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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 31 卷 第 23 期摇 摇 2011 年 12 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
不同海拔高度高寒草甸光能利用效率的遥感模拟 付摇 刚,周宇庭,沈振西,等 (6989)…………………………
天山雪岭云杉大气花粉含量对气温变化的响应 潘燕芳,阎摇 顺,穆桂金,等 (6999)……………………………
春季季风转换期间孟加拉湾的初级生产力 刘华雪,柯志新,宋星宇,等 (7007)…………………………………
降水量对川西北高寒草甸牦牛粪分解速率的影响 吴新卫,李国勇,孙书存 (7013)……………………………
基于 SOFM网络对黄土高原森林生态系统的养分循环分类研究 陈摇 凯,刘增文,李摇 俊,等 (7022)…………
不同油松种源光合和荧光参数对水分胁迫的响应特征 王摇 琰,陈建文,狄晓艳 (7031)………………………
盐生境下硅对坪用高羊茅生物学特性的影响 刘慧霞,郭兴华,郭正刚 (7039)…………………………………
高温胁迫对不同种源希蒙得木叶片生理特性的影响 黄溦溦,张念念,胡庭兴,等 (7047)………………………
黄土高原水土保持林对土壤水分的影响 张建军,李慧敏,徐佳佳 (7056)………………………………………
青杨雌雄群体沿海拔梯度的分布特征 王志峰,胥摇 晓,李霄峰,等 (7067)………………………………………
大亚湾西北部春季大型底栖动物群落特征 杜飞雁,林摇 钦,贾晓平,等 (7075)…………………………………
湛江港湾浮游桡足类群落结构的季节变化和影响因素 张才学,龚玉艳,王学锋,等 (7086)……………………
台湾海峡鲐鱼种群遗传结构 张丽艳,苏永全,王航俊,等 (7097)…………………………………………………
洱海入湖河流弥苴河下游氮磷季节性变化特征及主要影响因素 于摇 超,储金宇,白晓华,等 (7104)…………
转基因鱼试验湖泊铜锈环棱螺种群动态及次级生产力 熊摇 晶,谢志才,蒋小明,等 (7112)……………………
河口湿地植物活体鄄枯落物鄄土壤的碳氮磷生态化学计量特征 王维奇,徐玲琳,曾从盛,等 (7119)……………
EDTA对铅锌尾矿改良土壤上玉米生长及铅锌累积特征的影响 王红新,胡摇 锋,许信旺,等 (7125)…………
不同包膜控释尿素对农田土壤氨挥发的影响 卢艳艳,宋付朋 (7133)……………………………………………
垄作栽培对高产田夏玉米光合特性及产量的影响 马摇 丽,李潮海,付摇 景,等 (7141)…………………………
DCD不同施用时间对小麦生长期 N2O排放的影响 纪摇 洋,余摇 佳,马摇 静,等 (7151)………………………
氮肥、钙肥和盐处理在冬小麦融冻胁迫适应中的生理调控作用 刘建芳,周瑞莲,赵摇 梅,等 (7161)…………
东北有机及常规大豆对环境影响的生命周期评价 罗摇 燕,乔玉辉,吴文良 (7170)……………………………
土壤施硒对烤烟生理指标的影响 许自成,邵惠芳,孙曙光,等 (7179)……………………………………………
不同种植方式对花生田间小气候效应和产量的影响 宋摇 伟,赵长星,王月福,等 (7188)………………………
西花蓟马的快速冷驯化及其生态学代价 李鸿波,史摇 亮,王建军,等 (7196)……………………………………
温度对麦长管蚜体色变化的影响 邓明明,高欢欢,李摇 丹,等 (7203)……………………………………………
不同番茄材料对 B型烟粉虱个体发育和繁殖能力的影响 高建昌,郭广君,国艳梅,等 (7211)………………
基于生态系统受扰动程度评价的白洋淀生态需水研究 陈摇 贺,杨摇 盈,于世伟,等 (7218)……………………
两种典型养鸡模式的能值分析 胡秋红,张力小,王长波 (7227)…………………………………………………
四种十八碳脂肪酸抑藻时鄄效关系分析的数学模型设计 何宗祥,张庭廷 (7235)………………………………
流沙湾海草床重金属富集特征 许战州,朱艾嘉,蔡伟叙,等 (7244)………………………………………………
基于 QuickBird的城市建筑景观格局梯度分析 张培峰,胡远满,熊在平,等 (7251)……………………………
景观空间异质性及城市化关联———以江苏省沿江地区为例 车前进,曹有挥,于摇 露,等 (7261)………………
基于 CVM的太湖湿地生态功能恢复居民支付能力与支付意愿相关研究 于文金,谢摇 剑,邹欣庆 (7271)……
专论与综述
北冰洋海域微食物环研究进展 何剑锋,崔世开,张摇 芳,等 (7279)………………………………………………
城市绿地的生态环境效应研究进展 苏泳娴,黄光庆,陈修治,等 (7287)…………………………………………
城市地表灰尘中重金属的来源、暴露特征及其环境效应 方凤满,林跃胜,王海东,等 (7301)…………………
研究简报
三峡库区杉木马尾松混交林土壤 C、N空间特征 林英华,汪来发,田晓堃,等 (7311)…………………………
广州小斑螟发生与环境因子的关系 刘文爱,范航清 (7320)………………………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*336*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*39*
室室室室室室室室室室室室室室
2011鄄12
封面图说: 黄河的宁夏段属于中国的半荒漠地区,这里气候干燥、降水极少(250mm以下)、植被缺乏、物理风化强烈、风力作用
强劲、其蒸发量超过降水量数十倍。 人们从黄河中提水引水灌溉土地,就近形成了荒漠中的绿洲。 有水就有生命,
有水就有绿色。 这种独特的条件形成了人与沙较量的生态关系———不是人逼沙退就是沙逼人退。
彩图提供: 陈建伟教授摇 国家林业局摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 31 卷第 23 期
2011 年 12 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 31,No. 23
Dec. ,2011
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金项目(50909004);国家自然科学基金重点资助项目 (50939001);国家水体污染控制与治理科技重大专项
(2008ZX07209鄄009); 高等学校博士学科点专项科研基金(20090003120014)
收稿日期:2010鄄10鄄22; 摇 摇 修订日期:2011鄄04鄄11
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: chenhe@ bnu. edu. cn
陈贺,杨盈,于世伟,杨志峰.基于生态系统受扰动程度评价的白洋淀生态需水研究.生态学报,2011,31(23):7218鄄7226.
Chen H, Yang Y, Yu S W, Yang Z F. Study on ecological water demand based on assessment of ecosystem disturbance degree in the Baiyangdian Wetland.
Acta Ecologica Sinica,2011,31(23):7218鄄7226.
基于生态系统受扰动程度评价的白洋淀生态需水研究
陈摇 贺1,*,杨摇 盈1,于世伟2,杨志峰1
(1. 北京师范大学环境学院,水环境模拟国家重点实验室, 北京摇 100875; 2. 环境保护部东北环境保护督查中心,沈阳 摇 110014 )
摘要:水是湿地生态系统最重要的影响因子,生态需水核算是对湿地进行生态保护,恢复重建的前提与基础。 提出一种基于生
态系统受扰动程度评价的适宜生态需水量计算方法。 首先根据湿地水面面积变化率最大时对应的关键水位构建初始生态水位
方案并将其离散得到一系列离散值;然后应用 Mann鄄Kendall(M鄄K)法分析历史水位时间序列,找出水位发生突变前自然条件下
的水位状态;最后对不同情景水位方案与自然水位状态的差异程度进行修正水文指数(APPFD)评价,确定生态系统受扰动程
度在可接受范围之内的多个生态水位方案,进而确定相对应的生态需水量方案。 将该方法应用于白洋淀湿地得出了 7 种可接
受的生态水位方案,其中汛期的适宜生态水位在 8. 31—10. 62 m之间,非汛期的适宜生态水位在 7. 51—9. 60 m之间,全年的适
宜生态需水量在 3. 10伊108—6. 47伊108m3之间。 该方法能够为实际的水资源管理和分配提供多种备选方案,有较强的实用性和
可操作性。
关键词:关键水位;适宜生态需水量;AAPFD指数;白洋淀湿地
Study on ecological water demand based on assessment of ecosystem disturbance
degree in the Baiyangdian Wetland
CHEN He1,*, YANG Ying1, YU Shiwei2, YANG Zhifeng1
1 School of Environment, Beijing Normal University, State Key Laboratory of Water Environment Simulation, Beijing 100875, China
2 Northeast Environmental Supervision Centre, Ministry of Environmental Protection, Shenyang 110014, China
Abstract: Hydrological regime is the driving factor in wetland ecosystems. Its excessive alteration will lead to severe
degradation of wetlands. Assessment of ecological water demands is essential for wetland protection, recovery and
restoration.
To solve the existing problems arose in the traditional methods such as simple interval range and lack ecological
information, in this paper a new method was developed to determine wetlands忆 appropriate ecological water demands. This
method can maintain the resultant hydrological regime alteration within ecologically acceptable threshold. Firstly, the key
water level was determined by analyzing the water level鄄area curve, and a series of discrete initial water level scenarios were
generated based on the preliminary water level. Then, to identify the natural water level condition in a wetland, the time
series of historical water level were analyzed by using the Mann鄄Kendall approach. A hydrological alteration assessment
indicator, amended annual proportional flow deviation (AAPFD), was recommended to quantify the hydrological differences
between the generated discrete initial water level scenarios and the identified natural water level condition. Each generated
discrete initial water level scenarios was evaluated according to its corresponding AAPFD value. Finally, several appropriate
ecological water level schemes were identified, which can ensure the corresponding hydrological alteration degree within the
ecologically acceptable threshold, and their corresponding ecological water demands can be determined.
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We applied the proposed method to the Baiyangdian Wetland, the largest shallow lake and wetland complex in the
North China Plain, which is now seriously suffered from water crisis. The key water levels were 7. 5 m in dry periods
(October to May) and 8. 3 m in wet periods (June to September) . Seven initial water level scenarios were set up depending
on the disperse results of the preliminary water level and actual status of water resources. Hydrological regime before 1960
might be natural condition based on the mutation analysis. The appropriate ecological water level was between 8. 31 m and
10. 62 m during wet periods, and between 7. 51 m and 9. 60 m during dry periods, respectively; and the annual appropriate
ecological water demand was between 3. 10伊108 m3 and 6. 47伊108 m3 . This method has high practicability and can offer
possible ecological water level schemes for water resources management and allocation.
Key Words: key water level; appropriate ecological water demand; AAPFD Index; the Baiyangdian Wetland
湿地是水体和陆地之间的自然过渡地带,是自然界最富生物多样性的生态景观和人类重要的生存环境之
一。 但最近几十年来随着人类活动的加剧,对湿地进行的引水、围垦等不合理的水土资源开发活动叠加于全
球气候变化的大背景之上,致使湿地面积进一步减少,生态环境进一步恶化,水文循环也遭到了严重破坏。 尤
其对于生态环境脆弱的干旱半干旱地区,大量湿地趋于干旱化并且遭受到退化的威胁。 正确认识湿地与水的
关系,确保湿地水文循环的畅通,积极寻求解决湿地生态需水计算与水资源合理配置的新方法、新途径,已经
成为湿地生态系统恢复与重建中迫切需要解决的问题,有着十分重要的现实意义。
生态需水的研究开始于 20 世纪 40 年代,目前已有将近 50 个国家开展了相关方面的研究,产生了 200 多
种研究方法。 这些方法可以大体归纳为四个大类,即水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体法[1]。 其中
水文学法中比较常见的有 Tennant法、7Q10 法等。 这类方法需要的历史资料和实地调查工作较少,比较适用
于宏观规划和资料较为缺乏的地区,不足之处在于对流量时间和空间上的动态变化考虑不足,且缺乏和生态
参数的相关关系[2]。 基于此也产生了一些改进性方法,如杨志峰等[3]提出一种将月保证率法和水文指数法
相结合的动态生态需水计算方法,Richter[4]在 IHA(Indicators of Hydrologic Alteration)法[5]的基础上提出了可
变范围法(Range of Variability Approach,RVA)。 水力学法是将流量变化与河道的各种水力几何学参数联系
起来的计算方法。 其中通过寻找流量—湿周关系曲线中的转折点来确定生态需水的湿周法[6]最为常见。 栖
息地模拟法又称生境模拟法,是对水力学法的扩展,通过建立河流径流量与目标生物栖息地之间的关系来求
得生态需水。 这种方法物理意义明确,同时也能够有效地评估生态需水的增加对于生态系统的影响[7]。 在
诸多模型中,二维模型 River2D在河流生态保护与修复的评价方面得到了较为广泛的应用[8鄄11]。 整体法是将
生态需水目标生物从一种扩展到多种生物和整个生态系统,强调流域系统的整体性[12]。
湿地生态需水的计算思路和以上所述的几大类方法基本一致,只是在计算时更加注重水位的涨落限制和
水面面积的大小变化,更加突出湿地作为面域的特点。 目前比较有代表性的针对湿地生态系统的计算方法包
括:(1)从湿地生态系统结构和功能出发的生态功能法[13鄄14],这类方法虽然可以满足保障生态系统健康的要
求,具有较强的理论性,但是由于一方面计算时难以准确扣除重复水量,另一方面现阶段生态资料较为缺乏,
使得该方法的可操作性较差。 (2)从湿地敏感性物种和水文参数关系出发的曲线相关法[15]、生态水位法[16]
以及生态水面法[17]等,这类方法能够将关键物种的生态参数与水文参数相联系,建立于关键物种需水等同于
生态系统整体需水的前提之下,难以完全得到维持生态系统完整性和生态系统健康的结果。 (3)以获取并恢
复湿地破坏前的水文情势为目标的水量平衡法[18]、换水周期法[18]、天然水位资料法[19]、最低年平均水位法、
年保证率设定法[20]等。 这类方法简单易行,应用广泛,但是在和生态系统的联系方面存在一定的缺陷。
为了在一定程度上克服现有计算方法的不足,本文在参照相关方法思路的基础上[2鄄3],提出一种基于生
态系统受扰动程度评价的湿地适宜生态需水量计算方法,并在白洋淀湿地做了具体应用。 该方法能够在目前
生态学资料不充分的情况下,通过对比分析不同水位情景和历史水位状态的差异程度,快速给出一组对生态
系统健康不会造成重大干扰的生态需水方案。 方法可操作性较强,更有利于实际的水资源配置。
9127摇 23 期 摇 摇 摇 陈贺摇 等:基于生态系统受扰动程度评价的白洋淀生态需水研究 摇
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1摇 适宜生态需水量的计算方法
适宜生态需水量计算的基本思路是:首先通过湿地形态分析确定关键水位,并离散得到一系列的情景水
位方案;然后通过分析水位时间序列值,确定自然状态下的水位状态;最后分别对不同情景水位方案与自然水
位状态的差异程度做出评价,得出能够满足生态系统健康要求的一系列生态需水方案。
dA /d
H
H
关键水位
图 1摇 湿地水位和湿地面积变化率关系示意图
Fig. 1 摇 The relationship between water level and change rate of
water area
1. 1摇 初始生态水位方案的确定
湿地的生态服务功能均和湿地水面面积密切相关。
因此可以用湿地面积作为湿地功能指标。 采用实测湿
地水位和面积资料,建立水位(H)和面积(A)变化率
(dA / dH)的关系线,其示意图见图 1。 由于水位和面积
之间为非线性关系,随着水位下降面积的减少量是不同
的。 由 dA / dH和 H的关系曲线就可以得到水面面积变
化率最大时对应的关键水位。
将得到的关键水位联系湿地实际的生态服务功能
对水位(水量)的需求便可得到初始生态水位方案。 设
初始生态水位方案中各月水位分别为 H1、H2、…、H12,
将各月水位向两个方向进行离散,即得到一系列的情景
水位方案,如表 1 所示。
表 1摇 情景水位方案
Table 1摇 Scenarios of water level
月份
Month
方案 1
Scenario 1
方案 2
Scenario 2
方案 3
Scenario 3
方案 4
Scenario 4
方案 5
Scenario 5
方案 6
Scenario 6
方案 7
Scenario 7
1 (1+40% )H1 (1+30% )H1 (1+20% )H1 (1+10% )H1 H1 (1-5% )H1 (1-10% )H1
2 (1+40% )H2 (1+30% )H2 (1+20% )H2 (1+10% )H2 H2 (1-5% )H2 (1-10% )H2
3 (1+40% )H3 (1+30% )H3 (1+20% )H3 (1+10% )H3 H3 (1-5% )H3 (1-10% )H3
4 (1+40% )H4 (1+30% )H4 (1+20% )H4 (1+10% )H4 H4 (1-5% )H4 (1-10% )H4
5 (1+40% )H5 (1+30% )H5 (1+20% )H5 (1+10% )H5 H5 (1-5% )H5 (1-10% )H5
6 (1+40% )H6 (1+30% )H6 (1+20% )H6 (1+10% )H6 H6 (1-5% )H6 (1-10% )H6
7 (1+40% )H7 (1+30% )H7 (1+20% )H7 (1+10% )H7 H7 (1-5% )H7 (1-10% )H7
8 (1+40% )H8 (1+30% )H8 (1+20% )H8 (1+10% )H8 H8 (1-5% )H8 (1-10% )H8
9 (1+40% )H9 (1+30% )H9 (1+20% )H9 (1+10% )H9 H9 (1-5% )H9 (1-10% )H9
10 (1+40% )H10 (1+30% )H10 (1+20% )H10 (1+10% )H10 H10 (1-5% )H10 (1-10% )H10
11 (1+40% )H11 (1+30% )H11 (1+20% )H11 (1+10% )H11 H11 (1-5% )H11 (1-10% )H11
12 (1+40% )H12 (1+30% )H12 (1+20% )H12 (1+10% )H12 H12 (1-5% )H12 (1-10% )H12
1. 2摇 自然条件下湿地水位状态的确定
Mann鄄Kendall检验法是一种非参数统计检验方法。 该方法被广泛应用于降水、径流、气温等要素的时间
序列分析中[21鄄22]。 本文利用 M鄄K(Mann鄄Kendall)法对湿地水位进行变化趋势检验以确定湿地自然条件下的
水文状态。 具体方法为:设水位序列为 x1,x2,…,xn,mi表示第 i 个样本 xi大于 x j(1臆j臆i)的累计数,定义统
计量:
dk =移
k
i = 1
mi (1)
在原序列随机独立假定下, dk 的均值、方差分别为:
E d( )k =
k(k - 1)
4 (2)
0227 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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Var d( )k =
k(k - 1)(2k + 5)
72 (3)
将 dk 标准化:
UFk =
dk - E(dk)
Var(dk)
(4)
UFk为标准正态分布,给定显著性水平 琢 ,若 UFk > U琢 / 2 ,则表明序列存在明显的趋势变化。 把此方法应
用到 x的反序列中,再按上式计算,同时使 UBk = - UFk(k = n,n - 1,. . . ,1),UB1 = 0。 分别绘出 UFk和 UBk的
曲线图。 若 UFk>0,则表明序列呈上升趋势,UFk<0 则表明呈下降趋势。 若 UFk和 UBk在临界线内相交,则交
点对应的时刻即为水位开始发生突变的时间。
1. 3摇 适宜生态水位方案的确定
水文条件的变化是水生生态系统变化的主要驱动力[23]。 对湿地而言,水位是整个生态系统的控制性因
子和关键性要素。 通过 AAPFD(Amended annual proportional flow deviation,修正全年偏差)指数[5]可以比较分
析不同情景水位方案和自然条件水位状态下的湿地生态系统健康状况,从而对各情景水位方案对生态系统的
扰动程度做出评价。
AAPFD指数的计算公式如下:
AAPFD = 1n 移
n
j = 1
移
12
i = 1
Hi - hij
h
æ
è
ç
ö
ø
÷
ij
é
ë
êê
ù
û
úú
2 12
摇 摇 ( i=1,2,…,12; j=1,2,…,n) (5)
式中, n为评价年数; Hi 为第 i月生态水位; hij 为第 j年第 i月水位; hij 为第 j年平均水位.
AAPFD值越大,说明生态系统受到的影响越大,生态系统的健康状况也越差。 参考由 Ladson 等人[24]在
1995 年开发的 ISC(Index of Stream Condition) 方法,可以确定 AAPFD与水文指数遵循表 2 所示的关系。 因此
评价结果也可以使用水文指数来表示,使得评价结果更加直观。 当水文指数大于 0 时,生态系统的状况是可
以接受的,水文指数越大,表明生态系统的健康状况越好。 当水文指数等于 10 时,生态系统完全处于自然状
态,没有人类活动的扰动,而当水文指数等于 0 时则说明生态系统受到了严重的扰动。
表 2摇 APPFD与水文指数关系
Table 2摇 Relationship between AAPFD and hydrological index
APPFD 水文指数hydrological index APPFD
水文指数
Hydrological index APPFD
水文指数
Hydrological index
<0. 1 10 0. 1—0. 2 9 0. 2—0. 3 8. 0
0. 3—0. 5 7 0. 5—1. 0 6 1. 0—1. 5 5. 0
1. 5—2. 0 4 2. 0—3. 0 3 3. 0—4. 0 2. 0
4. 0—5. 0 1 >5 0
2摇 研究区概况
白洋淀地处华北平原,东经 115毅38忆—116毅07忆,北纬 38毅43忆—39毅02忆,是该地区最大的天然淡水湖泊,承载
着缓洪治涝和蓄水灌溉的重要功能。 同时对调节小气候、改善温湿状况、维护华北平原的生态平衡都起着不
可忽视的作用。 但近年来随着周边地区工农业的快速发展以及人口的持续增加,白洋淀的水位及水环境质量
持续下降,导致了一系列的生态环境问题,对区域的可持续发展造成了很大威胁。
白洋淀属于平原半封闭式浅水型湖泊,不具备多年调剂能力。 正常年份水位为 7. 3—8. 5 m,设计干淀水
位为 6. 5 m。 当淀内水位为 10. 5 m时,淀内蓄水总量为 10. 38伊108 m3,水面面积为 366. 66 km2;当淀内水位
为 8. 8 m时,淀内蓄水总量为 4. 7伊108 m3,水面面积为 302. 82 km2;当淀内水位为 6. 5 m时,淀内蓄水总量仅
为 0. 45伊108m3,水面面积仅为 72. 04 km2。 根据保定市水利局和中国水利科学研究院的资料,白洋淀水位和
水量的关系如图 2 所示。
1227摇 23 期 摇 摇 摇 陈贺摇 等:基于生态系统受扰动程度评价的白洋淀生态需水研究 摇
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0
2
4
6
8
10
水量
Wat
er am
ount/
108 m
3
6 7 8 9 10 11
水位 Water level/m
图 2摇 白洋淀水位鄄水量关系
摇 Fig. 2 摇 Relationship between water level and water amount in
the Baiyangdian Wetland
3摇 白洋淀适宜生态需水量的计算
白洋淀适宜生态需水量的具体计算步骤如下:
(1)确定最低生态水位摇 白洋淀淀底西高东低,高
程为 5. 2—6. 5 m,平均 5. 5 m。 当水位低于 6. 5 m(大
沽高程,下同)时,将出现局部干淀现象。 确定白洋淀
最低生态水位主要考虑渔业、旅游业、芦苇等水生植物
生长所需要的水位。 根据赵翔[15]、刘立华[25]的研究,
满足渔业要求的最低生态水位是 1 m,相应生态水位为
6. 5 m。 旅游业,主要包括划船、垂钓等水上娱乐项目,
一般来说当水深达到 0. 7 m时即可满足,从而确定旅游
业所需要的最低生态水位为 6. 2 m。 芦苇不同生长期
的最佳水深在 0. 5—1 m 之间,其他水生植物一般生长
在 1—5 m水深的范围之内。 综合考虑鱼类的繁殖、水
生植物生长、生态旅游的水位要求,当水位处于 6. 5 m
以下时白洋淀湿地生态系统的结构与功能将受到严重
破坏。 本研究将 6. 5 m作为最低生态水位,在此水位以上,能够保证不出现干淀现象,并且白洋淀湿地能够维
持最为基本的结构与功能。
(2)确定适宜生态水位摇 根据白洋淀水位和水面面积关系(图 3),推算出水面面积随水位变化的变化率
(图 4)。 由该变化率曲线可知,水面面积变化率最大值对应的水位为 7. 5 m和 8. 3 m,这两个水位为白洋淀湿
地水面面积变化的关键水位。 同时统计 1950—2009 年之间汛期(6—9 月)、非汛期(10—5 月)水位在不同区
间的出现次数和频率,得出历年来汛期、非汛期出现频率较高的水位结果(表 3)。 可以看出汛期出现频率最
高的水位值是 8—9 m,其出现次数为 19 次,其次是 7—8 m,出现次数为 17 次;非汛期出现频率最高的水位同
样是 8—9 m,出现次数为 21 次,其次是 6—7 m,出现次数为 15 次。 假定生态系统对于长时间出现频率较高
的水位比较适应[16],生态系统的结构和功能在这样的水位和水量状态下较为适宜,因此综合考虑确定 7. 5 m
做为白洋淀非汛期生态水位,8. 3 m做为汛期生态水位,设定初始生态水位方案。 并以初始生态水位方案为
基础,构造出 7 个情景水位方案。
50
100
150
200
250
300
350
水面
面积
Wat
er are
a/106
m2
水位 Water level/m6 7 8 9 10 11
图 3摇 白洋淀水位鄄水面面积关系
摇 Fig. 3 摇 Relationship between water level and water area in the
Baiyangdian Wetland
0
5
10
15
20
25
30
水面
面积
增加
率
Chan
ge ra
tio of
wate
r area
/(km
2 /m)
6 7 8 9 10 11
水位 Water level/m
图 4摇 白洋淀水位鄄水面面积变化率关系
摇 Fig. 4 摇 Relationship between water level and change ratio of
water area in the Baiyangdian Wetland
2227 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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表 3摇 白洋淀历年水位分组频率计算
Table 3摇 The water level distribution frequency of Baiyangdian between 1950 and 2009
序号
Number
水位区间
Water level intervals
汛期 Flood season
出现次数
Occurrence times
频率 / %
Frequency
非汛期 Non鄄flood season
出现次数
Occurrence times
频率 / %
Frequency
1 摇 5—6 7 11. 67 5 8. 33
2 摇 6—7 11 18. 33 15 25. 00
3 摇 7—8 17 28. 33 13 21. 67
4 摇 8—9 19 31. 67 21 35. 00
5 摇 9—10 5 8. 33 6 10. 00
6 10—11 1 1. 67 0 0. 00
7 11—12 0 0. 00 0 0. 00
合计 Total 60 100. 00 60 100. 00
(3)确定自然水位状态摇 应用 M鄄K法对白洋淀 1950—2000 年年平均水位进行突变分析,在 95%的置信
水平下,U0. 05 / 2 =1. 96,M鄄K 法计算结果如图 5 所示。 可以看出在 1953—1961 年之间 0水位总体表现出增长的趋势,但是这种趋势并不显著。 自 1961 年之后水位一直呈下降趋势(UFk<0),而且在
1967 年之后 UFk超过-1. 96 临界线,表明下降趋势显著。 UFk和 UBk曲线在 1960 年和 1968 年两次相交,但只
有 1960 年的交点位于依1. 96 临界线之间,因而我们将 1960 年确定为白洋淀水位发生突变的开始时间。
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
年份 Year
UFkUBk
临界值
统计
值 St
atisti
cs
1950 1960 1970 1980 1990 2000
图 5摇 白洋淀水位突变分析
Fig. 5摇 Mutation analysis of water level in the Baiyangdian Wetland
这一分析结果表明修建于 20 世纪 50 年代末 60 年
代初的多个位于白洋淀上游的水利工程的拦蓄和用水
对白洋淀的入淀水量、平均水位产生了重大的影响。 在
这些水利工程中有大型水库 7 座,中型水库 9 座,小型
水库 141 座,总库容 36. 35 亿 m3,总控制面积占大清河
流域总面积的 64% 。 在气候变化的综合作用下白洋淀
多年平均入淀水量逐年下降。 50 年代后期为 23. 96 亿
m3,60 年代为 17. 31 亿 m3,70 年代为 11. 43 亿 m3,80
年代为 2. 37 亿 m3,1990—2003 年为 4. 04 亿 m3,白洋
淀平均入淀水量逐年减少趋势明显,淀区退化萎缩,水
域面积减少,干淀次数增加,生态系统发生了很大的变
化。 在此我们将突变前的年份作为自然状态,用以对各
情景水位方案进行评价。
(4)确定适宜生态水位方案 摇 将每个情景水位方
案与自然条件下白洋淀水位状态进行 AAPFD 指数分析,评价各情景水位方案对生态系统的扰动程度,
AAPFD指数及水文指数的评价结果如表 4 所示。
可以看出方案 3 和方案 4 的评价结果优于其他情景方案,因此进一步在方案 2 和方案 3 之间、方案 4 和
方案 5 之间进行离散化,最终确定水文指数大于 6 的生态水位范围为:非汛期(10—5 月)7. 51—9. 60 m,汛期
(6—9 月)8. 31—10. 62 m,将此范围作为白洋淀适宜生态水位范围。
(5)计算适宜生态需水量摇 白洋淀的生态需水量包括两个部分:一部分是每个月的蒸散发、渗漏等水量
损失扣除降水量后的净损失;另一部分是初始水位与目标水位之间的水量差值。
白洋淀生态需水量计算公式为:
Qi = 2f(hi) - f(hi - hhi) - f(h0i) (6)
式中, Qi 为第 i月生态需水量, hi 为第 i月生态水位, hhi 为第 i月消耗水深, h0i 为第 i月月初水位, f为白洋
淀水量鄄水位关系。
3227摇 23 期 摇 摇 摇 陈贺摇 等:基于生态系统受扰动程度评价的白洋淀生态需水研究 摇
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表 4摇 各生态水位方案水位及 AAPFD指数评价结果
Table 4摇 Water level in different Scenarios and assessment results based on AAPFD
月份
Mnoth
方案 1
Scenario 1
方案 2
Scenario 2
方案 3
Scenario 3
方案 4
Scenario 4
方案 5
Scenario 5
方案 6
Scenario 6
方案 7
Scenario 7
1 10. 50 9. 75 9. 00 8. 25 7. 50 7. 13 6. 75
2 10. 50 9. 75 9. 00 8. 25 7. 50 7. 13 6. 75
3 10. 50 9. 75 9. 00 8. 25 7. 50 7. 13 6. 75
4 10. 50 9. 75 9. 00 8. 25 7. 50 7. 13 6. 75
5 10. 50 9. 75 9. 00 8. 25 7. 50 7. 13 6. 75
6 11. 62 10. 79 9. 96 9. 13 8. 30 7. 89 7. 47
7 11. 62 10. 79 9. 96 9. 13 8. 30 7. 89 7. 47
8 11. 62 10. 79 9. 96 9. 13 8. 30 7. 89 7. 47
9 11. 62 10. 79 9. 96 9. 13 8. 30 7. 89 7. 47
10 10. 50 9. 75 9. 00 8. 25 7. 50 7. 13 6. 75
11 10. 50 9. 75 9. 00 8. 25 7. 50 7. 13 6. 75
12 10. 50 9. 75 9. 00 8. 25 7. 50 7. 13 6. 75
APPFD 0. 81 0. 54 0. 34 0. 30 0. 51 0. 64 0. 79
水文指数 6 6 7 8 6 6 6
不同年份蒸散发、渗漏等水量损失和降雨量都不同,而降水枯水年由于降水少而水量损失大,因此所需要
的生态需水量也就大。 本文根据 1971—1972 降水枯水年实测资料[26]对水量净损失进行概化处理,将各月水
量净损失转化为损失深度用于计算白洋淀生态需水量,计算结果如表 5 所示。
表 5摇 白洋淀生态需水量
Table 5摇 Ecological water demand of the Baiyangdian Wetland
月份
Month
生态水位 / m
Ecological water level
最低 Lowest 适宜 Appropriate
损失深度 / mm
Loss depth
生态需水量 / 108m3
Ecological water demand
最小 Minimum 适宜 Appropriate
1 6. 50 7. 51—9. 60 85. 40 0. 06 0. 16—0. 26
2 6. 50 7. 51—9. 60 36. 30 0. 03 0. 06—0. 11
3 6. 50 7. 51—9. 60 35. 20 0. 03 0. 06—0. 11
4 6. 50 7. 51—9. 60 16. 70 0. 01 0. 03—0. 05
5 6. 50 7. 51—9. 60 75. 50 0. 06 0. 14—0. 23
6 6. 50 8. 31—10. 62 82. 00 0. 06 0. 18—0. 66
7 6. 50 8. 31—10. 62 221. 10 0. 14 0. 47 —1. 05
8 6. 50 8. 31—10. 62 250. 30 0. 15 0. 53—1. 189
9 6. 50 8. 31—10. 62 318. 90 0. 18 0. 67—1. 51
10 6. 50 7. 51—9. 60 83. 90 0. 06 0. 16—0. 28
11 6. 50 7. 51—9. 60 150. 00 0. 10 0. 28—0. 45
12 6. 50 7. 51—9. 60 196. 30 0. 12 0. 37—0. 59
合计 Total 1551. 6 1. 00 3. 10—6. 47
4摇 结论
现阶段由于我国生态资料的不足尤其是长序列资料的缺乏,水文学方法以其简单易行,对数据要求低的
特点仍然被广泛应用。 但是传统的水文学方法通常只能确定最小生态需水、最大生态需水或者给出一个简单
的区间,对水文条件的时间性和空间性差异表达较少。 并且由于缺少生态系统变化程度的表述,使其难以表
征生态系统的健康水平与水资源变化之间的相关关系。 本文提出的基于生态系统扰动程度评价的湿地生态
需水量计算方法从湿地生态服务功能和湿地水面面积的密切相关性出发,建立湿地水位和湿地面积变化率的
4227 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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关系,并结合特征水位的发生频率确定情景水位方案,通过分析不同水位方案和自然条件下水位状态的差异
程度,计算得出生态系统在可接受状态下的一系列生态水位方案。 这些生态水位方案的实用性和可操作性
较强。
本文将该方法应用于白洋淀湿地,为其提供了 7 种可接受的生态水位方案。 确定白洋淀最小生态水位为
6. 5 m,适宜的非汛期生态水位在 7. 51—9. 60 m之间,汛期生态水位在 8. 31—10. 62 m之间,全年适宜生态需
水量为 3. 10伊108—6. 47伊108m3。 计算结果表明白洋淀生态需水量夏季汛期最大,冬春季非汛期最小。 符合
该地区年际水文气候条件的季节变化规律。 虽然目前这一计算过程主要关注汛期和非汛期的生态需水,结果
相对粗略,但其科学意义明确,可操作性较强。 在数据资料不足的条件下,可以在一定程度上体现出生态鄄水
量鄄水位之间的相互联系和影响,能够为水资源管理部门的生态配水提供参考。
总的来说生态需水的计算涉及复杂的水文过程和生态过程,单一的计算方法很难完全满足要求。 在计算
方法上不同方法间的交叉和融合将会是生态需水研究的发展趋势,同时今后在研究手段上应加强水生生物的
现状监测和历史状况反演技术的应用,以降低生物资料缺乏的制约作用,使生态需水的研究更加科学有效。
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6227 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31,No. 23 December,2011(Semimonthly)
CONTENTS
Satellite鄄based modelling light use efficiency of alpine meadow along an altitudinal gradient
FU Gang, ZHOU Yuting, SHEN Zhenxi, et al (6989)
……………………………………………
……………………………………………………………………………
Changes in the concentrations of airborne Picea schrenkiana pollen in response to temperature changes in the Tianshan Mountain
area PAN Yanfang, YAN Shun, MU Guijin, et al (6999)…………………………………………………………………………
Primary production in the Bay of Bengal during spring intermonsoon period
LIU Huaxue, KE Zhixin, SONG Xingyu, et al (7007)
……………………………………………………………
……………………………………………………………………………
Effect of rainfall regimes on the decomposition rate of yak dung in an alpine meadow of northwest Sichuan Province, China
WU Xinwei, LI Guoyong, SUN Shucun (7013)
…………
……………………………………………………………………………………
SOFM鄄based nutrient cycling classification of forest ecosystems in the Loess Plateau
CHEN Kai,LIU Zengwen,LI Jun, et al (7022)
…………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Characterization of the responses of photosynthetic and chlorophyll fluorescence parameters to water stress in seedlings of six
provenances of Chinese Pine (Pinus tabulaeformis Carr. ) WANG Yan, CHEN Jianwen, et al (7031)…………………………
Effect of silicon supply on Tall Fescue (Festuca arundinacea) growth under the salinization conditions
LIU Huixia, GUO Xinghua, GUO Zhenggang (7039)
………………………………
………………………………………………………………………………
Effects of high鄄temperature stress on physiological characteristics of leaves of Simmondsia Chinensis seedlings from different
provenances HUANG Weiwei, ZHANG Niannian, HU Tingxing, et al (7047)……………………………………………………
Soil moisture dynamics of water and soil conservation forest on the Loess Plateau ZHANG Jianjun,LI Huimin,XU Jiajia (7056)……
The distribution of male and female Populus cathayana populations along an altitudinal gradient
WANG Zhifeng, XU Xiao, LI Xiaofeng, et al (7067)
………………………………………
………………………………………………………………………………
Analysis on the characteristics of macrobenthis community in the North鄄west Daya Bay of South China Bay in spring
DU Feiyan, LIN Qin, JIA Xiaoping, et al (7075)
…………………
…………………………………………………………………………………
The effects of season and environmental factors on community structure of planktonic copepods in Zhanjiang Bay, China
ZHANG Caixue, GONG Yuyan, WANG Xuefeng, et al (7086)
……………
……………………………………………………………………
Population genetic structure of Pneumatophorus japonicus in the Taiwan Strait
ZHANG Liyan, SU Yongquan, WANG Hangjun, et al (7097)
…………………………………………………………
……………………………………………………………………
Seasonal variation of nitrogen and phosphorus in Miju River and Lake Erhai and influencing factors
YU Chao, CHU Jinyu, BAI Xiaohua, et al (7104)
…………………………………
…………………………………………………………………………………
Population dynamics and production of Bellamya aeruginosa (Reeve) (Mollusca: Viviparidae) in artificial lake for transgenic fish,
Wuhan XIONG Jing, XIE Zhicai, JIANG Xiaoming, et al (7112)………………………………………………………………
Carbon, nitrogen and phosphorus ecological stoichiometric ratios among live plant鄄litter鄄soil systems in estuarine wetland
WANG Weiqi, XU Linglin, ZENG Congsheng, et al (7119)
……………
………………………………………………………………………
Effects of EDTA on growth and lead鄄zinc accumulation in maize seedlings grown in amendment substrates containing lead鄄zinc
tailings and soil WANG Hongxin,HU Feng,XU Xinwang, et al (7125)…………………………………………………………
Effects of different coated controlled鄄release urea on soil ammonia volatilization in farmland LU Yanyan,SONG Fupeng (7133)………
Effects of ridge planting on the photosynthetic characteristics and yield of summer maize in high鄄yield field
MA Li, LI Chaohai, FU Jing, et al (7141)
…………………………
…………………………………………………………………………………………
Effect of timing of DCD application on nitrous oxide emission during wheat growing period
JI Yang,YU Jia,MA Jing, et al (7151)
……………………………………………
……………………………………………………………………………………………
The role of the fertilizing with nitrogen, calcium and sodium chloride in winter wheat leaves adaptation to freezing鄄thaw stress
LIU Jianfang, ZHOU Ruilian, ZHAO Mei, et al (7161)
………
……………………………………………………………………………
Environment impact assessment of organic and conventional soybean production with LCA method in China Northeast Plain
LUO Yan, QIAO Yuhui, WU Wenliang (7170)
…………
……………………………………………………………………………………
Effects of selenium added to soil on physiological indexes in flue鄄cured tobacco
XU Zicheng, SHAO Huifang, SUN Shuguang, et al (7179)
………………………………………………………
………………………………………………………………………
Influence of different planting patterns on field microclimate effect and yield of peanut (Arachis hypogea L. )
SONG Wei, ZHAO Changxing,WANG Yuefu, et al (7188)
…………………………
………………………………………………………………………
Rapid cold hardening of Western flower thrips, Frankliniella occidentalis, and its ecological cost
LI Hongbo, SHI Liang, WANG Jianjun, et al (7196)
……………………………………
………………………………………………………………………………
Effects of temperature on body color in Sitobion avenae (F. ) DENG Mingming, GAO Huanhuan, LI Dan, et al (7203)……………
Development and reproduction of Bemisia tabaci biotype B on wild and cultivated tomato accessions
GAO Jianchang, GUO Guangjun, GUO Yanmei, et al (7211)
…………………………………
……………………………………………………………………
Study on ecological water demand based on assessment of ecosystem disturbance degree in the Baiyangdian Wetland
CHEN He, YANG Ying, YU Shiwei, et al (7218)
…………………
…………………………………………………………………………………
Emergy鄄based analysis of two chicken farming systems: a perspective of organic production model in China
HU Qiuhong, ZHANG Lixiao, WANG Changbo (7227)
…………………………
……………………………………………………………………………
Mathematical model design of time鄄effect relationship analysis about the inhibition of four eighteen鄄cabon fatty acids on toxic
Microcystis aeruginosa HE Zongxiang, ZHANG Tingting (7235)……………………………………………………………………
Enrichment of heavy metals in the seagrass bed of Liusha Bay XU Zhanzhou, ZHU Aijia,CAI Weixu, et al (7244)…………………
A gradient analysis of urban architecture landscape pattern based on QuickBird imagery
ZHANG Peifeng, HU Yuanman, XIONG Zaiping, et al (7251)
………………………………………………
……………………………………………………………………
Landscape spatial heterogeneity is associated with urbanization: an example from Yangtze River in Jiangsu Province
CHE Qianjin,CAO Youhui,YU Lu, et al (7261)
…………………
……………………………………………………………………………………
CVM for Taihu Lake based on ecological functions of wetlands restoration, and ability to pay and willingness to pay studies
YU Wenjin, XIE Jian, ZOU Xinqing (7271)
…………
………………………………………………………………………………………
Review and Monograph
Progress in research on the marine microbial loop in the Arctic Ocean HE Jianfeng, CUI Shikai, ZHANG Fang, et al (7279)………
Research progress in the eco鄄environmental effects of urban green spaces
SU Yongxian, HUANG Guangqing, CHEN Xiuzhi, et al (7287)
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Source, exposure characteristics and its environmental effect of heavy metals in urban surface dust
FANG Fengman, LIN Yuesheng, WANG Haidong, et al (7301)
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Scientific Note
Spatial structures of soilcarbon and nitrogen of China fir and Masson pine mixed forest in the Three Gorger Reservoir Areas
LIN Yinghua, WANG Laifa, TIAN Xiaokun, et al (7311)
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The relationship between Oligochroa cantonella Caradja and environmental factors LIU Wenai,FAN Hangqing (7320)………………
4237 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
2009 年度生物学科总被引频次和影响因子前 10 名期刊绎
(源于 2010 年版 CSTPCD数据库)
排序
Order
期刊
Journal
总被引频次
Total citation
排序
Order
期刊
Journal
影响因子
Impact factor
1 生态学报 11764
2 应用生态学报 9430
3 植物生态学报 4384
4 西北植物学报 4177
5 生态学杂志 4048
6 植物生理学通讯 3362
7
JOURNAL OF INTEGRATIVE
PLANT BIOLOGY
3327
8 MOLECULAR PLANT 1788
9 水生生物学报 1773
10 遗传学报 1667
1 生态学报 1. 812
2 植物生态学报 1. 771
3 应用生态学报 1. 733
4 生物多样性 1. 553
5 生态学杂志 1. 396
6 西北植物学报 0. 986
7 兽类学报 0. 894
8 CELL RESEARCH 0. 873
9 植物学报 0. 841
10 植物研究 0. 809
摇 绎《生态学报》 2009 年在核心版的 1964 种科技期刊排序中总被引频次 11764 次,全国排名第 1; 影响因
子 1郾 812,全国排名第 14;第 1—9 届连续 9 年入围中国百种杰出学术期刊; 中国精品科技期刊
摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 31 卷摇 第 23 期摇 (2011 年 12 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 31摇 No郾 23摇 2011
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