鹽沼植被緩流能力觀測研究
——以崇明東灘海三棱藨草鹽沼區(qū)為例

謝澤昊，史本偉，田 波，陳 倩，張文祥，顧靖華

華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200241

0 引言

近年來，隨著入海泥沙通量減少、相對海平面上升和沿海開發(fā)等加劇，海岸侵蝕現(xiàn)象日益嚴重。鹽沼植被構成的自然岸段具有緩流和抑制海岸侵蝕的功能，可起到保護海岸的作用，逐漸被越來越多的研究視為可持續(xù)的海岸防護方式[1-3]。評估緩流能力差異、探究影響緩流能力的要素都需要實測數(shù)據(jù)作為支撐。

一般認為，平靜的天氣條件下，潮流是潮灘泥沙輸運和潮間帶發(fā)育的重要控制因素。近底部邊界層的潮流運動會影響潮灘的泥沙輸運，使泥沙在潮灘上發(fā)生懸浮或沉降，進而影響侵蝕淤積過程和地貌演化，因此研究鹽沼植被的緩流能力具有重要的科學意義[4-5]。目前，鹽沼植被對流速衰減的研究已取得一定的研究成果：在觀測方式上，量化鹽沼植被緩流能力主要包括室內水槽定標實驗與野外原位觀測兩種方式。室內水槽定標實驗通過控制變量研究并量化理想情況下不同水動力、植株特征條件，及鹽沼植被與潮流之間相互作用關系，但是室內水槽實驗受到水槽邊緣效應影響，且無法模擬植被生長過程，會導致觀測結果的不確定性[6-7]。野外原位觀測通過由海向陸布設的觀測樣帶，探究鹽沼植被對潮流垂直結構以及水平流速的影響。研究[8-10]發(fā)現(xiàn)，鹽沼植被對運動的潮流產(chǎn)生阻力，顯著改變速度的垂向分布，使垂向潮流結構偏離von Karman-Prandtl模型的J型半對數(shù)函數(shù)，同時也導致水平方向的流速降低，總體上鹽沼植被帶內的流速明顯低于相鄰光灘。在影響因素的分析上，現(xiàn)有研究[11-14]探討了鹽沼植被緩流能力與植株地上生物量、種類等植被表型指標以及水深、流速等水文條件的關系，認為不同鹽沼植物冠層的結構不同，對潮流流速與結構的影響不同，在同種鹽沼植被中，密度較大的區(qū)域以及較寬的植被帶緩流效果相對較好，在強潮條件下鹽沼植被緩流能力均有一定程度提升。但是鹽沼植被具有明顯的物候性，大多數(shù)已有的研究主要集中在夏季，可能會使海岸防護評估結果存在誤差。近年來有研究發(fā)現(xiàn)不同物候期時鹽沼植被的緩流能力存在明顯差異，鹽沼植被在夏季緩流能力達到最高值[9]。

長江口擁有豐富的鹽沼植被資源并呈現(xiàn)“海三棱藨草—互花米草—蘆葦”條帶狀空間格局，可以提供多樣的生態(tài)服務功能[15-16]。本研究以長江口海三棱藨草為研究對象，通過設置“光灘—植被帶邊緣—植被帶”自然潮灘梯度，現(xiàn)場測定海三棱藨草鹽沼植被的緩流能力，定量分析不同物候期海三棱藨草鹽沼植被在不同水深和流速條件下的緩流能力差異，以期為評估鹽沼植被緩流能力以及鹽沼植被保護、生態(tài)岸防建設提供科學參考。

1 研究方法

1.1 區(qū)域選擇與樣帶概況

本文以長江口崇明東灘為研究區(qū)。該區(qū)域以潮流作用為主，為東西方向的往復流?？陂T處多年平均潮差2.66 m，最大潮差可達4.62 m，具有不規(guī)則的半日潮特征，屬于典型的中等潮汐強度河口[17]。氣候上，該區(qū)域具有春夏季盛行東南風、秋冬季盛行偏北亞熱帶季風的特征[18]。

海三棱藨草是一種多年生草本植物，也是長江口的特有種和建群種，作為先鋒種主要分布在吳淞高程2～4 m的潮間帶濕地前沿區(qū)域。海三棱藨草花果期通常在6—9月，6月前后地下分蘗和地下根莖發(fā)育會迅速形成密集的新生種群[19-21]。

現(xiàn)場觀測選擇崇明東灘南部的海三棱藨草鹽沼區(qū)為研究區(qū)(圖1)，在植被類型較為均一且地形平緩的區(qū)域設置“光灘—植被帶邊緣—植被帶”的觀測樣帶(其中植被帶為“距植被帶邊緣50 m植被帶”的簡稱)，并開展在海三棱藨草生長中期(5—6月)、生長后期(9月)、枯萎期(10—11月)3個物候期的觀測(表1)。為探究不同水文條件下的潮流流速變化情況，在不同物候期的大潮前后分別開展持續(xù)14個漲落潮周期的觀測，觀測期間均無風暴潮天氣發(fā)生。通過現(xiàn)場采集表層沉積物，利用0.25 mol/L稀HCl溶液、30%的H2O2溶液、0.5 mol/L六磷偏酸鈉溶液去除有機質的干擾，超純水清洗至樣品濁液為中性酸度并超聲分散樣品至少15 min后，采用貝克曼庫爾特LS 13320激光粒度分析儀(美國BECKMAN公司)測量沉積物粒徑發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)沉積物中值粒徑范圍介于13.78～21.77 μm之間，屬于典型的淤泥質海岸，中值粒徑由海向陸逐漸降低。同時，使用RTK-GPS(real-time kinematic，美國Trimble導航公司)測量發(fā)現(xiàn)，樣帶高程范圍介于2.56～2.93 m之間，光灘和植被帶的坡度分別為2‰和5‰，地形總體較為平坦。

表1 采樣時間、位置數(shù)據(jù)

1.2 現(xiàn)場觀測

1.2.1 水文測量

在光灘、植被帶邊緣和植被帶的3個水文觀測點中分別安放水深與流速測量儀器。其中，流速測量采用亞力克電磁式點式流速流向儀(AEM-USB，日本ALEC電子株式會社)。在脈沖模式下設置儀器啟動間隔5 min，啟動后數(shù)據(jù)采樣間隔1 s，每次啟動采集30組數(shù)據(jù)，采樣頻率為1 Hz。為避免極淺水流速不穩(wěn)定的情況，流速測量儀的探頭中心距底床垂直距離為20 cm。通過INFINITY Series Acquisition Tools軟件下載獲得流速(二維流速)以及流向數(shù)據(jù)，為避免流速測量儀測量時海三棱藨草的干擾，需人工清除儀器中心0.5 m半徑內的植被。水深的測量采用RBR duo TD3|wave波潮儀(加拿大RBR公司)，在脈沖模式下，選擇Wave采樣模式，設置測量周期為5 min，采樣頻率為4 Hz。儀器壓力探頭中心距底床垂直距離為5 cm，經(jīng)RBR-Ruskin軟件下載壓力數(shù)據(jù)并經(jīng)轉換獲得實際水深數(shù)據(jù)。

1.2.2 植被測量

除枯萎期觀測時海三棱藨草在水力作用下折斷并被沖走外，水文觀測同期在植被帶邊緣與植被帶兩個測點間建立了5個0.3 m×0.3 m平行樣，并對樣方內的海三棱藨草進行齊地收割。首先在收割后立即測量莖稈根部直徑(d)、株高(h)、單位面積株數(shù)(N)3個表型指標，并帶回實驗室沖洗干凈，在105 ℃環(huán)境的烘箱中殺青2 h；再在65 ℃環(huán)境下烘干至少72 h至恒重，用電子天平稱質量；最后求出各個樣方的表型指標。由于水流所受植被的阻力與單位面積植株株數(shù)和莖稈根部直徑的乘積呈正相關，因此海三棱藨草不同物候期的植株密度以單位體積的投影面積A=Nd表示[22]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

觀測數(shù)據(jù)均采用MySQL 8.0數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(瑞典MySQL AB公司開發(fā))進行管理。所有分析均在Python 3.6內完成。分析前結合水深數(shù)據(jù)提取被潮水淹沒時段的流速數(shù)據(jù)。在進行統(tǒng)計分析之前，對于異常數(shù)據(jù)采用3σ原則(σ為標準差)進行識別，如果數(shù)值超過觀測序列值的3σ，可將其視為異常值[23]。本文緩流能力均以單位距離流速衰減率表示，即單位距離潮流流速的相對衰減[9]。光灘和海三棱藨草植被帶內單位距離流速衰減率分別為Rmud和Rveg，計算公式為：

Rmud=0.02×(1-vedge/vmud)×100% ；

(1)

Rveg=0.02×(1-vveg/vedge)×100% 。

(2)

式中：vedge為植被帶邊緣的流速；vmud為光灘的流速；vveg為植被帶的流速。

流速數(shù)據(jù)利用窗口大小和滑動步長為30的滑動窗口中值濾波獲得。為滿足不同流速和水深條件下緩流能力的分析需要，在分析前通過等距分箱的方法對流速和水深這兩個連續(xù)變量進行離散化處理。植被帶內單位距離流速衰減率與植被帶邊緣流速、水深的相關性采用皮爾遜相關性分析獲得，相關性程度以相關性系數(shù)(R)[24]表示：

(3)

式中：n為樣本總數(shù)；xi為自變量值；yi為因變量值。R的絕對值越大，相關性越強。當0

2 結果與討論

2.1 海三棱藨草鹽沼區(qū)的緩流能力

通過觀測發(fā)現(xiàn)，潮灘區(qū)域在低潮位時灘面出露，高潮位時灘面被淹沒，一次漲落潮潮周期約為12.5 h，存在夜間潮位大于日間潮位的規(guī)律。不同站位的流速和水深范圍不同，流速和水深普遍存在光灘>植被帶邊緣>植被帶的規(guī)律。由圖2—圖4可知，不同物候期光灘的潮流流速均小于80.00 cm/s，水深均小于2.00 m。潮流由海向陸運動的過程中，流速均有逐漸下降的趨勢，從表2可知：潮流進入植被帶后，流速快速下降，生長中期與生長后期平均流速小于10.00 cm/s，不及植被帶邊緣平均流速的一半，至枯萎期，平均流速小于15.00 cm/s；相較植被帶邊緣流速，生長中期、生長后期和枯萎期3個物候期海三棱藨草在植被帶內的單位距離流速衰減率分別為1.15%、1.06%以及0.50% m-1，說明海三棱藨草在生長中期以及生長后期均體現(xiàn)較強的緩流能力。

右圖右上角箭頭所指為正北方向，長度代表流速15.00 cm/s，下同。

圖3 生長后期不同時刻水深與流速、流向觀測結果

圖4 枯萎期不同時刻水深與流速、流向觀測結果

表2 不同物候期各點位水深、流速情況

現(xiàn)有研究[10-11,25]表明，互花米草等鹽沼植被帶比相鄰光灘有更強的緩流能力，植被帶內流速均小于同層位的相鄰光灘；但是鮮有對海三棱藨草緩流能力觀測的公開報道。本研究通過測量長江口崇明東灘海三棱藨草植被帶近底部處流速發(fā)現(xiàn)，植被帶內平均流速同樣明顯小于同層級的相鄰光灘，與現(xiàn)有研究在其他區(qū)域測量發(fā)現(xiàn)的規(guī)律一致；而緩流能力的強弱存在區(qū)別，海三棱藨草植被帶的緩流能力強于相鄰光灘，植被帶內單位距離流速衰減率是光灘的1.47～3.48倍。從水流運動受到的摩擦來源看，水流在光灘傳播底部摩擦基本由底床的沙粒糙率、沙波形體糙率及底沙輸運產(chǎn)生等引起。潮流進入植被帶后，除底床對于水流的摩擦外，潮流運動還直接受到植株莖葉的阻礙；相比光灘區(qū)域，海三棱藨草植被帶的單位距離流速衰減率更高[3,25]。

有植被覆蓋的情況下，漲落潮階段海三棱藨草植被帶對流速的衰減過程不同：漲潮期間，潮水由海向岸流動，遇到海三棱藨草的阻礙后流速開始減小并在向深處推進的過程中逐漸降低；落潮期間潮水方向為由岸向海方向，水流由海三棱藨草深處向海流動，受海三棱藨草的阻滯流速有所減小，當流出海三棱藨草植被帶后沒有植被的阻擋潮流的流速又會開始加大。這一過程與現(xiàn)有研究在泉州灣互花米草鹽沼區(qū)中發(fā)現(xiàn)的過程一致[25]。因此，崇明東灘海三棱藨草植被帶同樣起到較好的緩流功能，可以作為生態(tài)岸防的“原材料”實現(xiàn)較好的海岸防護功能。

2.2 不同物候期對緩流能力的影響

鹽沼植被生長具有物候差異，而現(xiàn)有緩流能力野外觀測研究大多集中在夏季。本研究在水文測量的同期對植被表型特征測量發(fā)現(xiàn)，各指標均存在物候差異(表3)。其中，生長后期海三棱藨草植株密度和地上生物量均值較生長中期分別增加19.40%和87.18%，但是平均株高降低6.85%；由于枯萎期海三棱藨草植株地上部分被折斷沖走，因此無植被樣本數(shù)據(jù)。在海三棱藨草生長中后期，地下分蘗和地下根莖發(fā)育會形成密集的新生植株[20]，相比生長中期的測量結果，生長后期的密度和地上生物量均有一定的增加，但是由于分蘗作用產(chǎn)生的新生植株較為矮小，生長后期植株的平均株高相比生長中期有所下降。進入枯萎期海三棱藨草開始逐漸枯萎，自身強度下降，在水力作用下植株地上部分發(fā)生折斷并被潮流裹挾帶走，植株地上部分完全喪失。

表3 不同物候期海三棱藨草株高、密度和生物量

分析不同物候期海三棱藨草的緩流能力發(fā)現(xiàn)，海三棱藨草的物候差異對其緩流能力存在影響。在長江口的水文和坡度條件下，單位距離流速衰減率呈現(xiàn)生長中期(1.15% m-1)>生長后期(1.06% m-1)>枯萎期(0.50% m-1)的規(guī)律，生長中期、生長后期和枯萎期從植被邊緣到植被帶流速分別下降10.84、10.40以及4.72 cm/s(表2)。

從表3可知，生長后期的植株密度和地上生物量相比生長中期增幅明顯，但生長后期海三棱藨草植被帶的單位距離流速衰減率略低于生長中期。此現(xiàn)象與現(xiàn)有觀測研究發(fā)現(xiàn)鹽沼植被緩流能力與地上生物量呈正相關的結論存在區(qū)別[9-10]，說明海三棱藨草植被帶的緩流能力可能受到了除植株地上生物量外的其他因素影響。進入枯萎期，海三棱藨草的緩流能力相比前兩個物候期有明顯下降，該現(xiàn)象與德國Elbe河口海濱三棱草(Bolboschoenusmaritimus)冬季緩流能力明顯低于夏季的觀測結果一致[9]。由于枯萎期海三棱藨草植株的地上部分在水、風等外力作用下喪失，原本植被覆蓋的區(qū)域變?yōu)榻乒鉃┑臓顟B(tài)，潮流運動不再受海三棱藨草的阻礙，相同距離的流速衰減減少；因此，不能以海三棱藨草生長中期和生長后期的緩流能力評價其枯萎期甚至全年的緩流能力。此外，海三棱藨草的緩流能力受到除植被表型指標外其他因素的影響，需要進一步探究。

2.3 不同流速和水深條件對緩流能力的影響

水文觀測結果發(fā)現(xiàn)，不同時段流速和水深存在差異。現(xiàn)有研究[9]已關注不同物候期鹽沼植被帶緩流能力的差異，但是鮮有在不同物候期時不同流速和水深條件對鹽沼植被緩流能力影響的公開報道。掌握并量化不同物候期海三棱藨草植被帶在不同流速和水深條件下的緩流能力對海岸防護評估具有重要意義。

如圖5所示，以單位距離流速衰減率為因變量，植被帶邊緣流速區(qū)間、水深區(qū)間為自變量，對單位距離流速衰減率與海三棱藨草植被帶邊緣流速、水深進行相關性分析。分析發(fā)現(xiàn)，不同物候期下海三棱藨草植被帶的單位距離流速衰減率與植被帶邊緣流速、水深條件之間均存在較強的相關性。不同物候期單位距離流速衰減率與海三棱藨草植被帶邊緣流速間均存在正相關，其中，生長中期、生長后期、枯萎期的相關性系數(shù)分別為0.80，0.90和0.89(圖5a、c、e)。在生長中期，不同植被帶邊緣流速條件下單位距離流速衰減率介于0.96%～1.29% m-1之間，高流速條件(40～44 cm/s)時單位距離流速衰減率是低流速條件(4～8 cm/s)時的1.31倍；在生長后期，不同植被帶邊緣流速條件下單位距離流速衰減率介于0.90%～1.04% m-1之間，高流速條件(32～36 cm/s)時單位距離流速衰減率是低流速條件(8～12 cm/s)時的1.15倍；在枯萎期時，不同植被帶邊緣流速條件下單位距離流速衰減率介于-0.85%～0.73% m-1之間，不同植被帶邊緣流速條件下單位距離流速衰減率差距較大。

a、b. 生長中期；c、d. 生長后期；e、f. 枯萎期。

圖5 不同物候期下單位距離流速衰減率與植被帶邊緣流速、水深關系對比

Fig.5 Comparison of flow attenuation rate under different flow velocity and water depth in various phenological period

在單位距離流速衰減率與海三棱藨草植被帶邊緣水深的相關性上，除枯萎期兩者呈現(xiàn)正相關外，生長中期、生長后期兩者均為負相關，生長中期、生長后期、枯萎期時植被帶邊緣水深與單位距離流速衰減率的相關性系數(shù)分別為-0.91，-0.98和0.98(圖5b、d、f)。在生長中期，不同植被帶邊緣水深條件下單位距離流速衰減率介于0.75%～1.45% m-1之間，低水深條件(0.55～0.65 m)時單位距離流速衰減率是高水深條件(1.55～1.65 m)時的2.16倍；進入生長后期，不同植被帶邊緣水深條件下單位距離流速衰減率介于0.82%～1.26% m-1之間，低水深條件(0.95～1.05 m)時單位距離流速衰減率是高水深條件(1.45～1.55 m)時的1.53倍；在枯萎期時，不同植被帶邊緣水深條件下單位距離流速衰減率介于-0.53%～0.91% m-1之間，不同植被帶邊緣水深條件下單位距離流速衰減率差距較大且呈正相關。

不同岸段的流速和水深條件不同，對此，本文通過量化不同物候期時，海三棱藨草植被帶在不同植被帶邊緣流速和水深條件下單位距離流速衰減率的差異，分析流速和水深對于海三棱藨草植被帶緩流能力的影響。研究發(fā)現(xiàn)，植被帶邊緣流速越大，緩流能力越強，由于潮流流速增加使得流量和水流能量增加，植被繞流阻力作用增強，耗能增加。加之海三棱藨草植株本身在流速增強時隨水流的搖曳更加劇烈，對潮流運動造成更明顯的擾動和更多的消散能量，因此海三棱藨草植被帶可以更有效地降低潮流流速[26]。

此外，本文研究發(fā)現(xiàn)，在地面有植被覆蓋的情況下，緩流能力隨水深增加而降低，該現(xiàn)象與荷蘭West Scheldt河口實驗發(fā)現(xiàn)的規(guī)律一致[14]。水深較小時，主要由于潮流在顆粒阻力與植被繞流阻力共同作用下受到的阻力較大，所以單位距離流速衰減率較高。隨著水深的增加，海三棱藨草在水深較大時逐漸彎曲倒伏，導致形態(tài)阻力不斷減小，對于潮流運動的阻礙降低。水深越深，上層水流有效迎水面積越小，受到阻礙相應越小；加之植被的存在使得水流流速垂線分布更加均勻化，上層水流帶動下層水流運動，使得單位距離流速衰減率逐漸減小[27-28]。以上分析充分說明，除物候期外，海三棱藨草植被帶的緩流能力受到流速和水深條件的影響，同時說明生長后期海三棱藨草植被帶緩流能力下降是因為該物候期研究區(qū)的水深大于生長中期。

因此，在評估海岸帶鹽沼植被緩流能力時，需充分考慮植被具有的時間變化特征、空間異質性以及水文條件下緩流能力的差異[29-31]，不能只采用某一物候期海三棱藨草植被帶的緩流能力觀測結果作為標準建立評估模型，特別是近年來冬季風暴事件頻發(fā)以及長江口冬季枯水，河口區(qū)域流速水深更大的情況下[9，32]。本研究的觀察結果也凸顯枯萎期高潮灘區(qū)域海三棱藨草需要承擔更多減緩流速的功能，更寬的植被帶才能獲得相同的流速衰減效果。通過保護、恢復鹽沼植被來保護海岸帶是海岸防護工程建設的新趨勢，海岸帶管理和政策制定者應考慮海三棱藨草的海岸防護能力在減緩流速和抵御侵蝕方面的季節(jié)性差異，建立足夠寬度的植被帶確保足夠的流速衰減。

3 結論與建議

1)海三棱藨草植被帶內的平均流速小于相鄰光灘區(qū)域，緩流能力強于相鄰光灘；植被帶生長中期與生長后期平均流速小于10.0 cm/s，枯萎期時平均流速小于15.0 cm/s。植被帶單位距離流速衰減率是相鄰光灘的1.47～3.48倍。

2)不同物候期，緩流能力呈現(xiàn)生長中期>生長后期>枯萎期的規(guī)律。經(jīng)過50 m海三棱藨草植被帶，3個物候期可以使流速分別下降10.84、10.40和4.72 cm/s。

3)不同流速和水深條件下，海三棱藨草植被帶緩流能力存在不同。其中，緩流能力與植被帶邊緣流速間存在正相關，生長中期、生長后期、枯萎期的相關性系數(shù)均大于0.80；不同植被帶邊緣水深條件下，除枯萎期為正相關外，生長中期、生長后期緩流能力與植被帶邊緣水深為負相關，相關性系數(shù)的絕對值均超過0.90。

4)在評估和建立海岸帶生態(tài)防護工程時，應當充分考慮海三棱藨草的物候差異，同時也需要關注當?shù)氐牧魉俸退顥l件差異。

5)本研究采用野外現(xiàn)場原位觀測的方法，結果存在一定的不確定性：本研究暫未剔除地形因素的影響，可能會對植被的緩流能力測算結果造成一定的誤差；此外流速較高和水深較深的條件下緩流能力物候期間差異較小，原因在本文的研究中尚未得到合理解釋。這些不足和問題在今后的研究中將通過室內水槽實驗等方式繼續(xù)進行深入的研究和討論。