三峡库区支流生境因子对库区蓄水的响应

陈 淼,苏晓磊,黄慧敏,党成强,高 婷,曾 波,陶建平

西南大学生命科学学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆市三峡库区植物生态与资源重点实验室, 重庆 400715

三峡库区的长江干流具有众多支流汇入,三峡水库建成后,长江干流和支流下游数公里至数十公里的流水河段被淹没形成缓流和静水河段,支流具有的流水河段明显减少。原有的水流快或湍急、具有多样化生境的河流水系消失,变成了水流缓慢甚至静止的湖泊河流复合型水系[1]。

根据三峡水库的运行调度方案,为满足防洪、发电、航运、冲於、下游水量补充等的综合要求,每年9月初水库开始蓄水到10月初蓄至175m。每年的11月至次年4月底,水库尽量维持在较高水位,以保证发电和航运需要；当入库流量低于电站对流量的要求时,调节库容,水库水位下降,但4月末以前水库水位不能低于155m。次年5月末至6月初,水库水位降至防洪限制水位145m。在每年的汛期6—9月份,水库水位维持在145m防洪控制水位运行,超过电站过流能力的水量,通过泄洪坝泄水,只有当入库流量超出下游河道安全泄洪量时,水库才拦洪蓄水,使水库水位抬高,洪峰过后水库水位仍降至145m运行[2- 4]。

由于库区最低水位为145m,最高水位为175m,而在大坝修建以前,长江的涪陵和江津的平均水位分别为145m和175m。因此,在大坝至涪陵之间的支流受库区水位调度,形成了截然不同的三种河段类型[5]：入江口至145m回水区为完全受水库蓄水影响的河段(完全河段),145m回水区至175m回水区为既受蓄水影响又受自然洪汛影响的河段(双重河段)以及不受蓄水影响的大于175m的自然河流段(自然河段)。在涪陵至江津之间的支流则形成双重河段及自然河段两种不同河段。

三峡库区蓄水导致3种不同河段的生境发生了极大的变化,所以本研究通过对三峡库区36条重要支流生境的调查,使用因子分析及相关分析,分析库区蓄水对不同河段生境因子影响差异,以期为库区支流不同河段水生生境的保护和管理提供理论依据。

1 研究区域概况

本研究对三峡库区36条长江一级支流(图1)开展生境状况调查与评估工作,江津-长寿段的11条一级支流包括：綦江、大溪河、一品河、花溪河、五布河、嘉陵江、朝阳河、长塘河、御临河、桃花溪、龙溪河；涪陵-巫山段的22条一级支流包括：梨香溪、乌江、珍溪河、渠溪河、碧溪河、龙河、池溪河、东溪河、黄金河、汝溪河、壤渡河、苎溪河、小江、汤溪河、磨刀溪、长滩河、梅溪河、草堂河、大溪河、大宁河、官渡河、抱龙河;湖北境内的3条一级支流包括：神龙溪、青干河、香溪河。

图1 研究区样点分布图Fig.1 Distributions of sampling sites in three gorges reservoir region

2 研究方法

2.1 数据收集及处理分析

本研究对三峡库区36条重要支流进行调查,研究区域内共设置样点断面254个,其中完全河段设置样点断面64个,双重河段设置样点断面59个,自然河段设置样点断面131个(图1)。于2015年6月—10月、2016年8月—9月进行野外调查。调查时间避开蓄水期及洪水期,在平水期进行。通过实地考察、采访当地群众,确定145m及175m回水区位置。以500m的河段为调查单位,从下游往上游步行,调查、测量和记录河流生境的各个指标；同时使用GPS记录每个样点经纬度坐标并拍摄照片。由于河流的左右岸的形态、植被等特征不一,所以河岸带生境中各指标分别记录左右岸情况,各指标分值取左右岸的平均值。使用Excel 2014和SPSS 22.0等软件进行统计处理。

2.2 生境因子及赋值标准

库区河流与自然河流很大的区别就在于河流水文情势的改变,所以在生境指标的选取上,首先考虑能代表库区河流特点的相关指标,除此之外,本文参考国内外使用广泛的河流生境评价方法[6-24],对这些评价方法中的指标进行统计,统计出使用频率高的指标,并且结合三峡库区支流在蓄水影响下的生境特点,综合考虑自然因素与人为因素对大型水库库区河流生境的影响,筛选出以下18个生境指标进行调查与研究(表1)。

3 结果与分析

3.1 基于因子分析的生境因子的空间变化

使用统计软件SPSS 22.0对36条支流的完全河段、双重河段、自然河段的生境因子进行因子分析[26-28]。首先对数据进行KMO和Bartlett的检验,不同河段生境因子的KMO检验系数分别是完全河段0.647、双重河段0.650、自然河段0.792,均超过了0.5,Bartlett检验值达到显著水平且其与对应的相伴概率值为0,小于指定的显著水平0.05。因此三峡库区支流不同河段生境因子可以利用因子分析法进行分析研究。

3种不同河段的主成分特征值如图2所示,完全河段、双重河段、自然河段均为前6个主成分的特征值大于1,其累计方差贡献率分别为73.756%、74.448%、74.964%。为了使各个主成分具有明确的实际意义,使用方差最大正交旋转(Varimax)对不同河段前6个主成分进行因子分析。

在完全河段(表2),旋转后第一主成分的方差贡献率为24.222%,与第一主成分(PC1)密切相关的指标是植被覆盖率、植被连续性、植被结构完整性,其载荷量分别为0.880、0.910、0.827,从河岸带的植被状况反映河流生境质量状况。旋转后第二主成分的方差贡献率为15.089%,第二主成分(PC2)在人为影响长度、河岸类型上有较大载荷,其载荷量分别为0.867、0.836,表现为河岸人为干扰方面。旋转后第三主成分的方差贡献率为11.525%,第三主成分(PC3)在流速流态状况、水量上有较大载荷,其载荷量分别为0.867、-0.839,表现为水文情势方面。第四主成分(PC4)在表层覆盖物状况上有较大载荷,其载荷量为0.886。第五主成分(PC5)在河床底质种类数量、底质受泥沙覆盖率上有较大载荷,其载荷量分别为0.737、0.794,表现为河床底质方面。第六主成分(PC6)在水文情势自然性上有较大载荷,其载荷量为0.752。

在双重河段(表3),旋转后第一主成分的方差贡献率为16.827%,与第一主成分(PC1)密切相关的指标是植被覆盖率、植被连续性、植被结构完整性,其载荷量分别为0.845、0.865、0.706,从河岸带的植被状况反映河流生境质量状况。旋转后第二主成分的方差贡献率为15.942%,第二主成分(PC2)在流速流态状况、河床底质种类数量上有较大载荷,其载荷量分别为0.823、0.821,主要从水生生物栖息的环境上反映河流生境质量状况。旋转后第三主成分的方差贡献率为12.740%,第三主成分(PC3)在人为影响长度、河岸类型、岸边带土地利用方式上有较大载荷,其载荷量分别为0.834、0.750、0.707,表现为河岸带人为干扰方面。旋转后第四主成分的方差贡献率为12.490%,第四主成分(PC4)在湿润率、河岸带宽度上有较大载荷,其载荷量分别为-0.890、0.900,主要从消落带的宽度上反映河流生境状况。第五主成分(PC5)、第六主成分(PC6)在河岸带土壤厚度、表观水质上有较大载荷,其载荷量分别为0.838、0.784。

表1 河流生境因子与评分标准[25]

图2 完全河段、双重河段、自然河段主成分特征值变化曲线Fig.2 Scree plot of the eigenvalues of principal components in different reach

序号Number评价指标Assessingindicator主成分PrincipalcomponentPC1PC2PC3PC4PC5PC61水文情势自然性0．0470．1890．3150．052-0．0110．7522流速流态状况0．073-0．0990．867∗-0．051-0．0150．0043表观水质0．2260．576-0．002-0．297-0．0770．0714水量-0．118-0．065-0．839-0．039-0．013-0．3235湿润率-0．456-0．2130．111-0．626-0．102-0．2686人为影响长度0．0590．876∗-0．1680．0500．0080．0367河床底质种类数量0．065-0．293-0．189-0．0920．7370．2648底质受泥沙覆盖率-0．2780．0260．1550．0170．794-0．2479表层覆盖物状况-0．040-0．071-0．0520．886∗-0．1020．00010河岸类型-0．1420．8360．0640．145-0．1270．02011河岸侵蚀程度0．7340．1100．0270．103-0．043-0．24612河岸坡度0．747-0．2960．314-0．1940．0040．05013河岸带宽度0．3660．4330．1790．4790．001-0．32714河岸带土壤厚度0．543-0．2370．509-0．180-0．026-0．10215植被覆盖率0．880∗0．1510．1030．109-0．155-0．01916植被连续性0．910∗0．078-0．0010．030-0．0160．10417植被结构完整性0．827-0．1460．0500．133-0．0620．18218岸边带土地利用方式-0．4000．581-0．0950．117-0．1030．323

*表示生境因子的载荷矩阵大于0.85

表3 双重河段旋转因子载荷矩阵

*表示生境因子的载荷矩阵大于0.85

在自然河段(表4),旋转后第一主成分的方差贡献率为17.544%,与第一主成分(PC1)密切相关的指标是水量、湿润率、河岸带宽度上有较大载荷,其载荷量分别为-0.820、-0.854、0.891,主要从水量及河宽上反映河流生境状况。旋转后第二主成分的方差贡献率为16.754%,第二主成分(PC2)在植被覆盖率、植被连续性、植被结构完整性,其载荷量分别为0.917、0.939、0.889,从河岸带的植被状况反映河流生境质量状况。旋转后第三主成分的方差贡献率为11.485%,第三主成分(PC3)在人为影响长度、河岸类型上有较大载荷,其载荷量分别为0.822、0.857,表现为河岸带人为干扰方面。第四主成分(PC4)、第五主成分(PC5)、第六主成分(PC6)分别在表层覆盖物状况、河岸侵蚀程度、河岸坡度上有较大载荷,其载荷量分别为-0.826、0.802、0.775。

3.2 不同河段重要生境因子的分辨

为了明确哪些生境因子对不同河段生境质量的影响更为重要,本文以不同河段前6个主成分旋转因子载荷矩阵生境因子变量的相关系数值大于0.85为标准,选取不同河段重要的生境因子,其中正相关系数与负相关系数分别代表生境因子与相对应的主成分的相关关系(表5)。

在完全河段,植被覆盖率、植被连续性、人为影响长度、流速流态状况、表层覆盖物状况为正相关系数。完全河段由于完全受三峡水库蓄水影响,形成高达30m的水库消落带,长时间被水淹没,导致消落带植被多为耐水淹的草本植物,很少出现乔木及灌木树种,与苏晓磊等[5]对三峡库区消落带植被的研究结果类似。植被覆盖率在第一主成分(表2)中与植被连续性相关性很大且呈正相关,表明植被覆盖率越高的情况下,植被连续性状况也呈现出连续均匀分布趋势。河岸类型主要为近自然型,很少有人为修建的堤坝,靠近河岸部分多为弃耕地,消落带上部在水退期被当地居民开垦耕地的现象严重。完全河段流态类型单一,流速缓慢,导致流水生境大幅度减少,而且由于水面宽阔,水深较大,自然岩石、悬垂植被、水生植物等表层覆盖物几乎没有,大大减少了河流生境的多样性。

表4 自然河段旋转因子载荷矩阵

*表示生境因子的载荷矩阵大于0.85

表5 不同河段重要的生境因子(相关系数大于0.85为标准)

在双重河段,植被连续性、河岸带宽度为正相关系数,湿润率为负相关系数。当三峡库区水位在145m时,双重河段不会受到库区蓄水影响,随着三峡库区水位升高至175m,双重河段从下游至上游水位逐渐升高,其后随着库区水位的变化而变化。其中湿润率在第四主成分(表3)中,与河岸带宽度相关性很大且呈负相关,这两个生境因子均可以一定程度上反应某一段河道横切面的地形特征变化程度。结合实际调查发现,越靠近145m回水区的河段,河岸带的宽度越大,从下游至上游,河岸带宽度逐渐减小,湿润率的数值逐渐增大,表明越靠近上游,库区蓄水形成的消落带区域越小,蓄水对其影响越小,而受夏季洪汛的影响越大。

在自然河段,植被覆盖率、植被连续性、植被结构完整性、河岸带宽度、河岸类型为正相关系数,湿润率为负相关系数。自然河段完全不受三峡库区蓄水影响,河岸带植被覆盖率及连续性高,植被结构相对完整。相同河流自然河段的河岸带宽度及湿润率的赋值相对接近,河岸带宽度变小,湿润率增大。自然河段处于河流上游,河岸类型多为自然原型及近自然型,人为干扰较小。

3.3 水文情势自然性与生境因子的相关关系

完全河段、双重河段、自然河段是由于三峡库区蓄水所形成的,受水文情势自然性的影响严重。采用 Pearson 相关分析,分析水文情势自然性对不同河段各生境因子的影响程度。结果表明(表6),在完全河段,水文情势自然性与水量呈显著负相关；在双重河段,水文情势自然性与流速流态状况、河床底质种类数量、底质受泥沙覆盖率、表层覆盖物状况呈显著正相关,与水量呈显著负相关；在自然河段,水文情势自然性与流速流态状况、表观水质、河床底质种类数量、底质受泥沙覆盖率、河岸侵蚀程度、河岸坡度、河岸带宽度呈显著正相关,与水量、湿润率、表层覆盖物状况、河岸带土壤厚度、植被结构完整性呈显著负相关。

之所以出现上述结果,结合实际调查发现,由于完全河段为入江口至145m回水区,完全受水库蓄水的影响,在水文情势自然性上有一个非常重要的流量改变,产生了一个恒定的环境流量,所以水文情势自然性越差,蓄水产生的水量越多。在双重及自然河段,水文情势自然性越好,说明受水库蓄水影响越小,在实际调查过程中发现,受库区蓄水的影响越小,流速流态类型越多样化,急流、缓流、浅滩、平滑流、跌水等出现频率越多,对应的河床底质类型越多样,底质受泥沙覆盖率越多。在水文情势自然性好的河段,水量相对较少,漂石、木质残体、悬垂植被以及水生植物等表层覆盖物出现频率也较大。完全河段及双重河段的消落带,长时间水淹影响下,土壤流失严重,土层较薄,导致消落带植被多为耐水淹的草本植物,很少出现乔木及灌木树种,而自然河段仅受夏季洪汛影响,水文情势自然性良好,土层较厚,植被结构完整性较高。

表6 水文情势自然性与生境因子的相关系数

**表示P<0.01, *表示P<0.05

4 结论

植被状况对3种不同河段来说均为重要生境因子,但完全河段消落带植被结构不完整,受三峡水库蓄水影响,消落带植被多为耐水淹的草本植物,很少出现乔木及灌木树种。自然河段不受三峡库区蓄水影响,河岸带植被覆盖率及连续性高,植被结构相对完整。双重河段靠近145m回水区的部分河段植被状况与完全河段类似,靠近175m回水区的部分河段植被状况与自然河段类似。

在完全河段,流速流态状况与表层覆盖物状况是三峡库区蓄水对库区支流影响最大的两个生境因子。完全河段流态类型单一,流速缓慢,导致流水生境大幅度减少,而且由于水面宽阔,水深较大,自然岩石、悬垂植被、水生植物等表层覆盖物几乎没有,大大减少了河流生境的多样性,对水生生物的生存和生长产生强烈的影响。在双重河段与自然河段,河岸带宽度与湿润率是重要的生境因子,越靠近上游,库区蓄水形成的消落带区域越小,蓄水对其影响越小,受夏季洪汛的影响越大。

水文情势自然性对不同河段生境因子的影响不同。在完全河段,其对水量影响显著；在双重河段,对流速流态状况、底质受泥沙覆盖率、表层覆盖物状况、水量有显著的影响；在自然河段,对流速流态状况、表观水质、河床底质种类数量、底质受泥沙覆盖率、河岸侵蚀程度、河岸坡度、河岸带宽度、水量、湿润率、表层覆盖物状况、河岸带土壤厚度、植被结构完整性均有显著影响。

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