2022, Vol. 34 
(2: 北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室，北京 100875)
(2: State Key Laboratory of Water Environment Simulation, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, P.R.China)
植被是湖泊生态系统的重要组成部分，尤其是大型水生植被，是浅水湖泊重要的初级生产者，为鱼类、大型底栖动物等提供食源与栖息地，同时能有效去除污染物，改善湖泊水质和透明度，是维持湖泊生态系统结构与功能完整不可或缺的要素[1]. 植被格局是植被在其生存空间中的位置和布局状况，其形成过程受气候、水文、地貌、土壤等外界环境因子和物种本身的生物学特性等多种因素共同影响[2]. 在过去几十、上百年来，气候变化与人类活动的共同影响使得植被的分布格局和演替过程发生了明显的变化[3-4]，植被格局的变化主要体现在其种群数量、群落多样性、优势物种、生物量等方面[5-6]，水文条件和人类活动对湿地植被初级生产力的空间分布也具有影响显著[7].
传统基于群落和个体尺度的样方调查和统计分析并不足以反映野外植被分布格局的实际情况，且该方法存在费时费力、监测范围小等缺点. 因此，全湖尺度的植被观测以及生物量估算对动态监测与评估湖泊植被生长以及格局动态演变过程而言至关重要[4]. 遥感技术因其成本低、速度快且具有时空连续性的特点，被广泛应用于植被的分类、时空分布特征评估、生物量和生产力反演等方面. 基于Sentinel-2高光谱数据，通过构建浮叶类植被指数(floating-leaved aquatic vegetation index, FAVI)和沉水植被指数(submerged aquatic vegetation index, SAVI)进行翠屏湖的水生植被分类[8]；运用缨帽变换和主成分变化对原始遥感影像进行增强，通过构建浮叶类植被敏感指数(floating-leaved vegetation sensitive index, FVSI)和沉水植被敏感指数(submerged vegetation sensitive index, SVSI)对太湖水生植被进行分类[9]；利用绿波段和短波红外波段的光谱特征区分挺水植物、沉水植物和漂浮藻类，并构建不同植被冠层的水深反演模型，定量评估不同植被冠层沿水深的时空动态分布[10]；以及运用遥感影像数据，估算芦苇湿地植被的净初级生产力[7]等都是遥感技术应用的实例.
不同于普通浅水湖泊，如太湖、巢湖等拥有大面积宽阔水域，白洋淀是华北平原典型的浅水草型湖泊，位于白洋淀流域末梢，淀区河淀相连，沟壑纵横，由3700多条沟壕和河道，将大小不同的淀泊连接在一起，形成芦苇田、园田台地、洼地、村庄相融合的独特自然景观. 自2017年雄安新区设立之后，统筹城水林田淀系统治理，做好白洋淀生态环境保护恢复“华北之肾”功能，是雄安新区打造新时代生态文明典范城市的重要环节. 为恢复白洋淀的生态环境质量，1981-2019年间，白洋淀接受来自王快水库、西大洋水库、安各庄水库、岳城水库、黄河、南水北调中线工程等流域内外的生态补水累计19.26亿m3[11]. 对于淡水湖泊湿地而言，水位是其植被格局形成的主导因子[2]，当前生态补水对淡水湖泊湿地的影响评估整体基于维持湖泊湿地生态环境现状、恢复景观格局、提升生物多样性等补水目标[12-13]，通过野外调查和卫星遥感数据以及模型预测评估，对比分析生态补水前后湖泊水体营养盐含量、景观格局、典型物种与种群等生态环境要素的时空动态变化特征[14-16]，以此描述生态补水对湖泊生态环境的提升效果. 针对白洋淀多年的生态补水状况，已有大量研究提出不同生态管理目标下的白洋淀生态需水量[17-18]，评估生态补水策略以及补水路径对淀区水动力循环过程、水体氮磷浓度的改善效果[14]，考虑淀区优势植被芦苇的适宜生境分布和生长过程[16]，以及从白洋淀总体生态系统服务功能的角度，提出满足生态系统总服务价值最高且各类间功能最平衡的白洋淀适宜生态水位[19].
综上所述，已有研究大多从水量、水质、湿地退化以及生态系统服务功能等角度阐述生态补水对白洋淀的影响，当前在雄安新区建设新形式下，上游水库、引黄入冀补淀、南水北调等多水源、持续性生态补水作用对淀区植被格局的影响如何，其格局变化与水位之间存在怎样的关系亟待探索. 本研究运用遥感影像数据，系统分析雄安新区设立以来，白洋淀生态补水影响下淀区植被在年际和年内的空间分布和生物量的动态变化规律，初步揭示了雄安新区设立以来“多源长效补水”对淀区植被的修复效果，以期为白洋淀及雄安新区生态系统修复与管理提供科学支撑.
1 材料与方法 1.1 研究区概况白洋淀(38°44′~38°59′N, 115°45′~116°07′E)地处太行山东麓、河北省中部雄安新区腹地，属海河流域大清河水系，是华北地区最大的淡水湖泊湿地(图 1)，承担着防洪、治涝、蓄水和灌溉的重要任务，对调节区域小气候、补充地下水、维持华北地区生态平衡和保持生物多样性发挥着重要的生态安全屏障作用. 当十方院水位达到10.6 m(大沽高程基准)时，白洋淀淀区水域总面积为366 km2，湖泊总库容可达10亿m3. 白洋淀现有大小淀泊143个，主要入淀河流有潴龙河、孝义河、唐河、府河、漕河、瀑河、萍河、白沟引河8条支流.
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图 1 白洋淀流域水系(a)和入淀支流(b) Fig.1 Lake Baiyangdian Basin(a) and tributaries into Lake Baiyangdian(b) |
为缓解入淀流量减少而导致的淀区水位下降、水质恶化等一系列问题，自1981年起，河北省利用上游水库、引黄入冀补淀、南水北调等工程对白洋淀实施了多次生态补水，1981-2019年间，白洋淀累计接受流域内和跨流域生态补水46次[2]. 《白洋淀生态环境治理和保护规划(2018-2035年)》明确建立多水源补水机制，统筹流域内和跨流域河流、水库水资源，对白洋淀实施持续性生态补水长效保障机制，恢复淀泊水面，使白洋淀正常水位维持在6.5~7.0 m. 2020年，河北省积极开展了河道生态补水，全年累计补水9.97亿m3，大力改善了白洋淀流域水环境；2021年，保定市全年补水6.6亿m3，通过生态补水，白洋淀水位有所回升，保持在6.5 m以上，淀区生态环境得到明显改善，水环境承载能力得到进一步提升.
1.2 植被概况白洋淀属典型浅水草型湖泊，但由于白洋淀独特的水域-台田-村落交错的景观生态格局，铸就了白洋淀范围内大量台田陆生植被和水生植被共存的自然景观. 其中，淀区水生植被类型丰富，根据其淹没方式可分为挺水、沉水、漂浮和浮叶植被4大类，其中挺水和沉水植被是白洋淀水生植被的主要优势类群. 据历史记录，淀区水生植被物种数记载最多的年份是1979年(66种)，之后在近四十年中，水生植被物种数量明显减少，尤其是2007-2011年挺水植被物种数急剧减少[20-21]，可能的原因是生态补水扰乱了淀区水位的自然波动节律，与植被生长所需水位周期变化不匹配，导致部分敏感种衰亡甚至灭绝[19]. 2015和2017年的野外调查结果显示，白洋淀水生植被大多在4-5月开始生长，在夏季和秋季达到生长高峰期，冬季逐渐枯萎死亡，优势物种随季节演替，其中春季优势沉水植被以眼子菜科菹草(Potamogeton crispus L.)和篦齿眼子菜(Potamogeton pectinatus L.)为主，而菹草生长最为旺盛且分布最为广泛；夏季水生植被优势科为睡莲科(Nymphaeaceae)，优势物种为莲(Nelumbo nucifera Gaertn.)和金鱼藻(Ceratophyllum demersum L.)，秋季优势水生植被为龙须眼子菜(Potarmogeton pectinatus L.)和金鱼藻，季节变化规律与其他学者的调查结果基本一致[21-22].
白洋淀陆生植被则以台田芦苇种植为主，芦苇(Phragmites australis)是淀区陆生植被的优势物种，同时也是当地居民的重要经济作物，其生长状况受地表水、地下水埋深等因素影响较大[16, 23].
1.3 遥感影像获取与数据处理综合考虑遥感影像可利用性及其影像效果，本研究分别从Landsat-8和Sentienl-2获取2017年和2020年4-10月共13期植被生长期的逐月影像资料，解译分析雄安新区建设影响下白洋淀植被生长期内植被的时空分布特征，其中由于2020年7月两种影像源云量较多，故未考虑此月份的植被变化.
遥感影像数据的预处理均在ENVI5.5.3环境中进行，Landsat-8和Sentinel-2两种数据源应用各自的辐射定标工具进行辐射定标，运用FLAASH大气校正模块对影像进行大气校正，应用Seamless Mosaic工具将同一日期的两景Sentinel-2影像进行拼接，后根据白洋淀矢量图层对其进行裁剪得到淀区2017和2020年生长期内的影像数据.
1.4 白洋淀土地利用类型分类提取根据白洋淀地物在遥感影像上的特征，结合白洋淀优势植被群落，将白洋淀地物分成挺水植被、沉水植被、陆生植被、开阔水域、建设用地和裸地6类，其中开阔水域、建设用地和裸地在影像上特征明显，可直接通过颜色进行判别，从而建立训练样本. 为进一步提取陆生植被和水生植被，分别选择2017年12月和2020年12月的影像进行陆地和水域边界提取，如图 2所示. 冬季白洋淀水生植被凋零，影像上呈现出大片棕色裸地，使用非监督分类中的isodata方法能较好地区分陆地和水域，将陆地和水域分类后的结果转化为矢量文件，在此基础上得到白洋淀陆地和水体掩膜，进而提取陆生植被.
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图 2 白洋淀2017年12月(a)与2020年12月(b)的真彩色影像 Fig.2 True color images of Lake Baiyangdian in December 2017 (a) and December 2020 (b) |
为进一步区分挺水植被与沉水植被，并验证水体对植被光谱的影响，采用SOC710VP光谱仪分别拍摄淀区典型挺水植被芦苇和沉水植被金鱼藻的光谱，如图 3所示，2种植被都表现出了典型的植被光谱特征：在可见光的蓝色(中心波长为450 nm)和红色(中心波长为650 nm)谱带内存在着2个叶绿素吸收带，在绿色波段(中心波长为540 nm)附近存在一个反射峰，而在近红外波段处，反射率整体呈下降趋势，其中沉水植被反射率急剧下降. 这是由于受到了水体浊度等因素的影响，沉水植被整体反射率远远小于挺水植被，因此可以利用此特征区分沉水植被和挺水植被. 挺水植被和沉水植被可根据其反射率的差异，结合野外调查的水生植被种群与群落分布特征等信息，构建挺水植被和沉水植被训练样本，采用神经网络分类方法得到上述6类土地利用类型分类结果，并进一步统计各类地物像元数量所占百分比和各类地物的分布面积.
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图 3 挺水植被(a)和沉水植被(b)实测光谱 Fig.3 Measured spectrum of emergent vegetation(a) and submerged vegetation(b) |
从2017年和2020年白洋淀的6类土地利用类型分类结果来看，年内尺度上，白洋淀陆生植被和水生植被(挺水植被与沉水植被)从4月份开始生长，陆生植被生长阶段主要集中在5-9月，而水生植被则在5-10月均存在大范围生长扩散. 其中，挺水植被与沉水植被协同分布，其空间分布范围主要集中在淀区的北部、西北部和西南部以及沿岸浅水区，总体上呈现出北部大于南部、西部大于东部的趋势，挺水植被群落分布广于沉水植被(图 4~5). 淀区开阔水域分布范围自4月起逐步缩减，在8月(2017年)和9月(2020年)达到最小面积，之后水域面积逐渐增加.
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图 4 2017年4-10月白洋淀不同土地利用类型 Fig.4 Different land-use types in Lake Baiyangdian from April to October 2017 |
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图 5 2020年4-10月白洋淀不同土地利用类型 Fig.5 Different land-use types in Lake Baiyangdian from April to October 2020 |
年际尺度上，对比雄安新区建设前后(2017和2020年)各土地利用类型的空间分布情况，白洋淀水生植被没有发生明显的空间转移，依旧集中在北部、西北、西南以及沿岸水深较浅的区域，但其分布面积平均增加7.5 %. 陆生植被生长期内面积变化趋势较为一致，但面积平均增长21.4 %. 受持续性生态补水的影响，2020年淀区各月份开阔水域面积略大于2017年，由此可知生态补水对《河北雄安新区规划纲要》所要求的“恢复淀泊水面”具有一定效果. 受新区建设规划方案要求的影响，淀内建筑用地面积未发生较大变化，但裸地面积平均减小19.2 %. 挺水植被和沉水植被在秋季存在明显的凋零与衰败，但由于淀区挺水植被分布受水位胁迫，其分布面积小于沉水植被，小于陆生植被，因而水生植被分布面积整体小于陆生植被，相比2017年平均缩减了19 %. 此外，淀区台田大面积种植的芦苇是淀区主要的陆生植被兼经济物种，并在秋季(10月末)收割，且2017年10月份的影像源较2020年晚11天，由此导致了2017年10月的陆生植被分布面积远远小于2020年，2017年的挺水植被和沉水植被面积略低于2020年(图 6).
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图 6 2017年(a)和2020年(b)白洋淀不同土地利用类型面积占比变化 Fig.6 Area percentage of different land-use types in Lake Baiyangdian in 2017 (a) and 2020(b) |
总体而言，白洋淀挺水植被面积年内变化呈显著的单峰型，4月面积较小，从5月开始快速生长，到8月最大，然后迅速下降(图 7)，其面积变化趋势符合芦苇、香蒲和莲的生活史，这也验证了芦苇、香蒲和莲是白洋淀挺水植被的绝对优势种. 而沉水植被年内的面积变化呈明显的多峰型，面积增减随着季节未发生明显的变化，这可能与白洋淀不同优势沉水植被的生活史有关.
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图 7 白洋淀2017和2020年水生植被生长期内面积变化 Fig.7 Changes in the area of Lake Baiyangdian during the growth period of aquatic vegetation in 2017 and 2020 |
生物量是指某一时刻单位面积内实存生活的有机物质总量，可用于综合表征生物的生长状态. 本研究通过单位面积植被地上生物量(简称植被生物量，下同)与植被分布面积，估算植被总的生物量. 单位面积生物量来源于文献[24]和课题组采样调查结果，并根据挺水植被和陆生植被平均含水率将生物量统一为湿重(表 1). 沉水植被缺失月份的数据按照季节优先的原则进行线性插值，以估算缺失的生物量数据. 挺水植被和陆生植被其平均含水率相同，因此对应植被的生物量与其植被面积直接相关，生物量和植被面积表现出相同的变化规律，挺水和陆生植被都在8月达到生物量最大值；沉水植被生物量逐月走势大致符合其面积变化趋势，在5月和10月生物量达最大值(图 8).
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表 1 植被生物量参数 Tab. 1 Parameters of vegetation biomass |
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图 8 不同类型植被生物量变化 Fig.8 Changes in biomass of different types of vegetation |
2020年的挺水植被面积在初夏高于2017年，但在盛夏的8、9月份，挺水植被面积少于2017年，这可能是因为4年时间里白洋淀的土地利用类型发生了变化(图 7). 从影像上看，2017年的水域面积在5、6和8月小于2020年，部分紧邻岸边的水域转化为旱地，并在2020年出现了挺水植被(图 5). 一方面是由于白洋淀的生态补水一般在秋季和冬、春季节，导致夏季淀区水量补充不足[11]，且淀区大面积芦苇的蒸发蒸腾作用导致耗水量增加，水域面积缩减[25]. 另一方面，由于《河北雄安新区规划纲要》明确在实施白洋淀生态修复过程中，需要对现有苇田荷塘进行地貌改造和调控、优化淀区生态格局、修复多元生境. 因此，自2018年起，淀内逐步开展了孝义河新区段河道综合治理项目、藻苲淀水系疏通工程、藻苲淀退耕还淀生态湿地修复工程以及圈头生态清淤扩大试点工程等多个工程项目，对淀内格局进行改造，对淀区重污染鱼塘水处理、底泥清淤及资源化生态利用，以实现外部和内部污染负荷削减以及生态修复与恢复，从而导致部分水域向旱地转移，图 5也反映了白洋淀的生态治理的阶段性成果.
2017年和2020年沉水植被面积表现出相似的变化规律(图 7). 2017年4月白洋淀沉水植被面积为16.81 km2，5月沉水植被大量生长，面积达到第一个峰值，6月面积迅速减少，原因可能是白洋淀沉水植被随季节演替，其中春季的优势种菹草在春季快速繁殖，随着气温的升高在5月下旬至6月下旬大量死亡[26]，使6月沉水植被面积呈下降趋势. 进入7月，白洋淀的金鱼藻和篦齿眼子菜的生物量达到最大，是淀区夏季的优势沉水植被[26]，同时也是马来眼子菜和苦草的生长期[27]，因此7月沉水植被面积较6月有所增多. 10月沉水植被面积达到了第二个峰值，为41.89 km2，这可能是因为近年来白洋淀水质改善，水体氮磷负荷削减[11]，导致较清洁水体的指示物种轮藻和马来眼子菜大量生长[28]，并在10月下旬生物量达到最大.
3.2 湖泊水位对水生植被生物量的影响根据白洋淀端村水文站2017年和2020年的逐日水位数据(黄海高程)，自雄安新区设立以来，得益于流域内外多次生态补水，致使2020年白洋淀的整体水位高于2017年，年平均水位增加0.63 m，最低水位从6.15 m提升至6.75 m，最高水位从6.99 m提升至7.46 m(图 9). 2017年5-10月淀区水位不满足《河北雄安新区规划纲要》的水位恢复目标要求——白洋淀正常水位保持在6.5~7.0 m，2017年全年水位达标率为50 %. 生态补水作用下，2020年淀区水位全年均高于6.5 m的最小水位目标要求，但除6-8月外，其余月份均高于7.0 m这一水位上限要求，未来可通过增加淀区下泄流量，尤其是春、秋等枯水期加大向下游泄水，以满足下游河道的生态需水要求.
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图 9 2017和2020年白洋淀逐日水位变化(灰色阴影为白洋淀水位恢复目标6.5~7.0 m) Fig.9 Daily water level changes of Lake Baiyangdian in 2017 and 2020 (The gray shadow is the target water level of 6.5-7.0 m) |
将2017年和2020年的逐月挺水植被和沉水植被生物量与水位建立相关关系，结果如图 10所示. 影响水生植被生长的因素较多，如水体中叶绿素a、硝态氮、总氮浓度，以及沉积物总有机碳、无机磷和铵态氮含量，除化学指标外，水深、透明度、pH、电导率等物理指标也影响水生植被生长[29]. 本研究中，挺水植被生物量受水位影响较大(图 10). 2017年挺水植被生物量整体随水位增加而减小，在水位为6.32 m时生物量最大，水位为6.51 m时生物量最小. 2017年黄河、王快水库和西大洋水库共向白洋淀补水约1亿m3[19]，2020年河北省统筹引黄、引江、上游水库以及再生水等多种水源，累计向白洋淀生态补水达5亿m3，并向下游河道放水超1亿m3①.
① 此数据来源于河北新闻网(河北日报). http://m.hebnews.cn/hebei/2020-11/24/content_8226318.htm.
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图 10 挺水植被(a)、沉水植被(b)生物量与水位的关系 Fig.10 The relationships between emergent vegetation biomass(a), submerged vegetation biomass(b) and water level |
受生态补水影响，2020年淀区水位整体上涨，7.31 m水位时挺水植被生物量最低，整体呈现随水位增加生物量先减小后增大的趋势. 综合考虑水位变化与季节的关系，2020年白洋淀夏季水位全年最低，挺水植被生物量最高，生物量最大值对应的水位为6.85 m，当水位高于6.85 m时，挺水植被生物量呈下降趋势. 因此，白洋淀水位对挺水植被不同生长阶段有明显限制作用，尤其是高水位会抑制挺水植被的生长，与前人研究成果结论一致[30].
除水位外，温度是影响挺水植被生长的另一重要物理因素，温度过高或过低都将抑制挺水植被生长[30]. 根据安新县的历史气温数据，2017和2020年的挺水植被生物量与温度的Pearson相关性分析结果表明，挺水植被生物量与日最高气温、最低气温以及平均气温呈显著正相关(P < 0.05)(表 2)，即在本研究范围内温度升高会促进挺水植被的生长，具体表现为夏季挺水植被生长最为旺盛，这与Luo等[31]的结论一致.
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表 2 水生植被生物量与气温的相关性 Tab. 2 Correlation between biomass of aquatic vegetation and air temperature |
水位对沉水植被生物量的影响则明显不同. 2017和2020年5、9和10月沉水植被生物量较高但差别不大，而同期水位差别较大，表明在春季和秋季水位对沉水植被生物量的影响较小；6-8月年内水位最低，而2020年夏季水位逼近2017年最高水位，此时沉水植被生物量却相差无几. 与水位波动大的大型浅水湖泊湿地鄱阳湖不同，白洋淀水位波动相对较小(图 9)，远小于鄱阳湖的年内水位变幅(7.6~15.2 m)和多年平均最高水位与最低水位变幅(10 m以上)[32]，巨大的水位落差缩减了鄱阳湖沉水植被生境，导致沉水植被分布面积和生物量大大减小[33]. 也有研究表明，在众多影响沉水植被生物量的物理因子中，水体透明度是影响沉水植被生物量的最主要因素，其次是温度，而水位对沉水植被生物量的影响并不显著[34]. 总体而言，白洋淀水位年内、年际变幅较小，沉水植被覆盖度及生物量变化受水位变化影响较小，其结果较为合理. 由于白洋淀沉水植被存在明显季节演替特征，春季、秋季水温低于20℃，更有利于苦草等喜低温的沉水植被生长[35]；夏季水温升高导致菹草大量死亡，进而促进了沉水植被的季节演替，同时导致沉水植被生物量的降低(图 8)，但本研究中白洋淀的沉水植被生物量受气温的影响不显著(表 2).
4 结论本研究基于Landsat-8和Sentinel-2两种遥感数据分析了2017年和2020年4-10月白洋淀6类土地利用类型的动态变化过程，剖析了水生(挺水植被、沉水植被)和陆生植被的时空分布格局，估算了植被生物量并建立了水生植被生物量与水位的相关关系，主要得出以下结论：2020年较2017年，淀区水生植被和陆生植被平均面积扩增，裸地面积缩减，建筑用地和水域面积变化较小. 水生植被主要集中在淀区北、西北、东南以及沿岸水深较浅的区域，其中沉水植被受季节演替影响，5月和10月分布较广；挺水植被在夏季长势最好，分布面积最广. 雄安新区设立以来，受生态补水影响，白洋淀水位得以恢复和抬升，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、秋季生物量较高. 沉水植被和挺水植被生物量与水位和温度的相关性结果表明，温度和水位对沉水植被生物量影响不显著，对挺水植被生物量影响显著，但其趋势相反，温度升高会促进挺水植被的生长，高水位则会抑制挺水植被的生长.
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