福建省九龍江口紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康評價：基于活力-組織結(jié)構(gòu)-恢復(fù)力框架

張婉婷，馬志遠,2，陳 彬,2，張 典,2，胡文佳,2，陳光程,2，俞煒煒,2①

(1.自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005；2.福建省海洋生態(tài)保護與修復(fù)重點實驗室，福建 廈門 361005)

紅樹林濕地廣泛分布在熱帶、亞熱帶海岸潮間帶，具有抵御風(fēng)浪、固碳儲碳和維持生物多樣性等重要生態(tài)功能[1]，是地球上生物多樣性和生產(chǎn)力最高的濕地生態(tài)系統(tǒng)之一[2]。在氣候變化和人類活動的多重干擾下，全球紅樹林濕地面臨著結(jié)構(gòu)破壞、生態(tài)功能退化和生態(tài)服務(wù)下降等問題，紅樹林生態(tài)系統(tǒng)退化已成為全球關(guān)注的熱點問題之一[3]。在我國，盡管近年來紅樹林保護和修復(fù)工程的大力實施使紅樹林面積有所增加[1]，但紅樹林生態(tài)系統(tǒng)退化形勢依然嚴峻，紅樹林生物多樣性降低、外來物種入侵和生境質(zhì)量下降等問題仍然突出[4]。

生態(tài)系統(tǒng)健康評價是生態(tài)系統(tǒng)保護和管理的基礎(chǔ)[5]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在生態(tài)系統(tǒng)健康評價方面開展了大量研究[6]，常用方法包括指示物種法[7]、生物指數(shù)法[8]和綜合指數(shù)法[9]等，其中綜合指數(shù)法具有靈活多樣、綜合性強和評價結(jié)果直觀等優(yōu)點，逐漸成為生態(tài)系統(tǒng)健康評價的主流方法[10]。RAPPORT于1989年提出的活力-組織結(jié)構(gòu)-恢復(fù)力(vigor-organization-resilience，VOR)框架是生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價的主要框架之一，其認為生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵包括生態(tài)系統(tǒng)能保持自我平衡、多樣性或復(fù)雜性、穩(wěn)定性或恢復(fù)力、活力或生長范圍以及系統(tǒng)組分間的平衡[11]。目前，VOR框架已廣泛運用于草地[12]、城市[13]、森林[14]、水體[15]等生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)評價，VOR框架能充分反映生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)[13]。

隨著紅樹林生態(tài)系統(tǒng)保護和修復(fù)工作日益受到重視，近年來陸續(xù)有學(xué)者開展了紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康的綜合評價，但多采用結(jié)合社會壓力的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR框架)、驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(DPSIR框架)等模型[8,16-17]，鮮有采用VOR框架[18]。不同框架有各自優(yōu)劣勢，PSR和DPSIR框架均能綜合考慮社會經(jīng)濟和自然環(huán)境因素，體現(xiàn)人與環(huán)境的關(guān)系，但由于社會-自然生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，往往會低估復(fù)雜的環(huán)境和社會經(jīng)濟方面的不確定性和因果關(guān)系，且各層次間相互獨立，無法體現(xiàn)組分間相互作用的動態(tài)過程[17]。VOR框架是基于生態(tài)系統(tǒng)健康內(nèi)涵而提出的，其著重聚焦于自然環(huán)境本身，對于深入剖析生態(tài)系統(tǒng)自身狀況具有明顯優(yōu)勢，且更具針對性，可根據(jù)生產(chǎn)力、組織結(jié)構(gòu)和恢復(fù)力組分的評價結(jié)果分析生態(tài)系統(tǒng)面臨的主要壓力[12]。

綜上所述，有關(guān)紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康評價的研究雖有不少，但鮮有從生態(tài)系統(tǒng)活力、組織結(jié)構(gòu)和恢復(fù)力層面綜合評價紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，而關(guān)于紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康評價的空間定量化研究則更少。針對上述問題，以九龍江口紅樹林濕地為研究區(qū)，聚焦于自然生態(tài)系統(tǒng)本身，基于VOR框架構(gòu)建紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價方法體系，并探索紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的空間定量化評價方法，以期豐富紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法，并為紅樹林生態(tài)系統(tǒng)保護和修復(fù)提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況

福建省九龍江口紅樹林濕地位于九龍江入?？冢瑢倌蟻啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候區(qū)，是福建省面積最大、種類最多、生長最好的紅樹林分布區(qū)，也是我國第一批國家重點保護濕地之一[19]。近年來，九龍江口紅樹林保護和修復(fù)日益得到重視，紅樹林面積略有增長，由21世紀初的379.5 hm2增加至2017年的420.2 hm2[20]。由于九龍江流域污染物輸入、圍墾養(yǎng)殖、海上船舶運輸和互花米草(Spartinaalterniflora)入侵等多重干擾的影響，九龍江口紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康面臨嚴重威脅[21]。根據(jù)研究區(qū)環(huán)境特征、紅樹林林帶分布，將九龍江口紅樹林劃分為紫泥、浮宮、海門島和大涂洲4個區(qū)塊，以開展紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)及空間定量化評價。于2019年10月在紫泥、浮宮和海門島設(shè)置4條調(diào)查斷面13個站點獲取紅樹林植被狀況和沉積物環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 研究區(qū)域及采樣點分布

2 評價方法

2.1 評價指標體系

在對九龍江口紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)特征進行全面分析的基礎(chǔ)上，基于科學(xué)性、代表性和操作性等原則，從活力、組織結(jié)構(gòu)和恢復(fù)力3個方面遴選并構(gòu)建紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系(表1)。

表1 紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系及其權(quán)重Table 1 Index system and weights of indexes for assessment of mangrove ecosystem health

如表1所示，活力反映生態(tài)系統(tǒng)能量輸入和營養(yǎng)循環(huán)容量[21]，采用紅樹林植被生產(chǎn)力進行表征，選取歸一化植被指數(shù)(NVDI)[22]和紅樹植被生物量[23]指標。組織結(jié)構(gòu)反映生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用紅樹植物、底棲動物和鳥類群落結(jié)構(gòu)進行表征[10]，主要選擇各生物類群的物種數(shù)、生物量等指標?；謴?fù)力反映生態(tài)系統(tǒng)在自然或人為干擾后的恢復(fù)程度、方式和速度[24]，從抗干擾能力、繁殖潛力和生境適宜性3個方面進行表征，其中，抗干擾能力選擇病蟲害發(fā)生面積、倒伏紅樹林面積和外來種入侵面積指標從干擾程度側(cè)面反映恢復(fù)力狀況，繁殖潛力采用林下幼苗密度表征，生境適宜性選擇土壤鹽度、沉積速率、底質(zhì)類型和沉積物鎘含量等與紅樹生長密切相關(guān)的生境因子[10,25-27]。紅樹林植被狀況采用樣方調(diào)查法，調(diào)查參數(shù)包括樹高、胸(基)徑、林下幼苗密度和紅樹植被物種數(shù)；沉積物環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測參數(shù)采用沉積物中鎘含量，其測試方法參照GB 17378.5—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范 第5部分：沉積物分析》。紅樹林和互花米草分布來源于2017年遙感影像數(shù)據(jù)，底質(zhì)類型來源于2018年海圖在線數(shù)據(jù)(http:∥www.enclive.cn/)，底棲動物和沉積速率等其他數(shù)據(jù)來源于文獻[28-30]。在空間定量化過程中，對缺失數(shù)據(jù)采用研究區(qū)總體水平或鄰近生態(tài)特征相似的區(qū)塊數(shù)據(jù)代替。

紅樹植被生物量計算公式為

B=a+b×lg (HDB2×H)。

(1)

式(1)中，B為紅樹植被生物量，kg；HDB為胸徑，m；H為樹高，m；a、b為相關(guān)系數(shù)，根據(jù)不同樹種確定。

植被成熟度(VM)計算公式為

(2)

式(2)中，MV為植被成熟度，取值范圍為0～1；Si為第i級成熟度植被面積，m2；ai為第i級成熟度植被成熟值，取值范圍為0～1；S為評價區(qū)域總面積，m2。其中，ai表征紅樹林植被成熟程度，以天然林為參照，即當(dāng)ai=1時，植被為天然林；對于人工林，以林齡20 a為閾值，即認為林齡≥20 a的人工林具有的結(jié)構(gòu)和功能與天然林相當(dāng)[31]。因此，當(dāng)人工林林齡ni≥20 a時，ai=1；當(dāng)ni<20 a時，ai=ni/20。

2.2 指標歸一化處理

由于評價體系中各指標類型、量綱及趨向存在差異，采用指標標準化方法對各指標進行歸一化處理，即將各指標原始數(shù)據(jù)映射為[0，1]之間的無量綱量。歸一化處理計算公式為

正向指標：Ni=Xi/Xs，

(3)

負向指標：Ni=1-Xi/Xs。

(4)

式(3)～(4)中，Ni為指標i歸一化值；Xi為評價指標i的值；Xs為評價指標i的參考標準值。

各指標Xs確定方法：土壤鹽度和沉積物鎘含量參照現(xiàn)行標準確定；紅樹林覆蓋面積、紅樹植物物種數(shù)、植被成熟度、底棲動物物種數(shù)、底棲動物生物量、底棲動物棲息密度、鳥類物種數(shù)和鳥類數(shù)量采用時間對比法確定，以未受干擾或受干擾小的歷史狀態(tài)為參照；NDVI、紅樹植被生物量、病蟲害發(fā)生面積、倒伏紅樹林面積、外來種入侵面積和林下幼苗密度采用空間對比法確定，以未受干擾或受干擾小的區(qū)域為參照；沉積速率參照同時期海平面上升速率[30]確定；底質(zhì)類型參考紅樹林最適宜生長底質(zhì)類型[32]確定。

2.3 綜合指數(shù)計算模型

采用加權(quán)法構(gòu)建紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)計算模型，計算公式為

(5)

式(5)中，IMH為紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)(MHI)，取值范圍為0～1；Vi、Oj和Rk分別為活力、組織結(jié)構(gòu)和恢復(fù)力各指標評價值；ωi、ωj和ωk分別為活力、組織結(jié)構(gòu)和恢復(fù)力各指標權(quán)重；W1、W2和W3分別為活力、組織結(jié)構(gòu)和恢復(fù)力權(quán)重。指標權(quán)重采用基于專家判斷的層次分析法確定(表1)。

采用分級量化標準，結(jié)合MHI值方法區(qū)別紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康相對程度，將紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康水平分為健康(≥0.8)、亞健康(≥0.6～0.8)和不健康(<0.6)3個等級(表2[33])。

表2 紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康等級Table 2 Mangrove ecosystem health levels

3 評價結(jié)果

3.1 活力

九龍江口紅樹林生態(tài)系統(tǒng)活力指數(shù)為0.63，處于亞健康狀態(tài)。從空間分布上看，各區(qū)塊紅樹林活力指數(shù)差異不大，以大涂洲(0.73)為最高，其后依次為海門島(0.66)、浮宮(0.64)和紫泥(0.60)。從活力各要素層組成上看，NDVI評價結(jié)果(0.69)高于紅樹植被生物量(0.52)，其中，NDVI高值區(qū)主要分布在大涂洲、紫泥和浮宮紅樹林中灘，海門島NDVI(0.58)最低(圖2)；紅樹植被生物量空間分布差異較大，以海門島(0.83)為最高，以紫泥(0.47)為最低。

圖2 九龍江口紅樹林植被NDVI健康評價結(jié)果

3.2 組織結(jié)構(gòu)

九龍江口紅樹林生態(tài)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)指數(shù)值為0.82，處于健康狀態(tài)。從空間分布上看，各區(qū)塊紅樹林均處于健康狀態(tài)，無明顯差異，其中，海門島(0.88)最高，其后依次為浮宮(0.83)、大涂洲(0.81)和紫泥(0.81)。從組織結(jié)構(gòu)各要素層組成上看，紅樹植物群落結(jié)構(gòu)評價結(jié)果(0.92)最高，其次為底棲動物群落結(jié)構(gòu)評價結(jié)果(0.81)，而鳥類群落結(jié)構(gòu)評價結(jié)果(0.44)最低。雖然紅樹植物群落結(jié)構(gòu)要素評價結(jié)果最高，但其中的植被成熟度指標評價結(jié)果為0.62(圖3)，處于亞健康狀態(tài)，浮宮(0.78)和海門島(0.73)紅樹林植被成熟度相對較高，而紫泥(0.60)和大涂洲(0.57)紅樹林植被成熟度較低。

圖3 九龍江口紅樹林植被成熟度評價結(jié)果

3.3 恢復(fù)力

九龍江口紅樹林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力指數(shù)值為0.80，處于健康狀態(tài)。從空間分布上看，恢復(fù)力指數(shù)值存在空間差異，以浮宮(0.87)為最高，其后依次為大涂洲(0.85)和海門島(0.83)，而紫泥(0.77)最低。從恢復(fù)力各要素層組成上看，生境適宜性(1.00)最高，其次為抗干擾能力(0.86)，而繁殖潛力(0.37)最低；其中，抗干擾能力和繁殖潛力較低主要是由于研究區(qū)紅樹林受到互花米草入侵的威脅，互花米草主要分布于紅樹林外緣，以紫泥紅樹林互花米草入侵程度最為嚴重(圖4)。

圖4 九龍江口互花米草空間分布

3.4 紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)

九龍江口紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)(MHI)為0.72，總體處于亞健康狀態(tài)。從空間分布上看，紅樹林健康綜合指數(shù)存在一定空間差異，以大涂洲(0.78)為最高，紫泥(0.70)最低，浮宮和海門島分別為0.77和0.75，但均處于亞健康狀態(tài)(圖5)。如圖5所示，VOR框架構(gòu)成成分中，研究區(qū)紅樹林恢復(fù)力最高，組織結(jié)構(gòu)次之，活力最低；各區(qū)塊VOR項目層間略有差異，紫泥和海門島紅樹林健康評價結(jié)果呈現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)>恢復(fù)力>活力的趨勢，而浮宮和大涂洲呈現(xiàn)恢復(fù)力>組織結(jié)構(gòu)>活力的趨勢。

圖5 九龍江口紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果

4 討論

4.1 九龍江口紅樹林生態(tài)系統(tǒng)保護和管理建議

九龍江口紅樹林生態(tài)系統(tǒng)整體處于亞健康狀態(tài)，并存在明顯空間差異，這與各區(qū)塊自然地理特征、互花米草入侵干擾程度、人為干擾以及保護和管理力度等因素密切相關(guān)。紫泥是九龍江口紅樹林集中連片分布最大的區(qū)塊，但其MHI值卻最低，主要是由于紅樹林受到互花米草入侵的威脅，該區(qū)塊互花米草覆蓋率達68%，互花米草快速擴散嚴重擠占了紅樹林生存空間，而近年來紫泥實施的互花米草整治工程較少，導(dǎo)致紅樹林分布面積急劇萎縮[34]。大涂洲是MHI值最高的區(qū)塊，尤其是該區(qū)塊NDVI值(0.80)遠高于其他區(qū)塊，主要原因在于該區(qū)塊是一個無人居住的相對獨立的小島，受到的人為活動干擾較小。浮宮MHI值處于中等水平，盡管該區(qū)塊人為活動較為頻繁，紅樹林受到沿岸養(yǎng)殖污染、互花米草入侵、海漂垃圾等多方面干擾，但近年來陸續(xù)開展的互花米草整治、海岸防護加固、海漂垃圾清理和紅樹林人工種植等工作在一定程度上維持和提高了浮宮紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康水平[29]。

從VOR框架組成上分析，總體上九龍江口紅樹林生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)生產(chǎn)力、繁殖潛力和鳥類群落的評價值較低，紅樹林植物群落、底棲動物群落、生境適宜性和抗干擾能力的評價值較高的特點(圖6)。在生態(tài)系統(tǒng)活力指標中，NDVI評價結(jié)果較低，尤其以海門島最為突出，這與前人研究結(jié)果[35]一致，主要是由于海門島紅樹植物群落密度小、林帶較窄，可能與海門島潮位較低、養(yǎng)殖活動等人為干擾等因素相關(guān)[28]。在生態(tài)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)指標中，鳥類群落多樣性評價值最低，較歷史同期數(shù)據(jù)顯著降低，可能與互花米草入侵和人為干擾導(dǎo)致鳥類棲息空間減少有關(guān)。在生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力指標中，繁殖潛力評價值較低，以紫泥為最低，其主要原因在于互花米草侵占了紅樹林邊緣的灘涂空間，從而導(dǎo)致紅樹幼苗定殖空間較小。

V為活力，O為組織結(jié)構(gòu)，R為恢復(fù)力。

目前，九龍江口互花米草覆蓋率已超過50%，對紅樹林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、組織結(jié)構(gòu)和恢復(fù)力均產(chǎn)生了不利影響，已成為當(dāng)前九龍江口紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康的主要威脅?；セ撞萑肭植粌H擠占紅樹林生態(tài)位，阻礙紅樹林群落生長繁殖等自然發(fā)展過程，還通過改變紅樹林濕地物質(zhì)流動，侵占鳥類覓食的紅樹林濕地灘涂和潮溝，進而影響鳥類群落豐度和多樣性[29,36-37]。因此，應(yīng)以紫泥等區(qū)塊為重點，加大互花米草清除整治和控制力度，采取自然恢復(fù)和人工修復(fù)相結(jié)合的方式促進紅樹林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。此外，在紅樹林保護和修復(fù)過程中，應(yīng)遵循生態(tài)系統(tǒng)整體性和系統(tǒng)性原則，重視提升潮溝、灘涂等生境多樣性，尤其需加強鳥類棲息地和覓食地保護和恢復(fù)，以提高鳥類多樣性，促進生物多樣性自然恢復(fù)。

4.2 紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法探討

在紅樹林生態(tài)系統(tǒng)評價體系中，評價標準的確定一直是生態(tài)系統(tǒng)健康評價的難點。然而，目前尚沒有一套較統(tǒng)一和標準的方法，現(xiàn)有研究大都參照分級標準化方法，對參考標準的確定也各不相同[9,16-17]。該研究采用空間和時間參照法確定各指標參考標準值，選取具有可比性、干擾小、較完整的狀態(tài)作為健康狀況參照，能較客觀、真實地反映各指標健康水平。因此，在可獲取數(shù)據(jù)條件下，建議選取同區(qū)域未受干擾或干擾小的歷史狀態(tài)、鄰近區(qū)域未受干擾或干擾小的現(xiàn)存狀態(tài)作為健康評價指標參照標準。

隨著遙感、地理信息系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)日益發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)定量化評價技術(shù)也隨之迅速發(fā)展。基于遙感影像數(shù)據(jù)，采用GIS空間分析技術(shù)，引入NDVI和VM指標，可以從空間上直觀反映不同區(qū)域紅樹林健康狀況的差異。同時，相關(guān)性分析結(jié)果也表明NDVI與VM指標具有較高的空間正相關(guān)性(圖7，P<0.01)。

圖7 九龍江口紅樹林生態(tài)系統(tǒng)NDVI和VM相關(guān)性分析

該研究在一定程度上對紅樹林生態(tài)系統(tǒng)整體健康開展了空間定量化評價，但受客觀條件限制，各指標數(shù)據(jù)采樣時間不一致，且僅對部分指標進行空間定量化處理，后續(xù)將進一步加強對紅樹林生態(tài)系統(tǒng)評價指標的空間定量化，為紅樹林保護和管理提供更精細的科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)九龍江口紅樹林生態(tài)系統(tǒng)整體處于亞健康狀態(tài)。健康狀況存在明顯空間差異，以大涂洲MHI值為最高，其后依次為浮宮和海門島，紫泥最低，這與各區(qū)塊自然環(huán)境條件、互花米草入侵干擾以及保護和管理等多因素的綜合影響有關(guān)。根據(jù)VOR框架的組成，九龍江口紅樹林恢復(fù)力最高，組織結(jié)構(gòu)次之，活力最低，主要呈現(xiàn)出生產(chǎn)力和繁殖潛力較低、群落多樣性較高、抗干擾能力較強、紅樹植被成熟度高和生境適宜性高的特點。

(2)九龍江口紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康面臨的主要威脅為互花米草入侵，以紫泥最為嚴重，互花米草直接或間接地對紅樹林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、組織結(jié)構(gòu)和恢復(fù)力造成影響。因此，應(yīng)加強九龍江口紅樹林生態(tài)系統(tǒng)保護和修復(fù)，加大對紫泥等地互花米草的清除整治和控制力度，恢復(fù)及拓展紅樹林和灘涂生境空間，恢復(fù)濕地鳥類棲息地和覓食地，提升紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康水平。

(3)該研究基于VOR框架構(gòu)建了紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價方法體系，并嘗試對部分指標進行空間定量化，其中NDVI和VM指標在空間定量化評價上取得了較好效果。隨著遙感、地理信息系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)不斷發(fā)展，空間定量化評價將成為紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康評價和管理的發(fā)展趨勢。