《中华人民共和国海岛保护法》实施(2010年3月)以来, 中国无居民海岛开发利用的法规系统逐渐完善, 保护和修复开发利用无居民海岛的形态及生态系统, 以及对无居民海岛生态开发模式的探索成为当前海洋产业发展的重要方向和薄弱环节^[1-3]。前期不合理开发造成的生态受损、对环境问题的谨慎态度以及海岛开发科技支撑不足等问题成为无居民海岛开发的主要制约因素^[4-6], 因此对海岛的生态修复与补偿制度建设是解决无居民海岛开发难问题的有效方法^[7]。中国海岛生态修复尚处于基础性研究阶段, 修复理论、模式及技术尚不成熟^[8], 需要大量项目样本提供数据支撑^[9]。

珠海三角岛是中国少数开发程度较高的无居民海岛, 在开发过程中尝试先修复后开发的“公益+旅游”开发模式。珠海三角岛地处热带季风区, 该区域频繁受台风和暴雨影响^[10], 受损坡面生态治理艰难, 为应对这种复杂气候条件, 修复期间采用团粒喷播生态修复技术对受损边坡进行治理。该技术将黏质土、有机质添加料、土壤添加剂及必要缓释肥等人工土壤原料按比例混合与植物种子通过喷播工艺覆盖到受损地表, 形成带有种子库的人工表土层^[11]。这种人工土壤具有良好的物理结构和化学特性, 耐雨水冲刷, 因此具有超强的抗侵蚀能力。在适宜的人工养护条件下, 植物的密集播种能够在极短时间内生长出大量的地上和地下生物量, 对坡面进行覆盖和固定, 可以有效防止地表侵蚀^[12]。以往研究表明, 在边坡修复期间, 植物生物量、盖度、群落结构及种间作用的变化均能影响生态修复效果^[13]。因此, 研究珠海三角岛生态修复工程中植物的生物量、盖度、群落结构及种间关系的变化特征, 对于海岛生态修复效果评价具有十分重要的理论指导意义。此外, “蓝色碳汇”是海洋资源开发利用的生态补偿机制中的重要内容^[14], 对修复过程中植物生长固定的碳储量进行估算, 也有利于评价无居民海岛新型开发模式对“蓝色碳汇”的贡献, 减小海岛开发利用的生态补偿压力。本研究拟对珠海三角岛生态修复后边坡植被的生长状况和碳储量开展调查研究, 为热带无居民海岛生态修复和开发利用提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

珠海三角岛(22.14°~22.15°N, 113.70°~113.72°E)位于珠江入海口的冲积大陆架上, 属广东省珠海市香洲区, 在香洲东南部20 km珠江口外。三角岛属热带季风气候, 全年主要分冬夏两季, 春秋短暂而不明显。年平均气温为22 ℃, 最低气温仍在5 ℃以上, 年降雨量1 849 mm。海岛投影面积0.872 9 km², 海岸线总长4.9 km, 沿岸多为石滩(图 1)。修复前林地面积0.32 km², 占全岛面积的36%, 由于采石活动的破坏, 约三分之二岛体裸露, 基本无植被覆盖。2021－2022年该岛实施了生态修复工程, 新增植被面积0.15 km², 改造低效林面积约0.05 km², 扩充淡水湖面积5 000 m²。2021—2022年该区域的温度和降雨如图 2所示。

1.2 生态修复方法

采用团粒喷播专利技术^[16]对珠海三角岛受损边坡进行生态修复, 修复面积约1.5×10⁵ m², 通过重建人工土壤层的方式为种子生长创造有利条件, 以植被恢复为基础从而达到生态修复的效果。人工土壤配方约含有30%体积的黏质土, 25%体积的秸秆或枝条粉碎物, 1%~3%体积的种子, 5%体积的有机堆肥, 其中土壤添加剂等高分子材料约占干重的0.2%, 具体成分与比例处于技术保密中。种子库选择植物有台湾相思(Acacia confusa)、大叶相思(Acacia auriculiformis)、马占相思(Acacia mangium)、凤凰木(Delonix regia)、金合欢(Acacia farnesiana)、银合欢(Leucaena leucocephala)、盐麸木(Rhus chinensis)、车桑子(Dodonaea viscosa)、木槿(Hibiscus syriacus)和决明(Senna tora)等, 各类种子用量大致相同。使用的有机堆肥是花生壳、粉碎枝丫材等农林废弃物形成的堆沤肥, 主要成分是植物残体腐熟后形成的有机质, 并含有丰富的氮、磷、钾和多种微量元素。地形整理工程在2021年2月前完成, 喷播作业自2021年3月开始实施。喷播形成的土层厚度为7~10 cm, 种子用量≥30 g/m², 使用的黏质土原料为红壤生土, 采自广东韶关, 基本理化性质见表 1。

1.3 样地调查及样品采集与分析方法

本研究选取珠海三角岛南坡的两处裸露坡地(图 1右两个长方形红框)作为试验地点, 开展团粒喷播试验。研究样地坡向基本朝南, 坡度25°~40°, 平均喷播坡长40 m, 坡底高度距离海平面垂直距离为15 m左右。

喷播完成后在迎风坡修复区域随机选择3个10 m× 10 m的样地。取样调查共进行5次, 分别为修复施工后的3个月(2021年6月)、6个月(2021年9月)、9个月(2021年12月)、12个月(2022年3月)和18个月(2022年9月)。采样前, 对样方的地形、坡度、坡向、植物生长密度和盖度进行测量调查。

植物样品采集样方的确定采用对角线五点法, 每块样地设置0.5 m×0.5 m的样方5个。样方确定后, 首先识别样方中的植物种类, 记录每种植物的数量用于计算生长密度, 测量株高和地径后, 分株采集样方中的所有植物。将植物根系的泥土清理干净后称量鲜生物量, 然后将整株植物分为地上和地下两部分分别保存。将处理好的植物在65 ℃烘箱中烘至恒重, 测定生物量。

1.4 植物群落指标的选择与计算

喷播修复后的植物群落处于一个变化较快的不稳定状态, 物种之间的竞争逐渐激烈, 群落变化明显。重要值(P)是植物相对多度、相对频度和相对优势度的均值, 能够从数量、分布和盖度3个方面综合衡量某个植物种在群落中的地位^{[13, 16]}。Pianka重叠指数(O)能够指示两个植物种在生态系统中的生境重叠程度, 表示两个物种对生存环境的竞争情况^[17]。Jaccad群落相似性系数(C_J)是当前应用最广泛的群落相似性指标, 其特点是只考虑群落之间的物种差异, 不考虑数量差异^{[13, 18]}。因此, 本研究采用P、O和C_J分别作为各个物种的优势变化、物种之间的竞争程度和不同时间的群落物种的变化情况的研究指标。

1.4.1 重要值(P)计算

使用P作为物种优势度指标^[17], 其公式为:

$ P=\left(D_{\mathrm{R}}+F_{\mathrm{R}}+A_{\mathrm{R}}\right) / 3 \times 100 \%$

(1)

式中, P为重要值; D_R为某植物种生长密度占比, 即某种植物的生长密度占全部植物总生长密度的百分比; F_R为某植物种频度占比, 即该种的频度占所有种总频度的百分比; A_R为某植物种优势度占比, 即样方中该种个体地径面积占全部植物个体地径面积总和的百分比。

1.4.2 Pianka重叠指数(O)计算

使用O指示两个物种之间的竞争程度^[18], 其公式为:

$ O = \sum\limits_{j = 1}^n {{P_{ij}}} {{{P_{kj}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{P_{kj}}} {\sqrt {\sum\limits_{j = 1}^n {P_{ij}^2} \sum\limits_{j = 1}^n {P_{kj}^2} } }}} \right. } {\sqrt {\sum\limits_{j = 1}^n {P_{ij}^2} \sum\limits_{j = 1}^n {P_{kj}^2} } }}{O_{ik}} = \sum\limits_{j = 1}^n {{P_{ij}}{{{P_{kj}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{P_{kj}}} {\sqrt {\sum\limits_{j = 1}^n {P_{ij}^2} \sum\limits_{j = 1}^n {P_{kj}^2} } }}} \right. } {\sqrt {\sum\limits_{j = 1}^n {P_{ij}^2} \sum\limits_{j = 1}^n {P_{kj}^2} } }}} , $

(2)

式中, O为Pianka重叠指数; P_ij为物种i在样方j的重要值; P_kj为物种k在样方j的重要值。

1.4.3 Jaccad群落相似性系数(C_J)计算

采用C_J指示两个样地之间的群落相似性^{[13, 19]}, 分析不同时间的群落物种的变化情况, 其公式为:

$ {C_J} = \frac{c}{{a + b - c}}, $

(3)

式中, C_J为群落A, B相似性指数; c为群落A与B的共有种数; a为群落A含有的全部种数; b为群落B含有的全部种数。

1.4.4 植被碳密度(D_C)计算和新增碳汇价值估算

本研究采用的植物碳储量的计算方法与自然资源部新发布的《蓝碳生态系统碳库规模调查与评估技术规程——盐沼》(代码待公布)的方法一致。而单一物种的D_C采用下式进行计算:

$ {D_{Ci}} = {C_i} \times {B_{Mi}} \times {10^{ - 3}}, $

(4)

式中, D_Ci为物种i植物碳密度, g·m^–2; C_i为物种i地上或地下有机碳含量, g·kg^–1; B_Mi为物种i单位面积内的地上或地下生物量干重, g·m^–2。

由于喷播修复的原有场地为裸地, 基本无植物生长。因此, 新增碳汇计算是以裸地为空白对照, 在修复后生长出的植物体内所含的全部碳汇量, 均为新增碳汇。新增碳汇价值的估算参考研究期间的广东碳排放配额的交易价格(2023年上半年碳价范围为74~85.93元/t, 中位数为82.54元/t)。

1.5 数理统计方法

采用SPSS 19和R语言软件进行数据分析。采用单因素方差分析比较不同时间及不同植物间各指标的差异显著性, Duncan方法用于两两比较; 文章中所有误差形式均表示标准差(SD)。所有图表均使用微软Office 2019进行编辑。

2 结果与分析 2.1 生态修复植物物种和生长数量的变化分析

由表 2可知, 在修复后的18个月内, 植物群落发生了明显的变化, 前9个月样地中观察到有6种植物, 而在12个月和18个月时仅观察到5种植物。3个月到6个月有2种植物(盐麸木、舞草)退出, 2种(马唐(Digitaria sanguinalis)、决明)植物侵入; 6个月到9个月, 有1种植物(车桑子)退出, 1种植物(盐麸木)侵入; 从9个月到12个月, 有1种植物(决明)退出; 从12个月到18个月, 植物群落的物种未发生变化。

不同生长时间植被覆盖状况如图 3所示。修复边坡植物盖度在3个月就达到90%以上, 6个月到18个月时的盖度显著(P < 0.05)高于3个月, 均在99%以上, 基本完全覆盖。从3个月到6个月植物生长密度有少许增加, 但是差异并不显著; 而从9个月到12个月, 植物生长密度显著降低。喷播3个月到9个月, 银合欢生长密度占比均有显著(P < 0.05)提高, 并稳定保持在50%以上, 显著(P < 0.05)高于其他主要优势物种。金合欢和台湾相思的生长密度占比具有先升高后降低的变化趋势, 金合欢在6个月时达到最高(25.69%)而台湾相思在9个月时达到最高(19.87%)。

2.2 生态修复植物生物量和优势度的变化分析

不同生长时间的植物生物量密度如图 4所示。修复植物的生物量密度从3个月到18个月持续快速增加, 18个月时的总生物量、地上生物量和地下生物量密度分别是3个月样地的16.8、20.2和10.8倍。但在9个月到12个月期间, 植物群落的总生物量、地上生物量和地下生物量密度均变化不显著。从3个月到6个月期间, 银合欢总体、地上和地下的生物量密度占全体植物生物量密度的比例均显著(P < 0.05)增加, 而金合欢显著(P < 0.05)降低, 台湾相思的各项生物量占比无显著变化。在6个月之后银合欢各项生物量指标占植物群落总体生物量的比例均高于88%, 是绝对优势种。

主要修复植物的生长优势指标及相互之间重叠指数见表 3。各个生长时间3种主要修复植物两两之间的O均在0.95以上, 说明3种植物之间存在激烈竞争。喷播3个月到9个月, 银合欢的P持续增大, 表明喷播初期绝对优势种的优势度在不断增大; 金合欢和台湾相思的P在6个月到9个月均有较大幅度的减小, 表明在此期间金合欢和台湾相思与银合欢相比, 处于竞争劣势。而台湾相思的重要值在9个月到12个月期间增加了75%。

2.3 生态修复植物的固碳量及碳收益估算

如图 5所示, 银合欢地上和地下部分有机碳浓度在不同生长时间的差异均不显著, 在408.00~465.68 g/kg之间。金合欢在3至9个月期间的地上和地下部分有机碳浓度在显著低于12至18月。台湾相思的地上和地下部分有机碳浓度均在9个月时最低而在18个月时达最高。不同植物之间, 地上和地下部分碳浓度, 在3至9个月期间存在显著(P < 0.05)差异, 而在12至18个月时差异不显著。

如图 6所示, 修复植物的有机碳密度在3至18个月期间持续增加, 其中在3到6个月和12到18个月期间变化显著(P < 0.05), 而在6至12个月期间变化不显著。与地下部分相比, 地上部分有机碳密度的增加速度较快。从3到9个月期间, 银合欢地上和地下部分的有机碳密度占全部植物有机碳密度比例持续显著增大, 而金合欢和台湾相思的地上和地下部分的有机碳密度占比持续降低。12个月至18个月时各主要优势种的有机碳密度占比保持相对稳定, 银合欢的地上和地下有机碳密度占比均在93%以上。

珠海三角岛生态修复项目共新增绿地0.15 km², 其中采用“团粒喷播”技术建造的绿地约0.1 km², 按照18个月时的碳密度3 923.86 g/m²进行估算, 则这些绿地共固碳392 386 kg, 相当于固定了1 438.75 t CO₂。按照估算时的广东碳排放配额交易价格(2023年上半年碳价范围为74~85.93元/t, 中位数为82.54元/t), 生态修复喷播新增绿地在修复后18个月时的新增碳汇估算价值为11.9万元。

3 讨论 3.1 植物群落变化及种间关系对海岛生态修复的意义

结果表明, 在中国南海海岛边坡, 采用豆科植物为主要修复植物、高种子密度的“团粒喷播”技术进行生态修复, 能够取得快速且优异的修复效果。实施修复3个月后, 植被盖度超过90%, 而在北方地区应用该技术进行生态修复, 18个月盖度才能勉强达到90%^[20]。本研究实施修复9个月时, 生物量密度达3 628.86 g·m^–2, 超过海南岛自然灌丛生物量密度平均水平(2 438.08 g·m^–2)^[21]。

本研究中, 海岛生态修复植被群落的优势种有3种, 分别为银合欢、金合欢和台湾相思, 均为中国南海滨海区常见的绿化树种^[22], 说明喷播修复未造成有害的生物入侵。这些豆科植物有较大的凋落物积累能力^[23]和丰富的共生固氮微生物^[24], 对南方其有极强的适应性^[25]。银合欢、金合欢和台湾相思3种植物两两之间的生态位接近完全重叠, 说明存在激烈的种间竞争。本研究结果与前人对喷播修复样地种不同修复植物的重叠指数相近^[17], 高于采用栽植和飞播等方法进行修复的样地中不同植物之间的重叠指数^[26]。这说明修复造林方法能对不同修复植物之间的生态位重叠产生很大影响, 采用“团粒喷播+密集播种”的方法, 能够将不同的植物种子混合地喷洒在坡面, 造成了生态位的重叠较大; 而采用栽植方法, 由于人为设计了合理的株行距, 降低了生态位的重叠。

前人研究表明, 银合欢密集种植时, 其密度对枝下高影响较大, 对胸径和冠幅影响较小^[27], 说明密集种植有利于快速形成覆盖地表的植被层。本研究中, 在没有人为主观干预下, 银合欢能够密集生长, 其生物量在18个月时占据修复区植物群落总生物量的89%, 是珠海三角岛生态修复植物群落中的绝对优势种。此外, 银合欢与马唐具有很高的生境互补性^[13], 因此, 生态修复施工后, 植物群落发生明显变化, 本土种马唐进入群落而盐麸木和决明等部分过渡物种退出, 可能是由于银合欢优势度不断增大导致的。

根据恢复生态学的人为设计与自我设计理论^[28], 珠海三角岛生态修复面临的最大问题是环境恶劣导致缓慢发育的土壤被不断侵蚀、难以积累, 使植物群落不能通过自我设计来恢复。采用团粒喷播技术能够在短时间内形成一层抗侵蚀的土壤^[11], 但由于土壤中应用的关键材料均为可降解的, 所以土壤的抗侵蚀性是有寿命的。因此, 人为设计和人工调节下的植物的快速生长、激烈竞争和加速演替对海岛生态修复十分重要。植物快速生长能够及时将土壤覆盖并保护起来^[12], 同时植物根系的生长对土壤层有锚固作用^[29]; 而植物密集生长造成对空间和土壤的激烈竞争, 进而使土壤得到多层保护; 加速演替则可以让植物群落在短时间内达到稳定状态, 使其对土壤的保护作用稳定和持久。此外, 珠海三角岛生态修复项目根据行业标准进行施工, 该标准明确要求坡率≤1∶0.5的边坡均可采用团粒喷播技术进行修复^[30]。综上所述, 团粒喷播技术在海岛生态修复中有广泛的应用场景, 能够有效解决海岛生态修复的关键问题, 建议在该区域广泛推广该项技术。

3.2 海岛生态修复植物的碳汇及意义

本研究喷播植物主要优势种地上和地下部分的有机碳含量分别在370~490 g·kg^–1和361.86~468.05 g·kg^–1之间, 与海南岛灌丛植物地上(350.2~484.1 g·kg^–1)与地下(374.3~470.0 g·kg^–1)部分有机碳含量基本一致^[21]。本研究植物碳汇量随生长时间不断提高, 在18个月时, 生态修复样地的平均植物碳密度为3 923.86 g C·m^–2(地上2 861.83 g C·m^–2、地下1 062.03 g C·m^–2); 远高于海南岛自然灌丛的平均植物碳密度(951.96 g C·m^–2)和贵州喀斯特地区修复样地的灌丛和灌木林的植物碳密度(186~369 g C·m^–2和197~594 g C·m^–2)^{[21, 31]}。根据前人对不同海岸带蓝碳生态系统的净生态系统生产力(NEP)的统计, 中国热带地区滨海NEP的范围在每平方米每年固定175~2 101.77 g C之间^[32]。而本研究表明, 珠海三角岛生态修复林地12个月固定的植物碳汇为1 736.43 g C·m^–2 (地上1 287.62 g C·m^–2、地下448.81 g C·m^–2), 处于该区域滨海NEP的较高水平。

根据统计数据, 2021年中国人均碳排放为8.05 t CO₂/a, 相当于每人每天排放0.022 t CO₂。珠海三角岛生态修复喷播新增绿地在18个月时的固碳量就达到1 438.75 t CO₂, 相当于6 540个人1 d的CO₂排放量。已有研究计算出海岛旅游单人次生态补偿标准为110元^[33]。本研究结果表明, 珠海三角岛生态修复实施18个月时, 通过“团粒喷播”技术新增的绿地可创造碳汇价值11.9万元, 相当于对1 081人次的海岛旅游进行了生态补偿。本研究介绍的珠海三角岛开发案例表明, 采用基于团粒喷播技术的生态修复工程, 能够有效地提高海岛的生态和固碳功能, 显著缓解海岛旅游开发的生态补偿压力, 建议将该模式在中国无居民海岛的开发中广泛推广。

4 结论

以珠海三角岛的生态修复为案例, 介绍了一种基于团粒喷播技术的生态修复工程。分析结果表明:

1) 采用以豆科植物为主要修复植物以高种子密度为特征的团粒喷播技术对海岛边坡进行生态修复, 修复植物能够快速生长形成对裸地的高度覆盖, 形成的植物群落能够快速稳定, 并接受本土物种的进入, 具有良好的修复效果。

2) 修复植物的碳汇量在研究期间持续增加, 18个月时, 喷播样地植物碳汇密度高达3 628.86 g/m², 珠海三角岛通过团粒喷播新增的绿地在实施修复18个月后实现固碳1 438.75 t CO₂。

3) 采用团粒喷播技术对无居民海岛进行生态修复, 具有明显的生态优势, 能够有效减少旅游开发的生态补偿压力, 适合广泛推广。