日照互花米草(Spartina alterniflora)分布精細化測繪及化學方法治理對底棲生物的影響

黃 帥,侯繼靈,于 洋,王建勇,鄭智勇

(國家海洋局北海預報中心,山東青島 266100)

互花米草(Spartinaalterniflora)作為原產于北美洲東部海岸的一種多年生草本植物,隸屬于禾本科米草屬,廣泛分布于加拿大紐芬蘭直到墨西哥海岸,是當地潮灘濕地中占優勢的物種[1-3]。由于互花米草秸稈較為粗壯、根系發達,對環境的脅迫抗性強,能在常受潮水淹沒的潮間帶中促進泥沙的快速沉降和淤積,從而起到保灘護堤的作用[4-6]。我國于1979年從美國東部各州引進該物種,并率先在福建的羅源灣進行種植,而后在各沿海省市灘涂進行引種[7],在取得一定效果的同時也帶來了一系列的問題。現如今,其分布范圍已擴張至除我國臺灣省和海南省之外的所有沿海省份[8-9],但由于互花米草的快速擴張,致使本土植物的生存空間受到擠壓,對我國濱海濕地生態環境的多樣性和穩定性產生極大威脅[10],同時針對其防控治理難度較大,也對船只出港和航道暢通形成阻礙。2003年就被國家環境保護總局和中國科學院聯名將其列入中國第一批外來入侵物種,也是其中唯一的海岸鹽沼植物[11]。

基于互花米草的分布和治理現狀,找出能快速并有效的控制辦法,從而盡可能減少或規避互花米草帶來的生態危害,是目前濱海濕地生態管理遇到的一大難題。而治理的前提是先要對互花米草的瘋狂式擴散進行監測,但由于人力進入互花米草所分布的潮間帶區域極為困難,若無法對其實地分布范圍和擴散動態進行監測,便很難為后續治理提供技術支撐。目前常用的治理互花米草的方法主要有物理方法、化學方法及生物方法[12-15],而這些治理措施對當地的濕地生態系統所產生的影響也各不相同[16]。其中化學方法治理互花米草相較于另兩種方法,具有成本低、效果顯著、操作簡單等特點,但施用化學除草劑會對海岸生態系統(特別是對底棲生物)產生影響,目前尚無一致結論及相關詳細報道[17-18]。該研究旨在通過無人機遙感精細化測繪手段,對互花米草的分布面積及通過噴灑化學除草劑對互花米草的滅除效果進行監測,并通過分析除草劑對底棲生物的影響,為我國互花米草進一步完善治理提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區域概述山東省日照市海岸帶地處黃海中部,北起白馬河口,與青島市黃島區海岸相接,南至繡針河口,與連云港市贛榆區相連,向西至204國道,向東達20 m水深線附近。沿岸多為砂質海岸,與中部奎山和南部嵐山形成岬角海崖和水下巖灘,境內河流多為內陸河入海段,除傅疃河等為永久性河流外,其余多為季節性河流[19]。調查發現,在多處岸段均發現互花米草入侵,尤其在白馬河口、兩城河口、傅疃河口和繡針河口等主要河口岸段,互花米草入侵尤為明顯。通過走訪調查了解,多年來日照市轄區內互花米草面積持續增長,2020年山東省互花米草調研小組專家聯合日照市海洋資源調查人員對互花米草現狀進行調研發現,日照市互花米草正處于大面積暴發前期,對互花米草的治理已刻不容緩。

1.2 監測點設置及監測方法為有效防范互花米草繼續擴散,力爭盡快消除,切實保護濱海濕地生態系統,對日照市海區內現存互花米草入侵現狀進行摸底調查,解譯了日照市互花米草現狀的衛星遙感圖片(圖1),將日照市全部沿海岸線疑似互花米草入侵的區域劃分為13個無人機正射監測區域(白馬河上、下游,兩城河,森林公園,傅疃河口南部、養殖排水渠,劉家灣趕海園南、北兩區,小海河南支流,多島海和繡針河口上、下游),并對疑似區域繪制衛星解譯互花米草入侵圖斑,得到圖斑shp文件作為下一步無人機正射作業和現場核查的參考。

圖1 日照市互花米草現狀的衛星遙感圖片Fig.1 Satellite remote sensing images of Spartina alterniflora status in Rizhao City

1.3 互花米草覆蓋面積的測繪方法自2021年5月13日開始對已確定的13個無人機正射監測區域進行無人機正射飛行測繪作業,至2021年6月24日,完成全部無人機正射飛行作業。正射飛行作業完成后,通過Pix4Dmapper軟件處理所得到的批量照片,制作作業區域矢量圖,再利用ArcGIS軟件對矢量圖進行精準測繪,繪制該區域互花米草入侵圖斑,并計算圖斑面積等信息,最后用Adobe Photoshop軟件對以上成果進行制作,形成互花米草分布區域的可見圖件。

1.4 互花米草化學治理依據前期衛星解析資料和無人機正射測繪影像數據,在日照市先篩選出具有代表性的互花米草入侵區域,然后綜合考察全市互花米草分布狀況、生態環境因素、潮汐條件及氣候要素等,選擇在嵐山區多島海風景區東部港池(簡稱多島海東港池)互花米草入侵區域進行互花米草治理試驗。根據之前研究資料表明,選用高效蓋草能對互花米草進行滅殺效果最佳[20-21]。在試點區域開展互花米草化學治理藥物殘留檢測試驗效果如下:分別在用藥后第1、2、4、7、11、20天采集區域內沉積物、海水、擬蟹守螺屬(Cerithidea),進行蓋草能中有效成分(氟吡甲禾靈)殘留量的檢測,并開展底棲生物調查,檢測結果表明未對實驗區底棲生物種類密度產生顯著影響;氟吡甲禾靈殘留在沉積物、海水、擬蟹守螺屬中均未檢出。

根據噴灑區域的地理環境、潮汐規律、互花米草分布密度、株高、莖粗等要素,計劃進行2次(6月25日和7月9日)無人機藥物噴灑作業,噴灑作業選擇在試點區域退潮剛好露出全部植株時進行,噴灑作業時互花米草植株高度為12～42 cm,多數植株高度在30 cm以上,適宜高效蓋草能藥效的發揮,噴灑藥劑后,保證植株在6 h內不被潮水淹沒,確保互花米草葉面對藥劑的充分吸收。

1.5 數據處理以Berger-Parker優勢度指數(D)表示底棲生物的優勢度:

D=Nmax/N

式中:Nmax為優勢種的個體數;N為群落中全部物種的個體數。

2 結果與分析

2.1 互花米草精細化測繪正射飛行作業完成后,共獲得正射照片5 703張,經過以上精確化測繪共得到13組工作圖件(圖2～7)。共計繪制圖斑490個,并計算圖斑面積等信息,得出日照市互花米草覆蓋面積為53.439 6 hm2。其中東港區7.347 9 hm2,嵐山區20.012 3 hm2,山海天旅游度假區22.473 7 hm2,經濟技術開發區3.605 7 hm2。自與2020年9月衛星解析結果相比,全市互花米草增長率為1.607%。

圖2 白馬河上游(a)、下游(b)互花米草覆蓋范圍Fig.2 Coverage of Spartina alterniflora in the upper reach(a) and lower reach(b) of the White Horse River

圖3 兩城河口(a)及森林公園(b)互花米草覆蓋范圍Fig.3 Coverage of Spartina alterniflora in Hekou(a) and Forest Park(b) of Liangcheng City

圖4 傅疃河口南部互花米草覆蓋范圍Fig.4 Coverage of Spartina alterniflora in southern Futuan River estuary

圖5 劉家灣趕海園北區(a)、南區(b)互花米草覆蓋范圍Fig.5 Coverage of Spartina alterniflora in the north area(a) and south area(b) of the Liujiawan Ganhai Park

圖6 繡針河口上(a)、下游(b)互花米草覆蓋面積Fig.6 Coverage of Spartina alterniflora in the upper reach(a) and lower reach(b) of the Embroidery Estuary

圖7 小海河、多島海互花米草覆蓋范圍Fig.7 Coverage of Spartina alterniflora in the Xiaohai River and the Duodao Sea

2.2 互花米草試點區域化學治理效能對互花米草試點治理區域的治理效果進行總體評價,經過無人機正射測繪計算,試點區域治理前2021年6月8日測繪互花米草覆蓋面積為2.720 0 hm2,用化學法經2次無人機噴灑作業后,2021年8月11日測繪互花米草覆蓋面積為0.046 2 hm2,試點治理區域互花米草治理滅殺效果達到98.3%(圖8);2021年11月17日測繪互花米草覆蓋面積為0.011 2 hm2,試點治理區域互花米草治理滅殺效果達到99.6%(圖9),治理效果明顯,試點區域大片互花米草均呈現枯黃狀態。

圖8 試點治理前、中期治理效果對比Fig.8 Comparison of effects before and during pilot governance

圖9 試點治理完成后效果Fig.9 Effect after the completion of pilot governance

2.3 化學治理對底棲生物的影響

2.3.1化學治理對底棲生物種群密度、生物量及優勢種的影響。在試點治理區域,分別在噴灑作業前(治理前期)、噴灑作業間隔期間(治理中期)、噴灑作業完成后(治理后期)共進行了3個航次潮間帶調查到的所有底棲動物密度、生物量、優勢種及優勢度調查統計,結果如圖10、11所示。

圖11 試點治理各階段底棲生物優勢種及優勢度對比Fig.11 Comparison of dominant benthic species and their dominance in each stage of pilot management

通過分析數據得出試點治理區域一些優勢種的密度、生物量、優勢度都呈上升趨勢,其中日本刺沙蠶(Neanthesjaponica)、淺古銅吻沙蠶(Glycerasubaenea)、菲律賓蛤仔(Ruditapesphilippinarum)、鴨嘴海豆芽(Lingulaanatina)等生物的密度分布相對較好,未見明顯異常,種群結構相對穩定,未有明顯變化,并且有趨好的現象。在試點治理各期,底棲生物的物種密度和生物量略有降低,但并未對試點區域內底棲生物類群產生顯著影響。

2.3.2化學治理對底棲生物群落多樣性的影響。在試點治理區域,分別在噴灑作業前(治理前期)、噴灑作業間隔期間(治理中期)、噴灑作業完成后(治理后期)共進行了3個航次潮間帶底棲動物群落多樣性分析,結果如圖12所示。

圖12 試點治理各階段底棲生物群落多樣性Fig.12 Diversity indices of benthic community at each stage of pilot management

通過綜合性指數結果比較可知,治理前、中、后期底棲生物各種綜合性指數相對略有上升,其中豐富度指數和多樣性指數上升明顯,進一步說明該治理方法未對周圍底棲生物生態環境造成影響和擾動,保證了生物的生態質量。同時,在試點治理區域跟蹤監測中發現,該區域出現的海鳥種類和數量都有所增加,其中白鷺出現的頻率和數量最多。總體來說,該試點區域的底棲生物治理前后未見明顯差異。

為有效防范互花米草繼續擴散,力爭盡快消除,切實保護濱海濕地生態系統,以2021年無人機正射測繪的互花米草圖斑位置和覆蓋面積為參考,對前期互花米草空間分布進行無人機正射監測,結合正射結果對所有沿海區的互花米草進行了摸底調查,截至2021年6月8日,通過無人機正射測算出日照市互花米草面積約為53.439 6 hm2(表1)。

表1 2021年日照市沿海各區互花米草治理完成情況

3 討論

無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)最早出現在1917年,作為一種自帶動力、方便操控、適應多種環境、快速處理數據信息的飛行器[22]。隨著計算機網絡技術的迅速發展以及各種體積小、重量輕、探測精度高的新型傳感器的更新換代層出不窮,無人機遙感系統的不斷升級,其應用范圍和領域也在不斷拓寬[23]。研究表明,正射影像圖還可以為資源開采監管提供相關服務,有效提升工程測繪效率,減少人工測繪弊端[24-25],還有研究對黃河三角洲國家級自然保護區的互花米草進行無人機高光譜影像的相關監測后進行圖像拼接處理并提取互花米草信息,從而繪制出黃河三角洲國家級自然保護區互花米草分布圖,進而能夠實時監測黃河三角洲國家級自然保護區內互花米草的時空分布[26]。由于絕大多數互花米草的防控防治研究都是基于小范圍的試點監測研究,而建立數模一直以來被用作描述生物入侵的有力工具[27],但由于缺少包含對不確定因素的把控而未能開展廣泛應用。采用無人機開展不同時相的遙感監測可以更加精細化地捕捉到互花米草的空間分布及動態擴張,從而為其治理提供有效的技術支撐。

互花米草作為我國危害最嚴重的外來入侵植物之一,已經嚴重威脅了濱海濕地生態系統。而大型底棲生物類群是濕地生態系統的重要組成部分,對周圍環境變化十分敏感,由于互花米草入侵一定程度上改變濕地土壤底泥的理化性質,在初期會提升土壤中的有機質含量而促進多毛類動物(如須鰓蟲Cirriformiatentaculata)生長,這與仇樂等[28]的結論類似。但伴隨著其驚人的種群擴散速率,在擠占多重生態位并與當地的原生植物群落競爭光與養分,從而逐步取代原生植物群落[29]。同時貝類等運動能力差的軟體動物由于互花米草的密集分布使得活動空間受限,甚至會窒息死亡,進而造成濕地魚類和鳥類的食物資源銳減,最終導致濕地生態系統生物多樣性下降。目前國內外學者已探索出多種互花米草的防治方法,但仍需要因地制宜地選擇適合的方法,有研究表明化學防治方法一般具有較好的清除效果,也有研究表明化學藥劑在水體環境中會被迅速降解[30],因而在試點區域對周圍沉積物、海水及貝類生物體內并未檢測出藥物殘留。同時由于互花米草的生長環境位于比較開闊的潮間帶區域,短期內可能會對某些底棲生物產生毒害,但隨著海水的不斷沖刷,底棲生物的密度和生物量不斷恢復,其多樣性和豐富度甚至略有提升,這與謝志發等[31]的研究結論相近。由于該研究僅反映日照市一個年度的互花米草入侵對底棲生態系統的影響,還需要從更大的時間跨度上繼續開展定時定點的長期跟蹤監測。

4 結論

通過比較互花米草試點治理前后的效果圖,可以看出互花米草覆蓋面積由治理前的2.720 0 hm2減少至0.011 2 hm2,治理效果十分顯著。為有效防范互花米草繼續擴散,力爭盡快消除,切實保護濱海濕地生態系統,以2021年無人機正射測繪的互花米草圖斑位置和覆蓋面積為參考,先后在日照沿海各區(東港區、開發區、山海天旅游度假區和嵐山區)對前期互花米草空間分布進行無人機正射監測,并對所有沿海區的互花米草進行了摸底調查,截至2021年6月8日,通過無人機正射測算出日照市互花米草面積約為53.439 6 hm2。經過沿海各區采用化學方法治理后,11月中旬進行評估驗收發現,日照市互花米草現存面積約為1.305 4 hm2,治理完成度約為97.6%,達到預期治理目標,基本消除了日照市互花米草存量,也為治理互花米草提供了借鑒經驗,填補了化學方法對底棲生態系統影響的研究空白。