百年内全球海平面上升、地壳上升和潮滩沉积对广西英罗湾红树林分布的影响

罗紫丹，孟宪伟，罗新正

（1.长春师范大学，吉林长春，130032；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛，266061；3.烟台大学，山东烟台，264005）

百年内全球海平面上升、地壳上升和潮滩沉积对广西英罗湾红树林分布的影响

罗紫丹1，孟宪伟2，罗新正3

（1.长春师范大学，吉林长春，130032；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛，266061；3.烟台大学，山东烟台，264005）

为有效保护和合理利用广西红树林，探讨了自2000年到2100年全球海平面上升、地壳上升和潮滩沉积对英罗湾红树林分布的影响。采用机理分析方法建立红树林边界位置预测模型；利用预测模型计算在2000年数字高程模型上定位2100年红树林边界的数据；利用Global Mapper软件在2000年数字高程模型上确定红树林边界的位置。利用Mapinfo professional地理信息系统软件分析海平面上升引起的红树林边界的移动。通过研究得到在2000年数字高程模型上表达2100年红树林边界位置的数据，以及自2000年到2100年红树林边界移动专题地图。结果表明：自2000年到2100年，低、中模式海平面上升，英罗湾红树林边界向外扩展，面积增大；高模式海平面上升，红树林边界向陆移动，面积增大；极端模式海平面上升，红树林边界向陆移动，面积减小。

全球海平面上升；地壳上升；潮滩沉积；数字高程模型；红树林分布；英罗湾

Keywords：global sea level rise；crustal rise；tidal flat sedimentation；digital elevation model；mangrove distribution；Yingluo Bay

红树林具有重要的生态功能和经济价值。红树林能够消能护岸（杨建民，2008），防御风暴潮、海浪、海啸的灾难性破坏；能够促淤（谭晓林等，1997；Brodie et al，1996）、固碳（Ceron-Breton et al，2011），净化水体和大气；能够为海洋生物提供栖息地；能够为人类提供木材、薪材、药材和海产品（Faraco et al，2010）。

红树林分布在平均潮位（Mean Sea Level，缩写为MSL）线与平均大潮高潮位（Mean High Water Springs，缩写为MHWS）线之间的潮间带（Matthew et al，2009），能够随平均潮位线和平均大潮高潮位线的移动而移动（Eric et al，2006）。因此，红树林向海边界（Seaward Mangrove Margin，缩写为SMM）与平均潮位线基本一致，红树林向陆边界（Landward Mangrove Margin，缩写为LMM）与平均大潮高潮位线基本一致。

全球海平面上升（Global Sea Level Rise，缩写为GSLR）抬升平均潮位和平均大潮高潮位，从而驱动红树林边界向陆地方向移动。地壳上升（Crustal Rise，缩写为CR）和潮滩沉积（Tidal Flat Sedimentation，缩写为TFS）不改变平均潮位和平均大潮高潮位的高程，而是通过增高潮滩表面的高程，减小水深，从而驱动红树林边界向海洋方向移动。地形和海堤既不改变潮位高程，也不改变水深，仅仅调控红树林边界移动的速率。

以英罗湾红树林为研究对象，预测自2000年到2100年全球海平面上升、地壳上升和潮滩沉积对红树林边界移动的影响。首先，建立红树林边界位置预测模型；其次，利用预测模型计算在2000年数字高程模型上表达2100年红树林边界位置的数据；第三，运用Global Mapper和数字高程模型，确定红树林边界的空间位置；最后，运用Mapinfo professional地理信息系统软件分析红树林边界的移动。

揭示百年内全球海平面上升、地壳上升和潮滩沉积对红树林分布的影响，可为广西红树林的有效保护和合理利用提供科学支持。

1 研究方法

1.1研究区概况

英罗湾位于南海西北部，广西壮族自治区合浦县山口镇沿岸（图1）。英罗湾的红树林主要有木榄（Bruguiera gymnorrhiza）、红海榄（Rhizophora stylosa）、秋茄（Kandelia candel）、桐花树（Aegiceras corniculatum）和白骨壤（Avicennia marina）。它们构成了木榄群落、木榄+红海榄群落、红海榄群落、红海榄+秋茄群落、秋茄群落、秋茄+桐花树群落、秋茄+白骨壤群落、桐花树群落，以及桐花树+白骨壤群落（梁士楚，1996）。木榄种群面积为12.1 hm2；红海榄种群面积为44.3hm2；秋茄为12.1hm2；桐花树为8.1hm2；白骨壤为4.0 hm2（梁士楚，1999；范航清等，2005）。

图1 研究区地理位置

红树林种群在英罗湾成带状分布。木榄主要分布在内滩；红海榄分布在内滩和中滩；秋茄分布在内滩、中滩和外滩；桐花树分布在内滩、中滩和外滩；白骨壤分布在外滩（温远光等，2002）。内滩位于平均高潮位线附近，物质组成以淤泥质为主，坡度为4.35%；外滩位于平均潮位线附近，物质组成以泥沙质为主，坡度为1.84%（梁士楚，1996）。

英罗湾潮位参照石头埠验潮站的潮位数据。石头埠验潮站是最接近英罗湾的验潮站，二者相距30 km。英罗湾位于博白-合浦-北海断裂以东的云开大山断隆（郭福祥，1994）。新生代以来，英罗湾所处的地壳处于不断地上升过程之中（尹克坚，1991）。英罗湾红树林向陆边界潮滩主要由风化物质组成。特别是向陆边界不断向陆推进，边界处几乎无沉积积累。因此，潮滩沉积驱动英罗湾红树林向海边界向海方向移动，几乎不对向陆边界的移动产生影响。

解放塘海堤位于英罗湾红树林向陆边界的中段，长1 552 m，为围海造田于上世纪50年代修建，因此而清除了76.47 hm2的红树林。

从1991年到2000年，因为围垦，英罗湾红树林每年减少4.2 hm2；从2000年到2010年，因为自然扩展和人工造林，英罗湾红树林每年增加2.9 hm2（朱耀军等，2013）。由于英罗湾红树林区已纳入山口国家级红树林生态自然保护区，未来英罗湾红树林景观的演变将主要受自然要素的影响。

1.2软件与数据

1.2.1 软件

研究中使用了3款软件。Envi图像处理软件，美国ITT visual information solutions公司发行；Global mapper制图软件，美国Blue marble Geographics公司发行；Mapinfo professional地理信息系统软件，美国Mapinfo Corporation发行。

1.2.2 数据

（1）遥感影像与数字高程模型

1景Landsat遥感影像数据，轨道号为p124r045，分辨率为30 m，采集于2000年10月30日。1景SRTM DEM数字高程模型数据，轨道号为n21e109，分辨率为90 m，采集于2000年2月，高程基准为大地水准面。上述数据均从http：//glcfapp.glcf.umd.edu：8080/esdi/下载。

（2）全球平均海平面上升

IPCC AR4指出，从1990-1999年段到2090-2099年段，全球海平面按照6种情景上升（IPCC， 2007）。选择B1、A1B和A1FI情景对应的全球平均海平面的上升值的中值作为全球平均海平面上升的低、中、高模式的值，将“A1FI+冰原动力增量”作为全球平均海平面上升的极端模式值。这4种模式全球平均海平面分别上升28 cm、35 cm、43 cm和58 cm。

（3）潮位

根据从1969到1993年25年的实测潮位数据统计结果（莫永杰等，1996），以及1985高程基准与大地水准面的差值（焦文海等，2002），得到英罗湾的平均潮位为63 cm，平均大潮高潮位为248 cm。2000年平均潮位和平均大潮高潮位采用自1969年到1993年连续25年的统计结果。

（4）地壳上升速率

1954年至1989年，英罗湾所处地块地壳上升速率为0.5~3.5 mm/a，平均上升速率为2.0 mm/a（莫永杰等，1996）。到2100年，地壳将上升20 cm。

（5）潮滩沉积速率

2010年5月，在英罗湾红树林向海边界处采集两个沉积岩芯，长度分别为8.8 m和5.2 m，编号分别为YLW02和YLW04。在华东师范大学河口海岸国家重点实验室进行210Pb测年，以137Cs为时标，计算出YLW02和YLW04岩芯的平均沉积速率分别为0.21 cm/a（表1）和0.16 cm/a（表2），平均为0.185 cm/a。按此平均沉积速率计算，到2100年，英罗湾潮滩沉积厚度将增加18.5 cm。

1.3技术路线

1.3.1 构建在2000年DEM上表达2100年红树林向海边界（SMM）和向陆边界（LMM）位置数据的预测模型

通过机理分析，建立预测模型（公式（1）、公式（2）），计算在2000年DEM上表达2100年红树林向海边界、向陆边界位置的数据。

公式（1）中，SMM2100是在2000年SRTM DEM上表达2100年红树林向海边界位置的数据；MSL2000是2000年的平均潮位。SLR2100表示自2000年到2100年的海平面上升值。CR2100是自2000年到2100年地壳上升幅度。TFS2100是自2000年到2100年红树林向海边界处沉积层厚度增量。

表1 210Pb测定的YLW02岩芯沉积速率剖面

表2 210Pb测定的YLW04岩芯沉积速率剖面

公式（2）中，LMM2100是在2000年SRTM DEM上表达2100年平均大潮高潮位线位置的数据；MHWS2000是2000年的平均大潮高潮位。SLR2100、CR2100的含义与公式（1）中的相同。

受初始条件限制，公式（1）、（2）仅适用于英罗湾及其附近海区。

1.3.2 计算在2000年DEM上表达2100年SMM和LMM位置的数据

利用公式（1）和相应的MSL2000、SLR2100、CR2100、TFS2100值，可计算出的SMM2100值。利用公式（2），和相应的MHWS2000、SLR2100、CR2100值，可计算出的LMM2100值。

1.3.3 生成红树林的向海边界和向陆地边界

应用Global Mapper制图软件，输入2000年2月的SRTM数字高程模型数据，并将投影校正为北半球50区UTM投影，以与假彩色遥感影像底图的投影相匹配。输入2000年平均潮位和表达2100年年红树林向海边界位置的数据，生成红树林向海边界。输入2000年平均大潮高潮位和表达2100年红树林向陆边界的数据，生成红树林向陆边界。以矢量、Mapinfo的格式输出、保存。

1.3.4 SMM和LMM移动距离的计算模型

应用Mapinfo v7.0地理信息分析软件，输入由ENVI软件合成的假彩色遥感影像，提取海堤信息。输入2000年红树林边界和2100年红树林边界数据。

参照2000年红树林的向海边界，分析自2000年到2100年全球海平面上升、地壳上升和潮滩沉积对红树林向海边界移动的影响。提取2100年红树林向海边界与2000年向海边界之间区域的面积（As）和周长（Ps），利用公式（3）计算红树林向海边界的移动距离（DS）。正值代表向海前进，负值代表向陆后退，零值代表稳定。

公式（3）中，sgn（）是符号函数。对于红树林向海边界，当CR2100+TFS2100-SLR2100＞0时，sgn（）取正，红树林向海边界向海方向移动，表现为红树林向海侧的扩张；当CR2100+TFS2100-SLR2100=0时，sgn（）取0，红树林向海边界保持稳定；CR2100+TFS2100-SLR2100＜0时，sgn（）取负，红树林向海边界向陆方向移动，表现为红树林向海侧的退缩。

将红树林向海边界的进退引起的红树林向海侧的范围变化设想为长为Ls，宽为Ds的规则矩形，则有：

解上述方程，即可得到公式（3）中红树林边界变动范围的平均宽度：

同理，参照2000年红树林的向陆边界，分析自2000年到2100年海平面上升和地壳上升对红树林向陆边界移动的影响。提取2100年红树林向陆边界与2000年向陆边界之间区域的面积（Al）和周长（Pl），利用公式（4）计算红树林向陆边界的平均移动距离（Dl）。正值代表向陆前进，负值代表向海后退，零值代表稳定。

2 研究结果

2.12100年平均潮位线（SMM2100）和平均大潮高潮位线（LMM2100）位置

根据4种海平面上升模式，根据公式（1）、公式（2）计算在2000年SRTM DEM上表达2100年平均潮位线位置、平均大潮高潮位线位置的数据（表3）。

表3 2100年平均潮位线（SMM2100）和平均大潮高潮位线（LMM2100）位置

2.2 SMM和LMM移动专题图

将2000年SRTM DEM数据，MSL2000、MHWS2000、SMM2100和LMM2100数据输入Global Mapper制图软件，制作基于2000年SRTM DEM的红树林向海边界SMM和向陆边界LMM。将SMM和LMM输入Mapinfo professional地理信息系统软件，制作SMM和LMM移动专题地图（图2）。

平均海平面上升28cm、35cm、43cm或58cm，红树林向陆边界中段受海堤阻挡而保持稳定，东段（EL）和西段（WL）均向陆方向移动，移动距离随海平面上升而增大。平均海平面上升28 cm或者35 cm，红树林向海边界向海方向移动，移动距离随海平面上升而减小。平均海平面上升43 cm或58 cm，红树林向海边界均向陆地方向移动。

3 讨论

利用Mapinfo professional地理信息系统提取2000年SMM与2100年SMM之间区域的面积和周长，应用公式（3）计算SMM移动的平均距离。提取2000年LMM与2100年LMM之间区域的面积和周长，应用公式（4）计算LMM移动的平均距离。

图2 不同海平面上升模式下英罗湾红树林空间分布的变化

3.1自2000年到2100年，英罗湾红树林分布的变化

当全球海平面以低模式上升时，即到2100年上升28 cm，英罗湾红树林向陆边界的东段与西段分别向陆地方向移动1.6 m和1.4 m，红树林分别增加0.36 hm2和0.11 hm2；向海边界向海方向移动5.7 m，导致红树林增加1.94 hm2。在全球海平面以低模式上升时，英罗湾红树林将净增加2.41 hm2。

当全球海平面以中模式上升时，即到2100年上升35 cm，英罗湾红树林向陆边界的东段与西段分别向陆地方向移动2.7 m和2.5 m，使红树林分别增加0.62 hm2和0.21 hm2；向海边界向海方向移动1.8 m，使红树林增加0.63 hm2。在全球海平面以中模式上升时，英罗湾红树林将净增加1.46 hm2。

当全球海平面以高模式上升时，即到2100年上升43cm，英罗湾红树林向陆边界的东段与西段分别向陆地方向移动4.1 m和3.8 m，使红树林分别增加0.93 hm2和0.31 hm2；向海边界向陆方向移动2.3 m，使红树林减少0.79 hm2。在全球海平面以高模式上升时，英罗湾红树林将净增加0.45 hm2。

当全球海平面以极端模式上升时，即到2100年上升58 cm，英罗湾红树林向陆边界的东段与西段分别向陆地方向移动6.6 m和7.8 m，使红树林分别增加1.5 hm2和0.64 hm2；向海边界向陆方向移动9.7 m，使红树林减少3.29 hm2。在全球海平面以极端模式上升时，英罗湾红树林将净减少1.15 hm2。

当全球海平面上升28 cm或35 cm时，红树林向海边界向海移动，移动距离相应减小；当海平面上升43 cm或58 cm时，红树林向海边界向陆移动，移动距离相应增大。自2000年到2100年，当海平面上升28cm、35cm、43cm或58cm时，红树林向陆边界向陆移动，移动距离相应增大（图3）。

图3 自2000年到2100年红树林边界移动的平均距离

自2000年到2100年，当平均海平面上升28cm或35cm时，红树林向海、向陆两侧面积均增加，总面积增大；当海平面上升43 cm时，红树林向陆侧面积增大，向海侧面积减小，总面积仍增大；当海平面上升58 cm时，红树林向陆侧面积增加，向海侧面积减小，总面积减小（图4）。

图4 自2000年到2100年红树林面积变化

3.22000年英罗湾红树林分布与潮位线的关系

利用研究区2000年的遥感高程数据和潮位数据，在Global Mapper制图软件中生成平均潮位线和平均大潮高潮位线；利用研究区2000年遥感影像数据的4、5、3波段在ENVI遥感数据处理软件中叠加，生成假彩色遥感影像；将潮位线与假彩色遥感影像在Mapinfo地理信息系统软件中叠加，结果表明，平均潮位线与红树林向海边界基本吻合，平均大潮高潮位线与红树林向陆边界也基本吻合，表现出平均潮位线与红树林向海边界基本一致、平均大潮高潮位线与红树林向陆边界基本一致的基本趋势。

3.3公式（1）、（2）左端项SMM和LMM的物理意义

由于地壳上升，2000年和2100年具有不相同的数字高程模型。在2100年的数字高程模型上，必须使用全球平均海平面的绝对变化值来分析2100年的潮位线的位置；在2000年的数字高程模型上，必须使用全球平均海平面的相对变化值（考虑地壳上升的影响）分析2100年的潮位线的位置。

因为只有2000年的数字高程模型，就必须使用全球平均海平面的相对变化在2000年数字高程模型上分析2100年的潮位线的位置。利用公式（1）、（2）计算的数值，是潮位的相对变化值，不是在2100年数字高程模型能够使用的高程数据，而是只能够在2000年数字高程模型上使用的、表达2100年潮位线位置的数据。

表4 红树林变化面积的对比

3.4地形、地貌对红树林面积变化值的影响

利用遥感数据计算的红树林面积的变化，仅是红树林地表面积变化在水平面上的投影面积。利用红树林面积变化区的地形坡度，根据红树林面积变化的投影，可以近似得到红树林面积变化的实际值（地表面积）（表4）。

表中数据表明，地形、地貌对红树林面积变化值的影响比较小。地表面积比投影面积大2‰到18‰。

3.5红树林面积变化值的误差

从2000年到2100年，全球平均海平面上升的低、中、高和极端模式值和地壳上升速率，均为其分布范围内的中值。全球海平面上升低模式范围为28±10 cm；中模式为34.5±13.5 cm；高模式为42.5±16.5 cm；极端模式为57.5±21.5 cm。研究区地壳上升范围为20±15 cm。

根据误差叠加规则、潮位相对变化的阈值及其对应的面积，计算出红树林在低、中、高和极端模式下面积变化的分布范围。全球海平面上升低模式时，红树林增加2.41±6.09 hm2；中模式时增加1.46±6.12 hm2；高模式时增加0.45±7.96 hm2；极端模式时减少1.15±8.40 hm2。

全球海平面上升每种模式都有一个较大的变化范围，地壳上升也有一个较大的变化范围，使得相应的红树林的面积变化也有一个比较大的变动范围。因此，文中所预测的红树林变化情况，仅是一个平均趋势。

4 结论

通过海平面上升、地壳上升和潮滩沉积自2000年到2100年对英罗湾红树林分布影响的研究，得到以下结论。

（1）平均海平面以低模式（28 cm）或中模式（35 cm）上升时，广西英罗湾红树林向海、向陆边界均向外扩展，导致红树林面积分别增加2.41 hm2和1.46 hm2。

（2）平均海平面以中模式（43 cm）上升时，广西英罗湾红树林向海、向陆边界均向陆地方向移动，导致红树林面积增加0.45 hm2。

（3）平均海平面以极端模式（58 cm）上升时，广西英罗湾红树林向海、向陆边界均向陆地方向移动，导致红树林面积减少1.15 hm2。

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（本文编辑:袁泽轶）

Impact of global sea level rise，crustal rise and tidal flat sedimentation for one hundred years on the mangrove distribution in the Yingluo Bay of Guangxi

LUO Zi-dan1,MENG Xian-wei2,LUO Xin-zheng3
（1.Changchun Normal University，Changchun130032,China;2.The First Instituteof Oceanography,SOA, Qingdao 266061,China;3.Yantai University,Yantai 264005,China）

In this paper,the impact of global sea level rise,crustal rise and tidal flat sedimentation on the mangrove distribution is explored to protect the mangrove in the Yingluo Bay of Guangxi.The tidal level-predicting models are built through the mechanism analysis.The model is used to calculate data placing seaward and landward mangrove margins of 2100 on the digital elevation model of 2000.The seaward and landward mangrove margins are determined on the digital elevation model of 2000 with global mapper software.The data are got placing the seaward and landward mangrove margins of 2100 on the digital elevation model of 2000 and the maps of mangrove margin migration from 2000 to 2100.The results suggest three conclusions.First,when global sea level rises at low and moderate mode,the mangrove margins will migrate outward,and mangrove area will increase;Second,when the global sea level rises at high moderate mode,the mangrove margins will migrate landward，and the mangrove area will increase;Finally,when the global sea level rises at the extreme mode,the mangrove margins will migrate landward,and the mangrove area will decrease.

P735

A

1001-6932（2017）02-0209-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.02.012

2015-09-08；

2015-12-16

全球变化研究国家重大科学研究计划（2010CB951203）；海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室开放基金（MASEG201203）；山东省高等学校教学改革项目（2012192）；山东省研究生教育创新计划（SDYY13058）。

罗紫丹（1990-），计算机科学与技术专业。电子邮箱：luozidanlan@sina.com。

罗新正，博士，教授。电子邮箱：xzhluo@163.com。