风暴潮与盐沼相互作用研究进展

张振伟 刘贞文 刘必劲

摘要：文章对沿海风暴和盐沼之间动态相互作用的研究所取得的进展进行了综述。包括：极端水位和风浪在盐沼区域的耗散，风暴对盐沼的地貌影响，沉积记录对风暴潮和沉积物的保留，以及海平面上升对盐沼长期存活的重要性。盐沼能够有效地消散波浪能和风暴增水，特别是当沼泽植被较高并且连续时。地貌形态学观点认为盐沼通常能够抵御风暴而不会崩溃，风暴只会造成长期盐沼侵蚀的一小部分。风暴作用的结果可能影响盐沼系统在随后的暴风雨期间对正常天气条件的响应。

关键词：盐沼;风暴潮;波浪;植被;海岸侵蚀

中图分类号：P76 文献标志码：A 文章编号：1005-9857（2019）07-0042-07

Abstract：This paper reviewed the progresses made in the understanding of the dynamic interactions between coastal storms and salt marshes，including the dissipation of extreme water levels and wind waves across marsh surfaces，the geomorphic impact of storms on salt marshes，the preservation of hurricanes signals and deposits into the sedimentary records，and the importance of storms for the long term survival of salt marshes to sea level rise.Salt marshes are effective in dissipating wave energy，and storm surges，especially when the marsh is highly elevated，and continuous.From a morphological point of view，salt marshes are generally able to withstand violent storms without collapsing，and violent storms are responsible for only a small portion of the long term marsh erosion.The necessity to focus on the indirect long term impact that large storms exerts on the whole marsh complex rather than on sole after-storm periods.

Key words：Salt marsh，Storms，Waves，Vegetation，Coastal erosion

0 引言

盐沼是重要的沿海生态系统，其主要存在于河口和海湾的内部边缘以及低能量的潮间带。研究表明鹽沼的缓冲风暴的作用价值高达每平方千米500万美元[1]。盐沼的其他生态功能包括沉积物、污染物、营养物的储存，盐沼也是许多植物和动物群落的自然栖息地。庄武艺等[2]对澳大利亚东南部海岸的库纳湾潮滩动力环境开展研究，表明海草对于潮滩的沉积作用大，可以使潮流流速减弱40%～60%，悬移质含量减少20%～35%。汪亚平等[3]研究了盐沼潮沟的动力响应关系。沈永明[4]阐明了盐沼的经济生态功能。王爱军等[5]对福建泉州盐沼的台风沉积动力响应做了现场测量，测量显示台风显著影响期间的悬沙沉降通量是正常天气情况下的3～6 倍，落潮期间的沉降通量是涨潮期间的1～2 倍。王爱军等[6]对台风作用下的港湾型潮滩沉积过程做了研究，初步阐述了台风作用下潮滩沉积物变粗的机制。高抒等[7]通过相关数据、资料的集成分析，对互花米草引种的环境和生态效应作出综合评述，并提出今后的研究方向和科学问题。赵秧秧等[8]采用沉积动力学垂向二维概念模型来模拟正常天气和台风期间潮滩沉积的空间分布特征来探讨台风风暴潮对潮滩正常沉积层序的改造作用。

盐沼生态系统较为脆弱，全世界大量盐沼消失[9-10]。风暴、风浪和风暴增水的作用可以通过影响盐沼及其周边区域的侵蚀/沉积以及沉积物输入/输出，而强烈改变盐沼水平和垂直动力环境。而且，风暴在低洼和人口密集的沿海地区产生严重的洪涝灾害风险。因此，从气候变化角度研究风暴和盐沼之间的相互作用是非常重要的。

1 盐沼引起的风暴增水衰减

风暴潮经过盐沼时，风暴增水的减小量为每千米厘米量级[11]。2004年印度洋海啸和2005年美国墨西哥湾沿岸卡特里娜飓风引发的沿海区域灾害，提升了全球科学家和公众对红树林和盐沼潜在重要保护作用的认识[12-13]。

实地测量结果表明盐沼可以使得风暴潮增水高度减少。美国墨西哥湾沿岸地区[14]，每14.5 km盐沼上的峰值增水平均降低1 m（约6.9 cm/km）。个别飓风事件之间的差异很大，从每4 km沼泽地（25 cm/km）造成1 m风暴增水的衰减到每60 km衰减1 m的风暴增水（约1.7 cm/km）[11]。数据的差别表明，风暴潮的传播和沼泽上的衰减是复杂的，风暴增水的衰减主要取决于具体的风暴特征、盐沼生态系统特性和近海区域综合情况。Stark等[15]研究表明荷兰西南部河口的潮汐和风暴潮衰减的强度很大程度上取决于盐沼淹没深度和潮沟的尺寸。

水动力模型可用于研究风暴潮增水衰减的各种因素。研究提出两种机制：①摩擦效应在此称为盐沼内衰减，连续盐沼内外的风暴潮增水衰减主要是由于盐沼植被摩擦作用和陆向沉积物的搬运[16];②蓄水效应是指潮汐通道内的横向流动和蓄水，可以起到衰减风暴潮增水的作用[17]。实际上两者通常同时发生，潮汐通道会分割沼泽和红树林，沿着这些河道传播的增水会受到摩擦和横向蓄水效应的影响[18]。

无论是理想化的盐沼几何形状[16，19]，还是更接近实际的数模研究[11]，均证明风暴潮衰减的有效性取决于：①风暴强度、持续时间、前进移动速度、风暴的特定属性轨道等;②盐沼生态系统的大小、地形高度、植被疏密和连续性、盐沼河道尺寸;③近海海岸情况（如水深地形，海岸线形状，河口或三角洲，盐沼后的堤坝或堤坝等）。

对于较小到中等的风暴潮增水，衰减率通常较高;对于极端的风暴潮增水，衰减率会降低，这是因为对风暴潮衰减的摩擦影响随着水深的增加而相对减小。地势较高的盐沼对风暴潮增水衰减更为有效。对于持续时间较长的风暴，盐沼对风暴增水的衰减作用也会降低，因为风暴增水有更多的时间向陆地传播并占据整个盐沼地区。

在沼泽生态系统特性方面，宽度至少10 km或更宽的盐沼以及地势较高的盐沼更能有效地削弱风暴增水。潮汐通道的尺寸也会影响风暴增水衰减;数值模拟表明，更深或更宽的潮汐通道可以促进风暴洪水向陆地的传播，从而导致风暴增水衰减减小。

总而言之，数据和模拟研究表明，在大型（至少10 km宽）连续的盐沼以及有少量小通道的

盐沼后方风暴潮增水高度显著减少;特别是对于中等强度的风暴潮，但对持续超过一天的极端风暴潮，盐沼对风暴潮增水的衰减作用较小。后者意味着，在人口稠密的低洼沿海和河口地区单独依靠基于自然的防御措施有时可能是不可取的。相反，所谓的混合方法，将连续沼泽的保护和恢复与工程防御结构相结合，在世界范围内得到越来越多的发展和实施。这种混合方法更具成本效益，可以提供风险缓解，还可以提供其他有价值的生态系统服务。

2 盐沼引起的波能衰减

盐沼是天然的波浪能量阻尼器[20-23]。对于浅水，波浪能的耗散与海床的摩擦、渗透性和黏性层有关。 在盐沼上，床面粗糙度主要来源于两个方面的贡献：植被引起的摩擦和盐沼的地形变化。波浪衰减受植物特征如几何形状、茎密度、空间覆盖和刚度的影响，并且与水动力条件如水深、波浪周期和波浪高度是相关的。现场测量证实，风浪的耗散随着相对波高的增加和淹没率的降低而增加[24-25]。

盐沼和光滩上的风浪观测表明，鹽沼上的波浪能耗明显较高（高达82%的能量消散），然后是光滩（29%的消散）[26]。虽然波阻尼效应的一部分可归因于较高的沼泽台地上的水深减少（相对于较低的潮汐升高），即使在近似的水深条件下，盐沼的能量耗散也高达50%，这表明植被在耗散过程中的重要作用。

波浪的衰减作用也与流体和植物之间的相对运动密切相关，这取决于植物茎干的柔韧性、直径和长度。具有相对高刚度的茎干倾向于在整个波周期中振荡摇摆，而柔韧的茎干倾向于以高角度在水流主方向上弯曲，形成覆盖于海床上的植被层，基本丧失了对水流的阻尼作用[27-28]。随着波能的增加（例如，在风暴期间），植被茎秆运动可以从摇摆变为鞭状。植被的柔韧性的增加可以降低对波浪阻尼作用，因为茎干会随着周围的水而移动[29-30]，但是如果水动力载荷较高，则僵硬的植物会断裂[31-33]。柔韧的植被耗散贡献低，但在水流速度不低于74 cm/s的情况下，它们的变形会有助于固定海床表面沉积物[34]。相反，更坚硬的植被会增加周围的湍流和沉积物冲刷，并由于剪切应力值的增加而导致更多的侵蚀[21-22]。保罗等[28]测试了人工植被在不同波浪载荷下的拖曳力。他们发现刚度和动态正面区域（例如，由弯曲产生的正面区域）是决定阻力的主要因素，而植物的静止正面区域仅在低速度下支配力与速度间关系。

3 风暴潮对盐沼地貌的影响

与其他湿地相比，盐沼具有对风暴影响的抵抗能力。这主要归因于根系存在赋予土壤的剪切强度增加[35]。2014年，Fagherazzi[36]解释了有植被和无植被（例如，沙滩）海岸线对水动力作用的响应，有植被海岸线在缓冲（滤除）强大的风暴时非常有效，但在中等风暴下效果较差;反之亦然，无植被的海岸线能够有效地吸收温和气象条件下的水动力能量，但在高能水动力作用时会坍塌。

风暴对盐沼的影响可能因风暴和生态系统属性而显著变化，并可转化为各种地貌特征。除了侵蚀和沉积过程外，风暴还可以通过地表下的过程使沼泽地面变形[35]。

3.1 深切作用

与在淡水沼泽中的池塘相比，盐沼在风暴期间产生的潮汐池通常要小得多;它们还保持更无定形的形状（没有优先方向）。在地形已经较低的地方，这些潮汐池更容易形成，强风驱动的水流可以侵蚀表面沉积物[35]。 在一系列风暴作用下，潮汐池可以随着时间的推移而扩大，并且还会导致盐沼中沉积物的损失[37]。事实上，一旦潮汐池形成，它们通常会扩张，最终潮汐池可以与潮汐通道相连接[38-39]。

当潮汐池与渠道连通时，如果潮汐池高于植被生长限制，或者如果沉积速率大于海平面上升速率，则潮汐池可以恢复。当这些条件不满足时，潮汐池会扩大，由于受到内部产生的风浪作用而发生边缘侵蚀，并且侵蚀的沉积物可能会通过潮汐通道而损失[38]。因此，取决于生物过程的作用和沉降速率，潮汐池的形成和扩大可能是不可逆的，或者潮汐池最终恢复到周围的盐沼相同的高度[40]。

3.2 侵蚀作用

当水流和波浪引起剪切应力剥离植被表面时，植被覆盖区域盐沼的侵蚀[41]可以影响大约数千米的区域。剥蚀的深度决定了受影响地区的恢复机会和恢复速度。由于波浪产生的剪切应力，盐沼前的潮滩水深会加深，间接影响盐沼的生存，因为盐沼前的水深增加会促使波能增大从而促进盐沼侵蚀[42]。盐沼台地的侵蚀深度可以从几厘米到数厘米不等。

盐沼海岸线的横向侵蚀主要由风浪的作用决定[43-45]。根据盐沼边界侵蚀和波浪资料的全球数据库，发现沼泽岸线的年蚀退率随着波能线性增加。虽然飓风对盐沼的影响非常强烈，但它们的低频率和短持续时间导致相对较小的影响，其侵蚀占比约为1%。相反，中度和频繁发生的风暴对于盐沼生存来说是最危险的[44]。

对于海岸线，风浪的作用改变了盐沼边界的形状。 Leonardi等[46]研究表明，波浪与盐沼阻尼的空间差异之间的相互作用决定了沼泽海岸线的形状以及侵蚀速率的可预测性。在波能较高的条件下，虽然总体上导致更快的盐沼恶化，但会导致持续且可预测的侵蚀，以及平滑的盐沼边界分布。

3.3 沉积作用

风暴和飓风的发生可伴随着大量沉积物的沉积。例如，飓风丽塔产生4～5 m的风暴增水，并且导致了内陆500 m的0.5 m厚沉积[47]。根据沉积物运输的净方向，沉积物可能沉积在盐沼表面上或向海方向。因此，风暴可能不一定留下不同的沉积单元，而是通过提高悬浮沉积物浓度或流速来增加潮汐沉积的增量，从而增强了在潮汐通道淹没或溢出期间的常规沉降机制。特纳[48-49]研究表明，大的风暴增加了海上通过潮汐通道的矿物质供应。

在潮上带海岸线发生冲毁和淹没的区域很容易发现风暴期间的沉积物，例如，越浪堆积或冲积扇。Scileppi等[50]发现长岛海岸的冲刷沉积物与飓风的登陆的记录相关，并且登陆发生率增加和减少可以在盐沼沉积物记录中得到佐证[51-52]。风暴期间越过障碍物的越浪也可以在屏障物后的盐沼引起沉积，然后在沉积物记录中可以保留贝类的壳作为风暴冲刷的证据。

3.4 变形作用

除了侵蚀，沉积和深切作用的表面过程之外，由土壤压实或地下水流引起的地下过程也是风暴增水发生的重要结果，并且可导致盐沼高度的显著变化。

在风暴潮期间沉积层沉积的土壤压实是很常见的;风暴潮引起的水流也会造成土壤萎缩或膨胀。例如，1992年，飓风安德鲁经过路易斯安那州Bayou Chitigue的盐沼后，尽管有28 cm厚的沉积物，但由于土壤压实，海拔的总变化为-5 cm[53]。同样，对于北卡罗来纳州雪松岛的盐沼，由于飓风菲利克斯和杰瑞的表面侵蚀仅为-1 cm，但由于土壤压实导致的海拔变化达到-18 cm[53]。

沿海盐沼的沉积物来源多种多样，但大致可分为外部来源、邻近海岸或海洋的侵蚀和河流沉积物的供应，以及与盐沼相邻的潮间带泥沙上的沉积物重新悬浮的内部来源或沼泽边缘和潮汐通道的侵蚀[54]。所有来源在时间和空间上都是可变的，并且通常由高能量事件驱动（降水，风暴潮增水或波浪增水等）[55]。沉积物向盐沼的运输发生在多个时间尺度上。风浪可以掀动河口和潮间带的泥沙沉积物，侵蚀盐沼斜坡，并且增加水体中沉积物的浓度[56-57]。

海平面上升正在对沿海盐沼的生存造成威胁，海平面上升会降低海岸的海拔高度，海岸频繁淹没造成盐沼植被的生长[39，58]。随着海平面上升，沿海盐沼需要更多的沉积物供应，以便垂直适应海平面上升。世界各地沿海盐沼的海平面上升临界速率的估计表明，许多盐沼地点具有相对较高的恢复能力[59]，充足的沉积物供应是盐沼生存的关键因素。此外，弱潮环境下的盐沼对海平面上升的沉积物供应量下降特别敏感，而在强潮环境下的盐沼对海平面上升率或沉积物供应减少更具弹性[21-22]。

4 结论

面对气候变化，盐沼生态系统的持续产出，缓解洪涝灾害风险、侵蚀风险和碳封存，变得越来越重要。

在风暴条件下，即使在极端水位条件下，盐沼也能够有效地消散高水位和波浪能，但是它们的能量耗散作用随着水位的增加而降低。经验数据和模拟研究表明，大型和连续盐沼可以有效减小其后方的风暴潮增水高度。

植被的存在以及盐沼台地表层水位的降低都会导致波浪和浪涌的消散。植被性质在很大程度上影响了这种消散过程;虽然在强风暴期间（在消散潜力降低的情况下）柔韧的茎更容易受到影响，但它们对结构损伤的抵抗力也更强，而且它们的柔韧性有助于保护沼泽基质免受侵蚀。另一方面，随着波浪能的增加，高刚度植被可以增强植物茎周围的湍流和表面侵蚀。

风暴作用可能对盐沼的地貌演变产生各种影响，并对其长期生存对海平面上升和气候变化的影响不同。风暴影响可能导致盐沼边界、盐沼台地和周围潮汐通道的侵蚀，但它也可能向沼泽台地输送大量沉积物。后续研究应关注大风暴可能对盐沼造成的间接影响，不仅在风暴后的紧接时期，而且在长期内，以及它们的形态如何。

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