沿海灘涂圍墾對生態環境的影響研究進展

徐彩瑤,濮勵杰,朱 明

1 南京大學地理與海洋科學學院,南京 210023 2 國土資源部海岸帶開發與保護重點實驗室,南京 210023

海岸帶,陸海交互作用的過渡地帶,是典型的生態交錯帶和脆弱區,也是人類開發利用強度最高的區域之一[1- 2]。海岸帶開發不斷干擾濱海濕地生態系統,破壞其自然生態環境,土地利用/覆被發生著劇烈變化,人地關系也隨之改變。沿海灘涂的涵義可分為狹義和廣義,狹義上是指潮間帶,廣義上不僅是指全部潮間帶,還包括潮上帶和潮下帶可供開發利用的部分[3- 4]。目前,沿海灘涂的概念在學術界尚未達成共識,但可以明確的是沿海灘涂濕地是自然濱海濕地的重要組成部分。陸健健指出濱海濕地是海平面以下6m至大潮高潮位之上與外流江河流域相連的微咸水和淡淺水湖泊,沼澤以及相應河段間的區域,分潮上帶淡水濕地、潮間帶灘涂濕地、潮下帶近海濕地和河口沙洲離島濕地4個子系統及若干型[5]。關道明在《中國濱海濕地》一書中指出中國濱海濕地分為自然濱海濕地和人工濱海濕地,其中自然濱海濕地包括淺海水域、灘涂、濱海沼澤、河口水域和河口三角洲,而人工濱海濕地包括養殖水塘、鹽田和水庫；同時指明,灘涂是指底部基質為巖石、礫石、沙石、粉砂、淤泥的海灘[6]。泥灘(潮灘)、砂灘(海灘,俗稱沙灘)和巖灘(巖礁灘或碎石灘)都隸屬于沿海灘涂,只是各自的地質構造成分不同；而根據形態變化,我國沿海灘涂濕地一般分為三類：穩定型灘涂、淤漲型灘涂和侵蝕型灘涂[7]。目前,對沿海灘涂濕地的開發方式統稱為“圍填海”,依據海岸帶的自然特征,海岸帶的開發活動可分為兩大類：圍填海造地后開發(非淤漲型海岸)和自然灘涂圍墾開發(淤漲型海岸)。圍填海造地主要是在沿海修筑海堤圍割部分海域后人為將水排干(或依靠自然干燥、植被生長)或用泥沙巖土等固體物質通過填海的方式形成陸地的行為[8],是人類開發利用海洋的重要方式之一。世界許多沿海國家或地區都采取了圍填海造地的策略,如荷蘭、日本和韓國等[9]；其中,荷蘭是圍填海造地的典型代表,據統計,荷蘭累計圍海造地約9000km2,相當于其陸地國土總面積的1/4[10]。而對于淤漲型海岸,沿海灘涂在河流泥沙作用下不斷向海推進,其面積上動態增長特征為人類生存和發展提供了廣闊的空間[11]；自然灘涂在圍墾和開發后逐漸轉變為水產品養殖、農業、工業、居住等用地,如《江蘇沿海地區發展規劃》[12]。圍墾工程所引起的生態環境變化受到國內外專家學者的廣泛關注,本文對沿海灘涂圍墾開發的歷史及現狀進行簡要梳理,并綜述了人類圍墾活動影響下的灘涂濕地土壤性質、生物多樣性、土地利用及景觀格局、生態系統服務及生態安全的國內外研究現狀,在此基礎上進行初步展望,為推動海岸帶生態系統的可持續發展提供參考。

1 沿海灘涂圍墾開發的歷史及現狀

沿海灘涂圍墾活動歷史悠久,影響巨大,世界上許多沿海國家與地區都已開展(圖1)。從13世紀開始,荷蘭的土地面積因海水侵蝕減少了5600km2；分別于1932 年和1982 年建成的須德海工程和三角洲工程是以根治洪水災害和推動經濟發展為長遠目標[13]；荷蘭的海岸帶開發從最初的建立堤壩來保護沿海居民免受高潮和洪水危害到21世紀的退灘還水以保護海岸帶生態環境的模式,其總體目的是保障生存安全。同時,韓國和日本也在海岸帶地區進行著大量的開發活動。韓國從20世紀60年代以農業為主的大規模圍墾到20世紀80年代以后控制和縮減圍墾規模的變化過程[14],于1991年啟動、2006年建成的新萬金工程計劃便是其最具代表性的工程之一[15]。日本的海岸帶開發最早始于11世紀,經歷了以農業為導向的圍海造田到以工業開發為主的填海建廠的大規模開發階段,再到以第三產業為主的限制開發階段[14],工業化發展和人口增長是其主要驅動因素。美國進行海岸帶開發的驅動力主要是城市化發展[16],由于其人口主要聚集在沿海區域,隨著沿海城市發展迅速,海岸帶開發較為明顯。

圖1 已開展沿海圍墾活動的國家分布圖Fig.1 A sketch map on the countries with reclamation projects該圖中沿海圍墾國家分布情況是通過ISI Web of Knowledge平臺獲取：選擇Web of ScienceTM 核心合集,檢索主題為“coastal”并包含“reclamation”,時間跨度為2006—2016,共得到545篇文獻；導出文獻后,通過Citespace軟件分析研究分布的國家,共得到64個國家；同時也獲取到每個國家在所有文獻中出現的頻率(圖1中以柱狀圖表示),以此表征近10年來各個國家對沿海圍墾活動的研究熱度。該方法所得結果只作為參考,并不是精確描述

隨著社會經濟的飛速發展以及城市化進程的逐步推進,中國的人地矛盾日益突出；而沿海灘涂圍墾工程的實施是東部沿海地區緩解人地矛盾的主要方式之一(圖2)。中國擁有近18×103km的大陸海岸線和14×103km的島嶼岸線,其中,淤泥質海岸岸線全長超過4×103km,約占全國大陸海岸線總長的1/4,沿岸擁有近20×103km2的潮灘濕地[20]。1985至2010年間,我國海岸帶地區圍墾海岸帶濕地超過7500km2 [21]。按照行政單元來看,中國沿海地區有9個省份(遼寧、河北、山東、江蘇、浙江、福建、廣東、海南和臺灣),一個直轄市(天津),一個自治區(廣西)以及兩個特別行政區(香港和澳門),其中,圍墾強度較大的地區有江蘇、浙江以及環渤海區域[21- 22]。據統計,新中國成立以前我國圍海造地面積已達1.3×105km2[23]。1949年以來,直到20世紀60年代中期,圍墾主要以鹽田擴張的形式進行,如河北、天津的長蘆鹽場和海南的鶯歌海鹽場；20世紀60年代中期到70年代,圍墾工程主要為農業發展服務,如上海、江蘇和福建；20世紀80年代至90年代后期,以水產養殖為主進行的灘涂開發；21世紀初期以來,大范圍的土地開墾以促進地區快速經濟發展,新增土地主要用于城市化、工業化及港口建設,如天津濱海新區、河北曹妃甸新區和上海南匯東灘墾區[19]。根據預測,2050年前,有可能再造10000—15000km2土地的生存空間[24]。

圖2 中國沿海圍墾歷史及現狀[17- 19]Fig.2 The history and status quo of coastal reclamation in China

2 圍墾活動影響下沿海灘涂土壤性質變化

沿海灘涂土壤是由含有一定量有機和無機養分的濱海相母質在周期性的濕潤條件下經過緩慢而復雜的生物循環、物質還原以及微弱淋溶等過程發育而成[25]。大部分自然灘涂經圍墾開發后成為水產養殖、農業用地和建設用地等,其物理、化學和生物特性均會發生變化。目前,圍墾活動下灘涂土壤性質的變化以及質量演變過程已被眾多學者分析和探討。

土壤物理性質主要包括土壤結構性、孔性、力學性質和耕性,各種性質和過程相互聯系、相互制約。現有研究中,沿海圍墾活動對土壤物理性質的影響較常用的指標有土壤質地(顆粒組成：砂粒、粉粒和粘粒含量)、土壤結構(土壤顆粒的排列與組合形式,如,團粒結構)、土壤容重(田間自然狀態下單位容積土體的質量,含土粒和孔隙)和土壤水分含量等。圍墾灘涂大多數屬于粉砂淤泥質,故隨著圍墾年限的增加,灘涂土壤中砂粒減少而粉粒、粘粒增加。陳影影等對江蘇東臺灘涂圍墾區的研究表明,隨著圍墾時間的增加,經過淋洗和耕種,土壤不斷熟化,細粒組份含量不斷增加[26]；張濛等在江蘇如東圍墾區的研究表明,在60a的圍墾過程中,不同人類干擾強度下,土壤粒徑分布均表現出在脫鹽過程中隨圍墾年限增加而砂粒減少、粉粒和粘粒增加的過程,脫鹽后砂粒的年均下降率可達0.72%[27]；Sun等的研究顯示土壤顆粒組成在圍墾后30a趨于穩定[28]。現有研究中,圍墾活動對灘涂土壤團聚體的研究較少；李建國研究江蘇如東圍墾區灘涂土壤團聚體得出,隨著圍墾時間的增加,<53μm和>250μm團聚體呈先減少后增加的趨勢,而53—250μm團聚體則呈先增加后減少的趨勢[29]。圍墾后灘涂土壤含水量呈現下降的趨勢而容重呈增加的趨勢,含水量的降低主要是受圍墾后高程增加導致地下水位降低的影響。Sun等的研究證實長江口奉賢墾區土壤含水量遵循這一規律,且在圍墾后30a達到穩定狀態[28]；分析珠江口圍墾100a來土壤性質變化發現隨著圍墾年限的增加,含水量逐漸降低,0—60cm土壤容重均值由0.74g/cm3增加到1.06g/cm3[30]。土地利用方式的不同能顯著影響土壤物理性質。周學峰等的研究表明,不同土地利用方式能顯著影響表層土壤(0—20cm)的顆粒組成,對深層土壤的影響不顯著；表層土壤粘粒(<4μm)和細粉砂(4—16μm)含量差異明顯,表現為稻田>菜地>林地[31]。

土壤化學性質主要包括土壤膠體,土壤溶液的化學反應(酸堿反應和氧化還原反應等),以及土壤元素(碳、氮、磷、硫、鉀和微量元素等)的生物地球化學循環等,它們之間相互聯系、相互制約。目前,灘涂土壤化學性質變化研究主要分析土壤pH,電導率和鹽分,養分(碳、氮、磷和鉀等)循環以及重金屬、有機污染物的含量變化等。一般而言,灘涂鹽土在農作物殘體、有機肥的添加以及人為耕作管理的影響下,隨著圍墾時間的增加,總體趨勢表現為鹽分下降,pH值降低,養分增加。如,Fernández等分析西班牙北部的比斯開灣自然濕地和圍墾區濕地土壤性質發現,圍墾后土壤pH值以及碳酸鹽和可交換性鈣的含量下降,而有機質和鐵含量增加[32]；張晶等借助時空替代法對江蘇南通如東圍墾后60a來表層土壤性質進行分析表明,隨著圍墾年限的增加(0—60a),土壤pH由8.02降為7.68,有機質、堿解氮和速效磷分別從4.60g/kg、19.01mg/kg和9.57mg/kg增至9.24g/kg、49.61mg/kg和10.42mg/kg,而速效鉀由393.13mg/kg降至151.18mg/kg,且圍墾后10年是pH和養分變化的轉折點[33],Xu等在該地區的分析表明圍墾后土壤鹽分逐漸下降,表層土壤鹽分由約40dS/m減少至約2dS/m,且在圍墾后30a趨于穩定[34],而王琪琪等借助土壤質量綜合指數評價該地區土壤質量發現圍墾60a來土壤質量隨圍墾時間變化軌跡為急劇提高(10a)—相對穩定(10—30a)—持續提高(40—60a)[35]；張濛等在江蘇鹽城東臺灘涂圍墾區的研究顯示58a的人類耕作活動使得灘涂土壤電導率(EC1∶5)從5.29dS/m降至0.11dS/m,pH1:2.5由8.76減少到7.93,而土壤有機質、全氮和堿解氮則由2.64g/kg、0.15g/kg和15.91mg/kg增至13.72g/kg、1.12g/kg和48.96mg/kg,速效鉀從342.45mg/kg降至119.65mg/kg[36]。其中,土壤養分在總體增加的趨勢下可能會存在細微的波動,例如,Iost等和吳明等對杭州灣濱海濕地分析發現有機碳在圍墾后5—20a內先減少然后逐漸增加[37- 38]；周學峰對崇明東灘圍墾區土壤的分析發現0—20cm土壤有機碳含量在圍墾后9a內由0.564%降至0.33%,隨后開始上升,到圍墾年限為38a時增加至0.529%[39]。此外,土地利用方式的不同也會導致土壤化學性質的差異。灘涂墾區主要限制因子——土壤鹽分的變化趨勢受土地利用方式的影響較大：Li等研究發現開發為養殖水塘的土壤鹽分比自然灘涂和建設用地、林地、耕地等其他用地類型要高[40],但Xu等研究得出開發為耕地的土壤電導率高于養殖水塘,又指出土壤脫鹽作用在圍墾后30a達到平衡[34],然而Sun等發現鹽分在圍墾后49—109a內出現上升的變化趨勢[28]。此外,灘涂經圍墾開發后養分含量的多少也與土地利用方式有關：周學峰研究得出圍墾后成為稻田、菜地和林地的0—20cm土壤有機碳含量分別為0.546%、0.443%和0.307%[39]；Li等的研究表明農業用地的有機質(4.7%)、硝態氮(28mg/kg)以及有效磷(47mg/kg)含量要高于養殖水塘、林地、果園和建設用地等[40],主要原因是由于農業活動不斷的施肥；但也有研究指出土壤全磷含量不因土地利用方式和土壤深度發生變化[41]。

土壤酶活性和土壤呼吸是反映土壤生物性狀的重要指標,均與土壤微生物、動物和植物有關,也都能指示土壤質量的變化[42- 43]。研究表明,在長江口濕地的研究得出,筑壩促淤等人類活動導致干擾強度升高使得灘涂土壤呼吸加大[44]；對江蘇如東圍墾區分析發現,圍墾后土壤脲酶、酸性磷酸酶和堿性磷酸酶的活性隨圍墾時間顯著提高[35]。不同土地利用方式下灘涂土壤酶活性和微生物數量受到影響：張士萍的研究得出種植果蔬的土壤微生物數量和土壤脲酶、堿性磷酸酶和轉化酶活性比種植水稻和魚塘要高[45]。此外,土壤微生物生物量反映微生物在土壤中的實際含量和作用潛力,也代表著土壤養分的活性部分,主要有微生物量碳、微生物量氮、微生物量磷和微生物量硫等,常被用于評價土壤質量的生物學性狀。張容娟等分析上海崇明島灘涂圍墾區不同土地利用方式土壤微生物生物量碳含量表明,由于表層土壤的秸稈和肥料的投入較高,水作農田的土壤微生物生物量碳最高,林地和旱作期農田土壤相對較低,而撂荒地或裸地最低[46]；目前,系統地分析圍墾活動對土壤微生物生物量的影響的研究較少。

土壤的物理、化學和生物性質相互影響、相互制約。灘涂土壤的理化性質和生物特性因圍墾后土地利用方式不同導致人類活動強度、管理方式等的差異而發生變化。總體而言,圍墾活動下沿海灘涂土壤在圍墾后30年左右趨于穩定,如,長江口奉賢段圍墾區土壤理化性質在圍墾后30年達到穩定狀態[28]；圍墾期限超過30年后,江蘇如東縣灘涂區土壤氮轉化速率指標(總礦化率、凈礦化率、總硝化率、凈硝化率、銨態氮同化率、硝態氮同化率)漸趨穩定[47],該地區農業用地的土壤質量在圍墾后30年趨于穩定[35]。

3 沿海灘涂圍墾活動對生物多樣性的影響

生物多樣性是指生命形式的多樣性,具體來說是在一定時間和一定地區所有生物(動物、植物、微生物)物種及其遺傳變異和生態系統的復雜性總稱[48]。在人類活動干擾強度不斷增加且圍墾堤壩阻斷了海水進入的背景下,灘涂濕地原有的自然、濕地生態系統逐步轉變為人工、陸地生態系統。已有研究分析圍墾活動對沿海灘涂濕地生物多樣性的影響主要從植物、動物和微生物三方面進行展開。

一般來說,隨著圍墾時間的增加,灘涂圍墾區植物物種多樣性呈現不斷增加的總體趨勢。沿海灘涂圍墾區植被調查結果表明,江蘇東臺灘涂新圍墾區(圍墾年份為2005—2013年)內主要優勢物種是互花米草和鹽地堿蓬[49]；杭州灣南岸新圍墾區內植物以禾本科(Gramineae)、菊科(Asteraceae)以及一些鹽堿地特有植物種類為主,僅出現旱柳(Salixmatsudana)和檉柳(Tamarixchinensis)2種木本植物且個體較小(樹高<5m),呈現以占群落總數80%的灌叢植物群落為主,輔以少量草本群落為特征的分布格局,缺少自然森林植被[50]。多數研究基于“以空間代時間(時空替代法)”調查不同圍墾年限圍墾區內自然植被群落以揭示沿海灘涂濕地生態系統在圍墾活動影響下自然植被的演替過程,結果表明,杭州灣海岸帶(長江口)奉賢圍墾區調查的67個樣方中總共發現50個物種,分屬20科50屬,其中禾本科和菊科占全部種數的46%,還有豆科、莎草科、蓼科、莧科、茄科等,且物種豐富度指數和物種多樣性指數隨著土地利用程度的升高出現先上升后下降的趨勢而物種生態優勢度指數則呈下降趨勢[51]；崇明東灘圍墾區內共出現49種草本植物,涉及20科45屬,其中菊科和禾本科約占全部種數的45%,還包括豆科、藜科、大戟科、蓼科、莧科和旋花科等,且草本植物物種多樣性在圍墾年限50a左右時達到最大值,隨后出現小幅下降[52]；慎佳泓等調查樂清灣和杭州灣灘涂墾區的海陸樣帶發現在新圍墾區,植物種類多集中于互花米草、蘆葦、堿菀、鹽地堿蓬、鉆形紫菀、海三棱藨草等少數物種,其中以互花米草和蘆葦的優勢度為最大；隨著圍墾時間的推移,一年蓬(Erigeronannuus)、苦苣菜(Sonchusoleraceus)等菊科以及狗尾草(Setariaviridis)、狗牙根(Cynodondactylon)、畫眉草(Eragrostispilosa)等禾本科的比例逐漸增加；圍墾后30a因人工栽培出現蘿卜(Raphanussativus)以及木麻黃(Casuarinaequisetifolia)、桉樹(Eucalyptussp.)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)等喬木,植物群落的種類更加豐富[53]。由上述研究可以看出,在人類圍墾活動的干擾下,沿海灘涂濕地生態系統主要群落的變化是從適宜灘涂生長的沼生鹽生植被群落,演替為以菊科和禾本科為主的陸生灌草群落,進而逐漸出現由高大喬木組成的復雜植被群落,植被群落的組成完全改變且物種多樣性先降低后增加。研究表明,土壤因子是影響植物群落組成及物種多樣性的重要外因,而土壤的水鹽特征是灘涂圍墾區影響植被分布的重要限制因子[51, 54],而土地利用方式和圍墾時間亦能通過改變土壤性質進而對植被群落分布產生重要影響[55]。此外,外來物種的引進也嚴重影響了灘涂濕地生態系統的生物多樣性[56- 58]。

圍墾活動使得沿海灘涂濕地生態系統向陸地生態系統轉變,依賴于生境條件的動物群落組成和多樣性也因此而改變。目前,沿海灘涂濕地研究較多的動物主要分為兩大類：底棲動物和水鳥。底棲動物是濕地生態系統的次級生產者,調節食物網中物質循環和能量流動,既可作為捕食者,攝食浮游生物、植物、碎屑等,又可作為被捕食者,為鳥類等高營養級動物提供食物。現有研究表明,自然灘涂的底棲動物以節肢動物、軟體動物和環節動物為主：張崇良等在膠州灣潮間帶調查大型底棲動物共得到95種,其中多毛類(環節動物)31種,甲殼類(節肢動物)20種,軟體類(軟體動物)33種,占全部物種數的88.42%[59]；浙江靈昆島東灘濕地[60]和珠江口伶仃洋西海岸[61]的調查結果也較為一致。研究還表明,灘涂圍墾區內大型底棲動物群落的分化程度降低,底棲動物群落種類顯著減少,群落組成發生變化：韓國新萬金工程(Saemangeum project)引起底棲生物的減少甚至消失[55, 62]；日本諫早灣的軟體動物雙殼類和腹足類在圍墾活動的干擾下不斷減少[63]；袁興中等在長江口南岸進行對比調查發現圍墾后甲殼動物種類明顯減少,隨著圍墾時間延長,環節動物多毛類種類減少,直到最后消失,而軟體動物和昆蟲幼蟲種類所占比例則明顯增加,分別從占總種數的29.41%、5.89%增加到50.00%和25.00%[64]；黃少峰等在珠江口伶仃洋西海岸進行比較調查得出,自然灘涂的底棲動物種類數顯著高于圍墾灘涂(P=0.0002)[61]；胡知淵等在浙江靈昆島東灘濕地的研究也支持這一結果[60]。圍墾對底棲動物群落結構及多樣性的影響是通過改變潮灘濕地生境中的多種環境因子造成的,如高程、水動力、沉積物特性等的改變[65],灘途圍墾后水文條件的變化是影響大型底棲動物群落的重要因素之一。圍墾使得底棲動物群落結構發生變化,而以底棲動物為食的水鳥群落也相應地受到影響。楊月偉等于1997、1999和2003年調查浙江樂清灣水鳥分布及多樣性特征顯示,鳥類多樣性指數和均勻度指數均呈下降趨勢,并指出這可能與圍墾等人為干擾因素有關[66]；張斌等在長江口南匯東灘研究圍墾后生境變化對水鳥群落結構的影響得到自然灘涂的減少是鸻鷸類數量下降的主要因素,而大型水產養殖塘和蘆葦的增加使得雁鴨類和鷺類數量增多[67]；趙平等調查崇明東灘自然保護區的越冬水鳥發現魚塘-蘆葦濕地區擁有最大的越冬水鳥物種多樣性和個體多度,低潮鹽藻光灘帶次之,而海三棱草帶和堤外蘆葦帶較低[68]；有研究分析得出,裸露淺灘面積、水域面積、植被密度等因素也是鳥類分布的影響因素：對上海南匯東灘冬季雁鴨類群落和春季鸻鷸類的調查表明,雁鴨類種類、密度與明水面面積顯著正相關,與植被面積和植被蓋度顯著負相關,鸻鷸類種類、密度均與裸露淺灘面積顯著正相關,這一結果在崇明東灘得到印證[69]。

4 沿海灘涂圍墾活動對土地利用和景觀格局的影響

在人類圍墾活動的作用下,海岸線已由人工岸線逐步代替自然岸線,據統計,中國大陸人工岸線的長度由20世紀40年代初期的0.33×104km(18.30%)上升至2014年的1.32×104km(67.1%),自然岸線則由20世紀40年代初期的1.48×104km(81.7%)下降至2014年的0.65×104km(32.9%)[73]。沿海灘涂的土地利用方式也由以自然狀態(灘涂、葦草地、灌草地和林草地等)為主逐漸轉化為以人工方式(旱田、水田、養殖水塘、河庫溝渠、農村建設用地、城鎮建設用地等)為主[74- 79],且轉變速度在不斷加快[80]。已有研究表明,沿海灘涂圍墾后景觀的斑塊數量增多,斑塊形狀更加簡單、規則,分維數下降,破碎化程度升高,景觀多樣性降低,優勢度上升。張緒良等對萊州灣南岸濱海濕地的景觀格局分析發現,圍墾活動影響下自然濕地逐漸轉化為養殖水塘、鹽田等人工濕地,景觀多樣性指數下降、斑塊破碎化指數升高[81],這一結論在珠江口[78]、長江口[82]、江蘇鹽城海岸帶[83- 84]、天津濱海新區濕地[84- 85]和閩東濱海濕地[86]等的研究中也得到體現。沿海灘涂濕地景觀格局變化的驅動因子主要分為自然因素和人為因素。研究發現人類活動引起的土地利用變化是其主要原因,而人口增長和經濟發展則是土地利用變化的主要推動力,如江蘇鹽城海岸帶[87]、天津濱海新區濕地[85]、珠江河口區濕地[88]。有學者通過對長江口奉賢段圍墾區海岸帶景觀動態變化驅動力分析發現小尺度內人為因素對灘涂景觀變動的貢獻率達到57.1%[89]。此外,有研究表明,沿海灘涂濕地的土地利用強度在圍墾初期急劇上升,一定時間(30—40a)后達到穩定狀態：孫永光等在長江口南匯圍墾區的研究得出土地利用多樣性指數呈上升趨勢并在圍墾后35—40a達到穩定態；許艷等以江蘇省如東圍墾區為研究區發現土地利用強度以及土地利用多樣性指數在圍墾后30a達到最高[90]。

5 圍墾活動影響下沿海灘涂生態安全狀況

目前,生態安全包括廣義和狹義兩種定義：廣義的生態安全是指在人的生活、健康、安樂、基本權利、生活保障來源、必要資源、社會次序和人類適應環境變化的能力等方面不受威脅的狀態,包括自然生態安全、經濟生態安全和社會生態安全, 組成一個復合人工生態安全系統；狹義的生態安全是指自然和半自然生態系統的安全,即生態系統完整性和健康的整體水平反映[91]。生態安全的研究主要關注生態脆弱區,現已成為生態學、地學和資源與環境科學等領域的重要課題。關于其研究內容,肖篤寧等指出生態安全研究包括生態系統健康診斷、區域生態風險分析、景觀安全格局、生態安全監測與預警以及生態安全管理、保障等方面[91]；彭少麟等闡釋其主要包括環境資源安全、生物與生態系統安全和自然與社會生態安全[92]。綜上所述,生態安全的研究包含客觀性分析與主觀性評價兩個層面：一是對生態系統質量與活力的客觀分析,即氣候、水、空氣、土壤等環境和生態系統的健康狀態；二是從人類對自然資源的利用與人類生存環境辨識的角度來分析與評價自然和半自然生態系統,也就是人類在生產、生活和健康等方面不受生態破壞與環境污染等影響的保障程度,如,飲用水與食物安全、空氣質量與綠色環境等基本要素。

圍墾活動影響下沿海灘涂的生態安全問題主要表現在生態環境質量(如,土地資源安全、水資源安全)、生態系統健康(如,生物入侵造成生態系統失衡)以及人類生存環境的保障(如,自然、地質災害加劇使得當地居民利益受損)等方面。土地資源安全主要指來自砷、重金屬(如,鋅Zn、鎳Ni、鉻Cr、銅Cu、鉛Pb和鎘Cd等)或有機物(如,多氯聯苯PCBs、多環芳烴PAHs等)等造成的土壤污染。圍墾造成的灘涂濕地生態系統愈發脆弱和敏感,灘涂所受砷、重金屬及有機污染物的風險也大增。雖然部分灘涂墾區的重金屬環境質量良好,但隨著人類活動干擾,生態風險水平有逐步增加的趨勢：呂建樹分析了整個江蘇海岸帶的重金屬環境得出,江蘇海岸帶土壤重金屬環境質量較好,基本能保證農業生產和人體健康,處于輕微生態風險水平,而Cd和Hg是江蘇海岸帶土壤污染程度最高的兩種元素,均處于中等生態風險水平[93]；姚榮江等對江蘇東臺灘涂圍墾區重金屬分析得出該地區不存在土壤重金屬明顯超標的現象,但重金屬引起的潛在生態風險及污染水平總體趨勢為工業園區>居民區>農田>圍墾灘涂[94]；珠江口濕地在人類開發活動下已受到Cd(2.79—4.65mg/kg)、Zn(239.4—345.7mg/kg)和Ni(24.8—122.1mg/kg)的污染[95]；黑海[96]、渤海和黃海[97]、萊州灣附近海域及長江口和杭州灣海域[98]以及北部灣[99]等沿海區域也已被證實受重金屬污染；王曉輝等研究得出養殖水塘因圍墾后環境較為穩定,故養殖水塘重金屬風險較低[100]。此外,Zhao等通過時空替代法分析珠江口濕地發現圍墾后100年來土壤PCBs含量發現隨著圍墾時間的增加PCBs含量升高[101],Xiao等對珠江口濕地的研究發現PAHs含量在人類圍墾活動下有所升高,且工業區>碼頭區>農田>水閘區>自然濕地[102]。由上可見,工業發展和城鎮化建設是土壤重金屬、有機物污染風險升高的主要驅動力,強烈的人類活動加速了土壤重金屬和有機物的累積；因此,圍墾活動下的土地資源安全應予以重視。水資源安全主要是指水體富營養化問題；陸源氮磷輸入是導致水體富營養化的主因,而生產生活污水排放、養殖水域養分流失、農業活動等是氮磷輸入的主要來源。已有研究表明,韓國新萬金工程的實施導致當地水體缺氧、水資源質量惡化,連續引發赤潮[103]；Strokal等分析了中國各大海域(渤海灣、黃海和南海)富營養化潛在風險得出至2050年氮磷輸入量仍將增加30%—200%,而污水處理、農業管理可能是減輕風險的有效途徑[104]。生物入侵不僅能完全改變生態系統的結構和功能,而且能深刻影響人類的生產、生活及健康,甚至造成重大的經濟損失。目前,大米草和互花米草被認為是沿海灘涂主要且關注較多的入侵物種,最初因保灘護岸、促淤造陸等目的而人為引進,但研究顯示可能對被入侵地的自然環境、生物多樣性、生態系統乃至經濟生活帶來一系列影響,如,侵占大片灘涂進而取代土著植物、影響海水交換能力致使水體富營養化、因改變底棲動物和水鳥的棲息地導致生物多樣性下降、生長迅速且根系發達使得航道堵塞、開發利用價值低造成經濟損失等危害[105- 107]。全球氣候變化的影響下,沿海灘涂濕地生態系統遭受因海平面上升帶來的一系列影響(海嘯、風暴潮等),而高強度人類活動使得圍墾灘涂濕地生態系統失衡、抵抗力下降,更易引發生態、地質災害。研究表明,韓國新萬金工程使得海岸侵蝕加劇,生態災害頻發,濕地生態系統自身健康受損[103]；江蘇連云港海岸帶濕地生態適宜性評價顯示,70.38%的海岸線生態環境處于不適宜狀態,這一結果也通過分析污染物含量和水體質量得到驗證[108]；Lotze等總結分析了人類活動對河口、海岸帶等濕地的影響發現,超過90%的重要物種和高達65%的海草以及濕地棲息地被毀壞,水體質量退化,外來物種入侵加速[109]。

此外,學者們利用模型進行生態系統整體的生態安全評價,其中壓力-狀態-響應(PSR)模型是較典型的方法。研究表明,圍墾活動使得濕地生態系統的生態安全狀況逐步惡化,如,欽州灣濱海濕地[110]、江蘇南通沿海灘涂濕地[111]和廣西近海生態系統[112- 113]。還有研究者借助景觀生態學理論和景觀指數法來評價景觀生態安全得出,隨著圍墾時間的增加,生態系統由灘涂濕地生態系統轉向陸地生態系統,景觀生態安全指數在波動中逐漸升高,生態系統重新達到穩定狀態；而沿海灘涂的景觀生態安全狀況于圍墾后34—37年達到一個新的平衡狀態[114- 115]。

6 圍墾活動對灘涂濕地生態系統服務的影響

生態系統服務功能是指生態系統與生態過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用[116]。千年生態系統評估(Millennium Ecosystem Assessment,MA)制定的生態系統服務分類體系是目前使用較廣泛的框架之一,主要分為四大類：供給服務(供給食物、纖維、燃料、生物化學品等)、調節服務(調節氣候、水文,凈化水和廢棄物處理,調控自然災害,授粉等)、文化服務(休閑娛樂,美學,教育等)和支持服務(土壤形成和養分循環,生物多樣性保護,提供棲息地等)[117]。土地利用變化是生態系統服務損失的主要驅動力,圍墾活動改變著灘涂濕地景觀及土地利用類型,進而影響其所能提供的生態系統服務[118]。MA在報告中也指出,未開墾的濕地的總經濟價值往往大于已開墾的濕地的總經濟價值[117]。多數研究表明,圍墾活動造成沿海灘涂濕地生態系統服務總價值的凈損失,且損失量隨著圍墾強度的加大而升高。如,江蘇省沿海圍墾區(包括連云港、鹽城、南通)在1980年到2010年間因土地利用變化生態系統總價值損失約43.20百萬US＄/a[119]；1990至2000年間,因71%的灘涂濕地在人類活動下遭到破壞進而消失,上海的崇明東灘總價值減少了62%(316.77百萬US＄/a降為120.40百萬US＄/a)[120]；Wang等對廈門同安灣圍墾計劃進行生態系統服務價值估算發現,圍墾后生態系統服務價值都將受損,且損失量隨著圍墾規模的增大而增加[121]。不同生態系統服務的價值變化可以概括為供給服務的增加量小于其他服務(調節服務、文化服務和支持服務)的減少量,這一點在杭州灣南岸濕地[122]已被證實；而Xu等對江蘇中部沿海圍墾區1977—2014年各項生態系統服務功能的分析也表明,供給服務(糧食生產)是所有生態系統服務功能中唯一增長型(絕對值和相對值均升高)的服務功能[115],但該區域生態系統總價值仍處于降低的趨勢。現有圍墾活動多出于緩解人地矛盾、增加耕地資源的目的,自然濕地和棲息地逐漸減少,支持服務隨之降低。研究表明,韓國新萬金圍墾區的調查發現,水鳥適宜生存的棲息地面積和質量大大減少和降低[123]；對天津沿海濕地和萊州灣灘涂濕地的分析顯示,沿海圍墾活動損害水生生境和底棲生境的健康狀況,且底棲生境受損更加嚴重[124]。此外,研究表明,江蘇灘涂濕地生態系統在圍墾后39年左右進入以人工生態系統為主的新平衡,實現自然—人工生態系統的轉換,轉換之后的人工生態系統的生態系統服務價值要低于原有的自然生態系統[115]。

7 研究展望

沿海灘涂濕地生態系統,典型的生態脆弱區,既是地球表面最為活躍的自然區域,又承載著人類的生存與發展,其生態環境面臨著巨大壓力。在全球變化的背景下,沿海灘涂濕地的脆弱性及人類活動干擾強度的增大使得濕地生態系統的影響研究趨于持續、復雜、多元、綜合化,已有研究分析了圍墾活動對沿海灘涂濕地生態系統許多方面的影響(圖3),但缺乏統一的研究框架,而且單獨分析某一問題也已無法適應現實需要。基于此,筆者認為有以下3個方面應重點關注。

圖3 人類圍墾活動的生態環境影響研究框架Fig.3 Research framework of the eco-environmental impact of reclamation activity on coastal wetland ecosystem

7.1 人類圍墾活動生態環境影響機理性研究

人類圍墾活動對沿海灘涂生態系統的環境影響研究已從各方面內容(如,土壤性質、生物多樣性、土地利用變化與景觀格局、生態系統服務和生態安全等)進行展開和探討,但多數是基于數據分析的趨勢變化,缺乏深度剖析成因和機理性的表達。例如,生態系統的服務功能與生態系統的結構與過程有關,依賴于具體的生態系統,而且受不同區域的地理、生態、氣候等條件的影響。然而,目前我國的生態系統服務研究大多數是建立在相對不完全的生態系統研究基礎上,沒有對生態系統的結構、生態過程與服務功能的關系進行深入的機理性分析。此外,人類圍墾活動對生態環境影響涉及圖3中的各個方面,且各方面之間也存在交互作用,現有研究中的交互作用分析較少。已有研究中,生物多樣性與生態系統之間的研究已為許多學者所探討,如,生物多樣性與生態系統服務功能[125- 126],生物多樣性與生態系統穩定性[127],生態安全與生態系統服務[128],其理論與相應的研究成果也較成熟,但對于人類圍墾活動下沿海灘涂生態系統的相關研究較少。同時,生態系統服務之間的權衡(trade-off)與協同(synergy)關系是未來的研究趨勢和重點[129- 131],也是深刻剖析圍墾活動對灘涂濕地生態系統影響的重要途徑。此外,如何較好地刻畫圍墾活動下生態系統本身的自然特點和社會經濟特征變化以及自然-人文兩者之間的交互作用也是保護沿海灘涂資源的基礎性工作之一。

7.2 全球變化背景下沿海圍墾區的長期定位觀測與實驗

圍墾活動下的海岸帶經歷著從灘涂濕地生態系統向人工陸地生態系統的轉變過程,自身的生態敏感性和脆弱性使得其對全球氣候變化的響應更加劇烈。現有研究多采用“以空間代時間”的方法來研究生態過程的動態變化,而成土母質、氣候變化等因素的差異導致該方法只能得到大致的規律,無法精確描述。在全球氣候變化的背景下,長時間序列的數據對于理解生態過程和進行生態管理至關重要,這便要依靠長期定位監測才能獲得。長期定位觀測是通過在典型自然或人工生態系統地段建立長期定位觀測設施,對生態系統的組成、結構、功能及其生態過程進行長期監測,以闡明生態系統發生、發展、演替的內在規律和變化機制[132]。因此,長期定位觀測能為長時間尺度研究提供數據支持,有利于系統地了解和掌握全球氣候變化下灘涂圍墾區的生態環境變化。全球許多國家與國際組織都已建立了長期定位觀測網絡,如,美國[133]、澳大利亞[134]、加拿大、英國、德國、瑞士以及聯合國[132]。我國也已經建立了中國森林生態系統研究網絡(Chinese Forest Ecosystem Research Network, CFERN)和中國生態系統研究網絡(Chinese Ecosystem Research Network,CERN),在全國范圍內建立站臺,并提供數據服務(http://www.cnern.org.cn/)。根據網站數據提供情況,分布在沿海區域的站臺只有膠州灣站和大亞灣站(海灣生態站),用來監測海灣生態系統的動態變化,而對于沿海灘涂圍墾區的監測尚未開展。

7.3 構建區域集成的研究框架,全面系統地分析圍墾活動的生態環境影響

圍墾活動的生態環境影響研究將會是格局-過程耦合、人-自然耦合的綜合研究[135- 137],同時也將是跨區域的集成研究。灘涂資源的重要性不言而喻,隨著沿海開發的不斷加強和沿海圍墾活動的逐步實施[138],由人類圍墾活動所引起的生物入侵、生境破壞等問題也已不再僅僅停留在某一區域,人類圍墾活動的外部性(溢出效應)研究便是不同地區之間的綜合集成研究。目前,沿海灘涂圍墾活動的生態環境影響研究多數局限在所要研究的區域,欠缺考慮其他區域與研究區之間交互作用的分析和定量評估。遠程耦合研究框架(Telecoupling framework)是值得借鑒的方法之一,其旨在以人與自然耦合系統為研究單元,通過分析遠距離的兩個或多個人-自然耦合系統之間的交互作用,從而更好地揭示不同地區之間相互影響的過程[136, 139- 141]。目前,遠程耦合研究框架已逐漸運用到自然生態、社會經濟等各個研究領域,如,生態系統服務[142],自然保護區[143],土地利用與土地變化[144],國際土地交易和物種入侵[144]等。該方法通過逐一分析研究框架中五大組成成分(耦合系統,流,原因、代理和影響),描述遠程耦合系統之間物質、能量和信息流動,以全局的角度分析問題,從而達到單一系統研究視角所無法獲得的效果。遠程耦合框架提供了一個更加廣泛的分析方法,它從跨地區到全球各個層面對影響可持續性的遠距離社會經濟和環境相互作用進行綜合研究[141]。筆者認為,該框架為區域集成研究提供了思路,整體和全局的研究視角也將給沿海灘涂圍墾活動的生態環境影響研究帶來新的機遇。

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