水库消落带(Hydro-fluctuation belt)是季节性或人为控制性水位消涨在水库与陆岸之间形成的巨大环库生态隔离带, 是一类特殊的季节性湿地生态系统^[1]。受周期性水位涨落影响, 水库消落带具有陆地和水域的双重属性, 是深入分析各种生态要素相互作用机制的重要研究区域。近年来, 由于消落带在生态系统中的特殊地位, 使之成为地理科学、生态科学和环境科学等多学科交叉研究的热门领域^[2-3]。消落带淹水时长和淹水次数的差异一定程度上影响着区域生态要素间的内在作用机制, 如植被覆盖演替趋势及土壤有机物变迁^[4-6]。因此, 对消落带进行合理分区, 是研究消落带内植被时空演替、土壤物理性质变化以及土壤有机质变迁的基础, 同时, 也有利于探究消落带内不同生态要素间的内在作用机制, 为消落带的管理、开发利用和生态重建提供科学的理论支撑。

国外对消落带的研究主要集中在消落带的生态恢复^[7-8]、氮磷的净化机制^[9-11]以及消落带植被的恢复与重建^[12-15], 少有消落带分区研究。在国内, 消落带研究主要集中在三峡水库, 除整体上研究其生境变化外, 不少学者根据消落带的形成原因、地貌特征、人类影响方式以及开发利用时间, 对消落带进行更细致的分区, 从区域特征上探究生态变化内在机制^[16-20]。已有的消落带分区研究大多以空间定性为主, 忽略了消落带形成过程中水位反复消涨对土地出露时间长短的影响, 不能反映出消落带在时空序列上的形成过程。而水位变化是影响湖泊水库生态系统的重要因素, 对浅湖(库)生态系统的影响尤为突出。因此, 本文以1979—2013年长时间序列的Landsat MSS/TM/ETM⁺/OLI影像为数据源, 逐年提取官厅水库水体边界, 确定消落带范围。分析35年来官厅水库消落带的演变过程, 并结合同期水位及水域面积数据, 采用射线法分析统计和叠置分析法对官厅水库消落带进行淹水次数和淹水年数分区, 揭示官厅水库消落带生态结构的形成过程。

1 研究区概况

官厅水库是海河流域五大支流之一永定河上的第一座大型水库, 曾经是北京市的主要供水水源之一, 流域面积达4.7×10⁵km²。水库地理位置为112°8.3′—116°20.6′E, 38°51′—41°14.2′N, 位于军都山和海陀山两列山脉之间(图 1)。全区属于温带大陆性季风气候, 夏季短暂, 冬季漫长, 全年多风少雨, 气候干燥, 降雨主要集中在7—9月^[21]。研究区内湿地植被资源丰富, 按对水分梯度的响应程度在空间上成带状分布, 根据水分由多到少的环境梯度, 依次分布沉水植物类型, 如狐尾藻(Myriophyllum spicatum L.)、菹草(Potamogeton crispus L.)；浮叶植物类型, 如浮萍(Lemnaminor L.)、两栖蓼(Polygonum amphibium L.)；挺水植物类型, 如芦苇(Phragmites australis Trin. ex Steud)、香蒲(Typha angustifolia L.)；湿生植物类型, 如酸模叶蓼(Polygonum lapathifolium L.)、三叶鬼针草(Bidens pilosa L.)和球穗莎草(Cyperus glomeratus L.)、中生植物类型, 如紫苜蓿(Medicago sativa L.)、牛鞭草(Hemathria altissima Stapf et C.E.Hubb.)、小叶杨(Populus simonii Carr.)和盐生植物类型, 如红皮柳(Salix purpurea L.)、猪毛菜(Salsola collina Pall.)。同时, 官厅水库消落带还分布有种类多, 数量大的各种蠕虫、软体动物、昆虫、甲壳动物、两栖动物、爬行动物和小型哺乳动物, 丰富的植物资源和多样的动物资源使得官厅水库消落带具有极其重要的生物多样性保护价值^[22]。

2 研究方法 2.1 数据选取与预处理

研究选取1979—2013年长时间序列的中等分辨率Landsat MSS/TM/ETM+/OLI影像作为数据源对官厅水库水体边界进行提取。分析1979—2013年官厅水库月平均水位统计资料发现：1979—2013年, 年均最低水位出现在2007年, 为470.32m, 年均最高水位为477.23m(1979年)。因此, 在满足影像数据质量的前提下, 结合官厅水库历史水位数据, 在丰水年选择丰水月影像, 与此同时, 在枯水年选择枯水月影像, 以保证消落带的范围。最终共选取35幅云量低于10%, 清晰度较高的影像。技术路线主要分为两个部分：ENVI环境下官厅水库水体边界提取及消落带范围的确定和ArcGIS环境下官厅水库消落带分区。

研究中需要从长时间序列上研究官厅水库消落带的演变规律, 要求各景影像中消落带的空间位置保持一致, 因此需要对选取的影像进行几何校正, 消除由各种因素造成的影像几何畸变。研究中采用二次多项式和双线性内插法对所有影像进行几何校正, 经选点检测最终将误差控制在0.5个像元之内^[23]。为保证水体边界的提取精度, 利用ENVI中的FLAASH大气校正模块对各景影像进行大气校正, 消除因传感器自身因素、大气条件、太阳位置和角度等引起的传感器测量值与目标真实光谱反射率或辐射亮度值等物理量之间的差异^[24]。

2.2 水体边界提取

通过单波段阈值法、多波段谱间分析法和水体指数法提取官厅水库水体边界^[25]。由于TM影像的中红外波段(第五波段), 入射能量几乎被水体全部吸收, 因此利用该波段制定出的阈值能很好地显示出水体边界, 而不受水体中浮水植物和少量挺水植物的影响, 便于湿地水体边界的提取, 水体边界阈值的确定很大程度上决定了水体边界提取的质量。水体指数则是通过若干波段的不同组合增大反差, 从而提取水体边界, 对于水体中植被少且水体边界明确的影像, 利用该方法能够增大水体与陆地的差异从而确定水体范围的阈值提取水体, 相比于单波段阈值法更快捷方便。常用的水体指数有归一化水体指数、改进的归一化水体指数和增强型水体指数。

2.3 水库消落带分区方法 2.3.1 射线法

判断点与多边形的位置关系时, 常会用到一种数形结合法——射线法, 射线法的原理是通过给定点作任意方向的一条射线(通常使用水平或垂直射线), 求得射线与多边形边界的交点个数, 根据交点的奇偶性来判断点与多边形的关系^[26]。在1979—2013年官厅水库水位值的变化折线的基础上, 利用射线法, 以水位值所在点为射点, 分别向两端作平行于X轴的射线, 相邻的两条射线作为一个射线组, 根据两射线与水位变化折线交点所形成的线段数来统计相邻水位差形成的消落带的淹水次数。以相邻水位值473.46m(2002年)和473.20m(1989年)作两条平行于X轴的射线(图 2), 在Y=473.46 m和Y=473.20 m两条射线之间共截出7条小线段, 因此, 在1979—2013年时间序列中, 水位值位于473.46m和473.20m之间的区域共经历了7次淹水。

2.3.2 叠置分区法

叠置分析法是地理信息系统中用来提取空间隐含信息的方法之一。文中主要用图层擦除(Erase)、交集操作(Intersect)和图层联合(Union)3种叠置分析方法确定官厅水库消落带的有效缓冲区范围。如图 3所示：将相邻年份的两景水域边界图层进行擦除, 以第n+1年的水体矢量擦除第n年的水体矢量图, 得到在第n至n+1年中的涨水区域。交集操作(Intersect)是通过叠置分析求得所有图层的交集部分, 叠置结果综合了原来多个图层的所有属性。对长时间序列(1979—2013年)的35景水体矢量图层进行交集叠置, 得到研究时间序列内官厅水库的永久淹水区。图层联合操作(Union)是联合多个图层的区域范围, 并保持叠加图层的所有图层要素, 提取的35景水体矢量数据经联合操作得到1979—2013年官厅水库的最大淹水区域。而水库消落带的有效缓冲区范围即最广淹水范围与永久淹水范围的差值。

3 结果与分析 3.1 水位变化下官厅水库消落带的消涨特征

提取1979—2013年官厅水库水体边界, 计算时间序列内库区水体面积, 结合其历史月均水位统计数据发现：1979—2013年官厅水库的水位落差达8.19m。最高水位值出现在1979年, 相应的水域面积最大；2007年的水位值最低, 水域面积也随之达到历史最低, 为60.45 km²。在此期间水位的大幅度波动导致水域面积的变化达80.20km², 由此产生的水库消落带的有效缓冲区范围为118.31km²。

官厅水库水域面积在研究时序间波动频繁, 整体上呈减少趋势, 与水位的波动趋势大体相符。统计官厅水库历史水位数据及其水域面积数据的涨落周期及波动幅度发现, 官厅水库的消落带变化大体可以分为3个阶段(图 3)：1979—1996年的间歇涨落阶段、1996—2007年的持续萎缩阶段和2007—2013年的频繁涨落阶段。研究过程中, 将水位完成一次涨落过程视为一个涨落周期, 而涨落周期内最大水位与最小水位的差值为涨落周期的水位变幅, 如图 4所示：1979—2013年官厅水库的水位整体上呈现下降趋势, 从涨落周期时长来看, 1979—1996年水库水位变化频繁, 共出现了4次比较明显的消涨周期, 每个消涨周期约为4—5a, 呈现水位大幅度下落后缓慢上涨趋势, 平均涨落在0.5m/a左右, 水位涨落周期较稳定。然而, 自1996年开始, 官厅水库水域面积出现持续萎缩现象(图 5), 水位落差达7.12m, 占整个时序内水位落差的87.36%, 是1979—2013年间出现的最大一次持续落水现象, 持续落水时间长达10a, 且年间水位落差较大, 平均降幅0.64m/a, 水域面积从1996年的113.12km²锐减至36.84km², 减少了76.28km², 水位达到了历史最低值。2007—2013年, 水域面积在经过大幅度衰减后有小幅回升趋势, 但回升的趋势不稳定。6年间共经历了3次消涨周期为2a的频繁涨落, 与1979—1996年相比, 水位波动更为频繁。从水位差来看, 水库水位差在1979—1996年变化幅度较大, 且变化极不稳定, 而1996年后, 水库水位虽经历了大幅度的持续落水和小幅度的反复消涨时期, 但水位差变化相对平稳, 在0.75m左右。

3.2 官厅水库消落带的时空分布差异分析

1979—2013年官厅水库水位经过反复波动形成的消落带达118.31 km²(图 6), 主要分布在妫水河、永定河河口以及平坦的康西草原一带。1979—2013年官厅水库水位变化具有明显的特征趋势, 表现为1979—1996年的间歇消涨段、1996—2007年的持续萎缩段和2007—2013年的频繁消涨段。因此, 通过叠加分析确定官厅水库3个特征时期形成的消落带空间范围, 其中间歇消涨期形成的消落带面积为80.20km²(图 6), 1996—2007年持续萎缩形成76.81 km²消落带(图 6), 以及2007—2013年水域面积有所回升后形成的19.89 km²消落带(图 6)。

从各时期形成的消落带空间分布可以看出：消落带在1979—2013年形成期间, 受到峡谷地形的影响, 官厅水库狭长带两侧和永定河河口西南岸带分布极少。间歇消涨期形成的消落带主要分布于永定河河口、康西草原及妫水河一带。1979—2013年大量泥沙随着河水注入水库, 高达90%的泥沙淤积在库区, 其中55%淤积于永定河河口, 阻断了永定河与官厅水库的来水通道, 是永定河河口水域面积萎缩的主要原因^[27]。降雨及水文统计数据显示(图 7, 图 8)：随时间推移水库所在区域的年降水量波动逐渐减弱, 整体呈减少趋势, 10a平均值由467.35mm减少到394.48mm, 降水量的减少和区域持续干旱造成了官厅水库消落带面积大幅度扩大。自官厅水库建成以来, 水库入水量呈持续减少趋势, 建库初期达到最高25.48亿m³, 2009年降至历史最低, 仅0.22亿m³, 年平均入水量以每年0.5亿m³的速度迅速减少。2000年以后水库的出水量逐渐大于水库入水量, 水库蓄水量锐减是官厅水库消落带面积逐步扩大的另一主要因素。从消落带形成的时间特征上可以看出：1979年入库水量出现突变现象, 入库水量为14.97亿m³, 除1996年出现水位回升外, 时间序列内处于持续走低趋势, 导致位于永定河河口的消落带自形成后一直处于出露状态。持续萎缩期形成的消落带主要是在间歇消涨区形成的消落带基础上, 向妫水河库区西北湖岸带进一步萎缩。而2007—2013年频繁涨落期形成的消落带主要来自于水域面积的回升, 水域面积回升主要集中在妫水河周边及平坦库区中心一带, 在永定河河口的回升现象并不明显。

官厅水库消落带分布的质心变化能表现出其在空间上的消涨幅度及方向, 若官厅水库消落带面积在空间各方位上均匀消涨, 则其质心基本不变；若在某一方向上消涨比较明显, 则其质心会发生明显偏移^[28]。间歇消涨期(1979—1996年)到持续萎缩期(1996—2007年), 官厅水库消落带的质心向东北方向移动了0.203km, 偏移方向为东偏北26.56°, 表现出消落带的萎缩程度在妫水河入口及康西草原一带加剧。而持续萎缩期(1996—2007年)至频繁涨落期(2007—2013年), 其质心向东南方向移动了1.462km, 偏移方向为东偏南6.71°(图 9), 反映出两个时期形成的消落带在各方位的消涨趋于均匀, 但消涨幅度更为明显。

3.3 官厅水库消落带分区及其生态结构变化

结合1979—2013年官厅水库时间序列的水位变化及其水域面积数据, 从水位的最大值依次向下将1979—2013年时间段内形成的消落带划分为34组相邻水位所在区域, 即将形成的消落带划分为34个区块, 并通过射线法统计各区块的淹水频次及其累计淹水时长(表 1)。

表中的1号射线组表示最高水位值477.96m(1979年)和476.93m(1980年)之间的消落带区域, 并依次类推。淹水累计时长的分区结果显示：整体上表现为淹水累计时长随边岸向库区中心逐渐递增的趋势, 与自然水位的消涨呈现一致性。结合官厅水库野外湿地植物分布调查及区域地形可以看出：1979—2013年25.85%的消落带淹水时长不足5a, 且在消落带中所占比例最大, 位于永定河河口, 主要由1979—1980年大幅度落水形成。长时间的出露状态严重影响着区域植被组成结构变化, 持续的干旱条件导致土壤湿度降低, 使得该区域植被旱化明显。淹水时长不足5a的消落带植被组成以中生植物和农作物为主, 取代了原有对土壤水分要求较高的湿生植物和挺水植物, 大大降低了消落带对生态调节的功能价值。研究时间序列中仅有6.02km²的消落带经历的淹水时长为6—10a, 在整个分区中所占比重最小, 而淹水时长介于16—20 a的区域面积仅次于淹水时长为5年的消落带, 占比达25.67%。在16—20 a的淹水时长里, 消落带均经历了大于5次的反复淹水过程, 属于频繁淹水区域。频繁的淹水过程, 一定程度上保证了土壤中的水分和有机物, 中生植物如紫苜蓿(Medicago sativa L.)、牛鞭草(Hemathria altissima Stapf et C. E. Hubb.)、小叶杨(Populus simonii Carr.)构成了该区域的主要植被群落。35a的研究期间淹水时长达20a以上的消落带保持着良好的湿地特征, 该区域受到季节性水体交替淹没, 土壤水分高, 扁秆藨草(Scirpus planiculmis Fr.Schmidt)和球穗莎草(Cyperus glomeratus L.)是该区域的主要植物群落。受淹水时长的影响, 消落带生长的植被主要呈带状分布, 由此可见, 消落带的淹水时长很大程度上影响了湿地植物的组成结构, 决定了湿地植物的演变方向, 随着淹水时长的减少, 水生及湿生植物逐渐被旱生植物和中生植物取代, 同时受到土壤水分的影响, 群落的盖度和多样性都有所降低(图 10)。

淹水累计时长随边岸向库区中心呈阶梯上升趋势, 而淹水频次的分区结果在空间分布上规律性较弱。淹水频次分区结果的统计数据显示：从面积占比来看, 一次淹水区面积为32.79km², 在消落带中所占比例优势明显, 为27.72%, 其次, 经历6次反复淹水的消落带面积仅2.76km², 占2.33%, 其他淹水频次面积所占比例相对均衡, 淹水最为频繁的消落带共经历了9次淹水过程, 形成消落带面积约为7.11km²。空间格局分布上, 以1996—2007年持续萎缩形成的消落带为分界线, 基于淹水频次将官厅水库消落带分为两个主要变化区间。其中, 仅被淹水一次的区域在空间上呈不连续特征, 其水位值分别为473.11—476.99m和470.54—471.57m, 累计淹水时长差异明显, 分别为2 a和26 a(图 11)。频繁的淹水除了对植被组成有所影响外, 更多是对土壤中有机质及N、P含量的影响。对消落带区域进行分时段的采样, 测得各区域N、P和有机物的年平均值, 数据显示淹水频繁区的有机质平均含量为15.71g/kg, 而间歇淹水区的有机质含量为10.12g/kg, 频繁淹水区的有机质含量明显高于间歇淹水区的有机质含量, 达5.59g/kg。主要原因是频繁淹水保证了土壤水分, 同时对土壤的反复冲刷也有利于氮(N)、磷(P)的沉积, 促进区域内植被的生长, 而植物衰败后转化的有机物含量就越多, 形成一个良性循环。相反, 间歇淹水区的淹水过程相对单一, 长期出露区盐泽化严重, 植被稀少；而长期淹水区域植被多样性较弱, 都不利于区域土壤有机质含量的积累。

4 结论与讨论

长时间序列(1979—2013年)水位变化下的消落带形成是一个复杂的演变过程。通过分析官厅水库的消涨特征, 采用数形结合的射线法和ArcGIS空间分析的叠加法, 有效确定了水位变化下官厅水库消落带的范围, 分析了时间序列下官厅水库不同时期消落带的时空分布差异及其演变趋势, 并对水库消落带进行淹水频次和淹水时长的定量分区, 分析不同消落带的生态结构形成过程。得出以下结论：

(1)1979—2013年官厅水库水位在1979年达到最高, 2007年水位降至最低, 下落8.19m。水库消落带的消涨表现为3个明显的时段：1979—1996年的间歇淹水期、1996—2007年的持续萎缩期和2007—2013年的频繁淹水期。间歇消涨期的一个消涨周期约为4—5a, 平均涨落在0.5m/a左右。1996—2007年水位, 落差最大, 达7.12m；水位平均降幅0.64m/a。2007—2013年官厅水库水位呈小幅回升趋势, 涨落周期为2a, 且年间涨落差稳定在0.75m。

(2)1979—2013年官厅水库周边形成了118.31 km²的消落带。间歇消涨期形成的消落带面积为80.20km², 1996—2007年官厅水库持续萎缩形成76.81 km²的消落带, 同时包括由于频繁淹水期水域面积回升形成的19.89 km²消落带。不同时期形成的消落带在空间分布上呈现不均匀的消涨, 间歇消涨期(1979—1996年)形成的消落带主要分布在永定河河口及平坦的康西草原一带, 到持续萎缩期(1996—2007年), 除妫水河段外, 官厅水库消落带主要呈现向西北库岸带明显扩展的趋势；而从持续萎缩期(1996—2007年)至频繁涨落期(2007—2013年)形成的消落带面积小, 且主要以库区中心水位回升的消落带为主。

(3) 官厅水库的消落带淹水时长随边岸向库区中心呈阶梯式递增, 与自然水位消涨导致的淹水时长一致。1979—2013年25.85%的消落带淹水时长不足5 a, 长时间的干旱及土壤湿度降低, 植物旱化现象明显。从整体上看, 35 a来, 71.77%的消落带经历了大于16 a的淹水时长, 使得官厅水库消落带保持着良好的湿地特征, 湿生植物和水生植物分布较多, 以芦苇(phragmites australis Trin. ex Steud.)、香蒲(Typha angustifolia L.)群落为主, 发挥着湿地对生物多样性保护的重要作用。随淹水时长的减少, 植物组成中旱生植物和中生植物逐渐增多, 同时群落盖度和多样性都有所降低, 消落带生长的植被主要呈带状分布。基于淹水频次的分区结果显示, 相同淹水频次的区域在空间分布上呈现出不连续状, 同时, 淹水频繁区的有机质含量比间歇淹水区有机质含量高5.59 g/kg, 表明, 淹水频次越高越有利于土壤有机质的积淀。

(4) 消落带分区是进一步研究消落带内植被时空演替、土壤物理性质变化以及土壤有机质变迁的基础, 本文从多变的水位变化趋势中分析消落带的形成过程, 在确定消落带范围的基础上对消落带进行合理分区是本文的研究重点。但本文仅从定性的角度分析了消落带生态结构的形成及其生态功能演化机制, 未来的研究可以从微观入手, 结合生境变化的某一参数, 如植被覆盖度、土壤种子库和土壤有机物、N、P含量, 在消落带分区的基础上定量分析其内在作用机制, 揭示更加细致的生态结构形成过程。