大坝建设后河-湖连通型湖泊植被格局变化的水文驱动机制：出口还是入口主导？

《Ecological Indicators》：Dominant hydrological drivers of vegetation pattern changes in a river-connected lake after dam construction: outlet or inlet?

本文推荐研究人员针对三峡大坝(TGD)运行后洞庭湖湿地植被演替驱动机制不明确的问题，通过MIKE 21水动力模型模拟和遥感解译，量化了入口(三口)和出口(城陵矶)水文条件对植被变化的贡献。研究发现出口水位下降是导致苔草(Carex)被芦苇(Reed)侵占的关键驱动因子，为受水坝影响的河-湖连通型湖泊的水位调控和生态修复提供了科学依据。

　　

在全球气候变化和人类活动的双重压力下，河-湖连通型湖泊的生态系统正面临着前所未有的挑战。作为长江中下游典型的通江湖泊，洞庭湖通过三口（松滋、虎渡、藕池）接纳长江来水，最终通过城陵矶汇入长江，形成了独特的水文节律和湿地生态格局。然而，自2003年三峡大坝（Three Gorges Dam, TGD）这一世界上最大的水利工程运行以来，洞庭湖的水文情势发生了显著改变，直接影响到湿地植被的生长与分布。以往研究多关注于水文与植被的变化趋势，但对于大坝影响下湖泊入口和出口水文条件如何共同驱动植被格局变化的定量贡献仍不明确，这制约了洞庭湖湿地植被恢复和水位调控的有效实施。

为揭示这一科学问题，发表在《Ecological Indicators》上的研究论文《Dominant hydrological drivers of vegetation pattern changes in a river-connected lake after dam construction: outlet or inlet?》展开系统研究。研究人员通过构建MIKE 21水动力模型，结合长时间序列的遥感影像和水文观测数据，定量解析了三峡大坝运行前后洞庭湖淹没格局和植被分布的时空演变特征，并首次量化了入口（三口、四水）和出口（城陵矶）水文条件对植被变化的相对贡献。

本研究主要采用了以下关键技术方法：基于丹麦水动力研究所（DHI）开发的MIKE 21水动力模型模拟洞庭湖的淹没历时（inundation duration）和淹没深度（inundation depth）；利用Google Earth Engine（GEE）平台获取1990-2020年的Landsat/Sentinel-2遥感影像，通过最大NDVI值合成（MVC）和高程分层方法提取苔草（Carex）和芦苇（Phragmites australis）的分布面积；采用高斯模型（Gaussian model）拟合植被面积与淹没参数的生态阈值关系；通过设置七种不同水文情景（S1-S7），运用控制变量法定量评估三口、四水和城陵矶水文变化对植被面积的贡献率。水文数据来源于长江水利委员会和湖南省水文水资源勘测局（1980-2020年），植被分类精度通过256个无人机实地采样点验证，总体精度和Kappa系数均超过87%。

3.1 水文条件变化

研究发现三峡大坝运行后（2003-2020年），洞庭湖年平均水位从25.36 m显著下降至25.08 m。三口年均径流量从0.69×10¹¹ m³/a锐减至0.48×10¹¹ m³/a，而四水径流量无显著变化。年内水位呈现“汛期降低、枯季升高”的新特征，其中10月水位降幅最大（1.92 m）。这些变化导致洞庭湖淹没历时平均减少9天，淹没深度降低0.25 m，且以东洞庭湖（EDTL）的减少最为显著。

3.2 淹没与植被格局时空变化

模拟结果显示，洞庭湖淹没历时和深度随滩地高程增加而递减。2003年后，约65%的区域淹没历时缩短，东洞庭湖尤为明显。植被总面积从1514.82 km²显著扩张至1715.84 km²，其中芦苇面积增加174.04 km²，而苔草面积从815.94 km²减少至771.13 km²。高程分布上，苔草主要分布区间由23-27 m下移，芦苇则从25-30 m向下扩张至24-26 m，明显侵占了苔草的生态位。

3.3 植被与淹没格局的响应关系

通过高斯拟合，确定了苔草和芦苇的适宜淹没生态阈值：苔草的适宜淹没历时为132-240天，最优区间为159-213天；芦苇的适宜淹没历时为110-186天，最优区间为129-167天。苔草表现出更强的耐淹能力和更宽的生态幅，但水位下降使芦苇的竞争优势凸显，加剧了其对苔草生存空间的侵占。

3.4 水文条件对湿地植被的影响

情景模拟表明，城陵矶出口水位下降对植被变化贡献最大。具体而言，出口水位变化对苔草最优面积减少的贡献率达79.26%，对芦苇最优面积增加的贡献率为66.62%。四水水文变化则主要影响苔草亚适宜区的扩张（贡献率84.73%）。三者共同作用时（S3情景），对植被面积和分布高程的影响最为显著，其中东洞庭湖的植被高程下移现象尤为突出。

研究结论强调，三峡大坝运行后，洞庭湖出口（城陵矶）水位的下降是驱动植被向湖心扩张和演替的关键因子。这种水文改变通过减少淹没历时和深度，创造了更利于芦苇生长的环境，从而导致芦苇对苔草的空间侵占。四水的水文变化则在一定程度上加剧了这一趋势。该研究首次定量揭示了河-湖连通湖泊入口与出口水文驱动力的相对重要性，指出通过调控出口水位是缓解大坝对湖泊生态系统负面影响的关键。研究成果不仅为洞庭湖的湿地植被恢复提供了精准的管理策略（如基于生态水位的城陵矶闸坝调控方案），也为全球受水坝影响的通江湖泊的生态管理提供了重要借鉴。未来研究需进一步耦合泥沙输移过程，并提升湿地植物群落的精细识别能力，以优化淹没格局模拟和生态预测的准确性。