红树林潮滩沉积动力研究进展与展望

戴志军, 周晓妍, 王杰, 胡宝清

1. 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室, 上海 200062;

2. 南宁师范大学北部湾环境演变与资源利用重点实验室, 广西 南宁 510310

红树林潮滩作为地球上最富有生物量和极高生产力的区域之一, 是人类和许多生物物种的基本活动场所和重要的栖息场所(Murray et al, 2019;Simard et al, 2019; Van der Stocken et al, 2019)。同时,红树林普遍生长在热带或亚热带陆海动力频繁作用的潮间带区域, 尤以河口和港湾地区分布广泛, 不仅是抵御洪水和风暴潮侵袭的天然屏障, 而且是碳捕集存贮、转换营养盐和净化污染的理想容器(Van der Stocken et al, 2019), 其潮滩泥沙的冲淤动态演替更是敏锐地反映河流和海洋物质供给多寡与水动力的强弱(Swales et al, 2015; Murray et al, 2019;Simard et al, 2019)。故, 河口红树林潮滩不仅可作为表征陆海物质交换与动力变化的环境天然指示器,也为地球系统科学研究的关键带之一(Gilman et al,2008; Gallagher, 2012; Swales et al, 2015; Murray et al, 2019; Van der Stocken et al, 2019)。红树林潮滩的沉积与动力地貌过程是全球未来海岸计划(Future Earth Coasts, https://www.futureearthcoasts.org/)的焦点议题之一(Kremer et al, 2005)。

然而, 作为全球资源的重要组成, 过去60 年间,地球上约1/3 的红树林因气候变化、海面上升以及围填海、围塘养殖等自然环境变化与人类活动干扰而出现永久性损失(Atwood et al, 2017; Van der Stocken et al, 2019)。高强度围垦、填海造陆及沿海岸线侵蚀防护工程建设占据红树林潮滩或砍伐红树林已成为海岸带红树林潮滩损失的主要原因(Gilman et al, 2008), 在亚洲、美洲和欧洲尤其突出(Fagherazzi, 2013)。在当前全球变暖和风暴潮等极端天气加剧的状态下, 河口红树林潮滩面临快速侵蚀后退的风险(Danielsen et al, 2005)。我国在“十三五”规划提出的国家重大生态修复工程“南红北柳”, 明确指出需加强对红树林的定植与生态恢复工作。显然, 迫切需要加深对红树林潮滩的沉积动力过程的理论分析, 在自然过程和人类活动影响背景下, 探讨和辨识红树林潮滩冲淤演变的主控机制, 研究红树林潮滩生物地貌行为对陆海水沙变化的响应, 进而对当前红树林潮滩面临的风险做出科学评估, 并提出防范对策。

1 沉积动力研究进展

世界绝大部分红树林位于大陆边缘, 其潮滩沉积具有河流起源的矿物成分(Swales et al, 2015), 陆域水沙的变化将影响红树林潮滩沉积过程。同时,生长发育在滩涂平均海平面位置附近的红树林不仅能有效降低波浪或潮流作用, 而且通过捕集泥沙引起潮滩淤高且向海淤涨, 由此在一定程度缓解海面上升侵蚀海岸与淹没陆地的威胁, 而潮滩向海淤涨又给红树林的扩展提供了新的滩地空间。红树林潮滩沉积动力的研究主要聚焦于红树林消能及泥沙捕集效应、红树林潮滩生物地貌过程以及风暴与海面变化的影响等方面。

1.1 红树林消能及泥沙捕集

红树林消能及其泥沙捕集行为是维持红树林潮滩淤涨及免遭海面上升侵蚀的重要因素(张乔民等, 1996; Swales et al, 2015 )。支撑根与板状根丛生的红树林能有效降低波高及减缓波能的现象直至19 世纪晚期才引起关注(Alongi, 2009)。最为显著的案例是2004 年印度洋海啸期间, 巨大的波能经红树林大幅削减, 庇护了红树林后缘村庄安然无虞(Danielsen et al, 2005)。随后, 关于越南红河三角洲及澳大利亚的报道称, 每隔约100m 距离, 红树林可削减高达20%的风浪和涌浪波高(Mazda et al,1997; Brinkman, 2006)。Horstman 等(2014)进一步发现, 水深变化会导致红树林消浪效率相差一个数量级。此外, 植株差异对波能耗散的影响研究也存在较大分歧, 如 Massel 等(1999)发现在较高的红树林地带, 随着水深增大其波能衰减强度反而减小, 而Quartel 等(2007)于越南观测到红树林区域随水深增大而摩阻系数呈指数增加。国内张乔民等(1996)通过对华南不同地区红树林潮滩的动力观测, 发现红树林及复杂地面根系对水流具有明显滞缓效应, 其流速仅及相应潮汐水道流速的1/13～1/6。可见, 波流衰减强弱和红树林植被根茎密度、茎长与水深等直接相关。

同时, 红树林存在和扩张对潮间带水动力和悬沙-底沙输运等沉积过程有直接影响, 即红树林根茎可通过消浪与缓流作用, 降低水体紊动、促进泥沙沉降和稳定滩面地貌(Carlton, 1974; 张乔民 等,1995; Furukawa et al, 1997; Gilman et al, 2008;Swales et al, 2015)。红树林改变水动力流向和潮汐的不对称性, 导致涨潮期泥沙沉降增强、沉积通量增大, 同时植被根茎叶表面亦可截留部分泥沙, 由此增加滩面沉积速率(Chen et al, 2018)。Furukawa等 (1997)的研究指出, 红树林在一次大潮涨潮期间可捕获整个大小潮期间沉降泥沙的80%, 相当于每年导致潮滩淤高10mm。张乔民 等(1996)研究表明以红海榄为主的红树林区潮滩年均沉积厚度达4.1mm。Stokes 等(2009)进一步表明, 假定没有红树林植被捕获泥沙, 潮滩高程将年均降低9～38mm。然而, 红树林种群密度的变化亦能影响潮滩泥沙的捕集过程。如红树林零星分布的澳大利亚部分河口潮滩处于侵蚀中, 即并没有发现植被捕获泥沙的现象(Wolanski, 1995)。此外, 不同动力环境的红树林捕集泥沙效应也有差异, 如一次大潮期间红树林捕获的泥沙总量中, 以河流作用为主的红树林潮滩捕获的陆源泥沙可占65%。由于红树林潮滩监测的困难性, 目前红树林潮滩消浪和泥沙捕获的定量研究还很有限。

1.2 红树林潮滩生物地貌行为

红树林潮滩生物地貌过程需要辨识植被—光滩—潮沟等不同地貌单元的演变过程和驱动机制, 明确水沙动力因子和红树林的动态作用过程(Murray et al, 2008)。陆海水沙输移过程的变化会显著影响河口海岸红树林潮滩地貌发育。近期研究显示西澳大利亚的坎布里奇湾-奥德河地区, 沿着大量淡水定期输入的河道, 盐生植物在新淤涨的沙岛定植, 当河流流量和波浪的直接影响大大减弱时, 潮汐作用会造成大面积的植被裸露(Thom et al, 1975)。弗莱河三角洲由海洋动力输入河口的细粒泥沙净通量约为河流输沙量的10 倍, 红树林可捕获1/4 河流输入的黏土沉积, 使得部分沙洲年淤积速率达40mm(Wolanski et al, 1998)。改变红树林植被和生物膜特性会导致不同的地貌稳定状态, 植被可影响或者控制泥沙捕获效率和滩面形态调整(Kitheka et al,2002)。Walsh 等(2004)利用沉积学和放射性核素数据建立红树林地貌进积的概念模型, 发现潮间带侵蚀和淤积现象并存, 其中最大的淤积速率出现在中潮带。Kakeh 等(2016)通过构建包括悬浮泥沙沉积、波浪和水流驱动的侵蚀、生物膜泥沙稳定和植被稳定滩面综合模型, 提出红树林冠层被水淹没的部分对水体悬沙并未有明显阻碍作用, 因此捕获泥沙的效应可被忽略。

近期Leonardi 等(2016)的研究结果证实, 生物地貌形态与潮滩横向宽度、盐沼边缘形态、局地水动力过程以及泥沙来源密切相关。Bouma 等(2016)发现, 滩面逐渐淤积与先锋植被的空间分布特征及演变相关, 潮周期和季节性过程可以导致滩面高程随时间变化, 裸滩和湿地植被交界陡坎的演变可以指示海陆相互作用强弱, 该过程也与沉积物来源总量和特征相关。Phillips(2018)认为, 波浪特性与能量耗散间的关系、潮沟系统发育以及红树林与洪水、盐度及沉积物等的相互作用, 都将影响红树林潮滩的稳定性、抵抗力和恢复力。张乔民 等(1997a)在研究华南红树林生物地貌时, 提出红树林潮滩剖面具有上凹、上凸、陡坡及切割等4 种形态, 其剖面发育形态和不同的红树林种群结构、种群扩张与促淤行为密切相关。此外, 近期Hu 等(2020)利用激光高程测量仪对红树林潮滩进行监测, 发现红树林植被是影响沉积物堆积与滩面高程变化的主要因素。Nardin 等(2018)研究越南湄公河三角洲红树林和滩面沉积、地貌演变之间的关系时发现, 沉积物中砂含量百分比与植被密度显著正相关, 河流泥沙的多寡和向岸输沙动力共同控制红树林的定植和扩张。

潮沟是红树林生物地貌的重要组成, 对于潮间带水沙输运和岸滩迁移过程有显著意义(Wolanski et al, 1980)。Green 等(2012)研究了新西兰亨德森潮沟中泥沙输移的时空过程与特征, 发现在暴雨和风作用下, 泥沙输运规模将大大增强, 形成强泥沙再悬浮环境, 显著沉积在植被植被带中。Horstman 等(2015)在泰国安达曼海岸红树林潮滩中进行现场观测, 结合数值模型发现, 潮滩沉积速率主要受地貌特征和相对海拔的影响。Vandenbruwaene 等(2015)在有植被和无植被潮滩上测量水流模式和地貌特征,强调植被不仅作为障碍物降低了水流速度, 且其微地貌也会对落潮水流及岸滩产生影响。生物植被—地貌相互作用对景观演化起着关键性的控制作用。Van Maanen 等(2015)构建了砂质红树林生态地貌动力学模型, 发现红树林可促进潮沟的形成和分汊,也是植被引起岸滩侵蚀阈值增加的原因。Lacy 等(2018)研究表明, 盐沼潮沟内随着潮汐能量增加,潮间带平均悬沙通量由净输移向陆变为强烈向海湾输移的大小潮变化特征, 潮沟和滩地地貌的持续发育能够促进潮滩系统保持健康。

1.3 红树林潮滩对风暴潮及海面上升的响应

红树林潮滩也易受风暴、海面上升和人为干扰的影响而发生变化(Carlton, 1974; Punwong et al,2013)。风暴潮和洪水期间引起的泥沙输移极为显著,往往造成离岸沙坝(浅滩)或沿岸区域的垂向堆积和向岸迁移, 为潮间带红树林系统提供重要的泥沙来源, 促进泥沙沉积和滩面稳定(Sallenger, 2000)。Woodroffe 等(2016)探讨了澳大利亚达尔文浅滩湾内红树林植被覆盖的贝壳堤地貌对特蕾西风暴过程的响应, 发现高能作用会造成泥沙向岸净输移和部分植被破坏。红树林发育形成的潮滩剖面也能增加潮间带对波能的反射, Gelfenbaum 等(2007)结合野外观测和数值模拟, 发现红树林植被显著改变苏门答腊海岸风暴期间的洪水水位和流速, 植被内出现部分淤积。Whelan 等(2009)评估了威尔玛飓风对美国佛罗里达州国家公园沿岸红树林地貌高程的影响,显示风暴事件带来37.0mm 厚的沉积物, 一年后由于侵蚀作用滩面高程下降10.0mm, 同时地下过程对滩面稳定有重要作用。Möller 等(2014)借助室内水槽实验发现植被可以减弱60%的波高, 即使在水位和波高最大的时候, 这种削弱作用也是明显的。风暴期间, 波浪会破坏植被茎秆而减少耗散, 但发达根系仍会保护滩面, 增强滩面的抗侵蚀能力(Horstman et al, 2015)。然而, 对美国近20 年8 个历史飓风引起的波浪作用与盐沼沉积演变耦合分析发现, 数目较多、平均振幅在2.4m 的中等风暴亦将造成潮滩严重退化, 更强的飓风会造成短期的沉积扰动(Leonardi et al, 2016)。此外, Castañeda-Moya 等(2010)和Smoak 等(2013)先后发现美国佛罗里达海岸和埃弗格莱兹国家公园红树林潮滩沉积物淤积、有机碳埋藏以及营养物质累积过程受飓风和海面变化的影响, 从而显著改变红树林植被动力地貌的发育模式与趋势。

红树林与潮汐水位有一定的关系, 其往往生长在平均海面或稍上与大潮平均高潮位之间(张乔民等, 1997b)。故海面变化通过影响潮位而作用于红树林潮滩植被地球化学循环和水沙动力沉积过程, 直接影响岸滩地貌的冲淤。长期来看, 海面上升将引起先前堆积的离岸水下沉积物向岸输移增加, 但滨海潮滩也易受到海面加速上升的影响, 若潮滩沉积物垂向沉积有限或者稳定性偏弱, 则其侵蚀和被淹没的风险将大大增加(张乔民 等, 1997b; Fitzgerald et al, 2008)。Ellison(2008)利用137Cs 和210Pb 分析过去50～200 年间开曼群岛的泥沙淤积过程并重建红树林的地质历史分布, 表明红树林与海面随着时间的推移同步上升。如果有合适的潮差和沉积物供应,红树林可避免被淹没, 但全球大多数区域目前海面上升速率已超过滩面垂向淤积速率。Lovelock 等(2015)基于河流入海泥沙总量减少和海面高上升速率的背景进行数值模拟, 分析了印度洋-太平洋地区红树林潮滩滩面高程变化, 显示69%地区的海面上升速率超过了滩面淤积速率, 模型表明在低潮差和低沉积物供应的地点, 红树林最早可能在2070 年就会被淹没。近期, 罗紫丹 等(2017)的研究则发现北部湾英罗港红树林向陆或向海迁移取决于全球海面上升、地壳上升和潮滩自身沉积等因素强弱对比。傅海峰 等(2014)指出红树林分布的变化也受控于海面上升和海堤阻隔的双重作用。Woodroffe 等(2016)综合论述了红树林沉积动力对相对海面上升的响应, 千年时间尺度上红树林适应海面变化, 其地貌高程必须与海面上升和地面沉降速度总和相当。然而, 诸多的人类干扰活动降低了红树林适应海面变化的能力。与此同时, 人为干扰尤其流域建坝导致入海水沙减少, 将影响红树林潮滩的变化。Anthony 等(2015)则认为上游泥沙急遽减少已导致湄公河三角洲红树林潮滩沦陷萎缩。Ardón 等(2013)则提出入海径流的变化可能诱发盐水入侵潮滩, 这将导致其盐碱化加剧。Bayen (2012)系统总结和回顾了红树林盐沼响应流域水沙、气候和污染等方面的研究, 指出水文条件的改变可能是引起红树林衰亡的重要因素。

2 红树林潮滩沉积动力研究的几个关键问题

2.1 红树林潮滩波流动力的横向衰减

波流在潮滩上的递变过程是潮滩底部床面阻力、植被以及涨落潮水位等共同作用所致。盐沼潮滩的观测研究已表明, 不同波谱在盐沼的衰减规律具有显著差异性, 植被冠层、近底层生物量都会造成波与流的变化(Leonard et al, 2006; Foster-Martinez et al, 2018)。红树林植被与盐沼有相似之处,但更有差异。如红树植株在潮滩的盘根能极大降低低水位时的波流, 而茂密冠层则可能损耗相对高水位时的波流能量。同时, 不同物种或生长期的红树林植株的高度、根、茎、叶也有明显不同; 红树林潮滩局地环流、湍流及剪切应力随涨落潮及风暴潮等不同水文条件的改变发生变化。简而言之, 针对波流动力在红树林潮滩的横向衰减, 亟需分析潮间带红树林植被密度、根茎叶及冠层形态与红树林阻水特性的定量关系, 辨清波浪、潮流在红树林潮滩的横向传播与耗散过程, 从区域尺度提出红树林植被形态和波流在潮间带能耗的解析关系, 这既是研究区域红树林潮滩如何防洪御潮挡浪的基础, 也是红树林怎样合理人工栽培以达到最大消能行为的理论支撑。

2.2 红树林潮滩动力—沉积—地貌—植被的耦合过程

正如前述, 红树林可改变潮滩动力条件, 水文动力的强弱决定水体悬沙浓度及输运方式; 红树林通过削弱水动力所导致的悬沙沉降, 以及根茎叶滞留悬沙这两种方式引起潮滩滩面的沉积通量改变,由此影响地貌形态的变化。地貌空间的变化是红树林扩展或侵蚀的物质基础, 地貌剖面的冲淤演替通过影响床面沉积物物理特性而间接削弱外在动力作用的影响。红树林潮滩动力—沉积—地貌—植被的耦合与互馈过程贯穿红树林潮滩的生物动力地貌过程, 四个要素之间既有协同、也有抑制作用(图1)。然而, 已有研究多涉及红树林潮滩动力与泥沙、泥沙与潮滩高程、潮滩沉积与植被等两个物理参量之间的关系(张乔民 等, 1997b; Leonardi et al, 2016;Bouma et al, 2016; Nardin et al, 2018; Phillips, 2018),基于动力—沉积—地貌—植被组合, 进行多参数间的相互作用与变化过程的综合系统分析极为少见(Castañeda-Moya et al, 2010; Lovelock et al, 2015)。同时, 这些研究基本未考虑人类活动与海面上升的驱动作用。因此, 宏观研究陆海水沙变化和红树林潮滩地貌变化的隐含机制, 微观甄别波浪、潮流以及不同季相植被对泥沙的捕获效应及其与潮滩地貌冲淤的关联过程, 辨识动力—沉积—地貌—植被的耦合特性及机理, 有助于构建表征上述耦合机理的多参数解析模型。这是红树林潮滩沉积动力过程研究的核心问题, 能在较大程度上量化红树林潮滩地貌与动力、沉积及植被作用的关系。此外, 很有必要指出的是, 当前全球绝大部分红树林面临高强度人类活动和海面上升的胁迫影响, 因此关于红树林消浪、缓流及促淤的研究, 尤其是红树林潮滩动力—沉积—地貌—植被四者的耦合机制分析, 理应置于人类活动与海面上升的大框架中, 将高强度人类活动与海面变化对红树林破坏或损失纳入系统。

图1 动力-沉积-地貌-植被耦合过程Fig. 1 Couplings among dynamics, sedimentation,geomorphology, and vegetation

3 结论与展望

高强度人类活动的直接影响及其与海面变化胁迫导致陆海水沙变异的作用, 全球红树林潮滩以每年0.2%的速率消失, 预期在不久的将来这一速率还将进一步加快(Atwood et al, 2017), 这一威胁在亚洲最为严重(Giri et al,2011; Fagherazzi, 2013)。如何合理开发与维护红树林潮滩资源并构建基于红树林潮滩的海岸生态堤防, 是沿海各国面临的共同议题(张长宽 等, 2016)。尤其是, 当前我国红树林潮滩在陆海水沙变化下的沉积动力过程研究成果甚为缺乏,亟需加强对红树林潮滩响应泥沙变化与驱动应力的过程与机制的基础研究。

尽管国际上对红树林潮滩的研究格外重视, 从政策、技术以及理论都不断有成果涌现, 但红树林潮滩受区域潮差、水动力、沉积及物源等因素的影响差异显著, 导致区域尺度的红树林动力—沉积—植被地貌互馈机理方面的工作仍未有根本性突破(Erftemeijer et al, 2000; Ellison, 2008; Van der Stocken et al, 2019)。因而, 应“自下而上”进行顶层设计, 对红树林潮滩资源综合规划、管理与利用, 使其维持自身系统的健康发展。这就需在区域尺度水平, 从过程和机制方面揭示红树林潮滩的沉积过程对流域水沙变化的响应, 弄清红树林物种的泥沙捕集行为, 探明红树林潮滩对海域动力驱动作用的响应。相应的科学研究内容主要包括: 区域尺度的陆源入海水沙和海域水文变化对红树林潮滩冲淤演替的影响; 微观尺度的红树林植株消能及泥沙捕集机理; 红树林潮滩跨尺度变化及沉积动力机理; 海面上升对红树林潮滩的影响、红树林潮滩变化趋势及侵蚀风险; 基于红树林潮滩防御的绿色堤防技术与措施等。