城市沙滩海滩残骸组成的环境与人为驱动因素

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Environmental and anthropogenic drivers of beach-cast wrack composition on urban sandy beaches

　　环境驱动因素塑造了海滩漂浮碎屑的组成。城市化海滩区段积累了更多人为固体废弃物。植被覆盖区段表现出更高的漂浮碎屑组成多样性。浪高、降水和风向影响了沉积和积累过程。形态动力学有助于解释漂浮碎屑组成的差异。引言沙滩是海洋生态系统与陆地生态系统之间的界面，其显著特征是由沉积物特性、波浪、潮汐、风和淡水输入所驱动的强烈环境动态性[1]。它们也是元生态系统动态中的生态过渡带，在生态系统边界之间发生养分通量、能量转移和物质交换[2]、[3]、[4]。近岸活动区（LAZ）涵盖沙丘、海滩和冲浪区，作为一个由跨生态系统过程相连的整合地貌单元运行[2]。通过这些联系，海滩从河口、岩石海岸、礁石及其他沿海和海洋栖息地接收生物、养分以及有机和无机物质，从而影响生物多样性、韧性和生态功能[2]。与其他沿海环境（如河口和红树林）相比，沙滩表现出较低的原位初级生产力[5]，主要来自底栖微生物、冲浪区浮游植物和沿海植被[6]。因此，海滩食物网高度依赖相邻生态系统输入的异源有机质[7]。它们漫长而透性强的边界会积累资源，例如大型海藻[8]、陆地植物残体[9]和瓣足动物[10]，为能量和微生境提供主要来源[11]、[12]。这种积累主要发生在高潮漂流线附近，形成海滩漂浮碎屑。海滩漂浮碎屑在捕捉风沙和通过有机输入的再矿化及向沿海水体和初级生产者释放溶解养分来促进养分循环方面起着关键作用[13]。先前的研究表明，异源补益可以通过改变养分有效性影响初级生产力[14]，也可以通过增加碎屑食者、分解者及其捕食者的丰度和多样性来影响次级生产力[15]、[16]。因此，海滩漂浮碎屑在海洋与陆地方区间的能量转移中起着至关重要的作用[17]、[18]，为节肢动物、多毛类、鸟类和鱼类等消费者提供觅食场所，并维持以碎屑为基础的食物网[5]、[15]、[19]。然而，漂浮碎屑的组成高度动态，在空间尺度上从米到数千公里[6]变化，在时间尺度上从数小时或数天[9]到数季或数年[4]变化。有机和非有机物质的输入、积累和输出取决于物理和形态动力学驱动因素、供体系统特征（包括岩石或生物礁、岩石海岸、海藻林、海草床和河口）以及区域景观背景[20]。尽管具有生态、经济和社会价值，但沙滩生态系统在全世界范围内正以史无前例的速度发生改变[21]。据估计，仅有15%的世界沿海区域未被人类活动所改变[22]。相应地，许多海滩可被视为城市海滩，其定义既有技术属性（如使用模式、基础设施、服务和地块划分），也有由市政立法确立的法律标准。城市海滩面临多种压力，包括物理改变海岸带的基础设施[23]、过度捕捞[24]、化学污染[25]、[26]、[27]、塑料污染[28]、[29]、[30]、噪声污染[31]和光污染[32]。此外，人为驱动因素（包括海滩清洁）会强烈影响海滩漂浮碎屑的生物量和组成，从而在是否以及如何清理海滩方面产生社会-生态权衡[33]。人为固体废弃物（定义为生产者或用户不再需要的废弃材料）对海滩漂浮碎屑的功能作用构成特殊威胁。这一问题在城市海滩尤为相关，它们面临着强烈的旅游压力和休闲活动直接废弃物处置[22]。固体废弃物也可通过风、河流排放、洋流和波浪作用到达海滩，这些因素会影响其运输、再分配、丰度和停留时间[34]。因此，海滩成为来自多个本地和远处来源的碎屑汇[35]。在海滩漂浮碎屑中，固体废弃物可能充当非自然补益物，对生物多样性产生负面影响，包括被摄食[36]、沉积物温度升高[37]以及生物地球化学循环的破坏[38]。此外，塑料中节肢动物的数量比自然漂浮碎屑少五倍[39]，并可能增加沙滩动物被缠绕的风险[40]。海滩也容易受到气候变化的影响，包括海平面上升压缩海岸带[41]、更频繁和强烈的极端事件、波浪方向和强度的变化以及沿海侵蚀加剧。这些变化可能改变海滩形态、栖息地可利用性以及漂流物的运输和滞留。与气候相关的过程也可能影响供体生态系统；例如，海洋热浪和热带食草动物的向极迁移可促使一些地区海藻林衰退和无植被空地扩张[42]，从而改变碎屑来源、营养质量及其对消费者的可利用性。在此背景下，由侵蚀、海平面上升、风暴和沿海开发驱动的海岸结构及栖息地可利用性变化[43]可强烈影响这些动态生态系统中漂流物的流动和滞留[44]。尽管沙滩生态系统是最受威胁的沿海生态系统之一[45]、[46]，但对其进行有效的监测和管理仍是主要挑战[47]。这在一定程度上是因为海滩是复杂的社会-生态系统，受到人类活动与环境过程之间强相互作用的影响[48]、[49]，需要结合生态和社会视角的整合方法，以支持保护、管理、公平、社区参与和可持续利用[50]。这在快速城市化的市镇尤为相关，那里存在清除漂浮碎屑的海滩清洁做法[33]、对沉积物中潜在致病细菌的担忧[51]、[52]，以及漂浮碎屑作为生物多样性栖息地[53]和生物地球化学过程驱动因素[13]、[54]的生态价值之间的冲突。在此背景下，了解环境变异性与人为压力如何塑造海滩漂浮碎屑的组成，对于支持沿海管理至关重要。因此，本研究评估了环境因素和人为影响对巴西东南部Macaé海岸三个代表不同程度城市化和栖息地改造的海滩区段漂浮碎屑组成的影响。我们假设，城市化程度更高的区段在海滩漂浮碎屑中的人为固体废弃物比例将高于人类压力较小的区段。章节摘要研究区域本研究在巴西北部里约热内卢州的Macaé市进行。Macaé是该地区最大的市镇之一，面积1216平方公里，相当于北部弗鲁米嫩塞地区的12.5%，拥有23公里的海岸线，主要由沙滩组成。该市的身份与石油经济紧密相关，石油经济在近几十年推动了强烈的城市化[55]。其海岸线包含具有不同特征的沙滩海滩漂浮碎屑组成的时空变化在所采样的各区段的海滩漂浮碎屑中发现种类繁多，来源于陆地和海洋，包括天然和人为输入。常见观察到的物品包括植物（陆地、水生或红树胎生苗）、大型海藻、多毛类虫管、腹足类卵块、死昆虫、幼虫、羽毛以及死壳类动物（如藤壶、端足类、沙蟹 Emerita brasiliensis Schmitt, 1935、Exclirolana braziliensis Richardson, 1912讨论环境因素和区段差异与海滩漂浮碎屑组成的变化相关联。记录到的主要物品是陆地植物、大型海藻、腹足类卵块、多毛类虫管、昆虫、贝壳和人为固体废弃物，突显了沙滩在元生态系统动态中作为有机和无机物质汇的作用[2]。总体而言，由区段调节的变化是塑造海滩漂浮碎屑组成的主要驱动因素，这结论环境因素、形态动力学特征和局部差异与所研究海滩各区段之间海滩漂浮碎屑组成的变化相关联。浪高、降水和风向与自然和人为碎屑积累的变化相关。植物是按生物量计算的主要成分，突显了相邻生态系统（尤其是大陆和植被栖息地）作为来源的潜在贡献作者贡献声明Jo?o Pedro Almeida de Sá：方法学。Marina Gon?alves Andrade：写作—审阅与编辑、写作—初稿撰写、方法学、调查研究、形式分析、概念化。Omar Defeo：写作—审阅与编辑、写作—初稿撰写。Nicolas Tomaz Santana：方法学。Carlos Alberto de Moura Barboza：写作—审阅与编辑、写作—初稿撰写、监督、方法学、调查研究、资金获取、形式分析、概念化。Vitor Figueira Arueira：融资本工作使用来自里约热内卢联邦检察官办公室与Petrobras之间签署的行为调整承诺协议的资源，并在FUNBIO的参与下进行，在民事调查案号1.30.001.000486/2019-08的范围内完成，并得到里约热内卢州Carlos Chagas Filho研究支持基金会（FAPERJ / E-26/211.067/2024）的支持。O.D.由部门科学研究委员会（CSIC 项目组ID 32）支持。利益冲突声明? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Paula Debiasi报告获得巴西生物多样性基金提供的财务支持。Carlos Alberto de Moura Barboza报告获得里约热内卢州Carlos Chagas Filho研究支持基金会提供的财务支持。Omar Defeo报告获得部门科学研究委员会提供的财务支持。如果还有其他作者，致谢我们感谢里约热内卢联邦大学（UFRJ）学生们在实地工作和样本处理方面的帮助（Ligia Bechara、Anthony Pena、Evellyn Ferreira和Laura Carvalho），以及Maré Limpa项目团队的全体成员。我们感谢NUPEM/UFRJ综合成像单元在设备使用方面提供的支持。第一作者还感谢通过行为调整承诺协议资源资助的本科研究奖学金Marina Gon?alves Andrade|Jo?o Pedro Almeida de Sá|Nicolas Tomaz Santana|Omar Defeo|Vitor Figueira Arueira|Leonardo Lopes Costa|Paula Debiasi|Carlos Alberto de Moura Barboza