日照互花米草(Spartina alterniflora)分布精細(xì)化測(cè)繪及化學(xué)方法治理對(duì)底棲生物的影響

黃 帥,侯繼靈,于 洋,王建勇,鄭智勇

(國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心,山東青島 266100)

互花米草(Spartinaalterniflora)作為原產(chǎn)于北美洲東部海岸的一種多年生草本植物,隸屬于禾本科米草屬,廣泛分布于加拿大紐芬蘭直到墨西哥海岸,是當(dāng)?shù)爻睘竦刂姓純?yōu)勢(shì)的物種[1-3]。由于互花米草秸稈較為粗壯、根系發(fā)達(dá),對(duì)環(huán)境的脅迫抗性強(qiáng),能在常受潮水淹沒的潮間帶中促進(jìn)泥沙的快速沉降和淤積,從而起到保灘護(hù)堤的作用[4-6]。我國(guó)于1979年從美國(guó)東部各州引進(jìn)該物種,并率先在福建的羅源灣進(jìn)行種植,而后在各沿海省市灘涂進(jìn)行引種[7],在取得一定效果的同時(shí)也帶來(lái)了一系列的問(wèn)題?，F(xiàn)如今,其分布范圍已擴(kuò)張至除我國(guó)臺(tái)灣省和海南省之外的所有沿海省份[8-9],但由于互花米草的快速擴(kuò)張,致使本土植物的生存空間受到擠壓,對(duì)我國(guó)濱海濕地生態(tài)環(huán)境的多樣性和穩(wěn)定性產(chǎn)生極大威脅[10],同時(shí)針對(duì)其防控治理難度較大,也對(duì)船只出港和航道暢通形成阻礙。2003年就被國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局和中國(guó)科學(xué)院聯(lián)名將其列入中國(guó)第一批外來(lái)入侵物種,也是其中唯一的海岸鹽沼植物[11]。

基于互花米草的分布和治理現(xiàn)狀,找出能快速并有效的控制辦法,從而盡可能減少或規(guī)避互花米草帶來(lái)的生態(tài)危害,是目前濱海濕地生態(tài)管理遇到的一大難題。而治理的前提是先要對(duì)互花米草的瘋狂式擴(kuò)散進(jìn)行監(jiān)測(cè),但由于人力進(jìn)入互花米草所分布的潮間帶區(qū)域極為困難,若無(wú)法對(duì)其實(shí)地分布范圍和擴(kuò)散動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),便很難為后續(xù)治理提供技術(shù)支撐。目前常用的治理互花米草的方法主要有物理方法、化學(xué)方法及生物方法[12-15],而這些治理措施對(duì)當(dāng)?shù)氐臐竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響也各不相同[16]。其中化學(xué)方法治理互花米草相較于另兩種方法,具有成本低、效果顯著、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn),但施用化學(xué)除草劑會(huì)對(duì)海岸生態(tài)系統(tǒng)(特別是對(duì)底棲生物)產(chǎn)生影響,目前尚無(wú)一致結(jié)論及相關(guān)詳細(xì)報(bào)道[17-18]。該研究旨在通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感精細(xì)化測(cè)繪手段,對(duì)互花米草的分布面積及通過(guò)噴灑化學(xué)除草劑對(duì)互花米草的滅除效果進(jìn)行監(jiān)測(cè),并通過(guò)分析除草劑對(duì)底棲生物的影響,為我國(guó)互花米草進(jìn)一步完善治理提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概述山東省日照市海岸帶地處黃海中部,北起白馬河口,與青島市黃島區(qū)海岸相接,南至繡針河口,與連云港市贛榆區(qū)相連,向西至204國(guó)道,向東達(dá)20 m水深線附近。沿岸多為砂質(zhì)海岸,與中部奎山和南部嵐山形成岬角海崖和水下巖灘,境內(nèi)河流多為內(nèi)陸河入海段,除傅疃河等為永久性河流外,其余多為季節(jié)性河流[19]。調(diào)查發(fā)現(xiàn),在多處岸段均發(fā)現(xiàn)互花米草入侵,尤其在白馬河口、兩城河口、傅疃河口和繡針河口等主要河口岸段,互花米草入侵尤為明顯。通過(guò)走訪調(diào)查了解,多年來(lái)日照市轄區(qū)內(nèi)互花米草面積持續(xù)增長(zhǎng),2020年山東省互花米草調(diào)研小組專家聯(lián)合日照市海洋資源調(diào)查人員對(duì)互花米草現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn),日照市互花米草正處于大面積暴發(fā)前期,對(duì)互花米草的治理已刻不容緩。

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置及監(jiān)測(cè)方法為有效防范互花米草繼續(xù)擴(kuò)散,力爭(zhēng)盡快消除,切實(shí)保護(hù)濱海濕地生態(tài)系統(tǒng),對(duì)日照市海區(qū)內(nèi)現(xiàn)存互花米草入侵現(xiàn)狀進(jìn)行摸底調(diào)查,解譯了日照市互花米草現(xiàn)狀的衛(wèi)星遙感圖片(圖1),將日照市全部沿海岸線疑似互花米草入侵的區(qū)域劃分為13個(gè)無(wú)人機(jī)正射監(jiān)測(cè)區(qū)域(白馬河上、下游,兩城河,森林公園,傅疃河口南部、養(yǎng)殖排水渠,劉家灣趕海園南、北兩區(qū),小海河南支流,多島海和繡針河口上、下游),并對(duì)疑似區(qū)域繪制衛(wèi)星解譯互花米草入侵圖斑,得到圖斑shp文件作為下一步無(wú)人機(jī)正射作業(yè)和現(xiàn)場(chǎng)核查的參考。

圖1 日照市互花米草現(xiàn)狀的衛(wèi)星遙感圖片F(xiàn)ig.1 Satellite remote sensing images of Spartina alterniflora status in Rizhao City

1.3 互花米草覆蓋面積的測(cè)繪方法自2021年5月13日開始對(duì)已確定的13個(gè)無(wú)人機(jī)正射監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行無(wú)人機(jī)正射飛行測(cè)繪作業(yè),至2021年6月24日,完成全部無(wú)人機(jī)正射飛行作業(yè)。正射飛行作業(yè)完成后,通過(guò)Pix4Dmapper軟件處理所得到的批量照片,制作作業(yè)區(qū)域矢量圖,再利用ArcGIS軟件對(duì)矢量圖進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)繪,繪制該區(qū)域互花米草入侵圖斑,并計(jì)算圖斑面積等信息,最后用Adobe Photoshop軟件對(duì)以上成果進(jìn)行制作,形成互花米草分布區(qū)域的可見圖件。

1.4 互花米草化學(xué)治理依據(jù)前期衛(wèi)星解析資料和無(wú)人機(jī)正射測(cè)繪影像數(shù)據(jù),在日照市先篩選出具有代表性的互花米草入侵區(qū)域,然后綜合考察全市互花米草分布狀況、生態(tài)環(huán)境因素、潮汐條件及氣候要素等,選擇在嵐山區(qū)多島海風(fēng)景區(qū)東部港池(簡(jiǎn)稱多島海東港池)互花米草入侵區(qū)域進(jìn)行互花米草治理試驗(yàn)。根據(jù)之前研究資料表明,選用高效蓋草能對(duì)互花米草進(jìn)行滅殺效果最佳[20-21]。在試點(diǎn)區(qū)域開展互花米草化學(xué)治理藥物殘留檢測(cè)試驗(yàn)效果如下:分別在用藥后第1、2、4、7、11、20天采集區(qū)域內(nèi)沉積物、海水、擬蟹守螺屬(Cerithidea),進(jìn)行蓋草能中有效成分(氟吡甲禾靈)殘留量的檢測(cè),并開展底棲生物調(diào)查,檢測(cè)結(jié)果表明未對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)底棲生物種類密度產(chǎn)生顯著影響;氟吡甲禾靈殘留在沉積物、海水、擬蟹守螺屬中均未檢出。

根據(jù)噴灑區(qū)域的地理環(huán)境、潮汐規(guī)律、互花米草分布密度、株高、莖粗等要素,計(jì)劃進(jìn)行2次(6月25日和7月9日)無(wú)人機(jī)藥物噴灑作業(yè),噴灑作業(yè)選擇在試點(diǎn)區(qū)域退潮剛好露出全部植株時(shí)進(jìn)行,噴灑作業(yè)時(shí)互花米草植株高度為12～42 cm,多數(shù)植株高度在30 cm以上,適宜高效蓋草能藥效的發(fā)揮,噴灑藥劑后,保證植株在6 h內(nèi)不被潮水淹沒,確?；セ撞萑~面對(duì)藥劑的充分吸收。

1.5 數(shù)據(jù)處理以Berger-Parker優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)表示底棲生物的優(yōu)勢(shì)度:

D=Nmax/N

式中:Nmax為優(yōu)勢(shì)種的個(gè)體數(shù);N為群落中全部物種的個(gè)體數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 互花米草精細(xì)化測(cè)繪正射飛行作業(yè)完成后,共獲得正射照片5 703張,經(jīng)過(guò)以上精確化測(cè)繪共得到13組工作圖件(圖2～7)。共計(jì)繪制圖斑490個(gè),并計(jì)算圖斑面積等信息,得出日照市互花米草覆蓋面積為53.439 6 hm2。其中東港區(qū)7.347 9 hm2,嵐山區(qū)20.012 3 hm2,山海天旅游度假區(qū)22.473 7 hm2,經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)3.605 7 hm2。自與2020年9月衛(wèi)星解析結(jié)果相比,全市互花米草增長(zhǎng)率為1.607%。

圖2 白馬河上游(a)、下游(b)互花米草覆蓋范圍Fig.2 Coverage of Spartina alterniflora in the upper reach(a) and lower reach(b) of the White Horse River

圖3 兩城河口(a)及森林公園(b)互花米草覆蓋范圍Fig.3 Coverage of Spartina alterniflora in Hekou(a) and Forest Park(b) of Liangcheng City

圖4 傅疃河口南部互花米草覆蓋范圍Fig.4 Coverage of Spartina alterniflora in southern Futuan River estuary

圖5 劉家灣趕海園北區(qū)(a)、南區(qū)(b)互花米草覆蓋范圍Fig.5 Coverage of Spartina alterniflora in the north area(a) and south area(b) of the Liujiawan Ganhai Park

圖6 繡針河口上(a)、下游(b)互花米草覆蓋面積Fig.6 Coverage of Spartina alterniflora in the upper reach(a) and lower reach(b) of the Embroidery Estuary

圖7 小海河、多島海互花米草覆蓋范圍Fig.7 Coverage of Spartina alterniflora in the Xiaohai River and the Duodao Sea

2.2 互花米草試點(diǎn)區(qū)域化學(xué)治理效能對(duì)互花米草試點(diǎn)治理區(qū)域的治理效果進(jìn)行總體評(píng)價(jià),經(jīng)過(guò)無(wú)人機(jī)正射測(cè)繪計(jì)算,試點(diǎn)區(qū)域治理前2021年6月8日測(cè)繪互花米草覆蓋面積為2.720 0 hm2,用化學(xué)法經(jīng)2次無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)后,2021年8月11日測(cè)繪互花米草覆蓋面積為0.046 2 hm2,試點(diǎn)治理區(qū)域互花米草治理滅殺效果達(dá)到98.3%(圖8);2021年11月17日測(cè)繪互花米草覆蓋面積為0.011 2 hm2,試點(diǎn)治理區(qū)域互花米草治理滅殺效果達(dá)到99.6%(圖9),治理效果明顯,試點(diǎn)區(qū)域大片互花米草均呈現(xiàn)枯黃狀態(tài)。

圖8 試點(diǎn)治理前、中期治理效果對(duì)比Fig.8 Comparison of effects before and during pilot governance

圖9 試點(diǎn)治理完成后效果Fig.9 Effect after the completion of pilot governance

2.3 化學(xué)治理對(duì)底棲生物的影響

2.3.1化學(xué)治理對(duì)底棲生物種群密度、生物量及優(yōu)勢(shì)種的影響。在試點(diǎn)治理區(qū)域,分別在噴灑作業(yè)前(治理前期)、噴灑作業(yè)間隔期間(治理中期)、噴灑作業(yè)完成后(治理后期)共進(jìn)行了3個(gè)航次潮間帶調(diào)查到的所有底棲動(dòng)物密度、生物量、優(yōu)勢(shì)種及優(yōu)勢(shì)度調(diào)查統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖10、11所示。

圖11 試點(diǎn)治理各階段底棲生物優(yōu)勢(shì)種及優(yōu)勢(shì)度對(duì)比Fig.11 Comparison of dominant benthic species and their dominance in each stage of pilot management

通過(guò)分析數(shù)據(jù)得出試點(diǎn)治理區(qū)域一些優(yōu)勢(shì)種的密度、生物量、優(yōu)勢(shì)度都呈上升趨勢(shì),其中日本刺沙蠶(Neanthesjaponica)、淺古銅吻沙蠶(Glycerasubaenea)、菲律賓蛤仔(Ruditapesphilippinarum)、鴨嘴海豆芽(Lingulaanatina)等生物的密度分布相對(duì)較好,未見明顯異常,種群結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定,未有明顯變化,并且有趨好的現(xiàn)象。在試點(diǎn)治理各期,底棲生物的物種密度和生物量略有降低,但并未對(duì)試點(diǎn)區(qū)域內(nèi)底棲生物類群產(chǎn)生顯著影響。

2.3.2化學(xué)治理對(duì)底棲生物群落多樣性的影響。在試點(diǎn)治理區(qū)域,分別在噴灑作業(yè)前(治理前期)、噴灑作業(yè)間隔期間(治理中期)、噴灑作業(yè)完成后(治理后期)共進(jìn)行了3個(gè)航次潮間帶底棲動(dòng)物群落多樣性分析,結(jié)果如圖12所示。

圖12 試點(diǎn)治理各階段底棲生物群落多樣性Fig.12 Diversity indices of benthic community at each stage of pilot management

通過(guò)綜合性指數(shù)結(jié)果比較可知,治理前、中、后期底棲生物各種綜合性指數(shù)相對(duì)略有上升,其中豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)上升明顯,進(jìn)一步說(shuō)明該治理方法未對(duì)周圍底棲生物生態(tài)環(huán)境造成影響和擾動(dòng),保證了生物的生態(tài)質(zhì)量。同時(shí),在試點(diǎn)治理區(qū)域跟蹤監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn),該區(qū)域出現(xiàn)的海鳥種類和數(shù)量都有所增加,其中白鷺出現(xiàn)的頻率和數(shù)量最多?？傮w來(lái)說(shuō),該試點(diǎn)區(qū)域的底棲生物治理前后未見明顯差異。

為有效防范互花米草繼續(xù)擴(kuò)散,力爭(zhēng)盡快消除,切實(shí)保護(hù)濱海濕地生態(tài)系統(tǒng),以2021年無(wú)人機(jī)正射測(cè)繪的互花米草圖斑位置和覆蓋面積為參考,對(duì)前期互花米草空間分布進(jìn)行無(wú)人機(jī)正射監(jiān)測(cè),結(jié)合正射結(jié)果對(duì)所有沿海區(qū)的互花米草進(jìn)行了摸底調(diào)查,截至2021年6月8日,通過(guò)無(wú)人機(jī)正射測(cè)算出日照市互花米草面積約為53.439 6 hm2(表1)。

表1 2021年日照市沿海各區(qū)互花米草治理完成情況

3 討論

無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicle,UAV)最早出現(xiàn)在1917年,作為一種自帶動(dòng)力、方便操控、適應(yīng)多種環(huán)境、快速處理數(shù)據(jù)信息的飛行器[22]。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展以及各種體積小、重量輕、探測(cè)精度高的新型傳感器的更新?lián)Q代層出不窮,無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的不斷升級(jí),其應(yīng)用范圍和領(lǐng)域也在不斷拓寬[23]。研究表明,正射影像圖還可以為資源開采監(jiān)管提供相關(guān)服務(wù),有效提升工程測(cè)繪效率,減少人工測(cè)繪弊端[24-25],還有研究對(duì)黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的互花米草進(jìn)行無(wú)人機(jī)高光譜影像的相關(guān)監(jiān)測(cè)后進(jìn)行圖像拼接處理并提取互花米草信息,從而繪制出黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)互花米草分布圖,進(jìn)而能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)互花米草的時(shí)空分布[26]。由于絕大多數(shù)互花米草的防控防治研究都是基于小范圍的試點(diǎn)監(jiān)測(cè)研究,而建立數(shù)模一直以來(lái)被用作描述生物入侵的有力工具[27],但由于缺少包含對(duì)不確定因素的把控而未能開展廣泛應(yīng)用。采用無(wú)人機(jī)開展不同時(shí)相的遙感監(jiān)測(cè)可以更加精細(xì)化地捕捉到互花米草的空間分布及動(dòng)態(tài)擴(kuò)張,從而為其治理提供有效的技術(shù)支撐。

互花米草作為我國(guó)危害最嚴(yán)重的外來(lái)入侵植物之一,已經(jīng)嚴(yán)重威脅了濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)。而大型底棲生物類群是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,對(duì)周圍環(huán)境變化十分敏感,由于互花米草入侵一定程度上改變濕地土壤底泥的理化性質(zhì),在初期會(huì)提升土壤中的有機(jī)質(zhì)含量而促進(jìn)多毛類動(dòng)物(如須鰓蟲Cirriformiatentaculata)生長(zhǎng),這與仇樂等[28]的結(jié)論類似。但伴隨著其驚人的種群擴(kuò)散速率,在擠占多重生態(tài)位并與當(dāng)?shù)氐脑参锶郝涓?jìng)爭(zhēng)光與養(yǎng)分,從而逐步取代原生植物群落[29]。同時(shí)貝類等運(yùn)動(dòng)能力差的軟體動(dòng)物由于互花米草的密集分布使得活動(dòng)空間受限,甚至?xí)舷⑺劳?進(jìn)而造成濕地魚類和鳥類的食物資源銳減,最終導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性下降。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已探索出多種互花米草的防治方法,但仍需要因地制宜地選擇適合的方法,有研究表明化學(xué)防治方法一般具有較好的清除效果,也有研究表明化學(xué)藥劑在水體環(huán)境中會(huì)被迅速降解[30],因而在試點(diǎn)區(qū)域?qū)χ車练e物、海水及貝類生物體內(nèi)并未檢測(cè)出藥物殘留。同時(shí)由于互花米草的生長(zhǎng)環(huán)境位于比較開闊的潮間帶區(qū)域,短期內(nèi)可能會(huì)對(duì)某些底棲生物產(chǎn)生毒害,但隨著海水的不斷沖刷,底棲生物的密度和生物量不斷恢復(fù),其多樣性和豐富度甚至略有提升,這與謝志發(fā)等[31]的研究結(jié)論相近。由于該研究?jī)H反映日照市一個(gè)年度的互花米草入侵對(duì)底棲生態(tài)系統(tǒng)的影響,還需要從更大的時(shí)間跨度上繼續(xù)開展定時(shí)定點(diǎn)的長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

通過(guò)比較互花米草試點(diǎn)治理前后的效果圖,可以看出互花米草覆蓋面積由治理前的2.720 0 hm2減少至0.011 2 hm2,治理效果十分顯著。為有效防范互花米草繼續(xù)擴(kuò)散,力爭(zhēng)盡快消除,切實(shí)保護(hù)濱海濕地生態(tài)系統(tǒng),以2021年無(wú)人機(jī)正射測(cè)繪的互花米草圖斑位置和覆蓋面積為參考,先后在日照沿海各區(qū)(東港區(qū)、開發(fā)區(qū)、山海天旅游度假區(qū)和嵐山區(qū))對(duì)前期互花米草空間分布進(jìn)行無(wú)人機(jī)正射監(jiān)測(cè),并對(duì)所有沿海區(qū)的互花米草進(jìn)行了摸底調(diào)查,截至2021年6月8日,通過(guò)無(wú)人機(jī)正射測(cè)算出日照市互花米草面積約為53.439 6 hm2。經(jīng)過(guò)沿海各區(qū)采用化學(xué)方法治理后,11月中旬進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)收發(fā)現(xiàn),日照市互花米草現(xiàn)存面積約為1.305 4 hm2,治理完成度約為97.6%,達(dá)到預(yù)期治理目標(biāo),基本消除了日照市互花米草存量,也為治理互花米草提供了借鑒經(jīng)驗(yàn),填補(bǔ)了化學(xué)方法對(duì)底棲生態(tài)系統(tǒng)影響的研究空白。