海南省东方市红树林生境选择及修复潜力评估

冯巧，吴庭天，2，3＊，陈宗铸，2，3，雷金睿，2，3，陈小花，2，3，李苑菱，2，3

1.海南省林业科学研究院（海南省红树林研究院），海南 海口 571100；

2.海南省热带林业资源监测与应用重点实验室，海南 海口 571100；

3.海口市湿地保护工程技术研究开发中心，海南 海口 571100

红树林是中国沿海湿地生态系统的重要植被组成，具有防风消浪、护岸固堤、固碳释氧、净化大气等多重生态功能，主要分布于海南、广西、广东、浙江、福建等沿海地区[1]。中国高度重视红树林保护和修复工作。2017 年，习近平在广西视察时作出了“要尊重科学，把红树林保护好”的重要指示。2019 年习近平总书记、韩正副总理对全国政协《关于加强红树林保护的调研报告》作了重要批示。2020 年，自然资源部和国家林草局联合印发《红树林保护修复专项行动计划（2020—2025 年）》[2]，为中国红树林保护修复工作提供了“方向标”和“时间表”。2021 年，自然资源部再次会同国家林业和草原局印发《红树林生态修复手册》，指导沿海地区退化红树林和红树林迹地的生态修复工作。

海南是中国红树林分布的主要地区，分布有全国95%的红树植物[3-4]。但20 世纪70 年代的围海造田以及20 世纪90 年代大力发展水产养殖业，对海南的红树林生态系统造成了很大的伤害，红树林湿地面积急剧下降[5]。进入21 世纪后，海南开始着手红树林保护修复工作，相继出台了《海南省红树林保护规定》《关于加强和规范海南省高位池养殖业管理的通知》等法律法规，红树林湿地的破坏势头得以控制[1]。2022 年，海南省自然资源和规划厅、海南省林业局联合出台《海南省红树林保护修复专项行动计划实施方案（2022—2025 年）》，对全省红树林保护修复工作进行统筹规划和安排，为海南省红树林生态修复工作提供了保障。

该研究以海南岛西部地区典型市县东方市为例，开展红树林生境选择和修复潜力研究。根据《海南省红树林资源和适宜恢复地专项调查报告》显示，东方市红树林分布面积较少，仅占全省红树林的3.9%。近年来东方市高度重视红树林保护与修复工作，大力开展红树林造林和补植补种，红树林面积得到一定扩大。但红树林树种单一、宜林地少、生境破碎化严重等问题仍较为突出。大量研究表明，退塘还林、退塘还湿已成为中国红树林修复的主要方式[1，6-8]，同时《红树林生态修复手册》也指出了中国在红树林生态修复工作中存在的对于修复区域的选址、修复技术和方法的使用科学性不足等问题。因此，如何正确、准确的选择合适的造林及修复地是红树林保护和修复关键问题。

该研究拟基于东方市现状红树林分布特征，以海岸线向海300m，向陆地1km 作为研究范围，以野外实地样地调查数据为基础，利用MaxEnt 物种分布模型拟合东方市红树林潜在适宜生境分布，再通过ArcGIS 平台对适宜生境进行热点分布区分析，最后结合红树林保护现状，提取保护空缺区及优先修复区，旨在为东方市以及海南省的红树林保护和修复工作提供支撑和参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

东方市地处海南岛西南部，位于热带季风海洋性气候区，温度23℃～25℃，年均降雨量约1150mm，因蒸发量远大于降雨量，是海南最干旱的地区之一[9-11]。东方市现有红树林分布相对破碎，连片面积较小，红树林植物种类较少，仅白骨壤、红海兰、卤蕨、拉灌木、无瓣海桑5 种，其中原有自然分布的仅白骨壤1种；2010 年来，东方市高度重视红树林生态系统保护修复，在旦场园、四必村等地大量引种种植红海兰、拉灌木、无瓣海桑，总面积约166.2hm2，成效显著。

1.2 方法

1.2.1 数据获取

（1）红树林分布数据

东方市红树林分布数据均为野外实地样方调查，结合遥感影像目视解译获取。以红树林小班为单位，通过ArcGIS 10.8 软件创建随机点，共获取红树林现状分布点600 个，作为MaxEnt 模型训练数据。

图1 红树林分布位置示意Fig.1 Distribution Map of Mangrove

（2）环境变量数据

该研究使用的环境变量数据主要包括海表盐度（salinity）、海表温度（temperature）、海表流速（velocity）、海表酸碱度（pH）、与岸线距离（distance）、土地利用类型（landuse）6 项。其中，海表盐度、海表温度、海表流速、海表酸碱度数据来源于用于生态建模的海洋数据层（www.bio-oracle.org）；与岸线距离数据通过GIS 平台欧氏距离工具获取；土地利用类型数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn)。

1.2.2 数据准备

(1)将红树林现状分布点数据，导出为csv 格式文件；

(2)以研究范围为基准，将所有环境变量数据统一到相同范围和坐标系；

(3)通过ArcGIS 10.8 软件的插值和重采样工具，将所有环境变量数据转为分辨率10m 的栅格数据；

(4)在ArcGIS 10.8 软件中将环境变量栅格数据导出为asc 格式文件。

1.2.3 MaxEnt 模型构建

该研究利用MaxEnt 软件进行生境适宜性分析，经多次拟合调整后发现将随机测试比例设定为25%[12-13]，正则化乘数设置为1.15 时，拟合结果最符合红树林实际分布，设置为20 次bootstrap 重复，其他参数保持默认。

采用Jacknife 检验环境因子重要性，模型运行精度使用ROC 曲线(受试者工作特征曲线) 下面积(AUC)进行评价，值越大模型预测效果越好[14]。评价结果分级：分一般（0.7～0.8）、好（0.8～0.9）和非常好（0.9～1.0）三级[15-16]。模拟结果在空间上以概率形式表达红树林分布可能性大小，通过ArcGIS 10.8 软件的自然断点法工具[17-18]，将适宜生境划分为高适生区、中等适生区和低适生区3 类。

1.2.4 保护空缺分析

GIS 平台的核密度分析工具 ( Kernel Density)可通过点或线的分布密度，结合权重值反映目标在空间上聚集程度或发生概率。该研究基于红树林生境适宜性模拟结果，通过核密度分析工具获取保护与修复优先区，再结合现状保护地设立及分布情况，提取保护空缺区域[17，19]。

2 结果和分析

2.1 红树林分布与环境因子的关系

通过MaxEnt 软件10 次重复模拟，得到ROC 曲线综合AUC 值为0.935，表明了模型拟合预测可靠性高(图2)，结果具有参考性。

图2 模型拟合的受试者工作特征曲线检验Fig.2 Receiver Operating Characteristic Curve of Model Fitting Results

图3 环境变量贡献率特征Fig.3 Characteristics of Contribution Rate of Environmental Variables

图4 环境变量刀切法检验结果Fig.4 The Jackknife Test Result of Environment Variables

图5 环境变量与红树林适宜生境分布的响应关系Fig.5 The Response Relationship Between Environmental Variables and Mangrove Suitable Habitat Distribution

图6 东方市红树林生境适宜性分布Fig.6 Distribution of Mangrove Habitat Suitability in Dongfang City

图7 东方市红树林保护与优先修复区分布Fig.7 Priority Areas for Mangrove Conservation and Restoration in Dongfang City

MaxEnt 软件模拟结果以贡献率和重要性2 种方式表达环境变量对物种分布的影响程度，其中贡献率考虑变量间的相互影响，重要性不考虑[20]。结果显示，在不考虑变量间相互影响的前提下，海表水流速对红树林的重要性最高，占地42.0%，其次为pH（17.8%）、海表盐度（14.8%）；考虑变量间相互影响的作用后，土地利用类型和海表水流速对红树林分布影响最大，贡献率分别达32.4%和30.3%，其次分别是与岸线距离（15.6%）、pH（8.4%）、海表盐度（7.1%）、海表温度（6.2%）。

刀切法检验结果显示，海表水流速、海表盐度、海表温度对东方市红树林分布影响最大，表明以上3 个因子对红树林的分布和生境选择起重要作用；另一方面，与岸线距离和土地利用类型2 个因子单独发生变化时，对模型预测结果影响最大，说明当这两个因子发生变化后相较于其他因子会对红树林生境产生更大的影响。

2.2 红树林适宜生境阈值

选取对红树林生境影响最大的4 个环境变量因子土地利用类型、与岸线距离、海表水流速、pH，进行适宜生境选择与环境变量的关系分析。通过单因子建模，结果显示东方市红树林最适宜生境的土地利用类型为水域、与岸线距离为160m～470m、海表水流速为1.38m/s～1.71m/s，pH、海表盐度和海表温度因子差异不明显。

2.3 红树林潜在适生区

拟合结果显示，东方市红树林高适生区约750hm2、中等适生区约1451hm2、低适生区约7850hm2。其中，高适生区主要分布在四更镇旦园村、四必村、四而村，八所镇田庄村、益兴村、昌义村，新龙镇下通天村、新村周边。

2.4 红树林保护与修复优先区分析

海南省东方市共有自然保护区4 个，其中涉及红树林的仅有“海南东方黑脸琵鹭省级自然保护区”1 个，将东方市红树林现状分布数据与保护地数据叠加，计算得出位于保护地范围内的红树林面积为83.2hm2，约占全市红树林总面积的50%。将保护地与红树林中高等适宜生境数据叠加后，显示仅有37.5%的区域被纳入保护范围。

以红树林适宜生境模拟结果作为基础数据，通过ArcGIS10.8 软件进行核密度分析，生成红树林适宜生境热点分布图，结果显示，高热点区主要分布在四更镇旦园村、四必村、四而村，八所镇田庄村、益兴村、昌义村，新龙镇下通天村、新村等现状红树林分布区周边，而除了位于海南东方黑脸琵鹭省级自然保护区内的红树林外，其他区域的红树林均处于保护空缺状态。

3 结论与讨论

3.1 结论

该研究基于野外实测数据，利用MaxEnt 物种分布模型和ArcGIS 平台拟合东方市红树林适宜生境及保护空缺区和优先修复区，主要结论如下：（1）基于物种分布的模型拟合结果显示，影响东方市红树林分布的主要环境因子为海表水流速、土地利用类型、pH、与岸线距离。（2）红树林高适宜生境面积约750hm2。主要分布在四更镇旦园村、四必村、四而村，八所镇田庄村、益兴村、昌义村，新龙镇下通天村、新村周边。比较历史记录，东方市约有325.9hm2的生态修复空间。（3）结合空缺分析结果，可优先选择四更镇旦园村、八所镇益兴村、田庄村，新龙镇下通天村及其周边地区开展红树林修复和和恢复工作。

3.2 讨论

3.2.1 红树林适生条件

红树林的分布和生长状态与所处的环境条件息息相关，众多研究显示海表温度、盐度、水深、降水、海拔、底质类型等都是制约红树林生长的重要因子[7，21-22]，但不同区域尺度上其限制因子和阈值也不尽相同。该研究中，海表水流速、土地利用类型、pH、与岸线距离是影响东方市红树林分布的主要环境因子。

水流速度或者说潮流大小，对红树林生境选择极为重要。红树林植物喜生长于富含有机质的淤泥中，合适的水流速度有利于泥沙、碎屑以及动物碎壳等底质及营养物质沉积[23]，同时这其中带来的钙离子更是可以中和高盐度海水中的钠离子，减少对红树林的危害，形成符合红树林生长的土壤和环境条件[24]。土地利用变化对红树林生境选择同样影响显著。晁碧霄等[13]的研究显示，养殖活动、建设用地扩张等土地利用变化对红树林生境分布具有显著负向影响，当土地利用政策调整后会对红树林分布面积有10%到38%的正向增幅，红树林生境改善明显。从pH 来看，该研究红树林适宜生长的pH 区间在8.2左右，这与东方市主要红树林植物为白骨壤关系密切；已有研究表明，白骨壤属、红树属植物喜生于碱性土壤中[24]；这也可为后期红树林修复工作中树种的选择提供参考。另外，与岸线距离因子，涉及潮位、海拔、人为干扰的多重因素，因此与红树林分布同样息息相关。晁碧霄等[19]对广东省红树林潜在适生区和保护空缺分析的研究中也印证了与岸线距离对红树林生境选择的重要性。

3.2.2 模型适用性分析

该研究应用MaxEnt 物种分布模型结合ArcGIS软件平台，完成对海南省东方市红树林适宜生境的拟合及保护优先区、空缺区的甄别。模型拟合精度达0.935，研究结果具有较高的参考价值。但从另一方面看，该研究选定的环境变量仅海表盐度、海表温度、pH、海表水流速、土地利用类型和与岸线距离6项因子，未将底质、高程、人为干扰程度等在小区域尺度上对红树林的生境选择影响较为显著因子纳入背景变量中[17]，研究结果或存在一定的片面性和不确定性。后续研究中，可在以上缺省变量的基础上进一步将气候因子、有害生物侵袭、水质等因子纳入共同论证，增加研究结果的可靠性和科学性。

3.2.3 红树林保护与修复对策

根据海南省红树林资源和适宜恢复地专项调查结果显示，东方市宜林养殖塘和滩涂面积约203.68hm2，现状红树林地220.42hm2，适宜生境合计424.1hm2；该研究拟合结果中，东方市红树林高适生区约750hm2，较历史调查结果新增325.9hm2。从比较结果可以看出，理论上东方市仍有较大的适宜空间供红树林生态系统修复使用。

资料显示，海南省红树林保护率约为68.7%，与广东省74.81%[25]、福建省64.4%[17]相仿。但东方市红树林保护率仅37.5%，保护强度远小于全省平均水平，海南东方黑脸琵鹭省级自然保护区虽保护住了东方市境内的主要红树林生态系统，但在保护区外还还分布有一些较好的红树林，也需要得到有效保护管理。根据空缺分析结果，建议优先在四更镇旦园村，八所镇益兴村、田庄村，新龙镇下通天村及其周边地区实施红树林修复和和恢复工作。并结合积极推进保护小区、湿地公园的建设，将已有原生群落和新修复人工林集中管护，最大化保障红树林生态修复和恢复成效。