深圳湾困难立地红树林修复技术与应用研究

宋雪 王辉 石建娅 王旭光 沈小雪 李瑞利,†

深圳湾困难立地红树林修复技术与应用研究

宋雪1王辉1石建娅1王旭光1沈小雪2李瑞利2,†

1.深圳中绿环境集团有限公司, 深圳 518116; 2.北京大学深圳研究生院, 环境与能源学院, 深圳 518055; †通信作者, E-mail: liruili@pkusz.edu.cn

采用 3 种技术手段(空心砖、定制竹篓 I 和定制竹篓 II), 于 2016 年在深圳湾开展困难立地条件下的红树林修复试验, 并于 4 年后从定植技术、经济成本、红树植物种群特征和沉积环境质量方面评价修复效果, 得到如下结果。1)3 种技术手段均能成功地修复桐花树种群, 修复后桐花树的保存率超过 87%; 2)空心砖组的成本低于定制竹篓 I 组和定制竹篓 II 组; 3)红树林种植区沉积物有机质(TOC)和总磷(TP)显著高于裸滩区, 说明红树林能够促进对有机物和磷的截留, 降低其向近海海洋环境逸散的风险。评价结果证明, 采用空心砖、定制竹篓 I 和定制竹篓 II 等技术手段, 能够在深圳湾困难立地成功修复红树林。综合考虑修复效果和经济成本, 建议采用空心砖技术手段对困难立地条件下的红树林进行修复。

红树林; 生态修复; 困难立地; 评价; 深圳湾

红树林是生长在河口海岸潮间带、受周期性海水浸淹的木本植物群落, 作为重要的海洋“蓝碳”生态系统之一, 在减缓全球气候变暖中发挥重要的作用[1–2]。红树林造林对加强蓝碳生态系统保护和助力碳中和等具有积极意义。目前, 红树林生态保护和修复受到前所未有的关注和重视。但是, 在修复工程中, 定植技术还不够成熟, 红树林幼苗保存率低, 在困难立地(包括强风浪海滩、高盐度海滩和深水海滩等)条件下开展修复时尤其如此。为破解这个难题, 红树林修复工作者进行了许多尝试。在深水裸滩采用 PVC 管种植红树幼苗, 管筒规格大小明显地限制苗木的后期生长, 使得红树的保存率下降[3]。

在高盐度海滩(盐度在 30‰以上)的迎风面种植红海榄和拉关木, 两者的保存率分别为 35%和39%[4]。在迎风浪面把红树苗木植入三层养护沙包, 在距离低潮线前缘 3m 设置防护桩, 并利用横杆和竖杆连接成 T 型件, 作为桐花树幼苗的固定工具, 两年后桐花树的保存率达 77%, 取得较好的效果。但是, 该措施未解决风浪造成苗木损伤的问题[5]。此外, 针对红树林修复工程效果的评价研究有限。在深圳海上田园构建红树林种植–养殖耦合系统的修复效果不理想, 该系统不利于红树植物生长和红树林底栖动物群落的栖居和发育, 修复后的水质和沉积物未达到水产养殖用水标准[6]。因此, 亟需探究相关修复技术, 以期提高困难立地红树林造林保存率, 解决困难立地条件下红树林修复的难题。

深圳湾(113°53′—114°05′E, 22°30′—22°39′N)毗邻深圳和香港, 是深圳市珠江河口东侧中部的一个外窄内宽的半封闭海湾, 也是候鸟迁徙的重要中转站, 在全球生态系统中有重要地位[7–8]。深圳湾原本有天然红树林, 但由于大规模填海工程的实施, 红树林面积逐渐减少, 主要分布于深圳福田和香港米埔及附近[7]。深圳湾其他区域(如大沙河以西区域)滩涂仅存少量红树林, 大沙河以东区域红树林消失[9]。高速城市化进程使得深圳湾受到严重的生态威胁, 如风浪大[10]、水环境恶劣[11]、表层沉积物存在一定的富营养化风险[12]以及生物多样性降低等, 导致红树林难以生长, 需要展开生态修复工程进行红树林恢复。

为了筛选出困难立地条件下更有效的红树林精准修复技术, 修复深圳湾脆弱的红树林生态系统, 缓解深圳湾生态环境承载力的压力, 本研究于 2016年在深圳湾大沙河以东区域困难立地环境中开展红树林修复试验, 并于 2020 年 8 月从定植技术、经济成本、红树种群特征和沉积物质量4个方面对深圳湾红树林修复效果进行评估, 以期为海岸带困难立地红树林生态修复工程, 尤其是强风浪条件下红树林的生态修复提供可借鉴的技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于深圳湾大沙河以东(113°57′17"E, 22°31′20"N), 紧邻深圳福田红树林自然保护区, 与香港米埔红树林保护区仅一湾之隔。地势总体向外海倾斜, 较平坦。研究区地面由块石、碎石及沙砾组成。红树林修复工作者曾在研究区迎风浪面开展红树植物种植试验(图 1), 在种植床靠海一侧垒砌充砂袋, 并打入两排连续的木桩, 回填海泥, 铺设种植床, 在种植床上种植红树植物幼苗, 包括桐花树()、秋茄()、白骨壤()和木榄()。由于风浪的冲击, 木桩难以固定, 海泥严重流失, 红树幼苗成活率很低。因此, 该方法不能成功营造红树林, 需探索其他红树林修复技术来解决目前的难题。

1.2 困难立地红树林的修复方法

1.2.1准备试验场地

通过抛石压脚, 回填海泥, 按设计整理地形, 使地形与周围排水趋向一致。试验材料主要包括桐花树幼苗、空心砖、定制竹篓 I、定制竹篓 II、松木桩、土工布充砂袋和麻绳网等。桐花树为紫金牛科桐花树属的泌盐植物, 主要分布于中、低潮带, 有较强的抗风浪、耐海水淹浸及耐盐能力[13], 是深圳湾最主要的红树乡土种。该区域的高程范围为0.8～1.0m (低潮带), 适合桐花树生长。并且, 根据景观视线的高度控制要求, 种植矮小的红树植物以便人们观赏海鸟, 桐花树相对较矮且景观效果较好。综合上述原因, 我们选择桐花树作为本研究的试验树种。

图1 研究区前期红树植物种植试验的概况

1.2.2试验样地设置

本研究于 2016 年将试验区分为 3 组, 分别为空心砖组(NB)、定制竹篓 I 组(BB)和定制竹篓 II 组(BS), 每组面积约为 200m2。2020 年 8 月, 设置 4个评价研究样地: NB 组、BB 组、BS 组和附近无植物覆盖的裸滩区(IZ)。所有样地基本上处于相同的潮位。

1.2.3修复方法

红树林修复区的剖面如图 2 所示。空心砖组修复流程为打设松木桩→堆砌土工布充砂袋→铺设空心砖→设置麻绳网和填充海泥→种植红树, 定制竹篓 I 组修复流程为打设松木桩→堆砌土工布充砂袋→铺设定制竹篓 I →设置麻绳网和填充海泥→种植红树, 定制竹篓 II 组修复流程为打设松木桩→堆砌土工布充砂袋→铺设定制竹篓 II→设置麻绳网和填充海泥→种植红树。

1)打设松木桩。松木桩设于潮间带靠近大海的外侧, 共 4 排。靠海方向的第 1 排松木桩直径约为 125mm, 长 6m, 采用小型打桩机使之垂直向下嵌入底泥3m左右, 地面留出 3m, 起到稳定土工布充砂袋的作用。其余 3 排松木桩直径约为 125mm, 长 8m, 打设后插入淤泥3m, 用连接件紧密相连并互相错位, 起到防止风浪冲击的作用。

2)堆砌土工布充砂袋。采用连续的土工布充砂袋, 在松木桩与种植床之间垒堆成护泥带状堰体, 堰坡>1: 5, 充砂袋高度略高于种植床。

3)铺设空心砖和竹篓。在空心砖组的种植床内铺设空心砖(760mm × 380mm × 190mm), 在定制竹篓 I 组的种植床内铺设定制竹篓 I (400mm×285mm×400mm), 在定制竹篓 II 组的种植床内铺设定制竹篓 II (500mm×330mm×400mm)。其中, 空心砖组是标准预制 C30 混凝土空心砖块粘接而成, 定制竹篓 I 的四周用宽 3cm 的竹篾加固, 定制竹篓 II 的四周和底部用宽 3 cm 竹篾“井”字形加固。

4)设置麻绳网和填充海泥。采用钢筋锚杆固定麻绳网, 并在种植区域填充海泥。

5)种植红树。如图 3 所示, 在空心砖、定制竹篓 I 和定制竹篓 II 里种植规格基本上一致的红树植物桐花树幼苗(高度为 30～50cm, 冠幅为 25～35cm), 种植密度约为 18 株/m2, 种植面积为 600m2。种植时, 无需去除无纺布种植袋, 使桐花树根系完全适应种植袋的生境。种植后, 在空心砖与竹篓的空隙间填满海泥。

1.3 修复效果评价

对深圳湾困难立地红树林修复工程进行评价, 包括定植技术、经济成本、红树植物种群特征以及沉积物环境质量。

图2 红树林修复区竖向示意图

图3 空心砖、定制竹篓I和定制竹篓II示意图

1.3.1红树植物桐花树种群特征调查

在红树林种植区 NB, BB 和 BS 组的相同潮位上, 每隔 50m 设置 2m×2m 的样方, 每个试验区设置 3 个重复, 记录样方内红树植物桐花树的数量、高度、基径和冠幅, 并计算覆盖率和保存率(表 1)。保存率按试验设计的全部植株的存活情况进行统计[14]。

表1 深圳湾困难立地红树林修复效果的评价指标

说明: TOC 为有机质(total organic); DIN 为无机氮(inorganic nitrogen), 是NH4+-N, NO2−-N和NO3−-N三者含量之和; TN为总氮(total nitrogen); TP为总磷(total phosphorus)。

1.3.2沉积物环境质量评价

在 NB, BB, BS 和 IZ 组的相同潮位上采集 0～10 cm 的表层沉积物, 每个采样点随机做 3 个重复。采样时先去除地面凋落物, 采集沉积物样品后立即运回实验室, 放 4ºC 冰箱保存, 一周内测完沉积物相关理化性质指标(表 1)。pH 值和盐度使用 pH 计和盐度计测定。TOC 含量采用马弗炉灼烧法测定。沉积物中 DIN 按 HJ-634-2012 分光光度法测定, 其中 NH4+-N 采用靛酚蓝法, NO2−-N 采用重氮–偶氮比色法, NO3−-N 采用铜–镉还原法。土壤 TP 按照 HJ-634—2011 碱熔–钼锑分光光度法测定。

根据《土壤养分等级分级表》[15], DIN 采用Ⅲ类标准((DIN)=40.00 mg/kg), 以NH4+-N, NO2−-N和 NO3−-N 计。参照全国第二次土壤普查的养分分级标准[16], 采用 TOC, TN 和 TP 评价深圳湾困难立地条件下红树林种植区的沉积物养分含量等级。其中, TN 浓度=DIN浓度/0.05[17]。

1.4 数据分析

测得的数据用平均数和标准误差表示。采用Excel 2016 整理所测数据, 并导入 SPSS 19.0 软件进行统计, 使用单因素方差分析法(One-way ANOVA), 对各样点的植物种群参数和沉积物参数进行显著性分析(<0.05), 并使用 GraphPad Prism 5 软件制图。

2 结果与分析

2.1 困难立地红树林的定植技术及经济成本

本研究采用空心砖、定制竹篓 I 及定制竹篓 II作为固土装置, 并采取防护结构(松木桩、土工布充砂袋和麻绳网)措施固定红树, 有效地保障红树的保活率, 取得较好的修复效果(图 4)。修复前, 岸边几乎无植被, 基本上为抛石; 修复后, 桐花树长势良好, 无病虫害。该工程把硬化的石质驳岸改造成具有景观效果的红树林生境, 保持红树滩涂景观和陆域景观的完整性, 避免海陆之间景观的相互矛盾和过度分割。该技术已成功地应用于深圳桂湾公园红树林修复工程中。

经济成本主要为材料成本费。在困难立地红树林修复试验中, 材料成本费主要包括红树植物(桐花树)、防护结构(松木桩、土工布充砂袋和麻绳网) 和固土装置(空心砖、定制竹篓 I 及定制竹篓 II)。如表 2 所示, 3 种定植技术的成本区别在于固土装置的成本不相同, 空心砖的成本(40.5 元/m2)低于定制竹篓 II (187.5 元/m2)和定制竹篓 II (180 元/m2)。总之, 空心砖组的总成本(414.6 元/m2)低于定制竹篓 I组(561.6元/m2)和定制竹篓 II 组(554.1 元/m2)。

图4 困难立地红树林的修复效果

2.2 红树林修复后的桐花树种群特征

如表 3 所示, 红树林种植区桐花树生长良好, 覆盖率达到 100%。在种植区内, 每平方米种植 17± 2.0～18±2.3 株桐花树。修复开始时, 桐花树的苗高为 30～50cm, 冠幅为 25～35cm, 经过 4 年的生长, 其高度和冠幅分别达到 138.6±1.4～149.1±5.7cm 和68.8±3.1～81.7±3.5cm。修复后各组的红树高度无显著差异。桐花树冠幅表现为 NB ≈ BB > BS (<0.05), 基径则表现为 NB 显著大于 BS, 在 BB 与 BS 之间无明显区别(<0.05)。修复 4 年后, 3 组桐花树的保存率都达到 87%以上。

2.3 红树林修复后的沉积物环境质量特征

如图 5 所示, 红树林种植区 NB, BB, BS 和裸滩区 IZ 的 0～10cm 沉积物 pH 值分别为 6.72±0.02, 6.60±0.12, 6.44±0.10 和 7.03±0.07, 表现为中性或微酸性, 其中种植区 pH 值显著低于裸滩区(<0.05)。沉积物中有机质 TOC 的含量表现为 BS>NB≈ BB >IZ, 即种植区的有机质含量显著高于裸滩区, 且定制竹篓 II 组中的有机质最高(<0.05)。NO3−-N 是各样点中 DIN 的主要形式, 占无机氮的 90%。NB 和BB 组的 NO3−-N 含量显著高于 IZ, BS 的NO3−-N 含量与 IZ 无显著差异。与 NO3−-N 相比, NH4+-N 在沉积物 DIN 中占比较低, 各样点 NH4+-N含量无显著差别。沉积物 TP 含量为(1135.80±25.65)～(1493.20± 45.71)mg/kg, 红树林种植区的 TP 含量显著高于裸滩区。由此可见, 修复后沉积物的营养状况改善了, 更有利于红树生长。

参考《土壤养分等级分级表》[15], 土壤养分第III 类标准的 DIN 含量为 40.00mg/kg, 土壤试验区NB, BB, BS 和裸滩区 IZ 的土壤 DIN 均值分别为48.80±8.15, 45.59±6.62, 32.79±7.17 和 13.56±0.22mg /kg。由此可见, NB 和 BB 的 DIN 达到土壤养分等级Ⅲ类标准, BS 和 IZ 的 DIN 均未达标。根据全国第二次土壤普查的养分分级标准[16], 可得种植区和裸滩区沉积物养分分级(表 4)。沉积物养分等级越高, 沉积物越贫瘠。种植区 NB, BB 和 BS 的有机质均处于 1 级水平, 表明红树林种植区的有机质极其丰富。种植区 NB 和 BB 的 TN 处于中水平(4 级), BS和 IZ 的 TN 分别处于 5 级和 6 级, 表明定制竹篓II组和裸滩区的 TN 处于低或极低水平。所有样点的 TP 在 1 级水平, 且红树林种植区的 TP 高于裸滩区。修复后, 沉积物氮、磷营养成分均明显增加。

表3 红树林修复区桐花树群落特征

说明: 不同字母表示各样点间差异显著(<0.05), 下同。

图5 红树林修复区与裸滩的沉积物pH, TOC, DIN和TP的含量特征

3 讨论

3.1 困难立地的红树林修复技术

困难立地条件下, 由于风浪冲击强烈、滩面高程太低、易受外界生物危害和土壤不适等原因, 不能满足红树林的生长要求, 通常需要采用工程措施来满足红树林造林所需的滩涂要求[18], 但工程措施所需成本较高。研究结果表明, 在涨退潮风浪大的流动沙质土壤条件下不适宜种植红树林, 在涨退潮海浪较小和沙土流动较缓慢的沙质滩涂可以成功造林; 种植白骨壤和桐花树后, 白骨壤的保存率仅为31%, 桐花树的保存率为 18%[19]。由此可见, 风浪冲击是限制红树林植被恢复与重建的重要因素之一。在强风浪的非宜林地条件下, 红树林修复工作者在研究区采用木桩和充砂袋作为红树幼苗的防护结构(图 1), 该结构不能阻止栽培基质流失, 不能有效地保障红树幼苗定植成功。本研究采用空心砖、定制竹篓 I 及定制竹篓 II 种植桐花树, 并使用木桩、土工布充砂袋和麻绳网作为防护结构, 修复4 年后桐花树的保存率高达 87%以上, 有效地解决了风浪对海岸修复红树林造成泥沙流动和苗木不稳定的问题。本研究采用的定植技术取得较好修复效果的原因是, 空心砖、定制竹篓 I 及定制竹篓 II 能增加土体的整体性, 且打入淤泥层的木桩的深度较大, 增强了桐花树的抗风浪能力。比较 3 种修复技术的经济成本, 空心砖组的成本低于定制竹篓 I 组和定制竹篓 II 组。随着红树林修复技术成熟和规模化, 有望进一步降低成本。此外, 修复后从植物种群特征和沉积物质量提升效果方面对修复效果进行系统评价, 有助于进一步筛选更优的修复技术。

表4 红树林修复区与裸滩的沉积物养分等级分级

说明: 根据全国第二次土壤普查的养分分级标准[16], TOC>4%, 养分等级为 1 级; TOC =3%～4%, 养分等级为 2 级; TOC=2%～3%, 养分等级为 3 级。TN = 750～1000 mg/kg, 养分等级为 4 级; TN = 500～750 mg/kg, 养分等级为 5 级; TN<500 mg/kg, 养分等级为 6级。TP>1000 mg/kg, 养分等级为 1 级; TP = 800～1000 mg/kg, 养分等级为2级。

3.2 红树林修复区的桐花树种群特征

在风浪大的立地条件下, 本研究采用空心砖、定制竹篓 I 及定制竹篓 II 种植桐花树。修复 4 年后, 试验区的桐花树覆盖率达到 100%, 株高、冠幅和基径都显著增加, 其中株高增加至 138.6±1.4～149.1 ±5.7cm, 与杨琼等[20]研究的红树林人工湿地种植桐花树株高(120.0±0.4cm)相近。种植区空心砖组桐花树的冠幅和基径明显大于定制竹篓 II 组, 可能是因为空心砖的底部与外部沉积物贯通, 根系可深扎入土壤, 吸收更多的养分, 而竹篓底部封闭, 小部分桐花树根系从缝隙中与外界接触, 大部分桐花树的根缠绕着竹篓, 不利于桐花树吸收更多的营养物质。

3.3 红树林修复区的沉积物环境质量特征

红树种植区的沉积物 pH 值较低, 呈中性或微酸性, 与水体 pH 值接近, 与邱明红[21]在废弃虾塘种植红树植物后沉积物 pH 值总体下降的结果一致。原因可能是红树植物中富含微酸性的多酚, 凋落物在土壤中分解产生酸性物质, 而裸滩区基本上无植物覆盖, 沉积物表层没有凋落物[15,22]。本研究中, 红树林种植区的有机质明显高于裸滩区。红树林种植区沉积物以黏土为主, 大部分有机质来自沉积物表层覆盖的植物凋落物、动物残体以及根组织死亡后分解产生的有机质, 有机质含量偏高, 且该区域的沉积物长期处于海水淹没的状态, 通气性弱, 导致有机质分解较慢, 有机质容易积累[23]。裸滩区沉积物以砂砾为主, 通气透水能力较强, 大部分有机质来源于海水中的营养物质以及各种微生物和藻类的残体, 这些有机质受海水运动情况的影响较大, 使得有机质停留能力差[24]。另外, 定制竹篓 II 组的有机质显著高于其余两个试验组, 原因可能是定制竹篓 II 四周和底部采用 3cm 宽的竹篾“井”字形加固, 使得本区域排水能力弱, 导致含水率较高, 进而沉积物氧化分解能力更弱, 有机质矿化分解更慢, 有机质沉降累积更多。研究表明, 沉积物是氮和磷等营养元素的重要储存库, 沉积物粒径越小, 对营养盐的吸附能力越强[25]。本研究中, 红树林修复区的 DIN 和 TP 含量高于裸滩区, 可能的原因是修复区的沉积物以黏土为主, 颗粒物间隙小, 促进黏土沉积, 富集 N 元素和 P 元素能力强, 并且红树发达的根系可吸附更多的营养物质, 增加沉积物中 N 和P 含量。该结果与闽东滨海红树林湿地氮、磷含量最高, 而裸滩区域含量最低的结果[26]一致。由此可见, 种植红树植物可以显著地改善沉积物养分状况, 显示出红树林种植区的修复效果。与裸滩区相比, 红树林修复区的桐花树根系对沉积物氮和磷等污染物具有较强的截留作用。

4 结论

本研究以深圳湾困难立地条件下的红树林修复为研究对象, 从定植技术、经济成本、红树种群特征以及沉积物理化性质方面, 分析 3 种技术(空心砖、定制竹篓 I 和定制竹篓 II )的修复效果, 并评价困难立地修复红树林的生态环境效果, 得到如下主要结论。

1)在深圳湾困难立地条件下, 采用空心砖、定制竹篓 I 和定制竹篓 II 技术均能获得较好的红树林修复效果, 且空心砖技术的成本低于定制竹篓 I 和定制竹篓 II 技术。

2)修复 4 年后, 桐花树保存率均超过 87%, 且空心砖组的桐花树冠幅和基径明显大于定制竹篓II 组。

3)基于 3 种技术修复的红树林均能有效地改善深圳湾困难立地沉积物的营养环境, 对沉积物有机物、氮和磷等污染物具有较强的截留作用, 对改善近海海洋环境具有重要生态效益。

4)综合考虑修复效果和经济成本, 空心砖技术优于定制竹篓 I 技术和定制竹篓 II 技术, 更适用于困难立地条件下的红树林修复, 该技术手段具有良好的应用和推广前景。

本文研究成果对困难立地的生态修复和提升具有积极的示范意义。

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Mangrove Restoration Technology and Application in Difficult Site in Shenzhen Bay

SONG Xue1, WANG Hui1, SHI Jianya1, WANG Xuguang1, SHEN Xiaoxue2, LI Ruili2,†

1. Shenzhen Zhonglv Environment Group Co., Ltd., Shenzhen 518116; 2. School of Environment and Energy, Peking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055; † Corresponding author, E-mail: liruili@pkusz.edu.cn

This research used three technical means of hollow bricks, customized bamboo basket I and customized bamboo basket II to carry out the mangrove restoration test under difficult site condition in Shenzhen Bay in 2016. The effect of plantation was evaluated in terms of colonization technology, economic cost, mangrove population characteristics and sediment environmental quality after 4 years. The results showed that 1) three technical methods in the mangrove plantation area could create anrestoration. The preservation rate ofgained over 87%. 2) The cost of the hollow brick technology was lower than those of the groups of customized bamboo basket I and customized bamboo basket II. 3) The total organic (TOC) and total phosphorus (TP) of the sediments in the mangrove planting area were significantly higher than those in the intertidal zone, which indicated that mangroves could promote the retention of organic matter and phosphorus and reduce the risk of their escape to the offshore marine environment. The conclusion is that the technical means of hollow bricks, customized bamboo basket I and customized bamboo basket II can successfully restore mangroves under the difficult site condition of Shenzhen Bay. Considering the restoration effect and economic cost, it is recommended to use hollow brick technology to restore mangrove under difficult site conditions.

mangrove; ecological restoration; difficult site; evaluation; Shenzhen Bay

10.13209/j.0479-8023.2022.077

2021-11-06;

2022-08-10

深圳市自然科学基金重点项目(JCYJ20200109140605948)和广东省海洋经济发展专项资金(粤自然资合[2020]059号)资助