濱海濕地生態(tài)修復區(qū)土壤鹽分時空變異性研究

姜軍成,紀殿勝,劉文全,遲永祥,王小清,樊曉杰,韓偉濤

(1.國家海洋局煙臺海洋環(huán)境監(jiān)測中心站,山東煙臺 264003;2.自然資源部第一海洋研究所,山東青島 266061;3.濰坊市海洋發(fā)展研究院,山東濰坊 261100)

濱海濕地處于陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的交錯過渡地帶,是地球上生產(chǎn)力最高、生物多樣性最豐富的生態(tài)系統(tǒng)之一,具有抵御海洋災害、涵養(yǎng)水源,保護岸線、調(diào)節(jié)氣候、保護生物多樣性等重要生態(tài)系統(tǒng)功能服務[1]。近年來,隨著圍填海、近岸漁業(yè)養(yǎng)殖和陸源污染物排海等人類活動的增多,以及風暴潮、海平面上升等氣候災害頻發(fā),使得濱海濕地面積急劇減少。據(jù)統(tǒng)計,全球約80%的濱海濕地資源喪失或功能退化,而在過去的50年中,我國已損失了53%的溫帶濱海濕地,濕地生態(tài)系統(tǒng)面臨前所未有的挑戰(zhàn)[2]。因此,開展退化濱海濕地的生態(tài)系統(tǒng)修復已成為維持濱海區(qū)域生態(tài)安全、促進濱海生態(tài)經(jīng)濟區(qū)高效建設和健康發(fā)展的重要舉措。

隨著對濱海濕地生態(tài)服務功能認識的提升,各國政府加強了對濱海濕地保護與管理,退化濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的恢復與重建也由此成為國際關注的熱點。國外在濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復研究方面起步較早,積累了較多的濱海濕地保護和修復的技術和方法。我國濱海濕地面臨的面積銳減、生態(tài)功能退化等嚴峻問題也得到國家層面的高度重視,先后出臺了《關于加強濱海濕地保護嚴格管控圍填海的通知》和《渤海綜合治理攻堅戰(zhàn)行動計劃》等一系列法律法規(guī)、政策、規(guī)劃等文件,這對恢復濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力,建立濱海濕地保護長效機制具有重要的指導意義。對生態(tài)修復來說,生態(tài)系統(tǒng)完整性以及生態(tài)修復的長期性至關重要。生態(tài)修復過程前后的原位監(jiān)測與精準評估也是必要的,可以確保修復工程的目標得以實現(xiàn),并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進行修復措施適應性優(yōu)化調(diào)整。

土壤作為濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組分,是濱海濕地生物的基質(zhì)和載體,也是濱海濕地生物地球化學循環(huán)的中介[3]。土壤鹽分是濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要影響因子,對植被發(fā)育、物質(zhì)循環(huán)和土壤微生物多樣性等具有重要影響作用。開展濱海濕地修復區(qū)土壤鹽分的空間分析研究,掌握土壤鹽分時空變化規(guī)律,是評估修復技術措施的前提,對濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。研究表明,地統(tǒng)計學是研究濱海濕地土壤屬性時空變異性的有效方法[4]。楊帆等[5]運用經(jīng)典統(tǒng)計學和地統(tǒng)計學相結(jié)合的方法研究了退化濕地土體電導率、鹽分含量、pH和鈉吸附比的空間變異特征。姚榮江等[6]采用三維克里格和隨機模擬方法對蘇北海涂區(qū)的土體鹽分含量的三維空間分布進行了估值、模擬與對比分析。Chi等[7]利用多因子回歸、偏最小二乘回歸和反距離插值法研究了濱海濕地表層土壤鹽分的時空變化特征并對評價精度進行對比分析。該研究以渤海綜合治理攻堅戰(zhàn)山東省濰坊市濱海濕地生態(tài)修復區(qū)典型地塊為例,利用傳統(tǒng)統(tǒng)計學和地統(tǒng)計學相結(jié)合的方法進行修復工程前、中、后不同時期濱海濕地土壤鹽分空間分布研究,探討土壤含鹽量變化對生態(tài)修復工程的響應,研究結(jié)果對評估濱海濕地生態(tài)修復工程措施的有效性及濱海濕地的立地土壤管理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況研究區(qū)位于山東省濰坊市濱海旅游度假區(qū)北端,渤海路東側(cè),修復區(qū)總面積120 hm2(圖1)。該區(qū)屬暖溫帶半濕潤東亞季風區(qū)季風氣候,四季明顯,春季風大干燥,易旱,夏季高溫多雨,間有旱災,秋季溫和涼爽,季末易干旱,冬季干冷,雨雪稀少;年平均溫度為13.0 ℃,年平均降水量為595 mm,年平均蒸發(fā)量1 859.4 mm,平均蒸降比超過3.0。土壤類型為粉砂壤土,研究區(qū)原為圍填海區(qū)域,西北部長有稀疏檉柳、堿蓬等耐鹽植被,約占研究區(qū)總面積的1/3,東北—西南中間線兩側(cè)區(qū)域為光板地,其他區(qū)域為海水覆蓋。2020年7月開始進行生態(tài)修復工程,排干區(qū)內(nèi)海水,對整個研究區(qū)實施高填深挖工程措施,由北向南開挖深溝,形成若干寬為4 m左右的條形臺地,臺地上種植鹽松、檉柳等耐鹽木本植物。

1.2 土壤采樣為了獲取研究區(qū)不同時期濱海濕地土壤鹽分空間分布特征,表層土壤采樣點均勻地分布于整個研究區(qū),在ArcGIS10.2軟件中確定所有采樣點,并記錄每個采樣點的坐標,便于現(xiàn)場采樣。共布設表層土壤采樣點27個,采樣深度為0～20 cm。在現(xiàn)場采樣過程中用差分GPS確定每個采樣點的位置。表層土壤采樣時間分為3次,分別為2020年6月中旬、10月下旬和11月下旬,這3個時期分別對應研究區(qū)生態(tài)修復工程的前期、中期和后期,共采集濱海濕地土壤樣品81個。

1.3 樣品分析與處理所有現(xiàn)場采集濱海濕地表層土壤樣品密封后帶回實驗室,室內(nèi)自然風干、磨碎后過2 mm篩后備用。所有土樣均制備1∶5土水比浸提液。表層土壤含鹽量采用重量法測定,表層土壤電導率采用電極法測定,表層土壤pH則利用PHS-3C型酸度計測定,具體測量方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[8]。

1.4 地統(tǒng)計分析地統(tǒng)計學是統(tǒng)計學的一個分支,側(cè)重于時空數(shù)據(jù)集。該方法不僅能有效提示屬性變量在空間上的分布變異特征,而且能有效解釋空間格局對生態(tài)過程與功能的影響[9]。Isaaks等[10]詳細描述了地統(tǒng)計學的理論基礎,地統(tǒng)計學的核心是半方差函數(shù),它表達了相近觀測之間的空間依賴性[10]。半方差函數(shù)可以定義為所有被滯后距離(h)分隔的點屬性值之差的方差的二分之一,如下所示:

(1)

式中:r(h)為變異函數(shù);h為步長,即樣點空間間隔距離;N(h)為抽樣間隔為h時的點對數(shù);Z(xi)和Z(xi+h)分別是變量在空間位置xi和xi+h上的取值。

1.5 數(shù)據(jù)處理利用SPSS 21.0軟件進行數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計分析、正態(tài)性檢驗及相關分析。半方差函數(shù)計算在GS+10.0軟件中進行,研究區(qū)矢量化及采樣點繪制在ArcGIS10.2軟件中完成,利用ArcGIS10.2軟件中的地統(tǒng)計分析模塊完成研究區(qū)不同時期生態(tài)修復區(qū)土壤鹽分的空間插值分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 濱海濕地表層土壤屬性的描述性統(tǒng)計分析表1為研究區(qū)不同時期濱海濕地表層土壤含鹽量、有機質(zhì)含量和pH的描述性統(tǒng)計分析特征值。由表1可以看出,不同時期表層土壤含鹽量普遍很高,修復工程前、中、后期表層土壤平均含鹽量分別高達38.43、33.68和28.58 g/kg。按照王遵親等[11]土壤鹽化分級標準(濱海地區(qū)),3個時期的表層土壤含鹽量均為鹽土水平。從不同時期濱海濕地表層土壤含鹽量的變幅來看,變幅均較大,最大變幅達到75.6 g/kg,表層土壤電導率表現(xiàn)出與含鹽量相同的變化趨勢。從整個研究來看,表層土壤含鹽量與電導率處于高值水平,不同時期表現(xiàn)出一定的差異性,修復工程前、中、后3個時期表層土壤含鹽量逐漸降低,一定程度上說明修復工程措施是合理和有效的。從pH均值來看,不同時期表層土壤pH變化不大,但數(shù)值均超過8.5,按照土壤酸堿度劃分等級標準,屬于強堿性。變異系數(shù)CV反映的是表層土壤屬性數(shù)據(jù)的離散程度,CV<10%表示弱變異性,10%≤CV≤100%表示具有中等變異性,CV>100%則表示具有強變異性[12]。從表1可以看出,除pH的變異系數(shù)屬于弱變異性外,表層土壤含鹽量與電導率均屬于中等變異性。對各表層土壤屬性數(shù)據(jù)采用Kolmogorov-Smirnov(K-S)正態(tài)性檢驗(P<0.05,雙尾),結(jié)果表明所有表層土壤屬性的原始數(shù)據(jù)均符合標準正態(tài)分布,滿足進行地統(tǒng)計學分析的平穩(wěn)性條件。

表1 濱海濕地表層土壤屬性的描述性統(tǒng)計特征值Table 1 Descriptive statistics of the measured soil attributes

2.2 濱海濕地表層土壤含鹽量與電導率的相關性分析相關分析是處理變量與變量之間關系的一種統(tǒng)計方法,該方法已廣泛應用于社會科學和自然科學等相關領域。線性回歸是研究土壤鹽分含量與飽和浸提液電導率關系的經(jīng)典方法。研究表明,土壤含鹽量與電導率存在正相關關系[13]。該研究對不同時期濱海濕地表層土壤含鹽量與電導率進行了相關分析(圖2),結(jié)果表明,不同時期的表層土壤含鹽量與電導率呈正相關關系,r2均超過0.94,與前人的研究結(jié)果一致。工程修復前、中、后3個時期的濱海濕地表層土壤含鹽量與電導率相關分析圖在趨勢和結(jié)構(gòu)上基本一致,為了更好地反

注:a、b、c分別代表前、中、后時期,d代表3個時期的所有點。Note:a,b,c represent early stage,middle stage and later stage respectively,and d represent all points in three periods.圖2 土壤含鹽量與電導率的散點圖Fig.2 Scatter plot of soil salt content and electrical conductivity

映濱海濕地表層土壤含鹽量與電導率的關系,將3個時期所有采樣點的數(shù)據(jù)進行了相關分析,得到了二者的關系公式,對未測定濱海濕地表層土壤含鹽量的樣品,其含鹽量可由浸提液電導率ECe經(jīng)方程換算得到。

2.3 濱海濕地表層土壤屬性的空間分析半方差函數(shù)的計算一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)或近似正態(tài)分布,否則可能存在比例效應[14],從上文分析可知,所有表層土壤屬性數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布,已滿足地統(tǒng)計學分析的要求。半方差函數(shù)理論模型及參數(shù)的確定可參考有關文獻[15],根據(jù)半方差函數(shù)理論及計算模型得表2。由表2可看出,不同時期濱海濕地表層土壤屬性的半方差理論模型均符合高斯模型。

表2 濱海濕地表層土壤屬性的半方差模型及其參數(shù)Table 2 Semivariance models and parameters of surface soil attributes in coastal wetlands

塊金值(Co)是一種隨機變化,通常是由于測量誤差或在樣本范圍內(nèi)無法檢測到的特性變化造成的,較大的塊金方差值表明較小尺度上的某些過程不容忽視[16]?；_值(Co+C)表示總樣本變異性,塊金值與基臺值的比值是一個特別重要的參數(shù),它反映了表層土壤性質(zhì)的空間依賴性,通常以百分比表示。如果百分比<25%表明該變量具有很強的空間相關性;百分比在25%～75%之間,表明該變量具有中度的空間相關性;如果百分比>75%,則說明當前采樣分辨率的空間相關性較弱[17]。此外,如果最佳擬合半方差函數(shù)模型的r2<0.5,則認為空間依賴性較弱。表2顯示不同時期濱海濕地表層土壤屬性的塊基比均<25%,且同一土壤屬性不同時期的塊基比之間變化很小,可見,表層土壤各屬性均表現(xiàn)為很強的空間相關性。這說明表層土壤各屬性的空間分布主要受結(jié)構(gòu)性因素(如氣候、母質(zhì)、地形等)作用影響。最優(yōu)擬合模型應為決定系數(shù)(r2)接近于1,且殘差平方和(RSS)接近于0,可以看出所有表層土壤屬性的擬合模型結(jié)果均符合這個要求。因此,可依據(jù)表2中得到的半方差函數(shù)參數(shù)進行克里格插值,生成表層土壤屬性的空間分布圖。

2.4 濱海濕地表層土壤鹽分的Kriging插值了解濱海濕地表層土壤屬性的空間分布情況對于評估濱海濕地修復區(qū)的修復效果和濱海濕地管理具有重要意義。筆者引入普通克里格法預測不同時期表層土壤鹽分的空間分布特征?？死锔穹ň哂锌臻g插值的平滑效應,平滑效應有助于識別總體空間格局,減少局部變化和隨機誤差的負面影響。圖3為不同時期濱海濕地表層土壤鹽分的空間分布圖。從圖3可以看出,不同時期的表層土壤鹽分在空間上呈條帶狀分布,表層土壤含鹽量由西北部向東南部逐步遞增,其中以南部含鹽量最高。這是由于整個研究區(qū)西北部為稀疏檉柳林區(qū)域,雖然原為圍填海區(qū)域,但經(jīng)過多年的雨水淋洗,導致鹽分下降,同時西北部地勢明顯高于東南部,地表徑流帶走部分鹽分使得土壤含鹽量較低,二者共同作用導致西北部土壤鹽分含量較低,而東南部和南部區(qū)域為海水覆蓋區(qū)域,雖然經(jīng)過后期工程修復,但總體含鹽量要高于西北部。從不同時期表層土壤鹽分含量的變化來看,工程修復的中、后期濱海濕地表層土壤鹽分含量逐漸下降,尤其以南部和東南部表層土壤鹽分含量下降明顯,這也說明該區(qū)域的工程修復措施(如高填深挖、灌溉等)起到了降鹽的效果。

3 討論

濱海濕地的生態(tài)修復是以生態(tài)原則為基礎,利用生態(tài)技術或生態(tài)工程來恢復和重建處于不健康發(fā)展狀態(tài)或嚴重退化狀態(tài)的濱海濕地,使其生態(tài)功能得到最大限度提升[18]。濱海濕地生態(tài)修復是一個長期的過程,目前常使用的濱海生態(tài)修復技術包括微生物修復和植物修復,其中植物修復方法簡單易行,成本低廉,修復生態(tài)的同時還能呈現(xiàn)良好的景觀效果[19]。濱海濕地生態(tài)修復的關鍵是植物群落的營建與生態(tài)系統(tǒng)的恢復,面臨的主要障礙因素則是土壤中含鹽量高。

研究表明,在相同條件下,地形上處于較高部位的土壤淋溶作用較強,土壤中鹽分離子易淋失[17]。從研究區(qū)的工程修復措施實施來看,工程主要是高填深挖,抬高修復植被種植的地面高度,同時兩側(cè)開挖深溝,加上后期的灌溉措施,便于土壤鹽分從土體兩側(cè)的溝渠中淋洗出來。而從該文的研究結(jié)果來看,也說明了該工程修復措施有效降低了表層土壤中的含鹽量,使鹽分逐漸向下層土壤中運移。生態(tài)修復區(qū)經(jīng)過工程修復后,區(qū)域景觀較為統(tǒng)一,南側(cè)濕地植被生境得到有效恢復。同時,從該文的研究結(jié)果來看,雖然經(jīng)過了半年時間的修復,表層土壤鹽分下降幅度較大,但土壤含鹽量依然處在較高水平,這一方面與原來的土地利用方式有關,另一方面是因為修復的時間較短,需要根據(jù)修復效果完善相關修復措施,并制定相應濱海濕地保護對策,加快濱海濕地的恢復與保護進程。

另外,雖然生態(tài)修復有效地遏制了濱海濕地的退化,但也相應改變了原有的土地覆被方式,而這種土地利用方式的改變是否會影響生態(tài)修復區(qū)及周邊區(qū)域的植被、大氣、水文和生物多樣性等環(huán)境要素[20],還需要進一步加強研究和生態(tài)監(jiān)測。

圖4 研究區(qū)修復前后效果對比Fig.4 Comparison of effect before and after restoration in the study area

4 結(jié)論

濱海濕地退化產(chǎn)生的諸多生態(tài)負效應不容忽視,生態(tài)修復是一種切實可行并行之有效的措施。生態(tài)修復工程的實施及其效果,均需要事中事后的監(jiān)測與評估,方能體現(xiàn)其適用性和有效性。該研究基于現(xiàn)場原位采樣和室內(nèi)分析數(shù)據(jù)研究了生態(tài)修復工程實施前、中、后期濱海濕地表層土壤鹽分的時空變化特征,得到如下結(jié)論:

(1)研究區(qū)不同時期濱海濕地表層土壤含鹽量均很高,變幅較大,表層土壤含鹽量前期>中期>后期;不同時期表層土壤pH均超過8.5,具有強堿性;pH的變異系數(shù)屬于弱變異,而表層土壤含鹽量與電導率均屬于中等變異。相關分析結(jié)果表明,表層土壤含鹽量與電導率存在很好的線性關系。

(2)空間分析的結(jié)果表明,不同時期濱海濕地表層土壤各屬性空間分布均符合高斯模型;不同時期濱海濕地表層土壤各屬性的塊基比均<25%,表現(xiàn)為很強的空間相關性。

(3)在空間分布上不同時期的濱海濕地表層土壤鹽分呈條帶狀分布,表層土壤含鹽量東南部明顯高于西北部,尤其以南部含鹽量最高。

綜上所述,通過科學實施生態(tài)修復工程,能夠有效降低濱海濕地表層土壤中的鹽分含量,進而提高濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性,使其繼續(xù)發(fā)揮調(diào)節(jié)氣候、維持生物多樣性、資源供給等生態(tài)系統(tǒng)服務功能,同時起到濱海濕地生態(tài)修復的示范效應。在未來工作中,應積極探索濱海濕地生態(tài)修復新模式,重視和保護濱海濕地資源,推進濱海濕地生態(tài)建設的可持續(xù)性。