盐沼植被缓流能力观测研究——以崇明东滩海三棱藨草盐沼区为例

谢泽昊，史本伟，田 波，陈 倩，张文祥，顾靖华

华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200241

0 引言

近年来，随着入海泥沙通量减少、相对海平面上升和沿海开发等加剧，海岸侵蚀现象日益严重。盐沼植被构成的自然岸段具有缓流和抑制海岸侵蚀的功能，可起到保护海岸的作用，逐渐被越来越多的研究视为可持续的海岸防护方式[1-3]。评估缓流能力差异、探究影响缓流能力的要素都需要实测数据作为支撑。

一般认为，平静的天气条件下，潮流是潮滩泥沙输运和潮间带发育的重要控制因素。近底部边界层的潮流运动会影响潮滩的泥沙输运，使泥沙在潮滩上发生悬浮或沉降，进而影响侵蚀淤积过程和地貌演化，因此研究盐沼植被的缓流能力具有重要的科学意义[4-5]。目前，盐沼植被对流速衰减的研究已取得一定的研究成果：在观测方式上，量化盐沼植被缓流能力主要包括室内水槽定标实验与野外原位观测两种方式。室内水槽定标实验通过控制变量研究并量化理想情况下不同水动力、植株特征条件，及盐沼植被与潮流之间相互作用关系，但是室内水槽实验受到水槽边缘效应影响，且无法模拟植被生长过程，会导致观测结果的不确定性[6-7]。野外原位观测通过由海向陆布设的观测样带，探究盐沼植被对潮流垂直结构以及水平流速的影响。研究[8-10]发现，盐沼植被对运动的潮流产生阻力，显著改变速度的垂向分布，使垂向潮流结构偏离von Karman-Prandtl模型的J型半对数函数，同时也导致水平方向的流速降低，总体上盐沼植被带内的流速明显低于相邻光滩。在影响因素的分析上，现有研究[11-14]探讨了盐沼植被缓流能力与植株地上生物量、种类等植被表型指标以及水深、流速等水文条件的关系，认为不同盐沼植物冠层的结构不同，对潮流流速与结构的影响不同，在同种盐沼植被中，密度较大的区域以及较宽的植被带缓流效果相对较好，在强潮条件下盐沼植被缓流能力均有一定程度提升。但是盐沼植被具有明显的物候性，大多数已有的研究主要集中在夏季，可能会使海岸防护评估结果存在误差。近年来有研究发现不同物候期时盐沼植被的缓流能力存在明显差异，盐沼植被在夏季缓流能力达到最高值[9]。

长江口拥有丰富的盐沼植被资源并呈现“海三棱藨草—互花米草—芦苇”条带状空间格局，可以提供多样的生态服务功能[15-16]。本研究以长江口海三棱藨草为研究对象，通过设置“光滩—植被带边缘—植被带”自然潮滩梯度，现场测定海三棱藨草盐沼植被的缓流能力，定量分析不同物候期海三棱藨草盐沼植被在不同水深和流速条件下的缓流能力差异，以期为评估盐沼植被缓流能力以及盐沼植被保护、生态岸防建设提供科学参考。

1 研究方法

1.1 区域选择与样带概况

本文以长江口崇明东滩为研究区。该区域以潮流作用为主，为东西方向的往复流。口门处多年平均潮差2.66 m，最大潮差可达4.62 m，具有不规则的半日潮特征，属于典型的中等潮汐强度河口[17]。气候上，该区域具有春夏季盛行东南风、秋冬季盛行偏北亚热带季风的特征[18]。

海三棱藨草是一种多年生草本植物，也是长江口的特有种和建群种，作为先锋种主要分布在吴淞高程2～4 m的潮间带湿地前沿区域。海三棱藨草花果期通常在6—9月，6月前后地下分蘖和地下根茎发育会迅速形成密集的新生种群[19-21]。

现场观测选择崇明东滩南部的海三棱藨草盐沼区为研究区(图1)，在植被类型较为均一且地形平缓的区域设置“光滩—植被带边缘—植被带”的观测样带(其中植被带为“距植被带边缘50 m植被带”的简称)，并开展在海三棱藨草生长中期(5—6月)、生长后期(9月)、枯萎期(10—11月)3个物候期的观测(表1)。为探究不同水文条件下的潮流流速变化情况，在不同物候期的大潮前后分别开展持续14个涨落潮周期的观测，观测期间均无风暴潮天气发生。通过现场采集表层沉积物，利用0.25 mol/L稀HCl溶液、30%的H2O2溶液、0.5 mol/L六磷偏酸钠溶液去除有机质的干扰，超纯水清洗至样品浊液为中性酸度并超声分散样品至少15 min后，采用贝克曼库尔特LS 13320激光粒度分析仪(美国BECKMAN公司)测量沉积物粒径发现，研究区沉积物中值粒径范围介于13.78～21.77 μm之间，属于典型的淤泥质海岸，中值粒径由海向陆逐渐降低。同时，使用RTK-GPS(real-time kinematic，美国Trimble导航公司)测量发现，样带高程范围介于2.56～2.93 m之间，光滩和植被带的坡度分别为2‰和5‰，地形总体较为平坦。

表1 采样时间、位置数据

1.2 现场观测

1.2.1 水文测量

在光滩、植被带边缘和植被带的3个水文观测点中分别安放水深与流速测量仪器。其中，流速测量采用亚力克电磁式点式流速流向仪(AEM-USB，日本ALEC电子株式会社)。在脉冲模式下设置仪器启动间隔5 min，启动后数据采样间隔1 s，每次启动采集30组数据，采样频率为1 Hz。为避免极浅水流速不稳定的情况，流速测量仪的探头中心距底床垂直距离为20 cm。通过INFINITY Series Acquisition Tools软件下载获得流速(二维流速)以及流向数据，为避免流速测量仪测量时海三棱藨草的干扰，需人工清除仪器中心0.5 m半径内的植被。水深的测量采用RBR duo TD3|wave波潮仪(加拿大RBR公司)，在脉冲模式下，选择Wave采样模式，设置测量周期为5 min，采样频率为4 Hz。仪器压力探头中心距底床垂直距离为5 cm，经RBR-Ruskin软件下载压力数据并经转换获得实际水深数据。

1.2.2 植被测量

除枯萎期观测时海三棱藨草在水力作用下折断并被冲走外，水文观测同期在植被带边缘与植被带两个测点间建立了5个0.3 m×0.3 m平行样，并对样方内的海三棱藨草进行齐地收割。首先在收割后立即测量茎秆根部直径(d)、株高(h)、单位面积株数(N)3个表型指标，并带回实验室冲洗干净，在105 ℃环境的烘箱中杀青2 h；再在65 ℃环境下烘干至少72 h至恒重，用电子天平称质量；最后求出各个样方的表型指标。由于水流所受植被的阻力与单位面积植株株数和茎秆根部直径的乘积呈正相关，因此海三棱藨草不同物候期的植株密度以单位体积的投影面积A=Nd表示[22]。

1.3 数据分析

观测数据均采用MySQL 8.0数据库管理系统(瑞典MySQL AB公司开发)进行管理。所有分析均在Python 3.6内完成。分析前结合水深数据提取被潮水淹没时段的流速数据。在进行统计分析之前，对于异常数据采用3σ原则(σ为标准差)进行识别，如果数值超过观测序列值的3σ，可将其视为异常值[23]。本文缓流能力均以单位距离流速衰减率表示，即单位距离潮流流速的相对衰减[9]。光滩和海三棱藨草植被带内单位距离流速衰减率分别为Rmud和Rveg，计算公式为：

Rmud=0.02×(1-vedge/vmud)×100% ；

(1)

Rveg=0.02×(1-vveg/vedge)×100% 。

(2)

式中：vedge为植被带边缘的流速；vmud为光滩的流速；vveg为植被带的流速。

流速数据利用窗口大小和滑动步长为30的滑动窗口中值滤波获得。为满足不同流速和水深条件下缓流能力的分析需要，在分析前通过等距分箱的方法对流速和水深这两个连续变量进行离散化处理。植被带内单位距离流速衰减率与植被带边缘流速、水深的相关性采用皮尔逊相关性分析获得，相关性程度以相关性系数(R)[24]表示：

(3)

式中：n为样本总数；xi为自变量值；yi为因变量值。R的绝对值越大，相关性越强。当0

2 结果与讨论

2.1 海三棱藨草盐沼区的缓流能力

通过观测发现，潮滩区域在低潮位时滩面出露，高潮位时滩面被淹没，一次涨落潮潮周期约为12.5 h，存在夜间潮位大于日间潮位的规律。不同站位的流速和水深范围不同，流速和水深普遍存在光滩>植被带边缘>植被带的规律。由图2—图4可知，不同物候期光滩的潮流流速均小于80.00 cm/s，水深均小于2.00 m。潮流由海向陆运动的过程中，流速均有逐渐下降的趋势，从表2可知：潮流进入植被带后，流速快速下降，生长中期与生长后期平均流速小于10.00 cm/s，不及植被带边缘平均流速的一半，至枯萎期，平均流速小于15.00 cm/s；相较植被带边缘流速，生长中期、生长后期和枯萎期3个物候期海三棱藨草在植被带内的单位距离流速衰减率分别为1.15%、1.06%以及0.50% m-1，说明海三棱藨草在生长中期以及生长后期均体现较强的缓流能力。

右图右上角箭头所指为正北方向，长度代表流速15.00 cm/s，下同。

图3 生长后期不同时刻水深与流速、流向观测结果

图4 枯萎期不同时刻水深与流速、流向观测结果

表2 不同物候期各点位水深、流速情况

现有研究[10-11,25]表明，互花米草等盐沼植被带比相邻光滩有更强的缓流能力，植被带内流速均小于同层位的相邻光滩；但是鲜有对海三棱藨草缓流能力观测的公开报道。本研究通过测量长江口崇明东滩海三棱藨草植被带近底部处流速发现，植被带内平均流速同样明显小于同层级的相邻光滩，与现有研究在其他区域测量发现的规律一致；而缓流能力的强弱存在区别，海三棱藨草植被带的缓流能力强于相邻光滩，植被带内单位距离流速衰减率是光滩的1.47～3.48倍。从水流运动受到的摩擦来源看，水流在光滩传播底部摩擦基本由底床的沙粒糙率、沙波形体糙率及底沙输运产生等引起。潮流进入植被带后，除底床对于水流的摩擦外，潮流运动还直接受到植株茎叶的阻碍；相比光滩区域，海三棱藨草植被带的单位距离流速衰减率更高[3,25]。

有植被覆盖的情况下，涨落潮阶段海三棱藨草植被带对流速的衰减过程不同：涨潮期间，潮水由海向岸流动，遇到海三棱藨草的阻碍后流速开始减小并在向深处推进的过程中逐渐降低；落潮期间潮水方向为由岸向海方向，水流由海三棱藨草深处向海流动，受海三棱藨草的阻滞流速有所减小，当流出海三棱藨草植被带后没有植被的阻挡潮流的流速又会开始加大。这一过程与现有研究在泉州湾互花米草盐沼区中发现的过程一致[25]。因此，崇明东滩海三棱藨草植被带同样起到较好的缓流功能，可以作为生态岸防的“原材料”实现较好的海岸防护功能。

2.2 不同物候期对缓流能力的影响

盐沼植被生长具有物候差异，而现有缓流能力野外观测研究大多集中在夏季。本研究在水文测量的同期对植被表型特征测量发现，各指标均存在物候差异(表3)。其中，生长后期海三棱藨草植株密度和地上生物量均值较生长中期分别增加19.40%和87.18%，但是平均株高降低6.85%；由于枯萎期海三棱藨草植株地上部分被折断冲走，因此无植被样本数据。在海三棱藨草生长中后期，地下分蘖和地下根茎发育会形成密集的新生植株[20]，相比生长中期的测量结果，生长后期的密度和地上生物量均有一定的增加，但是由于分蘖作用产生的新生植株较为矮小，生长后期植株的平均株高相比生长中期有所下降。进入枯萎期海三棱藨草开始逐渐枯萎，自身强度下降，在水力作用下植株地上部分发生折断并被潮流裹挟带走，植株地上部分完全丧失。

表3 不同物候期海三棱藨草株高、密度和生物量

分析不同物候期海三棱藨草的缓流能力发现，海三棱藨草的物候差异对其缓流能力存在影响。在长江口的水文和坡度条件下，单位距离流速衰减率呈现生长中期(1.15% m-1)>生长后期(1.06% m-1)>枯萎期(0.50% m-1)的规律，生长中期、生长后期和枯萎期从植被边缘到植被带流速分别下降10.84、10.40以及4.72 cm/s(表2)。

从表3可知，生长后期的植株密度和地上生物量相比生长中期增幅明显，但生长后期海三棱藨草植被带的单位距离流速衰减率略低于生长中期。此现象与现有观测研究发现盐沼植被缓流能力与地上生物量呈正相关的结论存在区别[9-10]，说明海三棱藨草植被带的缓流能力可能受到了除植株地上生物量外的其他因素影响。进入枯萎期，海三棱藨草的缓流能力相比前两个物候期有明显下降，该现象与德国Elbe河口海滨三棱草(Bolboschoenusmaritimus)冬季缓流能力明显低于夏季的观测结果一致[9]。由于枯萎期海三棱藨草植株的地上部分在水、风等外力作用下丧失，原本植被覆盖的区域变为近似光滩的状态，潮流运动不再受海三棱藨草的阻碍，相同距离的流速衰减减少；因此，不能以海三棱藨草生长中期和生长后期的缓流能力评价其枯萎期甚至全年的缓流能力。此外，海三棱藨草的缓流能力受到除植被表型指标外其他因素的影响，需要进一步探究。

2.3 不同流速和水深条件对缓流能力的影响

水文观测结果发现，不同时段流速和水深存在差异。现有研究[9]已关注不同物候期盐沼植被带缓流能力的差异，但是鲜有在不同物候期时不同流速和水深条件对盐沼植被缓流能力影响的公开报道。掌握并量化不同物候期海三棱藨草植被带在不同流速和水深条件下的缓流能力对海岸防护评估具有重要意义。

如图5所示，以单位距离流速衰减率为因变量，植被带边缘流速区间、水深区间为自变量，对单位距离流速衰减率与海三棱藨草植被带边缘流速、水深进行相关性分析。分析发现，不同物候期下海三棱藨草植被带的单位距离流速衰减率与植被带边缘流速、水深条件之间均存在较强的相关性。不同物候期单位距离流速衰减率与海三棱藨草植被带边缘流速间均存在正相关，其中，生长中期、生长后期、枯萎期的相关性系数分别为0.80，0.90和0.89(图5a、c、e)。在生长中期，不同植被带边缘流速条件下单位距离流速衰减率介于0.96%～1.29% m-1之间，高流速条件(40～44 cm/s)时单位距离流速衰减率是低流速条件(4～8 cm/s)时的1.31倍；在生长后期，不同植被带边缘流速条件下单位距离流速衰减率介于0.90%～1.04% m-1之间，高流速条件(32～36 cm/s)时单位距离流速衰减率是低流速条件(8～12 cm/s)时的1.15倍；在枯萎期时，不同植被带边缘流速条件下单位距离流速衰减率介于-0.85%～0.73% m-1之间，不同植被带边缘流速条件下单位距离流速衰减率差距较大。

a、b. 生长中期；c、d. 生长后期；e、f. 枯萎期。

图5 不同物候期下单位距离流速衰减率与植被带边缘流速、水深关系对比

Fig.5 Comparison of flow attenuation rate under different flow velocity and water depth in various phenological period

在单位距离流速衰减率与海三棱藨草植被带边缘水深的相关性上，除枯萎期两者呈现正相关外，生长中期、生长后期两者均为负相关，生长中期、生长后期、枯萎期时植被带边缘水深与单位距离流速衰减率的相关性系数分别为-0.91，-0.98和0.98(图5b、d、f)。在生长中期，不同植被带边缘水深条件下单位距离流速衰减率介于0.75%～1.45% m-1之间，低水深条件(0.55～0.65 m)时单位距离流速衰减率是高水深条件(1.55～1.65 m)时的2.16倍；进入生长后期，不同植被带边缘水深条件下单位距离流速衰减率介于0.82%～1.26% m-1之间，低水深条件(0.95～1.05 m)时单位距离流速衰减率是高水深条件(1.45～1.55 m)时的1.53倍；在枯萎期时，不同植被带边缘水深条件下单位距离流速衰减率介于-0.53%～0.91% m-1之间，不同植被带边缘水深条件下单位距离流速衰减率差距较大且呈正相关。

不同岸段的流速和水深条件不同，对此，本文通过量化不同物候期时，海三棱藨草植被带在不同植被带边缘流速和水深条件下单位距离流速衰减率的差异，分析流速和水深对于海三棱藨草植被带缓流能力的影响。研究发现，植被带边缘流速越大，缓流能力越强，由于潮流流速增加使得流量和水流能量增加，植被绕流阻力作用增强，耗能增加。加之海三棱藨草植株本身在流速增强时随水流的摇曳更加剧烈，对潮流运动造成更明显的扰动和更多的消散能量，因此海三棱藨草植被带可以更有效地降低潮流流速[26]。

此外，本文研究发现，在地面有植被覆盖的情况下，缓流能力随水深增加而降低，该现象与荷兰West Scheldt河口实验发现的规律一致[14]。水深较小时，主要由于潮流在颗粒阻力与植被绕流阻力共同作用下受到的阻力较大，所以单位距离流速衰减率较高。随着水深的增加，海三棱藨草在水深较大时逐渐弯曲倒伏，导致形态阻力不断减小，对于潮流运动的阻碍降低。水深越深，上层水流有效迎水面积越小，受到阻碍相应越小；加之植被的存在使得水流流速垂线分布更加均匀化，上层水流带动下层水流运动，使得单位距离流速衰减率逐渐减小[27-28]。以上分析充分说明，除物候期外，海三棱藨草植被带的缓流能力受到流速和水深条件的影响，同时说明生长后期海三棱藨草植被带缓流能力下降是因为该物候期研究区的水深大于生长中期。

因此，在评估海岸带盐沼植被缓流能力时，需充分考虑植被具有的时间变化特征、空间异质性以及水文条件下缓流能力的差异[29-31]，不能只采用某一物候期海三棱藨草植被带的缓流能力观测结果作为标准建立评估模型，特别是近年来冬季风暴事件频发以及长江口冬季枯水，河口区域流速水深更大的情况下[9，32]。本研究的观察结果也凸显枯萎期高潮滩区域海三棱藨草需要承担更多减缓流速的功能，更宽的植被带才能获得相同的流速衰减效果。通过保护、恢复盐沼植被来保护海岸带是海岸防护工程建设的新趋势，海岸带管理和政策制定者应考虑海三棱藨草的海岸防护能力在减缓流速和抵御侵蚀方面的季节性差异，建立足够宽度的植被带确保足够的流速衰减。

3 结论与建议

1)海三棱藨草植被带内的平均流速小于相邻光滩区域，缓流能力强于相邻光滩；植被带生长中期与生长后期平均流速小于10.0 cm/s，枯萎期时平均流速小于15.0 cm/s。植被带单位距离流速衰减率是相邻光滩的1.47～3.48倍。

2)不同物候期，缓流能力呈现生长中期>生长后期>枯萎期的规律。经过50 m海三棱藨草植被带，3个物候期可以使流速分别下降10.84、10.40和4.72 cm/s。

3)不同流速和水深条件下，海三棱藨草植被带缓流能力存在不同。其中，缓流能力与植被带边缘流速间存在正相关，生长中期、生长后期、枯萎期的相关性系数均大于0.80；不同植被带边缘水深条件下，除枯萎期为正相关外，生长中期、生长后期缓流能力与植被带边缘水深为负相关，相关性系数的绝对值均超过0.90。

4)在评估和建立海岸带生态防护工程时，应当充分考虑海三棱藨草的物候差异，同时也需要关注当地的流速和水深条件差异。

5)本研究采用野外现场原位观测的方法，结果存在一定的不确定性：本研究暂未剔除地形因素的影响，可能会对植被的缓流能力测算结果造成一定的误差；此外流速较高和水深较深的条件下缓流能力物候期间差异较小，原因在本文的研究中尚未得到合理解释。这些不足和问题在今后的研究中将通过室内水槽实验等方式继续进行深入的研究和讨论。