气候变化背景下海南东寨港红树林生态系统的脆弱性评估

颜秀花，蔡榕硕，郭海峡，许炜宏，谭红建

（自然资源部第三海洋研究所，福建 厦门361005）

近几十年来，气候变化背景下全球及我国沿海地区出现海平面快速上升、海洋变暖显著、极端事件增多以及海洋酸化加剧等现象［1-3］。由于海平面的快速上升，全球沿海地区特别是低海拔的海岸带系统经历了越来越多的洪涝、淹没，以及海水的侵蚀和风暴潮灾害的影响等［4］；同时，还由于人类活动的加剧，特别是，随着我国沿海地区经济的快速发展，人口快速向海岸带地区集中，城市化进程加快，海岸带历经多次的大规模围填海、过度捕捞和陆源污染物排放等影响［5］，我国海岸带生态系统也因此受到了剧烈的自然与人类活动的干扰，而且，未来将面临气候变化加剧带来的更高风险。其中，位于海岸带地区的红树林湿地是陆地向海洋过度的区域，主要分布在热带，并延伸至亚热带部分地区。红树林湿地是生产力最高的海洋生态系统之一，既有抵抗风浪、保护海岸，起到防灾减灾的作用，还被认为是潜在的重要碳汇，在减缓气候变化中有重要作用［6-10］。因此，气候变化背景下红树林生态系统的演变及其作用成为日益重要的研究对象。

研究显示，即使全球变暖，如气温上升1.5～4.5℃，对红树林生态系统的物种并不会带来严重的影响［11］，但温度升高叠加其他气候与环境要素，则可能对红树林产生不良的影响。例如，在降水频繁地带，温度上升对红树林而言可能是正效应，反之，则可能是负效应［12］。相对海平面的变化则对红树林生态系统有明确的影响［11-14］，红树林所在海域相对海平面的上升或下降可导致红树林向海侧边界向海推进或后退，当海平面达到0.9～1.2 mm/a的上升速率时，红树林生态系统就会受到胁迫，超过这个速率则无法适应［15］。值得注意的是，气候变化背景下趋于频繁的极端事件，如超强台风暴潮更是直接造成红树林的直接损毁和死亡的重要因素，对红树林高大树种的影响尤其严重，并会导致红树林多样性指数的降低［16-17］，风暴潮和海浪的强度、频度的增加还会加重海岸土壤的侵蚀程度，降低红树林湿地的沉积速率［16，18］，增加红树林湿地对海平面上升的脆弱性。当诸多不利因素集中在一个时间段发生时，容易对红树林产生毁灭性的影响［19］。如今，人们已认识到，红树林生态系统正在面临气候变暖背景下海平面快速上升与极端事件带来的综合影响；同时，在叠加人类扰动的影响下，红树林生态系统正呈现出愈来愈显著的脆弱性［8，10］。

目前，对红树林脆弱性特征的研究多采取指标法和动力学模型法。例如，Ellison（2015）通过选取定性和定量评价指标，以及分级赋值的方法，计算脆弱性综合指数，评估红树林生态系统的脆弱性［20］。近年来，我国开展了有关广西红树林湿地环境的演变、对海平面上升的响应和脆弱性研究［14，21-22］。其中，丁平兴（2016）、李莎莎（2014）等建立了脆弱性指数公式，定量预估了海平面上升对广西红树林分布面积的影响［14，22］。Ventura等（2014）构建了脆弱性指数公式，并基于实测样方数据，计算出巴西巴拉那州城市边缘红树林的脆弱性空间分布特征［23］。此外，Doyle等（2003）应用SELVA-MANGRO模型，预测了海平面上升影响下佛罗里达南部红树林物种组成和分布面积的变化［24］。Luo等（2010）运用Biome-BGC模型，研究了在气候变化影响下中国深圳、湛江和琼山红树林生态系统生产力的变化［25］。由此可见，人们研究气候变化对红树林生态系统的影响，已经由定性描述逐渐演变成定量评估，但生态系统的脆弱性是系统状况的综合表现，能够表征系统状况的变量较多。迄今为止，对于如何选取合适的指标来衡量红树林生态系统的脆弱性还在探讨摸索之中，尚未有统一的方法与标准。

有关我国红树林生态系统定量化的脆弱性评估研究仍较少，且多是预测单因子的变化影响。随着政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告的发布，有关气候变化背景下自然和社会系统的脆弱性和综合风险理论有了明显的发展［4，26］。作为我国成片面积最大、种类最全的红树林生态系统，海南省海口市东寨港红树林多年来一直受到高度的关注。近几十年来，人们开展了许多调查研究。结果表明，东寨港红树林湿地面积、群落结构和优势种群的演替等均有显著变化，这与气候及环境变化、人类活动的影响密切相关［27-28］，但在海平面上升及极端事件背景下东寨港红树林生态系统的脆弱性评估及其综合风险管理仍亟待深入研究。为此，本研究从上述IPCC有关脆弱性及综合风险的理论框架出发，以东寨港红树林为研究对象，构建了基于“暴露度-敏感性-适应性”的红树林生态系统二级脆弱性评价指标体系和估算方法；其次，基于海洋大气的观测及再分析资料，分析了东寨港地区气候与环境的变化特征，再利用红树林的实地调查数据资料，以及所构建的红树林生态系统脆弱性评价指标体系和估算方法，量化分析了海平面上升和热带气旋或强台风背景下红树林生态系统的暴露度、敏感性和适应性的变化，综合评估了东寨港红树林生态系统的脆弱性，以期为气候变化背景下东寨港红树林生态系统的保护与管理提供科学依据。

1 数据资料与研究方法

1.1 研究区域

我国沿海地区红树林湿地的自然分布范围，南起自海南省、广西壮族自治区和广东省，向北延伸至福建省北部的福鼎县（至27°20′N），在台湾岛、香港和澳门等地区也有分布。由于气候变暖等原因，红树林已被引种至浙江省乐清县（28°25′N）种植成功［29-30］。本研究的对象为海南省海口市东寨港国家级自然保护区内红树林，研究区域见图1，自北向南可大致分为塔市、演丰及三江等3个片区。这也是我国于1988年设立的第一个红树林国家级自然保护区，位于海南岛东北部：19°51′～20°01′N，110°32′～110°55′E。保护区内红树林面积1 578 hm2，分布有红树林植物19科35种，占全国红树林植物种类的97%（数据来自海南东寨港国家级自然保护区管理局http：//hndzg.haikou.gov.cn/）。

1.2 数据来源与处理

气温和台风数据：数据源自1980—2017年的中国地面国际交换站气候资料日值数据集（V3.0）；统计分析海口地区的气温年平均变化、全年极端高温（站点日最高气温大于35℃）和低温（站点日最低气温小于19℃）的累计时间（单位：d）年变化，以及热带气旋和台风中心经过海口站250 km范围时，海口站日最大风速值的年变化。

海温数据：美国国家海洋和大气管理局（NOAA）提供的高分辨率全球每日海表温度再分析资料（http：//www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.noaa.oisst.v2.highres.html），分辨率为0.25°×0.25°，时间覆盖范围为1982年1月—2017年12月；统计期间东寨港海域的海表温度年平均变化、全年高海温（＞29℃）时间和低海温（＜19℃）的累计时间（单位：d）年变化。

图1 海南省海口市东寨港红树林的地理位置及空间分布Fig.1 Sampling sites and geographic positions of Dongzhaigang mangroves in Haikou City of Hainan Province

海平面数据：取自2017年《中国海平面公报》［31］，分辨率为逐年；统计分析了1980—2018年间海口潮位站逐年海平面距平数据，获取东寨港附近海域海平面的变化趋势。

红树林实地调查数据：2017年12月、2018年7月、2018年11月，共开展了3次东寨港红树林的实地调查。在东寨港的塔市、演丰和三江等3个红树林片区布设了44个样方，调查了红树林的种类、数量、胸径和株高、死亡数等参数。

1.3 评价指标体系与估算方法

1.3.1 评价指标体系 根据IPCC第五次评估报告（IPCC-AR5）［1，4，32］有关气候变化综合风险的核心概念，自然和社会系统（亦称为承灾体）的脆弱性（V）是指其易受气候变化致灾因子不利影响的倾向或习性，可看作是承灾体暴露在气候变化致灾因子和人类活动的扰动下，而容易受到损害的一种状态，还可看成是由暴露度（E）、敏感性（S）和适应性（A）等关键要素共同作用的结果［33-35］。其中，暴露度是指气候变化致灾因子发生时的不利影响范围与承灾体分布在空间上的交集［26］。敏感性是指承灾体在面对气候变化致灾因子和人类活动扰动时，易于感受的内在属性（性质），反映了承灾体能承受扰动的程度。适应性是指承灾体面对多种气候变化和人类活动扰动时的应对能力，以及受损后的恢复能力。

从上述定义出发，红树林生态系统的脆弱性可表达为：V=f（E，S，A）的函数，一般认为脆弱性（V）与暴露度（E）和敏感性（S）呈正相关，与适应性（A）呈负相关的关系，这种关系常用变量加减或者乘除的形式，如V=E+S-A或者V=E·S/A表达（以下分别简称为加减型和乘除型）。本研究采用这两种表达式分别计算比较后，结果表明，2种算法并不会给样方间的脆弱性等值序列带来差异，且2种结果的相关系数为0.95，这与已有的研究结论一致［36-37］。其中，加减型的计算结果，数值范围更小、直观且有利于比较。因此，本研究选择更常用的加减型表达方式。即：脆弱性（V）=暴露度（E）+敏感性（S）-适应性（A）的函数表现形式［23，33-34］。

本研究将红树林生态系统的暴露度、敏感性和适应性视为红树林生态系统脆弱性的3个一级评价指标，再按其定义及属性，分别构建了二级评价指标。据此，首先分析东寨港红树林生态系统的主要致灾影响因子，红树林的致灾因子主要有气温、降水、海平面、热带气旋或台风等［12，38］。从致灾的影响程度出发，本研究根据观测数据的分析结果，如“2.1”所示，对致灾影响因子进行筛选（表1）。其次，由所选取的二级指标变量来分别表示并估算暴露度、敏感性和适应性等3个一级指标（表2），进而综合评估红树林生态系统的脆弱性特征。

表1 东寨港红树林生态系统的致灾影响因子分析Tab.1 Analysis of hazard factors to the Dongzhaigang mangrove ecosystem

1.3.2 脆弱性评价估算方法 基于上述IPCC有关承灾体的脆弱性与暴露度、敏感性和适应性的核心概念、定义及相互关系，本研究所指的红树林脆弱性的关系采用以下函数形式［23，33-37］，

脆弱性（V）=暴露度（E）+敏感性（S）-适应性（A），简化如下：

式（6）中：Vij为第i样方第j年的脆弱性指数，Eij为第i样方第j年的暴露度指数，Sij为第i样方第j年的敏感性指数，Aij为第i样方第j年的适应性指数。Eij、Sij和Aij作为一级指标，其下各二级指标分类及具体表达式见表2。由于不同评价指标变量之间存在有性质、量纲和数量级的差异，因此，本研究对于所有指标的原始数据采取了除于最大值的标准化处理方式。此处理之后，Eij、Sij、Aij取值区间为［0，1］，Vij的理论计算范围位于［-1，2］，对Vij进行一次极差标准化处理后，其值区间位于［0，1］。

表2 东寨港红树林生态系统脆弱性评价指标体系Tab.2 Index system for the vulnerability of Dongzhaigang mangrove ecosystem

续表2

参考Ventura等［23］的脆弱性分级方法，本研究在完成两级指标指数的计算后，对获得的脆弱性指数进行分级，将V∈（0，0.3］的样方视为轻度脆弱，V∈（0.3，0.6］视为中度脆弱，V∈ （0.6，0.8］视为高度脆弱，V∈（0.8，1］视为极度脆弱。

2 结果与讨论

2.1 东寨港地区温度、海平面和台风最大风速的变化

2.1.1 地表气温 图2为1980—2017年海口站的年平均气温变化趋势和全年累计高温（日最高气温大于35℃）和低温时间变化情况。由图可以明显看出，自1980年以来，年平均气温上升了约0.7℃，全年累计高温时间也存在整体上升的趋势。尤其是在5、6月份，高温时间有显著增加。

2.1.2 海表温度 图3显示，1982年1月—2017年12月期间，东寨港附近海域的海表面平均温度（SST）为24.53℃，变化趋势不明显，仅略有上升现象；但是，2000年以来高、低海温的年累计时间均波动剧烈，如2008、2014—2016年低海温和高海温年累计时间同时出现峰值。这表明这些年份温度变化相对剧烈，极端海水温度事件更容易发生。

图2 1980—2017年海口地区的年平均气温变化趋势Fig.2 Changes of annual mean temperature in Haikou City from 1980 to 2017

2.1.3 海平面 全球海平面上升是由气候变暖引起的缓发性海洋灾害。1880—2009年，全球平均海平面已经上升了21 cm，预计到21世纪末，海平面上升将有更加速的趋势［43-44］。1980—2017年，中国沿海海平面上升速率为3.3 mm/a，高于同期全球平均水平［31，45］。

观测结果的分析表明，1980—2018年海南省海口地区东寨港海域海平面有非常明显的上升趋势，上升速率达到了4.6 mm/a（图4），远高于全球和全国平均水平。已有的研究认为［15］，如果海平面上升速率达到0.9～1.2 mm/a，红树林生态系统就会受到胁迫，超过这个速率则无法适应。图4的结果表明，在东寨港海域海平面上升速率已经接近这个数值的4倍情况下，东寨港的红树林湿地已处于海平面快速上升带来的较大威胁之中，因此，红树林生态系统面对海平面的快速上升等气候胁迫下的脆弱性是值得高度关注的问题。

图3 1982—2017年东寨港海表温度及极端SST累计时间变化趋势Fig.3 Changes of sea surface temperature（SST）and extreme SST accumulated time in Dongzhaigang from 1982 to 2017

图4 1980—2018年海口站海平面变化Fig.4 Sea level changes at Haikou station from 1980 to 2018

2.1.4 热带气旋或台风最大风速 经过海口站附近250 km内，且在东寨港地区风力大于7级（13.9 m/s）的热带气旋或台风，主要出现在1993年之前和2006年之后（图5）。其中，2014年7月18日，超强台风“威马逊”正面袭击海南东北部时，东寨港的红树林受损严重；2018年9月16日，超强台风“山竹”在广东江门登陆，这也是一次对海口地区有较大影响的台风事件。

上述分析表明，1980年以来，东寨港地区的气温有明显上升趋势，但海温的变化并不明显。其次，风速大于7级可影响到东寨港地区的热带气旋和台风事件主要出现在1993年之前和2006年之后。再者，较突出的是1980—2018年东寨港海域的海平面上升颇为显著，远高于中国沿海地区和全球海平面的上升速率（1980—2017年中国沿海平均为3.3 mm/a［31］；1993—2015年 的 全 球 平 均 为3.0 mm/a［44］）。现有研究多认为在雨量丰沛地区升温一般不会给红树林带来明确的负面影响［12］，但极端低温造成的寒害可能会给红树林带来不利影响。基于上述分析，本研究主要选取了1980—2018年间海平面上升和热带气旋或台风最大风速作为影响东寨港红树林的致灾因子。

图5 1980—2017年热带气旋和台风在海口站250 km内经过时海口站日最大风速的年最大值变化趋势Fig.5 Annual variation trend of maximum daily wind speed at Haikou station from 1980 to 2017 when tropical cyclone and typhoon tracks felled within 250 km of Haikou station

2.2 东寨港红树林的脆弱性评估

本研究利用上述构建的脆弱性指标体系和估算方法，并根据2018年实地调查数据，计算了东寨港红树林样方的脆弱性两级评价指数结果（图6～9）。

2.2.1 空间分布 根据暴露度指数的构建原则和方法，在同一年度，海平面和台风极值风速的变化在研究区域的空间尺度上视为一致，因此，代表空间的样方暴露度指数主要体现了样方与海域的相对位置关系，即越靠近水域，暴露度越大的规律。如图6所示，样方1、41和43等由于同时靠近外海和潮沟（样方位置可参照图1），因此，暴露度较大。

图7为敏感性指数，指数值的波动较大，这充分反应了样方内红树林物种生态特征的差异。结合实际样方调查数据，指数较大的5、38样方物种均为木榄（Bruguiera gymnorrhiza），株高较高，而胸径较小，且密度较低，更有不少死亡植株，而这些特征均可能导致红树林对海平面上升和强台风更为敏感，尤其是后者。样方6～8、10～12为低矮的角果木（Ceriopes tagal）和桐花树（Aegiceras corniculata）等，物种丰富，密度较大，能较好抵御大风的影响，其较小的指数正好反映出这一特点。样方41～43较特殊，这是因为样方内的物种为单株海桑（Sonneratia caseolaris），以现有的指数计算方法被判定为高敏感性，其科学性和样方代表性有待进一步研究，但考虑到方法的普适性，依旧将其作为一种情形进行探讨。

本次研究中适应性指数的变化较小，这是因为在具体计算时，仅采用了样方树林的更新能力，以表征空间适应性的变化，即，死亡植株和幼苗较多的样方体现出较小的适应能力。潮滩坡度和沉积速率在同一个地区变化较小，因此，在本研究中取常值，但今后在评估较大尺度范围，比较不同地区的红树林脆弱性时应考虑取变化值。

图6 东寨港红树林各样方的暴露度指数（E）Fig.6 Exposure index（E）of each sample in the Dongzhaigang mangroves

图7 东寨港红树林各样方的敏感性指数（S）Fig.7 Sensitivity index（S）of each sample in the Dongzhaigang mangroves

图8为样方的脆弱性指数计算结果。整体而言，个别样方的脆弱性指数分布差异较大，如，样方6～8、10～12和样方1、5、38、41、42分别展现了最小（＜0.05）和最大（＞0.60）的脆弱性，其余共约三分之二的样方脆弱性指数小于0.30，脆弱性指数平均值为0.31，因此，大部分样方的红树林属于脆弱性相对较低的等级。

在空间分布上，脆弱性指数较大的样方，如样方1、41～43，既靠近潮沟、又靠近外海，且物种比较单一，而样方5和38虽然没有靠近外海，暴露度不大，但因其物种均为较细高的木榄，且死亡成体较多，敏感性高，适应力差，因此，其脆弱性指数也较高。此外，样方6～9、10～12位于离外海较远，靠近陆地的区域，暴露度低，且其内物种为低矮的角果木和桐花树，物种丰富，密度也较大，敏感性也低，因此，其脆弱性指数值较低。塔市、演丰和三江3个片区的样方脆弱性指数平均值分别为0.27、0.17和0.44，即三江片区的红树林脆弱性相对最高，演丰片区最低。本研究实地调查时，东寨港保护区管理局工作人员也指出，2014年台风“威马逊”造成的损毁最大的片区为三江片区，这间接验证了该片区相对脆弱性为最高的结论是合理的。

样方的脆弱性指数反映了暴露度、敏感性和适应性3个一级指标的叠加作用，其值的大小对靠近岸边暴露度大的区域，以及对台风敏感的物种特征，均有所体现，因此，这个指数在红树林对海平面上升和热带气旋或台风等不利影响因素的响应方面有较好的表现。由此可见，本研究构建的脆弱性指标体系和评估方法可较好地反映出红树林空间的脆弱性特征。

图8 东寨港红树林各样方的脆弱性指数V和脆弱等级Fig.8 Vulnerability index（V）and vulnerability category of each sample in the Dongzhaigang mangroves

2.2.2 动态变化 在时间尺度上，承灾体的脆弱性必然会随暴露度、敏感性和适应能力的变化而变化。为了评估暴露度的动态特征，本研究在假定承灾体保持不变的情景下，估算了1980—2018年间随着海平面上升和热带气旋或台风影响下，东寨港红树林暴露度指数的变化（图9）。图9显示，1993—2006年期间，由于台风影响较小（风速＜7级）或没有台风经过，其暴露度主要反映了承灾体随海平面上升而缓慢增加的趋势，而在其余年份，暴露度则随最大风速的波动而变化。2种致灾因子的叠加影响呈现出的是，暴露度指数在缓慢增加的背景出现波动的变化特征。根据IPCC对脆弱性和风险的定义，在系统敏感性和适应性不变的条件下，暴露度的增加将会增加系统的脆弱性，因此，东寨港红树林的风险也将随主要致灾因子海平面和台风的影响而变化。

图9 1980—2018年东寨港红树林暴露度指数的变化Fig.9 Changes of mangrove exposure index in the Dongzhaigang mangroves from 1980 to 2018

综上，本研究构建的脆弱性评价指标体系中，暴露度指标的大小主要与样方位置分布和海平面上升速率、热带气旋或台风最大风速的变化等有关，敏感性的大小取决于样方内的物种生态特征和年龄结构等，适应性指数的变化则主要由样方内树林恢复能力和沉积速率等环境特征体现。3个指标计算得出的脆弱性指数是承灾体系统特征的综合体现，单独一个指标的数值高（低）并不一定导致同样高（低）的脆弱性。由此可见，本研究构建的脆弱性评估方法可较好评估承灾体系统对海平面上升和台风等致灾因子的脆弱性特征。

2.3 讨论

本研究构建的承灾体系统脆弱性评估方法虽可较好地反映红树林生态系统的脆弱性空间分布特征及其动态变化，但在今后工作中尚有如下几方面内容需要进一步完善和重点研究。①由于观测和调查资料所限，本研究尚未充分评估东寨港红树林样方间脆弱性的长期变化特征，承灾体系统的适应性指数也作了相应简化。②本研究仅考虑了热带气旋或台风风速的大小对红树林的物理损毁，台风风暴潮和海浪对红树林生境的侵蚀作用等未予以充分考虑。今后在评估更大范围红树林生态系统的脆弱性时，需要进一步考虑不同地区生境的差异，以及致灾影响因子的叠加作用，以便更科学地量化不同物种对致灾影响因子的耐受性差异。③今后还需根据灾后红树林的损失调查和影响机制研究，修订完善二级指标的权重值，以期更准确地评估红树林系统的脆弱性特征。

由于导致红树林生态系统脆弱并退化的原因很多，其中有许多人为因素，如围塘养殖、工业污染、病虫害、海鸭养殖、船舶兴浪等，气候变化属于自然干扰因素。在气候变化背景下，人为扰动加剧了红树林本身的脆弱性，如何将各种扰动选取相应的指标科学量化，以期更好地反映出红树林的脆弱性特征，进而分析未来气候变化背景下红树林生态系统的综合风险，研究并系统提出降低红树林承灾体系统的脆弱性和开展风险管理的对策措施，有待更深入的研究。

3 结论

近几十年，海南省海口市东寨港地区的气候与海洋环境有较显著变化，其中，1980—2018年，海口地区海平面上升速率为4.6 mm/a，高于全球和中国沿海海平面的上升速率；风速大于7级可影响东寨港地区的热带气旋和台风事件主要出现在1993年之前和2006年之后。基于红树林生态系统结构和功能与环境影响因子之间的关系，以及东寨港地区气候与海洋环境的变化特征，分析结果表明，海平面上升和台风是东寨港红树林的2个主要致灾影响因子。但这2个致灾因子变化特征迥异，前者是缓发性的，而后者属于极端事件，是一种突发性灾害，要综合准确评估2种致灾因子影响下红树林的脆弱性具有一定的难度。以往红树林的脆弱性研究多聚焦于单个致灾因子的影响，但本研究基于最新的气候变化综合风险理论框架，即认为脆弱性是承灾体内在的一种属性，是系统应对和抵御环境综合风险的特性，进而构建了适合红树林承灾体系统的“暴露度-敏感性-适应性”脆弱性评价指标体系，从而评估了海平面上升和极端事件综合影响下东寨港红树林生态系统的脆弱性主要特征。

本研究构建的红树林暴露度指数主要取决于树林的空间分布和致灾因子的动态变化，敏感性主要与系统的物种和年龄结构等特征相关，适应性的变化则受到生境的沉积速率和系统恢复能力的影响。从时间尺度上看，东寨港红树林生态系统的脆弱性主要受海平面上升速率和热带气旋或台风出现的频数、强度的影响。基于本研究的实地调查数据，计算分析得出的东寨港红树林样方总体的脆弱性指数平均为0.31，其中三江片区脆弱性相对最高，脆弱性指数为0.44，东寨港红树林在台风和海平面上升背景下整体上处于中度脆弱等级。

致谢：参加外业调查工作的人员还有自然资源部第三海洋研究所的陈顺洋和邢炳鹏，以及北京师范大学的许映军、龙爽、黄靖玲、周华真和徐粒等人，在此谨表谢忱。