南沙郑和环礁小南薰礁的点礁地貌特征及其控制因素

黄远静，胡心迪，张永战

1.南京大学地理与海洋科学学院， 南京 210023

2.南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室， 南京 210023

3.中国南海研究协同创新中心，南京 210023

Fairbridge[1]首次提出用patch reef（点礁）一词来描述与岸礁、堡礁和环礁等完全不同的珊瑚礁地貌。点礁是在空间上相对孤立[2-3]、呈点状分布的礁体[2]，典型的珊瑚点礁多呈高塔状或尖塔状[4]，边坡较陡[3,5]，底部一般呈环形结构[6]，规模相对较小（直径＜1 000 m）[3]，是珊瑚暗礁的重要类型。世界珊瑚礁典型分布区均发育有珊瑚点礁，基于加勒比海和大堡礁地区点礁的相关研究，目前主要依据地貌形态或分布特点对珊瑚点礁地貌进行分类。孙宗勋等[7]根据点礁的地貌形态，将南沙群岛发育的点礁分为礁坪型和峰丘型。Brock等[8]根据点礁发育的水深、高度和形状因子等地貌形态参数，将佛罗里达群岛的点礁也分为峰丘型（knoll）和礁坪型（pancake）。Brown 等[9]和 Peters等[10]按点礁分布的组合方式与点礁间碎屑堆积物的发育程度，将其划分为呈穹隆状的孤立型、大小两个点礁紧密相连的原子型、大小两个点礁结合的新月型、不同形状与大小的点礁紧密聚集而成的群落型和若干点礁组合分布的聚集型等5种类型。此外，Abbey等[6]根据点礁的高度和复杂程度，将大堡礁地区的点礁分为年青型（under-developed juvenile）和成熟型（well-developed mature）2个不同的类型。Jones[11]通过假设存在超级有机体（super-organisms）来解释点礁的发育阶段，在点礁的建造过程中，垂向发展和横向扩张及侵蚀过程相伴进行。Brock等[8]讨论了不同形态的点礁与水深及海平面变化的关系，认为峰丘型点礁主要由珊瑚礁的垂向发展控制。Brown等[9]初步探讨了点礁分布和延伸方向与水动力的关系。目前的研究既有对点礁地貌发育程度的定性描述[8-9]，又有对其发育水深[8-9]、高度[8,10]等的定量分析，但对不同水深点礁地貌的形态与分异及其主控因素的研究仍相对匮乏，对点礁生长过程和发育机制也缺乏深入的揭示。

随着卫星探测技术的发展，遥感影像数据已广泛应用于测绘、灾害监测和珊瑚礁地貌研究等领域[12-13]。高分辨率的多波束声呐水深探测数据能够清晰揭示海底（微）地貌形态，有利于对地貌结构相对复杂的珊瑚礁地貌进行研究[14-15]。中国珊瑚礁区属印度-太平洋生物地理区[16]，南沙群岛是其中珊瑚礁面积最大、珊瑚生长最繁盛的区域[17]。南沙群岛北部海区发育了一系列NE-SW向延伸、雁行式排列的大环礁，自北向南包括双子、中业、道明、郑和和九章环礁等[14,18-19]，郑和环礁是其中面积最大、自然条件下出露水面最高的环礁[20]。小南薰礁位于郑和环礁西南角，发育有典型的点礁，对其进行研究不仅能够填补南海珊瑚点礁地貌定量研究的空白，而且有利于加深对南沙珊瑚环礁地貌形成演化的理解。本文以小南薰礁为研究对象，在利用Google Earth遥感影像数据进行定性和半定量研究的基础上，结合高分辨率的多波束水深数据及其衍生的坡度数据，识别点礁并提取其深度、高度与直径等形态参数，通过统计分析揭示点礁的形态特征与空间分布特点，并与加勒比海、大堡礁等的点礁地貌进行对比，探讨南沙北部珊瑚点礁地貌特点及其主控因素。

1 研究区概况

郑和环礁是长轴为WSW-ENE向延伸的一个典型环礁，岛屿、沙洲、口门和暗礁等发育[14,18]。岛屿包括太平岛、敦谦沙洲（已人工建岛）、鸿庥岛和南薰礁（已人工建岛），主要暗礁包括中洲礁、舶兰礁和小南薰礁等（图1）。其长轴与短轴长度分别为66 和24 km，礁区周长170 km，形状率和紧凑度分别为0.25和0.66，形状较为规则，礁盘近似椭圆形，口门众多，潟湖与外海水体交换便捷。礁坪面积约250 km2，潟湖盆深度约50～80 m，口门水深约50 m，潟湖面积约600 km2，礁区总面积约1 100 km2，礁坪发育指数为0.3，尚处于环礁发育的早期阶段，为半开放—准封闭型环礁[21]。

图1 郑和环礁与小南薰礁的位置与地形a为南海诸岛，据自然资源部标准地图＜审图号：GS（2020）4617号＞，图中黑色方框为b范围；b为郑和环礁，据Dong Y等[22]的水深、干出礁和暗礁的范围改绘。Fig.1 Location and topography of Xiaonanxun Reef and Zhenghe Atoll in the Nansha Islands, South China Seaa shows the islands in South China Sea, after the Standard Maps of Ministry of Natural Resources of the People’s Republic of China:GS(2020)4617.b shows the Zhenghe Atoll, modified from reference [22].The black box in a shows the location of b.

南沙海域冬季盛行东北风，风期长且风力强，平均风速达7.2 m/s；夏季盛行西南风，风力相对较弱，平均风速6.0 m/s[23-24]，受来自西北太平洋的台风影响显著。波浪的变化与风向变化相似，风浪占76%，涌浪相对较少。冬季风控制时盛行NE向浪，平均波高1.30 m，夏季风时期盛行偏南向浪，平均波高1.03 m，全年最大波高8.0 m，强浪以WSW、SW、NNE和NE向为主[25]。潮汐为不规则日潮，平均潮差0.23～0.63 m，最大潮差2.10 m[2,26-27]。

2 数据与方法

2.1 遥感影像数据

根据珊瑚礁在遥感影像中的形态特征，使用ArcGIS软件对小南薰礁的Google Earth WorldView-2遥感影像（获取时间为2017年4月29日，星下点分辨率0.61 m）进行解译，按照珊瑚礁地貌分类方法[17-18,22,28-33]，识别主要的珊瑚礁地貌类型并对面积进行量测，以了解大范围珊瑚礁地貌特点。

2.2 多波束声呐水深数据

南京大学“中国科学院学部咨询项目第2次南海考察队”于2017年9月在小南薰礁水下暗礁的北侧，利用 R2 Sonic 2024（200～400 kHz）多波束声呐测深系统采集了11段高分辨水深数据，采集的数据覆盖了环礁的部分礁坪与潟湖区（面积约1 km2）。使用实时定位数据、声速剖面和运动姿态数据，用Caris HIPS & SIPS软件依次进行多波束探头姿态矫正（包括横摇、纵摇和艏摇）、声速剖面改正和潮位校正等工作，并与水深数据合并，通过手动和自动过滤方法结合剔除异常水深数据点形成三维地理坐标数据[14]，生成分辨率为0.5 m的图像，以识别、量测点礁地貌的主要形态参数，进而进行定量分析。

2.3 点礁地貌形态参数定义与统计

已有研究中，既有对点礁发育的水深、形状因子等[8]参数的定量分析，又有对点礁分布及延伸方向[9]的探讨。为准确描述多波束数据覆盖区的点礁地貌形态特征，本文在前人研究的基础上，按照研究区发育的珊瑚点礁地貌特点，定义如下主要形态参数：

顶部深度（H1）：点礁顶部的水深；

底部深度（H2）：点礁底部的水深；

高度（H）：H2-H1；

直径及其方向：点礁纵剖面下部坡折处的连线所构成的闭合椭圆的长轴为点礁的底部直径（D），而纵剖面上部坡折处的连线所构成的闭合椭圆的长轴为点礁的顶部直径（d）。将底部直径的延伸方向在E、ENE、NE、NNE、N、NNW、NW 和WNW 8个方向进行统计；

形状因子（H/D）：点礁高度与底部直径的比值；

顶底关系因子（d/D）：点礁顶部直径与底部直径的比值。

利用多波束声呐水深数据及其衍生的坡度数据和剖面数据判识点礁，点礁在坡度图中表现为大坡度区构成的闭合椭圆，其纵剖面如图2所示。使用Caris HIPS & SIPS软件提取点礁的底部深度和顶部深度数据，计算得到点礁的高度。在Fledermaus软件中使用水深数据提取点礁的直径并统计其方向，计算点礁的形状因子及顶底关系因子，进而使用SPSS软件的描述统计和相关分析功能统计点礁地貌参数的最大最小值、平均值并计算参数间的相关性。

图2 点礁地貌形态参数示意图Fig.2 Morphometric parameters of a patch reef

3 点礁地貌的特征与分类

遥感影像的解译与量算分析结果表明（表1，图3）：小南薰礁面积约4.59 km2，长轴近E-W向。南部和西部向海坡陡直，呈障壁型，北部为潟湖坡，坡度较缓。西部有干出礁发育，面积约0.89 km2，近N-S向延伸；东部为水下暗礁，主要由珊瑚礁脊槽、礁垄、次成潟湖和潮汐通道等组成。

表1 小南薰礁地貌形态特征及其典型影像Table 1 Morphological characteristics of Xiaonanxun Reef and representative images

小南薰礁主要的珊瑚礁地貌类型如图3所示，其中，干出礁在低潮时部分出露，近似卵形，东部由水下暗礁和次成潟湖构成，潜水调查发现干出礁的活珊瑚发育良好，珊瑚礁正处于发展建造阶段。结合遥感影像数据与多波束水深数据表明水下暗礁在水深9～11和14～17 m地形相对平坦，分别为珊瑚礁垄顶部和次成潟湖底部。潮汐通道较发育，穿过礁坪贯通了潟湖与外海，一般有较少的活珊瑚发育，其两侧的珊瑚礁在发育过程中会向潮汐通道中延伸。珊瑚礁脊槽沿与礁缘垂直的方向发育，而珊瑚礁垄则主要与礁缘平行延伸，构成了相对平坦的礁坪顶部。次成潟湖分布于水下暗礁内部的低洼地，向珊瑚礁垄间延伸，点礁发育于次成潟湖和潮汐通道中。

图3 小南薰礁地貌类型和代表性点礁位置图中黑色方框2为图4范围；蓝色方框1为图6a位置；绿色方框3为图6b位置；绿色和蓝色框中的白色直线为图6中两个剖面的位置。Fig.3 Geomorphological classification and locations of the representative patch reefs of Xiaonanxun ReefThe black box 2 shows the location of Fig.4, the blue and green boxes show the locations of Fig.6a and 6b, the white lines inside of the green and blue boxes show the location of profiles in Fig.6.

3.1 小南薰礁的点礁地貌特征

典型的点礁在坡度图（图4b）中因其边坡底部坡度骤减而呈现为一个闭合的椭圆，椭圆内部坡度较大，在水深图（图4a）中亦因边坡水深急剧减小而具有椭圆形特征，纵剖面呈凸起的高塔状或尖塔状（图2）。据此，在小南薰礁多波束水深数据覆盖区识别出123个点礁。

图4 水深图(a)和坡度图(b)中的点礁位置见图3黑色方框1；黑色曲线表示点礁的外边界，蓝色曲线表示点礁的顶部，紫色线为其底部直径，青色线为其顶部直径。Fig.4 Patch reefs in bathymetric map (a) and gradient map (b)See black box 1, Fig.3 for location.Black lines are the outer boundaries of patch reefs, blue lines define the tops of the patch reef, purple lines define the basal diameters of patch reefs, while the cyan line shows the top diameters of patch reefs.

点礁的形态参数统计结果见表2。123个点礁的底部直径范围为3.54～71.11 m，平均值为19.13 m，主要集中于5～20 m（60.2%）。顶部直径范围为1.31～50.06 m，平均值为8.49 m，主要集中于0～15 m（84.6%）。最高的点礁高达10.35 m，最小的仅0.30 m，平均高2.62 m，高度主要集中于1～3 m（61.8%）。点礁的最大底部深度为35.05 m，最小顶部深度为7.89 m，其中88个点礁分布于水深25～35 m（称其为深水点礁，占71.5%），其高和形状因子的平均值分别为2.74 m和0.16，顶部和底部直径的平均值分别为6.89 和17.44 m，顶底关系因子范围为0.13～0.77，平均值为0.39。27个分布于水深10～18 m（称其为浅水点礁，占17.9%），其高和形状因子的平均值分别为1.85 m和0.11，顶部和底部平均直径分别为11.79 和21.98 m，顶底关系因子为0.24～0.89，平均值为0.49。显然，与深水点礁相比，浅水点礁的顶部与底部平均直径和顶底关系因子均更大，平均高度和形状因子则相反。

不同水深点礁的形态参数有所差异（图5），浅水点礁的高度均小于5 m，其形状因子均小于0.23，顶底关系因子较大，值为0.30～0.75的占87.0%，形状因子为0～0.03，且顶部直径大于35 m的点礁仅分布于浅水区。高于7 m的点礁均为深水点礁，其直径均大于40 m，分布在潮汐通道中。仅1个深水点礁底部直径超过70 m（表2），其余均小于50 m（图5），形状因子大于0.23的点礁仅发育于深水区。深水点礁的顶底关系因子主要为0.15～0.45（占67.4%），而此值为0～0.15的点礁仅发育于水深大于30 m海域，随水深增加顶底关系因子减小。综上，浅水点礁的高度和形状因子较小，直径和顶底关系因子较大，深水点礁则相反。底部水深为18～25 m的点礁数量虽然较少，但其顶部和底部直径都较大。

表2 小南薰礁的点礁地貌形态参数统计Table 2 Statistics of morphological parameters of patch reefs of Xiaonanxun Reef

3.2 小南薰礁的点礁地貌分类

根据点礁底部深度的分布频率（图5），以形状因子和顶底关系因子为依据，可将小南薰礁的点礁划分为礁坪型和峰丘型两类（图6）。峰丘型点礁（图6b）的顶底关系因子较小，且顶部规模不大（形状因子＞0.23，顶底关系因子＜0.25），峰丘型点礁均发育在深水区（26个，21.1%），顶底关系因子小于0.40且高于3 m的点礁均为深水点礁。研究区以礁坪型点礁（图6a）为主（97个，78.9%），在深水区和浅水区都有发育，其形状因子相对较小，但顶部直径及顶底关系因子较大。典型的礁坪型点礁主要发育于浅水区，18～25 m的水深区仅发育8个点礁，其礁坪型特征显著，但形态参数随水深变化的组合特点与浅水点礁和深水点礁均有差异（图5）。

图5 小南薰礁的点礁形态参数分布特点Fig.5 The distribution pattern of morphological parameters of Xiaonanxun Reef

图6 典型礁坪型点礁(a)和峰丘型点礁(b)及纵剖面（c)位置见图3。Fig.6 Typical “pancake” (a) , “knoll” patch reef (b) and the profiles(c)See Fig.3 for locations.

按点礁的分布方式，可分为孤立型点礁和群落型点礁，其中，群落型点礁一般由3～10个规模相似的点礁构成，点礁之间的距离较小（＜7.50 m）。研究区水深29～35 m海域发育有3处群落型点礁，分别由5、6和9个峰丘型点礁聚集而成，其余均为孤立型点礁，浅水点礁均为孤立分布的点礁。因此，据点礁的形态特点与分布方式，小南薰礁的点礁可以分为深水区的峰丘群落型点礁、峰丘孤立型点礁、礁坪孤立型点礁及浅水区的礁坪孤立型点礁4种类型。

4 点礁地貌的控制因素

小南薰礁发育的点礁，其高度和底部直径显著相关（表3），指示其垂直方向和水平方向的发育具有协调一致性。深水点礁的相关性尤其显著（R=0.827），表明珊瑚礁以垂直方向上的生长建造为主，如峰丘型深水点礁。南部相邻的九章环礁水下暗礁中发育的珊瑚礁脊槽地貌，其脊长、脊宽和脊高三者之间亦呈正相关，也指示了珊瑚礁生长作用对脊槽地貌的控制[14]。对佛罗里达群岛点礁的研究表明，当生长空间充足时，珊瑚礁以垂向发育为主，形成峰丘型点礁，其底部直径和高度呈正相关[8]。

表3 小南薰礁的点礁形态参数相关分析结果Table 3 Correlation of morphological parameters of patch reefs of Xiaonanxun Reef

点礁的底部深度与直径呈负相关，与形状因子呈正相关（表3），即直径随水深减小而增大，而形状因子随水深减小而减小。顶部直径与水深的相关性更为明显，可推测水深减小导致其所受波浪作用强度增大，点礁以横向生长为主，形成顶部直径和底部直径越大，而形状因子越小的特点。因此，峰丘型点礁仅发育于水深大于25 m区域，礁坪型特征随水深减小而更为显著，其中顶部水深在15 m左右的点礁，顶部更为宽广、平坦，是典型的礁坪型点礁，指示了小南薰礁地区常浪的波浪基面可能为15 m。这亦可能与全新世以来该海区海平面的上升过程有关，即海平面在这一深度曾停滞一段时间[16,34-37]，小南薰礁水下暗礁14～17 m处相对平坦的地形，可能也在这一时期形成。当水深减小、珊瑚礁垂向建造的可容空间不足时，转为以横向扩张为主，发育成礁坪型点礁[4]。如发育于佛罗里达群岛[8]及大堡礁[6]水深较浅处的点礁，主要以礁坪型为主，充分体现了海平面对点礁横向生长的控制作用。

研究区点礁底部直径的延伸方向统计结果表明（图7），82.1%点礁底部直径呈NEE-N向延伸，这一方向与潮汐通道的延伸方向一致，与礁缘近似垂直，指示了浅水波波浪折射的影响，可能是在涨落潮流作用下浅水波与激浪的控制作用所致。据南沙北部永暑礁水文气象观测站1990—2008年的观测资料表明，此海区海水的运动方向与盛行风风向密切相关。每年11月至次年3月中旬，运动方向受东北风影响，5月下旬至9月则为西南风控制，其他时间为两个方向的过渡期[24]。在这种动力作用下，珊瑚礁的生长建造主要沿NE和SW两个方向延伸，故点礁底部直径的主要延伸方向与盛行风向（浪向）一致。这也影响了南沙群岛一系列环礁的整体延伸方向[38]。海水运动不仅影响点礁的剖面形态，而且对其排列方式和直径延伸方向也有影响，如加勒比海北部的点礁在持续的NW-SE向的风海流、洋流和潮流的控制下，点礁的直径亦主要呈NW-SE向延伸[11,39]。因此，点礁地貌特征受水深、海洋水动力及珊瑚礁生长建造过程的综合控制。

图7 风浪方向与点礁的直径方向玫瑰图Fig.7 Rose chart of wind wave and long axis of patch reef

小南薰礁的浅水点礁均为孤立型点礁，而浅水点礁与脊槽发育的水深具有一致性，且脊槽延伸方向与点礁底部直径延伸方向也基本一致，这可能指示了点礁地貌与脊槽地貌的发育有一定关系。Peters等[10]认为佛罗里达群岛的点礁发育后期随着空间范围增大点礁之间距离缩小，点礁可能会连接形成脊槽地貌。研究区点礁水深为7.89～35.05 m，且浅水点礁均为礁坪型点礁，这与加勒比海区域在水深浅于2 m处发育点礁及礁坪型点礁主要出现在水深浅于7.7 m[8]相比，显然水深偏大，这可能与加勒比海珊瑚礁发育区水动力相对较弱[8-9]有关。小南薰礁的点礁与郑和环礁北部道明环礁的点礁地貌特征较相似，均以峰丘型和礁坪型为主，且呈孤立型和群落型分布[40]，指示了南沙群岛北部环礁发育的现代点礁地貌的相似性。西沙群岛、南沙群岛的信义礁和海口礁等封闭型环礁[28]内点礁水深很浅，规模也较大，与小南薰礁发育的点礁差异较大，表明环礁发育程度与点礁的数量和规模相关[28]。因此，对于小南薰礁的点礁地貌的形成过程和机制，需进一步开展生物学、水动力学和沉积学等方面的研究。

5 结论

（1）小南薰礁由干出礁和水下暗礁组成，点礁相对发育于水下暗礁的次成潟湖和潮汐通道中，其底部最大深度为35.05 m，顶部最小深度为7.89 m，高0.30～10.35 m，底部直径3.54～71.11 m，顶部直径1.31～50.06 m，形状因子为0.03～0.47，顶底关系因子为0.13～0.89，可分为峰丘型（形状因子＞0.23，顶底关系因子＜0.25）和礁坪型（顶部和底部直径较大），以礁坪型点礁为主（78.9%）。

（2）深水点礁和浅水点礁分别为88个（占71.5%）和27个（占17.9%），其中深水点礁呈礁坪型和峰丘型，以孤立型为主，出现群落型组合分布方式，顶底关系因子小于0.40且高于3 m的点礁均为深水点礁。浅水点礁为呈孤立分布的礁坪型点礁，其高度和形状因子较小，直径和顶底关系因子较大，礁坪型特点显著，深水点礁则相反，反映了点礁地貌形态在不同水深的分异。

（3）点礁的直径和高度呈正相关，深水点礁的相关性更为显著，相关系数达0.827，表明珊瑚礁以垂向生长为主，峰丘型点礁的发育突出显示了珊瑚礁生长建造作用对点礁地貌特征的控制。浅水点礁的礁坪型特点更为显著，反映了随着水深的减小，珊瑚礁生长建造过程中的横向发育增强的特点，表明水深和波浪作用对点礁地貌形态的控制。82.1%的点礁底部直径呈NEE-N向延伸，与盛行风风向（浪向）一致，表明点礁沿水动力较强的方向生长，使其底部直径延伸方向与海水运动的主要方向一致，反映了海水动力对点礁发育的控制。

致谢：本文多波束测深数据来自中国科学院学部咨询评议项目“南海海域、岛礁开发与海疆权益”与中国南海研究协同创新中心共同支持的2017年9月南京大学南海考察；华东师范大学博士生王黎和南京大学梁鹏硕士对多波束数据处理提供了指导；江苏第二师范大学夏非博士对论文的表达提出了建议；广西大学余克服教授对论文提出了有益的修改意见，谨致谢忱。