(zhǎng)過(guò)程[16]，以及從白洋淀總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的角度，提出滿足生態(tài)系統(tǒng)總服務(wù)價(jià)值最高且各類間功能最平衡的白洋淀適宜生態(tài)水位[19].

綜上所述，已有研究大多從水量、水質(zhì)、濕地退化以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等角度闡述生態(tài)補(bǔ)水對(duì)白洋淀的影響，當(dāng)前在雄安新區(qū)建設(shè)新形式下，上游水庫(kù)、引黃入冀補(bǔ)淀、南水北調(diào)等多水源、持續(xù)性生態(tài)補(bǔ)水作用對(duì)淀區(qū)植被格局的影響如何，其格局變化與水位之間存在怎樣的關(guān)系亟待探索.本研究運(yùn)用遙感影像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析雄安新區(qū)設(shè)立以來(lái)，白洋淀生態(tài)補(bǔ)水影響下淀區(qū)植被在年際和年內(nèi)的空間分布和生物量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，初步揭示了雄安新區(qū)設(shè)立以來(lái)“多源長(zhǎng)效補(bǔ)水”對(duì)淀區(qū)植被的修復(fù)效果，以期為白洋淀及雄安新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與管理提供科學(xué)支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

白洋淀(38°44′～38°59′N,115°45′～116°07′E)地處太行山東麓、河北省中部雄安新區(qū)腹地，屬海河流域大清河水系，是華北地區(qū)最大的淡水湖泊濕地(圖1)，承擔(dān)著防洪、治澇、蓄水和灌溉的重要任務(wù)，對(duì)調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候、補(bǔ)充地下水、維持華北地區(qū)生態(tài)平衡和保持生物多樣性發(fā)揮著重要的生態(tài)安全屏障作用.當(dāng)十方院水位達(dá)到10.6 m(大沽高程基準(zhǔn))時(shí)，白洋淀淀區(qū)水域總面積為366 km2，湖泊總庫(kù)容可達(dá)10億m3.白洋淀現(xiàn)有大小淀泊143個(gè)，主要入淀河流有潴龍河、孝義河、唐河、府河、漕河、瀑河、萍河、白溝引河8條支流.

圖1 白洋淀流域水系(a)和入淀支流(b)

為緩解入淀流量減少而導(dǎo)致的淀區(qū)水位下降、水質(zhì)惡化等一系列問(wèn)題，自1981年起，河北省利用上游水庫(kù)、引黃入冀補(bǔ)淀、南水北調(diào)等工程對(duì)白洋淀實(shí)施了多次生態(tài)補(bǔ)水，1981-2019年間，白洋淀累計(jì)接受流域內(nèi)和跨流域生態(tài)補(bǔ)水46次[2].《白洋淀生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)規(guī)劃(2018-2035年)》明確建立多水源補(bǔ)水機(jī)制，統(tǒng)籌流域內(nèi)和跨流域河流、水庫(kù)水資源，對(duì)白洋淀實(shí)施持續(xù)性生態(tài)補(bǔ)水長(zhǎng)效保障機(jī)制，恢復(fù)淀泊水面，使白洋淀正常水位維持在6.5～7.0 m.2020年，河北省積極開展了河道生態(tài)補(bǔ)水，全年累計(jì)補(bǔ)水9.97億m3，大力改善了白洋淀流域水環(huán)境；2021年，保定市全年補(bǔ)水6.6億m3，通過(guò)生態(tài)補(bǔ)水，白洋淀水位有所回升，保持在6.5 m以上，淀區(qū)生態(tài)環(huán)境得到明顯改善，水環(huán)境承載能力得到進(jìn)一步提升.

1.2 植被概況

白洋淀屬典型淺水草型湖泊，但由于白洋淀獨(dú)特的水域-臺(tái)田-村落交錯(cuò)的景觀生態(tài)格局，鑄就了白洋淀范圍內(nèi)大量臺(tái)田陸生植被和水生植被共存的自然景觀.其中，淀區(qū)水生植被類型豐富，根據(jù)其淹沒(méi)方式可分為挺水、沉水、漂浮和浮葉植被4大類，其中挺水和沉水植被是白洋淀水生植被的主要優(yōu)勢(shì)類群.據(jù)歷史記錄，淀區(qū)水生植被物種數(shù)記載最多的年份是1979年(66種)，之后在近四十年中，水生植被物種數(shù)量明顯減少，尤其是2007-2011年挺水植被物種數(shù)急劇減少[20-21]，可能的原因是生態(tài)補(bǔ)水?dāng)_亂了淀區(qū)水位的自然波動(dòng)節(jié)律，與植被生長(zhǎng)所需水位周期變化不匹配，導(dǎo)致部分敏感種衰亡甚至滅絕[19].2015和2017年的野外調(diào)查結(jié)果顯示，白洋淀水生植被大多在4-5月開始生長(zhǎng)，在夏季和秋季達(dá)到生長(zhǎng)高峰期，冬季逐漸枯萎死亡，優(yōu)勢(shì)物種隨季節(jié)演替，其中春季優(yōu)勢(shì)沉水植被以眼子菜科菹草(PotamogetoncrispusL.)和篦齒眼子菜(PotamogetonpectinatusL.)為主，而菹草生長(zhǎng)最為旺盛且分布最為廣泛；夏季水生植被優(yōu)勢(shì)科為睡蓮科(Nymphaeaceae)，優(yōu)勢(shì)物種為蓮(NelumbonuciferaGaertn.)和金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)，秋季優(yōu)勢(shì)水生植被為龍須眼子菜(PotarmogetonpectinatusL.)和金魚藻，季節(jié)變化規(guī)律與其他學(xué)者的調(diào)查結(jié)果基本一致[21-22].

白洋淀陸生植被則以臺(tái)田蘆葦種植為主，蘆葦(Phragmitesaustralis)是淀區(qū)陸生植被的優(yōu)勢(shì)物種，同時(shí)也是當(dāng)?shù)鼐用竦闹匾?jīng)濟(jì)作物，其生長(zhǎng)狀況受地表水、地下水埋深等因素影響較大[16,23].

1.3 遙感影像獲取與數(shù)據(jù)處理

綜合考慮遙感影像可利用性及其影像效果，本研究分別從Landsat-8和Sentienl-2獲取2017年和2020年4-10月共13期植被生長(zhǎng)期的逐月影像資料，解譯分析雄安新區(qū)建設(shè)影響下白洋淀植被生長(zhǎng)期內(nèi)植被的時(shí)空分布特征，其中由于2020年7月兩種影像源云量較多，故未考慮此月份的植被變化.

遙感影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理均在ENVI5.5.3環(huán)境中進(jìn)行，Landsat-8和Sentinel-2兩種數(shù)據(jù)源應(yīng)用各自的輻射定標(biāo)工具進(jìn)行輻射定標(biāo)，運(yùn)用FLAASH大氣校正模塊對(duì)影像進(jìn)行大氣校正，應(yīng)用Seamless Mosaic工具將同一日期的兩景Sentinel-2影像進(jìn)行拼接，后根據(jù)白洋淀矢量圖層對(duì)其進(jìn)行裁剪得到淀區(qū)2017和2020年生長(zhǎng)期內(nèi)的影像數(shù)據(jù).

1.4 白洋淀土地利用類型分類提取

根據(jù)白洋淀地物在遙感影像上的特征，結(jié)合白洋淀優(yōu)勢(shì)植被群落，將白洋淀地物分成挺水植被、沉水植被、陸生植被、開闊水域、建設(shè)用地和裸地6類，其中開闊水域、建設(shè)用地和裸地在影像上特征明顯，可直接通過(guò)顏色進(jìn)行判別，從而建立訓(xùn)練樣本.為進(jìn)一步提取陸生植被和水生植被，分別選擇2017年12月和2020年12月的影像進(jìn)行陸地和水域邊界提取，如圖2所示.冬季白洋淀水生植被凋零，影像上呈現(xiàn)出大片棕色裸地，使用非監(jiān)督分類中的isodata方法能較好地區(qū)分陸地和水域，將陸地和水域分類后的結(jié)果轉(zhuǎn)化為矢量文件，在此基礎(chǔ)上得到白洋淀陸地和水體掩膜，進(jìn)而提取陸生植被.

圖2 白洋淀2017年12月(a)與2020年12月(b)的真彩色影像

為進(jìn)一步區(qū)分挺水植被與沉水植被，并驗(yàn)證水體對(duì)植被光譜的影響，采用SOC710VP光譜儀分別拍攝淀區(qū)典型挺水植被蘆葦和沉水植被金魚藻的光譜，如圖3所示，2種植被都表現(xiàn)出了典型的植被光譜特征：在可見光的藍(lán)色(中心波長(zhǎng)為450 nm)和紅色(中心波長(zhǎng)為650 nm)譜帶內(nèi)存在著2個(gè)葉綠素吸收帶，在綠色波段(中心波長(zhǎng)為540 nm)附近存在一個(gè)反射峰，而在近紅外波段處，反射率整體呈下降趨勢(shì)，其中沉水植被反射率急劇下降.這是由于受到了水體濁度等因素的影響，沉水植被整體反射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于挺水植被，因此可以利用此特征區(qū)分沉水植被和挺水植被.挺水植被和沉水植被可根據(jù)其反射率的差異，結(jié)合野外調(diào)查的水生植被種群與群落分布特征等信息，構(gòu)建挺水植被和沉水植被訓(xùn)練樣本，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法得到上述6類土地利用類型分類結(jié)果，并進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)各類地物像元數(shù)量所占百分比和各類地物的分布面積.

圖3 挺水植被(a)和沉水植被(b)實(shí)測(cè)光譜

2 白洋淀植被時(shí)空變化

2.1 不同土地利用類型時(shí)空變化

從2017年和2020年白洋淀的6類土地利用類型分類結(jié)果來(lái)看，年內(nèi)尺度上，白洋淀陸生植被和水生植被(挺水植被與沉水植被)從4月份開始生長(zhǎng)，陸生植被生長(zhǎng)階段主要集中在5-9月，而水生植被則在5-10月均存在大范圍生長(zhǎng)擴(kuò)散.其中，挺水植被與沉水植被協(xié)同分布，其空間分布范圍主要集中在淀區(qū)的北部、西北部和西南部以及沿岸淺水區(qū)，總體上呈現(xiàn)出北部大于南部、西部大于東部的趨勢(shì)，挺水植被群落分布廣于沉水植被(圖4～5).淀區(qū)開闊水域分布范圍自4月起逐步縮減，在8月(2017年)和9月(2020年)達(dá)到最小面積，之后水域面積逐漸增加.

圖4 2017年4-10月白洋淀不同土地利用類型

年際尺度上，對(duì)比雄安新區(qū)建設(shè)前后(2017和2020年)各土地利用類型的空間分布情況，白洋淀水生植被沒(méi)有發(fā)生明顯的空間轉(zhuǎn)移，依舊集中在北部、西北、西南以及沿岸水深較淺的區(qū)域，但其分布面積平均增加7.5%.陸生植被生長(zhǎng)期內(nèi)面積變化趨勢(shì)較為一致，但面積平均增長(zhǎng)21.4%.受持續(xù)性生態(tài)補(bǔ)水的影響，2020年淀區(qū)各月份開闊水域面積略大于2017年，由此可知生態(tài)補(bǔ)水對(duì)《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》所要求的“恢復(fù)淀泊水面”具有一定效果.受新區(qū)建設(shè)規(guī)劃方案要求的影響，淀內(nèi)建筑用地面積未發(fā)生較大變化，但裸地面積平均減小19.2%.挺水植被和沉水植被在秋季存在明顯的凋零與衰敗，但由于淀區(qū)挺水植被分布受水位脅迫，其分布面積小于沉水植被，小于陸生植被，因而水生植被分布面積整體小于陸生植被，相比2017年平均縮減了19%.此外，淀區(qū)臺(tái)田大面積種植的蘆葦是淀區(qū)主要的陸生植被兼經(jīng)濟(jì)物種，并在秋季(10月末)收割，且2017年10月份的影像源較2020年晚11天，由此導(dǎo)致了2017年10月的陸生植被分布面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2020年，2017年的挺水植被和沉水植被面積略低于2020年(圖6).

圖6 2017年(a)和2020年(b)白洋淀不同土地利用類型面積占比變化

2.2 水生植被面積變化

總體而言，白洋淀挺水植被面積年內(nèi)變化呈顯著的單峰型，4月面積較小，從5月開始快速生長(zhǎng)，到8月最大，然后迅速下降(圖7)，其面積變化趨勢(shì)符合蘆葦、香蒲和蓮的生活史，這也驗(yàn)證了蘆葦、香蒲和蓮是白洋淀挺水植被的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種.而沉水植被年內(nèi)的面積變化呈明顯的多峰型，面積增減隨著季節(jié)未發(fā)生明顯的變化，這可能與白洋淀不同優(yōu)勢(shì)沉水植被的生活史有關(guān).

圖7 白洋淀2017和2020年水生植被生長(zhǎng)期內(nèi)面積變化

2.3 植被生物量變化

生物量是指某一時(shí)刻單位面積內(nèi)實(shí)存生活的有機(jī)物質(zhì)總量，可用于綜合表征生物的生長(zhǎng)狀態(tài).本研究通過(guò)單位面積植被地上生物量(簡(jiǎn)稱植被生物量，下同)與植被分布面積，估算植被總的生物量.單位面積生物量來(lái)源于文獻(xiàn)[24]和課題組采樣調(diào)查結(jié)果，并根據(jù)挺水植被和陸生植被平均含水率將生物量統(tǒng)一為濕重(表1).沉水植被缺失月份的數(shù)據(jù)按照季節(jié)優(yōu)先的原則進(jìn)行線性插值，以估算缺失的生物量數(shù)據(jù).挺水植被和陸生植被其平均含水率相同，因此對(duì)應(yīng)植被的生物量與其植被面積直接相關(guān)，生物量和植被面積表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，挺水和陸生植被都在8月達(dá)到生物量最大值；沉水植被生物量逐月走勢(shì)大致符合其面積變化趨勢(shì)，在5月和10月生物量達(dá)最大值(圖8).

表1 植被生物量參數(shù)

圖8 不同類型植被生物量變化

3 討論

3.1 水生植被面積變化原因分析

2020年的挺水植被面積在初夏高于2017年，但在盛夏的8、9月份，挺水植被面積少于2017年，這可能是因?yàn)?年時(shí)間里白洋淀的土地利用類型發(fā)生了變化(圖7).從影像上看，2017年的水域面積在5、6和8月小于2020年，部分緊鄰岸邊的水域轉(zhuǎn)化為旱地，并在2020年出現(xiàn)了挺水植被(圖5).一方面是由于白洋淀的生態(tài)補(bǔ)水一般在秋季和冬、春季節(jié)，導(dǎo)致夏季淀區(qū)水量補(bǔ)充不足[11]，且淀區(qū)大面積蘆葦?shù)恼舭l(fā)蒸騰作用導(dǎo)致耗水量增加，水域面積縮減[25].另一方面，由于《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》明確在實(shí)施白洋淀生態(tài)修復(fù)過(guò)程中，需要對(duì)現(xiàn)有葦田荷塘進(jìn)行地貌改造和調(diào)控、優(yōu)化淀區(qū)生態(tài)格局、修復(fù)多元生境.因此，自2018年起，淀內(nèi)逐步開展了孝義河新區(qū)段河道綜合治理項(xiàng)目、藻苲淀水系疏通工程、藻苲淀退耕還淀生態(tài)濕地修復(fù)工程以及圈頭生態(tài)清淤擴(kuò)大試點(diǎn)工程等多個(gè)工程項(xiàng)目，對(duì)淀內(nèi)格局進(jìn)行改造，對(duì)淀區(qū)重污染魚塘水處理、底泥清淤及資源化生態(tài)利用，以實(shí)現(xiàn)外部和內(nèi)部污染負(fù)荷削減以及生態(tài)修復(fù)與恢復(fù)，從而導(dǎo)致部分水域向旱地轉(zhuǎn)移，圖5也反映了白洋淀的生態(tài)治理的階段性成果.

圖5 2020年4-10月白洋淀不同土地利用類型

2017年和2020年沉水植被面積表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律(圖7).2017年4月白洋淀沉水植被面積為16.81 km2，5月沉水植被大量生長(zhǎng)，面積達(dá)到第一個(gè)峰值，6月面積迅速減少，原因可能是白洋淀沉水植被隨季節(jié)演替，其中春季的優(yōu)勢(shì)種菹草在春季快速繁殖，隨著氣溫的升高在5月下旬至6月下旬大量死亡[26]，使6月沉水植被面積呈下降趨勢(shì).進(jìn)入7月，白洋淀的金魚藻和篦齒眼子菜的生物量達(dá)到最大，是淀區(qū)夏季的優(yōu)勢(shì)沉水植被[26]，同時(shí)也是馬來(lái)眼子菜和苦草的生長(zhǎng)期[27]，因此7月沉水植被面積較6月有所增多.10月沉水植被面積達(dá)到了第二個(gè)峰值，為41.89 km2，這可能是因?yàn)榻陙?lái)白洋淀水質(zhì)改善，水體氮磷負(fù)荷削減[11]，導(dǎo)致較清潔水體的指示物種輪藻和馬來(lái)眼子菜大量生長(zhǎng)[28]，并在10月下旬生物量達(dá)到最大.

3.2 湖泊水位對(duì)水生植被生物量的影響

根據(jù)白洋淀端村水文站2017年和2020年的逐日水位數(shù)據(jù)(黃海高程)，自雄安新區(qū)設(shè)立以來(lái)，得益于流域內(nèi)外多次生態(tài)補(bǔ)水，致使2020年白洋淀的整體水位高于2017年，年平均水位增加0.63 m，最低水位從6.15 m提升至6.75 m，最高水位從6.99 m提升至7.46 m(圖9).2017年5-10月淀區(qū)水位不滿足《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》的水位恢復(fù)目標(biāo)要求——白洋淀正常水位保持在6.5～7.0 m，2017年全年水位達(dá)標(biāo)率為50%.生態(tài)補(bǔ)水作用下，2020年淀區(qū)水位全年均高于6.5 m的最小水位目標(biāo)要求，但除6-8月外，其余月份均高于7.0 m這一水位上限要求，未來(lái)可通過(guò)增加淀區(qū)下泄流量，尤其是春、秋等枯水期加大向下游泄水，以滿足下游河道的生態(tài)需水要求.

圖9 2017和2020年白洋淀逐日水位變化(灰色陰影為白洋淀水位恢復(fù)目標(biāo)6.5～7.0 m)

將2017年和2020年的逐月挺水植被和沉水植被生物量與水位建立相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如圖10所示.影響水生植被生長(zhǎng)的因素較多，如水體中葉綠素a、硝態(tài)氮、總氮濃度，以及沉積物總有機(jī)碳、無(wú)機(jī)磷和銨態(tài)氮含量，除化學(xué)指標(biāo)外，水深、透明度、pH、電導(dǎo)率等物理指標(biāo)也影響水生植被生長(zhǎng)[29].本研究中，挺水植被生物量受水位影響較大(圖10).2017年挺水植被生物量整體隨水位增加而減小，在水位為6.32 m時(shí)生物量最大，水位為6.51 m時(shí)生物量最小.2017年黃河、王快水庫(kù)和西大洋水庫(kù)共向白洋淀補(bǔ)水約1億m3[19]，2020年河北省統(tǒng)籌引黃、引江、上游水庫(kù)以及再生水等多種水源，累計(jì)向白洋淀生態(tài)補(bǔ)水達(dá)5億m3，并向下游河道放水超1億m3(1)此數(shù)據(jù)來(lái)源于河北新聞網(wǎng)(河北日?qǐng)?bào)).http://m.hebnews.cn/hebei/2020-11/24/content_8226318.htm..

圖10 挺水植被(a)、沉水植被(b)生物量與水位的關(guān)系

受生態(tài)補(bǔ)水影響，2020年淀區(qū)水位整體上漲，7.31 m水位時(shí)挺水植被生物量最低，整體呈現(xiàn)隨水位增加生物量先減小后增大的趨勢(shì).綜合考慮水位變化與季節(jié)的關(guān)系，2020年白洋淀夏季水位全年最低，挺水植被生物量最高，生物量最大值對(duì)應(yīng)的水位為6.85 m，當(dāng)水位高于6.85 m時(shí)，挺水植被生物量呈下降趨勢(shì).因此，白洋淀水位對(duì)挺水植被不同生長(zhǎng)階段有明顯限制作用，尤其是高水位會(huì)抑制挺水植被的生長(zhǎng)，與前人研究成果結(jié)論一致[30].

除水位外，溫度是影響挺水植被生長(zhǎng)的另一重要物理因素，溫度過(guò)高或過(guò)低都將抑制挺水植被生長(zhǎng)[30].根據(jù)安新縣的歷史氣溫?cái)?shù)據(jù)，2017和2020年的挺水植被生物量與溫度的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明，挺水植被生物量與日最高氣溫、最低氣溫以及平均氣溫呈顯著正相關(guān)(P<0.05)(表2)，即在本研究范圍內(nèi)溫度升高會(huì)促進(jìn)挺水植被的生長(zhǎng)，具體表現(xiàn)為夏季挺水植被生長(zhǎng)最為旺盛，這與Luo等[31]的結(jié)論一致.

表2 水生植被生物量與氣溫的相關(guān)性

水位對(duì)沉水植被生物量的影響則明顯不同.2017和2020年5、9和10月沉水植被生物量較高但差別不大，而同期水位差別較大，表明在春季和秋季水位對(duì)沉水植被生物量的影響較??；6-8月年內(nèi)水位最低，而2020年夏季水位逼近2017年最高水位，此時(shí)沉水植被生物量卻相差無(wú)幾.與水位波動(dòng)大的大型淺水湖泊濕地鄱陽(yáng)湖不同，白洋淀水位波動(dòng)相對(duì)較小(圖9)，遠(yuǎn)小于鄱陽(yáng)湖的年內(nèi)水位變幅(7.6～15.2 m)和多年平均最高水位與最低水位變幅(10 m以上)[32]，巨大的水位落差縮減了鄱陽(yáng)湖沉水植被生境，導(dǎo)致沉水植被分布面積和生物量大大減小[33].也有研究表明，在眾多影響沉水植被生物量的物理因子中，水體透明度是影響沉水植被生物量的最主要因素，

關(guān)性顯著.其次是溫度，而水位對(duì)沉水植被生物量的影響并不顯著[34].總體而言，白洋淀水位年內(nèi)、年際變幅較小，沉水植被覆蓋度及生物量變化受水位變化影響較小，其結(jié)果較為合理.由于白洋淀沉水植被存在明顯季節(jié)演替特征，春季、秋季水溫低于20℃，更有利于苦草等喜低溫的沉水植被生長(zhǎng)[35]；夏季水溫升高導(dǎo)致菹草大量死亡，進(jìn)而促進(jìn)了沉水植被的季節(jié)演替，同時(shí)導(dǎo)致沉水植被生物量的降低(圖8)，但本研究中白洋淀的沉水植被生物量受氣溫的影響不顯著(表2).

4 結(jié)論

本研究基于Landsat-8和Sentinel-2兩種遙感數(shù)據(jù)分析了2017年和2020年4-10月白洋淀6類土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，剖析了水生(挺水植被、沉水植被)和陸生植被的時(shí)空分布格局，估算了植被生物量并建立了水生植被生物量與水位的相關(guān)關(guān)系，主要得出以下結(jié)論：2020年較2017年，淀區(qū)水生植被和陸生植被平均面積擴(kuò)增，裸地面積縮減，建筑用地和水域面積變化較小.水生植被主要集中在淀區(qū)北、西北、東南以及沿岸水深較淺的區(qū)域，其中沉水植被受季節(jié)演替影響，5月和10月分布較廣；挺水植被在夏季長(zhǎng)勢(shì)最好，分布面積最廣.雄安新區(qū)設(shè)立以來(lái)，受生態(tài)補(bǔ)水影響，白洋淀水位得以恢復(fù)和抬升，秋冬季水位更高，夏季水位更低.挺水植被在夏季生物量最高，沉水植被在春、秋季生物量較高.沉水植被和挺水植被生物量與水位和溫度的相關(guān)性結(jié)果表明，溫度和水位對(duì)沉水植被生物量影響不顯著，對(duì)挺水植被生物量影響顯著，但其趨勢(shì)相反，溫度升高會(huì)促進(jìn)挺水植被的生長(zhǎng)，高水位則會(huì)抑制挺水植被的生長(zhǎng).