姜軍成,紀(jì)殿勝,劉文全,遲永祥,王小清,樊曉杰,韓偉濤

(1.國(guó)家海洋局煙臺(tái)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,山東煙臺(tái) 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(cuò)過(guò)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(zāi)害、涵養(yǎng)水源,保護(hù)岸線、調(diào)節(jié)氣候、保護(hù)生物多樣性等重要生態(tài)系統(tǒng)功能服務(wù)[1]。近年來(lái),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(dòng)的增多,以及風(fēng)暴潮、海平面上升等氣候?yàn)?zāi)害頻發(fā),使得濱海濕地面積急劇減少。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球約80%的濱海濕地資源喪失或功能退化,而在過(guò)去的50年中,我國(guó)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(fù)已成為維持濱海區(qū)域生態(tài)安全、促進(jìn)濱海生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)高效建設(shè)和健康發(fā)展的重要舉措。

隨著對(duì)濱海濕地生態(tài)服務(wù)功能認(rèn)識(shí)的提升,各國(guó)政府加強(qiáng)了對(duì)濱海濕地保護(hù)與管理,退化濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建也由此成為國(guó)際關(guān)注的熱點(diǎn)。國(guó)外在濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)研究方面起步較早,積累了較多的濱海濕地保護(hù)和修復(fù)的技術(shù)和方法。我國(guó)濱海濕地面臨的面積銳減、生態(tài)功能退化等嚴(yán)峻問(wèn)題也得到國(guó)家層面的高度重視,先后出臺(tái)了《關(guān)于加強(qiáng)濱海濕地保護(hù)嚴(yán)格管控圍填海的通知》和《渤海綜合治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃》等一系列法律法規(guī)、政策、規(guī)劃等文件,這對(duì)恢復(fù)濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力,建立濱海濕地保護(hù)長(zhǎng)效機(jī)制具有重要的指導(dǎo)意義。對(duì)生態(tài)修復(fù)來(lái)說(shuō),生態(tài)系統(tǒng)完整性以及生態(tài)修復(fù)的長(zhǎng)期性至關(guān)重要。生態(tài)修復(fù)過(guò)程前后的原位監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)評(píng)估也是必要的,可以確保修復(fù)工程的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn),并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修復(fù)措施適應(yīng)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(xué)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(duì)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(fù)區(qū)土壤鹽分的空間分析研究,掌握土壤鹽分時(shí)空變化規(guī)律,是評(píng)估修復(fù)技術(shù)措施的前提,對(duì)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(jì)學(xué)是研究濱海濕地土壤屬性時(shí)空變異性的有效方法[4]。楊帆等[5]運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法研究了退化濕地土體電導(dǎo)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(jī)模擬方法對(duì)蘇北海涂區(qū)的土體鹽分含量的三維空間分布進(jìn)行了估值、模擬與對(duì)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(shí)空變化特征并對(duì)評(píng)價(jià)精度進(jìn)行對(duì)比分析。該研究以渤海綜合治理攻堅(jiān)戰(zhàn)山東省濰坊市濱海濕地生態(tài)修復(fù)區(qū)典型地塊為例,利用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法進(jìn)行修復(fù)工程前、中、后不同時(shí)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(duì)生態(tài)修復(fù)工程的響應(yīng),研究結(jié)果對(duì)評(píng)估濱海濕地生態(tài)修復(fù)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(fù)區(qū)總面積120 hm2(圖1)。該區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)東亞季風(fēng)區(qū)季風(fēng)氣候,四季明顯,春季風(fēng)大干燥,易旱,夏季高溫多雨,間有旱災(zāi),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(guò)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(zhǎng)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?yàn)楣獍宓?其他區(qū)域?yàn)楹Ｋ采w。2020年7月開始進(jìn)行生態(tài)修復(fù)工程,排干區(qū)內(nèi)海水,對(duì)整個(gè)研究區(qū)實(shí)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(tái)地,臺(tái)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(shí)期濱海濕地土壤鹽分空間分布特征,表層土壤采樣點(diǎn)均勻地分布于整個(gè)研究區(qū),在ArcGIS10.2軟件中確定所有采樣點(diǎn),并記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的坐標(biāo),便于現(xiàn)場(chǎng)采樣。共布設(shè)表層土壤采樣點(diǎn)27個(gè),采樣深度為0～20 cm。在現(xiàn)場(chǎng)采樣過(guò)程中用差分GPS確定每個(gè)采樣點(diǎn)的位置。表層土壤采樣時(shí)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(gè)時(shí)期分別對(duì)應(yīng)研究區(qū)生態(tài)修復(fù)工程的前期、中期和后期,共采集濱海濕地土壤樣品81個(gè)。

1.3 樣品分析與處理所有現(xiàn)場(chǎng)采集濱海濕地表層土壤樣品密封后帶回實(shí)驗(yàn)室,室內(nèi)自然風(fēng)干、磨碎后過(guò)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(cè)定,表層土壤電導(dǎo)率采用電極法測(cè)定,表層土壤pH則利用PHS-3C型酸度計(jì)測(cè)定,具體測(cè)量方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[8]。

1.4 地統(tǒng)計(jì)分析地統(tǒng)計(jì)學(xué)是統(tǒng)計(jì)學(xué)的一個(gè)分支,側(cè)重于時(shí)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(duì)生態(tài)過(guò)程與功能的影響[9]。Isaaks等[10]詳細(xì)描述了地統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論基礎(chǔ),地統(tǒng)計(jì)學(xué)的核心是半方差函數(shù),它表達(dá)了相近觀測(cè)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(diǎn)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(zhǎng),即樣點(diǎn)空間間隔距離;N(h)為抽樣間隔為h時(shí)的點(diǎn)對(duì)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(jìn)行數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)分析、正態(tài)性檢驗(yàn)及相關(guān)分析。半方差函數(shù)計(jì)算在GS+10.0軟件中進(jìn)行,研究區(qū)矢量化及采樣點(diǎn)繪制在ArcGIS10.2軟件中完成,利用ArcGIS10.2軟件中的地統(tǒng)計(jì)分析模塊完成研究區(qū)不同時(shí)期生態(tài)修復(fù)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(jì)分析表1為研究區(qū)不同時(shí)期濱海濕地表層土壤含鹽量、有機(jī)質(zhì)含量和pH的描述性統(tǒng)計(jì)分析特征值。由表1可以看出,不同時(shí)期表層土壤含鹽量普遍很高,修復(fù)工程前、中、后期表層土壤平均含鹽量分別高達(dá)38.43、33.68和28.58 g/kg。按照王遵親等[11]土壤鹽化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(濱海地區(qū)),3個(gè)時(shí)期的表層土壤含鹽量均為鹽土水平。從不同時(shí)期濱海濕地表層土壤含鹽量的變幅來(lái)看,變幅均較大,最大變幅達(dá)到75.6 g/kg,表層土壤電導(dǎo)率表現(xiàn)出與含鹽量相同的變化趨勢(shì)。從整個(gè)研究來(lái)看,表層土壤含鹽量與電導(dǎo)率處于高值水平,不同時(shí)期表現(xiàn)出一定的差異性,修復(fù)工程前、中、后3個(gè)時(shí)期表層土壤含鹽量逐漸降低,一定程度上說(shuō)明修復(fù)工程措施是合理和有效的。從pH均值來(lái)看,不同時(shí)期表層土壤pH變化不大,但數(shù)值均超過(guò)8.5,按照土壤酸堿度劃分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),屬于強(qiáng)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(qiáng)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(dǎo)率均屬于中等變異性。對(duì)各表層土壤屬性數(shù)據(jù)采用Kolmogorov-Smirnov(K-S)正態(tài)性檢驗(yàn)(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(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,滿足進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)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(jì)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(dǎo)率的相關(guān)性分析相關(guān)分析是處理變量與變量之間關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)方法,該方法已廣泛應(yīng)用于社會(huì)科學(xué)和自然科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域。線性回歸是研究土壤鹽分含量與飽和浸提液電導(dǎo)率關(guān)系的經(jīng)典方法。研究表明,土壤含鹽量與電導(dǎo)率存在正相關(guān)關(guān)系[13]。該研究對(duì)不同時(shí)期濱海濕地表層土壤含鹽量與電導(dǎo)率進(jìn)行了相關(guān)分析(圖2),結(jié)果表明,不同時(shí)期的表層土壤含鹽量與電導(dǎo)率呈正相關(guān)關(guān)系,r2均超過(guò)0.94,與前人的研究結(jié)果一致。工程修復(fù)前、中、后3個(gè)時(shí)期的濱海濕地表層土壤含鹽量與電導(dǎo)率相關(guān)分析圖在趨勢(shì)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(shí)期,d代表3個(gè)時(shí)期的所有點(diǎn)。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(dǎo)率的散點(diǎn)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(dǎo)率的關(guān)系,將3個(gè)時(shí)期所有采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)分析,得到了二者的關(guān)系公式,對(duì)未測(cè)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(dǎo)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(jì)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(yīng)[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(jì)學(xué)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(guān)文獻(xiàn)[15],根據(jù)半方差函數(shù)理論及計(jì)算模型得表2。由表2可看出,不同時(shí)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(jī)變化,通常是由于測(cè)量誤差或在樣本范圍內(nèi)無(wú)法檢測(cè)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(guò)程不容忽視[16]。基臺(tái)值(Co+C)表示總樣本變異性,塊金值與基臺(tái)值的比值是一個(gè)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(qiáng)的空間相關(guān)性;百分比在25%～75%之間,表明該變量具有中度的空間相關(guān)性;如果百分比>75%,則說(shuō)明當(dāng)前采樣分辨率的空間相關(guān)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(rèn)為空間依賴性較弱。表2顯示不同時(shí)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(shí)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(qiáng)的空間相關(guān)性。這說(shuō)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(yīng)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(gè)要求。因此,可依據(jù)表2中得到的半方差函數(shù)參數(shù)進(jìn)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(duì)于評(píng)估濱海濕地修復(fù)區(qū)的修復(fù)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(yù)測(cè)不同時(shí)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(yīng),平滑效應(yīng)有助于識(shí)別總體空間格局,減少局部變化和隨機(jī)誤差的負(fù)面影響。圖3為不同時(shí)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(shí)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(gè)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(guò)多年的雨水淋洗,導(dǎo)致鹽分下降,同時(shí)西北部地勢(shì)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(dǎo)致西北部土壤鹽分含量較低,而東南部和南部區(qū)域?yàn)楹Ｋ采w區(qū)域,雖然經(jīng)過(guò)后期工程修復(fù),但總體含鹽量要高于西北部。從不同時(shí)期表層土壤鹽分含量的變化來(lái)看,工程修復(fù)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(shuō)明該區(qū)域的工程修復(fù)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(fù)是以生態(tài)原則為基礎(chǔ),利用生態(tài)技術(shù)或生態(tài)工程來(lái)恢復(fù)和重建處于不健康發(fā)展?fàn)顟B(tài)或嚴(yán)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(fù)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程,目前常使用的濱海生態(tài)修復(fù)技術(shù)包括微生物修復(fù)和植物修復(fù),其中植物修復(fù)方法簡(jiǎn)單易行,成本低廉,修復(fù)生態(tài)的同時(shí)還能呈現(xiàn)良好的景觀效果[19]。濱海濕地生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵是植物群落的營(yíng)建與生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù),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(qiáng),土壤中鹽分離子易淋失[17]。從研究區(qū)的工程修復(fù)措施實(shí)施來(lái)看,工程主要是高填深挖,抬高修復(fù)植被種植的地面高度,同時(shí)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(lái)。而從該文的研究結(jié)果來(lái)看,也說(shuō)明了該工程修復(fù)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(yùn)移。生態(tài)修復(fù)區(qū)經(jīng)過(guò)工程修復(fù)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(fù)。同時(shí),從該文的研究結(jié)果來(lái)看,雖然經(jīng)過(guò)了半年時(shí)間的修復(fù),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(lái)的土地利用方式有關(guān),另一方面是因?yàn)樾迯?fù)的時(shí)間較短,需要根據(jù)修復(fù)效果完善相關(guān)修復(fù)措施,并制定相應(yīng)濱海濕地保護(hù)對(duì)策,加快濱海濕地的恢復(fù)與保護(hù)進(jìn)程。

另外,雖然生態(tài)修復(fù)有效地遏制了濱海濕地的退化,但也相應(yīng)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(huì)影響生態(tài)修復(fù)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(jìn)一步加強(qiáng)研究和生態(tài)監(jiān)測(cè)。

圖4 研究區(qū)修復(fù)前后效果對(duì)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(fù)效應(yīng)不容忽視,生態(tài)修復(fù)是一種切實(shí)可行并行之有效的措施。生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施及其效果,均需要事中事后的監(jiān)測(cè)與評(píng)估,方能體現(xiàn)其適用性和有效性。該研究基于現(xiàn)場(chǎng)原位采樣和室內(nèi)分析數(shù)據(jù)研究了生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施前、中、后期濱海濕地表層土壤鹽分的時(shí)空變化特征,得到如下結(jié)論:

(1)研究區(qū)不同時(shí)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(shí)期表層土壤pH均超過(guò)8.5,具有強(qiáng)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(dǎo)率均屬于中等變異。相關(guān)分析結(jié)果表明,表層土壤含鹽量與電導(dǎo)率存在很好的線性關(guān)系。

(2)空間分析的結(jié)果表明,不同時(shí)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(shí)期濱海濕地表層土壤各屬性的塊基比均<25%,表現(xiàn)為很強(qiáng)的空間相關(guān)性。

(3)在空間分布上不同時(shí)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(guò)科學(xué)實(shí)施生態(tài)修復(fù)工程,能夠有效降低濱海濕地表層土壤中的鹽分含量,進(jìn)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(wù)功能,同時(shí)起到濱海濕地生態(tài)修復(fù)的示范效應(yīng)。在未來(lái)工作中,應(yīng)積極探索濱海濕地生態(tài)修復(fù)新模式,重視和保護(hù)濱海濕地資源,推進(jìn)濱海濕地生態(tài)建設(shè)的可持續(xù)性。