潮间带湿地动力-沉积-地貌与底栖动物相互作用过程研究进展

潮间带位于海陆界面。它是地球上生物多样性最丰富、生产力最高、生态系统服务价值最高的生态系统之一。它为整个沿海湿地生态系统提供营养，控制生态系统的总生物容量，并为生物提供栖息地，特别是为珍稀动物和濒危生物物种提供自然栖息地和繁殖地（图1）。然而，在全球气候变化和人类强烈干预的双重压力下，潮间带生态系统正面临前所未有的挑战。不争的事实是，全球变暖加速了海平面的上升，这将不可避免地导致风暴潮等极端天气事件的加剧。此外，人类活动（如大规模填海、滩涂养殖、港口建设、水闸建设等）日益激烈。这些自然和人为因素使潮间带生态系统面临严峻挑战。

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图1. 中国沿海潮间带湿地

潮间带的水深、盐度、近底流速、波浪、悬浮泥沙浓度、泥沙侵蚀、搬运和堆积等物理过程将影响底栖生物的分布和生物群落的结构。中国位于太平洋西岸，是世界上受风暴潮影响最严重的国家之一。平均每年有七个台风或热带气旋登陆沿海地区，造成重大影响。风暴造成的损失每年超过100亿元。潮间带环境是浅水环境，容易受到风暴潮的影响，进而改变潮间带的物理过程。研究表明，暴雨天气的悬沙浓度和输沙率比平静天气高出数倍，海滩侵蚀范围一般可达几厘米，局部最大侵蚀可达几十厘米。可以看出，风暴潮等极端天气事件极大地改变了潮间带的动力地貌过程、海底结构和地貌演化模式，不可避免地会干扰潮间带的底栖生物群落（图2），影响整个潮间带生态系统。相反，潮间带底栖生物对动力沉积地貌过程也有重要影响。目前，该领域的研究仅停留在定性研究上，缺乏对自然环境领域的定量研究。

潮间带的动力地貌过程是泥沙侵蚀、输移、堆积和沉积的全过程。国内外学者试图通过多种方法获取地貌变化信息，如体素测量（用210Pb和137Cs的半衰期测量沉积速率）、遥感影像法（提取高程信息）、RTK-GPS法（直接测量海滩高程）、遥感影像法（提取高程信息）等，这些研究方法可以为我们提供潮间带大尺度/长时间尺度的冲淤变化信息，但很难获得海水淹没期间海滩冲淤变化的细节。近年来，各种先进声学仪器的出现为精细测量淹没期间底床的侵蚀和沉积变化提供了机会，并能以高分辨率和高精度描述近底边界层的物理过程，这为研究潮间带湿地浅水环境中底栖生物对动力沉积地貌的影响过程和机理提供了可能。

图2. （A）2018年9月7日第22号台风“山竹”影响下江苏潮间带发生严重侵蚀，导致大量文蛤死亡，暴露在滩面上; (B) 2011年“梅花”台风导致崇明东滩潮间带底栖动物死亡

为探索潮间带湿地动力-沉积-地貌过程与底栖动物相互影响过程与机理，我们选取两个典型区域进行对比观测研究（图3），并开展台风前、中、后的连续动力-沉积-地貌过程观测和同步底栖动物取样等多学科交叉观测 (图3和4)。文蛤养殖区内的测点A (文蛤密度多达137个每平方米)有大量的文蛤分布，与之对应在文蛤养殖区外的测点B (文蛤密度仅3.7个每平方米, 距离测点A只有500米)文蛤很少（图3）。我们发现在距观测点1000多公里远的“狮子山”台风影响下，潮间带在2-3天内发生了10厘米量级的持续性严重侵蚀(图6)。台风过后，大型底栖动物文蛤的密度和生物量减少了近一半(与台风前相比)(图5)，说明这次严重侵蚀事件对大型底栖动物产生了致命的影响。原因是潮间带上大多数底栖动物生活在最上层 0-10 厘米范围内，由于“狮子山”台风的影响，导致了滩面发生10厘米量级的侵蚀，最终对底栖动物造成致命打击(文蛤密度和生物量减少了近一半)。

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图3. 江苏如东潮间带动力-沉积-地貌过程与底栖动物取样测点空间分布和水动力观测布置

另一方面，我们也发现测点A和B的底床侵蚀临界剪切应力（表征底床沉积物是否稳定的参数）分别为0.22和0.32 N/m2, 且测点A侵蚀淤积幅度明显大于测点B (图6)。这一结果揭示了大型底栖动物文蛤降低了沉积物稳定性，当底部切应力大于底床临界侵蚀剪切应力时，加速了滩面侵蚀过程，反之，当底部切应力小于底床临界侵蚀剪切应力时，加速了潮面淤积过程(图6)，表明底栖动物文蛤在底床沉积物中的上下打洞活动（为了觅食 ）改变了沉积动力学关键参数(如底床侵蚀临界剪切应力)，这种底栖动物活动作用可能对潮间带浅水环境地貌演化产生重要影响。

图6.文蛤养殖区和非文蛤养殖区沉积动力过程对比研究图 (Shi et al., 2020, Journal of Geophysical Research: Biogeosciences)

我们研究结果表明，距测点1000多公里的远程台风可引起滩面多达10厘米侵蚀，这种量级的侵蚀事件对潮间带底栖动物产生重要影响，可推测直接登陆区的台风会给底栖动物栖息地造成更大的破坏，导致本地底栖动物受到更大威胁。这一发现对潮间带湿地生态系统保护与修复实践具有重要的启示：因为台风在未来可能会增加发生频率和增大发生强度，潮间带湿地动物栖息地及大型底栖动物可能会受到更大的物理扰动。此外，现场动力地貌过程观测和同步大型底栖动物取样结果表明大型底栖动物活动对沉积动力学关键参数有显著影响，这种多学科交叉观测结果有助于精准量化潮间带浅水环境动力-沉积-地貌模型的关键参数，进而提高潮间带浅水环境地貌演化模型精度，同时这种定量化研究也有助于我们加深潮间带湿地底栖动物对动力-沉积-地貌过程影响的认识，进而推动生物地貌学理论的发展与实践。

上述研究成果发表在地学权威刊物 Journal of Geophysical Research: Biogeosciences 和Limnology and Oceanography 。史本伟副研究员为第一作者，主要合作者包括河口海岸学国家重点实验室杨世伦教授和汪亚平教授、比利时安特卫普大学Stijn Temmerman教授、荷兰皇家海洋研究所Tjeerd Bouma教授和Tom Ysebaert教授，以及复旦大学吴纪华教授等。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、科技部中荷战略合作项目、国家杰出青年科学基金项目等资助。

Shi, Benwei., Shi Lun Yang, Stijn Temmerman, Tjeerd Bouma, Tom Ysebaert, Sikai Wang, Yingxin Zhang, Jihua Wu, Haifei Yang, Longhui Zhang, Liqin Zuo, Ya Ping Wang. 2021. Effect of typhoon‐induced intertidal‐flat erosion on dominant macrobenthic species (Meretrix meretrix). Limnology and Oceanography. doi: 10.1002/lno.11953

Shi, Benwei., Paula D Pratolongo, Yongfen Du, Jiasheng Li, SL Yang, Jihua Wu, Kehui Xu, Ya Ping Wang. 2020. Influence of macrobenthos (meretrix meretrix linnaeus) on erosion‐accretion processes in intertidal flats: a case study from a cultivation zone. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 125(1), e2019JG005345. doi.org/10.1029/2019JG005345.

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