生态修复后南通市老坝港围垦区大型底栖动物群落结构的变化及其影响因素

张 刚,欧阳凯,万凯超,吉 萌,张家林,张继武,张明明,付 强*

(1.江苏省有色金属华东地质勘查局地球化学勘查与海洋地质调查研究院,江苏南京 210007;2.盐城工学院,江苏盐城 224053)

滩涂作为陆地与海洋两大生态系统的交错带,不仅蕴藏着丰富的海洋和湿地资源,还是重要的土地和空间资源储备,提供了包括碳汇、净化、调节气候、容纳营养盐、分解污染物以及作为水生生物的栖息地、繁殖区和候鸟迁徙越冬地等一系列重要的生态系统服务功能[1]。目前我国多数滩涂生境质量面临巨大的环境压力,出现了滩涂生物栖息地改变或丧失、生物多样性锐减、底质环境恶化等一系列功能退化现象[2],因此,开展围垦区滩涂生态系统保护和修复,恢复围垦区滩涂原有的生态结构和功能具有十分重要的现实意义。

滩涂生物群落既反映了滩涂生态系统的健康状况,也是生态系统维持稳定平衡的必要条件。大型底栖动物是滩涂生态系统的重要生态类群,具有促进有机质分解、污染物代谢、能量流转和加速自净过程等作用[3-4]。由于大部分底栖动物具有移动性差、生活周期长的特点,其群落结构和多样性特征可用于表征滩涂环境质量的变化情况,并对滩涂湿地生态系统具有一定的指示作用[5-6]。

江苏省南通市海安县老坝港海域处于辐射沙洲群中心,长期以来岸外滩涂不断淤高加宽,属于典型的淤泥质海岸湿地。自20世纪90年代以来,该海域进行了一系列围垦养殖和造陆活动,自然岸线人工化,原海域的生态环境发生明显改变。该研究所调查的区域位于老坝港围垦区的新垦闸附近,于2020年开展了微地形改造和盐碱植被种植的生态修复工程,为评估老坝港围垦区的生态修复效果,于修复前后对区域内底栖生物状况进行了调查,对底栖生物种类组成、群落结构及其生态群落多样性等进行了分析,为海域滩涂湿地保护和制定生态保护规划等提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况新垦闸是老坝港新区实施围填海后新建的通海水闸,主要用于调节堤内水位的泄洪通道。于2020年4月在海安市老坝港新垦闸附近滨海湿地围垦区进行微地形改造和翅碱蓬种植的生态修复工程。首先,通过抬高近岸滩涂高程,开挖土方堆填近岸30 m浅滩堤角处,堆高形成6 个生境岛,在生境岛内采取人工撒播的方式种植翅碱蓬。分别于修复前(2019年11月)和修复后(2020年11月)先后2次对江苏省南通市老坝港新垦闸湿地修复区进行潮间带底质和大型底栖动物调查,以评估该修复工程的生态保护效果。根据老坝港围垦区特征,按照建设项目对海洋生物资源影响评价技术规程要求,在排污口中心及两侧附近海区设置5个调查断面。每个断面各设高潮区、中潮区、低潮区3个站位,共计15个站位,具体调查区域及站位设置见图1。

图1 采样点分布Fig.1 Sampling point distribution

1.3 统计分析采用优势度指数(Y)确定老坝港围垦区的大型底栖动物优势物种;采用底栖动物的密度(个/m2)和生物量(g/m2)来表征底栖动物的数量特征;采用Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Pielou均匀度指数(J)、Margalef丰富度指数(D)来分析底栖动物的多样性特征。各主要指数的计算公式如下:

(1)

J=H′/log2S

(2)

D=(S-1)/log2N

(3)

Y=Ai×Fi

(4)

式中:S为采泥样品中的种类总数;Pi为物种i的个体数占总个体数的比例;N为采泥样品中所有种类的总个体数;Ai为相对丰度;Fi为物种i出现的频率。

运用单因素方差分析(One-way ANOVA)来检验底栖动物群落特征差异的显著性,采用Duncan’s 多重比较检验组间差异。采用Pearson皮尔逊相关分析来检验底栖动物密度、生物量及多样性指数与主要环境因子的相关性,并采用CANOCO 5 软件进行冗余分析(RDA)。

2 结果与分析

2.1 水体和表层沉积物质量调查对修复前后新垦闸区域的水体水质进行比较分析,如表1所示,修复前后水体中DO和CODMn差异不显著(P>0.05),总体上修复后水体中DO含量比修复前略低,而CODMn比修复前略高。与修复前相比,水体中NO3-N含量呈显著下降趋势(P<0.05),NO3-N含量由5.48 mg/L下降为0.26 mg/L。NH4+-N含量呈显著上升趋势(P<0.05),NH4+-N含量由6.04 μg/L上升为100.43 μg/L。修复后水体中TP含量显著上升(P<0.05),TP含量由5.25 μg/L上升为85.47 μg/L。进一步比较修复前后表层沉积物中常见重金属含量,结果显示(表2),修复后沉积物中Cr含量呈上升趋势,修复前沉积物Cr含量为54.20 mg/kg,而修复后沉积物Cr含量为66 .56 mg/kg;除Cr外,修复后表层沉积物中Cu、Pb、Zn、As含量均有所下降,均未超过海洋沉积物质量I类标准。综合来看,修复后新垦闸湿地水质和沉积物质量整体好于修复前。

表1 水体水质调查结果Table 1 Survey results of water quality

表2 表层沉积物中重金属含量调查结果Table 2 Survey results of heavy metal content in the surface sediment 单位:mg/kg

2.2 大型底栖动物群落结构分析底栖动物种类的调查结果显示,2次调查共采集到大型底栖动物16种,包括节肢动物、环节动物和软体动物三大类群,群落结构相对简单。如表3所示,修复前潮间带5个断面共鉴定到大型底栖动物6种,其中软体动物种类最多,环节动物和节肢动物次之。经生态修复后,潮间带大型底栖动物的种类数有明显上升趋势,共鉴定到大型底栖动物16种,其中软体动物的种类最多,环节动物和节肢动物次之,纽形动物和脊索动物种类较少。

从表3可以看出,修复前后大型底栖动物的优势种类表现出一定的差异性,修复前该区域底栖动物群落主要为底上附着型和底内潜穴型,主要优势种为中间拟滨螺、双齿围沙蚕;修复后群落结构由底上附着型、底内潜穴型和穴居型生物组成,主要优势种为中间拟滨螺、双齿围沙蚕、尖锥拟蟹守螺和沈氏厚蟹。

表3 老坝港围垦区修复前后大型底栖动物物种组成及优势度Table 3 Species composition and dominance of macrobenthos in the restoration area of Laoba Port before and after restoration

2.3 大型底栖动物密度与生物量分析修复前老坝港围垦区5个调查断面大型底栖动物的栖息密度为368～792 个/m2,平均值为594 个/m2,其中水闸中部调查点S3和S4底泥中采集到大型底栖动物数量较多,以软体动物中的中间拟宾螺和环节动物中的双齿围沙蚕占优势。与修复前相比,修复后大型底栖动物的栖息密度显著降低(P<0.05),各位点底栖动物的栖息密度为36～70个/m2,平均值为54 个/m2,以中间拟滨螺为主。

如图2所示,修复前后老坝港修复区5个调查断面底栖动物生物量的变化与密度呈现相同的趋势,修复前底栖动物平均生物量总体上显著高于修复后(P<0.05)。修复前大型底栖动物生物量为140.54～280.63 g/m2,平均值为239.47 g/m2,最大值出现的区域在调查点S3(水闸中部),其中环节动物中的双齿围沙蚕的贡献量较大。修复后大型底栖动物生物量为19.43～40.98 g/m2,平均值为31.41 g/m2,最大值出现的区域在调查点S1(闸口处),此调查点以环节动物中的双齿围沙蚕和节肢动物中的沈氏厚蟹贡献量较大。

注:不同小写字母表示同一断面修复前后差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences before and after restoration of the same section (P<0.05).图2 修复前后各断面潮间带大型底栖动物的栖息密度和生物量变化Fig.2 Changes of habitat density and biomass of macrobenthic animals in the intertidal zone of each section before and after restoration

2.4 大型底栖动物群落多样性分析从图3可以看出,修复前各站位底栖动物多样性指数(H′)平均值为0.93,S5站位H′最高(1.17),S1站位H′最低(0.76)。与修复前相比,修复后大型底栖动物H′高于修复前(除S3站位),各站位底栖动物H′平均值为1.22,S1站位H′最高(1.45),S3站位H′最低(0.76)。

修复前各站位底栖动物Pielou 均匀度指数(J)平均值为0.265,S5站位J最高(0.29),S4站位J最低(0.22)。与修复前相比,修复后大型底栖动物J高于修复前(除S3站位),各站位底栖动物J平均值为0.42,S1站位J最高(0.49),S3站位J最低(0.25)。

修复前各站位底栖动物Margalef 丰富度指数(D)平均值为0.74,S5站位D最高(0.83),S1站位D最低(0.69)。与修复前相比,修复后底栖动物D高于修复前,各站位底栖动物D平均值为0.86,S1站位D最高(0.91),S3站位D最低(0.76)。

注:不同小写字母表示同一断面修复前后差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences before and after restoration of the same section (P<0.05).图3 老坝港围垦区修复前后底栖动物多样性指数Fig.3 Diversity index of benthic animal before and after restoration in Laoba Port reclamation area

2.5 大型底栖动物群落结构与环境因子相关性分析Pearson 相关性分析结果表明(表4),修复前区域内各站位大型底栖动物的多样性指数(H′)与表层沉积物Pb含量呈显著负相关(P<0.05);丰富度指数(D)与各环境因子无显著相关性(P>0.05);密度与表层沉积物Cu、Zn含量呈显著负相关(P<0.05);生物量与表层沉积物Zn含量呈显著负相关(P<0.05)。修复后区域内各站位大型底栖动物的多样性指数(H′)与水体中DO和NO3-N含量呈显著正相关(P<0.05),与沉积物中Zn含量呈显著负相关(P<0.05);生物量与水体中NO3-N含量和TP含量呈显著正相关(P<0.05)。

表4 修复前后底栖动物群落结构与环境因子Pearson 相关性分析Table 4 Pearson correlation analysis of macrobenthic community structure and environmental factors before and after restoration

修复前底栖动物群落密度和环境因子的RDA排序中(图4a),沉积物As与沈氏厚蟹(H.tridens)呈正相关。沉积物Pb与中间拟滨螺(L.intermedia)呈正相关,水体DO、CODMn与双齿围沙蚕(P.aibuhitensis)呈正相关。由此可见,修复前老坝港大型底栖动物群落结构的主要环境因子为水体中DO、CODMn含量和沉积物中As、Pb含量。

修复后底栖动物群落密度和环境因子的RDA排序中(图4b),水体中DO与中间拟滨螺、纽虫(Nemertinea)呈正相关,沉积物中As与沈氏厚蟹呈正相关,沉积物中Cu与宽身大眼蟹(M.dilatatum)、圆球股窗蟹(S.globosa)、双齿围沙蚕呈正相关,沉积物中Pb与长吻沙蚕(G.chirori)、刺沙蚕属(Neanthessp.)呈正相关。由此可见,修复后影响老坝港修复区大型底栖动物群落结构的主要环境因子为水体中DO含量及沉积物中Cu、As、Pb含量。

3 讨论

3.1 生态修复对底栖动物群落结构的影响此次调查区域所属的南通市老坝港滨海湿地处于亚热带海洋季风气候区,雨水充沛,是典型的淤泥质海岸湿地。根据历史调查文献可知,南通附近海域具有丰富的滨海湿地资源,底栖动物物种多样性水平较高,属于高生产力海域。如张虎等[7]调查了南通市大型海洋排污海区潮间带底栖生物的潮间带生物组成,共鉴定出了24种潮间带生物,多于此次研究发现的16种。导致这一现象的原因可能有以下两点:首先,前者调查的地理范围比此次研究更加广阔,所发现的物种数量也相应增多;此外,这可能与围垦、造闸等一系列人为活动有关,长期的围垦导致调查区域的生态环境受到严重破坏,底栖动物群落结构也趋于简单[8]。

图4 老坝港围垦修复区修复前(a)和修复后(b)冗余分析(RDA)结果Fig.4 Results of redundancy analysis (RDA) before (a) and after (b) restoration in the reclamation and restoration area of Laoba Port

底栖动物群落结构发生变化的实质是敏感种逐渐被耐受种取代的过程。该研究调查发现,生态修复前后调查区域的底栖动物群落结构发生了较大的变化,主要表现为软体动物和环节动物的优势地位降低,而节肢动物的优势地位明显上升,其中,沈氏厚蟹的优势度明显升高。大型底栖动物对生境具有一定的选择性,这主要是由物种的生活型所决定的,厚蟹喜栖息于中、高潮带海滩富含有机质、硅藻等的生境,可通过掘穴和摄食对滩涂湿地表层土壤进行生物扰动,因此常成为受干扰系统恢复过程中的先锋种类[9]。该研究中通过地形改造、翅碱蓬种植等修复工程恢复受损的泥质海岸,为沈氏厚蟹等甲壳动物提供饵料和适宜的栖息环境。张虎等[7]对南通市大型海洋排污海区潮间带进行调查,其调查位点靠近此次调查区域,结果发现多种与沈氏厚蟹亲缘关系较近的甲壳动物。

3.2 生态修复前后底栖动物的群落特征及多样性差异该调查中,修复前老坝港围垦区域的底栖动物密度和生物量均明显高于修复后,其中双齿围沙蚕和中间拟滨螺等优势种的密度及生物量明显下降,说明生态修复对老坝港围垦区底栖动物物种及生物量的影响程度较大。这可能与老坝港围垦区的生态修复过程中微地形的改造有一定的关系。微地形的改造重塑了底栖动物的生活环境,同时可加速底泥中营养盐和重金属向水体的释放,从而为其他底栖动物的生长提供饵料和栖息场所[10]。与之相似,戴雅奇等[11]调查了土地疏浚后底栖动物的群落结构,发现大型底栖动物的生物量和密度减少,推测可能是由土地疏浚后优势种的适合度减低,而其他种的适合度相对上升引起的。此外,生态修复是一个长期的过程,要完全恢复退化的生态系统底栖生物的丰度和生物量需要较长的时间。有研究指出,有些复杂区域经多年修复后底栖动物仍受到干扰,群落结构并未完全恢复[12-13]。

该研究区域处于老坝港泄洪闸口附近,沿闸口向外辐射方向由于海水流速、沉积物沉降和污染物排放的影响,底质环境呈现较大的环境梯度,底栖动物的生物多样性也表现出沿闸口向外方向呈现了一定的变化。该研究中,修复前各监测站位沿闸口向外方向呈增加趋势,S5站位表现出最高的多样性指数,说明位于闸口外部的断面环境质量要好于内部的断面。这可能与海水的流速有关,闸口外部海水流速降低,可在一定程度上加快有机碎屑沉积量的增加,从而有利于部分底栖动物获取食物[14]。经生态修复后,调查发现闸口处的S1和S2站位的多样性指数明显升高,这可能是由于碱蓬等盐碱植被的种植起到了消能、促淤保滩的作用,从而提高了该站位底栖动物的多样性[15]。综合Shannon-Wiener 指数、Pielou 均匀度指数等进行分析,发现修复后老坝港围垦区底栖动物的多样性指数明显高于修复前。底栖动物的生物多样性越高,群落复杂程度越高,生态系统越稳定,表明老坝港围垦区的生态环境正在恢复。

3.3 环境因子与老坝港围垦区群落结构的关系生态修复后湿地生境特征及环境因子的变化会影响底栖动物的繁殖、生长和群落的演替,最终也将影响整个湿地生态系统的群落结构与功能[16]。该研究相关性分析和冗余分析(RDA)结果显示,修复前后新垦闸底栖动物群落组成主要受水体溶解氧(DO)和沉积物中Cu、Pb、As含量影响,这些筛选出来的环境因子与以往研究结果较为一致,均是影响沿海湿地大型底栖动物物种分布的关键环境因子。水体溶解氧是决定底栖动物群落的结构和功能的重要因素,对底栖动物群落的现存量和种类组成影响较大[17]。该研究调查显示,老坝港修复区水体溶解氧含量整体较高,相关性分析和RDA分析结果显示,中间拟滨螺、纽虫与溶解氧呈正相关。此外,重金属是一些底栖动物生长的必需元素,可通过复杂的食物链在体内蓄积。杨丽等[18]研究发现,不同底栖动物富集重金属的能力及其耐受能力有差别,导致底栖动物受重金属影响的效果存在差异。该研究中,老坝港调查区域沉积物中重金属含量较低,均符合沉积物第一类质量要求。RDA分析表明,老坝港修复区底栖动物的多样性与重金属Cu、Pb、As具有密切的关系,其中宽身大眼蟹、圆球股窗蟹、双齿围沙蚕与Cu含量呈正相关,沈氏厚蟹与As含量呈正相关,长吻沙蚕、刺沙蚕属与Pb含量呈正相关。已有研究显示,微量的重金属可作为营养元素促进青岛文昌鱼的生长,但目前微量或痕量重金属是否促进大型底栖动物生长过程仍未明确[19]。

4 结论

该研究调查了修复前后老坝港围垦区大型底栖生物的群落结构,以此评估生态修复效果。对老坝港围垦区底栖动物群落结构的调查表明,修复前该区域5个断面鉴定到6种底栖动物,修复后鉴定到16种底栖动物。修复前耐污性较强的中间拟滨螺、双齿围沙蚕为主要优势种,修复后沈氏厚蟹的优势度明显上升。与修复前对比,该区域底栖动物栖息密度及生物量下降,但生物多样性指数总体明显增高。相关性分析和冗余分析结果显示,修复后新垦闸底栖动物群落组成主要受水体溶解氧和沉积物中Cu、As、Pb含量影响。综上,通过微地形改造和翅碱蓬种植,老坝港围垦区的底栖动物多样性和生态系统稳定性有了一定的恢复,为今后开展滨海湿地生态修复研究与实践提供了依据。