Habitat suitability analysis of sueda salsa in Xingcheng Caozhuang tidal flats
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摘要:
翅碱蓬在污染物去除、生态修复方面有着巨大的潜能，是我国北方退化滩涂湿地修复的重要物种。在翅碱蓬景观生态修复工程前，对其生长生境适宜性进行分析，有助于提高种植成活率，达到预期生态修复效果。本文运用GIS空间分析方法和SPSS统计学方法对兴城曹庄海域潮滩沉积物质量因子和重金属污染因子进行空间差值及统计分析，并据此进行了生境适宜性等级划分，结果表明：研究区翅碱蓬中度适宜以上面积高达194.6 ha，其中，中适宜性170.9 ha，高适宜性23.7 ha。利用无人机、GPS方式等开展修复面积、植被生长状况的现场验证，结果表明，翅碱蓬的生长状况与本文翅碱蓬生长适宜性评价结果重合度较好，各区域植被群落结构较稳定，植被生长状况良好。
Abstract:Suaeda salsa shows potential benefits for pollutant removal and ecological remediation, and it is an important species of gradation wetland in northern China. Before the landscape ecological restoration project of Suaeda salsa, the analysis of its growth habitat suitability will help to improve the survival rate of planting and achieve the expected ecological restoration effect. In this paper, GIS spatial analysis method and SPSS statistical method are used to analyze the spatial difference and statistical analysis of sediment quality factors and heavy metal pollution factors in the tidal flat of Caozhuang sea area, Xingcheng City, and the classification of habitat suitability is carried out based on this. The results showed that the area of moderate suitability was 194.6 ha, of which 170.9 ha was moderate suitability and 23.7 ha was high suitability. The results showed that the repair area and the growth status of Sueda Salsa had good coincidence degree with the habitat suitability analysis, and the vegetation community structure of each region was stable, the vegetation is growing well.
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Keywords:
- habitat suitability analysis /
- sueda salsa /
- tidal flats /
- ecological restoration
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翅碱蓬作为抗逆性较强的盐生植物，广泛应用于我国北方区域退化滨海滩涂的生态修复中。翅碱蓬是滨海湿地的先锋种，为一年生草本植物，是一种重要的生态旅游资源。同时，在调节区域气候[1]，改善土壤质地[2-3]，吸收土壤中的重金属、降解石油烃等持久性有机污染物[4-8]等方面起着重要的作用，可有效修复受损滨海滩涂生态环境。生境是生物生存的环境，是对其生命活动产生影响的空间条件的总和[9]。生境适宜度评价主要应用于野生动物和鱼类的生境适应性分析[10]。在关注局域小尺度的环境对于生物的影响方面，主要运用的是生境适宜性指数（habitat suitability index, HSI）和一系列方法[11-14]，生境适宜性指数主要分为专业评判指数、生境使用指数和生境选择性评价指数3种[15]，评价方法包括一般线性、Logistics回归和一般附加模型等。研究表明，翅碱蓬的生长主要受土壤理化性质、高程以及土壤污染物等制约[16]，对翅碱蓬生长生境适宜度进行分析，将有助于增强翅碱蓬景观修复效果，对生态修复工程的实施具有重要意义，但在局部区域内，因为各种不确定因素的制约，翅碱蓬的生长适宜生境还需进一步进行评判。2011年蓬莱19-3溢油事件对渤海区域海洋生态环境造成了巨大破坏，为修复受损生境，保护海洋生态环境，打造新的景观，2013年起，国家海洋局大力支持环渤海沿海城市开展海洋生态修复工作，2015年兴城市在中央财政支持下，组织实施兴城河口湿地与红海滩生态环境综合整治项目，开展碱蓬种植与底质改良170 ha。本研究根据兴城曹庄滩涂区域生态环境和植被情况，运用GIS和SPSS方法，在工程实施前建立 HSI 模型，对兴城市曹庄翅碱蓬修复区进行生境适宜性分析，为兴城区域滨海湿地生态修复工程选址、实施和工程修复效果评估提供参考，对进一步完善我国滨海湿地修复生境适宜性评价方法进行了补充，也为环渤海其他地区开展滨海湿地修复工作提供了借鉴。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
曹庄位于辽东湾西部兴城入海口（坐标为120°44′09″ E，40°33′32″ N），该区域近海渔场盛产对虾、毛虾、海蜇、马鲛鱼、梭子蟹和贝类，海珍产品有海参、海龙和海马等，滩涂生长的海沙蚕属兴城特产。滩涂上生长着大量翅碱蓬等盐生植被，形成了景色优美的“红海滩”自然景观。通过对比研究区2010－2015年的遥感影像，区内有原生翅碱蓬群落，近年来，受降雨、海岸工程建设、蓬莱19-3溢油等自然和人为等因素影响，翅碱蓬植被区范围减小，植被稀疏，部分受损严重，影响了该区域滨海湿地生态环境和旅游业的发展。
1.2 数据来源和指标选取
1.2.1 数据来源
2015年4月，国家海洋环境监测中心对兴城周边海域进行了调查，浅海共布设站位24个，潮间带布设站位61个。调查依据《海洋监测规范》（GB/T 17378-2007）和《海洋调查规范》（GB/T 12763-2007）中的相关规定进行，调查内容包括潮间带沉积物全盐含量、粒度、石油污染物含量、总氮、总磷、重金属含量等要素；同时，在研究区布设植被样方61个，调查内容包括翅碱蓬的分布、盖度、生物量等。本研究根据刘长发[9]的研究成果，考虑到兴城曹庄海域翅碱蓬生长条件和要求，选取土壤质量因子和土壤污染因子用于计算生境适宜性指数HSI，土壤质量因子包括土壤含盐量、氮含量和磷含量；土壤污染因子包括土壤重金属铜、铅、汞、锌、镉和总石油类含量。
1.2.2 指标选取
（1）指标选取的原则
①客观性原则。指标体系的选取应建立在客观性的原则上，评价指标选取不宜过多，应尽量选取对翅碱蓬生境适宜性影响显著的主导因子，计算评价方法简便易行，在保证评价结果客观性、全面性的条件下，能对研究区域进行综合、客观的评价和分析。
②易获性、可操作性原则。评价因子选取应保证所需的数据容易获取，才能保障指标体系的真实、评价方法具有可操作性。
③可表征性和可度量性。指标一般可通过定性和定量两种方式来表示，因此对于定性、定量指标而言，其优劣程度要具有可表征性，可用分级描述或者具体数值来进行分级。
（2）翅碱种植生境需求和指标体系构建
翅碱蓬具有耐盐的特性[17]，翅碱蓬死亡可能是滩涂盐分增加所致；生长初期翅碱蓬植物生物量与土壤、含盐量呈显著正相关性，土壤、含盐量是影响湿地翅碱蓬植物生长的主要限制因子[18]，因此，土壤质量评价选择含盐量、氮和磷3项指标。在土壤污染因子的选择方面，选取总石油类含量、Cu、Pb等关联性污染指标，翅碱蓬对石油污染具有一定的耐受性和修复效果，低于10000 mg/kg的石油污染浓度梯度可以显著缩短翅碱蓬的平均萌发时间；Cu和Pb均会抑制翅碱蓬的生长，但Pb含量为600 mg/kg的翅碱蓬的生物量有增加趋势，说明其在高浓度Pb胁迫下具有较强的耐Pb毒性能力[19]。本文选取土壤质量因子和土壤污染因子共8个指标构建了翅碱蓬生境适应性评价指标体系。
1.3 生境适宜性分析方法
1.3.1 生境适宜程度划分
参照董贯仓等[20]对潮滩翅碱蓬和芦苇生境适宜性等级划分的研究成果，依据其对翅碱蓬生长适宜性程度和限制性强度，将兴城曹庄潮滩湿地生境依适宜性分为4个等级：①高度适宜。有利于翅碱蓬生长，能达到最好的生长效果。可视为核心生境。②中度适宜。能够满足翅碱蓬生长发育要求，能够得到较好的生长效果。可视为次适宜生境。③勉强适宜。生长条件接近翅碱蓬生长的状态，植物可生长。可视为边缘生境。④不适宜。不能达到翅碱蓬生长的基本要求，植物生长受到限制。可视为不适宜生境。各等级划分标准见表1。
在ArcGIS中，对评价因子生境适宜性等级划分进行赋值，确定高度适宜为4分，中度适宜3分，勉强适宜2分，不适宜0分。
表 1 影响翅碱蓬生长各因子的生境适宜性等级划分Tab. 1 Classification of habitat suitability of factors for Suaeda salsa评价因子 高度适宜（SI=4） 中度适宜（SI=3） 勉强适宜（SI=2） 不适宜（SI=0） 含盐量/g·kg−1 8.7～13.4 4.9～8.7 − − 总石油类含量/mg·kg−1 <500 500～1000 1000～3000 >3000 氮含量/mg·g−1 >0.40 0.40～0.20 0.20～0.15 <0.15 磷含量/mg·g−1 >0.10 0.10～0.08 0.08～0.04 <0.04 铜含量/mg·kg−1 <35 35～100 100～400 >400 铅含量/mg·kg−1 <300 300～350 350～500 >500 锌含量/mg·kg−1 <100 100～300 300～500 >500 镉含量/mg·kg−1 <0.2 0.2～1.0 1.0～1.5 >1.5 1.3.2 构建模型
（1）生境适宜指数模型构建
采用几何平均法计算单因素生境适宜度指数HSI值：
$$HSI = {\left(\prod\limits_{i = 1}^n {S{L_i}} \right)^{\frac{1}{n}}}$$ (1) 式中：n为影响因子的个数；SLi为第i个影响因子的适宜性指数。
（2）生境适宜性评价层次分析模型建立
根据滩涂土壤（沉积物）环境指标所表示的土壤特性将测定的环境指标划分为土壤质量因子和污染因子，并以此构建生境适宜性模型。其中，土壤质量因子包括含盐量、氮含量和磷含量；土壤污染因子包括总石油类、铅、铜、镉、锌含量。采用1～9表示两个因素的相对重要性，一般为1、3、5、7、9，而2、4、6、8通常代表的是重要性的中值。
（3）影响因子权重的确定
选择在翅碱蓬修复、生境适宜性评价领域具有丰富知识和实践经验的专家，采用百分制打分的方式，确定指标权重，根据前期所获取研究区的含盐量、氮、磷、镉、铜、总石油类、铅、锌含量等环境参数数据及受人类活动干扰现状，将土壤质量因子确定为主要要素，依据专家打分结果，土壤污染和质量因子的权重赋值比为1∶7。采用层次分析法，对两两指标的重要程度比较判断，建立判断矩阵（表2），对土壤质量因子各个指标的权重进行赋值，全盐∶总氮∶总磷=3∶1∶1；总石油类含量∶铅∶镉∶铜∶锌=6∶1∶1∶1∶1∶1。
表 2 判断矩阵的构建Tab. 2 Judgement matrix scale标度 含义 1 两个因素相比较，重要性相同 3 两个因素相比较，一个比另一个因素稍微重要 5 两个因素相比较，一个比另一个因素明显重要 7 两个因素相比较，一个比另一个因素强烈重要 9 两个因素相比较，一个比另一个因素极端重要 2，4，6，8 上述相邻判断因素的中值 倒数 因素i与j比较的判断bij，则因素j与i比较的判断bji=1/bij （4）影响因子权重的确定
运用方根法计算其最大特征根及其对应的特征向量，进行一致性检验。经一致性检验，可接受所构建的判断矩阵。表3为计算得到的影响翅碱蓬生长的各环境因子权重。
表 3 影响因子权重Tab. 3 Weight of environmental factors含盐量 总氮 总磷 总石油类含量 铅含量 铜含量 镉含量 锌含量 0.525 0.175 0.1750 0.075 0.0125 0.0125 0.0125 0.0125 （5）采用反距离权重插值法（inverse distance weighted），利用GIS空间分析模块进行插值运算。并依次进行生境适宜性等级重新分类，对各环境因子集合的HSI模型进行栅格计算，建立曹庄海域滨海潮滩湿地翅碱蓬生境适宜性评价模型，计算综合适宜性得分。采用等值分类法重新分类计算结果，将生境适宜性水平重新分类为高度适宜、中度适宜、勉强适宜和不适宜。
2 结果与讨论
2.1 沉积物质量与污染水平现状分析
从调查的沉积物质量结果来看，研究区的盐分含量较低，但基本保持在翅碱蓬的适宜生长范围，平均7.9 g/kg，范围为4.08～13.35 g/kg。根据何洁等[21]的研究结果，盐分为15 g/kg时翅碱蓬株高明显受到抑制，高盐分（19.5～26.15 g/kg）会抑制翅碱蓬生长，出现死亡现象，因此，研究区盐分整体在翅碱蓬适宜生长范围内(如图1所示)。研究区总氮平均含量为0.29 mg/g，范围为0.16～0.43 mg/g，其中西侧研究区的北部与东侧研究区的西北部含量为0.36～0.43 mg/g，共计115.57 ha，属于翅碱蓬种植最佳适宜区域（如图2所示）。研究区总磷平均含量为0.45 mg/g，范围为0.30～0.56 mg/g，属于翅碱蓬的适宜种植区间，全部区域均符合翅碱蓬的种植需求（如图3所示）。
从研究区的污染物水平来看，沉积物石油类污染物平均含量为55.16 μg/kg（如图4所示），变化范围为13.8～437 μg/kg；铜的平均含量为8.55 μg/kg（如图5所示），变化范围为3.3～16.7 μg/kg；铅的平均含量为13.79 μg/kg（如图6所示），变化范围为8.3～20.9 μg/kg；锌的平均含量为35.98 μg/kg（如图7所示），变化范围为17.5～63.4 μg/kg；镉的平均含量为0.21 μg/kg（如图8所示），变化范围为0.05～0.55 μg/kg；铬平均含量为31.16 μg/kg（如图9所示），变化范围为9.1～52.9 μg/kg。各项污染物的含量都在翅碱蓬适宜种植区间，因此，研究区的污染物水平现状基本适宜翅碱蓬的种植。
2.2 翅碱蓬种植适宜性统计和空间分析
根据表1的分级标准，基于GIS空间分析模块绘制翅碱蓬生长适宜性分析图（图10），其适宜性范围为2.88～3.76。其中，高适宜区面积为23.7 ha，中度适宜区面积为194.6 ha，勉强适宜区面积170.9 ha，不适宜区面积为0。从图10及统计结果可以看出，面积最大的为勉强适宜区，其次为中度适宜区，高适宜区面积最小，无不适宜种植的区域。
最适宜生长的区域主要在曹庄镇大英堡子村和朱家屯村陆海交接地带，海陆交汇区最适宜本地区翅碱蓬生长。从土壤环境质量来看，高适宜区盐度在6.2～8.73 g/kg，总磷含量范围为0.46～0.56 mg/g，总氮含量为0.22～0.43 mg/g；从污染状况看，高适宜区沉积物石油类为21.2～41.6 μg/kg，铜为9.33～16.7 μg/kg，铬为35.38～52.9 μg/kg，镉为0.05～0.17 μg/kg，铅为13.5～20.9 μg/kg，锌为29.0～63.4 μg/kg。从以上数据可以看出，该区域整体上盐度适中，利于翅碱蓬生长。
中度适宜区主要在高适宜区边界向外海一侧0.8 km半径范围内。从土壤环境质量来看，盐度为4.08～9.89 g/kg，总磷含量范围为0.29～0.53 mg/g，总氮含量为0.16～0.43 mg/g；从污染状况看，中度适宜区沉积物石油类为12.6～87.5 μg/kg，铜为6.6～16.7 μg/kg，铬为17.9～52.9 μg/kg，镉为0.05～0.41 μg/kg，铅为11.6～20.9 μg/kg，锌为24.1～63.4 μg/kg。从以上数据可以看出，该区域满足翅碱蓬生长发育的要求，能够得到较好的生长效果，整体条件劣于高适宜区，可通过一定的科学规划和技术手段进行改善。
勉强适宜区主要在中度适宜区边界向外海一侧1.4 km半径范围内。从土壤环境质量来看，盐度为6.2～13.35 g/kg，总磷含量为0.37～0.50 mg/g，总氮含量为0.16～0.22 mg/g；从污染状况看，勉强适宜区沉积物石油类为12.6～437 μg/kg，铜为3.3～16.7 μg/kg，铬为9.1～48.5 μg/kg，镉为0.05～0.55 μg/kg，铅为8.3～20.9 μg/kg，锌为17.5～63.4 μg/kg。该区域生长条件接近翅碱蓬生长的状态，植物可生长，在该区域进行种植时，要考虑翅碱蓬生长的最优条件，适当施底肥或在翅碱蓬叶面喷肥。
总体上看，兴城曹庄海域潮滩整体适宜翅碱蓬生长，但高度适宜区面积较小，生态适宜程度与离岸距离成正相关关系，离岸越近越适宜生长。
2.3 研究区适宜性评价验证
2.3.1 验证方法
2015年，依托国家海洋局整治修复工程，兴城市在研究区实施了红海滩生态修复一、二期工程。本文通过实地调查修复区域植被群落的数量特征，以多度、密度、频度、盖度评估翅碱蓬种植状况。通过卫星遥感影像和现场测绘相结合的手段，测算岸滩翅碱蓬实际修复面积，评估修复效果。在翅碱蓬修复区布设18个监测站位(如图11所示），调查记录其翅碱蓬株高、株密度等基本信息(如图11所示）。参照《滨海湿地生态监测技术规程》（HY/T080-2005），在每个调查站位随机设置1 m×1 m样方2～3个，主要记录植被种类、株数、生物量等数据，并将样方调查数据取平均值，从而计算断面各种植被群落特征指数并进行分析。多度和密度用以反映某个种的个体数量是否占优势的情况；频度用以反映群落组成成分水平分布是否均匀一致；盖度用以反映某个种所覆盖的土地面积。研究人员分别于2015年6月、7月、10月对修复区植被进行现场调查和影像资料采集。
2.3.2 翅碱蓬修复区监测评估分析
（1）面积评估
2017年，对研究区翅碱蓬生长情况进行现场调查，绘制了研究区翅碱蓬生长现状图（图12），根据遥感影像和实际调查对比，翅碱蓬的生长状况与本文翅碱蓬生长适宜性分析结果重合度较好。其中，翅碱蓬中密集生长和高密集生长区域面积总和为185.3 ha，翅碱蓬成活率较好的区域基本在本文列出的翅碱蓬生长中度适宜区与高度适宜区范围内。
（2）植被群落评估
综合分析18个站位的调查结果如表4所示，各站位株密度变化范围为8～280株/m2，平均为115株/m2，其东部修复区株密度为126株/m2，西部修复区株密度为104株/m2，株植被出现频度为94.4%。该区域除翅碱蓬外无其他种植被出现，多度为100%。翅碱蓬成熟期株高为（39.0±10.3）cm，其东部修复区翅碱蓬株高为（43.2±3.5）cm，西部为（48.8±1.5）cm。对取回的翅碱蓬样品进行称重分析，翅碱蓬成熟期干重为（10.3±7.9）g/株，其东部修复区为（9.9±7.5）g，西部修复区为（17.8±1.9）g。
对比分析发现，东部翅碱蓬修复区波动范围较大，翅碱蓬集中区域生长比较茂盛，但修复区内仍有较多无植被区域。西部区曹庄镇大英堡子村和朱家屯村陆海交接地带区域均有大密度翅碱蓬出现，该区域为翅碱蓬修复核心区，面积最大，该区株高为40～50 cm，盖度明显高于其他修复区。西部翅碱蓬修复区虽然植被株径较小，盖度偏低，但区域内翅碱蓬数量比较均匀，密度也比较大，为最具观赏价值的“红海滩”景观。翅碱蓬修复各区域植被群落结构较稳定，植被生长状况良好。
表 4 各修复区生物量统计Tab. 4 Biomass statistics of each area区域 株密度/株·m−2 株高/cm 株重量/g·株−1 东部修复区 126 43.2±3.5 9.9±7.5 西部修复区 104 48.8±1.5 17.8±1.9 3 结 论
（1）翅碱蓬作为先锋植物更适宜在土壤水分含量高的区域生长，与其他植物相比，其生长虽然受重金属和石油类等因素的影响，但对污染物具有一定的富集能力，对重金属污染和盐渍土等方面有一定的修复能力。兴城曹庄滩涂海域中，随着潮水涨落而淹没干出的区域，其中盐分、有机质以及污染物适宜的区域，均属于翅碱蓬适宜生长区域。
（2）2011年蓬莱19-3油田溢油事故对环渤海区域水质和潮间带环境质量等均造成了一定程度的影响。国家通过开展翅碱蓬等湿地修复项目对受损生境进行恢复，在施工前对拟修复区域开展生境适宜性评价，将为河口滨海湿地生态环境综合整治工程提供科学依据。
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表 1 影响翅碱蓬生长各因子的生境适宜性等级划分
Tab. 1 Classification of habitat suitability of factors for Suaeda salsa
评价因子 高度适宜（SI=4） 中度适宜（SI=3） 勉强适宜（SI=2） 不适宜（SI=0） 含盐量/g·kg−1 8.7～13.4 4.9～8.7 − − 总石油类含量/mg·kg−1 <500 500～1000 1000～3000 >3000 氮含量/mg·g−1 >0.40 0.40～0.20 0.20～0.15 <0.15 磷含量/mg·g−1 >0.10 0.10～0.08 0.08～0.04 <0.04 铜含量/mg·kg−1 <35 35～100 100～400 >400 铅含量/mg·kg−1 <300 300～350 350～500 >500 锌含量/mg·kg−1 <100 100～300 300～500 >500 镉含量/mg·kg−1 <0.2 0.2～1.0 1.0～1.5 >1.5 
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表 2 判断矩阵的构建
Tab. 2 Judgement matrix scale
标度 含义 1 两个因素相比较，重要性相同 3 两个因素相比较，一个比另一个因素稍微重要 5 两个因素相比较，一个比另一个因素明显重要 7 两个因素相比较，一个比另一个因素强烈重要 9 两个因素相比较，一个比另一个因素极端重要 2，4，6，8 上述相邻判断因素的中值 倒数 因素i与j比较的判断bij，则因素j与i比较的判断bji=1/bij
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表 3 影响因子权重
Tab. 3 Weight of environmental factors
含盐量 总氮 总磷 总石油类含量 铅含量 铜含量 镉含量 锌含量 0.525 0.175 0.1750 0.075 0.0125 0.0125 0.0125 0.0125
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表 4 各修复区生物量统计
Tab. 4 Biomass statistics of each area
区域 株密度/株·m−2 株高/cm 株重量/g·株−1 东部修复区 126 43.2±3.5 9.9±7.5 西部修复区 104 48.8±1.5 17.8±1.9
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