广西铁山港围填海导致的高岭土快速沉积致红树林死亡原因分析*

潘良浩，史小芳，范航清，李 斌，陶艳成，宋 超，苏治南，谭星儒

(1.广西科学院广西红树林研究中心，广西红树林保护与利用重点实验室，广西北海 536000；2.复旦大学生物多样性科学研究所，生物多样性和生态工程教育部重点实验室，上海 200438；3.厦门大学环境与生态学院，滨海湿地生态系统教育部重点实验室(厦门大学)，福建厦门 361102)

0 引言

红树林由于具有安全屏障、生物多样性、海洋牧场、净化水质、蓝色碳汇、休闲旅游、科学教育等独特功能与特殊作用，因此吸引了全球的目光[1-4]，甚至可以说，红树林是人类命运共同体的战略资源[5-7]。党中央高度重视红树林保护与生态修复工作，2017年4月19日习近平总书记在北海金海湾红树林考察时指出：“一定要尊重科学、落实责任，把红树林保护好”。红树林已经成为中国海洋生态文明建设的重要部分，红树林的保护与利用水平，已经成为一个国家或地区生态文明建设水平的标志。

尽管红树林的重要性已得到公认，但是长期以来不合理的海洋资源和海岸带开发如围填海工程、海堤修建等人类活动仍然对红树林等滨海湿地生态系统造成生态威胁[8]。在党和国家高度重视红树林后，围填海工程需要直接避开或绕开红树林等重要滨海湿地生态系统，但是对于在红树林周边进行围填海工程是否会间接导致红树林退化甚至死亡的情况，尚未见报道。

2019年11月，位于广西北海市合浦县白沙镇榄根村龙港新区北海铁山港东港产业园范围内的红树林出现大面积死亡现象。根据现场包括陆域部分填土及海域部分抽沙填海的围填海工程历史及现状，初步判断红树林死亡与围填海工程有关。但由于围填海工程非直接掩埋红树林而造成红树林死亡的情况存在特殊性，为查明具体死因，在项目区进行了多项生态因子的调查与分析。本研究拟通过项目区红树林死亡现状、外源沉积物的来源及定量分析，结合课题组其他研究，共同说明红树林的具体死亡原因，为红树林的保护、管理和恢复提供指导。

1 材料与方法

1.1 预实验及站位布设

对项目区可能的影响范围进行沉积物柱状样的试采集，根据各斑块采集到的沉积物柱状样颜色判断是否有外源物输入，然后根据各点采集到的白色痕迹层(以下统称外源淤积物层)的深度确定采样点站位及具体分层。预实验采样点及沉积物柱状样中白色外源淤积物的示意图如图1所示。

图1 预采样点及预采样点3中白色痕迹层示意图

根据项目区红树林死亡现状以及围填海遗留的痕迹推断(详见预实验部分)，红树林死亡区域外来的沉积物可能来自于围填海工程(包括陆域填土和海域吹填)，因此设置3个分项进行溯源分析，包括水文监测、外源淤积物来源分析、水质及沉积物监测。本研究重点分析外源淤积物的来源和沉积物理化性质检测，其中，外源淤积物来源分析包括外源淤积物厚度/深度、容重、粒度、碳氮稳定同位素比值δ13C和δ15N、铝元素分析与测定。元素分析选择铝元素，是基于广西合浦地区高岭土铝含量较高[9]，明显区别于原生红树林底质层的特征而定，同时结合稳定同位素技术进行溯源。各指标测定方法如表1所示。

表1 沉积物指标测定方法

为判断受损红树林区是否受围填海工程影响并确定影响范围，分别在陆域填土区(L1-L3)和海域吹填区(Y1-Y3)设置采样点各3个，红树林死亡区站位6个(D1-D6，以下简称D组)，严重退化红树林区站位6个(ED1-ED6，以下简称ED组)，项目监测范围内红树林大斑块中暂未显示枯亡现象仍然正常生长的红树林调查站位3个(尚存活样方AL1-AL3，以下简称AL组)，正常红树林对照站位3个(对照组CK1-CK3，以下简称CK组)。各站位示意图如图2所示。

图2 站位布设示意图

1.2 红树林植物群落特征测定

在样方布设示意图中选择D1-D6、ED1-ED6、AL1-AL3、CK1-CK3进行红树林植物群落调查(图2)，每个站位设置1个10 m×10 m的样方，共计18个样方。

植物群落特征调查内容包括红树植物种类、胸径、高度、冠幅、盖度、构件数，以及更新层幼苗的种类、数量和高度等常规特征值，调查及数据处理按《红树林生态健康监测技术规程》DB45/T 832-2012进行。鉴于项目区红树林死亡现状，增加测定死亡红树林的参数值：叶片残留比例、断顶株数及比例、白骨壤呼吸根密度及高度值。

1.3 沉积物采样站位

沉积物采集样点及站位选择如图2所示，共布设18个站位，其中位于潮间带的红树林站位12个(红树林死亡区站位仅选择典型的D1-D3 进行采样)，沉积物柱状样采集深度为0-50 cm；陆域填土区和海域吹填区采样点共计6个，采样深度为0-30 cm。

1.4 外源淤积物厚度/深度

在红树林站位中进行沉积物柱状样采集，采集前先去除沉积物表面凋落物层和活体组织，使用Eijkelkamp螺旋形土钻(C040903，荷兰)进行半圆柱体柱状样采集及拍照，拍照后回实验室进行处理。使用目测方法根据沉积物颜色、质地区分记录表层、外源淤积物以及未受干扰的红树林底层沉积物的具体厚度/深度(图3)，其中外源淤积物层是指颜色偏白且显著区别于原生沉积物的部分，其厚度即为白色痕迹层的高度(图1)，而外源淤积物层的深度是指该层所达到的深度，数值上为表层土+外源淤积物厚度。每个站位进行5个柱状样采集拍照。

图3 各分组典型沉积物柱状样表层土、外源淤积物层及原底质层对比示意图

1.5 沉积物样品采集及分层

另外采集柱状样测定沉积物元素，并按照0-5 cm、5-10 cm、10-15 cm、15-20 cm、20-35 cm、35-50 cm分层；陆域填土区和海域吹填区站位沉积物取表层0-30 cm，共采集78个样品。

1.6 统计方法

统计分析采用SPSS17.0、MS Excel 2020，采用单因素方差分析(ANOVA)检验各组别直接差异。

2 结果与分析

2.1 铁山港红树林概况

死亡红树林所在的铁山港是我国目前面积最大的天然白骨壤Avicenniamarina纯林生长地[10-12]。群落类型为白骨壤群落，偶见红海榄Rhizophorastylosa、桐花树Aegicerascorniculatum、秋茄Kandeliaobovata、海漆Excoecariaagallocha植株分布。根据科技部基础资源调查专项《广西红树林生物资源调查(项目编号2017FY100704)》于2019年11月在铁山港内湾布设的3条典型红树林调查断面穿越高、中、低3个潮间带的36个10 m×10 m群落样方数据统计，铁山港内湾白骨壤群落平均覆盖度为57%，平均密度为58株/100 m2，平均高度2.08 m。

铁山港的红树林有95.3%属于人为干扰严重的次生红树林，一旦丧失将很难恢复[13]。而基于脆弱性域图模型进行的铁山港湾红树林生态系统脆弱性评价，则从暴露程度、敏感性、适应能力等3个方面显示铁山港湾红树林生态系统脆弱性呈逐渐增强趋势[14]。随着时间推移，红树林生态系统面临的暴露程度不断增大，其最主要的胁迫因子从十几年前的林下挖掘、海平面上升转变为滩涂围垦、临港工业废水污染，生态环境敏感性也越来越强，海洋生物质量综合指数和各生物的多样性指数均有所下降，其中潮间带生物多样性指数下降最大[14,15]。因此，铁山港红树林特点可概括为群落单一、生态脆弱。

2.1.1 红树林死亡面积及分布

根据高清遥感影像及无人机航拍，结合大量野外勘测校正得出榄根村红树林死亡情况[16]：现榄根村红树林监测范围内共有红树林面积111.01 hm2，其中受损红树林总面积为17.18 hm2，含完全死亡红树林面积7.81 hm2，严重退化红树林面积9.37 hm2，监测范围内暂未受损红树林总面积为93.83 hm2(图4)。红树林死亡斑块特征如下：(1)受损红树林分布区主要位于围填海区红树林潮沟两侧；(2)死亡斑块在监测范围内的各红树林大斑块中几乎均有分布，形态上呈灰白斑块状，结合红树林历史景观演变过程，红树林受损呈“多点开花”特点，有由斑块局部受损往斑块内部区域受损的蔓延趋势，不排除红树林死亡及严重退化区面积继续扩大的可能性。

图4 合浦县白沙镇榄根村红树林受损现状(航拍时间2020年4月21日)

2.1.2 物种组成及死亡现状

项目所在范围内榄根村真红树植物种类共计4科5属5种，出现死亡的种类有3科4属4种(表2)，死亡红树林具体表现为植株全株干枯，叶片全掉落，部分植株断顶、易折断，指状呼吸根消失；沉积物散发恶臭。死亡面积和株数均以白骨壤为主，少数死亡区域的红海榄、桐花树、秋茄植株也出现全株死亡现象(图5a-f)。在项目监测区范围内沉积物及红树林茎干、呼吸根和叶片上能观察到大量的白色粘性物质粘附(图5g-i)。同时，根据白骨壤植株断顶比例推测，项目区红树林死亡已有一段时间。受损红树林区(包括死亡和严重退化两种程度)植被覆盖度低于15%。

表2 项目区真红树植物种类

(a)-(d)红树林死亡现状图(2020年3月)； (e)(f)死亡的白骨壤群落及红海榄植株；(g)-(i)沉积物及红树林茎干、叶片上附着有大量的白色粘性物质

2.2 受损红树林区外源淤积层厚度/深度

如表3所示，外源淤积物厚度D>ED>AL=CK组，D组外源淤积物厚度为6.5-15.0 cm，平均厚度达到11.1 cm；ED组外源淤积物厚度为4.0-11.0 cm，平均值为7.5 cm，两者之间存在显著差异(P<0.05)；而在AL和CK组则无明显的外源淤积物。这一结果充分表明了在红树林死亡区域和严重退化区域存在大量的外源淤积物，并且越靠近死亡区域中心位置，外源淤积物厚度越大，在死亡区域边缘外源淤积物厚度较小；AL和CK组没有受到明显的外源淤积物影响。各站位外源淤积物厚度/深度示意图详见图6。

图6 外源淤积物厚度/深度示意图

同时，表3中D和ED组外源淤积物以上的表层土深度之间差异不显著(P>0.05)，表明在外源淤积物影响红树林后，已经有一个相对稳定的无明显大量外源淤积物影响时期，结合码头围堰形成时间，可以大致推断出外源淤积物影响红树林的时间。而沉积物分层容重值在各分组之间差异不显著。

表3 各区域外源淤积物厚度

根据卫星影像，2017年12月海域吹填区围堰封闭成型，同时红树林开始出现小面积死亡现象。根据以白色高岭土痕迹线为基准形成的外源淤积物厚度数据，并根据沉积物柱状样采样时间2020年3月，即自2017年12月起历时2.25年，计算出受损红树林区的沉积速率高达4.84-6.22 cm/a；2.25年以来滩涂高程提高10.9-14.0 cm，并由上而下形成“悬浮物+高岭土沉积层→外源淤积物层→原底质层”的沉积物垂直结构。

2.3 粒度

如图7所示，随着沉积物深度增加，不同土层的沉积物粒度分布构成有所不同。在表层0-5 cm中，D、ED、AL和CK组沉积物中砂的含量分别为5.71%，7.98%，26.60%，38.30%(图7)，呈逐渐增加趋势，经多重比较后发现D、ED两组与AL、CK两组分别具有显著差异(P<0.05)；D、ED、AL和CK沉积物中粉砂的含量分别为70.74%、73.03%、62.20%、55.07%，4组沉积物中粘土的含量依次为23.54%、18.99%、11.20%、6.63%；粉砂和粘土呈现出递减趋势，与砂含量的趋势相反，且D、ED两组与AL、CK两组分别具有显著差异(P<0.05)。在5-10 cm、10-15 cm土层中，同样具有与0-5 cm表层一致的粒度构成变化趋势(P<0.05)。在15-20 cm、20-35 cm两层土样中，沉积物粒度分布无显著差异。35-50 cm土层中，粘土在D、ED、AL和CK组沉积物中的含量分别为8.14%，6.59%，3.62%和5.49%，无显著差异。

不同字母之间表示差异显著(P<0.05)，大写字母A、AB、B、C，下标大写字母A1、A1B1、B1，小写字母a、ab、b分别代表粘土、粉砂、砂在各处理组之间的显著性，NS表示各组别之间无显著差异

同时，对照组3个站位柱状样偏态值为0-0.23 φ，均为正值，从粒度系数偏态值的含义和生态学意义[17]来看，沉积物的沉积均以粗粒为主。D、ED和AL组沉积物粒度偏态值为-0.34-0.41 φ，总体趋势由底层到上层呈现由正到负的变化，表明沉积物开始以粗粒为主沉积，后面以细粒为主沉积。分选系数表明沉积物颗粒大小的均匀程度[18]，从采集的各柱状样总体来看，沉积物的分选程度为较差到差，表明粒度分布不均。红树林正常生长组AL1、AL2、AL3和对照组CK1、CK2、CK3分选系数变化较小，其值为1.91-2.59 φ；而死亡组D1、D2、D3和严重退化组ED1、ED2、ED3中0-15 cm和15-50 cm差别较大，其值为1.30-2.50 φ，体现出从底层到上层分选程度变好的趋势，这与沉积物组分中砂含量减少、粘土和粉砂含量增加有关，表明死亡和严重退化红树林组相对于正常生长组有新的沉积物来源[19]。

以上结果显示，D、ED组的红树林表层沉积物(0-15 cm)细颗粒的粉砂和粘土含量明显比存活组和对照组要高，而深层次沉积物中的含量对比不明显，充分表明在死亡和死亡边缘红树林组表层覆盖了更多由细颗粒(粉砂和粘土)组成的外源淤积物。

2.4 稳定同位素

如图8所示，根据表层沉积物(0-15 cm)的δ13C值差异，可将6种沉积物分为3组，其中D和ED一组，AL和CK一组， Y和L一组，组内无显著差别。D和ED组表层沉积物0-5 cm和5-10 cm δ13C值显著小于AL和CK组(P<0.05)，其余层次的差异不显著。从数值来看，D和ED组的表层沉积物δ13C值处于AL和CK组、L和Y组的δ13C值之间。

如图9所示，D和ED组0-5 cm表层沉积物的δ15N显著高于AL和CK组， Y组的δ15N值与D、ED组更接近，显著高于AL、CK组。但由于L1-L3、Y2、Y3土壤样品的δ15N样品值未能成功测定(低于仪器检测限，无数据)，故无法通过沉积物样品δ15N数据分析外源淤积物的潜在来源。

大写字母A，B表示差异显著(P<0.05)

大写字母A、B表示差异显著(P<0.05)

3 讨论

3.1 高岭土为外源淤积物主要成分

根据红树林各区域沉积物柱状样中外源淤积物外观、厚度及深度，沉积物分层容重值，粒度、稳定同位素、铝元素含量(详见本刊李斌等《高岭土悬浮物对榄根村红树林湿地底质环境的影响》具体研究)，排水口和潮沟形态的改变，排水口的封口痕迹等各项证据，表明红树林死亡区域D组和严重退化红树林区ED组均明显含有高岭土成分的外源淤积物，且外源淤积物对死亡区域D组的影响主要在0-15 cm层，而对边缘区ED组的影响则稍浅(另见本刊本期李斌等《高岭土悬浮物对榄根村红树林湿地底质环境的影响》具体研究)。此外，位于高潮痕迹线(平均高1.57 m)以下的红树林叶片几乎全部呈灰白色。富含铝、白色、高粘性、易分散悬浮于水等是高岭土的重要特征，因此可以认定，沉积物中外源淤积物层和植物体白色附着物均为外源输入的高岭土。由于L1-L3、Y2、Y3土壤样品的δ15N值未检出，不能采用常用的混合模型[20]计算红树林区沉积物来源的贡献率。单从C稳定同位素比值推算，受损红树林区0-15 cm沉积物的38%为外源输入。

3.2 高岭土快速沉积的影响

根据外源淤积物沉积速率的数值可以看出，大量的外源淤积物进入红树林区是在一个较为短暂的时期，滩涂高程的快速变化对红树林的消长有着深远的影响。根据傅海峰[21]整合2019年前发表的数据表明，全球16篇文献95个数据条目中的港湾型、碳酸盐岩礁和河口三角洲型红树林的地表沉积速率分别为0.79，0.26和3.53 cm/a。本项目区所在地是典型的港湾红树林区，在此次死亡事件中的外源淤积物的沉积速率远大于文献统计值。另有研究表明，白骨壤可以承受虾塘排出的固体沉积物最高沉积速率达6 cm/a[22]。但是，本研究中的外源淤积物主要成份为粘性极大的高岭土，与虾塘排出的固体沉积物性质完全不同，高岭土(Al2O3·2SiO2·2H2O)在酸环境中会使悬浮颗粒的粘度增大[23,24]，较牢固地附着在植物枝叶上或者凝聚造成土层缺氧，导致红树植物无法正常进行CO2/O2气体交换，生长衰退以至枯萎死亡。

自2017年10月陆域填土基本推进到海堤陆侧，码头围堰封闭成型，2017年12月红树林开始出现死亡。以高岭土痕迹线为基准，判定受损红树林区沉积速率高达4.84-6.22 cm/a，2.25年(自2017年12月至2020年3月)以来滩涂高程提高10.9-14.0 cm，并由上而下形成“悬浮物+高岭土沉积层→高岭土痕迹层→正常底质层”的土壤垂直结构。该剖面结构表明，沉积过程早期为高岭土主导，后期为吹填悬浮物主导。从红树林死亡和受损斑块的“多点开花”特点可推断(详见本刊同期陶艳成等《遥感技术在受损红树林资源调查与监测中的应用》相关研究)，这种沉积理化性质的改变大都发生在高程较低、沉积物易堆积的红树林潮沟两侧，进一步说明早期高岭土主导的溢流和沉积是主因。

根据植物群落调查特征表现，致死应该是一个持续的过程，至2020年3月初进行调查时，大部分死亡的白骨壤植株仍然矗立在滩涂之上。根据项目调查组针对红树林致死机理的研究[15]，由于高岭土的快速沉积和后期吹填悬浮物共同组成的高粘性沉积层对红树林尤其是白骨壤根系的掩盖，致使白骨壤指状呼吸根缺氧死亡，红树植物根际供氧的蟹洞通道被破坏，以及高粘性沉积物粘附于植物叶片、茎枝导致的光合作用受阻，是造成榄根村白骨壤红树林死亡的主要原因。如果外源淤积物来源得不到有效控制，白骨壤的死亡可能仍会继续。

4 结论

广西北海市合浦县白沙镇榄根村龙港新区榄根作业区的围填海工程所导致的早期以高岭土为主要成分，后期以吹填悬浮物为主的快速沉积，致使红树林地表高程的迅速提升所形成的“悬浮物+高岭土沉积层→高岭土痕迹层→正常底质层”的土壤垂直结构，直接改变了红树林受损斑块表层沉积物的理化性质，推测这是引发项目区红树林死亡的主要触因。尽管类似的围填海工程未直接填埋红树林，但是由于工程施工导致的外源物质所引发的红树林沉积物理化性质改变致红树林大面积死亡和退化的现象，值得深思，也需要政策制定者在进行规划和设计时加强顶层审计，通盘考虑，科学规划红树林保护与经济开发关系。