張瑩鑫,張文祥,史本偉,2,汪亞平

（1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室,上海 200241;2.自然資源部第一海洋研究所 自然資源部海岸帶科學(xué)與綜合管理重點實驗室,山東 青島 266061）

0 引言

潮間帶 (intertidal flat)是指平均大潮高潮位與平均大潮低潮位間的區(qū)域[1].依據(jù)沉積物粒度組分不同,潮間帶可分為淤泥質(zhì)、砂質(zhì)和砂泥混合質(zhì)等類型[2],本文所述潮間帶指淤泥質(zhì)潮間帶.潮間帶在我國遼河、黃河、長江、珠江等河口三角洲廣泛分布[3-4].潮間帶是洄游動物的產(chǎn)卵場、育幼場、索餌場及遷徙候鳥的棲息地[5-7],具有重要的生態(tài)功能.同時,潮間帶的鹽沼植被具有消浪緩流、抵御風(fēng)暴潮的作用[8-9].在當(dāng)前全球氣候變暖的背景下,海平面上升和人類活動加劇而導(dǎo)致河口海岸潮間帶濕地侵蝕風(fēng)險加大[10-11].研究表明,1984—2016 年全球超過2 萬km2潮間帶濕地消失[12],其中: 2005 年風(fēng)暴潮侵蝕了路易斯安那州沿海平原527 km2的濕地[13];在中國,約50%的砂質(zhì)海岸、7%的粉砂和淤泥質(zhì)海岸遭受不同程度的侵蝕[14],1984—2019 年江蘇灌河口—扁擔(dān)河口岸線平均每年向陸后退約10 m[15].因此,研究潮間帶沉積物的穩(wěn)定性對揭示潮間帶侵蝕機制具有重要的理論和現(xiàn)實意義.

潮間帶沉積物的穩(wěn)定性受沉積物自身及外界因素的影響,如沉積物物理特性 (固結(jié)程度、粒徑大小和組成等)、生物作用 (植被、底棲動物等)和化學(xué)作用 (溶解有機物、金屬離子和pH 值等)[16].已有沉積物穩(wěn)定性研究主要集中在沉積物物理特性方面[17-21].Wang[22]研究發(fā)現(xiàn),沉積物體積密度越大,含水率越低,穩(wěn)定性越強.另有研究表明,沉積物穩(wěn)定性還受黏土含量影響,黏土含量在17.8%～33.7%范圍時,沉積物穩(wěn)定性較強[23].植被對沉積物穩(wěn)定性也有較大的影響,目前這方面的研究還不多.如Morgan等[24]研究發(fā)現(xiàn),具有細須根的土壤比沒有根系的土壤穩(wěn)定性更強,但缺乏植被根系對沉積物穩(wěn)定性影響的定量分析.因此,本文選擇長江口崇明東灘植被-光灘中沉積物為研究對象,通過現(xiàn)場采樣和室內(nèi)實驗,定量分析潮間帶鹽沼植被對沉積物穩(wěn)定性的影響.本研究可以加深理解鹽沼植被在保灘護岸中的作用,為海岸帶綠色防護與生態(tài)資源開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)概況

崇明東灘位于中國第三大島崇明島最東端 (圖1),由長江徑流攜帶的大量泥沙淤積形成,是長江口口門最大、最完整的河口灘涂濕地[25-27],屬于典型的淤泥質(zhì)潮灘[28].崇明東灘潮間帶表層沉積物以粉砂為主,總體呈現(xiàn)自海向陸和自南向北變細的變化趨勢 (表1).潮間帶的北部 (北八滧)和中部 (東旺沙) 區(qū)域為淤泥質(zhì)潮灘,南部 (團結(jié)沙) 區(qū)域為粉砂質(zhì)潮灘[29].植被分布北部主要為互花米草和海三棱藨草群落,中部和南部主要為蘆葦和海三棱藨草群落[30].

2 數(shù)據(jù)采集和實驗方法

2.1 現(xiàn)場樣品采集

2021 年6 月,在崇明東灘潮間帶北斷面、中斷面和南斷面進行沉積物采樣,采樣斷面均與海堤垂直.樣點設(shè)置如圖1 (b),采樣時間見表2.現(xiàn)場使用PVC 管 (D=7.5 cm,H=30 cm) 采集沉積物柱樣(圖2),采樣時保持樣品原狀特征,并對PVC 管兩端及時密封.2020 年6 月,在N1 樣點附近進行植被采樣.選擇植被類型相對均質(zhì)的區(qū)域,采集3 個大小為50 cm × 50 cm 的樣方,且相鄰樣方距離均大于5 m.齊地割取樣方內(nèi)活體植被地上部分,帶回實驗室測量地上生物量,通過互花米草根冠比 (地下生物量與地上生物量之比) 計算出植被地下生物量[31].本文的中斷面、南斷面植被地下生物量數(shù)據(jù)來自本文觀測點附近已有的研究成果[31-32].

圖1 研究區(qū)概況及采樣點位置Fig.1 Overview of the study area and location of sampling points

表1 崇明東灘不同區(qū)域的粒度特征[33-35]Tab.1 Grain size characteristics in different areas of Chongming Dongtan

表2 采樣時間及地點Tab.2 Sampling time and place

圖2 現(xiàn)場采樣Fig.2 In-situ sampling

2.2 室內(nèi)樣品分析

沉積物粒度分析.取表層沉積物0.2 g 于燒杯中,添加10 mL 體積分數(shù)為10%的H2O2溶液,靜置12 h,以去除沉積物中的有機質(zhì)成分.隨后加入10 mL 體積分數(shù)為10%的HCl 溶液,以去除沉積物中的碳酸鈣.待反應(yīng)完全后,利用超純水對沉積物進行反復(fù)沖洗,直至沉積物pH 呈現(xiàn)中性.隨后向沉積物中滴加兩滴體積分數(shù)為10%的六偏磷酸鈉 ([NaPO3]6) 溶液,六偏磷酸鈉溶液作為分散劑.將沉積物置于超聲波分散儀中超聲10 min,以保證沉積物充分分散.利用激光粒度分析儀 (LS13320,Backman Coulter,USA) (粒度測量范圍為0.4～2 000 μm) 對處理后的沉積物進行粒度分析,得到中值粒徑及粒徑組分分布,采用Folk-Ward 圖解法公式計算分選系數(shù)、偏度、峰度等統(tǒng)計參數(shù)[3,36].

臨界剪切應(yīng)力測量.將沉積物柱狀樣分為0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm和20～25 cm 共5 個深度層次,測量每個深度的沉積物剖面的臨界剪切應(yīng)力,取平均值作為該樣點的臨界剪切應(yīng)力.采用黏結(jié)力儀CSM (Cohesive Strength Meter,V02,Partrac,UK) (圖3) 進行測量,其工作原理是利用一定的氣壓使儀器產(chǎn)生逐漸增強的噴射水流,水流作用于沉積物表面使沉積物發(fā)生起動[37].首先啟動儀器,釋放氣壓,排除管內(nèi)空氣;然后將CSM 測量倉插進沉積物表層2 cm 深度,用細針管向測量倉內(nèi)緩慢注入海水;根據(jù)樣品特征,選擇Mud1 模式啟動測試.測量過程中,儀器自動記錄測試時間、噴射壓力及透射率.當(dāng)透射率基本不變時停止測試.利用內(nèi)部氣壓沖洗測量倉,并釋放剩余氣體.根據(jù)式 (1) 計算沉積物起動時刻對應(yīng)的剪切應(yīng)力τcr(Pa)[38].

圖3 CSM 測量儀器Fig.3 Photo of CSM instrument workstation

式 (1) 中:xp是判斷樣品出現(xiàn)臨界起動狀態(tài)時CSM 記錄的氣壓值 (Pa);a、b、c、d是儀器出廠標定得到的常數(shù),與儀器的氣壓值有關(guān),分別為67、310、195和1 623.根據(jù)Tolhurst等[38]建立的關(guān)系,將每個噴射壓力下的透射率取平均值,當(dāng)平均透射率的變化率超過5%時,定義為沉積物發(fā)生起動,此時對應(yīng)的噴射壓力轉(zhuǎn)換為等效水平剪切應(yīng)力即可反映沉積物的穩(wěn)定性.本文中使用以上的方法來描述侵蝕的發(fā)生[39].

使用SPSS 23.0 統(tǒng)計軟件包 (SPSS Inc.,Chicago,IL,USA),通過單因素方差分析法 (one-way ANOVA) 分析不同斷面地下生物量的差異及不同斷面的臨界剪切應(yīng)力差異.

3 結(jié)果

3.1 沉積物粒度

由表3 可知,研究區(qū)北斷面和中斷面沉積物粒度組成主要為黏土和粉砂.黏土和粉砂的占比總和,北斷面N1和N2 分別為98.74%和98.34%,中斷面相對較少,M1和M2 分別為94.93%和94.97%.南斷面沉積物粒度組成以粉砂為主,S1和S2 的粉砂占比分別為77.46%和80.20%,還含有部分砂,黏土含量極少.沉積物的中值粒徑北斷面最小,N1和N2 分別為5.22 μm和6.84 μm;中斷面次之,M1和M2 分別為10.35 μm和11.25 μm;南斷面最大,S1和S2 分別為40.65 μm和41.35 μm.粒徑由北向南逐漸增大.

表3 潮間帶表層沉積物粒度參數(shù)Tab.3 Grain size parameters for tidal flat surface sediments

3.2 植被地下生物量

3 個斷面植被帶的地下生物量數(shù)值如圖4 (a) 所示.N1、M1和S1 的地下生物量存在顯著性差異(p＜0.05).N1 覆蓋的植被為互花米草,地下生物量最大,達到(990±91) g/m2.M1 地下生物量相對較少,為(648±124) g/m2,S1 地下生物量最少,為(371±33) g/m2,M1和S1 覆蓋的植被均為海三棱藨草.

3.3 植被-光灘中沉積物的穩(wěn)定性

由圖4 (b) 可知,在植被帶上,N1 的臨界剪切應(yīng)力較大,達到(3.60±1.60) Pa,M1 與N1 的臨界剪切應(yīng)力沒有顯著性差異 (p＞0.05).S1 的臨界剪切應(yīng)力較小,為(1.92±0.55) Pa,S1 與M1 臨界剪切應(yīng)力存在顯著性差異 (p＜0.05),沉積物穩(wěn)定性呈現(xiàn)出N1≈M1＞S1 的趨勢.在光灘上N2 與M2 均位于淤泥質(zhì)潮灘,N2 的臨界剪切應(yīng)力為(1.91±1.05) Pa,M2 的臨界剪切應(yīng)力為(2.36±1.05) Pa,N2和M2 的臨界剪切應(yīng)力沒有顯著性差異 (p＞0.05) .S2 位于粉砂質(zhì)潮灘,S2 的臨界剪切應(yīng)力為(1.05±0.35) Pa,S2 與M2 的臨界剪切應(yīng)力存在顯著性差異 (p＜0.05),沉積物穩(wěn)定性呈現(xiàn)出M2≈N2＞S2 的趨勢.對比分析植被帶與光灘的臨界剪切應(yīng)力,沉積物穩(wěn)定性呈現(xiàn)出N1＞N2、M1＞M2、S1＞S2,即在崇明東灘北斷面、中斷面、南斷面中,植被帶的沉積物穩(wěn)定性均與光灘的沉積物穩(wěn)定性存在顯著性差異 (p＜0.05).

圖4 北、中、南斷面 (a) 植被帶地下生物量和(b) 光灘、植被帶臨界剪切應(yīng)力Fig.4 (a) Underground biomass of the vegetation zone,and (b) critical erosion shear stress of the bare flat and vegetation zone at the north,middle,and south section

4 討論

4.1 沉積物粒度特征對沉積物穩(wěn)定性的影響

本文選取長江口崇明東灘鹽沼植被帶與前緣光灘區(qū)域,測量沉積物臨界剪切應(yīng)力和粒度特征,分析不同區(qū)域沉積物穩(wěn)定性.根據(jù)已有研究,沉積物粒度特征是影響沉積物重力、黏聚力和黏附力的主要因素[16].在光灘區(qū)域,北斷面和中斷面沉積物中黏土含量較高,均在20%以上,南斷面黏土含量極少(表3),而北斷面和中斷面沉積物的臨界剪切應(yīng)力是南斷面的2 倍左右 (圖4 (b)),從以上分析結(jié)果可以看出,黏土含量達到20%以上,可顯著地增加沉積物的穩(wěn)定性.黏土含量對沉積物穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在兩個方面: 一方面,沉積物中黏土含量高,泥沙顆粒所受重力作用減小,黏結(jié)作用增大,內(nèi)部黏聚力起主導(dǎo)作用,臨界剪切應(yīng)力增加[40];另一方面,細顆粒黏土吸附在顆粒較粗的粉砂和砂顆粒表面,在顆粒間形成“黏結(jié)劑”,填充粉砂和砂粒間空隙,使沉積物內(nèi)部孔隙率減小,密實度增加,形成更加緊密的整體,沉積物穩(wěn)定性增強[16,41].因此,黏土含量對沉積物的影響主要是通過改變沉積物之間的黏聚力和密實度進而改變沉積物的穩(wěn)定性.

4.2 植被對沉積物穩(wěn)定性的影響

鹽沼植被根系對沉積物穩(wěn)定性具有重要作用.研究表明,根系主要通過兩個方面影響沉積物的穩(wěn)定性.一方面,沉積物抗壓強但抗拉弱,而植物根系的抗拉強,能夠?qū)Τ练e物有“加筋”作用,增強沉積物的抗剪強度[42].在植被根系生長的過程中,根尖對沉積物產(chǎn)生軸向壓力,使根與沉積物的接觸更緊密[43],同時根系表面凹凸不平的側(cè)根、須根、根節(jié)和根毛等增大了根與沉積物之間的接觸面積,增強了二者之間的摩擦力,起到加固沉積物的作用[44-45].另一方面,鹽沼植被根系在生長過程中會分泌多價陽離子和胞外聚合物[46],這些化學(xué)物質(zhì)使沉積物顆粒膠結(jié),增強了沉積物穩(wěn)定性[16].本文通過對植被帶和光灘中沉積物臨界剪切應(yīng)力的研究,發(fā)現(xiàn)同一斷面的植被帶中沉積物的臨界剪切應(yīng)力顯著大于前緣光灘區(qū)域 (p＜0.05) (圖4).這表明鹽沼植被根系對沉積物的穩(wěn)定性具有積極作用,植被根系是通過根系網(wǎng)絡(luò)和根系分泌物“加固”沉積物,起到固灘護岸作用.

不同鹽沼植被類型對沉積物穩(wěn)定性的影響有所差異.由圖4 可知,在海三棱藨草植被帶中,M1 的地下生物量較S1 的高 (p＜0.05),M1 的沉積物較穩(wěn)定;在互花米草和海三棱藨草植被帶中,N1 的地下生物量是M1 的1.5 倍,但N1 與M1 的沉積物臨界剪切應(yīng)力無顯著性差異 (p＞0.05).由以上分析可知,同一類型鹽沼植被帶的沉積物穩(wěn)定性是由地下生物量決定的,隨著地下生物量的增加,沉積物穩(wěn)定性逐漸增強.而不同類型鹽沼植被帶的沉積物穩(wěn)定性受根系特征影響,如圖5 所示,N1 的地下根莖是互花米草,較M1 的海三棱藨草根系粗,使N1 的沉積物有更強的透氣性,沉積物的抗侵蝕性相應(yīng)變小.因此,沉積物的穩(wěn)定性不但與植被的地下生物量有關(guān),還與植被根系特征有關(guān),植被根系越細,沉積物穩(wěn)定性越強.

圖5 (a) 互花米草根和(b) 海三棱藨草根Fig.5 (a) Spartina alterniflora roots and (b) Scirpus mariqueter roots

5 結(jié)論

本文利用黏結(jié)力儀 (CSM) 測量淤泥質(zhì)潮間帶植被-光灘中沉積物的穩(wěn)定性,通過對比分析實驗結(jié)果,得到如下結(jié)論: ①黏土含量高低影響沉積物穩(wěn)定性.隨黏土含量增加,沉積物黏聚力增強,沉積物更穩(wěn)定.② 沉積物穩(wěn)定性在植被帶和光灘有明顯差異,受植被根系“加筋”作用,鹽沼植被帶沉積物穩(wěn)定性顯著高于光灘區(qū)域.③植被帶中沉積物的穩(wěn)定性主要受到地下生物量和植被根系特征影響.相同類型植被條件下,地下生物量越高,沉積物越穩(wěn)定.不同類型植被條件下,沉積物穩(wěn)定性由植被根系特征決定,較粗根系不利于沉積物的穩(wěn)定.與海三棱藨草相比,互花米草盡管植株高大、根系粗壯,但互花米草植被帶內(nèi)沉積物穩(wěn)定性差.這方面還有待進一步深入研究.下一步需要擴大現(xiàn)場采樣范圍與樣品采集密度,對互花米草根系、沉積物臨界剪切應(yīng)力進行量化,深入研究潮間帶鹽沼植被,特別是互花米草根系對沉積物穩(wěn)定性的影響.