基于多目标蚁群算法的鄱阳湖湿地适宜生态水位研究

Poyang Lake is the biggest fresh water lake in China, playing an important role in biodiversity conservation and maintenance of ecological function. The significant seasonal water-level fluctuation (WLF) of the Poyang Lake exerted great impact to vegetation and migratory bird in the wetland. Determination of ecological water-level is the key point for sustain development of the wetland ecosystem. With this end in view, remote-sensing data and geographic information system (GIS) technology were used to analyze the influence of annual WLF on spatio-temporal dynamics of vegetation distribution, phenological characteristics and the net primary productivity (NPP). Then, the relationship between WLF and the habitat area and suitability for migratory bird was assessed. And the impacts of WLF to food abundance, availability and waterbird population variations were detected as well. Finally, the Multi-objective Ant Colony Algorithm was used to analyze the ecological water-level of each period (8 days) in a single hydrological year in the Poyang Lake. The ecological water-level determined in this project can provide some guides to water level management and restoration of the Poyang Lake wetland.

鄱阳湖是中国最大的淡水湖泊，多样化的湿地景观使其在生物多样性保护和生态功能维持方面有重要作用。作为长江中游的主要通江湖泊，鄱阳湖湖泊水位变化显著，对湿地植被分布生长、候鸟栖息有重要影响。确定适宜的生态水位是保持鄱阳湖湿地生态系统结构、功能完整性的关键。基于此，本项目拟（1）基于Landsat和MODIS遥感影像数据，分析鄱阳湖不同景观/植被覆盖类型、物候特征、净初级生产力的时空演变规律及其对水位过程变化的动态响应机制；（2）分析年内不同时段水位及变化过程对越冬候鸟适宜生境面积和质量、食物丰富程度、可获取性的影响，并分析各时段水位与候鸟数量的相关性；（3）从植被、适宜生境和候鸟三个方面考虑，建立多目标蚁群算法，模拟鄱阳湖湿地单个水文年内(当年4月~翌年3月)各时段(8 d)的适宜生态水位组合。本项目的成功实施将为鄱阳湖水位的合理调控、湿地生态系统的保护与恢复提供理论依据。

季节性水位波动是大型洪泛湿地植被形成和发育的基础。鄱阳湖是东亚-澳大利亚候鸟迁飞路线上重要的越冬地，其丰枯季交替的水文过程维持了湿地的生态特征，为越冬水鸟提供了栖息条件。近年来，鄱阳湖与长江的江湖关系发生了重要变化，秋冬季水文呈干枯态势，对湿地植被分布生长、候鸟栖息有重要影响，这一现象引起了国内外专家学者和保护人士的广泛关注。因此，明确湿地植被与候鸟生境对湖泊水位波动的响应机制、确定适宜的生态水位，是保持鄱阳湖湿地生态系统结构、功能完整性的关键。本项目基于遥感数据和水文模型，系统地刻画了过去20年间（2000-2019）鄱阳湖水体淹没、植被分布、植被净初级生产力和物候特征的动态变化，揭示了候鸟生境适宜性对水文节律变化的响应机制，主要结论如下：近20年间鄱阳湖的年最小水体面积呈显著下降趋势（–26.66 km2 year−1，p < 0.001），植被面积呈显著增加趋势（36.50 km2 year−1，p < 0.01），植被扩张主要发生在11−12米区间，湿地年NPP呈显著增加趋势的面积约占湖区30.99%，主湖区域苔草群落的生长开始日呈显著提前趋势（–2.33 dayꞏyr-1，p < 0.05），生长季长度呈显著延长趋势（2.85 dayꞏyr-1，p < 0.05）；秋冬季干旱促使食草型候鸟的生境适宜性提高，但对食块茎型候鸟的生境适宜性造成不利影响；基于上述数据基础，采用多目标蚁群算法模拟得到不同候鸟保护情景下年内各时段（8天间隔）适宜生态水位组合。本项目的成功实施将为鄱阳湖水位的合理调控、湿地生态系统的保护与恢复提供理论依据。