滨海湿地生态修复区土壤盐分时空变异性研究

姜军成,纪殿胜,刘文全,迟永祥,王小清,樊晓杰,韩伟涛

(1.国家海洋局烟台海洋环境监测中心站,山东烟台 264003;2.自然资源部第一海洋研究所,山东青岛 266061;3.潍坊市海洋发展研究院,山东潍坊 261100)

滨海湿地处于陆地生态系统和海洋生态系统的交错过渡地带,是地球上生产力最高、生物多样性最丰富的生态系统之一,具有抵御海洋灾害、涵养水源,保护岸线、调节气候、保护生物多样性等重要生态系统功能服务[1]。近年来,随着围填海、近岸渔业养殖和陆源污染物排海等人类活动的增多,以及风暴潮、海平面上升等气候灾害频发,使得滨海湿地面积急剧减少。据统计,全球约80%的滨海湿地资源丧失或功能退化,而在过去的50年中,我国已损失了53%的温带滨海湿地,湿地生态系统面临前所未有的挑战[2]。因此,开展退化滨海湿地的生态系统修复已成为维持滨海区域生态安全、促进滨海生态经济区高效建设和健康发展的重要举措。

随着对滨海湿地生态服务功能认识的提升,各国政府加强了对滨海湿地保护与管理,退化滨海湿地生态系统的恢复与重建也由此成为国际关注的热点。国外在滨海湿地生态系统恢复研究方面起步较早,积累了较多的滨海湿地保护和修复的技术和方法。我国滨海湿地面临的面积锐减、生态功能退化等严峻问题也得到国家层面的高度重视,先后出台了《关于加强滨海湿地保护严格管控围填海的通知》和《渤海综合治理攻坚战行动计划》等一系列法律法规、政策、规划等文件,这对恢复滨海湿地生态系统生产力,建立滨海湿地保护长效机制具有重要的指导意义。对生态修复来说,生态系统完整性以及生态修复的长期性至关重要。生态修复过程前后的原位监测与精准评估也是必要的,可以确保修复工程的目标得以实现,并根据监测结果进行修复措施适应性优化调整。

土壤作为滨海湿地生态系统的重要组分,是滨海湿地生物的基质和载体,也是滨海湿地生物地球化学循环的中介[3]。土壤盐分是滨海湿地生态系统的重要影响因子,对植被发育、物质循环和土壤微生物多样性等具有重要影响作用。开展滨海湿地修复区土壤盐分的空间分析研究,掌握土壤盐分时空变化规律,是评估修复技术措施的前提,对滨海湿地生态系统的健康与可持续发展具有重要意义。研究表明,地统计学是研究滨海湿地土壤属性时空变异性的有效方法[4]。杨帆等[5]运用经典统计学和地统计学相结合的方法研究了退化湿地土体电导率、盐分含量、pH和钠吸附比的空间变异特征。姚荣江等[6]采用三维克里格和随机模拟方法对苏北海涂区的土体盐分含量的三维空间分布进行了估值、模拟与对比分析。Chi等[7]利用多因子回归、偏最小二乘回归和反距离插值法研究了滨海湿地表层土壤盐分的时空变化特征并对评价精度进行对比分析。该研究以渤海综合治理攻坚战山东省潍坊市滨海湿地生态修复区典型地块为例,利用传统统计学和地统计学相结合的方法进行修复工程前、中、后不同时期滨海湿地土壤盐分空间分布研究,探讨土壤含盐量变化对生态修复工程的响应,研究结果对评估滨海湿地生态修复工程措施的有效性及滨海湿地的立地土壤管理具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况研究区位于山东省潍坊市滨海旅游度假区北端,渤海路东侧,修复区总面积120 hm2(图1)。该区属暖温带半湿润东亚季风区季风气候,四季明显,春季风大干燥,易旱,夏季高温多雨,间有旱灾,秋季温和凉爽,季末易干旱,冬季干冷,雨雪稀少;年平均温度为13.0 ℃,年平均降水量为595 mm,年平均蒸发量1 859.4 mm,平均蒸降比超过3.0。土壤类型为粉砂壤土,研究区原为围填海区域,西北部长有稀疏柽柳、碱蓬等耐盐植被,约占研究区总面积的1/3,东北—西南中间线两侧区域为光板地,其他区域为海水覆盖。2020年7月开始进行生态修复工程,排干区内海水,对整个研究区实施高填深挖工程措施,由北向南开挖深沟,形成若干宽为4 m左右的条形台地,台地上种植盐松、柽柳等耐盐木本植物。

1.2 土壤采样为了获取研究区不同时期滨海湿地土壤盐分空间分布特征,表层土壤采样点均匀地分布于整个研究区,在ArcGIS10.2软件中确定所有采样点,并记录每个采样点的坐标,便于现场采样。共布设表层土壤采样点27个,采样深度为0～20 cm。在现场采样过程中用差分GPS确定每个采样点的位置。表层土壤采样时间分为3次,分别为2020年6月中旬、10月下旬和11月下旬,这3个时期分别对应研究区生态修复工程的前期、中期和后期,共采集滨海湿地土壤样品81个。

1.3 样品分析与处理所有现场采集滨海湿地表层土壤样品密封后带回实验室,室内自然风干、磨碎后过2 mm筛后备用。所有土样均制备1∶5土水比浸提液。表层土壤含盐量采用重量法测定,表层土壤电导率采用电极法测定,表层土壤pH则利用PHS-3C型酸度计测定,具体测量方法参考《土壤农业化学分析方法》[8]。

1.4 地统计分析地统计学是统计学的一个分支,侧重于时空数据集。该方法不仅能有效提示属性变量在空间上的分布变异特征,而且能有效解释空间格局对生态过程与功能的影响[9]。Isaaks等[10]详细描述了地统计学的理论基础,地统计学的核心是半方差函数,它表达了相近观测之间的空间依赖性[10]。半方差函数可以定义为所有被滞后距离(h)分隔的点属性值之差的方差的二分之一,如下所示:

(1)

式中:r(h)为变异函数;h为步长,即样点空间间隔距离;N(h)为抽样间隔为h时的点对数;Z(xi)和Z(xi+h)分别是变量在空间位置xi和xi+h上的取值。

1.5 数据处理利用SPSS 21.0软件进行数据的描述性统计分析、正态性检验及相关分析。半方差函数计算在GS+10.0软件中进行,研究区矢量化及采样点绘制在ArcGIS10.2软件中完成,利用ArcGIS10.2软件中的地统计分析模块完成研究区不同时期生态修复区土壤盐分的空间插值分析。

2 结果与分析

2.1 滨海湿地表层土壤属性的描述性统计分析表1为研究区不同时期滨海湿地表层土壤含盐量、有机质含量和pH的描述性统计分析特征值。由表1可以看出,不同时期表层土壤含盐量普遍很高,修复工程前、中、后期表层土壤平均含盐量分别高达38.43、33.68和28.58 g/kg。按照王遵亲等[11]土壤盐化分级标准(滨海地区),3个时期的表层土壤含盐量均为盐土水平。从不同时期滨海湿地表层土壤含盐量的变幅来看,变幅均较大,最大变幅达到75.6 g/kg,表层土壤电导率表现出与含盐量相同的变化趋势。从整个研究来看,表层土壤含盐量与电导率处于高值水平,不同时期表现出一定的差异性,修复工程前、中、后3个时期表层土壤含盐量逐渐降低,一定程度上说明修复工程措施是合理和有效的。从pH均值来看,不同时期表层土壤pH变化不大,但数值均超过8.5,按照土壤酸碱度划分等级标准,属于强碱性。变异系数CV反映的是表层土壤属性数据的离散程度,CV<10%表示弱变异性,10%≤CV≤100%表示具有中等变异性,CV>100%则表示具有强变异性[12]。从表1可以看出,除pH的变异系数属于弱变异性外,表层土壤含盐量与电导率均属于中等变异性。对各表层土壤属性数据采用Kolmogorov-Smirnov(K-S)正态性检验(P<0.05,双尾),结果表明所有表层土壤属性的原始数据均符合标准正态分布,满足进行地统计学分析的平稳性条件。

表1 滨海湿地表层土壤属性的描述性统计特征值Table 1 Descriptive statistics of the measured soil attributes

2.2 滨海湿地表层土壤含盐量与电导率的相关性分析相关分析是处理变量与变量之间关系的一种统计方法,该方法已广泛应用于社会科学和自然科学等相关领域。线性回归是研究土壤盐分含量与饱和浸提液电导率关系的经典方法。研究表明,土壤含盐量与电导率存在正相关关系[13]。该研究对不同时期滨海湿地表层土壤含盐量与电导率进行了相关分析(图2),结果表明,不同时期的表层土壤含盐量与电导率呈正相关关系,r2均超过0.94,与前人的研究结果一致。工程修复前、中、后3个时期的滨海湿地表层土壤含盐量与电导率相关分析图在趋势和结构上基本一致,为了更好地反

注:a、b、c分别代表前、中、后时期,d代表3个时期的所有点。Note:a,b,c represent early stage,middle stage and later stage respectively,and d represent all points in three periods.图2 土壤含盐量与电导率的散点图Fig.2 Scatter plot of soil salt content and electrical conductivity

映滨海湿地表层土壤含盐量与电导率的关系,将3个时期所有采样点的数据进行了相关分析,得到了二者的关系公式,对未测定滨海湿地表层土壤含盐量的样品,其含盐量可由浸提液电导率ECe经方程换算得到。

2.3 滨海湿地表层土壤属性的空间分析半方差函数的计算一般要求数据符合正态或近似正态分布,否则可能存在比例效应[14],从上文分析可知,所有表层土壤属性数据均符合正态分布,已满足地统计学分析的要求。半方差函数理论模型及参数的确定可参考有关文献[15],根据半方差函数理论及计算模型得表2。由表2可看出,不同时期滨海湿地表层土壤属性的半方差理论模型均符合高斯模型。

表2 滨海湿地表层土壤属性的半方差模型及其参数Table 2 Semivariance models and parameters of surface soil attributes in coastal wetlands

块金值(Co)是一种随机变化,通常是由于测量误差或在样本范围内无法检测到的特性变化造成的,较大的块金方差值表明较小尺度上的某些过程不容忽视[16]。基台值(Co+C)表示总样本变异性,块金值与基台值的比值是一个特别重要的参数,它反映了表层土壤性质的空间依赖性,通常以百分比表示。如果百分比<25%表明该变量具有很强的空间相关性;百分比在25%～75%之间,表明该变量具有中度的空间相关性;如果百分比>75%,则说明当前采样分辨率的空间相关性较弱[17]。此外,如果最佳拟合半方差函数模型的r2<0.5,则认为空间依赖性较弱。表2显示不同时期滨海湿地表层土壤属性的块基比均<25%,且同一土壤属性不同时期的块基比之间变化很小,可见,表层土壤各属性均表现为很强的空间相关性。这说明表层土壤各属性的空间分布主要受结构性因素(如气候、母质、地形等)作用影响。最优拟合模型应为决定系数(r2)接近于1,且残差平方和(RSS)接近于0,可以看出所有表层土壤属性的拟合模型结果均符合这个要求。因此,可依据表2中得到的半方差函数参数进行克里格插值,生成表层土壤属性的空间分布图。

2.4 滨海湿地表层土壤盐分的Kriging插值了解滨海湿地表层土壤属性的空间分布情况对于评估滨海湿地修复区的修复效果和滨海湿地管理具有重要意义。笔者引入普通克里格法预测不同时期表层土壤盐分的空间分布特征。克里格法具有空间插值的平滑效应,平滑效应有助于识别总体空间格局,减少局部变化和随机误差的负面影响。图3为不同时期滨海湿地表层土壤盐分的空间分布图。从图3可以看出,不同时期的表层土壤盐分在空间上呈条带状分布,表层土壤含盐量由西北部向东南部逐步递增,其中以南部含盐量最高。这是由于整个研究区西北部为稀疏柽柳林区域,虽然原为围填海区域,但经过多年的雨水淋洗,导致盐分下降,同时西北部地势明显高于东南部,地表径流带走部分盐分使得土壤含盐量较低,二者共同作用导致西北部土壤盐分含量较低,而东南部和南部区域为海水覆盖区域,虽然经过后期工程修复,但总体含盐量要高于西北部。从不同时期表层土壤盐分含量的变化来看,工程修复的中、后期滨海湿地表层土壤盐分含量逐渐下降,尤其以南部和东南部表层土壤盐分含量下降明显,这也说明该区域的工程修复措施(如高填深挖、灌溉等)起到了降盐的效果。

3 讨论

滨海湿地的生态修复是以生态原则为基础,利用生态技术或生态工程来恢复和重建处于不健康发展状态或严重退化状态的滨海湿地,使其生态功能得到最大限度提升[18]。滨海湿地生态修复是一个长期的过程,目前常使用的滨海生态修复技术包括微生物修复和植物修复,其中植物修复方法简单易行,成本低廉,修复生态的同时还能呈现良好的景观效果[19]。滨海湿地生态修复的关键是植物群落的营建与生态系统的恢复,面临的主要障碍因素则是土壤中含盐量高。

研究表明,在相同条件下,地形上处于较高部位的土壤淋溶作用较强,土壤中盐分离子易淋失[17]。从研究区的工程修复措施实施来看,工程主要是高填深挖,抬高修复植被种植的地面高度,同时两侧开挖深沟,加上后期的灌溉措施,便于土壤盐分从土体两侧的沟渠中淋洗出来。而从该文的研究结果来看,也说明了该工程修复措施有效降低了表层土壤中的含盐量,使盐分逐渐向下层土壤中运移。生态修复区经过工程修复后,区域景观较为统一,南侧湿地植被生境得到有效恢复。同时,从该文的研究结果来看,虽然经过了半年时间的修复,表层土壤盐分下降幅度较大,但土壤含盐量依然处在较高水平,这一方面与原来的土地利用方式有关,另一方面是因为修复的时间较短,需要根据修复效果完善相关修复措施,并制定相应滨海湿地保护对策,加快滨海湿地的恢复与保护进程。

另外,虽然生态修复有效地遏制了滨海湿地的退化,但也相应改变了原有的土地覆被方式,而这种土地利用方式的改变是否会影响生态修复区及周边区域的植被、大气、水文和生物多样性等环境要素[20],还需要进一步加强研究和生态监测。

图4 研究区修复前后效果对比Fig.4 Comparison of effect before and after restoration in the study area

4 结论

滨海湿地退化产生的诸多生态负效应不容忽视,生态修复是一种切实可行并行之有效的措施。生态修复工程的实施及其效果,均需要事中事后的监测与评估,方能体现其适用性和有效性。该研究基于现场原位采样和室内分析数据研究了生态修复工程实施前、中、后期滨海湿地表层土壤盐分的时空变化特征,得到如下结论:

(1)研究区不同时期滨海湿地表层土壤含盐量均很高,变幅较大,表层土壤含盐量前期>中期>后期;不同时期表层土壤pH均超过8.5,具有强碱性;pH的变异系数属于弱变异,而表层土壤含盐量与电导率均属于中等变异。相关分析结果表明,表层土壤含盐量与电导率存在很好的线性关系。

(2)空间分析的结果表明,不同时期滨海湿地表层土壤各属性空间分布均符合高斯模型;不同时期滨海湿地表层土壤各属性的块基比均<25%,表现为很强的空间相关性。

(3)在空间分布上不同时期的滨海湿地表层土壤盐分呈条带状分布,表层土壤含盐量东南部明显高于西北部,尤其以南部含盐量最高。

综上所述,通过科学实施生态修复工程,能够有效降低滨海湿地表层土壤中的盐分含量,进而提高滨海湿地生态系统质量和稳定性,使其继续发挥调节气候、维持生物多样性、资源供给等生态系统服务功能,同时起到滨海湿地生态修复的示范效应。在未来工作中,应积极探索滨海湿地生态修复新模式,重视和保护滨海湿地资源,推进滨海湿地生态建设的可持续性。