海岸工程及生物入侵對(duì)上海南匯東灘海岸帶格局演變的影響

張婷玉, 袁 琳,2,3, 張 超, 李 陽(yáng), 趙志遠(yuǎn),史宇驍, 張利權(quán), 顧靖華

（1. 華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 藍(lán)碳科學(xué)與技術(shù)研究中心, 上海 200241;2. 崇明生態(tài)研究院, 上海 202162; 3. 長(zhǎng)江三角洲河口濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部/上海市野外科學(xué)觀測(cè)研究站,上海 202162; 4. 華東師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 上海 200241）

0 引 言

全球一半以上的人口和四分之三的國(guó)際大都市分布在沿海60 km 的范圍, 海岸帶成為人口密集、經(jīng)濟(jì)繁榮的重要區(qū)域[1-2]. 此外, 因其獨(dú)特的地理位置, 海岸帶沿岸還分布著廣袤的濕地資源, 在氣候調(diào)節(jié)、污染物降解和提供動(dòng)植物棲息地等方面發(fā)揮著不可替代的生態(tài)服務(wù)功能, 在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、城市發(fā)展、環(huán)境保護(hù)等方面具有十分重要的意義[3]. 然而, 自20 世紀(jì)以來(lái), 在海岸圈圍、水產(chǎn)養(yǎng)殖、城市化建設(shè)、生物入侵、泥沙沉積量減少、海平面上升和風(fēng)暴潮等人類(lèi)活動(dòng)和自然因素的共同影響下, 全球的海岸帶濕地面臨退化和喪失的威脅, 嚴(yán)重影響了海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展. 在過(guò)去一百年間, 全球濕地面積減少50%以上, 重金屬污染、生物多樣性降低、鳥(niǎo)類(lèi)棲息地減少、生態(tài)格局快速演變等生態(tài)問(wèn)題尤為突出[4-6].

生態(tài)系統(tǒng)格局的時(shí)空變化特征可反映人類(lèi)活動(dòng)與自然因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響, 是了解生態(tài)系統(tǒng)歷史變化的有效途徑[7]. 開(kāi)展海岸帶格局變化研究, 不僅有助于了解海岸帶生態(tài)系統(tǒng)演變過(guò)程, 而且對(duì)于實(shí)施海岸帶的保護(hù)修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[8]. 目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)海岸帶格局演變過(guò)程的研究主要是通過(guò)遙感解譯的方法, 獲得海岸帶格局變化的特征數(shù)據(jù), 進(jìn)而分析在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)等不同因素影響下海岸帶土地利用的變化特點(diǎn)及生態(tài)格局特征[9-11]. 例如, Zhu 等[12]利用SPOT (systeme probatoire d’observation de la terre)系列遙感影像量化了1987—2012 年海岸圈圍對(duì)長(zhǎng)江口海岸線的影響, Laengner 等[13]利用長(zhǎng)時(shí)序 (1986—2010 年) Landsat 遙感影像分析了歐洲海岸帶鹽沼的分布及面積變化, Hu 等[14]利用Sentinel-1 系列遙感影像分析了中國(guó)海岸帶灘涂鹽沼外來(lái)物種互花米草分布情況. 盡管遙感技術(shù)已被廣泛地用于海岸帶監(jiān)測(cè)及動(dòng)態(tài)變化研究, 但研究范圍主要集中在濱海的鹽沼植被區(qū)和近海內(nèi)陸. 對(duì)于海岸帶生態(tài)系統(tǒng)中間歇性淹水的淤泥質(zhì)海灘和淺水區(qū)域, 則主要采用野外觀測(cè)水深及海圖數(shù)據(jù)分析等方法[15]. 將遙感數(shù)據(jù)和海圖數(shù)據(jù)結(jié)合, 全面分析海岸工程和外來(lái)物種入侵對(duì)海岸帶鹽沼植被和淤泥質(zhì)海灘整體格局時(shí)空演變的影響, 進(jìn)而提出海岸帶綜合保護(hù)修復(fù)建議的研究尚不多見(jiàn).

上海南匯東灘位于長(zhǎng)江口的東南角, 是長(zhǎng)江口典型的海岸帶生態(tài)系統(tǒng), 是亞太地區(qū)候鳥(niǎo)遷徙路上重要的停歇覓食地, 具有十分重要的生態(tài)保護(hù)價(jià)值[16]. 與此同時(shí), 南匯東灘也是上海城市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的重要區(qū)域[12]. 自20 世紀(jì)90 年代以來(lái), 上海南匯東灘通過(guò)大面積的海岸圈圍工程, 為上海提供大量新生土地, 是上海經(jīng)濟(jì)社會(huì)和城市發(fā)展的重要保障[17]. 出于促淤護(hù)岸的目的, 20 世紀(jì)90 年代和2005—2015 年, 南匯東灘通過(guò)在海堤沿岸人工種植外來(lái)物種互花米草 (Spartina alterniflora) 實(shí)施了生物促淤工程[18]. 自2013 年起, 實(shí)施了面積達(dá)14.9 km2的海岸硬質(zhì)促淤工程, 在南匯東灘北部修筑了8 個(gè)向海延伸的丁壩[19]. 從歷史沿革來(lái)看, 海岸工程和互花米草入侵是影響南匯東灘的海岸帶格局演變的兩大主要因素.

本研究以上海南匯東灘海岸帶生態(tài)系統(tǒng)為典型研究區(qū), 通過(guò)遙感解譯、海圖數(shù)字化等方法獲得近20 年 (2000—2020 年) 南匯東灘海岸帶的時(shí)空分布, 采用野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的方法對(duì)已獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證校對(duì), 基于已獲得的海岸帶時(shí)空分布格局, 探究了以海岸圈圍工程和海岸促淤工程 (硬質(zhì)促淤工程和生物促淤工程) 為代表的海岸工程及生物入侵對(duì)海岸帶格局演變產(chǎn)生的影響, 以期為海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、保護(hù)修護(hù)和可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù).

1 研究地點(diǎn)

南匯東灘 (30°50′04″ N ～ 31°06′47″ N, 121°50′50″ E ～ 121°51′40″ E) 位于長(zhǎng)江口與杭州灣之間,毗鄰東海大橋, 是上海通向沿海各大島嶼的重要“門(mén)戶”. 它地處北亞熱帶南緣, 屬于季風(fēng)性氣候, 四季分明, 夏季高溫多雨, 冬季溫和濕潤(rùn), 年均氣溫15 ～ 16℃, 年均降雨量約為1 061.9 mm[20]. 受長(zhǎng)江上游所攜帶的豐富泥沙資源的影響, 南匯東灘沿岸自然灘涂處于不斷淤漲狀態(tài), 潮間鹽水沼澤有規(guī)律地分布, 自陸向海依次為蘆葦 (Phragmites australis)、互花米草 (S. alterniflora)、海三棱藨草 (Scirpus mariquete)[16]. 作為亞太地區(qū)候鳥(niǎo)遷徙路線上重要的停歇覓食地, 每年有數(shù)十萬(wàn)只水鳥(niǎo), 包括小天鵝(Cygnus columbianus)、白鶴 (Grus leucogeranus)、黑嘴鷗 (Larus saundersi) 等具有國(guó)際保護(hù)意義的瀕危物種遷徙途徑于此[21].

20 世紀(jì)90 年代以來(lái), 為解決日益加劇的人地矛盾, 南匯東灘成為上海實(shí)施海岸圈圍的重點(diǎn)區(qū)域,通過(guò)海岸圈圍新增陸地達(dá)120 km2[17]. 最近一次的大規(guī)模海岸圈圍工程自2002 年開(kāi)始, 至2005 年完工, 共圈圍造地達(dá)105.8 km2[17]. 自2013 年以來(lái), 為促進(jìn)南匯東灘的泥沙淤積和灘涂發(fā)育, 實(shí)施了海岸硬質(zhì)促淤工程, 南匯東灘采用混凝土和透水巖石建造了“T”形促淤堤, 攔截水流中的沉積物, 并通過(guò)改變局部區(qū)域水動(dòng)力, 促進(jìn)泥沙在促淤區(qū)沉淀, 從而實(shí)現(xiàn)灘涂向海淤漲[19]. 該工程在南匯東灘北部約14.9 km2區(qū)域圈圍 (為無(wú)潮汐影響的沼澤濕地) , 其余部分仍為受潮汐周期影響的自然灘涂 (圖1)[19].

圖1 南匯東灘地理位置、海岸工程和野外驗(yàn)證點(diǎn)Fig. 1 The location, coastal engineering, and verification point in Nanhui Dongtan

20 世紀(jì)90 年代和2005—2010 年, 為達(dá)到消浪緩流、保灘護(hù)岸的目的, 通過(guò)人為引種互花米草的方式在南匯東灘實(shí)施了生物促淤工程. 該工程在海堤到促淤堤約100 m 范圍內(nèi)種植互花米草, 期望借助互花米草植株粗壯和根系繁茂的特性, 在互花米草根系周?chē)鸂I(yíng)造緩流環(huán)境, 促進(jìn)泥沙在植物生長(zhǎng)區(qū)域淤積[22]. 然而生物促淤工程實(shí)施后, 隨著互花米草的定居和擴(kuò)散, 形成了大面積的單種優(yōu)勢(shì)植被群落, 對(duì)本土的鹽沼植被蘆葦和海三棱藨草的生長(zhǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響[23].

本研究中南匯東灘海岸帶的范圍: 以2000 年南匯東灘海堤為西邊界, 浦東機(jī)場(chǎng)南側(cè)為北邊界, 蘆潮港碼頭為南邊界, 2020 年南匯東灘淤泥質(zhì)海灘 (0 m 以上) 為東邊界 (圖1).

2 研究方法

本文采用的研究方法包括野外調(diào)查、遙感影像處理和海圖資料處理 (圖2).

圖2 技術(shù)流程Fig. 2 Technical flow chart

2.1 野外調(diào)查

為提高分類(lèi)準(zhǔn)確性, 特別是所選取的樣本是否具有典型性、代表性, 于2019 年6 月在南匯東灘進(jìn)行野外調(diào)查. 通過(guò)手持GPS 對(duì)南匯東灘不同土地利用情況進(jìn)行定位并記錄, 為后續(xù)解譯工作提供訓(xùn)練樣本. 通過(guò)以往野外調(diào)查結(jié)果驗(yàn)證2000—2015 年南匯東灘分類(lèi)情況, 并于2020 年9 月再次進(jìn)行野外考察, 對(duì)已獲得的2020 年南匯東灘分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證. 通過(guò)手持GPS 對(duì)典型地物類(lèi)型進(jìn)行定位,并與初步分類(lèi)結(jié)果和不同土地利用類(lèi)型的邊界進(jìn)行比對(duì)查驗(yàn), 以及對(duì)后續(xù)的解譯結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證.記錄的野外驗(yàn)證點(diǎn)共80 個(gè) (圖1), 其中近海與海岸濕地25 個(gè), 內(nèi)陸濕地20 個(gè), 人工濕地20 個(gè), 非濕地15 個(gè). 對(duì)難以獲取準(zhǔn)確資料的潮間鹽水沼澤, 采用無(wú)人機(jī)低空航拍進(jìn)行資料收集.

2.2 遙感數(shù)據(jù)解譯及分析

本研究采用的遙感影像數(shù)據(jù)是通過(guò)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的地球資源觀測(cè)與科學(xué)中心 (https://www.usgs.gov/centers/eros) 下載的美國(guó)陸地資源衛(wèi)星Landsat 系列 (空間分別率為30 m)數(shù)據(jù). 為提高解譯的準(zhǔn)確性, 選擇處于植被生長(zhǎng)季、少云且低潮期的影像, 具體為2000 年6 月6 日Landsat4-5 TM、2005 年8 月15 日Landsat7 ETM SLC-off、2010 年10 月16 日Landsat7 ETM SLC-off、2015 年8 月3 日Landsat8 OLI_TIRS 和2020 年8 月16 日Landsat8 OLI_TIRS, 共5 景遙感影像. 利用ENVI 5.1 軟件Radiometric Calibration、Atmospheric Correction Module 等模塊對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射標(biāo)定和大氣校正, 完成遙感影像的預(yù)處理[9].

依據(jù)《濕地公約》[6]及《土地利用分布現(xiàn)狀》 (GB/T 21010—2017)[11], 并按照紙質(zhì)海圖的理論深度基準(zhǔn)面, 將海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的地物類(lèi)型分為近海與海岸濕地 (包括淤泥質(zhì)海灘和潮間鹽水沼澤)、內(nèi)陸濕地 (草本沼澤)、人工濕地 (包括庫(kù)塘和水稻田)、農(nóng)田和建設(shè)用地, 共7 類(lèi).

在此基礎(chǔ)上, 基于野外調(diào)查時(shí)選取的7 類(lèi)地物類(lèi)型訓(xùn)練樣本的特征光譜, 建立解譯標(biāo)志 (圖3(b)).然后, 基于不同的波段組合, 精準(zhǔn)提取地物類(lèi)型信息 (圖3(a)), 并采用最大似然法進(jìn)行解譯, 獲得2000—2020 年南匯東灘地物類(lèi)型的解譯結(jié)果.

圖3 南匯東灘不同地物類(lèi)型解譯特征 (以2020 年影像為例)Fig. 3 Different surface features for interpretation in Nanhui Dongtan (Year 2020 image used as an example)

為驗(yàn)證分類(lèi)結(jié)果的準(zhǔn)確性, 采用混淆矩陣對(duì)圖像進(jìn)行精度評(píng)定[24], 并選取總體分類(lèi)精度 (overall accuracy) 和Kappa 系數(shù)這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)南匯東灘地物類(lèi)型的分類(lèi)精度. 再結(jié)合野外調(diào)查結(jié)果、無(wú)人機(jī)航拍結(jié)果和歷史資料, 對(duì)監(jiān)督分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行人工矯正后, 得到南匯東灘的地物類(lèi)型分類(lèi)圖. 矯正后的分類(lèi)結(jié)果經(jīng)混淆矩陣檢驗(yàn), 總體精度均為90%以上 (表1) .

表1 南匯東灘地物類(lèi)型解譯結(jié)果精度Tab. 1 Accuracy of surface feature interpretation for Nanhui Dongtan

對(duì)已獲得的南匯東灘的地物類(lèi)型解譯結(jié)果, 利用ArcGIS 10.3 (Esri 公司) 軟件勾繪出潮間鹽水沼澤前沿的變化, 并統(tǒng)計(jì)2000—2020 年南匯東灘不同地物類(lèi)型的面積, 進(jìn)一步獲得潮間鹽水沼澤面積的年變化率, 以及互花米草面積占潮間鹽水沼澤面積的比例變化.

2.3 海圖數(shù)字化及分析

利用2000 年、2005 年、2010 年、2015 年和2020 年長(zhǎng)江口海圖, 系統(tǒng)分析南匯東灘淤泥質(zhì)海灘(0 m 以上) 的演變情況. 首先通過(guò)ArcGIS10.3 軟件對(duì)海圖資料進(jìn)行數(shù)字化, 將不同時(shí)期的水深數(shù)據(jù)校正到統(tǒng)一的背景WGS 1984 UTM Zone 51N 坐標(biāo)系與理論深度基準(zhǔn)面. 隨后采用Kriging 插值方法構(gòu)建南匯東灘區(qū)域不同時(shí)期的數(shù)字高程模型 (digital elevation model, DEM), 提取研究區(qū)0 m 等深線[25],再將得到的0 m 等深線與已獲取的南匯東灘地物類(lèi)型解譯結(jié)果進(jìn)行疊加分析及校正, 統(tǒng)計(jì)出不同時(shí)期南匯東灘淤泥質(zhì)海灘 (0 m 以上) 的分布面積.

3 結(jié)果與分析

3.1 近20 年南匯東灘海岸帶的格局演變

2000 年, 南匯東灘的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)以近海與海岸濕地為主 (圖4), 其中淤泥質(zhì)海灘 (0 m 以上)和潮間鹽水沼澤的面積分別為10 969.8 hm2和3 948.2 hm2, 各占近海海岸濕地面積的73.5%和26.5%(表2).

表2 2000—2020 年南匯東灘海岸帶不同地物類(lèi)型的面積Tab. 2 Area of different land cover in the Nanhui Dongtan coastal zone from 2000 to 2020

圖4 2000—2020 年南匯東灘海岸帶不同地物類(lèi)型的分布格局Fig. 4 Patern of different land cover for the Nanhui Dongtan coastal zone from 2000 to 2020

在2000—2005 年南匯東灘實(shí)施了海岸圈圍工程后, 除原有的近海海岸濕地外, 因受人類(lèi)利用方式的影響, 在圈圍區(qū)內(nèi)形成了沼澤濕地、庫(kù)塘、農(nóng)田和建設(shè)用地4 種不同的地物類(lèi)型, 面積分別為4 066.2 hm2、5 152.6 hm2、1 438.2 hm2和688.4 hm2, 海岸帶格局呈現(xiàn)多樣化、復(fù)雜化的特點(diǎn). 由于高潮灘潮間帶鹽水沼澤被圈圍, 導(dǎo)致潮間鹽水沼澤面積驟減為0 hm2, 整個(gè)近海海岸濕地僅存淤泥質(zhì)海灘(0 m 以上) 3 023.3 hm2.

2005—2015 年, 南匯東灘未實(shí)施任何海岸工程, 因而伴隨著灘涂的自然淤漲, 近海與海岸濕地的鹽沼植被和光灘均向海推進(jìn), 面積出現(xiàn)持續(xù)的增長(zhǎng), 其中淤泥質(zhì)海灘 (0 m 以上) 面積的增長(zhǎng)速率(343.6 hm2/a) 明顯高于潮間鹽水沼澤面積的增長(zhǎng)速率 (63.3 hm2/a). 至2015 年, 0 m 以上灘涂的面積為6 159.6 hm2, 潮間鹽水沼澤面積為632.9 hm2, 為2000 年未實(shí)施圍墾的55%和 16%. 海堤內(nèi)的內(nèi)陸濕地受人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用影響, 面積明顯減少, 約有1 739.4 hm2的沼澤濕地、3 209.2 hm2的庫(kù)塘轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田等非濕地, 保留的內(nèi)陸濕地面積 (2 326.8 hm2) 僅為2005 年的57%.2015—2020 年, 南匯東灘實(shí)施了海岸硬質(zhì)促淤工程, 顯著加速了自然灘涂的淤漲和近海海岸濕地的發(fā)育. 至2020 年, 淤泥質(zhì)海灘 (0 m 以上) 面積增加到8 643.7 hm2, 是2015 年 (剛完成海岸硬質(zhì)促淤工程) 的1.4 倍; 潮間鹽水沼澤面積也增加到5 211.6 hm2, 超過(guò)2000 年 (圈圍前) 的面積, 是2015 年潮間鹽水沼澤面積的8 倍. 受南匯東灘北部1 490 hm2自然灘涂圈圍和海堤內(nèi)土地利用方式的影響,草本沼澤面積2020 年比2015 年增加了1 005.4 hm2, 庫(kù)塘面積增加了1 510.5 hm2, 水稻田面積減少了1 233.8 hm2, 農(nóng)田和建設(shè)用地則繼續(xù)保持穩(wěn)定增長(zhǎng) (面積分別為1 272.2 hm2和1 989.9 hm2) (表2).

3.2 海岸工程對(duì)海岸帶格局的影響分析

3.2.1 海岸圈圍工程對(duì)海岸帶格局的影響

2000—2005 年, 海岸圈圍工程導(dǎo)致南匯東灘近海與海岸濕地面積減少了11 894.7 hm2(表2). 尤其是潮間鹽水沼澤, 到2005 年圈圍工程結(jié)束時(shí), 其面積為0. 被圈圍的近海與海岸濕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴荼菊訚伞?kù)塘等其他土地利用類(lèi)型 (圖4). 在海岸圈圍初期 (2005—2010 年), 受河口泥沙淤積作用的影響,淤泥質(zhì)海灘 (0 m 以上) 以320.5 hm2/a 的速率向海推移, 潮間鹽水沼澤擴(kuò)散速率也達(dá)到110.9 hm2/a.2010—2015 年, 淤泥質(zhì)海灘 (0 m 以上) 雖呈現(xiàn)持續(xù)淤漲的趨勢(shì), 但淤積速率減少為286.8 hm2/a, 部分岸段甚至出現(xiàn)侵蝕, 鹽沼則保持穩(wěn)定的、緩慢的增長(zhǎng)趨勢(shì) (15.7 hm2/a). 此外, 從圖5 還可以看出,圈圍后 (2010—2015 年) , 南匯東灘潮間鹽水沼澤的向海推進(jìn)速率 (15.7 hm2/a)明顯慢于淤泥質(zhì)海灘的 (286.8 hm2/a) (圖5(b)).

圖5 南匯東灘近海與海岸濕地前沿變化Fig. 5 Changes in of the coastal wetland front in Nanhui Dongtan

3.2.2 海岸促淤工程對(duì)海岸帶格局的影響

從圖5 可以看出, 海岸硬質(zhì)促淤工程顯著促進(jìn)了南匯東灘近海與海岸濕地的發(fā)育和面積的增加,工程后近海與海岸濕地面積達(dá)到工程前的2 倍 (表2). 受促淤堤促淤留沙的影響, 淤泥質(zhì)海灘 (0 m 以上) 以516.9 hm2/a 的淤積速率快速向海推進(jìn) (圖5(a)), 是海岸硬質(zhì)促淤工程實(shí)施前該地區(qū)的自然淤漲速率的1.8 倍, 也是南側(cè)未實(shí)施海岸硬質(zhì)促淤工程的自然灘涂淤泥質(zhì)海灘 (0 m 以上) 淤積速率(95 hm2/a) 的5.4 倍. 隨著淤泥質(zhì)海灘灘涂的發(fā)育, 潮間鹽水沼澤也表現(xiàn)出快速向海推進(jìn)的態(tài)勢(shì) (圖5(b)).2015—2020 年間, 鹽沼植被面積增加了4 578.7 hm2, 增長(zhǎng)速率為915.7 hm2/a, 是非促淤區(qū)的潮間鹽水沼澤自然擴(kuò)散速率的13.9 倍. 可見(jiàn), 海岸硬質(zhì)促淤工程實(shí)施后極大地促進(jìn)了泥沙淤積, 從而促進(jìn)了淤泥質(zhì)海灘 (0 m 以上) 和潮間鹽水沼澤的快速發(fā)育.

從圖6 可以看出, 生物促淤工程的主要影響區(qū)域是近岸的種青促淤區(qū). 隨著互花米草種植后的定植和擴(kuò)散, 2000 年時(shí) (種植3 年后), 促淤區(qū)內(nèi)鹽沼植被面積約2 716.7 hm2, 占潮間鹽水沼澤面積的68.8%. 2005—2015 年, 再次實(shí)施互花米草生物促淤工程后, 南匯東灘促淤區(qū)內(nèi)鹽沼植被面積在2015 年增長(zhǎng)至341.2 hm2, 占潮間鹽水沼澤面積的53.9%, 潮間鹽水沼澤向海分布最寬達(dá)到1 100 m, 鹽沼植被面積的年增長(zhǎng)速率為15.7 hm2/a, 但顯著低于海岸硬質(zhì)促淤工程的促淤速率.

圖6 2000—2020 年南匯東灘鹽沼分布格局Fig. 6 Distribution pattern of salt marshes in Nanhui Dongtan from 2000 to 2020

3.3 生物入侵對(duì)海岸帶格局的影響分析

互花米草在20 世紀(jì)90 年代末多次被種植于南匯東灘, 在此之前, 潮間鹽水沼澤隨灘涂高程增加的空間分布格局是“光灘—海三棱藨草種群—蘆葦種群” (圖6). 本地鹽沼植物蘆葦主要分布于高潮灘, 面積為1 125 hm2; 海三棱藨草作為灘涂先鋒植物主要分布于植被帶前沿, 面積為844.6 hm2(圖7).到2000 年, 互花米草占據(jù)了潮間鹽水沼澤面積的50.1% (1 978.5 hm2), 廣泛分布于南匯東灘的中高潮灘 (圖6), 是南匯東灘自然灘涂分布面積最大的鹽沼植被類(lèi)型, 形成“光灘—海三棱藨草群落—互花米草群落—蘆葦群落”的新格局, 甚至部分區(qū)域本地物種蘆葦已被互花米草完全取代, 形成“光灘—海三棱藨草群落—互花米草群落”的格局 (圖6).

圖7 2000—2020 年南匯東灘鹽沼植被面積變化Fig. 7 Salt marsh area changes in Nanhui Dongtan from 2000 to 2020

2005 年, 海岸圈圍工程剛完成時(shí), 高潮灘的鹽沼植被已被全部圈圍, 互花米草群落面積減少至0.之后, 互花米草再次被引種至南匯東灘并快速擴(kuò)散, 到2015 年, 其面積增加至311.2 hm2, 占總面積的49.2%, 明顯高于本地物種蘆葦 (77.8 hm2) 和海三棱藨草 (191.4 hm2) 的面積. 其年增長(zhǎng)速率 (31.1 hm2/a)也顯著高于本地物種蘆葦 (9.05 hm2/a) 和海三棱藨草 (23.1 hm2/a), 再次成為南匯東灘自然灘涂分布面積最大的鹽沼植被.

2015—2020 年, 受海岸促淤工程影響, 潮間鹽沼植物蘆葦、海三棱藨草和互花米草種群面積均快速增加 (圖6), 但互花米草群落的擴(kuò)散速率 (525.6 hm2/a) 遠(yuǎn)高于蘆葦群落 (29.7 hm2/a) 和海三棱藨草種群 (360.4 hm2/a) 的擴(kuò)散速率. 至2020 年, 互花米草種群面積已占南匯東灘潮間鹽水沼澤總面積的56.4%, 大大擠壓了本地物種的分布 (圖7).

4 討 論

4.1 海岸圈圍工程對(duì)海岸帶格局演變的影響

在人口稠密、經(jīng)濟(jì)繁榮的海岸帶地區(qū), 常常通過(guò)海岸圈圍工程來(lái)緩解日益突出的人地矛盾[16]. 然而大量的研究也表明, 海岸圈圍工程會(huì)直接導(dǎo)致近海與海岸濕地的喪失, 從而導(dǎo)致海岸帶棲息地的退化, 并對(duì)依賴其生存的多種生物產(chǎn)生嚴(yán)重影響[26-27]. 以長(zhǎng)江口為例, 1985—2015 年, 海岸圈圍工程實(shí)施后圈圍土地面積累計(jì)達(dá)1 077 km2, 導(dǎo)致長(zhǎng)江河口灘涂總面積減少了36%, 鹽沼植被面積減少了38%[28].南匯東灘是長(zhǎng)江口實(shí)施海岸圈圍的重點(diǎn)區(qū)域, 從本研究的結(jié)果可以看出, 2000—2005 年, 海岸圈圍工程累計(jì)圈圍近海與海岸濕地11 894.7 hm2, 對(duì)高潮灘的鹽沼植被的影響最為明顯, 導(dǎo)致鹽沼植被面積迅速下降. 已有研究表明, 海岸圈圍工程實(shí)施后, 由于近海海岸濕地面積的減少, 水鳥(niǎo)棲息地受到破壞, 鳥(niǎo)類(lèi)種類(lèi)與數(shù)量明顯下降, 生物多樣性降低, 海岸帶生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)功能下降[11,29-30]. 與此同時(shí),已圈圍區(qū)由于失去潮汐作用, 水文條件的變化導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變, 進(jìn)而導(dǎo)致大型底棲動(dòng)物棲息環(huán)境出現(xiàn)惡化趨勢(shì), 其數(shù)量比自然灘涂明顯減少[26]. 本研究中, 盡管南匯東灘位于長(zhǎng)江口, 在河口泥沙淤積的作用下, 實(shí)施海岸圈圍工程后, 近海與海岸濕地可以緩慢恢復(fù), 但恢復(fù)速率是有限的. 經(jīng)過(guò)十年的自然恢復(fù), 近海與海岸濕地的面積有所增加, 但僅達(dá)到海岸圈圍前的45%. 此外, 鹽沼植被的恢復(fù)速率 (15.7 hm2/a) 明顯低于灘涂的淤漲速率 (286.8 hm2/a), 這表明鹽沼的修復(fù)相對(duì)灘涂淤漲存在明顯的滯后效應(yīng), 需要更長(zhǎng)的時(shí)間. 由此可見(jiàn), 一旦海岸帶濕地被圈圍后, 若想恢復(fù)到海岸圈圍前的水平需要花費(fèi)更大的代價(jià). 作為水鳥(niǎo)重要覓食地, 近海與海岸濕地是內(nèi)陸濕地?zé)o法替代的, 為保護(hù)海岸帶生態(tài)系統(tǒng)多種重要的生態(tài)服務(wù)功能, 我國(guó)在2018 年提出禁止具有商業(yè)性質(zhì)的海岸圈圍活動(dòng), 這一政策的實(shí)施在保護(hù)海洋生態(tài)系統(tǒng)、保護(hù)生物多樣性和重要生物棲息地等方面具有重要意義[31].

海岸圈圍工程實(shí)施后, 隨著人類(lèi)對(duì)圈圍土地的開(kāi)放和利用, 海岸帶的格局常呈現(xiàn)出類(lèi)型逐漸多樣且以人工類(lèi)型為主的發(fā)展趨勢(shì). 以美國(guó)路易斯安那州為例, 自1932 年以來(lái), 在城市與環(huán)境的科學(xué)發(fā)展中, 通過(guò)對(duì)沿海濕地實(shí)施大面積海岸圈圍并進(jìn)行綜合性開(kāi)發(fā), 逐漸形成了自然濕地、農(nóng)業(yè)用地與城市用地多種類(lèi)型共存的局面[32]. 本研究中, 隨著南匯東灘對(duì)已圈圍土地的開(kāi)發(fā)和利用, 圈圍區(qū)土地利用類(lèi)型種類(lèi)增加, 與農(nóng)業(yè)及城市化發(fā)展相關(guān)的水稻田、農(nóng)田和建設(shè)用地面積也逐漸增加. 此外也有研究表明, 海岸圈圍后的土地, 通過(guò)保留部分水面、促進(jìn)沉水植物發(fā)育和維持適宜的挺水植物密度等, 可以為鳥(niǎo)類(lèi)提供補(bǔ)充棲息地[33]. 本研究中, 南匯東灘海岸圈圍工程結(jié)束后, 大量被圈圍的近海海岸濕地并未立即進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用, 而是作為內(nèi)陸濕地 (草本沼澤) 和人工濕地 (水稻田和庫(kù)塘) 被保留下來(lái), 進(jìn)而成為高潮期的水鳥(niǎo)停歇地, 發(fā)揮了水鳥(niǎo)補(bǔ)充棲息地的重要作用. 在美國(guó), 在水鳥(niǎo)遷徙期間通過(guò)對(duì)水稻田補(bǔ)水, 形成臨時(shí)濕地滿足越冬水鳥(niǎo)和遷徙水鳥(niǎo)在遷徙期間對(duì)棲息地的需求[34]. 由此可見(jiàn), 在城市建設(shè)與土地利用過(guò)程中, 在海岸帶的陸地部分保留一定數(shù)量的內(nèi)陸濕地與人工濕地, 發(fā)揮其在高潮期的補(bǔ)充棲息地作用, 這種生態(tài)補(bǔ)償方式可有效緩解海岸帶生態(tài)服務(wù)功能下降等問(wèn)題.

4.2 海岸促淤工程對(duì)海岸帶格局演變的影響

海岸促淤工程是一項(xiàng)有效促進(jìn)近海與海岸濕地恢復(fù)的生態(tài)工程, 通常包括海岸硬質(zhì)促淤工程和生物促淤工程兩種類(lèi)型[35]. 海岸硬質(zhì)促淤工程通過(guò)促淤堤削弱水動(dòng)力的同時(shí)促進(jìn)沉積物在促淤區(qū)內(nèi)淤積, 從而達(dá)到促進(jìn)濕地發(fā)育、實(shí)現(xiàn)近海與海岸濕地快速恢復(fù)的目的[19]. 近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外開(kāi)展多種海岸硬質(zhì)促淤工程來(lái)恢復(fù)受損嚴(yán)重的濕地資源. 例如, 美國(guó)路易斯安那州采取轉(zhuǎn)移航道疏浚土到開(kāi)闊水域和對(duì)密西西比河分流 (沉積物分流) 兩種方式來(lái)促進(jìn)濕地發(fā)育[36], 我國(guó)黃河口則通過(guò)擴(kuò)大鹽沼面積來(lái)促進(jìn)泥沙淤積[37]. 本研究中, 硬質(zhì)促淤工程和生物促淤工程在南匯東灘都有所應(yīng)用. 結(jié)果表明, 海岸硬質(zhì)促淤工程完成后, 加快了淤泥質(zhì)海灘的淤積和向海推進(jìn), 短短的5 年間, 近海與海岸濕地面積增加了2 584.1 hm2, 已恢復(fù)至2000 年的93%, 是不實(shí)施硬質(zhì)促淤工程恢復(fù)速率的4.7 倍. 隨著淤泥質(zhì)海灘的發(fā)育, 鹽沼植被也快速擴(kuò)散, 面積增加4 578.7 hm2, 逐漸形成了“光灘—海三棱藨草群落—互花米草/蘆葦群落”的分布格局. 這些新增的近海濕地不僅可以作為多種水生生物的重要棲息地, 還可以進(jìn)一步促進(jìn)沉積物的沉淀, 成為抵抗自然災(zāi)害的緩沖區(qū)和生態(tài)屏障[38]. 海岸硬質(zhì)促淤工程能夠有效促進(jìn)濕地發(fā)育, 恢復(fù)濕地面積, 這為國(guó)內(nèi)外許多其他海岸帶近海與海岸濕地恢復(fù)工作提供參考.

生物促淤工程則是通過(guò)種植濕地植被來(lái)抵御外界強(qiáng)大的水動(dòng)力, 達(dá)到減小波能、緩流促淤、鞏固灘涂的目的[22]. 互花米草作為一種具有強(qiáng)繁殖力、廣適應(yīng)性的鹽沼植物, 在保灘護(hù)岸、緩流促淤方面發(fā)揮巨大優(yōu)勢(shì), 在我國(guó)沿海地區(qū)一度作為生態(tài)工程師被廣泛地應(yīng)用于海岸生物促淤工程[18,39]. 已有研究表明, 互花米草在灘涂成功定居并擴(kuò)散后將有效促進(jìn)沉積物在植物根系周?chē)?5 ～ 25 cm 處沉淀, 每年能夠有效淤高20 cm, 顯著高于本地物種蘆葦 (淤高7 cm) 和海三棱藨草 (淤高3 cm)[22,40]. 本研究中,生物促淤工程主要影響區(qū)域是海堤到促淤堤約100 m 范圍, 互花米草種植后, 其在促淤堤內(nèi)快速擴(kuò)散,競(jìng)爭(zhēng)排擠原有區(qū)域的本地物種蘆葦和海三棱藨草, 面積達(dá)到2 939.6 hm2, 導(dǎo)致促淤區(qū)在5 年內(nèi)形成了以互花米草為主的鹽沼植被群落結(jié)構(gòu). 盡管互花米草的生長(zhǎng)和擴(kuò)散發(fā)揮了重要的攔截泥沙、減緩水流、促進(jìn)淤積的作用, 但作為外來(lái)入侵物種, 互花米草除了對(duì)本地鹽沼植物產(chǎn)生了競(jìng)爭(zhēng)擠壓, 還會(huì)威脅底棲生物、魚(yú)類(lèi)和鳥(niǎo)類(lèi)的生境, 導(dǎo)致當(dāng)?shù)厣锒鄻有越档蚚13-14,20]. 因此, 未來(lái)進(jìn)行生物促淤工程時(shí), 可以盡量選擇本地鹽沼植物進(jìn)行種植, 以避免引種外來(lái)物種引起的負(fù)面影響.

4.3 生物入侵對(duì)海岸帶格局演變的影響

生物入侵正普遍發(fā)生于世界各地, 越來(lái)越多的研究表明, 嚴(yán)重的生物入侵如今正改變著當(dāng)?shù)氐娜郝浣M成和生態(tài)系統(tǒng)格局[41]. 互花米草原產(chǎn)于北美大西洋沿岸, 是入侵我國(guó)海岸帶最嚴(yán)重的外來(lái)物種之一[42]. 雖然互花米草有一定的促淤護(hù)灘的效果, 但促淤范圍有限, 比起對(duì)促淤的影響, 其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)格局的影響更為明顯, 也是本研究關(guān)注的重點(diǎn). 已有研究表明, 互花米草以其突出的耐鹽性和耐淹性, 一旦定居成功, 便開(kāi)始快速擴(kuò)張, 形成大面積植物群落, 導(dǎo)致沿海灘涂退化[43]. 國(guó)內(nèi)外沿海灘涂廣泛分布著互花米草, 如美國(guó)加利福尼亞州的舊金山河口[44]、我國(guó)的黃河河口[39]和長(zhǎng)江河口[18]等地. 本研究中,南匯東灘自互花米草引入后, 近海與海岸濕地空間格局由“光灘—海三棱藨草群落—蘆葦群落”轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮鉃Ｈ馑懖萑郝洹セ撞萑郝洹J葦群落”, 甚至部分地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮鉃Ｈ馑懖萑郝洹セ撞萑郝洹? 互花米草在近岸高潮灘集中成片分布, 蘆葦僅零星分布或是近岸高潮灘部分地區(qū)小面積分布. 在短短5 年間, 互花米草已成為南匯東灘所占面積最大的第一大優(yōu)勢(shì)植物 (占鹽沼植被總面積的56.4%), 明顯擠壓了本地鹽沼植物的生存空間, 導(dǎo)致本地鹽沼面積增長(zhǎng)速率減緩.

互花米草入侵灘涂濕地后, 不僅鹽沼植被群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變, 而且導(dǎo)致鳥(niǎo)類(lèi)的主要覓食地的大量喪失, 位于灘涂的底棲生物和鳥(niǎo)類(lèi)的種群數(shù)量和種類(lèi)也出現(xiàn)明顯減少[45-46]. 與此同時(shí), 正常的人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)也因互花米草的大面積擴(kuò)散受到影響. 例如: 干擾沿海海水養(yǎng)殖, 因擴(kuò)張后灘涂高程抬高導(dǎo)致河道淤積[16]. 為了有效控制互花米草的生態(tài)危害, 提高灘涂濕地質(zhì)量, 國(guó)內(nèi)外先后開(kāi)展了互花米草治理技術(shù)研究, 并且已取得了一定的進(jìn)展. 例如: 美國(guó)的Invasive Spartina Project (ISP) 項(xiàng)目, 治理后互花米草面積減少了96%[44]; 上海崇明東灘通過(guò)建立自然保護(hù)區(qū)開(kāi)展互花米草治理工程, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)互花米草的有效防治[18,47].

目前南匯東灘并未實(shí)施大規(guī)?；セ撞葜卫? 但由于互花米草入侵, 已導(dǎo)致水鳥(niǎo)等生物棲息地質(zhì)量下降[20]. 未來(lái)在保灘護(hù)岸需求滿足的情況下, 南匯東灘也可借鑒國(guó)內(nèi)外成功案例, 因地制宜對(duì)互花米草實(shí)施治理, 以提高當(dāng)?shù)刈匀粸┩繚竦氐馁|(zhì)量, 優(yōu)化海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu), 提升海岸帶抵抗自然災(zāi)害、提高生物多樣性等生態(tài)服務(wù)功能.

5 結(jié) 論

海岸工程及生物入侵對(duì)南匯東灘海岸帶的格局演變產(chǎn)生了顯著影響, 主要表現(xiàn)為海岸圈圍工程導(dǎo)致近海與海岸濕地尤其是鹽沼植被明顯減少, 海岸促淤工程則促進(jìn)了近海與海岸濕地的發(fā)育, 生物入侵對(duì)海岸帶格局演變的影響主要是導(dǎo)致本地物種面積減少. 這些海岸帶格局的變化, 將進(jìn)一步影響海岸帶保灘護(hù)岸、提供棲息地、生物多樣性維持等生態(tài)服務(wù)功能, 給海岸帶的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn). 應(yīng)通過(guò)采取積極的生態(tài)修復(fù)手段對(duì)受損的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)和保護(hù), 通過(guò)生態(tài)補(bǔ)償措施彌補(bǔ)因人類(lèi)活動(dòng)造成的海岸帶棲息地面積減少等生態(tài)損失, 本文提出了基于自然的海岸帶保護(hù)修復(fù)方案, 以提升海岸帶生態(tài)服務(wù)功能, 實(shí)現(xiàn)海岸帶的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展.