淤泥质潮间带植被-光滩沉积物稳定性研究—以长江口崇明东滩为例

张莹鑫,张文祥,史本伟,2,汪亚平

（1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室,上海 200241;2.自然资源部第一海洋研究所 自然资源部海岸带科学与综合管理重点实验室,山东 青岛 266061）

0 引言

潮间带 (intertidal flat)是指平均大潮高潮位与平均大潮低潮位间的区域[1].依据沉积物粒度组分不同,潮间带可分为淤泥质、砂质和砂泥混合质等类型[2],本文所述潮间带指淤泥质潮间带.潮间带在我国辽河、黄河、长江、珠江等河口三角洲广泛分布[3-4].潮间带是洄游动物的产卵场、育幼场、索饵场及迁徙候鸟的栖息地[5-7],具有重要的生态功能.同时,潮间带的盐沼植被具有消浪缓流、抵御风暴潮的作用[8-9].在当前全球气候变暖的背景下,海平面上升和人类活动加剧而导致河口海岸潮间带湿地侵蚀风险加大[10-11].研究表明,1984—2016 年全球超过2 万km2潮间带湿地消失[12],其中: 2005 年风暴潮侵蚀了路易斯安那州沿海平原527 km2的湿地[13];在中国,约50%的砂质海岸、7%的粉砂和淤泥质海岸遭受不同程度的侵蚀[14],1984—2019 年江苏灌河口—扁担河口岸线平均每年向陆后退约10 m[15].因此,研究潮间带沉积物的稳定性对揭示潮间带侵蚀机制具有重要的理论和现实意义.

潮间带沉积物的稳定性受沉积物自身及外界因素的影响,如沉积物物理特性 (固结程度、粒径大小和组成等)、生物作用 (植被、底栖动物等)和化学作用 (溶解有机物、金属离子和pH 值等)[16].已有沉积物稳定性研究主要集中在沉积物物理特性方面[17-21].Wang[22]研究发现,沉积物体积密度越大,含水率越低,稳定性越强.另有研究表明,沉积物稳定性还受黏土含量影响,黏土含量在17.8%～33.7%范围时,沉积物稳定性较强[23].植被对沉积物稳定性也有较大的影响,目前这方面的研究还不多.如Morgan等[24]研究发现,具有细须根的土壤比没有根系的土壤稳定性更强,但缺乏植被根系对沉积物稳定性影响的定量分析.因此,本文选择长江口崇明东滩植被-光滩中沉积物为研究对象,通过现场采样和室内实验,定量分析潮间带盐沼植被对沉积物稳定性的影响.本研究可以加深理解盐沼植被在保滩护岸中的作用,为海岸带绿色防护与生态资源开发利用提供科学依据.

1 研究区概况

崇明东滩位于中国第三大岛崇明岛最东端 (图1),由长江径流携带的大量泥沙淤积形成,是长江口口门最大、最完整的河口滩涂湿地[25-27],属于典型的淤泥质潮滩[28].崇明东滩潮间带表层沉积物以粉砂为主,总体呈现自海向陆和自南向北变细的变化趋势 (表1).潮间带的北部 (北八滧)和中部 (东旺沙) 区域为淤泥质潮滩,南部 (团结沙) 区域为粉砂质潮滩[29].植被分布北部主要为互花米草和海三棱藨草群落,中部和南部主要为芦苇和海三棱藨草群落[30].

2 数据采集和实验方法

2.1 现场样品采集

2021 年6 月,在崇明东滩潮间带北断面、中断面和南断面进行沉积物采样,采样断面均与海堤垂直.样点设置如图1 (b),采样时间见表2.现场使用PVC 管 (D=7.5 cm,H=30 cm) 采集沉积物柱样(图2),采样时保持样品原状特征,并对PVC 管两端及时密封.2020 年6 月,在N1 样点附近进行植被采样.选择植被类型相对均质的区域,采集3 个大小为50 cm × 50 cm 的样方,且相邻样方距离均大于5 m.齐地割取样方内活体植被地上部分,带回实验室测量地上生物量,通过互花米草根冠比 (地下生物量与地上生物量之比) 计算出植被地下生物量[31].本文的中断面、南断面植被地下生物量数据来自本文观测点附近已有的研究成果[31-32].

图1 研究区概况及采样点位置Fig.1 Overview of the study area and location of sampling points

表1 崇明东滩不同区域的粒度特征[33-35]Tab.1 Grain size characteristics in different areas of Chongming Dongtan

表2 采样时间及地点Tab.2 Sampling time and place

图2 现场采样Fig.2 In-situ sampling

2.2 室内样品分析

沉积物粒度分析.取表层沉积物0.2 g 于烧杯中,添加10 mL 体积分数为10%的H2O2溶液,静置12 h,以去除沉积物中的有机质成分.随后加入10 mL 体积分数为10%的HCl 溶液,以去除沉积物中的碳酸钙.待反应完全后,利用超纯水对沉积物进行反复冲洗,直至沉积物pH 呈现中性.随后向沉积物中滴加两滴体积分数为10%的六偏磷酸钠 ([NaPO3]6) 溶液,六偏磷酸钠溶液作为分散剂.将沉积物置于超声波分散仪中超声10 min,以保证沉积物充分分散.利用激光粒度分析仪 (LS13320,Backman Coulter,USA) (粒度测量范围为0.4～2 000 µm) 对处理后的沉积物进行粒度分析,得到中值粒径及粒径组分分布,采用Folk-Ward 图解法公式计算分选系数、偏度、峰度等统计参数[3,36].

临界剪切应力测量.将沉积物柱状样分为0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm和20～25 cm 共5 个深度层次,测量每个深度的沉积物剖面的临界剪切应力,取平均值作为该样点的临界剪切应力.采用黏结力仪CSM (Cohesive Strength Meter,V02,Partrac,UK) (图3) 进行测量,其工作原理是利用一定的气压使仪器产生逐渐增强的喷射水流,水流作用于沉积物表面使沉积物发生起动[37].首先启动仪器,释放气压,排除管内空气;然后将CSM 测量仓插进沉积物表层2 cm 深度,用细针管向测量仓内缓慢注入海水;根据样品特征,选择Mud1 模式启动测试.测量过程中,仪器自动记录测试时间、喷射压力及透射率.当透射率基本不变时停止测试.利用内部气压冲洗测量仓,并释放剩余气体.根据式 (1) 计算沉积物起动时刻对应的剪切应力τcr(Pa)[38].

图3 CSM 测量仪器Fig.3 Photo of CSM instrument workstation

式 (1) 中:xp是判断样品出现临界起动状态时CSM 记录的气压值 (Pa);a、b、c、d是仪器出厂标定得到的常数,与仪器的气压值有关,分别为67、310、195和1 623.根据Tolhurst等[38]建立的关系,将每个喷射压力下的透射率取平均值,当平均透射率的变化率超过5%时,定义为沉积物发生起动,此时对应的喷射压力转换为等效水平剪切应力即可反映沉积物的稳定性.本文中使用以上的方法来描述侵蚀的发生[39].

使用SPSS 23.0 统计软件包 (SPSS Inc.,Chicago,IL,USA),通过单因素方差分析法 (one-way ANOVA) 分析不同断面地下生物量的差异及不同断面的临界剪切应力差异.

3 结果

3.1 沉积物粒度

由表3 可知,研究区北断面和中断面沉积物粒度组成主要为黏土和粉砂.黏土和粉砂的占比总和,北断面N1和N2 分别为98.74%和98.34%,中断面相对较少,M1和M2 分别为94.93%和94.97%.南断面沉积物粒度组成以粉砂为主,S1和S2 的粉砂占比分别为77.46%和80.20%,还含有部分砂,黏土含量极少.沉积物的中值粒径北断面最小,N1和N2 分别为5.22 µm和6.84 µm;中断面次之,M1和M2 分别为10.35 µm和11.25 µm;南断面最大,S1和S2 分别为40.65 µm和41.35 µm.粒径由北向南逐渐增大.

表3 潮间带表层沉积物粒度参数Tab.3 Grain size parameters for tidal flat surface sediments

3.2 植被地下生物量

3 个断面植被带的地下生物量数值如图4 (a) 所示.N1、M1和S1 的地下生物量存在显著性差异(p＜0.05).N1 覆盖的植被为互花米草,地下生物量最大,达到(990±91) g/m2.M1 地下生物量相对较少,为(648±124) g/m2,S1 地下生物量最少,为(371±33) g/m2,M1和S1 覆盖的植被均为海三棱藨草.

3.3 植被-光滩中沉积物的稳定性

由图4 (b) 可知,在植被带上,N1 的临界剪切应力较大,达到(3.60±1.60) Pa,M1 与N1 的临界剪切应力没有显著性差异 (p＞0.05).S1 的临界剪切应力较小,为(1.92±0.55) Pa,S1 与M1 临界剪切应力存在显著性差异 (p＜0.05),沉积物稳定性呈现出N1≈M1＞S1 的趋势.在光滩上N2 与M2 均位于淤泥质潮滩,N2 的临界剪切应力为(1.91±1.05) Pa,M2 的临界剪切应力为(2.36±1.05) Pa,N2和M2 的临界剪切应力没有显著性差异 (p＞0.05) .S2 位于粉砂质潮滩,S2 的临界剪切应力为(1.05±0.35) Pa,S2 与M2 的临界剪切应力存在显著性差异 (p＜0.05),沉积物稳定性呈现出M2≈N2＞S2 的趋势.对比分析植被带与光滩的临界剪切应力,沉积物稳定性呈现出N1＞N2、M1＞M2、S1＞S2,即在崇明东滩北断面、中断面、南断面中,植被带的沉积物稳定性均与光滩的沉积物稳定性存在显著性差异 (p＜0.05).

图4 北、中、南断面 (a) 植被带地下生物量和(b) 光滩、植被带临界剪切应力Fig.4 (a) Underground biomass of the vegetation zone,and (b) critical erosion shear stress of the bare flat and vegetation zone at the north,middle,and south section

4 讨论

4.1 沉积物粒度特征对沉积物稳定性的影响

本文选取长江口崇明东滩盐沼植被带与前缘光滩区域,测量沉积物临界剪切应力和粒度特征,分析不同区域沉积物稳定性.根据已有研究,沉积物粒度特征是影响沉积物重力、黏聚力和黏附力的主要因素[16].在光滩区域,北断面和中断面沉积物中黏土含量较高,均在20%以上,南断面黏土含量极少(表3),而北断面和中断面沉积物的临界剪切应力是南断面的2 倍左右 (图4 (b)),从以上分析结果可以看出,黏土含量达到20%以上,可显著地增加沉积物的稳定性.黏土含量对沉积物稳定性的影响主要表现在两个方面: 一方面,沉积物中黏土含量高,泥沙颗粒所受重力作用减小,黏结作用增大,内部黏聚力起主导作用,临界剪切应力增加[40];另一方面,细颗粒黏土吸附在颗粒较粗的粉砂和砂颗粒表面,在颗粒间形成“黏结剂”,填充粉砂和砂粒间空隙,使沉积物内部孔隙率减小,密实度增加,形成更加紧密的整体,沉积物稳定性增强[16,41].因此,黏土含量对沉积物的影响主要是通过改变沉积物之间的黏聚力和密实度进而改变沉积物的稳定性.

4.2 植被对沉积物稳定性的影响

盐沼植被根系对沉积物稳定性具有重要作用.研究表明,根系主要通过两个方面影响沉积物的稳定性.一方面,沉积物抗压强但抗拉弱,而植物根系的抗拉强,能够对沉积物有“加筋”作用,增强沉积物的抗剪强度[42].在植被根系生长的过程中,根尖对沉积物产生轴向压力,使根与沉积物的接触更紧密[43],同时根系表面凹凸不平的侧根、须根、根节和根毛等增大了根与沉积物之间的接触面积,增强了二者之间的摩擦力,起到加固沉积物的作用[44-45].另一方面,盐沼植被根系在生长过程中会分泌多价阳离子和胞外聚合物[46],这些化学物质使沉积物颗粒胶结,增强了沉积物稳定性[16].本文通过对植被带和光滩中沉积物临界剪切应力的研究,发现同一断面的植被带中沉积物的临界剪切应力显著大于前缘光滩区域 (p＜0.05) (图4).这表明盐沼植被根系对沉积物的稳定性具有积极作用,植被根系是通过根系网络和根系分泌物“加固”沉积物,起到固滩护岸作用.

不同盐沼植被类型对沉积物稳定性的影响有所差异.由图4 可知,在海三棱藨草植被带中,M1 的地下生物量较S1 的高 (p＜0.05),M1 的沉积物较稳定;在互花米草和海三棱藨草植被带中,N1 的地下生物量是M1 的1.5 倍,但N1 与M1 的沉积物临界剪切应力无显著性差异 (p＞0.05).由以上分析可知,同一类型盐沼植被带的沉积物稳定性是由地下生物量决定的,随着地下生物量的增加,沉积物稳定性逐渐增强.而不同类型盐沼植被带的沉积物稳定性受根系特征影响,如图5 所示,N1 的地下根茎是互花米草,较M1 的海三棱藨草根系粗,使N1 的沉积物有更强的透气性,沉积物的抗侵蚀性相应变小.因此,沉积物的稳定性不但与植被的地下生物量有关,还与植被根系特征有关,植被根系越细,沉积物稳定性越强.

图5 (a) 互花米草根和(b) 海三棱藨草根Fig.5 (a) Spartina alterniflora roots and (b) Scirpus mariqueter roots

5 结论

本文利用黏结力仪 (CSM) 测量淤泥质潮间带植被-光滩中沉积物的稳定性,通过对比分析实验结果,得到如下结论: ①黏土含量高低影响沉积物稳定性.随黏土含量增加,沉积物黏聚力增强,沉积物更稳定.② 沉积物稳定性在植被带和光滩有明显差异,受植被根系“加筋”作用,盐沼植被带沉积物稳定性显著高于光滩区域.③植被带中沉积物的稳定性主要受到地下生物量和植被根系特征影响.相同类型植被条件下,地下生物量越高,沉积物越稳定.不同类型植被条件下,沉积物稳定性由植被根系特征决定,较粗根系不利于沉积物的稳定.与海三棱藨草相比,互花米草尽管植株高大、根系粗壮,但互花米草植被带内沉积物稳定性差.这方面还有待进一步深入研究.下一步需要扩大现场采样范围与样品采集密度,对互花米草根系、沉积物临界剪切应力进行量化,深入研究潮间带盐沼植被,特别是互花米草根系对沉积物稳定性的影响.