基于陸海統籌的九龍江-廈門灣海岸生態過渡帶綜合監測體系構建

王飛飛,錢靈穎,丁 升,曹文志,陳能汪,周克夫

廈門大學濱海濕地生態系統教育部重點實驗室,廈門大學環境與生態學院, 廈門 361102

海岸帶是連接陸地與海洋生態系統的生態過渡地帶,是地球上最為復雜且生產力最高的生態系統之一,也是人類活動較為劇烈的區域,生態保護和開發利用矛盾突出。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系統類型,該區域占陸域國土不到30%,卻承載著全國40%以上的人口,創造著70%以上的國民生產總值,在經濟社會發展和生態文明建設全局中具有重要戰略地位[1]。然而,隨著人類活動高強度的開發利用以及全球氣候劇烈變化,近岸海域生態系統近年來已經愈發脆弱,污染和富營養化等問題突出[2- 3]。目前的研究多將陸域和河口(近海)生態系統割裂進行研究,很難揭示兩者之間的聯系以及污染物在陸海之間遷移和相互影響過程。陸海統籌已經上升到國家重大戰略,需要將陸地與海洋作為一個整體來考慮。特別在灣區生態過渡帶開展精確有效的監測是落實陸海統籌戰略和構建海岸帶生命共同體以及實現海岸帶生態保護與可持續發展的關鍵。

生態與環境監測是生態保護的基礎[4]。目前,海岸帶綜合監測在部分區域已開展了一些研究。自1985年以來,美國切薩皮克灣構建了水質和生物統籌監測計劃,包含兼顧陸海的景觀、濕地、水質以及生物系列監測指標,旨在通過評估保障海灣生態系統的健康[5- 6]。地中海沿岸地區根據跨學科討論的結果,提出了在地中海海岸帶開展包括地貌學、動植物區系、能源生產、管理和綜合保護、地理和景觀、文化遺產和環境資產等的綜合監測計劃[7]。在美國新澤西州的海岸帶區域構建了一個綜合的長期生態系統觀測站,其目的是對沿岸水域進行快速環境評估,并做出實時預測[8]。總之,此類綜合監測系統通常構建于陸海相互作用的人口密集的河口-海灣區域,并關注陸地(河流流域)的生態影響,可直接服務于生態環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測存在的問題,通過國家重點研發計劃項目的實施,在常規監測的基礎上,嘗試構建基于陸海統籌的海岸生態過渡帶綜合監測體系,以期為閩三角城市群海岸帶的生態安全和可持續發展提供保障。

1 研究區域概況

圖1 研究區域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,地形復雜,主要受黑潮、南海暖流、閩浙沿岸水和西側九龍江口徑流的影響[9]。廈門灣不僅是地理位置優越的天然良港,而且生態資源類型多樣,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系統類型,并面臨著生態緩沖能力有限、系統復雜且演替趨勢不明等挑戰,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計劃“閩三角城市群生態安全保障及海岸帶生態修復技術”,針對九龍江-廈門灣的生態安全狀況,在常規環境監測的基礎上,通過遙感和生物監測、標準銜接、采樣和分析儀器以及在線監測系統研發等技術集成,開展兼顧陸海的綜合監測體系構建研究。

2 海岸帶生態監測存在的主要問題

2.1 陸域和海域水體環境功能區和監測不銜接

目前,地表水功能區劃與海洋功能區劃或近岸海域環境功能區劃存在不銜接或空間上的交叉重疊。陸域地表水功能區劃沒有考慮與海域功能區劃的約束與銜接,海域功能區劃沒有考慮到河流淡水和海水相互匯合和混合區域等生態問題[12],將造成管理上的混亂或矛盾。此外,地表水監測指標包含總氮、總磷和氨氮等指標,但海水水質的營養鹽監測指標為無機氮、非離子銨和活性磷酸鹽等,無法對水質評價進行直接對比,造成陸海水環境管理上的不銜接。監測點布設不合理,監測頻次不對應,以及缺少生物監測等問題也導致常規監測對海岸帶綜合管理的支撐作用遠遠不夠。

2.2 河口灣區水質標準尚未制定

河口是連接陸地生態系統和海洋生態系統的主要通道,在控制河口和近海水體營養狀況以及全球營養鹽循環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,地表水和海水現行的水質標準并不適用于河口生態環境,而我國尚未制定針對河口區域的相關基準或標準,一定程度上很難客觀評價河口灣區的環境與生態狀況。

2.3 河海界面營養鹽入海通量動態監測不足

由于絕大多數沿海生態系統污染物約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]。氮磷等營養鹽的輸送被認為是河口和沿海生態系統污染和富營養化的主要威脅[18]。河流營養鹽入海通量不僅是是維護河口乃至近海生態系統的重要生源要素,也是決定陸源污染物入海總量的關鍵要素。入海通量的動態監測研究對深入分析營養鹽變化特征、調控機制及實現入海總量控制目標具有重要意義。隨著人類活動強度的增加,河流向近海輸送營養鹽的濃度、通量以及結構組成也發生了較大地改變[19-20],但其動態監測體系尚未建立。

2.4 海岸帶關鍵生態系統監測缺乏

常規監測缺乏對海岸生態過渡帶關鍵生態系統的監測,而紅樹林是九龍江-廈門灣海岸帶的重要生態系統。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力最高的生態系統之一,也是服務功能較高的生態系統,具有抵御風浪、保護海岸、凈化水質、固碳儲碳、調節氣候、維持生物多樣性、保護水產種質資源、生態旅游、科學研究等諸多重要生態功能。然而該類關鍵生態系統動態監測的缺失,導致無法系統地了解其生態系統結構和生態服務功能的動態變化。

3 基于陸海統籌的九龍江-廈門灣綜合生態監測體系構建

針對海岸帶環境質量改善和生態安全提升目標,遵循生態系統整體性特點,本文在常規監測的基礎上,從生物、要素、生態系統到景觀不同層面,嘗試建立了可反映陸地-近海生態系統反饋響應關系的海岸帶綜合監測體系,完善了海岸帶關鍵生態系統的動態監測以及河流入海主要污染物的通量監測,并探索建立了銜接陸域-河口-近海水環境主要營養鹽的基準/標準,為保障海岸帶生態系統安全、實現海岸帶生態系統精準監管提供支撐。

圖2 九龍江-廈門灣海岸帶綜合監測體系構建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)水環境與生態的一體化監測系統

3.1.1生物監測

生物監測可通過監測自然界生物個體、種群、群落等對環境質量及其變化的反應來指示水質現狀、污染程度及其發展趨勢[21]。浮游植物分布的豐度、種類組成和多樣性是水體營養狀態的重要證據。通過對九龍江北溪水體浮游植物監測,開展其群落結構及多樣性研究,構建了具備多閘壩特色的河流生態系統健康評價綜合指標體系[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,并有效地應用于廈門灣赤潮監測和預警。通過上述監測在陸域(河流)和近海實現了一體化的藻類監測和評價。

3.1.2水環境關鍵指標的序列監測

采用人工采樣和改進的新型自動采樣器,進一步優化河流、河口、灣區水質監測站位,構建了九龍江-廈門灣營養鹽、重金屬、農藥、多環芳烴、抗生素、個人護理用品等污染物的動態監測網絡體系。除地表水和海水水質標準中監測的營養鹽外,同時監測了硝態氮、亞硝態氮、有機氮、溶解態磷、顆粒磷、有機磷和無機磷濃度等其他重要指標,可以全面反映和評估不同水體生態系統的污染和營養水平。而重金屬、有機污染物、新污染物等環境健康危害因素的監測,有助于提高水環境風險防控和突發事件應急監測能力。此外,該監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-河口生態系統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沉積物關鍵指標監測

在九龍江沿程、重要水源地(江東庫區)以及河口構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等指標的監測體系,并采用地累積指數、污染負荷指數、潛在生態風險指數、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險評估,并定量分析了重金屬的潛在來源,為江東庫區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依據。而鹵代咔唑(Polyhalogenated carbazoles, PHCs)等指標的監測[25]為河流-河口沉積物有機污染物風險評價和水環境新污染物控制提供了支撐。

3.2 探討了九龍江河口營養鹽的基準和標準

利用30多年九龍江河口赤潮暴發和營養鹽的研究積累,根據鹽度、水文、沉積物等特征將九龍江河口劃分為3個不同的生態系統分區,以赤潮發生作為河口生態系統功能崩潰的閾值,根據頻數累積法和赤潮數據的混合模型法,建立基于生態系統的營養鹽溶解無機氮和溶解活性磷基準值計算方案[26],并建立了適應我國海洋環境監測現行框架的基準/標準值確定方法。根據河口生態系統響應反饋關系,嘗試給出了九龍江河口不同分區的營養鹽標準推薦值。該標準推薦值的建立,實現了地表水環境和海水水質標準在咸淡水混合區的陸海銜接,為我國其他河口營養鹽基準/標準值的確定提供了借鑒。

3.3 研發了河流-河口關鍵系統界面營養鹽污染通量實時監測系統

以九龍江-廈門灣營養鹽污染入海總量控制為目標,組織研發了九龍江-廈門灣生態系統界面主要污染物入海通量在線監測系統。該系統實現了流量和主要污染物實時動態同步監測[27- 31],在此基礎上形成了高時間精度的河流入海營養鹽通量數據[32],有助于開展九龍江流域主要污染物的溯源分析,實現陸源入海污染物排海監管以及實施流域-河口-海灣一體化管理,為實現污染物以海洋生態系統承載力為基準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-海灣關鍵生態系統一體化綜合監測體系

3.4.1紅樹林生態系統監測

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]。通過遙感監測分析了九龍江口紅樹林空間分布和地上生物量的動態變化[34-35],估算了紅樹林潛在生態系統服務價值(海岸保護、碳固定、營養去除和重金屬去除)及空間變異性[36]。實地調查了紅樹林生態系統鳥類種類、數量,以及大型底棲動物的數量、棲息密度和生物量等,開展了紅樹林濕地生態系統的脆弱性評估,為紅樹林生態系統的保護及修復奠定基礎。

紅樹林生態系統監測體系的建立有助于分析濕地生態系統的功能現狀和存在問題,提出濕地重要物種如鳥類的生境恢復措施。同時水鳥和大型底棲動物的監測數據可用于評估濱海濕地的生態修復效果,促進海岸帶濕地生物多樣性的提高及珍稀鳥類的保護。

3.4.2重要物種保護區監測

文昌魚是國家二級保護動物,作為一種特殊的大型底棲動物,可以作為表征海洋生態系統健康程度的有效指標[37]。通過對廈門珍稀海洋物種國家級自然保護區的文昌魚及其他大型底棲動物物種數、棲息密度、生物量、多樣性指數、均勻度指數和豐度指數的監測[38],分析文昌魚群落特征及其棲息環境的時空變化,為近岸海域生態環境的保護提供了科學依據。

3.5 開展了海岸帶生態景觀的系統監測

利用遙感技術構建了多源、多尺度影像的生態遙感和無人機遙感重點監測相結合的體系,主要分析了海岸帶重要生態功能區如森林、農田景觀以及紅樹林的演變特征和生態服務價值的動態變化[36, 39],并從不同景觀的面積變化、類型轉移和空間格局上探討其演變特征與驅動機制[40]。該監測體系已在海岸帶灣區的生態保護紅線區、重點生態功能區、自然保護區、生物多樣性保護優先區等重點區域開展了基于中分辨率衛星遙感數據的生態系統質量及其變化監測、基于地面高光譜的生態系統質量監測以及基于無人機遙感數據的重點監測等。根據海岸帶灣區景觀的重要性以及目標需求,實現了多源、多尺度影像的景觀監測體系。

3.6 構建了兼顧陸海的河口灣區域生態安全評價指標體系

基于構建的綜合監測體系數據,采用“壓力-狀態-響應”(PSR)概念模型,篩選具有河口灣區特色的生態系統評價指標,構建了兼顧陸海的多尺度、多層次生態系統評價指標體系,包含陸地和河口海灣的特色物種、種群、群落、生態系統等指標,從生態系統健康、可持續性、生物多樣性、服務功能等多維度,實現對海岸帶灣區生態安全的綜合動態評價,可有效評估灣區的生態安全狀況,促進海岸帶生態保護和可持續發展。

4 結論

本研究以九龍江-廈門灣為研究對象,在常規監測的基礎上,構建了基于陸海統籌的涵蓋生物-要素-生態系統-景觀不同層次的海岸帶綜合生態監測體系。該體系主要包括建立了河流-河口(近海)水環境與生態的一體化監測,探索制定了適用于九龍江河口的營養鹽基準/標準系列推薦值。并基于主要污染入海總量控制目標,構建了河流入海污染物通量在線監測系統,實現了海岸帶從關鍵生態系統到景觀的綜合監測。在上述綜合監測的基礎上,構建了兼顧陸海的灣區生態安全評價指標體系,實現了區域生態安全的動態快速評價,評價結果可直接服務于管理,實現陸海生態環境監測、評價與綜合管理的銜接,保障海岸生態過渡帶復雜生態系統的可持續發展。

構建的海岸生態過渡帶綜合監測體系,實現了從陸域(流域)到河口(近海),從污染源、環境質量到生態系統以及景觀層次的一體化綜合監測,同時實現了宏觀與微觀融合、陸地與海洋生態系統兼顧、質量與通量并舉、人工與自動監測相互補充、快速動態評價與綜合管理相銜接,可為生態環境質量改善、污染防治、主要污染物排放總量控制、生態安全評價、生態保護與修復等提供科學支撐,實現基于生態系統的“從流域到海洋”綜合治理。