碳儲存變化背景下東營市海岸帶生態系統保護修復

隋玉正, 孫大鵬, 李淑娟, 徐永臣, 吳晶晶

1 青島理工大學建筑與城鄉規劃學院,青島 266033

2 中國海洋大學管理學院,青島 266100

3 中國海洋大學海洋地球科學學院,青島 266100

4 青島大學旅游與地理學院,青島 266071

2004年,SER(國際生態修復學會,Society for Ecology Restoration)提出“生態修復是協助已遭受退化、損傷或破壞的生態系統恢復的過程”,明確了生態修復這一工作的根本是對受損生態進行整體、系統的恢復而不是改變[1]。2016年,SER在聯合國生物多樣性大會上發布了《生態修復實踐國際標準》,隨后多國以該標準為基礎,相應制定了生態修復的標準或指南,如澳大利亞的《澳大利亞生態修復實踐國家標準》和我國的《山水林田湖草生態保護修復工程指南》。

海岸帶濱海濕地是全球極為重要的碳庫,因其位于陸地生態系統與海洋生態系統相互作用的交界地帶而成為典型的生態脆弱區[2- 3]。目前我國國土資源尤其是海岸帶地區開發利用強度過高,大量的建設用地、海水養殖用地和不同規模的圍填海取代了濱海濕地原生的生態斑塊,景觀格局破碎,濕地面積急速萎縮,生態系統碳儲存功能嚴重受損,導致海岸帶“碳匯區”轉變為“碳源區”而向大氣中釋放出大量的CO2,引起其他生態系統服務功能無法正常發揮,引發生態環境惡化、生態系統退化等問題,如生物多樣性減少、生態系統服務價值降低等[4- 5]。在生態文明建設背景下,相關專家學者近年來針對生態修復的理論、方法及應用實踐等方面的研究如雨后春筍般涌現,從土壤污染治理到水土保持修復,從森林植被到河流湖泊等都取得了良好的成果。從生態系統服務的角度來看,其碳儲存功能可以有效的將有機碳進行封存固定,改善區域生態環境,進而對受損的生態系統起到有效的保護和恢復。因此,國內外相關學者已經著手于生態系統碳儲存方面的研究,將其運用到生態保護修復工作中。在陸地生態系統方面,Olafur Arnalds[6]、徐凱健[7]、方精云[8]等人通過研究碳儲存效應實現了相關生態修復的目標,提出應當構建生態修復的新模式；海岸帶濕地生態系統方面,Kareksela Santtu[9]、Yadav Sapkota[10]、Glenn M. Suir[11]和唐劍武[12]和Ariana E. Sutton-Grier[13]等人通過對濱海濕地藍色碳匯功能的恢復,討論研究了其在生態修復方面的價值和作用。

東營地處山東省北部的黃河入?？谌侵薜貛?自然資源豐富,地理位置優越,是我國黃河流域生態保護和高質量發展戰略的終點站、黃河三角洲中心城市和重要的石油基地。但近年來隨著油氣開采、化工發展、海水養殖和城市擴張等因素,東營市海岸帶地區承受來自陸地環境與海洋環境、自然活動與人類活動等多方面的影響,灘涂濕地被大量開發侵占,地區生態系統固碳功能受到嚴重破壞,生態環境愈加惡化,生態系統退化顯著[14-15]。

鑒于此,本文以東營市海岸帶地區為例,結合InVEST模型對研究區不同時間段的碳儲存功能進行評估模擬,識別其碳儲存空間格局所存在的問題,分析其碳損失程度以劃定生態修復分區,最后根據國內外生態保護修復標準和原則從提升海岸帶碳儲存功能角度出發,提出相應的生態保護修復方案建議和意見,旨在為區域尺度的生態修復工作提供可行的思路。

1 研究區概況

研究區位于山東省北部沿海東營市境內,東鄰萊州灣,北接渤海灣,地理范圍介于118°05′E—119°15′與37°00′N—38°10′之間(圖1)。區域地處暖溫帶半濕潤季風氣候區,年降水量在600 mm左右且多集中在夏季,年均氣溫約12℃,面積約為7.2×105hm2。地形以平原為主,由黃河攜帶大量入海泥沙在渤海入海口處慢慢沉降以及近海波浪搬運沉積而成；地貌類型復雜,濕地廣布多樣,有河流濕地、河口濕地、潮間帶灘涂濕地、潮上帶重鹽堿化濕地和蘆葦沼澤等濕地類型[16]。區內資源富庶,集濕地、港口、水產、海鹽、油氣等資源于一身,同時也具有豐富的生物資源,是我國重要的鳥類棲息繁殖地和魚類索餌場。

圖1 研究區地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

根據我國《全國海岸帶和海涂資源綜合調查簡明規程》相關規定,以海岸線內陸側10 km至海域10—15 m等深線范圍定義為海岸帶[17]。本文以東營市海域10 m等深線與海岸線陸側約10 km所圍成的地區作為研究區域,將等深線0—6 m范圍作為濱海濕地,等深線6—10 m范圍作為淺海,以此展開生態保護修復的研究。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

1)遙感數據來源

考慮到自然因素的干擾,本文所選取的遙感數據是研究區范圍內2005、2010、2015和2018年共4期同一時段(夏季)、空間分辨率為30 m、云量在4%以下的Landsat陸地衛星遙感影像,其中2005年和2010年遙感數據來自美國地質勘探局網站(http://glovis.usgs.gov/),2015年和2018年遙感數據來自于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)。

2)模型數據來源

InVEST模型(生態系統服務功能權衡綜合評估模型,Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs),由斯坦福大學、大自然保護協會、世界自然基金會共同研發,該模型能夠定量分析多種生態系統服務功能(如: 生境質量、碳儲量、產水量和水體凈化等),與其他評估模型相比,其易于操作且評估結果更加形象直觀,可以有效避免評估過程中容易產生的計算誤差,因此近年來在諸多部門制定決策中被廣泛應用以提供參考依據。

模型中的Carbon(碳儲存)模塊包含4個碳庫數據：地上生物碳庫、地下碳庫、土壤碳庫和死亡有機物碳庫數據,其中地上生物碳庫和地下碳庫也稱生物量初始碳庫。本文旨在研究海岸帶地區碳儲存總量動態變化情況,因此對模型的4類碳庫不做深入研究。地上生物碳庫數據根據參考文獻[18- 21],按照相關學者對黃河三角洲地區各植被類型生物量取樣收集、烘干稱重等,最終根據實測結果估算獲得。地下碳庫數據參考地上生物數據,根據學者對濕地不同植被地上和地下生物凈初級生產力的測定研究[22],以地上生物量的30%—80%比例估算獲得,其中養殖用地參考學者對膠州灣蛤仔生物計量研究[23],取冬夏季節平均值作為養殖用地地下碳密度數據。土壤碳庫,指在一定深度范圍內單位面積土體中的有機碳儲量,即相應土層有機碳密度(kg/m3)乘以深度(m),InVEST模型默認圖層深度為1m,本文以表層土壤(0—30cm)有機碳密度數據為主,參考相關學者對黃河三角洲濕地土壤有機碳含量研究測定結果[24- 26],按照處理后的研究區用地類型對應黃河三角洲土壤碳密度差值范圍選取獲得。死亡有機物碳庫,指死亡植物和枯枝落葉中的有機碳含量,其碳庫數據缺乏且占總碳庫比重較小,該碳庫數據按照文獻[27-28]以及山東半島北部濱海濕地碳沉積與埋藏的相關研究結果[29],按照不同植被類型凋零物占植物體比例的3%—10%范圍估算獲取,其中養殖用地死亡有機物碳庫數據參考學者關于貝類養殖的碳循環貢獻度[30]及不同貝類養殖固碳速率[31]等研究結果獲取。

2.2 研究方法

1)遙感解譯處理

以GIS和ENVI為技術平臺,參照全國生態遙感監測土地利用/土地覆蓋分類體系,依據光譜特征對4期影像進行遙感數據解譯處理,劃分研究區土地利用類型。為保證研究的可行性和模型評估結果的直觀性,進一步結合實地調研結果和有關黃河三角洲區域的研究資料[32- 34],并參考山東天地圖(http://www.sdmap.gov.cn/)時空影像對遙感解譯的結果進行細化調整,最終將土地利用類型劃分為水田、旱地、林地、草地、河流湖泊、水庫坑塘、濱海濕地、養殖池、城鄉建設用地、其他建設用地(主要為油田)、鹽田、植被鹽沼和淺海,共13類(圖2)。

圖2 研究區四期土地利用分類Fig.2 The fourth stage land use classification in the study area

2)InVEST模型

本文采用InVEST模型的Carbon(碳儲存)模塊是將土地利用類型作為評估單元,根據各類用地的分布面積以及所對應的研究區土地利用類型的碳密度值(表1),最終計算得到其碳儲存總量(Ctotal)。

表1 研究區土地利用類型四類碳庫信息/(t/hm2)Table 1 The information of four types of carbon pools in the study area for different land use types

碳儲存總量計算公式：

Ci-total=Ci-above+Ci-below+Ci-soil+Ci-dead

(1)

(2)

式中,i表示一類土地利用類型,Ci-total示該類土地利用類型的總碳密度；Ci-above表示i類用地的地上生物碳密度；Ci-below表示i類用地的地下植物根系碳密度；Ci-soil表示i類用地的土壤中的有機碳密度；Ci-dead表示i類用地的植物凋零物及死亡生物的碳密度；Ctotal表示研究區的碳儲存總量；Si表示土地利用類型總面積；n表示土地利用類型的總數。其中,碳密度的單位為t/hm2；地類面積單位為hm2。

3 研究結果與分析

3.1 用地變化

根據表2和圖3,2005—2018年東營海岸帶地區土地利用類型時空變化明顯,,水田、草地、林地、濱海濕地和植被鹽沼等用地類型呈現不同程度的減少,養殖池、鹽田和建設用地增長趨勢。其中,草地變化最大,13年間由53748.34 hm2到驟減到5080.26 hm2,面積減少了90.55%,主要原因是耕地的大量開墾和鹽田、養殖池的擴張；2005年植被鹽沼面積約為48926.22 hm2,至2018年為27756.39 hm2,面積減少了43.68%；2018年水庫坑塘面積為20701.37 hm2,濱海濕地面積為43085.28 hm2,相比2005年分別減少了6195.16 hm2和21940.64 hm2,兩類用地大部分轉化為養殖池。在此期間,鹽田和其他建設用地增長速率最快,鹽田面積呈直線型上升,由2005年6168.43 hm2至2015年達到頂峰(39734.44 hm2),到2018年緩慢回落到36774.85 hm2,13年間增長速率為496.18%,回落原因主要是養殖產業經濟效益較鹽田高導致部分鹽田用地轉化為養殖池；其他建設用地(主要以油田、石油工業用地為主),2018年用地面積為37668.51 hm2,較2005年面積增加了19532.64 hm2,增長速率為108.71%。養殖池面積由2005年40444.94 hm2,到2018年達62211.53 hm2,占地面積巨大,利用方式粗放。

表2 2005年與2018年研究區用地類型面積轉移矩陣Table 2 Area transfer matrix of land use types between 2005 and 2018 in the study area

3.2 碳儲存時空演變

3.2.1碳儲存總量變化

基于InVEST模型碳儲存(Carbon)模塊的土地利用類型四大碳庫的碳密度值計算得到研究區每個柵格單元的碳儲量(圖4)。結果表明,單位柵格碳儲量區間值在0.132—0.635 t,其中柵格碳儲量最高的是林地,其次是水田；最低的是城鄉建設用地,其次是其他建設用地。從模型輸出結果可以看出,2005—2018年期間單位柵格碳儲量較低的用地類型面積大致沿岸線呈環狀持續增加,柵格碳儲存量較高的用地類型面積主要集中在岸線陸側,但隨時間變化而面積越來越小。通過不同時期各用地類型柵格數量與之相對應的單位柵格碳儲量的乘積計算,得到研究區2005—2018年的碳儲存總量(表3)：2005年為1.989×107t,2010年為1.903×107t,2015年為1.869×107t,2018年為1.853×107t。13年間碳儲存總量共減少1.341×106t,其中研究區海岸線陸側地區碳儲存量年損失率高達13.62%,并從圖5所示的碳儲存變化趨勢來看未來總量仍將持續減少。海岸帶生態系統碳儲存能力受到嚴重破壞,區域生態環境受到威脅。

圖4 研究區四期單位柵格碳儲量分布Fig.4 Distribution of carbon storage per unit grid during the four periods of the study area

表3 研究區4個時段總碳儲量Table 3 Total carbon reserves during the four periods in the study area

圖5 研究區2005年至2018年碳儲存總量變化圖 Fig.5 Chart of total carbon storage in the study area from 2005 to 2018

3.2.2碳儲存空間變化

海岸帶生態系統碳儲存的動態變化決定著區域碳儲存總量的增加或減少,即不同時段土地利用方式的更替會導致原來具有較高碳儲量的“碳匯”地區轉變為碳儲量較低的 “碳源”地區而向大氣中釋放大量的碳,這一碳排放過程僅次于化石燃料的燃燒,威脅生態系統健康[35]。本文進一步利用ArcGIS分析2005—2018年四期每相鄰兩個時間段的碳儲存評估結果,按照單位柵格用地碳儲量的增減得到研究區生態系統碳儲存空間演變結果,并將其劃分為“碳匯區”、“收支平衡區”和“碳源區”(圖6、表4)。研究表明,2005—2010年期間,碳匯區明顯小于碳源區,碳儲存功能受到嚴重破壞；2010—2015年,碳源區相對減少,但面積依然大于碳匯區；2015—2018年期間,碳源區與碳匯區面積相差較小,碳源區與碳匯區的轉化趨于穩定?？傮w來看,2005—2018年期間變化結果反映出研究區生態系統的碳儲存功能減弱、部分碳匯區轉變為碳源區,生態系統受到積累性的退化影響和威脅。

表4 碳儲存演變分析Table 4 Analysis of carbon storage evolution

圖6 碳匯、碳源區域劃分Fig.6 Regional division of carbon sink and carbon source

3.3 原因分析

(1)碳儲存總量變化原因。根據2005—2010年期間東營市土地利用數據,海岸帶地區發展迅速、擴張力度驚人,大量草地、灘涂濕地被開發為建設用地、油田、鹽田和養殖池,即單位柵格碳儲量較高的用地大量被開發為碳儲量較低的用地,生態系統碳儲存功能在此期間受到極為嚴重的破壞,碳儲存總量急劇下降,生態系統受損明顯。2010—2015年期間,研究區的碳儲存總量仍然下降明顯,此期間鹽田和養殖池面積持續擴大,海岸帶地區仍以粗放的開發利用方式為主,碳儲存功能受到持續性破壞,生態問題逐漸積累。2015—2018年期間,研究區碳儲存總量持續減少,但減少程度相對變緩,此期間水產養殖行業較鹽田具有更好的經濟效益,用地變化以鹽田和養殖用地的相互轉化為主,而兩者單位面積碳儲量差距不大,因此碳儲量變化并不明顯。

2)碳儲存能力空間演變分析。2005—2018年期間,東營市海岸帶濱海濕地、草地和植被鹽沼等被大量開墾,生物量初始碳庫和土壤碳庫受破壞而降低,導致其生態系統碳儲存能力持續減弱。因此,本文提取碳源區數據進行疊加分析得到其單位柵格的碳損失程度。通過NBC(自然間斷點分類法)按照碳損失程度對生態系統碳儲存功能進行分級評價,如圖7所示,評價結果分為良好(0)、一般(-0.05—0)、差(-0.14—-0.05)和極差(-0.49—-0.14)4個等級,并對4類等級的面積進行統計(表5),以識別研究區生態系統受損區域及受損程度。其中碳儲存功能評價等級極差的地區面積約為19465.4 hm2,等級為差的地區面積約為67301.74 hm2,兩者面積占除淺海外剩余地區的20.12%。評價結果反映出生態系統碳儲存功能受損地區主要沿岸線呈半環狀分布,其中岸線的東北一直延伸到西北部一帶和東南部地區開發早、強度大、密度高,區域碳儲存功能衰退最為嚴重,生態系統退化明顯；西南部地區結合影像分析發現,生態系統碳儲存受損主要原因是城市發展、城鄉居民用地擴張；外圍淺海區自2005年以來開發利用方式相對穩定,總體變化不大。

表5 研究區生態系統碳儲存功能評價等級面積Table 5 Area of evaluation grades of ecosystem carbon storage function in the study area

圖7 生態系統碳儲存功能評價Fig.7 Assessment of ecosystem health

4 生態修復策略

根據上述研究表明東營市海岸帶生態系統碳儲存功能受損嚴重且呈現逐年減弱趨勢,區域碳儲存功能的強弱反映出其生態系統的穩定性與健康程度。因此本文結合相關生態修復指南和標準,按照以本地適宜生態系統為參照和自然恢復為主、人工修復為輔兩大原則,根據碳儲存損失程度制定相應的生態修復措施,以求最大限度的開展全面修復,逐漸恢復健康的海岸帶生態系統,提升研究區的可持續發展水平。

4.1 修復參照與區類劃分

1)修復參照。東營市海岸帶地區多年來因人為的過度干預(如耕地、鹽田、養殖池、修壩、采油開發等),大面積的貝殼堤、沼澤地和沖積平原被破壞,生態系統碳儲存功能受損,生態系統退化嚴重。生態修復應以本地適宜的生態系統為優先參照,在修復措施和技術方案上要優先選擇當地物種,避免因引入不適宜的外來物種而導致的修復資源浪費和物種的入侵現象。東營市海岸帶的地貌形態、海岸侵蝕與淤積以及沉積物成分特征等決定了區內水分、鹽分的分布,是濱海濕地發育和演變的基礎,影響控制著濱海濕地的生物群落結構、特征和濕地植被的演替[36]。本文根據前人對黃河三角洲的相關研究,結合東營市第三次土地調查結果、黃河三角洲地區濱海濕地物種空間分布和生態演替規律等研究資料,東營市海岸帶依次由裸灘地、貝殼堤、沼澤地、沖擊海積平原組成自海到陸的地貌類型,以此構建東營市海岸帶生態系統修復參照[37- 38],如圖8所示。

圖8 生態修復的植被參照圖Fig.8 Vegetation reference map for ecological restoration

2)修復區類劃分。生態系統的退化受損情況決定了保護修復工作的人為干預程度。結合SER、澳大利亞與我國的生態修復指南的原則和規定,根據研究區碳儲存總量變化情況和生態系統碳儲存功能評價結果,以全區覆蓋為標準,如圖9所示,將生態修復區域劃分為自然恢復區、人工輔助區和生態重建區,根據柵格大小統計各修復區類面積(表6)。其中,生態重建區以生態系統碳儲存功能評價等級極差區域為主,人工輔助區主要包括評價等級較差區域,碳儲存功能評價等級一般和良好區域則劃為自然恢復區。

圖9 生態修復的區類劃分圖Fig.9 Zoning map of ecological restoration

表6 三類生態修復區域面積Table 6 Area of three types of ecological restoration area

4.2 修復方案

按照修復區劃分的自然恢復區、人工輔助區和生態重建區結果,從扭轉碳損失趨勢、塑造碳儲存廊道、提升碳儲存能力3個方面,以生態重建為點,以修復廊道為線,以保護保育為面,構建東營市海岸帶點、線、面相結合的生態修復總體方案,以實現生態系統碳儲存能力的整體提升、生態環境全面改善和生態系統的有效修復。

4.2.1自然恢復區

海岸帶生態系統碳儲存功能評價等級一般和良好的地區,建議生態修復主要以自然保護恢復手段為主,相對減少大體量修復工程的干預：①耕地地區,通過用地碳儲量分析發現水田生態系統碳儲存功能明顯強于其他耕作方式,因此保障基本農田合理耕種的前提下提倡在水資源充足地區適當發展水稻種植,打造黃河水稻農產品知名品牌；②養殖用地注意科學養殖,制定周邊景觀植被責任制,謹防周邊環境污染破壞；③保護林草地,在植被稀疏地區適當培育適宜的植被類型,提升植被覆蓋度；④油田區域應嚴格控制污染排放,倡導生態發展,并根據油田所處景觀地帶,在礦區裸灘空地種植適宜生長的本土優勢物種；⑤淺海地區防治水質污染,保護海草床、魚類索餌場和洄游通道,制定合理休漁計劃,防止過度捕撈等。最終通過對自然恢復區的保護修復實現區域生態系統碳儲存能力的進一步提高。

4.2.2人工輔助區

人工輔助區內鹽田、灘涂養殖用地的土地集約利用度低,并且海岸帶地區河流濕地、河口濕地是陸海交流平臺和凈化、削減污染物入海的天然屏障,具有保護河口近海漁業資源和防止水體富營養化的功能。長期以鹽田和養殖為主要開發方式將會導致濱海濕地生態系統嚴重缺水,加劇濕地生物消退、面積萎縮等生態問題,加重生態系統碳儲存功能的損失程度。為遏止人工輔助區的生態惡化趨勢,提出了以下生態修復措施：①調整現有養殖池粗放方式,參照南方?；~塘生態發展模式,對灘涂養殖池進行摸底調查,推廣高效集約養殖技術以削減其開發面積,并在治理污染、淡水降鹽的基礎上改善水土條件,重新播種培育堿蓬、檉柳、蘆葦等本土植被；②鹽田用地面積過大,制鹽鹵水從地下水中大量抽取,極不利于地區生態健康,因此應當依據現狀整合鹽山,加大科技投入改進制鹽工藝以縮減用地面積?；謴椭苓呍鷿竦刂脖?形成獨有的鹽田生態機理景觀；③研究區入海河流眾多,為保障河口濕地生態功能的有效發揮,對河流河道地區進行整體排查,清理侵占河道的構筑物、疏浚河道并恢復水域兩邊的植被,實現生物護岸以減少人為工程干預而造成的次生破壞,并根據河流流量和寬度劃定保護紅線以確保流域的生態安全。

通過對鹽田、養殖池及河流河道的輔助干預,恢復輔助區的濕地生態系統,連通區內生態斑塊,塑造獨具特色的濱海固碳生態廊道,為濱海生物提供棲息地,保護生物多樣性,恢復生態系統碳儲存功能。

4.2.3生態重建區

生態重建區內鹽田、養殖和油田等用地連片鋪設,開發方式過于粗放,利用效率低,造成區域土壤表層性質結構硬化,并且阻隔了包括淺海在內各生態斑塊的連通性,破壞了生物棲息地的完整度,是導致濱海濕地退化萎縮和海岸帶動植物消退、引起生態系統碳儲存量減少的主要原因之一。為改變重建區碳損失現象,需要對生態重建區內用地進行徹底整改：①對重建區內的養殖池、鹽田用地采取補償性的退養還灘、退鹽還濕措施,油田等工業區域廢棄礦井及時拆除,包括地面構筑物、周邊污染物清理和深層井坑填埋；②按照濱海動植物適宜生長的生態環境重新治理水土條件、改善土壤結構；③根據本地生態系統參考重新種植適宜的植株,恢復重現蘆葦、堿蓬、檉柳等原生景觀,并設置監察站點,及時掌握修復進度。

退還重建區濱海濕地、恢復濱海植被,增加濱海濕地面積與斑塊數量,有利于促進各斑塊之間、海陸之間的相互連通；有利于濱海動物、植物及其根系的生長繁殖和枯枝落葉等凋零物回歸土壤,增加重建區生物量碳儲量、碳積累率和土壤的碳儲量,扭轉重建區碳損失現象,恢復重建區的碳儲存功能,進而改善重建區的生態環境,逐漸修復受損的生態系統。

5 總結

本文通過運用InVEST模型對東營市海岸帶地區進行碳儲存功能模擬評估,結果表明其生態系統碳儲存總量呈現出逐年下降趨勢,碳儲存功能受到嚴重的破壞。根據研究區2005—2018年期間土地利用變化, 不合理的開發建設活動,如養殖池、鹽田與工業用地的粗放利用和擴張,導致大量的濱海濕地被侵占,濱海濕地萎縮、生物消退現象明顯,生態系統碳儲存能力持續減弱,海岸帶生態系統存在不同程度的退化。

根據東營市海岸帶地區碳儲存總量變化情況和碳損失程度,識別碳儲存功能受損區域并將其劃分為自然恢復區、人工輔助區和生態重建區三大生態修復區,針對性地提出加強恢復區保護力度、整頓輔助區粗放模式和退還重建區濱海濕地等生態保護修復方案策略。以期恢復東營市海岸帶受損的生態系統,為海岸帶生態修復提供參考和借鑒。