基于陸海統(tǒng)籌的九龍江-廈門灣海岸生態(tài)過渡帶綜合監(jiān)測體系構建

王飛飛,錢靈穎,丁 升,曹文志,陳能汪,周克夫

廈門大學濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室,廈門大學環(huán)境與生態(tài)學院, 廈門 361102

海岸帶是連接陸地與海洋生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過渡地帶,是地球上最為復雜且生產力最高的生態(tài)系統(tǒng)之一,也是人類活動較為劇烈的區(qū)域,生態(tài)保護和開發(fā)利用矛盾突出。海岸帶聚集著山水林田湖草生命共同體的幾乎所有重要生態(tài)系統(tǒng)類型,該區(qū)域占陸域國土不到30%,卻承載著全國40%以上的人口,創(chuàng)造著70%以上的國民生產總值,在經濟社會發(fā)展和生態(tài)文明建設全局中具有重要戰(zhàn)略地位[1]。然而,隨著人類活動高強度的開發(fā)利用以及全球氣候劇烈變化,近岸海域生態(tài)系統(tǒng)近年來已經愈發(fā)脆弱,污染和富營養(yǎng)化等問題突出[2- 3]。目前的研究多將陸域和河口(近海)生態(tài)系統(tǒng)割裂進行研究,很難揭示兩者之間的聯系以及污染物在陸海之間遷移和相互影響過程。陸海統(tǒng)籌已經上升到國家重大戰(zhàn)略,需要將陸地與海洋作為一個整體來考慮。特別在灣區(qū)生態(tài)過渡帶開展精確有效的監(jiān)測是落實陸海統(tǒng)籌戰(zhàn)略和構建海岸帶生命共同體以及實現海岸帶生態(tài)保護與可持續(xù)發(fā)展的關鍵。

生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測是生態(tài)保護的基礎[4]。目前,海岸帶綜合監(jiān)測在部分區(qū)域已開展了一些研究。自1985年以來,美國切薩皮克灣構建了水質和生物統(tǒng)籌監(jiān)測計劃,包含兼顧陸海的景觀、濕地、水質以及生物系列監(jiān)測指標,旨在通過評估保障海灣生態(tài)系統(tǒng)的健康[5- 6]。地中海沿岸地區(qū)根據跨學科討論的結果,提出了在地中海海岸帶開展包括地貌學、動植物區(qū)系、能源生產、管理和綜合保護、地理和景觀、文化遺產和環(huán)境資產等的綜合監(jiān)測計劃[7]。在美國新澤西州的海岸帶區(qū)域構建了一個綜合的長期生態(tài)系統(tǒng)觀測站,其目的是對沿岸水域進行快速環(huán)境評估,并做出實時預測[8]?？傊?此類綜合監(jiān)測系統(tǒng)通常構建于陸海相互作用的人口密集的河口-海灣區(qū)域,并關注陸地(河流流域)的生態(tài)影響,可直接服務于生態(tài)環(huán)境快速評估和管理決策。

因此,本文以閩三角城市群的九龍江-廈門灣為例,通過分析目前海岸帶監(jiān)測存在的問題,通過國家重點研發(fā)計劃項目的實施,在常規(guī)監(jiān)測的基礎上,嘗試構建基于陸海統(tǒng)籌的海岸生態(tài)過渡帶綜合監(jiān)測體系,以期為閩三角城市群海岸帶的生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展提供保障。

1 研究區(qū)域概況

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study Area

九龍江是福建省的第二大河流,流域面積14087 km2,由北溪、西溪、南溪組成,最終匯入廈門海域。其中,北溪下游入?？诟浇慕瓥|庫區(qū)是廈門市和漳州市主要的集中式飲用水水源地。廈門灣是典型的亞熱帶半封閉型港灣,與臺灣海峽相望,岸線曲折,地形復雜,主要受黑潮、南海暖流、閩浙沿岸水和西側九龍江口徑流的影響[9]。廈門灣不僅是地理位置優(yōu)越的天然良港,而且生態(tài)資源類型多樣,分布著紅樹林、河口、沙灘等重要資源；海洋物種豐富,擁有白海豚、白鷺、文昌魚、中華鱟等國家級珍稀物種。九龍江-廈門灣海岸帶分布著多種重要生態(tài)系統(tǒng)類型,并面臨著生態(tài)緩沖能力有限、系統(tǒng)復雜且演替趨勢不明等挑戰(zhàn),而九龍江河流輸送所帶來的污染是廈門灣的主要污染來源[10-11]。

因此,本文依托國家重點研發(fā)計劃“閩三角城市群生態(tài)安全保障及海岸帶生態(tài)修復技術”,針對九龍江-廈門灣的生態(tài)安全狀況,在常規(guī)環(huán)境監(jiān)測的基礎上,通過遙感和生物監(jiān)測、標準銜接、采樣和分析儀器以及在線監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)等技術集成,開展兼顧陸海的綜合監(jiān)測體系構建研究。

2 海岸帶生態(tài)監(jiān)測存在的主要問題

2.1 陸域和海域水體環(huán)境功能區(qū)和監(jiān)測不銜接

目前,地表水功能區(qū)劃與海洋功能區(qū)劃或近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃存在不銜接或空間上的交叉重疊。陸域地表水功能區(qū)劃沒有考慮與海域功能區(qū)劃的約束與銜接,海域功能區(qū)劃沒有考慮到河流淡水和海水相互匯合和混合區(qū)域等生態(tài)問題[12],將造成管理上的混亂或矛盾。此外,地表水監(jiān)測指標包含總氮、總磷和氨氮等指標,但海水水質的營養(yǎng)鹽監(jiān)測指標為無機氮、非離子銨和活性磷酸鹽等,無法對水質評價進行直接對比,造成陸海水環(huán)境管理上的不銜接。監(jiān)測點布設不合理,監(jiān)測頻次不對應,以及缺少生物監(jiān)測等問題也導致常規(guī)監(jiān)測對海岸帶綜合管理的支撐作用遠遠不夠。

2.2 河口灣區(qū)水質標準尚未制定

河口是連接陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的主要通道,在控制河口和近海水體營養(yǎng)狀況以及全球營養(yǎng)鹽循環(huán)的過程中扮演著十分重要的角色[13- 15]。由于河口處于河流-近海的過渡狀態(tài),地表水和海水現行的水質標準并不適用于河口生態(tài)環(huán)境,而我國尚未制定針對河口區(qū)域的相關基準或標準,一定程度上很難客觀評價河口灣區(qū)的環(huán)境與生態(tài)狀況。

2.3 河海界面營養(yǎng)鹽入海通量動態(tài)監(jiān)測不足

由于絕大多數沿海生態(tài)系統(tǒng)污染物約70%—80%來自于陸域,其中河流徑流輸入是海洋污染物的重要來源[16, 17]。氮磷等營養(yǎng)鹽的輸送被認為是河口和沿海生態(tài)系統(tǒng)污染和富營養(yǎng)化的主要威脅[18]。河流營養(yǎng)鹽入海通量不僅是是維護河口乃至近海生態(tài)系統(tǒng)的重要生源要素,也是決定陸源污染物入海總量的關鍵要素。入海通量的動態(tài)監(jiān)測研究對深入分析營養(yǎng)鹽變化特征、調控機制及實現入?？偭靠刂颇繕司哂兄匾饬x。隨著人類活動強度的增加,河流向近海輸送營養(yǎng)鹽的濃度、通量以及結構組成也發(fā)生了較大地改變[19-20],但其動態(tài)監(jiān)測體系尚未建立。

2.4 海岸帶關鍵生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測缺乏

常規(guī)監(jiān)測缺乏對海岸生態(tài)過渡帶關鍵生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測,而紅樹林是九龍江-廈門灣海岸帶的重要生態(tài)系統(tǒng)。全球紅樹林面積不到熱帶森林的1%,但是地球上生物多樣性和生產力最高的生態(tài)系統(tǒng)之一,也是服務功能較高的生態(tài)系統(tǒng),具有抵御風浪、保護海岸、凈化水質、固碳儲碳、調節(jié)氣候、維持生物多樣性、保護水產種質資源、生態(tài)旅游、科學研究等諸多重要生態(tài)功能。然而該類關鍵生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測的缺失,導致無法系統(tǒng)地了解其生態(tài)系統(tǒng)結構和生態(tài)服務功能的動態(tài)變化。

3 基于陸海統(tǒng)籌的九龍江-廈門灣綜合生態(tài)監(jiān)測體系構建

針對海岸帶環(huán)境質量改善和生態(tài)安全提升目標,遵循生態(tài)系統(tǒng)整體性特點,本文在常規(guī)監(jiān)測的基礎上,從生物、要素、生態(tài)系統(tǒng)到景觀不同層面,嘗試建立了可反映陸地-近海生態(tài)系統(tǒng)反饋響應關系的海岸帶綜合監(jiān)測體系,完善了海岸帶關鍵生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測以及河流入海主要污染物的通量監(jiān)測,并探索建立了銜接陸域-河口-近海水環(huán)境主要營養(yǎng)鹽的基準/標準,為保障海岸帶生態(tài)系統(tǒng)安全、實現海岸帶生態(tài)系統(tǒng)精準監(jiān)管提供支撐。

圖2 九龍江-廈門灣海岸帶綜合監(jiān)測體系構建Fig.2 Constructing integrated environmental and ecological monitoring system in Jiulong River-Xiamen Bay coastal areas

3.1 建立了河流-河口(近海)水環(huán)境與生態(tài)的一體化監(jiān)測系統(tǒng)

3.1.1生物監(jiān)測

生物監(jiān)測可通過監(jiān)測自然界生物個體、種群、群落等對環(huán)境質量及其變化的反應來指示水質現狀、污染程度及其發(fā)展趨勢[21]。浮游植物分布的豐度、種類組成和多樣性是水體營養(yǎng)狀態(tài)的重要證據。通過對九龍江北溪水體浮游植物監(jiān)測,開展其群落結構及多樣性研究,構建了具備多閘壩特色的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價綜合指標體系[22]。中肋骨條藻(Skeletonemacostatum)是造成廈門筼筜湖和近海赤潮的主要海洋藻類之一[23]。利用單克隆抗體制備出的快速檢測膠體金試紙條產品,可以快速檢測海水中肋骨條藻是否存在及其密度,并有效地應用于廈門灣赤潮監(jiān)測和預警。通過上述監(jiān)測在陸域(河流)和近海實現了一體化的藻類監(jiān)測和評價。

3.1.2水環(huán)境關鍵指標的序列監(jiān)測

采用人工采樣和改進的新型自動采樣器,進一步優(yōu)化河流、河口、灣區(qū)水質監(jiān)測站位,構建了九龍江-廈門灣營養(yǎng)鹽、重金屬、農藥、多環(huán)芳烴、抗生素、個人護理用品等污染物的動態(tài)監(jiān)測網絡體系。除地表水和海水水質標準中監(jiān)測的營養(yǎng)鹽外,同時監(jiān)測了硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、有機氮、溶解態(tài)磷、顆粒磷、有機磷和無機磷濃度等其他重要指標,可以全面反映和評估不同水體生態(tài)系統(tǒng)的污染和營養(yǎng)水平。而重金屬、有機污染物、新污染物等環(huán)境健康危害因素的監(jiān)測,有助于提高水環(huán)境風險防控和突發(fā)事件應急監(jiān)測能力。此外,該監(jiān)測體系為九龍江北溪飲用水水源地錳污染物溯源[24],以及河流-河口生態(tài)系統(tǒng)健康評價和九龍江流域水資源承載力等研究的開展提供了支撐。

3.1.3沉積物關鍵指標監(jiān)測

在九龍江沿程、重要水源地(江東庫區(qū))以及河口構建了包含沉積物粒徑、總氮、總碳、鹵代咔唑、重金屬含量和賦存狀態(tài)等指標的監(jiān)測體系,并采用地累積指數、污染負荷指數、潛在生態(tài)風險指數、次生相與原生相分布比值四種方法,開展了沉積物重金屬風險評估,并定量分析了重金屬的潛在來源,為江東庫區(qū)以及河口水體和沉積物的重金屬污染溯源與防治提供科學依據。而鹵代咔唑(Polyhalogenated carbazoles, PHCs)等指標的監(jiān)測[25]為河流-河口沉積物有機污染物風險評價和水環(huán)境新污染物控制提供了支撐。

3.2 探討了九龍江河口營養(yǎng)鹽的基準和標準

利用30多年九龍江河口赤潮暴發(fā)和營養(yǎng)鹽的研究積累,根據鹽度、水文、沉積物等特征將九龍江河口劃分為3個不同的生態(tài)系統(tǒng)分區(qū),以赤潮發(fā)生作為河口生態(tài)系統(tǒng)功能崩潰的閾值,根據頻數累積法和赤潮數據的混合模型法,建立基于生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)鹽溶解無機氮和溶解活性磷基準值計算方案[26],并建立了適應我國海洋環(huán)境監(jiān)測現行框架的基準/標準值確定方法。根據河口生態(tài)系統(tǒng)響應反饋關系,嘗試給出了九龍江河口不同分區(qū)的營養(yǎng)鹽標準推薦值。該標準推薦值的建立,實現了地表水環(huán)境和海水水質標準在咸淡水混合區(qū)的陸海銜接,為我國其他河口營養(yǎng)鹽基準/標準值的確定提供了借鑒。

3.3 研發(fā)了河流-河口關鍵系統(tǒng)界面營養(yǎng)鹽污染通量實時監(jiān)測系統(tǒng)

以九龍江-廈門灣營養(yǎng)鹽污染入?？偭靠刂茷槟繕?組織研發(fā)了九龍江-廈門灣生態(tài)系統(tǒng)界面主要污染物入海通量在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現了流量和主要污染物實時動態(tài)同步監(jiān)測[27- 31],在此基礎上形成了高時間精度的河流入海營養(yǎng)鹽通量數據[32],有助于開展九龍江流域主要污染物的溯源分析,實現陸源入海污染物排海監(jiān)管以及實施流域-河口-海灣一體化管理,為實現污染物以海洋生態(tài)系統(tǒng)承載力為基準的陸源污染物總量控制(以海定陸)提供重要支撐。

3.4 建立了陸域-海灣關鍵生態(tài)系統(tǒng)一體化綜合監(jiān)測體系

3.4.1紅樹林生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測

九龍江口紅樹林濕地是重要的海岸帶生境,是鷺類的棲息地和繁殖地,以及遷徙水鳥等的重要停歇地和越冬地,林下豐富的底棲動物又為鳥類等高等動物提供充足的食物來源[33]。通過遙感監(jiān)測分析了九龍江口紅樹林空間分布和地上生物量的動態(tài)變化[34-35],估算了紅樹林潛在生態(tài)系統(tǒng)服務價值(海岸保護、碳固定、營養(yǎng)去除和重金屬去除)及空間變異性[36]。實地調查了紅樹林生態(tài)系統(tǒng)鳥類種類、數量,以及大型底棲動物的數量、棲息密度和生物量等,開展了紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性評估,為紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的保護及修復奠定基礎。

紅樹林生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測體系的建立有助于分析濕地生態(tài)系統(tǒng)的功能現狀和存在問題,提出濕地重要物種如鳥類的生境恢復措施。同時水鳥和大型底棲動物的監(jiān)測數據可用于評估濱海濕地的生態(tài)修復效果,促進海岸帶濕地生物多樣性的提高及珍稀鳥類的保護。

3.4.2重要物種保護區(qū)監(jiān)測

文昌魚是國家二級保護動物,作為一種特殊的大型底棲動物,可以作為表征海洋生態(tài)系統(tǒng)健康程度的有效指標[37]。通過對廈門珍稀海洋物種國家級自然保護區(qū)的文昌魚及其他大型底棲動物物種數、棲息密度、生物量、多樣性指數、均勻度指數和豐度指數的監(jiān)測[38],分析文昌魚群落特征及其棲息環(huán)境的時空變化,為近岸海域生態(tài)環(huán)境的保護提供了科學依據。

3.5 開展了海岸帶生態(tài)景觀的系統(tǒng)監(jiān)測

利用遙感技術構建了多源、多尺度影像的生態(tài)遙感和無人機遙感重點監(jiān)測相結合的體系,主要分析了海岸帶重要生態(tài)功能區(qū)如森林、農田景觀以及紅樹林的演變特征和生態(tài)服務價值的動態(tài)變化[36, 39],并從不同景觀的面積變化、類型轉移和空間格局上探討其演變特征與驅動機制[40]。該監(jiān)測體系已在海岸帶灣區(qū)的生態(tài)保護紅線區(qū)、重點生態(tài)功能區(qū)、自然保護區(qū)、生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)等重點區(qū)域開展了基于中分辨率衛(wèi)星遙感數據的生態(tài)系統(tǒng)質量及其變化監(jiān)測、基于地面高光譜的生態(tài)系統(tǒng)質量監(jiān)測以及基于無人機遙感數據的重點監(jiān)測等。根據海岸帶灣區(qū)景觀的重要性以及目標需求,實現了多源、多尺度影像的景觀監(jiān)測體系。

3.6 構建了兼顧陸海的河口灣區(qū)域生態(tài)安全評價指標體系

基于構建的綜合監(jiān)測體系數據,采用“壓力-狀態(tài)-響應”(PSR)概念模型,篩選具有河口灣區(qū)特色的生態(tài)系統(tǒng)評價指標,構建了兼顧陸海的多尺度、多層次生態(tài)系統(tǒng)評價指標體系,包含陸地和河口海灣的特色物種、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)等指標,從生態(tài)系統(tǒng)健康、可持續(xù)性、生物多樣性、服務功能等多維度,實現對海岸帶灣區(qū)生態(tài)安全的綜合動態(tài)評價,可有效評估灣區(qū)的生態(tài)安全狀況,促進海岸帶生態(tài)保護和可持續(xù)發(fā)展。

4 結論

本研究以九龍江-廈門灣為研究對象,在常規(guī)監(jiān)測的基礎上,構建了基于陸海統(tǒng)籌的涵蓋生物-要素-生態(tài)系統(tǒng)-景觀不同層次的海岸帶綜合生態(tài)監(jiān)測體系。該體系主要包括建立了河流-河口(近海)水環(huán)境與生態(tài)的一體化監(jiān)測,探索制定了適用于九龍江河口的營養(yǎng)鹽基準/標準系列推薦值。并基于主要污染入?？偭靠刂颇繕?構建了河流入海污染物通量在線監(jiān)測系統(tǒng),實現了海岸帶從關鍵生態(tài)系統(tǒng)到景觀的綜合監(jiān)測。在上述綜合監(jiān)測的基礎上,構建了兼顧陸海的灣區(qū)生態(tài)安全評價指標體系,實現了區(qū)域生態(tài)安全的動態(tài)快速評價,評價結果可直接服務于管理,實現陸海生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、評價與綜合管理的銜接,保障海岸生態(tài)過渡帶復雜生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

構建的海岸生態(tài)過渡帶綜合監(jiān)測體系,實現了從陸域(流域)到河口(近海),從污染源、環(huán)境質量到生態(tài)系統(tǒng)以及景觀層次的一體化綜合監(jiān)測,同時實現了宏觀與微觀融合、陸地與海洋生態(tài)系統(tǒng)兼顧、質量與通量并舉、人工與自動監(jiān)測相互補充、快速動態(tài)評價與綜合管理相銜接,可為生態(tài)環(huán)境質量改善、污染防治、主要污染物排放總量控制、生態(tài)安全評價、生態(tài)保護與修復等提供科學支撐,實現基于生態(tài)系統(tǒng)的“從流域到海洋”綜合治理。