2020, Vol. 41
地球表面系统在自然力与社会经济共同作用下正在发生着改变[1~3].河口海岸地区作为沿海国家拓展陆域和缓解人地矛盾的主要场所之一[4], 在改变地球表面系统海陆交错带的格局中发挥着重要作用[5].河口地区人类开发利用在中国已经有一千多年的历史, 荷兰、德国、朝鲜和英国等国的围填海等人类开发活动也有几百至近千年的历史[6, 7], 随着人类活动干扰强度的增加, 开发后的河口生态环境问题日益显露.在中国, 政府将海岸带划为沿海水陆交错带生态脆弱区[5, 8], 河口海岸地区的生态环境变化越来越受到人们关注[9].
目前, 关于河口海岸带沉积物和生物特征的研究多从研究对象自身出发, 研究其时空分布和变化.沉积物特征方面, 学者研究了土壤微量元素变化[10]、化学元素流失[11]、重金属分布[12]、重金属富集[13]以及沉积物空间分布[14, 15], 杨劲松等[16]的研究发现海岸带土壤养分空间变异受到结构性因素与随机因素的双重作用.生物特征方面, 张林海等[17]研究了河口湿地植被群落和生物量特征, 冯剑丰等[18]的研究发现海岸工程、污染物排放和围垦养殖等人为干扰因素是造成近岸海域生物丰度降低和生物群落空间分布不均匀变化的主要原因.
植被与沉积物元素、土地利用方式之间的关系已经被广泛讨论[19~21], 特别是在不同控制因子协同作用下的沉积物与植被因子之间的关系研究. da Silva等[22]的研究发现火烧增加了群落的空间异质性和物种多样性, Reddy等[23]研究了蛇纹石土壤地区土壤化学因子对植被群落结构和物种多样性的影响, Wang等[24]研究了不同土地利用管理方式对植被群落特征、物种多样性和植被生产力的影响.但是对在不同控制因子作用下, 河口及其近岸海域的沉积物环境要素的空间分异特征研究较少.
本文以辽河口为实证研究区域, 重点关注辽河口沉积物营养元素、污染物时空动态变化及其规律, 探讨不同海域使用类型对沉积物营养元素和污染物的影响, 进一步分析不同植被演替阶段与沉积物营养元素和污染物之间的内在联系, 旨在为辽河口生态脆弱性评估干扰指标、沉积物敏感性指标的选择提供基础理论支撑.
1 研究区概况本文以早期遥感影像为依据, 以滨海湿地陆域边界为外缘线, 确定辽河口研究区靠近陆域一侧滨海湿地的外缘线; 以河口入海向两侧过渡平缓区为边界线, 并参考案例区所在行政界线, 确定辽河口案例区东西两侧边界线; 向海一侧外缘线, 以河口生态系统完整性为依据, 以河口水系前水舌入海至海洋生态系统为边界; 最终确定辽河口研究区范围如图 1所示.
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图 1 研究区范围及调查站位分布示意 Fig. 1 Research area and survey station distribution map |
以2014年SPOT5高分辨率遥感影像为数据源, 选择5月底植被生长期清晰且无云的遥感影像进行目视解译, 将辽河口区域划分为开放海域、芦苇群落、盐地碱蓬、泥滩、河流、开放式养殖用海、人工鱼礁用海、水产养殖、水田、围海养殖用海、船舶工业用海、港口用海和交通用地等20个类型.对解译结果进行现场验证, 91个现场采样点中, 84个与解译结果一致, 总体精度优于92%.修正误判区, 得到辽河口海域使用类型数据, 见图 2.
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图 2 辽河口海域使用类型 Fig. 2 Illustration of utilization modes in the Liaohe Estuary |
2014年7月, 在研究区开展生态环境要素现状调查, 共布设91个植被群落和陆域沉积物调查样方、45个近岸海域沉积物调查站位, 调查站位见图 1.
(1) 植被群落空间分布 在91个样方调查数据基础上, 分析了辽河口陆域湿地植被群落空间分异特征, 包括植被生物量、盖度、密度和植株平均高度等群落特征.
(2) 陆域沉积物环境质量空间分布 在91个调查站位数据基础上, 分析了辽河口陆域沉积物环境质量空间分异特征, 包括沉积物营养盐和重金属空间分布特征.
(3) 近岸海域沉积物环境质量特征分析 在45个调查站位数据基础上, 分析了近岸海域沉积物环境质量空间分异特征.
2.1.3 沉积物要素历史调查数据本文搜集了1998年和2008年辽河口生态监控区沉积物要素历史调查数据, 包括硫化物、有机质、油类和重金属元素等.
2.2 分析方法 2.2.1 对比分析方法采用时间序列及动态分析法, 比较同一总体条件、不同时期的沉积物特征变化及趋势; 利用箱式图, 比较同一时间、不同海域使用类型下沉积物特征差异.
2.2.2 典范对应分析法采用典范对应分析方法, 分析植被盖度、植被高度和植被生物量与陆域沉积物环境质量要素之间的典范对应关系.典范对应分析方法将对应分析与多元回归分析相结合, 可以同时结合多个环境因子在同一排序图上反映群落、生物种类与环境之间的关系, 结果明确直观, 是分析生物群落与环境因子关系的有效工具[25].
2.2.3 差异显著性分析法多元方差分析用于两个及两个以上样本均数差别的显著性检验, 通过分析不同来源的变异对总变异的贡献大小, 确定可控因素对研究结果影响力的大小.本文采用单因素方差分析, 比较成组的多个样本均值, 采用完全随机设计的方差分析, 研究海域使用类型和植被演替是否对沉积物特征有显著影响.在方差分析的基础上, 采用多重比较检验, 实现对各个水平下沉积物要素总体均值的逐对比较, 进一步确定海域使用和植被覆被的类型对沉积物特征的影响程度.
3 结果与分析 3.1 辽河口沉积物质量时间变化分析以各站位污染要素含量平均值与一类沉积物质量标准[26]之间的比值作为该污染因子的污染指数[27, 28], 比较1988年、2008年和2014年各主要污染物的污染指数, 见图 3.
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图 3 辽河口区域1988、2008和2014年沉积物污染情况 Fig. 3 Pollution status of the sediments in the Liaohe Estuary in 1998, 2008, and 2014 |
从图 3中可以看出：辽河口湿地区域沉积物较为清洁, 1988、2008和2014年各要素平均含量均符合一类沉积物质量要求.从污染状况的时间演化趋势来看, 从1988~2008年再到2014年, 污染程度平稳中略有减轻, 除镉和硫化物两项指标污染指数有所上升外, 其余指标污染指数总体上均出现了不同程度的下降.
3.2 辽河口沉积物质量空间分异特征分析研究区陆域沉积物营养盐TOC含量(质量分数, 下同)介于0.42%~1.86%, 由陆向海呈现显著带状分布且含量逐渐降低, 在芦苇分布区域呈现高值; TP含量介于447.17×10-6~717.56×10-6, TN含量介于57.40×10-6~845.01×10-6, 呈显著带状分布, 并由陆向海方向逐渐降低; 全盐含量介于0.17%~2.26%, 地带性分布较为不明显, 但也表现出由陆向海逐渐升高趋势(图 4).
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图 4 沉积物营养盐含量分布特征 Fig. 4 Spatial distribution patterns of nutritive salts in the sediments of the Liaohe Estuary |
进一步分析研究区陆域沉积物重金属污染物分布情况, 结果显示, 铜(Cu)、镉(Cd)、汞(Hg)和铅(Pb)的含量空间分异地带性不明显, 并未表现出由陆向海的带状分布空间特征(图 5); 重金属污染物与营养盐空间分异的差异, 可能与重金属污染物的迁移转化途径有关, 也可能与海域使用类型有关.
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图 5 陆域沉积物重金属空间分异特征 Fig. 5 Spatial distribution patterns of heavy metals in the sediments of the Liaohe Estuary |
近岸海域沉积物污染物油类、滴滴涕(DDT)、六六六(HCH)、多氯联苯(PCB)、Pb和砷(As)在空间分布上, 具有一定的随机性.特别是DDT、HCH和PCB空间分布未呈现空间聚集性, 而油类、Pb和As在空间上呈现出一定的聚集性, 但未呈现出带状分布(图 6).
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图 6 近岸海域沉积物质量空间分布特征 Fig. 6 Spatial distribution patterns of the quality of the sediments of the Liaohe Estuary |
为进一步识别海域使用类型对沉积物质量是否有显著影响, 本文采用多元方差统计方法分析了不同海域使用类型下污染物差异性.结果显示, HCH含量在开放海域最高, 人工鱼礁用海最低, 开放海域与其他用海类型HCH含量具有显著差异, 其他用海类型之间HCH含量差异不显著; PCB含量在开放海域最高, 油气开采用海最低, 各用海类型PCB含量差异不显著; 石油类含量平均值最高是港口用海, 人工鱼礁用海石油类含量最低, 石油类含量开放用海和人工鱼礁用海与其他各类型含量均具有显著差异; DDT含量围海养殖用海含量最高, 人工鱼礁用海DDT含量最低, 且人工鱼礁用海除与油气开采差异不显著外, 与其他用海类型的DDT含量均具有显著差异, 而其他用海类型DDT含量差异不显著; As含量人工鱼礁用海最高, 工业用海As含量最低, 且开放海域、人工鱼礁用海和渔业基础设施用海As含量具有显著差异; 沉积物中Pb含量工业用海最高, 围海养殖用海沉积物中Pb含量最低, 且工业用海、开放海域和围海养殖用海类型沉积物中Pb含量具有显著差异(图 7).
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大写字母用以区分是否具有显著性差异, 显著性水平为P < 0.05. 图 7 不同海域使用类型沉积物质量特征分析 Fig. 7 Analysis of the quality of the sediments in sea areas with different utilization modes |
沉积物质量与植被覆盖具有密切的联系, 本文将辽河口植被群落划分为4个阶段:泥滩(原生阶段)、盐地碱蓬(先锋群落)、芦苇(盐生向陆生过渡阶段)、水田(陆生阶段).不同演替阶段Cd含量具有显著差异, 其中水田Cd含量平均值最高, 芦苇最低; Cu含量水田最高, 水田、芦苇和盐地碱蓬Cu含量具有显著差异, 而芦苇与泥滩Cu含量差异不显著; Hg含量水田最高, 芦苇含量最低, 水田、芦苇和盐地碱蓬Hg含量具有显著差异, 而水田和泥滩的Hg含量差异不显著; Pb水田含量最高, 盐地碱蓬最低, 水田、泥滩和盐地碱蓬Pb含量差异显著, 泥滩和盐地碱蓬差异显著, 盐地碱蓬和芦苇差异不显著(图 8).
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大写字母用以区分是否具有显著性差异, 显著性水平为P < 0.05. 图 8 不同植被演替阶段沉积物重金属含量特征分析 Fig. 8 Analysis of the contents of heavy metals in the sediments of the Liaohe Estuary at different vegetation succession stages |
水田沉积物中TN的含量最高, 芦苇群落最低, 泥滩、盐地碱蓬、芦苇和水田TN含量均具有显著差异; TP含量水田最高, 芦苇最低, 泥滩、盐地碱蓬、芦苇和水田TP含量均具有显著差异; TOC水田含量最高, 盐地碱蓬最低, 泥滩TOC含量与其他类型具有显著差异, 而盐地碱蓬、芦苇和水田TOC含量差异不显著; 全盐含量芦苇最高、水田最低; 泥滩、盐地碱蓬、芦苇和水田沉积物全盐含量均具有显著差异(图 9).
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大写字母用以区分是否具有显著性差异, 显著性水平为P < 0.05. 图 9 不同植被演替阶段沉积物质量特征分析 Fig. 9 Analysis of the quality of the sediments in the Liaohe Estuary at different vegetation succession stages |
排序结果表明(图 10), 植被分布特征主要影响因素相关性r值大小依次为：r(全盐)＞r(TOC)＞r(TP)＞r(TN)＞r(Zn)＞r(Cd)＞r(Hg)＞r(Cu)＞r(Pb).全盐含量与总株数呈显著正相关, 这主要由于随着盐分的增高, 植被群落主要以盐地碱蓬为主; 全盐含量与总生物量呈显著负相关, 与平均株高和总盖度也呈显著负相关; TOC、TN和TP与总生物量、植被平均株高和植被盖度呈显著正相关; 重金属Zn、Cd、Cu、Hg和Pb与平均株高、总盖度和总生物量呈显著正相关, 与总株数呈显著负相关, 且Zn与植被群落特征相关性最大, 而Pb与植被群落特征相关性最小.总体而言, 研究区植被群落分布特征主要受全盐、TOC、TN和TP的含量控制.
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图 10 植被群落特征与沉积物质量要素CCA排序 Fig. 10 Sorted results based on CCA analysis results between the quality factors in the sediments and the distribution characteristics of the plant community |
进一步分析不同演替阶段植被群落与沉积物环境质量要素之间的关系, 发现不同演替阶段其主控影响因素具有显著差异; 盐地碱蓬及芦苇混生群落主要受到全盐含量的影响, 与全盐含量相关性显著; 芦苇群落和芦苇优势种的混生Ⅰ群落与TOC、TN和TP等影响因素相关性最为显著; 以陆生植被牛筋草为优势群落的混生Ⅱ群落主要受到TOC、TN和TP等影响因素的影响; 沉积物重金属含量对不同演替阶段植被群落特征分布影响较小(图 11).
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图 11 不同演替阶段群落与沉积物质量要素CCA排序 Fig. 11 Sorted results based on CCA analysis results between the quality factors in the sediments and the distribution characteristics of the plant community at different vegetation succession stages |
本文研究了沉积物的环境质量要素(状态变量)和污染物(外来干扰变量)的空间分异规律.研究发现研究区陆域沉积物营养盐TOC含量由陆向海呈现显著带状分布且逐渐降低, TN和TP含量也呈显著带状分布, 并由陆向海方向逐渐降低; 全盐含量地带性分布较为不明显, 但也表现出由陆向海逐渐升高趋势.这与以往Sun等[29]和慎佳泓等[30]在长江口研究的结果相类似, 说明沉积物环境质量要素受到河口地区高程控制, 其营养元素呈现显著带状分布规律, 这为沉积物环境敏感性分析提供了理论支撑.
本文对河口沉积物的研究发现, 油类、DDT、HCH、PCB、As、Cu、Cd、Hg和Pb的含量空间分异地带性不明显, 并未表现出由陆向海的带状分布空间特征, 与营养盐空间分异的有所不同.这可能与重金属污染物的迁移转化途径有关, 也可能与人类活动类型有关.因为污染物属于外来干扰源所导致的结果, 因此其在空间分异上规律并不明显, 说明河口地区污染物空间分布受到高程控制的影响不大, 具有一定的随机性, 这为开展生态脆弱性评估提供了理论支撑.
4.2 不同海域使用类型对沉积物环境要素分异特征的影响在河口地区土地使用类型对沉积物营养元素具有显著影响, Sun等[29]已经进行深入研究, 发现长江口围垦区对土壤营养元素影响较大的是土地利用方式和围垦时间.上述研究主要集中于围垦区, 本研究将研究范围扩展至近岸海域, 重点关注不同用海类型下, 沉积物营养元素和污染物含量是否存在显著差异.总体而言, 研究区污染物受到不同海域使用类型的影响有一定差异显著性, 因为不同海域使用类型造成不同的污染物富集效应, 验证了重金属及污染物的分布主要受到人类活动的影响, 具有一定的随机性.这为研究区生态脆弱性干扰指标和沉积物质量指标的选择提供了基础支撑.
4.3 植被不同演替阶段与沉积物环境质量内在关联规律植被覆盖与沉积物环境要素之间的关系受到学者们广泛关注, 针对不同植被覆盖演替阶段沉积物环境要素开展了大量研究工作.Sun等[29]识别了长江口围垦区植被群落与土壤环境要素之间的关系, 发现植被群落分布主要受到盐度、TOC、TN和TP含量的影响.本研究将辽河口植被群落划分为4个阶段:泥滩(原生阶段)、盐地碱蓬(先锋群落)、芦苇(盐生向陆生过渡阶段)、水田(陆生阶段).与以往研究不同的是, 本研究发现沉积物重金属含量、营养元素含量在各不同演替阶段下具有显著差异.进一步分析发现, 植被不同演替阶段下主控因子具有显著差异, 结果显示植被演替初级阶段主要受盐度控制, 随着由盐生植被向陆生植被逐渐过渡, 植被分布特征逐渐与TOC、TN和TP的内在联系逐渐增大, 同时发现重金属等污染物含量与植被群落内在联系并不显著.这说明植被群落主要受营养元素影响, 而重金属元素在植被群落演替过程中影响较小.
5 结论本文以遥感影像数据、现状调查数据和历史调查数据为数据源, 采用空间分析方法、统计分析、多元方差分析和典范对应分析方法, 重点分析了辽河口沉积物环境要素和污染物历史变化过程和空间分异规律, 在此基础上分析了不同海域使用类型下和不同植被演替阶段沉积物环境要素和污染物之间的影响与关系.结果显示, 不同海域使用类型对沉积物污染物富集具有一定的显著影响; 植被不同演替阶段主要受沉积物全盐和营养元素的影响, 受重金属及污染物的含量影响不大.通过本文研究, 识别出沉积物营养元素能够反映植被群落特征, 而污染物能够反映人类干扰状况, 进而为确定辽河口生态脆弱性评估指标提供基础理论支撑.
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