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人们普遍认为单通道蜿蜒河流的形成和发展与植被对河岸的稳定作用密切相关。然而，现代观测结果表明，即使在没有陆地植物的情况下，单通道蜿蜒河流也可以形成。作者利用航空、卫星影像对河流蜿蜒形态描述符和迁移率的统计分析，研究全球54条单通道蜿蜒河流及其河岸植被的密度，探讨了植被在曲率驱动的河流动力学中的作用机制，揭示了植被对河流形态演化的重要影响。
从极地到极旱的不同气候和区域选取了54条蜿蜒河流（图1），在QGIS 中根据航空和卫星影像手工绘制其河段平面形态，以及Landsat
7的8天NDVI 合成数据估算了河岸植被的密度。为保证不同河道环境下数据的同质性，作者只选取了单通道蜿蜒河段：(i)至少包含35 个连续弯曲单元；(ii)离海岸线远，不会受回水/或潮汐效应的影响；(iii)没有经过人类重大改造。河流形态数字化以后，通过标准骨架化程序计算河道中心线。通过S-G滤波器对河道中心线进行平滑处理，避免不连续性，然后对中心线进行重采样，其空间分辨率约为河道平均宽度的十分之一。作者使用一种基于计算局部河道轴曲率C* （[m-1]）的半自动程序计算单个蜿蜒弯曲单元。各弯曲单元的形态特征：固有波长（ℓ*）、笛卡尔波长（L*）、振幅（A）和曲率半径（R*）与沿河流平均河道宽度（B*）。![]()
图1 研究河流的概况及河曲形态与动态的量化，a. 研究河流的全球分布及植被覆盖分类；b. 河流平面形态展示；c. 河流分段及弯曲点示例；d. 河流迁移轨迹示例。
作者利用Landsat
7 Collection 1 Tier 1的 8天NDVI合成数据描述河岸植被密度的特征。每个合成影像包括其各自8天期间的所有影像，最近的像素作为合成值。根据NDVI定义了三种类型的河流：无植被（NDVI
≤ 0.2）、半植被（0.2
< NDVI ≤ 0.4）和有植被（NDVI > 0.4）。采用与计算NDVI类似的方法计算该河段的干旱指数，根据“全球湿度指数和潜在蒸发蒸腾（ET0）数据库”在NDVI统计数据的相同缓冲区内计算出了湿度指数中值（AI）。为了揭示植被在驱动弯曲河床演变中的作用，作者采用 R语言中的动态时间扭曲算法（DTW），并通过 QGIS以不大于河道中心线平均河宽的固定增量Δx*，河流曲率（C* [m−1]）和横向迁移速率（M*R [m/yr]）测量其横向迁移。蜿蜒河流的横向迁移分析是针对根据现有足够分辨率的成对影像检测到主动迁移的河流子集进行的。在无植被、半植被和植被河流中，河曲平面基本形态特征（图2）之间的比例关系非常相似（图2a-d）。为了比较不同大小的蜿蜒河流，作者对比了无量纲、宽度调整后的蜿蜒波长（L
= L* /B* ；ℓ = ℓ* /B* ）、振幅（A
= A* /B* ）、曲率半径（R
= R* /B* ）和曲率（C
= C*•B*）的分布，以及与宽度无关的蜿蜒曲度（χ= L* /ℓ* ）和不对称度（A）的分布（图2e-k）。与植被覆盖的河流相比，无植被覆盖的河流通常具有相对于河道宽度更长的蜿蜒波长和更大的曲率半径，以及更低的蜿蜒正弦度和宽度调整曲率（图2e、f、h、i、k）。结果共同表明，与无植被和半植被河流相比，植被河流的数据分离主要由更高的蜿蜒度、弯曲度和上游倾斜度（即较低的 A）驱动（图3）。密集的河岸植被与曲流的持续生长有关，直到曲流达到形态动力学成熟（图1d）。![]()
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图2 河曲形态特征与河岸植被密度的关系，a-d 河流的笛卡尔波长、固有波长、振幅和曲率半径的对比
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图3 曲流河形态的主成分分析 (PCA)，a-c 为前三个主成分 (a₁, a₂, a₃) 的主成分载荷与得分的双标图；d-f 为主成分分析中不同变量的得分图。
通过DTW方法对河流平面形态演变的定量分析表明，植被河流与半植被和无植被河流的宽度调整横向迁移率在统计学上存在显著差异。无植被河流相对于河道宽度的迁移率（MRunveg= 0.019 ±0.022 yr-1）几乎是有植被河流（MRveg = 0.010 ±0.058 yr-1）的两倍，比半植被河流（MRsemiveg =
0.012 ±0.051 yr-1）高出约 58%（图4a），这证实植被有助于稳定河岸以减缓河流迁移。结果表明，较大的河流具有较高的NDVI 值，但归一化形态特征的分析表明，植被对蜿蜒河流动力学的影响与河道大小无关（图2a-d）。![]()
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图4 曲流河平面形态动态分析，a. 无植被、半植被及植被河段的宽度调整迁移率箱线图；b. 宽度调整迁移率与河道曲率的关系图；c. 归一化宽度调整迁移率与曲率的关系图。
河道曲率与河流迁移之间存在线性关系（图4c），尤其在曲率较低的情况下（C
≤ 0.3）。研究发现，这种关系在植被茂密的河流中更为明显，相比于半植被和无植被的河流，植被河流在曲率较低时具有更高的迁移速率与曲率之间的比例系数。然而，当曲率较大（C
> 0.3）时，植被对迁移速率和动态的影响几乎无法被观察到，因为不管植被密度如何，迁移速率和动态基本独立于河道曲率。因此，在河流的侧向迁移和曲率之间存在一个复杂而微妙的关系，其中植被扮演着重要的调节作用。1、植被在低至中等曲率时起到稳定河岸、减缓横向迁移速率的作用，并增强了曲率对河岸横向迁移速率的控制，但在高曲率时该影响减弱。
2、现代非植被环境中更频繁的撕裂事件使得该研究无法推断更浓密植被与更高曲率之间的直接因果关系。其他环境因素，如泥沙颗粒大小的变异性、河岸侵蚀性的差异以及洪泛平原的异质性，在本研究中未考虑，这些因素都可能对弯曲河流形态有影响。因此，植被对河流的影响需要进一步调查。
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https://doi.org/10.1038/s41467-024-46292-x点击左下方 “阅读原文” 可下载论文原文。
湖泊遥感与智慧流域创新团队，主要围绕湖泊开展历史重构、现状观测和未来变化模拟等模型研制和应用实践工作，并在流域尺度开展大数据智慧管理平台研究，保障湖泊水质安全。团队拥有博士和硕士导师5人（段洪涛，罗菊花，刘东，谭振宇，邱银国），可分别在中国科学院南京地理与湖泊研究所、西北大学以及南京信息工程大学（国科大南京学院联合培养）等招收博、硕士研究生，欢迎报考！同时，长期招收联合培养研究生，欢迎咨询！
联系人：段洪涛研究员，htduan@niglas.ac.cn。
