王飛飛,錢靈穎,丁 升,曹文志,陳能汪,周克夫

廈門大學(xué)濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室,廈門大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)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(fù)雜且生產(chǎn)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(hù)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(chǎn)總值,在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)全局中具有重要戰(zhàn)略地位[1]。然而,隨著人類活動高強(qiáng)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(jīng)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(jìn)行研究,很難揭示兩者之間的聯(lián)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(jīng)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(gòu)建海岸帶生命共同體以及實現(xiàn)海岸帶生態(tài)保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測是生態(tài)保護(hù)的基礎(chǔ)[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(gòu)建了水質(zhì)和生物統(tǒng)籌監(jiān)測計劃,包含兼顧陸海的景觀、濕地、水質(zhì)以及生物系列監(jiān)測指標(biāo),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(jù)跨學(xué)科討論的結(jié)果,提出了在地中海海岸帶開展包括地貌學(xué)、動植物區(qū)系、能源生產(chǎn)、管理和綜合保護(hù)、地理和景觀、文化遺產(chǎn)和環(huán)境資產(chǎn)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(gòu)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(jìn)行快速環(huán)境評估,并做出實時預(yù)測[8]。總之,此類綜合監(jiān)測系統(tǒng)通常構(gòu)建于陸海相互作用的人口密集的河口-海灣區(qū)域,并關(guān)注陸地(河流流域)的生態(tài)影響,可直接服務(wù)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(chǔ)上,嘗試構(gòu)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,北溪下游入海口附近的江東庫區(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(fù)雜,主要受黑潮、南海暖流、閩浙沿岸水和西側(cè)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(fù)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(fù)技術(shù)”,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(chǔ)上,通過遙感和生物監(jiān)測、標(biāo)準(zhǔn)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(shù)集成,開展兼顧陸海的綜合監(jiān)測體系構(gòu)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(biāo)包含總氮、總磷和氨氮等指標(biāo),但海水水質(zhì)的營養(yǎng)鹽監(jiān)測指標(biāo)為無機(jī)氮、非離子銨和活性磷酸鹽等,無法對水質(zhì)評價進(jìn)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(shè)不合理,監(jiān)測頻次不對應(yīng),以及缺少生物監(jiān)測等問題也導(dǎo)致常規(guī)監(jiān)測對海岸帶綜合管理的支撐作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

2.2 河口灣區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)行的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(guān)基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn),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(shù)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(rèn)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(hù)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?？偭康年P(guān)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(diào)控機(jī)制及實現(xiàn)入海總量控制目標(biāo)具有重要意義。隨著人類活動強(qiáng)度的增加,河流向近海輸送營養(yǎng)鹽的濃度、通量以及結(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)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(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)之一,也是服務(wù)功能較高的生態(tài)系統(tǒng),具有抵御風(fēng)浪、保護(hù)海岸、凈化水質(zhì)、固碳儲碳、調(diào)節(jié)氣候、維持生物多樣性、保護(hù)水產(chǎn)種質(zhì)資源、生態(tài)旅游、科學(xué)研究等諸多重要生態(tài)功能。然而該類關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測的缺失,導(dǎo)致無法系統(tǒng)地了解其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生態(tài)服務(wù)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(gòu)建

針對海岸帶環(huán)境質(zhì)量改善和生態(tài)安全提升目標(biāo),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(chǔ)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(yīng)關(guān)系的海岸帶綜合監(jiān)測體系,完善了海岸帶關(guān)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(zhǔn)/標(biāo)準(zhǔn),為保障海岸帶生態(tài)系統(tǒng)安全、實現(xiàn)海岸帶生態(tài)系統(tǒng)精準(zhǔn)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(gòu)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(zhì)量及其變化的反應(yīng)來指示水質(zhì)現(xiàn)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(jù)。通過對九龍江北溪水體浮游植物監(jiān)測,開展其群落結(jié)構(gòu)及多樣性研究,構(gòu)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(biāo)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(chǎn)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(yīng)用于廈門灣赤潮監(jiān)測和預(yù)警。通過上述監(jiān)測在陸域(河流)和近海實現(xiàn)了一體化的藻類監(jiān)測和評價。

3.1.2水環(huán)境關(guān)鍵指標(biāo)的序列監(jiān)測

采用人工采樣和改進(jìn)的新型自動采樣器,進(jìn)一步優(yōu)化河流、河口、灣區(qū)水質(zhì)監(jiān)測站位,構(gòu)建了九龍江-廈門灣營養(yǎng)鹽、重金屬、農(nóng)藥、多環(huán)芳烴、抗生素、個人護(hù)理用品等污染物的動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系。除地表水和海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)氮、溶解態(tài)磷、顆粒磷、有機(jī)磷和無機(jī)磷濃度等其他重要指標(biāo),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(jī)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(fēng)險防控和突發(fā)事件應(yīng)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(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)測

在九龍江沿程、重要水源地(江東庫區(qū))以及河口構(gòu)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(biāo)的監(jiān)測體系,并采用地累積指數(shù)、污染負(fù)荷指數(shù)、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)、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(fēng)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(xué)依據(jù)。而鹵代咔唑(Polyhalogenated carbazoles, PHCs)等指標(biāo)的監(jiān)測[25]為河流-河口沉積物有機(jī)污染物風(fēng)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(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)

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(jù)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(jù)頻數(shù)累積法和赤潮數(shù)據(jù)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(jī)氮和溶解活性磷基準(zhǔn)值計算方案[26],并建立了適應(yīng)我國海洋環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)行框架的基準(zhǔn)/標(biāo)準(zhǔn)值確定方法。根據(jù)河口生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)反饋關(guān)系,嘗試給出了九龍江河口不同分區(qū)的營養(yǎng)鹽標(biāo)準(zhǔn)推薦值。該標(biāo)準(zhǔn)推薦值的建立,實現(xiàn)了地表水環(huán)境和海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)/標(biāo)準(zhǔn)值的確定提供了借鑒。

3.3 研發(fā)了河流-河口關(guān)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)鹽污染入海總量控制為目標(biāo),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(xiàn)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(chǔ)上形成了高時間精度的河流入海營養(yǎng)鹽通量數(shù)據(jù)[32],有助于開展九龍江流域主要污染物的溯源分析,實現(xiàn)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(xiàn)污染物以海洋生態(tài)系統(tǒng)承載力為基準(zhǔn)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(guān)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(wù)價值(海岸保護(hù)、碳固定、營養(yǎng)去除和重金屬去除)及空間變異性[36]。實地調(diào)查了紅樹林生態(tài)系統(tǒng)鳥類種類、數(shù)量,以及大型底棲動物的數(shù)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(hù)及修復(fù)奠定基礎(chǔ)。

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(xiàn)狀和存在問題,提出濕地重要物種如鳥類的生境恢復(fù)措施。同時水鳥和大型底棲動物的監(jiān)測數(shù)據(jù)可用于評估濱海濕地的生態(tài)修復(fù)效果,促進(jìn)海岸帶濕地生物多樣性的提高及珍稀鳥類的保護(hù)。

3.4.2重要物種保護(hù)區(qū)監(jiān)測

文昌魚是國家二級保護(hù)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(biāo)[37]。通過對廈門珍稀海洋物種國家級自然保護(hù)區(qū)的文昌魚及其他大型底棲動物物種數(shù)、棲息密度、生物量、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐度指數(shù)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(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。

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(shù)構(gòu)建了多源、多尺度影像的生態(tài)遙感和無人機(jī)遙感重點監(jiān)測相結(jié)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(nóng)田景觀以及紅樹林的演變特征和生態(tài)服務(wù)價值的動態(tài)變化[36, 39],并從不同景觀的面積變化、類型轉(zhuǎn)移和空間格局上探討其演變特征與驅(qū)動機(jī)制[40]。該監(jiān)測體系已在海岸帶灣區(qū)的生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)、重點生態(tài)功能區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、生物多樣性保護(hù)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(shù)據(jù)的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及其變化監(jiān)測、基于地面高光譜的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)測以及基于無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)的重點監(jiān)測等。根據(jù)海岸帶灣區(qū)景觀的重要性以及目標(biāo)需求,實現(xiàn)了多源、多尺度影像的景觀監(jiān)測體系。

3.6 構(gòu)建了兼顧陸海的河口灣區(qū)域生態(tài)安全評價指標(biāo)體系

基于構(gòu)建的綜合監(jiān)測體系數(shù)據(jù),采用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(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(biāo),構(gòu)建了兼顧陸海的多尺度、多層次生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)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(biāo),從生態(tài)系統(tǒng)健康、可持續(xù)性、生物多樣性、服務(wù)功能等多維度,實現(xiàn)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(jìn)海岸帶生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)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(chǔ)上,構(gòu)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(zhǔn)/標(biāo)準(zhǔn)系列推薦值。并基于主要污染入?？偭靠刂颇繕?biāo),構(gòu)建了河流入海污染物通量在線監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了海岸帶從關(guān)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(chǔ)上,構(gòu)建了兼顧陸海的灣區(qū)生態(tài)安全評價指標(biāo)體系,實現(xiàn)了區(qū)域生態(tài)安全的動態(tài)快速評價,評價結(jié)果可直接服務(wù)于管理,實現(xiàn)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(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

構(gòu)建的海岸生態(tài)過渡帶綜合監(jiān)測體系,實現(xiàn)了從陸域(流域)到河口(近海),從污染源、環(huán)境質(zhì)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(xiàn)了宏觀與微觀融合、陸地與海洋生態(tài)系統(tǒng)兼顧、質(zhì)量與通量并舉、人工與自動監(jiān)測相互補(bǔ)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(zhì)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(hù)與修復(fù)等提供科學(xué)支撐,實現(xiàn)基于生態(tài)系統(tǒng)的“從流域到海洋”綜合治理。