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潮间带盐沼植物的沉积动力学效应研究

李华  
【摘要】: 潮间带盐沼是重要的湿地生态系统之一,它具有维持生物多样性、为近海鱼类提供饵料和繁育场所的功能,还可以过滤污染物、消能护岸,对海岸带的资源和环境具有重要影响。随着人类对盐沼生态系统重要性的认识,盐沼正成为多学科研究的热点。潮间带盐沼植物对海岸沉积动力过程具有重要影响。它能消能促淤,抵御滩面侵蚀,在海平面加速上升的背景下,这种促淤作用显得尤其重要。同时,它减弱到达岸边的水体能量,保护沿岸的工程设施,或降低沿岸工程设施的建造成本。潮间带盐沼植物的这种重要物理过程和工程效应使之成为河口海岸研究的重要组成部分。 本文依托国家自然科学基金项目“潮间带大型植物对沉积动力过程影响的研究”(批准号:44011770)和973中-荷合作项目“河口海岸区域物理与生态过程之间的相互作用”(批准号:2004CB720505),选择了长江口崇明东滩盐沼和九段沙盐沼为研究对象,设置典型观测段面,使用先进观测仪器获得了波浪、流速、及悬沙浓度等实测数据,并采沉积物样和植物样,在实验室内进行粒度分析及植物黏附泥沙量的测定。在此基础上,着重分析了盐沼植物的削减水动力、黏附悬浮细颗粒泥沙,改变滩面沉积物特性和冲淤稳定性的作用。主要结果和结论如下: 1、盐沼植物对水动力的影响。在崇明东滩,波高和流速的降低率(单位滩面高程或距离上波高或潮流流速减小的百分比)在海三棱藨草(Scirpus mariqueter)-互花米草(S.mariqueter)盐沼中比在光滩上可高达一个数量级。互花米草盐沼内波高降低率为7.40%/cm,海三棱藨草盐沼内波高降低率为2.60%/cm,光滩上波高降低率为0.53%/cm。盐沼中平均潮流流速降低率为0.97%/m,最大潮流流速降低率为0.89%/m;光滩上平均潮流流速降低率为0.07%/m,最大潮流流速降低率为0.08%/m.分析认为,盐沼的消浪缓流作用与植物的生态特征有关。植物越高、越密、植被带越宽,其消浪缓流效果越好;盐沼植物是否被淹没,其消浪缓流效果不同。没有被淹没的盐沼植物能更有效地发挥其消浪缓流作用。由此可知,植株矮小易被淹没的海三棱藨草盐沼的消浪缓流作用弱于植株高大不易被淹没的互花米草和芦苇(Phragmites communis)盐沼。 2、盐沼植物对水体悬沙浓度的影响.在崇明东滩观测段面上,距盐沼前缘25 m处的悬沙浓度通常都高于距盐沼前缘50 m处的悬沙浓度。在一个潮周期过程中,距盐沼前缘25m处的平均悬沙浓度为2.44 kg/m~3,最大悬沙浓度为4.59 kg/m~3;距盐沼前缘50 m处的平均悬沙浓度为1.82 kg/m~3,最大悬沙浓度为3.35 kg/m~3。由此可见,在盐沼中靠近泥沙来源的地方(光滩或潮沟),水体的悬沙浓度较高,随着向陆距离的增加,悬沙浓度逐渐减小。分析认为,盐沼植物影响悬沙浓度的机制归因于植物对水体能量降低引起的悬沙落淤、滩面沉积物再悬浮减弱以及植物对悬沙的黏附。 3、盐沼植物对悬浮细颗粒泥沙的黏附作用。在2005~2007年的植物生长季节,对崇明东滩和九段沙盐沼的植物样进行了黏附泥沙量的测定,结果表明:植物黏附泥沙量的变化范围为18.0~559.0 g/m~2,单位面积上,平均黏附在互花米草、芦苇和海三棱藨草上的泥沙量分别为220.6±172.7g/m~2,64.9±38.1g/m~2和45.2±31.7 g/m~2。分析认为,盐沼植物黏附悬浮细颗粒泥沙的多少主要与植物性质、悬沙浓度和滩面高程等有关。植物黏附的泥沙量与植物的生物量呈正相关:y=30.544e~(0.0004x)(r=0.72,n=16,p<0.001);植物茎、叶分叉处和籽、花黏附的泥沙量多于植物的茎干、叶面黏附的泥沙量。水体的悬沙浓度越大,黏附的泥沙量越多。植物群落所处的滩面高程越低,潮水淹没的机会越多,植物黏附的泥沙量越大。不同盐沼植物黏附的泥沙量差异显著,同是盐沼外缘取样的互花米草(369 g/m~2)的黏附能力强于海三棱藨草(44.8g/m~2),同是盐沼内缘取样的互花米草(77.3 g/m~2)的黏附能力强于芦苇(38.7 g/m~2),但单位生物量的盐沼植物黏附的泥沙量是海三棱藨草(150.5±134.8 g/kg)最高,芦苇(28.8±22.8 g/kg)最低,互花米草(57.5±32.9 g/kg)位于二者之间。盐沼植物生长位置距光滩或潮沟远近不同,其黏附作用不同,在盐沼外缘,单位滩地面积上植物黏附泥沙量以1-3%/m的速度从盐沼外边缘光滩或潮沟向内陆减小。盐沼植物黏附作用的位置差异归因于不同位置悬浮泥沙浓度和滩面高程的差异。植物黏附的泥沙量在垂向上从上到下急剧增大。从基部到顶端,植物黏附的泥沙量从10-15 g/m~2减小到<2 g/m~2,靠近滩面部分植物黏附的泥沙量占植物黏附总量的30%以上。盐沼植物黏附泥沙从植物基部向顶端减少的趋势是生物量、悬沙浓度和淹没状况共同影响的结果。盐沼植物黏附的泥沙量季节差异明显。以崇明东滩的海三棱藨草黏附的泥沙量为例,秋初(2007年9月)是春末(2007年5月)的6倍,冬季该植物消失,其黏附泥沙的功能也消失。盐沼植物黏附泥沙量的季节差异,除了潮况及悬沙浓度的影响外,主要与植物的生态特征有关.在崇明东滩,互花米草通过黏附机制对沉积速率的贡献率>10%。海三棱藨草通过黏附机制对沉积速率的贡献率<10%.芦苇通过黏附机制对沉积速率的贡献率可能>10%或<10%。 4、盐沼植物对滩面冲淤过程的影响。盐沼滩面的日平均冲淤速率变化明显小于光滩滩面。如2006年9月15~23日期间,对崇明东滩一个横跨盐沼-光滩的段面观测表明:盐沼日冲淤速率变化范围为-1~3 mm/d,平均日冲淤速率变化范围为-0.2~1.2 mm/d;而光滩日冲淤速率变化范围为-2~5 mm/d,平均日冲淤速率变化范围为-1~2.3 mm/d。海三棱藨草盐沼对滩面的季节性冲淤过程影响明显.如在崇明东滩海三棱藨草盐沼的现场观测发现,植被覆盖季节,滩面持续淤积,一个生长季节滩面累计淤积可超过20cm.在冬季,海三棱藨草衰亡,盐沼变成光滩,滩面停止淤积或遭受侵蚀。分析认为,盐沼植物对滩面冲淤过程的改变归因于盐沼植物对水动力的削弱、茎叶对悬浮细颗粒泥沙的黏附以及植物根系对滩面沉积物的固结作用。 5、盐沼植物对滩面沉积物粒径的影响。崇明东滩北、中、南三个盐沼段面沉积物的平均粒径与盐沼段面上的平均植物指数(植物高度与盖度的乘积)呈显著的负相关关系:y=30.951e~(-5E-05x)(r=0.9999,n=3,p<0.01),说明植物越高、越密集,滩面沉积物就越细。盐沼植物(以海三棱藨草为例)消失的冬季(沉积物平均粒径为30.1±7.8μm),滩面沉积物粒径比植被覆盖的夏季(沉积物平均粒径为16.4±3.8μm)增大约1倍.分析认为,盐沼植物对沉积物粒径的细化作用归因于植物对水动力的衰减和直接黏附。植物摩擦导致水动力衰减,促进细粒悬浮泥沙落淤,同时还抑制滩面侵蚀。植物对细颗粒泥沙的黏附作用也最终增加了细颗粒悬浮泥沙在滩面上的落淤。


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