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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(lèi)型[2],本文所述潮間帶指淤泥質(zhì)潮間帶.潮間帶在我國(guó)遼河、黃河、長(zhǎng)江、珠江等河口三角洲廣泛分布[3-4].潮間帶是洄游動(dòng)物的產(chǎn)卵場(chǎng)、育幼場(chǎng)、索餌場(chǎng)及遷徙候鳥(niǎo)的棲息地[5-7],具有重要的生態(tài)功能.同時(shí),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(lèi)活動(dòng)加劇而導(dǎo)致河口海岸潮間帶濕地侵蝕風(fēng)險(xiǎn)加大[10-11].研究表明,1984—2016 年全球超過(guò)2 萬(wàn)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(guó),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(xiàn)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(duì)揭示潮間帶侵蝕機(jī)制具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)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(dòng)物等)和化學(xué)作用 (溶解有機(jī)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(qiáng).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(shí),沉積物穩(wěn)定性較強(qiáng)[23].植被對(duì)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(xì)須根的土壤比沒(méi)有根系的土壤穩(wěn)定性更強(qiáng),但缺乏植被根系對(duì)沉積物穩(wěn)定性影響的定量分析.因此,本文選擇長(zhǎng)江口崇明東灘植被-光灘中沉積物為研究對(duì)象,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采樣和室內(nèi)實(shí)驗(yàn),定量分析潮間帶鹽沼植被對(duì)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(hù)岸中的作用,為海岸帶綠色防護(hù)與生態(tài)資源開(kāi)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(guó)第三大島崇明島最東端 (圖1),由長(zhǎng)江徑流攜帶的大量泥沙淤積形成,是長(zhǎng)江口口門(mén)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(xì)的變化趨勢(shì) (表1).潮間帶的北部 (北八滧)和中部 (東旺沙) 區(qū)域?yàn)橛倌噘|(zhì)潮灘,南部 (團(tuán)結(jié)沙) 區(qū)域?yàn)榉凵百|(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(shí)驗(yàn)方法

2.1 現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行沉積物采樣,采樣斷面均與海堤垂直.樣點(diǎn)設(shè)置如圖1 (b),采樣時(shí)間見(jiàn)表2.現(xiàn)場(chǎng)使用PVC 管 (D=7.5 cm,H=30 cm) 采集沉積物柱樣(圖2),采樣時(shí)保持樣品原狀特征,并對(duì)PVC 管兩端及時(shí)密封.2020 年6 月,在N1 樣點(diǎn)附近進(jìn)行植被采樣.選擇植被類(lèi)型相對(duì)均質(zhì)的區(qū)域,采集3 個(gè)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(shí)驗(yàn)室測(cè)量地上生物量,通過(guò)互花米草根冠比 (地下生物量與地上生物量之比) 計(jì)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(lái)自本文觀(guān)測(cè)點(diǎn)附近已有的研究成果[31-32].

圖1 研究區(qū)概況及采樣點(diǎn)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(shí)間及地點(diǎn)Tab.2 Sampling time and place

圖2 現(xiàn)場(chǎng)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?jǐn)?shù)為10%的H2O2溶液,靜置12 h,以去除沉積物中的有機(jī)質(zhì)成分.隨后加入10 mL 體積分?jǐn)?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(duì)沉積物進(jìn)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?jǐn)?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(cè)量范圍為0.4～2 000 μm) 對(duì)處理后的沉積物進(jìn)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(jì)算分選系數(shù)、偏度、峰度等統(tǒng)計(jì)參數(shù)[3,36].

臨界剪切應(yīng)力測(cè)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(gè)深度層次,測(cè)量每個(gè)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(diǎn)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(jìn)行測(cè)量,其工作原理是利用一定的氣壓使儀器產(chǎn)生逐漸增強(qiáng)的噴射水流,水流作用于沉積物表面使沉積物發(fā)生起動(dòng)[37].首先啟動(dòng)儀器,釋放氣壓,排除管內(nèi)空氣;然后將CSM 測(cè)量倉(cāng)插進(jìn)沉積物表層2 cm 深度,用細(xì)針管向測(cè)量倉(cāng)內(nèi)緩慢注入海水;根據(jù)樣品特征,選擇Mud1 模式啟動(dòng)測(cè)試.測(cè)量過(guò)程中,儀器自動(dòng)記錄測(cè)試時(shí)間、噴射壓力及透射率.當(dāng)透射率基本不變時(shí)停止測(cè)試.利用內(nèi)部氣壓沖洗測(cè)量倉(cāng),并釋放剩余氣體.根據(jù)式 (1) 計(jì)算沉積物起動(dòng)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力τcr(Pa)[38].

圖3 CSM 測(cè)量?jī)x器Fig.3 Photo of CSM instrument workstation

式 (1) 中:xp是判斷樣品出現(xiàn)臨界起動(dòng)狀態(tài)時(shí)CSM 記錄的氣壓值 (Pa);a、b、c、d是儀器出廠(chǎng)標(biāo)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(gè)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(guò)5%時(shí),定義為沉積物發(fā)生起動(dòng),此時(shí)對(duì)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(lái)描述侵蝕的發(fā)生[39].

使用SPSS 23.0 統(tǒng)計(jì)軟件包 (SPSS Inc.,Chicago,IL,USA),通過(guò)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(duì)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(gè)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(dá)到(990±91) g/m2.M1 地下生物量相對(duì)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(dá)到(3.60±1.60) Pa,M1 與N1 的臨界剪切應(yīng)力沒(méi)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(shì).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(méi)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(shì).對(duì)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(duì)沉積物穩(wěn)定性的影響

本文選取長(zhǎng)江口崇明東灘鹽沼植被帶與前緣光灘區(qū)域,測(cè)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(dá)到20%以上,可顯著地增加沉積物的穩(wěn)定性.黏土含量對(duì)沉積物穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)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(xì)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(shí)度增加,形成更加緊密的整體,沉積物穩(wěn)定性增強(qiáng)[16,41].因此,黏土含量對(duì)沉積物的影響主要是通過(guò)改變沉積物之間的黏聚力和密實(shí)度進(jìn)而改變沉積物的穩(wěn)定性.

4.2 植被對(duì)沉積物穩(wěn)定性的影響

鹽沼植被根系對(duì)沉積物穩(wěn)定性具有重要作用.研究表明,根系主要通過(guò)兩個(gè)方面影響沉積物的穩(wěn)定性.一方面,沉積物抗壓強(qiáng)但抗拉弱,而植物根系的抗拉強(qiáng),能夠?qū)Τ练e物有“加筋”作用,增強(qiáng)沉積物的抗剪強(qiáng)度[42].在植被根系生長(zhǎng)的過(guò)程中,根尖對(duì)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(shí)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(qiáng)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(zhǎng)過(guò)程中會(huì)分泌多價(jià)陽(yáng)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(qiáng)了沉積物穩(wěn)定性[16].本文通過(guò)對(duì)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(duì)沉積物的穩(wěn)定性具有積極作用,植被根系是通過(guò)根系網(wǎng)絡(luò)和根系分泌物“加固”沉積物,起到固灘護(hù)岸作用.

不同鹽沼植被類(lèi)型對(duì)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(wú)顯著性差異 (p＞0.05).由以上分析可知,同一類(lèi)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(qiáng).而不同類(lèi)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(qiáng)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(xì),沉積物穩(wěn)定性越強(qiáng).

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(cè)量淤泥質(zhì)潮間帶植被-光灘中沉積物的穩(wěn)定性,通過(guò)對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)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(qiáng),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(lèi)型植被條件下,地下生物量越高,沉積物越穩(wěn)定.不同類(lèi)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(jìn)一步深入研究.下一步需要擴(kuò)大現(xiàn)場(chǎng)采樣范圍與樣品采集密度,對(duì)互花米草根系、沉積物臨界剪切應(yīng)力進(jìn)行量化,深入研究潮間帶鹽沼植被,特別是互花米草根系對(duì)沉積物穩(wěn)定性的影響.