三峡水库调控下江心洲植被演替对淹没频率的响应机制研究

《Ecological Indicators》：Riparian vegetation succession of sandbars and response to inundation under the regulation of the Three Gorges Reservoir

本文针对三峡水库(TGR)运行对长江中游河岸植被演替的影响机制这一关键科学问题，通过集成多源遥感影像(1986-2021年)与水文气象数据，系统研究了两大典型江心洲（岩子坝YZB和五虎朝阳边滩WPB）的植被动态变化规律。研究发现TGR蓄水后植被覆盖度显著提升(NDVImax增幅达182%-258%)，淹没频率降低促使植被群落向陆生方向演替，并通过Logistic曲线量化了植被适宜生长的临界淹没频率阈值。该研究为大型水利工程生态效应评估提供了重要科学依据。

　　

在长江流域生态系统中，河岸带作为水陆交错区，承载着丰富的生物多样性和关键的生态功能。然而近年来，人类活动特别是大型水利工程的兴建，显著改变了河流的自然水文节律。作为世界上规模最大的水利枢纽，三峡水库（Three Gorges Reservoir, TGR）的运行通过调节径流、拦蓄泥沙，对长江中下游的水文情势和河床形态产生了深远影响。这种改变如何作用于河岸植被的长期演替过程，特别是植被对淹没环境的响应机制，成为亟待深入探究的科学问题。

以往的研究多聚焦于短时间尺度或大范围区域的植被变化，对典型江心洲地貌单元的长时序植被演替规律缺乏系统认知。不同淹没模式下适宜植被生长区的空间分布格局如何？植被群落演替与淹没频率之间存在怎样的量化关系？这些问题的解答对于理解大坝建设的生态效应、指导河岸带生态修复具有重要意义。

为此，研究团队在《Ecological Indicators》发表了题为"Riparan vegetation succession of sandbars and response to inundation under the regulation of the Three Gorges Reservoir"的论文，选取长江中游两个典型江心洲——岩子坝（Yanzhi Bar, YZB）和五虎朝阳边滩（Wuhuchaoyang Point Bar, WPB）作为研究对象，利用1986至2021年共36年的多源遥感数据（Landsat 5/7/8和Sentinel-2）、水文站日均流量与水位数据以及气象数据（CHIRPS降水数据和ERA5蒸发数据），系统分析了TGR调控下河岸植被的长期演替趋势及其对淹没频率的响应关系。

研究采用的关键技术方法主要包括：基于Google Earth Engine (GEE)平台计算归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)以表征植被覆盖状况；运用Theil-Sen中值趋势分析和Mann-Kendall检验识别植被变化的时空格局；提出融合水文与遥感数据的新方法计算淹没频率，并利用Logistic曲线拟合植被频率(Vegetation Frequency, VF)与淹没频率(Inundation Frequency, IF)的量化关系；结合景观格局指数(Landscape Pattern Index, LPI)分析植被群落的空间分布特征。

3.1. 1986–2021年植被演替特征

3.1.1 植被覆盖度时序变化：两个江心洲的NDVI值均呈现波动上升趋势。YZB的NDVI_max从1986年的0.057增至2021年的0.161，增幅182.46%；WPB的NDVI_max从0.079增至0.283，增幅258.23%。TGR蓄水后（2004-2021年）植被增长速率显著加快。

3.1.2 植被覆盖趋势变化：趋势分析表明，TGR蓄水前（1986-2003年）两个沙洲植被以稳定区为主（YZB占51.50%，WPB占39.63%）；蓄水后（2004-2021年）植被显著改善区域大幅增加，YZB的99.46%和WPB的68.05%区域呈现"显著增加"趋势。

3.2. 淹没与植被发生频率的变化

空间分析显示，TGR运行后两个江心洲的高淹没频率区显著收缩，低淹没频率区向洲体中部和尾部扩展。相应地，植被发生频率的高值区明显扩大，从边缘向中心及北部延伸，表明植被生长条件改善。

3.3. 植被演替对淹没频率的响应

通过核密度云图与K-means聚类分析，识别出植被发生频率的等级界限。TGR蓄水后，两个江心洲的植被频率等级界限均显著上移。利用Logistic曲线拟合发现，适宜植被生长的临界淹没频率在蓄水后显著降低。例如YZB的临界淹没频率从蓄水前的CVF₁=69.18%（对应年淹没日数253天）降至蓄水后的CVF₁=26.47%（对应年淹没日数97天），表明植被对淹没的耐受性下降，群落结构发生改变。

3.4. 植被演替格局与动态

植被群落分类显示，TGR运行后两个江心洲的植被群落发生明显演替。YZB的挺水植物从无到有，平均面积增至0.424 km²；湿生植物面积增加至0.465 km²；沉水植物面积减少至0.691 km²。WPB的挺水植物面积大幅增加至0.970 km²。LPI分析表明，挺水植物和湿生植物的优势度显著提升，而沉水植物的优势度下降，植被群落向陆生方向演替。

研究结论与讨论部分强调，三峡水库的调控作用通过稳定水文情势，减少极端淹没事件，延长了江心洲的出露时间，为植被生长创造了有利条件。植被覆盖度的显著增加和群落的陆生化演替，是植被对改变后的水文环境的功能性适应。这种演替虽然增强了江心洲的稳定性（通过根系固滩），但也可能增加局部水力阻力，影响洪水宣泄能力。同时，群落结构的简化可能削弱生态系统的韧性。

该研究首次通过长时序、多尺度的遥感监测，量化揭示了TGR运行下江心洲植被演替与淹没频率的响应关系，为大型水利工程的生态调度提供了科学依据。未来研究可拓展至更多类型的江心洲，并结合更高分辨率的遥感数据与实地验证，进一步深化对河岸带生态系统演变规律的认识。