海岸帶地理特征對沉水植被豐度的影響

吳明麗，李敘勇 ，陳年來

(1.甘肅農業大學資源與環境學院，蘭州 730070;2.中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態重點實驗室，北京 100085;3.美國Smithsonian環境研究中心，美國馬里蘭州 21037)

沉水植被(SAV)是指植被體全部位于水面以下的大型水生草本植物，其通氣組織發達，各部分都可吸收水分和養料，皮層細胞含有葉綠素，可進行光合作用。沉水植被為水生生物提供了生存環境、對抑制生物性和非生物性懸浮物、改善水下光照和溶解氧條件、凈化水質等具有重要作用［1-2］。沉水植被在水生生態系統中的作用越來越受到人們的重視。然而，隨著水體污染的加劇和水體富營養化進程的加快，自20世紀60年代以來，沉水植被在世界范圍內出現了大面積的減少。光照衰減及營養物和懸浮物的增加使沉水植被的生長環境極度惡化，有很多學者和專家在水質和光照衰減對沉水植被的影響方面做了大量的工作，附生植被、總懸浮顆粒物、葉綠素和營養物等往往是考慮最多的因素［3-5］。近年來，景觀分析開始應用于海岸帶地理特征對水生生物直接或間接的影響上［6-9］。流域發展可以改變河口的物種多樣性、改變食物網以及底棲生物群落組成結構，流域土地利用類型是健康河口是否退化的一個重要指示器［10-11］。通常，沉水植被生長在淺海岸地帶的溪流和港灣中，這些淺灘是陸地和海洋的過渡地帶，流域通過影響河口水質影響著沉水植被豐度，而河口帶的沉積物、來自海洋方向的浪潮等則直接或間接影響著沉水植被的豐度。本文是在前期研究的基礎上［7］，增加了水體高分辨率海浪高度、沉積物和水體深度等特征數據，并增加了近幾年(2004—2009年)航片解譯的沉水植被豐度數據，系統研究了海岸帶地理特征(流域土地利用類型、河口寬度、海岸線分形維度、流域面積與河口面積比、高分辨率平均波浪高度和沉積物等)對沉水植被的長期分布(1984—2009年)產生的可能影響，從而為制定區域尺度上沉水植被的保護和恢復提供科學依據。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

切斯比克海灣位于美國東部的馬里蘭州和弗吉尼亞州海岸帶(圖1)［12］。海灣水面面積5720 km2，流域面積16.6萬km2，寬度最窄處5.5 km，最寬處56 km，平均深度6.4 m;整個流域包括150條大的支流，其中最長的最主要的河流是薩斯奎漢納河，南北縱貫賓夕法尼亞州，切斯比克海灣50%以上的淡水來自此河。切斯比克海灣海岸線蜿蜒曲折，長達6440 km，是美國重要的漁業生產基地之一，既有來自河流的充沛淡水，又有來自大西洋的咸水，水深較淺，光照條件好，適合各類水生生物生長。在海灣內生長的動植被極為豐富，魚類295種。貝類45種，沉水植被等各種植被達2700多種。近幾十年來，切斯比克海灣資源消耗及水體污染嚴重，生態環境條件惡化，沉水植被出現了大面積的減少。

圖1 切斯比克海灣流域Fig.1 The location of Chesapeake Bay Watershed

1.2 數據來源與整理

文章選取切斯比克海灣128個河口及其所在流域作為分析目標(圖1)。沉水植被豐度數據來自美國弗吉尼亞海洋研究所1984—2009年的高分辨率(1∶24000)航片解譯資料［13］，運用ArcGIS軟件提取得到，由于某些河口多數沒有沉水植被生長，以及兩個河口為人工栽培的沉水植被，剔除這些河口之后，實際選取了99個河口來做分析。沉水植被豐度計算公式為:

式中，%(SAVa)為某個河口的沉水植被豐度;%SAVd為在一個沉水植被生長的基床監測到的沉水植被密度;Ab為沉水植被生長的基床數量;ATε表示估計到的沉水植被在一個基床上能夠恢復生長的最大豐度。流域土地利用類型根據TM影像解譯分為4種類型:建設用地、農業用地、混合用地和林地。鹽度分區為:淡水區、低鹽度區、中鹽度區和高鹽度區。用ArcGIS軟件計算出了河口寬度、海岸線分形維度、流域面積與河口面積比等數據，各河口水體深度來自于美國環境署切斯比克海灣計劃辦公室的海底水體分布圖，河口水體高分辨率(1∶24000)沉積物(由砂粒、粘粒和粉粒組成)及海浪分布圖由美國馬里蘭州自然資源部提供。主要采用SPSS16.0和R軟件來進行數據的分析和處理。

2 結果與討論

2.1 沉水植被在不同鹽度分區及不同土地利用類型下的豐度分布

流域土地利用類型是底棲生物群落是否退化的一個重要的指示器［11］。鹽分濃度的差異是沉水植被豐度空間分布變異的重要因子。頻繁的鹽度波動是造成河口沉水植被衰退的主要原因之一［14］。由圖2和圖3可以看出，所有河口地區及不同鹽度分區，沉水植被在不同的土地利用類型下的豐度分布差異顯著，差異性隨鹽度區域的不同而不同;不同土地利用類型分區下，沉水植被在不同鹽度區域下的豐度分布也顯著，差異性隨土地利用類型的不同而不同。這說明土地利用類型和鹽度是影響區域沉水植被豐度變化的重要因素。流域內不同土地利用類型對向河口輸送的營養物、沉積物及其他污染物的影響不同，引起的水質條件的變化也不相同，進而對沉水植被豐度變化的影響也有所差異。如圖3，沉水植被在建設用地豐度分布相對較低，這是因為建設用地會帶來更多的污染物質的排放，如市政生活污水、草坪施肥和工業活動等排放的污染物輸入到河口中，引起水體環境的改變，水體富營養化以及水體渾濁度增加，減少光照的利用，進而影響沉水植被豐度的分布;也因為建設用地有較大比例的不透水地面，使懸浮物和營養物更容易直接流入水體，使沉水植被在這種土地利用類型下豐度較低。在淡水區和低鹽度區(圖2)，沉水植被在林業用地上的分布較低(圖3)，這可能是因為在淡水區和低鹽度區生長的沉水植被有色可溶性有機質(CDOM)引起的光穿透性降低更為敏感，而在切斯比克海灣，降雨對流域森林土壤腐殖質表層的沖刷攜帶大量的CDOM進入近海淺水區域［3］，是引起光穿透性降低，從而影響沉水植被生長的重要原因。沉水植被在中鹽度區域各個土地利用類型上的分布較低(圖2)，這說明鹽度脅迫對水生植被的生長具有很大的影響，也有研究表明，鹽度是影響沉水植被種子萌發的環境因子之一［15］;鹽度能夠改變抑制川蔓藻和蓖齒眼子菜的平均比生長速率［14］，是影響沉水植被豐度分布的重要因素。

圖2 所有河口及不同鹽度分區，沉水植被在不同土地利用類型下的豐度分布Fig.2 SAV abundance in sub-estuaries with different dominant watershed land use types for each salinity regime

2.2 海岸帶地理特征與沉水植被豐度的相關性分析

圖3 不同土地利用類型分區下，沉水植被在不同鹽度地區的豐度分布Fig.3 SAV abundance in sub-estuaries with different salinity regimes for each dominant watershed land use type

由圖4可以看出，(1)沉水植被豐度與建設用地(%)的關系(圖4):沉水植被多數生長在建設用地為0—20%的范圍內，呈微弱負相關關系;但在＞20%的建設用地上，沉水植被豐度隨著建設用地的增加出現了大幅下降的趨勢。這是因為建設用地上多為排污系統、工業活動等會帶來更多的污染物，直接或者間接的排放到河流中，造成河水水質惡化，從而影響到沉水植被生長，用于發展建設的用地越高對沉水植被的影響也就越大，豐度就會越來越少。(2)沉水植被豐度與河口寬度(km)關系(圖4):沉水植被多數生長在河口寬度為0—3(km)的范圍內，兩者呈正相關關系。相比較其他特征因子，沉水植被豐度與河口寬度的相關性相對較高，隨著河口寬度的增加，沉水植被豐度值也相對增加。這是因為河口寬度的大小對污染物、懸浮物的稀釋具有很大影響，較寬的河口，流動性較好，與外界交換水體的能力就越大，稀釋污染物的能力就越高，河水水質就會相對較好，適于沉水植被生長的環境條件也就較好。(3)沉水植被豐度和流域與河口面積比關系(圖4):沉水植被多數生長在流域與河口面積比為0—20的范圍內，沉水植被豐度與其呈負相關關系;但是在二者面積比大于20時，沉水植被隨著面積比的增加出現大幅下降，呈較強的負相關關系，這表明，單位面積海灣所連接的流域陸地面積越大，適合沉水植被生長的條件就越低，沉水植被豐度就越低。選取的切斯比克海灣99個河口均為比較小的半封閉淺海淺灘地區，在這些區域營養物及懸浮物相比較于大的河口及開放水域來說受河道的沖刷和稀釋就會低很多，因此把流域和河口面積比這一關系作為一個考慮因素。(4)沉水植被豐度與海岸線分形維度的關系(圖4):沉水植被豐度與海岸線分形維度呈微弱極顯著正相關關系。海岸線分形維度越高，沉水植被豐度就越高。這是因為，海岸線越是曲折復雜，就越能形成一些易于沉水植被生長的狹小港灣，更多的營養物沉淀下來，且避免受到大風大浪的沖刷，沉水植被豐度相對較高。(5)沉水植被豐度與高分辨率平均波浪高度的關系(圖4):沉水植被豐度與平均波浪也是呈微弱極顯著正相關關系。波浪對沉水植被具有正反兩方面的影響:一方面平均波浪越高越能帶來一部分營養物，供植被生長，波浪擾動也能使粘附在沉水植被葉片表面的懸浮物減少，提高水體透明度，易于光照達到沉水植被葉片表面，進行光合作用;另一方面波浪擾動也能使一部分懸浮物黏附在葉片表面，對光照產生遮擋，影響其光合作用［7，16］。(6)沉水植被豐度與沉積物的關系(圖4):沉水植被豐度與沉積物呈微弱正相關關系。沉積物可以帶來一定的營養物質，促進沉水植被生長;但沉積物粘附在葉片上，也能使葉片光合作用減少，不利于沉水植被生長。(7)沉水植被豐度與其平均生長水體深度的關系(圖4):沉水植被豐度與其生長平均深度呈微弱負相關關系。如圖3沉水植被多數生長在－4—0(m)淺海淺灘地區，在這一范圍內，沉水植被豐度值幾乎沒有變化，說明沉水植被在此深度內生長良好。

2.3 綜合考慮多種相關特征因子與沉水植被豐度變化的關系

圖4 海岸帶地理特征與沉水植被豐度相關關系圖Fig.4 Correlations of SAV abundance with a single variable of coastal geographical characteristics

圖5為各個特征因子對沉水植被豐度影響的分類回歸樹圖，這個幾個因子共解釋了沉水植被豐度空間變異的60%以上。可以看出，不同特征因子對沉水植被豐度影響的貢獻值不同，影響大小不同。其中流域和河口面積比排在樹的最頂端，當流域與河口面積比小于3.509時，有13個河口，沉水植被平均豐度為2.458%;海岸線分形維度排在樹的第2位，當分形維度小于0.985時，有 26個河口，沉水植被平均豐度為0.3196%;排在樹的第3位為鹽度因素，淡水區和中鹽度為一分支，低鹽度和高鹽度為另一分支;排在樹的最后分支為流域與面積比和平均波浪高度，其中當流域與河口面積比≥5.9時，有21個河口，沉水植被平均豐度為0.3448%，當面積比＜5.9時，有14個河口，沉水植被平均豐度為1.197%;當平均波浪高度＜0.1869時，有13個河口，沉水植被平均豐度為1.15%，當波浪高度≥0.1869時，有 12個河口，沉水植被平均豐度為2.372%。以上是對切斯比克海灣99個河口做的一個綜合分析。其中，流域與河口面積比對沉水植被豐度的影響是最大的，與圖3相對應，流域和河口面積比值越大，適合沉水植被生長的條件就越低，沉水植被豐度相應減少;海岸線分形維度對沉水植被豐度的影響也較大，分形維度越大，越是能形成一些有利于沉水植被生長的港灣［17-18］，且避免受到風浪沖刷侵蝕，沉水植被豐度也就越高。

圖5 海岸帶地理特征對沉水植被豐度影響的回歸樹分析Fig.5 The classification and regression tree model predicting SAV abundance by coastal geographical characteristics

3 結論

(1)所有河口地區及不同鹽度區域，沉水植被在不同的土地利用類型下的豐度分布差異顯著，差異性隨鹽度區域的不同而不同;沉水植被在不同鹽度區域的豐度分布差異也顯著，差異性隨土地利用類型分區的不同而不同。

(2)單個特征因子與沉水植被豐度之間的相關關系微弱。其中沉水植被豐度與河口寬度、海岸線分形維度和高分辨率平均波浪高度相關關系相對較高，且具有極強的統計學意義(P＜0.01)。

(3)不同海岸帶地理特征因子對沉水植被豐度的影響不同;同一因子不同范圍內對沉水植被豐度影響的大小不同，如＞20%的建設用地和＞20%的流域與河口面積比所做的分析中，沉水植被則出現大幅減少的狀況。

(4)不同特征因子對沉水植被豐度的影響不同。分析的99個河口和25a(1984—2009年)時間內，流域和河口面積比是影響沉水植被豐度最大的因素，排在分類回歸樹的最頂端，依次為海岸線分形維度和鹽度等因素。

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