生態(tài)修復后南通市老壩港圍墾區(qū)大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)的變化及其影響因素

張 剛,歐陽凱,萬凱超,吉 萌,張家林,張繼武,張明明,付 強*

(1.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局地球化學勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇南京 210007;2.鹽城工學院,江蘇鹽城 224053)

灘涂作為陸地與海洋兩大生態(tài)系統(tǒng)的交錯帶,不僅蘊藏著豐富的海洋和濕地資源,還是重要的土地和空間資源儲備,提供了包括碳匯、凈化、調(diào)節(jié)氣候、容納營養(yǎng)鹽、分解污染物以及作為水生生物的棲息地、繁殖區(qū)和候鳥遷徙越冬地等一系列重要的生態(tài)系統(tǒng)服務功能[1]。目前我國多數(shù)灘涂生境質(zhì)量面臨巨大的環(huán)境壓力,出現(xiàn)了灘涂生物棲息地改變或喪失、生物多樣性銳減、底質(zhì)環(huán)境惡化等一系列功能退化現(xiàn)象[2],因此,開展圍墾區(qū)灘涂生態(tài)系統(tǒng)保護和修復,恢復圍墾區(qū)灘涂原有的生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能具有十分重要的現(xiàn)實意義。

灘涂生物群落既反映了灘涂生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況,也是生態(tài)系統(tǒng)維持穩(wěn)定平衡的必要條件。大型底棲動物是灘涂生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)類群,具有促進有機質(zhì)分解、污染物代謝、能量流轉(zhuǎn)和加速自凈過程等作用[3-4]。由于大部分底棲動物具有移動性差、生活周期長的特點,其群落結(jié)構(gòu)和多樣性特征可用于表征灘涂環(huán)境質(zhì)量的變化情況,并對灘涂濕地生態(tài)系統(tǒng)具有一定的指示作用[5-6]。

江蘇省南通市海安縣老壩港海域處于輻射沙洲群中心,長期以來岸外灘涂不斷淤高加寬,屬于典型的淤泥質(zhì)海岸濕地。自20世紀90年代以來,該海域進行了一系列圍墾養(yǎng)殖和造陸活動,自然岸線人工化,原海域的生態(tài)環(huán)境發(fā)生明顯改變。該研究所調(diào)查的區(qū)域位于老壩港圍墾區(qū)的新墾閘附近,于2020年開展了微地形改造和鹽堿植被種植的生態(tài)修復工程,為評估老壩港圍墾區(qū)的生態(tài)修復效果,于修復前后對區(qū)域內(nèi)底棲生物狀況進行了調(diào)查,對底棲生物種類組成、群落結(jié)構(gòu)及其生態(tài)群落多樣性等進行了分析,為海域灘涂濕地保護和制定生態(tài)保護規(guī)劃等提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況新墾閘是老壩港新區(qū)實施圍填海后新建的通海水閘,主要用于調(diào)節(jié)堤內(nèi)水位的泄洪通道。于2020年4月在海安市老壩港新墾閘附近濱海濕地圍墾區(qū)進行微地形改造和翅堿蓬種植的生態(tài)修復工程。首先,通過抬高近岸灘涂高程,開挖土方堆填近岸30 m淺灘堤角處,堆高形成6 個生境島,在生境島內(nèi)采取人工撒播的方式種植翅堿蓬。分別于修復前(2019年11月)和修復后(2020年11月)先后2次對江蘇省南通市老壩港新墾閘濕地修復區(qū)進行潮間帶底質(zhì)和大型底棲動物調(diào)查,以評估該修復工程的生態(tài)保護效果。根據(jù)老壩港圍墾區(qū)特征,按照建設項目對海洋生物資源影響評價技術規(guī)程要求,在排污口中心及兩側(cè)附近海區(qū)設置5個調(diào)查斷面。每個斷面各設高潮區(qū)、中潮區(qū)、低潮區(qū)3個站位,共計15個站位,具體調(diào)查區(qū)域及站位設置見圖1。

圖1 采樣點分布Fig.1 Sampling point distribution

1.3 統(tǒng)計分析采用優(yōu)勢度指數(shù)(Y)確定老壩港圍墾區(qū)的大型底棲動物優(yōu)勢物種;采用底棲動物的密度(個/m2)和生物量(g/m2)來表征底棲動物的數(shù)量特征;采用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)來分析底棲動物的多樣性特征。各主要指數(shù)的計算公式如下:

(1)

J=H′/log2S

(2)

D=(S-1)/log2N

(3)

Y=Ai×Fi

(4)

式中:S為采泥樣品中的種類總數(shù);Pi為物種i的個體數(shù)占總個體數(shù)的比例;N為采泥樣品中所有種類的總個體數(shù);Ai為相對豐度;Fi為物種i出現(xiàn)的頻率。

運用單因素方差分析(One-way ANOVA)來檢驗底棲動物群落特征差異的顯著性,采用Duncan’s 多重比較檢驗組間差異。采用Pearson皮爾遜相關分析來檢驗底棲動物密度、生物量及多樣性指數(shù)與主要環(huán)境因子的相關性,并采用CANOCO 5 軟件進行冗余分析(RDA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水體和表層沉積物質(zhì)量調(diào)查對修復前后新墾閘區(qū)域的水體水質(zhì)進行比較分析,如表1所示,修復前后水體中DO和CODMn差異不顯著(P>0.05),總體上修復后水體中DO含量比修復前略低,而CODMn比修復前略高。與修復前相比,水體中NO3-N含量呈顯著下降趨勢(P<0.05),NO3-N含量由5.48 mg/L下降為0.26 mg/L。NH4+-N含量呈顯著上升趨勢(P<0.05),NH4+-N含量由6.04 μg/L上升為100.43 μg/L。修復后水體中TP含量顯著上升(P<0.05),TP含量由5.25 μg/L上升為85.47 μg/L。進一步比較修復前后表層沉積物中常見重金屬含量,結(jié)果顯示(表2),修復后沉積物中Cr含量呈上升趨勢,修復前沉積物Cr含量為54.20 mg/kg,而修復后沉積物Cr含量為66 .56 mg/kg;除Cr外,修復后表層沉積物中Cu、Pb、Zn、As含量均有所下降,均未超過海洋沉積物質(zhì)量I類標準。綜合來看,修復后新墾閘濕地水質(zhì)和沉積物質(zhì)量整體好于修復前。

表1 水體水質(zhì)調(diào)查結(jié)果Table 1 Survey results of water quality

表2 表層沉積物中重金屬含量調(diào)查結(jié)果Table 2 Survey results of heavy metal content in the surface sediment 單位:mg/kg

2.2 大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)分析底棲動物種類的調(diào)查結(jié)果顯示,2次調(diào)查共采集到大型底棲動物16種,包括節(jié)肢動物、環(huán)節(jié)動物和軟體動物三大類群,群落結(jié)構(gòu)相對簡單。如表3所示,修復前潮間帶5個斷面共鑒定到大型底棲動物6種,其中軟體動物種類最多,環(huán)節(jié)動物和節(jié)肢動物次之。經(jīng)生態(tài)修復后,潮間帶大型底棲動物的種類數(shù)有明顯上升趨勢,共鑒定到大型底棲動物16種,其中軟體動物的種類最多,環(huán)節(jié)動物和節(jié)肢動物次之,紐形動物和脊索動物種類較少。

從表3可以看出,修復前后大型底棲動物的優(yōu)勢種類表現(xiàn)出一定的差異性,修復前該區(qū)域底棲動物群落主要為底上附著型和底內(nèi)潛穴型,主要優(yōu)勢種為中間擬濱螺、雙齒圍沙蠶;修復后群落結(jié)構(gòu)由底上附著型、底內(nèi)潛穴型和穴居型生物組成,主要優(yōu)勢種為中間擬濱螺、雙齒圍沙蠶、尖錐擬蟹守螺和沈氏厚蟹。

表3 老壩港圍墾區(qū)修復前后大型底棲動物物種組成及優(yōu)勢度Table 3 Species composition and dominance of macrobenthos in the restoration area of Laoba Port before and after restoration

2.3 大型底棲動物密度與生物量分析修復前老壩港圍墾區(qū)5個調(diào)查斷面大型底棲動物的棲息密度為368～792 個/m2,平均值為594 個/m2,其中水閘中部調(diào)查點S3和S4底泥中采集到大型底棲動物數(shù)量較多,以軟體動物中的中間擬賓螺和環(huán)節(jié)動物中的雙齒圍沙蠶占優(yōu)勢。與修復前相比,修復后大型底棲動物的棲息密度顯著降低(P<0.05),各位點底棲動物的棲息密度為36～70個/m2,平均值為54 個/m2,以中間擬濱螺為主。

如圖2所示,修復前后老壩港修復區(qū)5個調(diào)查斷面底棲動物生物量的變化與密度呈現(xiàn)相同的趨勢,修復前底棲動物平均生物量總體上顯著高于修復后(P<0.05)。修復前大型底棲動物生物量為140.54～280.63 g/m2,平均值為239.47 g/m2,最大值出現(xiàn)的區(qū)域在調(diào)查點S3(水閘中部),其中環(huán)節(jié)動物中的雙齒圍沙蠶的貢獻量較大。修復后大型底棲動物生物量為19.43～40.98 g/m2,平均值為31.41 g/m2,最大值出現(xiàn)的區(qū)域在調(diào)查點S1(閘口處),此調(diào)查點以環(huán)節(jié)動物中的雙齒圍沙蠶和節(jié)肢動物中的沈氏厚蟹貢獻量較大。

注:不同小寫字母表示同一斷面修復前后差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences before and after restoration of the same section (P<0.05).圖2 修復前后各斷面潮間帶大型底棲動物的棲息密度和生物量變化Fig.2 Changes of habitat density and biomass of macrobenthic animals in the intertidal zone of each section before and after restoration

2.4 大型底棲動物群落多樣性分析從圖3可以看出,修復前各站位底棲動物多樣性指數(shù)(H′)平均值為0.93,S5站位H′最高(1.17),S1站位H′最低(0.76)。與修復前相比,修復后大型底棲動物H′高于修復前(除S3站位),各站位底棲動物H′平均值為1.22,S1站位H′最高(1.45),S3站位H′最低(0.76)。

修復前各站位底棲動物Pielou 均勻度指數(shù)(J)平均值為0.265,S5站位J最高(0.29),S4站位J最低(0.22)。與修復前相比,修復后大型底棲動物J高于修復前(除S3站位),各站位底棲動物J平均值為0.42,S1站位J最高(0.49),S3站位J最低(0.25)。

修復前各站位底棲動物Margalef 豐富度指數(shù)(D)平均值為0.74,S5站位D最高(0.83),S1站位D最低(0.69)。與修復前相比,修復后底棲動物D高于修復前,各站位底棲動物D平均值為0.86,S1站位D最高(0.91),S3站位D最低(0.76)。

注:不同小寫字母表示同一斷面修復前后差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences before and after restoration of the same section (P<0.05).圖3 老壩港圍墾區(qū)修復前后底棲動物多樣性指數(shù)Fig.3 Diversity index of benthic animal before and after restoration in Laoba Port reclamation area

2.5 大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子相關性分析Pearson 相關性分析結(jié)果表明(表4),修復前區(qū)域內(nèi)各站位大型底棲動物的多樣性指數(shù)(H′)與表層沉積物Pb含量呈顯著負相關(P<0.05);豐富度指數(shù)(D)與各環(huán)境因子無顯著相關性(P>0.05);密度與表層沉積物Cu、Zn含量呈顯著負相關(P<0.05);生物量與表層沉積物Zn含量呈顯著負相關(P<0.05)。修復后區(qū)域內(nèi)各站位大型底棲動物的多樣性指數(shù)(H′)與水體中DO和NO3-N含量呈顯著正相關(P<0.05),與沉積物中Zn含量呈顯著負相關(P<0.05);生物量與水體中NO3-N含量和TP含量呈顯著正相關(P<0.05)。

表4 修復前后底棲動物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子Pearson 相關性分析Table 4 Pearson correlation analysis of macrobenthic community structure and environmental factors before and after restoration

修復前底棲動物群落密度和環(huán)境因子的RDA排序中(圖4a),沉積物As與沈氏厚蟹(H.tridens)呈正相關。沉積物Pb與中間擬濱螺(L.intermedia)呈正相關,水體DO、CODMn與雙齒圍沙蠶(P.aibuhitensis)呈正相關。由此可見,修復前老壩港大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子為水體中DO、CODMn含量和沉積物中As、Pb含量。

修復后底棲動物群落密度和環(huán)境因子的RDA排序中(圖4b),水體中DO與中間擬濱螺、紐蟲(Nemertinea)呈正相關,沉積物中As與沈氏厚蟹呈正相關,沉積物中Cu與寬身大眼蟹(M.dilatatum)、圓球股窗蟹(S.globosa)、雙齒圍沙蠶呈正相關,沉積物中Pb與長吻沙蠶(G.chirori)、刺沙蠶屬(Neanthessp.)呈正相關。由此可見,修復后影響老壩港修復區(qū)大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子為水體中DO含量及沉積物中Cu、As、Pb含量。

3 討論

3.1 生態(tài)修復對底棲動物群落結(jié)構(gòu)的影響此次調(diào)查區(qū)域所屬的南通市老壩港濱海濕地處于亞熱帶海洋季風氣候區(qū),雨水充沛,是典型的淤泥質(zhì)海岸濕地。根據(jù)歷史調(diào)查文獻可知,南通附近海域具有豐富的濱海濕地資源,底棲動物物種多樣性水平較高,屬于高生產(chǎn)力海域。如張虎等[7]調(diào)查了南通市大型海洋排污海區(qū)潮間帶底棲生物的潮間帶生物組成,共鑒定出了24種潮間帶生物,多于此次研究發(fā)現(xiàn)的16種。導致這一現(xiàn)象的原因可能有以下兩點:首先,前者調(diào)查的地理范圍比此次研究更加廣闊,所發(fā)現(xiàn)的物種數(shù)量也相應增多;此外,這可能與圍墾、造閘等一系列人為活動有關,長期的圍墾導致調(diào)查區(qū)域的生態(tài)環(huán)境受到嚴重破壞,底棲動物群落結(jié)構(gòu)也趨于簡單[8]。

圖4 老壩港圍墾修復區(qū)修復前(a)和修復后(b)冗余分析(RDA)結(jié)果Fig.4 Results of redundancy analysis (RDA) before (a) and after (b) restoration in the reclamation and restoration area of Laoba Port

底棲動物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的實質(zhì)是敏感種逐漸被耐受種取代的過程。該研究調(diào)查發(fā)現(xiàn),生態(tài)修復前后調(diào)查區(qū)域的底棲動物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化,主要表現(xiàn)為軟體動物和環(huán)節(jié)動物的優(yōu)勢地位降低,而節(jié)肢動物的優(yōu)勢地位明顯上升,其中,沈氏厚蟹的優(yōu)勢度明顯升高。大型底棲動物對生境具有一定的選擇性,這主要是由物種的生活型所決定的,厚蟹喜棲息于中、高潮帶海灘富含有機質(zhì)、硅藻等的生境,可通過掘穴和攝食對灘涂濕地表層土壤進行生物擾動,因此常成為受干擾系統(tǒng)恢復過程中的先鋒種類[9]。該研究中通過地形改造、翅堿蓬種植等修復工程恢復受損的泥質(zhì)海岸,為沈氏厚蟹等甲殼動物提供餌料和適宜的棲息環(huán)境。張虎等[7]對南通市大型海洋排污海區(qū)潮間帶進行調(diào)查,其調(diào)查位點靠近此次調(diào)查區(qū)域,結(jié)果發(fā)現(xiàn)多種與沈氏厚蟹親緣關系較近的甲殼動物。

3.2 生態(tài)修復前后底棲動物的群落特征及多樣性差異該調(diào)查中,修復前老壩港圍墾區(qū)域的底棲動物密度和生物量均明顯高于修復后,其中雙齒圍沙蠶和中間擬濱螺等優(yōu)勢種的密度及生物量明顯下降,說明生態(tài)修復對老壩港圍墾區(qū)底棲動物物種及生物量的影響程度較大。這可能與老壩港圍墾區(qū)的生態(tài)修復過程中微地形的改造有一定的關系。微地形的改造重塑了底棲動物的生活環(huán)境,同時可加速底泥中營養(yǎng)鹽和重金屬向水體的釋放,從而為其他底棲動物的生長提供餌料和棲息場所[10]。與之相似,戴雅奇等[11]調(diào)查了土地疏浚后底棲動物的群落結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)大型底棲動物的生物量和密度減少,推測可能是由土地疏浚后優(yōu)勢種的適合度減低,而其他種的適合度相對上升引起的。此外,生態(tài)修復是一個長期的過程,要完全恢復退化的生態(tài)系統(tǒng)底棲生物的豐度和生物量需要較長的時間。有研究指出,有些復雜區(qū)域經(jīng)多年修復后底棲動物仍受到干擾,群落結(jié)構(gòu)并未完全恢復[12-13]。

該研究區(qū)域處于老壩港泄洪閘口附近,沿閘口向外輻射方向由于海水流速、沉積物沉降和污染物排放的影響,底質(zhì)環(huán)境呈現(xiàn)較大的環(huán)境梯度,底棲動物的生物多樣性也表現(xiàn)出沿閘口向外方向呈現(xiàn)了一定的變化。該研究中,修復前各監(jiān)測站位沿閘口向外方向呈增加趨勢,S5站位表現(xiàn)出最高的多樣性指數(shù),說明位于閘口外部的斷面環(huán)境質(zhì)量要好于內(nèi)部的斷面。這可能與海水的流速有關,閘口外部海水流速降低,可在一定程度上加快有機碎屑沉積量的增加,從而有利于部分底棲動物獲取食物[14]。經(jīng)生態(tài)修復后,調(diào)查發(fā)現(xiàn)閘口處的S1和S2站位的多樣性指數(shù)明顯升高,這可能是由于堿蓬等鹽堿植被的種植起到了消能、促淤保灘的作用,從而提高了該站位底棲動物的多樣性[15]。綜合Shannon-Wiener 指數(shù)、Pielou 均勻度指數(shù)等進行分析,發(fā)現(xiàn)修復后老壩港圍墾區(qū)底棲動物的多樣性指數(shù)明顯高于修復前。底棲動物的生物多樣性越高,群落復雜程度越高,生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定,表明老壩港圍墾區(qū)的生態(tài)環(huán)境正在恢復。

3.3 環(huán)境因子與老壩港圍墾區(qū)群落結(jié)構(gòu)的關系生態(tài)修復后濕地生境特征及環(huán)境因子的變化會影響底棲動物的繁殖、生長和群落的演替,最終也將影響整個濕地生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)與功能[16]。該研究相關性分析和冗余分析(RDA)結(jié)果顯示,修復前后新墾閘底棲動物群落組成主要受水體溶解氧(DO)和沉積物中Cu、Pb、As含量影響,這些篩選出來的環(huán)境因子與以往研究結(jié)果較為一致,均是影響沿海濕地大型底棲動物物種分布的關鍵環(huán)境因子。水體溶解氧是決定底棲動物群落的結(jié)構(gòu)和功能的重要因素,對底棲動物群落的現(xiàn)存量和種類組成影響較大[17]。該研究調(diào)查顯示,老壩港修復區(qū)水體溶解氧含量整體較高,相關性分析和RDA分析結(jié)果顯示,中間擬濱螺、紐蟲與溶解氧呈正相關。此外,重金屬是一些底棲動物生長的必需元素,可通過復雜的食物鏈在體內(nèi)蓄積。楊麗等[18]研究發(fā)現(xiàn),不同底棲動物富集重金屬的能力及其耐受能力有差別,導致底棲動物受重金屬影響的效果存在差異。該研究中,老壩港調(diào)查區(qū)域沉積物中重金屬含量較低,均符合沉積物第一類質(zhì)量要求。RDA分析表明,老壩港修復區(qū)底棲動物的多樣性與重金屬Cu、Pb、As具有密切的關系,其中寬身大眼蟹、圓球股窗蟹、雙齒圍沙蠶與Cu含量呈正相關,沈氏厚蟹與As含量呈正相關,長吻沙蠶、刺沙蠶屬與Pb含量呈正相關。已有研究顯示,微量的重金屬可作為營養(yǎng)元素促進青島文昌魚的生長,但目前微量或痕量重金屬是否促進大型底棲動物生長過程仍未明確[19]。

4 結(jié)論

該研究調(diào)查了修復前后老壩港圍墾區(qū)大型底棲生物的群落結(jié)構(gòu),以此評估生態(tài)修復效果。對老壩港圍墾區(qū)底棲動物群落結(jié)構(gòu)的調(diào)查表明,修復前該區(qū)域5個斷面鑒定到6種底棲動物,修復后鑒定到16種底棲動物。修復前耐污性較強的中間擬濱螺、雙齒圍沙蠶為主要優(yōu)勢種,修復后沈氏厚蟹的優(yōu)勢度明顯上升。與修復前對比,該區(qū)域底棲動物棲息密度及生物量下降,但生物多樣性指數(shù)總體明顯增高。相關性分析和冗余分析結(jié)果顯示,修復后新墾閘底棲動物群落組成主要受水體溶解氧和沉積物中Cu、As、Pb含量影響。綜上,通過微地形改造和翅堿蓬種植,老壩港圍墾區(qū)的底棲動物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性有了一定的恢復,為今后開展濱海濕地生態(tài)修復研究與實踐提供了依據(jù)。