海岸工程對北海鐵山港紅樹林大型底棲動物群落的影響*

高霆煒，楊明柳，宋 超

(廣西科學(xué)院廣西紅樹林研究中心，廣西紅樹林保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西北海 536000)

0 引言

大型底棲動物是紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)中的重要類群，是系統(tǒng)中能量流動、物質(zhì)循環(huán)的消費(fèi)者和轉(zhuǎn)移者，在紅樹林生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[1]。由于大型底棲動物活動范圍有限，對環(huán)境污染和生態(tài)破壞等逆境的逃避能力較弱，導(dǎo)致其容易受環(huán)境的影響[2，3]。此外，大型底棲動物對紅樹林的生境變化具有潛在的生物、生態(tài)指示作用，其群落的動態(tài)變化有助于揭示海洋環(huán)境特征和評價(jià)環(huán)境污染狀況。因此，國內(nèi)外許多學(xué)者將大型底棲動物作為指示紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康及環(huán)境污染狀況的重要指標(biāo)[4-6]。

海岸工程是人類利用和開發(fā)海洋的重要方式，能給人類帶來巨大的經(jīng)濟(jì)收益。但與此同時(shí)，海岸工程所引起的一系列生態(tài)問題，尤其是大型底棲動物的種類、密度、生物量、群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性的改變引起諸多學(xué)者的關(guān)注[7，8]。不少研究發(fā)現(xiàn)，圍填海工程引起大型底棲動物的密度、生物量和生物多樣性指數(shù)下降，群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差等負(fù)面影響[9-11]。

鐵山港位于北部灣東北部、廣西北海市合浦縣。鐵山港灣為半封閉性海灣，灣內(nèi)紅樹林資源分布廣闊。近年來，隨著對鐵山港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的建設(shè)，灘涂圍墾面積增大、臨港工業(yè)開發(fā)、廢水排放、港口工程建設(shè)，使得鐵山港灣的紅樹林生態(tài)系統(tǒng)面臨巨大壓力，并已呈現(xiàn)出逐漸脆弱的態(tài)勢[12]。港口建設(shè)、圍填海工程等海岸工程是造成大量濱海濕地喪失和紅樹林生態(tài)系統(tǒng)退化的重要因素。海岸工程改變水文動力，導(dǎo)致泥沙沖淤和納潮量減少，水體自凈能力降低，使得紅樹林生境發(fā)生變化，林內(nèi)生物群落結(jié)構(gòu)也隨之改變：紅樹林生態(tài)系統(tǒng)退化，底棲生物多樣性降低，動物群落結(jié)構(gòu)改變[13-16]。受海岸工程的影響，北海鐵山港東岸欖根村龍港新區(qū)的紅樹林于2017年開始出現(xiàn)受損死亡現(xiàn)象，隨后紅樹林死亡面積逐年增大，其生態(tài)系統(tǒng)遭受明顯破壞，該區(qū)域的大型底棲動物極有可能受到影響。

本研究擬對鐵山港東岸欖根村龍港新區(qū)紅樹林大型底棲動物群落進(jìn)行調(diào)查，探討在海岸工程影響下，紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)中大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)及其生物多樣性現(xiàn)狀，以期為深入研究海岸工程對紅樹林大型底棲動物群落的影響機(jī)制積累基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)域概況

調(diào)查區(qū)域位于廣西北海市合浦縣白沙鎮(zhèn)欖根村龍港新區(qū)北海鐵山港東港產(chǎn)業(yè)園，經(jīng)緯度為109°35′54″-109°36′56″E，21°35′37″-21°36′31″N。調(diào)查區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)型海洋性氣候，海域潮汐為非正規(guī)全日潮；紅樹植物群落為白骨壤成熟林，群落平均覆蓋度57%、平均密度55株/100 m2、平均高度2.08 m。自2017年龍港新區(qū)海岸工程施工以來，欖根村紅樹林開始受損，此后受損面積逐年擴(kuò)大，甚至出現(xiàn)紅樹林大面積死亡現(xiàn)象，其生態(tài)系統(tǒng)已受到嚴(yán)重威脅。

1.2 采樣方法及樣品處理

2020年3月，本研究根據(jù)欖根村龍港新區(qū)受損紅樹林的分布特征及海岸工程可能影響的范圍，設(shè)置如圖1所示的采樣站位，具體如下：在紅樹植物均已死亡的區(qū)域(紅樹林死亡區(qū)，D組)布設(shè)6個(gè)站位(D1、D2、D3、D4、D5、D6)；在紅樹林死亡斑塊邊緣，部分紅樹植物已死亡，紅樹林退化嚴(yán)重區(qū)域(紅樹林嚴(yán)重退化區(qū)，ED組)布設(shè)6個(gè)站位(ED1、ED2、ED3、ED4、ED5、ED6)；在無紅樹植物死亡區(qū)域(活林區(qū)，AL組)布設(shè)3個(gè)站位(AL1、AL2、AL3)；在距離東港產(chǎn)業(yè)園海岸工程較遠(yuǎn)的地方，不受工程影響的紅樹林區(qū)布設(shè)3個(gè)站位(CK1、CK2、CK3)作為對照組(CK組)。大型底棲動物的調(diào)查采用25 cm×25 cm樣方框，在樣方框內(nèi)取30 cm深的沉積物，用孔徑0.5 mm的篩子過濾清洗，分選出動物樣品，并使用75%酒精固定，隨后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行樣品分析鑒定。每個(gè)站位先隨機(jī)采集4個(gè)平行樣，再將4個(gè)平行樣合并，作為一個(gè)站位的數(shù)據(jù)。在每個(gè)站位布設(shè)一個(gè)10 m×10 m的樣方，測定樣方內(nèi)紅樹植物的平均高度、覆蓋度；采集表層沉積物，檢測沉積物的pH值、有機(jī)碳、總氮、總磷，并使用激光粒度儀(Mastersizer2000，馬爾文公司)進(jìn)行沉積物粒徑分析。樣品的采集和處理方法按照《海洋調(diào)查規(guī)范(GB 12763.8-2007)》和《海洋監(jiān)測規(guī)范(GB 17378.5-2007)》進(jìn)行。

圖1 欖根村紅樹林大型底棲動物采樣站位

1.3 數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)大型底棲動物的物種數(shù)、棲息密度、生物量；運(yùn)用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Pielou均勻度指數(shù)(J)和Margalef物種豐富度指數(shù)(d)對大型底棲動物群落多樣性特征進(jìn)行分析，并計(jì)算優(yōu)勢度指數(shù)(Y)，以Y>0.02的種類確定為該調(diào)查區(qū)域的優(yōu)勢種[10]。

采用SPSS 25.0軟件中的單因素方差分析(One-way ANOVA)，比較不同組別的大型底棲動物種物種數(shù)、棲息密度、生物量、多樣性指數(shù)的差異性。用皮爾森相關(guān)系數(shù)(σ)來分析群落參數(shù)與環(huán)境變量(紅樹植物蓋度、中值粒徑、pH值、有機(jī)碳、總氮、總磷)之間的相關(guān)性。同時(shí)，以各站位大型底棲動物的物種和棲息密度為矩陣，在PRIMER 6.0軟件中進(jìn)行平方根轉(zhuǎn)化，計(jì)算Bray-Curtis相似性系數(shù)，再進(jìn)行多維尺度排序(MDS)，對大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 大型底棲動物種類概況

本研究在欖根村紅樹林調(diào)查區(qū)域共采集到大型底棲動物45種，隸屬于5門7綱32科，其中軟體動物門22種，節(jié)肢動物門10種，環(huán)節(jié)動物門8種，脊索動物門4種，星蟲動物門1種。根據(jù)優(yōu)勢度計(jì)算結(jié)果，欖根村紅樹林區(qū)域的大型底棲動物類群優(yōu)勢種如表1所示。其中，疏紋滿月蛤?yàn)?個(gè)組別的共同優(yōu)勢種，珠帶擬蟹守螺、明秀大眼蟹為D組、ED組的共同優(yōu)勢種，扁平擬閉口蟹、短擬沼螺、中阿曼吉蟲為AL組和CK組的共同優(yōu)勢種。

表1 欖根村紅樹林不同區(qū)域的大型底棲動物優(yōu)勢種及優(yōu)勢度指數(shù)

續(xù)表1

2.2 大型底棲動物棲息密度、生物量與多樣性指數(shù)

如表2所示，調(diào)查區(qū)域的大型底棲動物總體平均棲息密度為102.4個(gè)/m2，其中CK組的大型底棲動物平均棲息密度最高(157.3個(gè)/m2)，其次為AL組(106.7個(gè)/m2)，最低的為ED組(84.0個(gè)/m2)。One-way ANOVA分析表明，4個(gè)調(diào)查區(qū)域大型底棲動物的棲息密度差異不顯著(F=1.941，P>0.05)。調(diào)查區(qū)域的大型底棲動物總體平均生物量為147.55 g/m2，其中AL組的平均生物量最高(365.95 g/m2)，其次為CK組(117.37 g/m2)，D組的生物量最低(90.79 g/m2)。One-way ANOVA分析表明，4個(gè)調(diào)查區(qū)域大型底棲動物的生物量無顯著性差異(F= 1.695，P>0.05)。

欖根村紅樹林調(diào)查區(qū)域大型底棲動物的平均Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Pielou均勻度指數(shù)(J)、Margalef豐富度指數(shù)(d)分別為2.050,0.735,1.329 (表2)。其中，H′最高的為CK組(2.428)，其次為AL組(2.293)，D組最低(1.774)。J最高的為AL組(0.798)，其次為ED組(0.749)，最低的為D組(0.685)。d最高的為CK組(1.689)，其次為AL組和ED組，其平均豐富度指數(shù)(d)均為1.356，D組的最低(1.109)。One-way ANOVA分析表明，各組別之間的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)差異均不顯著(P>0.05)。

表2 欖根村紅樹林大型底棲動物的棲息密度、生物量及多樣性指數(shù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

2.3 大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)

聚類分析結(jié)果顯示(圖2)，D組、ED組、AL組及CK組的大型底棲動物群落并沒有按4個(gè)組別分別聚類。MDS分析表明(圖3)，在相似度為30%時(shí)，大型底棲動物群落分成了3個(gè)組群(排除特殊站位影響)。組Ⅰ：D1、D3、D4、ED1、ED4為一組群，組內(nèi)平均相似性為53.01%，以珠帶擬蟹守螺(83.36%)為主要貢獻(xiàn)物種。組Ⅱ：D2、D5、D6、ED2、ED3、ED5、ED6、CK2為一組，組內(nèi)平均相似性為38.05%，以疏紋滿月蛤(37.34%)、明秀大眼蟹(17.50%)、扁平擬閉口蟹(11.56%)為主要貢獻(xiàn)物種。組Ⅲ：AL2、AL3、CK1、CK3為一組，組內(nèi)平均相似性為42.71%，以扁平擬閉口蟹(46.88%)、疏紋滿月蛤(23.04%)、優(yōu)美鼓蝦(10.38%)為主要貢獻(xiàn)物種。AL1站位與其他3組群落結(jié)構(gòu)差異較大。

圖2 各個(gè)站位大型底棲動物群落系統(tǒng)聚類圖

圖3 各站位大型底棲動物群落的多維尺度排序(MDS)

2.4 群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系

如表3所示，調(diào)查區(qū)域紅樹林植物群落的平均蓋度為0%-74%，表層沉積物中值粒徑Φ為3.94-5.78 (以粉砂含量為主)，pH值為6.37-6.64，有機(jī)碳1.63%-2.95%，總氮1.01-1.89 mg/g，總磷0.19-0.32 mg/g。

表3 各區(qū)域環(huán)境因子水平(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

對各站位的大型底棲動物群落參數(shù)與環(huán)境因子的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)(表4)，棲息密度、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Margalef豐富度指數(shù)(d)與紅樹植物蓋度、表層沉積物中值粒徑、pH值、有機(jī)碳、總氮、總磷等幾種環(huán)境因子相關(guān)性不顯著(P>0.05)，而生物量與紅樹林蓋度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(σ=0.525，P=0.025)，Pielou均勻度指數(shù)(J)與中值粒徑呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(σ=-0.475，P=0.047)。

表4 大型底棲動物群落參數(shù)與環(huán)境變量之間的相關(guān)性分析

3 討論

3.1 海岸工程區(qū)欖根村紅樹林大型底棲動物群落特征

海岸工程能使海岸帶生態(tài)環(huán)境發(fā)生巨大變化，其施工所涉及的疏浚、吹填、掩埋等作業(yè)會造成海灣潮水動力、水體和底質(zhì)的理化性質(zhì)改變，從而引起附近海域生物多樣性普遍降低，優(yōu)勢種和群落結(jié)構(gòu)改變[9,10,18]。崔磊等[9]發(fā)現(xiàn)圍填海工程造成廣東淇澳島附近水域的生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性呈現(xiàn)不同程度的下降。本研究中(表2)，紅樹林死亡區(qū)(D組)和紅樹林嚴(yán)重退化區(qū)(ED組)的大型底棲動物棲息密度和生物量均比紅樹林活林區(qū)(AL組)和對照林區(qū)(CK組)的低，但4個(gè)調(diào)查區(qū)域的大型底棲動物平均棲息密度和生物量的差異均未達(dá)到顯著性水平，這很可能是因?yàn)檎{(diào)查區(qū)域紅樹植物均為白骨壤群落，各組別的站位臨近，且臨近站位的底質(zhì)理化性質(zhì)無顯著差異。在群落結(jié)構(gòu)上(表1)，雖然D組和ED組的紅樹植物受損嚴(yán)重，但它們均呈現(xiàn)出軟體動物所占比例較大，節(jié)肢動物、多毛類等所占比例較小的現(xiàn)象；而在AL組和CK組中以軟體動物和節(jié)肢動物為主要類群，并且節(jié)肢動物所占比例較大。由此可推斷，海岸工程對該區(qū)域的大型底棲動物群落造成了一定影響，即減少了甲殼動物所占的比例，并以軟體動物占絕對優(yōu)勢，如D組和ED組主要以底表動物珠帶擬蟹守螺和底內(nèi)動物疏紋滿月蛤?yàn)橹饕獌?yōu)勢類群，AL組和CK組則以掘穴動物扁平擬閉口蟹和底內(nèi)動物疏紋滿月蛤?yàn)橹饕獌?yōu)勢類群。由此推斷，在海岸工程的影響下，調(diào)查區(qū)域大型底棲動物群落隨著環(huán)境質(zhì)量的改變出現(xiàn)了一定的群落演替，原喜好生活于林內(nèi)的蟹類因紅樹植物的死亡，而被底表動物珠帶擬蟹守螺等喜光灘物種替代。

對調(diào)查區(qū)域大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)的聚類分析發(fā)現(xiàn)(圖2)，調(diào)查的18個(gè)站位沒有按布設(shè)站位對應(yīng)的4個(gè)組別(D、ED、AL和CK組)進(jìn)行聚類，可能是由于D組、ED組的站位距離較近，其底質(zhì)環(huán)境相近，并且活林區(qū)和對照林區(qū)的植物群落相同所引起。但MDS分析表明(圖3)，在受圍填海工程影響的D組與ED組形成兩個(gè)較近的組群(組Ⅰ、組Ⅱ)，而AL組與CK組形成一個(gè)組群(組Ⅲ)，并且組Ⅰ與組Ⅲ在主要貢獻(xiàn)動物類群上有較大差異。由此可見，在海岸工程影響下,紅樹林區(qū)域大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)是評價(jià)水質(zhì)和底質(zhì)污染的重要指標(biāo)之一，H′值越大，水質(zhì)或底質(zhì)環(huán)境越好;反之，H′值越小，水體或底質(zhì)環(huán)境污染程度越高[19]。本研究中(表2)，各組別的H′值均較低，為1.000-3.000，表明調(diào)查區(qū)域大型底棲動物環(huán)境為中輕度污染。D組的平均H′值最低(1.774)，表明紅樹林死亡區(qū)的底質(zhì)環(huán)境為中度污染干擾，ED組、AL組、CK組的平均H′值為2.000-3.000，表明這3個(gè)區(qū)域的底質(zhì)環(huán)境為輕度污染。整體來看，欖根村紅樹林大型底棲動物群落環(huán)境均處于中輕度污染狀態(tài)，可能因受人為干擾較為頻繁，尤其是直接受海岸工程影響的紅樹林區(qū)域，其生態(tài)環(huán)境可能受到嚴(yán)重干擾，底質(zhì)環(huán)境發(fā)生改變，不再適應(yīng)對環(huán)境敏感的物種生存，反而為干擾耐受種提供了更多生存條件，使其成為絕對優(yōu)勢種類。

3.2 海岸工程區(qū)環(huán)境因子對大型底棲動物群落的影響

鹽度、溫度、底質(zhì)類型、土壤特性、潮帶、紅樹植被等環(huán)境因素均能影響大型底棲動物群落的組成、分布、數(shù)量，而在較小的范圍內(nèi)，底棲動物的分布則與紅樹植被特性和潮位有更密切的關(guān)系[20]。唐以杰等[21]對汕頭3種人工紅樹林濕地大型底棲動物群落的比較研究發(fā)現(xiàn)，大型底棲動物的分布和豐度與林地土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、砂粒和粉砂含量、紅樹植物平均株高、平均胸徑、平均基徑和冠幅等理化因子顯著相關(guān)。本研究中(表4)，大型底棲動物的棲息密度、H′與植物蓋度、沉積物中值粒徑、pH值、有機(jī)碳、總氮、總磷均無明顯相關(guān)性，而生物量與蓋度則呈顯著正相關(guān)關(guān)系(σ=0.525，P=0.025)，表明紅樹植物生長較好，蓋度越高的區(qū)域，其大型底棲動物生物量會相對較大。在動物群落組成上，由于D組和ED組的紅樹植物處于已死亡或?yàn)l臨死亡的狀態(tài)，植被覆蓋度為0或非常低(表3)，該區(qū)域以喜好棲息于光灘的珠帶擬蟹守螺和明秀大眼蟹為主要優(yōu)勢種；而在CK組則以扁平擬閉口蟹和短擬沼螺等喜歡棲息于紅樹植物根系附近的物種為主(表2)。由此可見，紅樹植物蓋度對大型底棲動物群落也有重要影響，可能是較高的蓋度提高了林內(nèi)的蔭蔽條件，改變了林內(nèi)光照、高溫、水分蒸發(fā)對林下動物的脅迫，同時(shí)白骨壤林內(nèi)復(fù)雜的氣生根也為大型底棲動物提供了躲避天敵的場所。另外，自2017年龍港新區(qū)海岸工程施工以來，D組和ED組區(qū)域紅樹林開始出現(xiàn)受損現(xiàn)象，此后受損死亡斑塊面積逐年增大，進(jìn)一步表明海岸工程引起了紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的退化，而林內(nèi)大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)的變化則是對紅樹林的退化和死亡做出的響應(yīng)。

圍填海工程導(dǎo)致近岸潮流水動力減弱、淤泥沉降堆積、底質(zhì)類型改變，從而改變大型底棲動物生境狀況[10]。一般情況下，泥質(zhì)砂或砂質(zhì)泥底質(zhì)中大型底棲動物多樣性高于砂質(zhì)或粘土質(zhì)的底質(zhì)環(huán)境[20,22]。本研究中(表4)，各組的表層沉積物中值粒徑與棲息密度、生物量、種類數(shù)等并無明顯相關(guān)性，而Pielou均勻度指數(shù)(J)與中值粒徑呈顯著負(fù)相關(guān)(σ=-0.475，P=0.047)，表明表層沉積物中值粒徑越大、粘土含量越高的地方，大型底棲動物種類和數(shù)量越單一，群落結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定。從表層沉積物的中值粒徑來看(表3)，D組站位表層沉積物的中值粒徑最高，表明其粘土含量比ED組、AL組和CK組的粘土含量高，而粘土含量較高，土壤的透氣性變差，可能會使一些敏感物種無法生存。龍港新區(qū)海岸工程海域吹填過程中，可能改變了欖根村紅樹林區(qū)域的潮流水動力，加上陸域填土高嶺土溢流、海域吹填產(chǎn)生的懸浮物淤積，導(dǎo)致紅樹林沉積物類型發(fā)生改變，紅樹林內(nèi)動物群落結(jié)構(gòu)改變，生態(tài)系統(tǒng)退化，使得大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，多樣性指數(shù)降低。

4 結(jié)論

本研究調(diào)查了受到海岸工程影響的北海鐵山港欖根村紅樹林區(qū)域中的大型底棲動物群落。結(jié)果顯示，受到海岸工程的影響，欖根村紅樹林區(qū)域的底質(zhì)環(huán)境改變，表層沉積物粘土含量增高，紅樹林受損死亡，生態(tài)系統(tǒng)退化，造成大型底棲動物棲息密度、生物量、生物多樣性指數(shù)下降，動物優(yōu)勢種改變，群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低等負(fù)面影響。由此可見，海岸工程對周邊海域生態(tài)系統(tǒng)的影響深遠(yuǎn)，可能會對紅樹林造成巨大威脅，破壞其生存環(huán)境，危及林內(nèi)動物群落結(jié)構(gòu)與種群數(shù)量。因此，在海岸工程的實(shí)施過程中，應(yīng)充分重視對海洋環(huán)境的保護(hù)，合理、合法施工，同時(shí)加強(qiáng)對施工區(qū)域紅樹林的環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)力度。