紅樹林生態防護效應研究進展

李玫

(中國林業科學研究院熱帶林業研究所，廣東 廣州 510520)

紅樹林生態防護效應研究進展

李玫

(中國林業科學研究院熱帶林業研究所，廣東 廣州 510520)

紅樹林在沿海生態系統中發揮重要作用，也是重要的沿海防護林。文章從紅樹林的生態系統服務功能價值、防風消浪效應、促淤造陸功能和抵御海嘯功能等幾方面綜述了紅樹林生態防護效應研究現狀，在此基礎上提出了這一領域今后的研究方向。

紅樹林；防風消浪；促淤造陸；抵御海嘯

紅樹林是生長在熱帶、亞熱帶低能海岸潮間帶上部，受周期性潮水浸淹，以紅樹植物為主體的常綠灌木或喬木組成的潮灘濕地木本生物群落[1]。紅樹林生態系統與珊瑚礁、鹽沼、上升流區生態系統并稱地球上生產力水平最高的四大海洋自然生態系統[2]。Costanza等[3](1997)對全球各類生態系統的服務價值進行了評價，通過對紅樹林濕地在大氣調節、氣候調節、緩沖擾動、水文調節、水資源更新、水土保持、土壤形成、營養循環、廢物處理、生物調控、棲息地維持、食品與原料生產、基因庫構成、自然景觀形成等多方面功能價值的估算和統計，得出紅樹林濕地生態系統的服務價值在全球16種生態系統中名列第4。如果將上述服務價值折合成經濟價值，每公頃紅樹林濕地每年可以產生高達9 990美元的效益，相當于珊瑚礁生態系統價值的1.64倍和熱帶森林的5倍[3]。

在過去的幾十年里，自然災害給人類社會造成的損失在不斷地增加，而沿海地區一直是自然災害多發地區[4]。2004年底的印度洋大海嘯，給人類帶來巨大的人員、財產損失。為此人們的焦點集中到如何用紅樹林來固筑天然防洪大堤和怎樣去實踐的思考中。生物學家薩爾巴姆是防御海嘯方面有經驗的專家之一。為了考察和防御洪災，他在印度南部的泰米爾納德省的沿海岸線一帶種植了一片片紅樹林。值得慶幸的是，大海嘯中由于有了紅樹林的抗御，林區附近的村落均幸免于難，躲過了一場殘酷的浩劫。面對突如其來的大海嘯，成片的紅樹林不僅沒有被排山倒海之勢的海浪摧垮而且能起到攔截海嘯、疏通水道、泄水固堤的作用。實踐證明當海嘯來臨時，海平面會徐徐上升。由于紅樹林的抗御，海嘯就不可能一鼓作氣以泰山壓頂之勢涌向內陸。在某種程度上，紅樹林起到的緩沖壁壘作用功不可沒。

對印度洋大海嘯進行反思之后，環境活動組織和自然保護團體都將目光投向了紅樹林。通過實踐和比較發現，紅樹林防災減災效益顯著，大面積種植紅樹林是防御海嘯的最佳途徑和最經濟的手段。研究表明保護紅樹林，擴大其種植面積有百利而無一害。除了抵御海嘯、風暴潮外，紅樹林的其他經濟和環境價值亦不可低估。如在孟加拉國的泰加森林保護區，紅樹林不僅能防洪而且還是大量的魚苗、螃蟹、軟體動物等的棲息地，許多瀕臨滅絕的物種在紅樹林濕地中都能找到自己的庇護場所。

1 紅樹林生態系統服務功能價值

紅樹林具有重要的生態、社會與經濟價值，尤其在固岸護堤、防治災害、維持生物多樣性和海岸帶生態平衡、防治污染、凈化環境、美化景觀、發展旅游和科學研究等方面具有重要的功能[1]。對紅樹林生態系統服務功能價值的估算，可提供一種可持續發展水平的衡量指標，加深人們對紅樹林資源價值的再認識。韓維棟等[5](2000)估算中國現存自然分布的13 646 hm2紅樹林的年總生態系統功能價值為236 531萬元，其中生物量價值8 163萬元，抗風消浪護岸價值99 206萬元，保護土壤價值115 692萬元，固碳以減弱溫室效應和釋放O2的價值6 706萬元，生物多樣性保護即動物棲地價值5 470萬元，林分養分積累價值1 012萬元，降解污染物和減少病蟲害282萬元。

趙晟等[6](2007)應用能值理論，對中國紅樹林生態系統服務的能值貨幣價值作了評估，結果表明，中國紅樹林生態系統服務的能值貨幣價值每年12.6×108元，每hm2價值9.24×104元，其中，凋落物的價值0.28×108元、木材價值0.12×108元、棲息地價值6.39×108元、抗風消浪價值1.05×108元、污染物處理價值4.76×108元、科學研究價值0.02×108元。鄧培雁等[7](2007)應用環境經濟學的方法對湛江紅樹林濕地經濟價值進行了全面評估。結果顯示，湛江紅樹林濕地總經濟價值為206 638.75萬元，直接使用價值為12 423.89萬元，占總經濟價值的6%；間接使用價值為152 887.11萬元(護堤減災10 783萬元，占總經濟價值的5.22%)，占總經濟價值的74%；非使用價值為41 327.75萬元，占總經濟價值的20%。

然而根據目前的研究現狀，在紅樹林的總價值或不同服務在價值上尚不能歸一。其價值隨著以下因素而變動：①進行了旅游開發的紅樹林區其價值將高于未開發地區；②部分(紅樹林生態系統服務的)受益者將給紅樹林以更高的評價；③所采用的價值評估方法和假設的不同。而且，紅樹林的生態旅游價值、社區價值以及與營養物質循環相關的生態服務價值是難以評估的。可以認為，紅樹林生態系統的總經濟價值隨著各因素的差異而不同，且其社會福利方面價值以及系統整體的重要性有可能被低估。迄今研究表明，紅樹林最大的經濟效益來自其生態系統產品(如漁業、木材和薪材)、文化服務(旅游)和調節功能(海岸保護)。

各國對紅樹林生態系統的經濟價值評估差異較大：如在美屬薩摩亞(American Samoa)不到0.5 km2紅樹林，其經濟價值估計為104 000美元km-2(總價值約為5 000萬美元a-1)[8]。在泰國估算出的紅樹林價值也非常高，達2.7～3.5百萬美元km-2[9]。紅樹林經濟價值的差異可能是由于生態系統所處的地理位置不同。紅樹林在保護海岸方面的價值(通常以海岸線線性長度衡量)取決于沿著某一特定海岸線正在進行或計劃進行的活動。在印度尼西亞，有幾種方法可用來估算紅樹林的價值。在斯里蘭卡，紅樹林在抵御風暴潮方面的價值(2004年海嘯發生之前)是7 700美元km-2(海岸線性長度)[10]。而一項在印度尼西亞研究，計算出紅樹林防海岸侵蝕方面的價值為600美元每戶-1每年[11]。

3 紅樹林生態防護效應

盡管紅樹林沿海岸形成天然屏障保護了海岸，但至今尚無足夠的科學數據來支持這一論斷。大部分的證據僅僅是來自對正常的波浪能量和風暴的觀測和某些傳聞(軼事)。熱帶海岸線的紅樹林后面常常有平靜的瀉湖。漁民利用這些遮蔽水域航行和捕魚，尤其是在惡劣的天氣或季風季節里。而度假旅游者則在紅樹林區域開展各種娛樂休閑活動。

沿海社區往往非常了解紅樹林所提供的特殊保護作用。在印度和菲律賓[12]，在有完整紅樹林的地方，村莊的生命和財產受到紅樹林的保護而免受颶風和臺風的危害，但在紅樹林被轉化為蝦養殖場或用作它用的地方則損失慘重。1999年印度的奧里薩邦，一個強大的熱帶氣旋和繼之引起的狂浪造成了巨大的經濟損失和人口死亡率，但被紅樹消浪林帶保護的社區遭受的影響則較小[13]。在越南，已觀察到紅樹林可減少氣旋波(cyclone waves)和海嘯帶來的損害，而且大量節省了海堤的維修費用[14]。在越南北部Chidambaran區，紅樹林的海岸保護作用為當地居民所公認，有113 km2的紅樹林作為一種神圣的樹林，被傳統的泰米爾人稱為Alaithi Kadukal，意思是“可控制波浪的森林”(WWF，2005)[15]。

盡管一般來說紅樹林對風浪具有緩沖能力，但其機理過程是復雜的，與人造防護設施和其他自然特征相比，紅樹林在提供海岸保護方面達到何種程度，迄今為止尚不清楚。此外，紅樹林生態系統本身也會遭到颶風和海嘯等自然災害事件的破壞。颶風之后紅樹林不僅被風連根拔起和掃落枝葉，而且還受到波浪對海岸的侵蝕和泥沙掩埋的影響。1999年，米奇颶風摧毀了洪都拉斯群島的瓜那佳灣(Guanaja Bay)97%的紅樹林[16]。因此，緩沖能力是紅樹林生態系統恢復能力和脆弱性之間的平衡，其中涉及諸多因素。在沒有人類的影響條件下，一個健康的紅樹林可作為一個自我修復的防波堤，與(由海浪、風暴和其他進程引起的)海岸侵蝕保持均衡增長。

3.1 紅樹林的防風消浪效應

紅樹林茂盛的根系和莖葉能夠削減海浪的能量和規模。但是其他因素也有一定影響力，包括岸灘剖面、水深、灘涂底部構型。紅樹植物具有發達的根系，縱橫交錯的支柱根、呼吸根、板狀根、氣生根、表面根等形成一個穩固的網絡支持系統，使植物體牢牢地扎根于灘涂上，并且盤根錯節地形成一道道嚴密的柵欄，增加了灘面的摩擦力，能阻擋水流、減弱流速，從而起到了防風消浪的作用。

紅樹林是海岸帶極其重要的防護林。一般防護林的防護面積范圍在迎風面為樹高的5～10倍，背風面為樹高的15～30倍。紅樹林具有抗御40年一遇強臺風的能力，能有效保護海堤免于沖毀，減少堤內經濟損失。據專家評估，分布在海岸線上1 km長的紅樹林帶，每年在抗御臺風災害方面可提供約8萬元的防護效益[5]。國外文獻報道，當波浪通過200 m寬的紅樹林時波能可減少75%[17]。據國內的早期報道，當紅樹林覆蓋度大于0.4和林帶寬度在100 m以上時，其消波系數可達85%，能把10級大風刮起的巨浪化為平波[18]。

陳玉軍[19](2012)通過與沿海互花米草植被和裸露海灘的消波效應作對照，對華南沿海11種不同類型紅樹林的消波效應開展了長期野外監測，提出了這些典型紅樹林的定量減波指標，分析了紅樹林消波效應與影響因子的相關性，建立了紅樹林對波浪消減效應的模擬模型，初步提出消波紅樹林所具備的結構標準，為紅樹林消波功能的綜合評價提供參考和依據。吳沿友等[20](2012)根據動量守恒方程和多孔介質源項為速度的幕率方程，建立紅樹林多孔介質水流阻力數學模型，并利用計算流體動力學軟件Fluent分析不同影響因子對紅樹林水流的阻力效果。田野等[21](2014)通過對廣東湛江白骨壤(Avicenniamarina)人工林林內距離林緣25 m、50 m、75 m、100 m 處的消波觀測分析了紅樹林消波效應。研究表明，白骨壤人工林消波效果顯著，波浪從林緣經過白骨壤01 樣地(0～25 m)、02 樣地(25～50 m)、03 樣地(50～75 m)、04 樣地(75～100 m)后的1/10 波高減低率分別為31.49%、35.23%、40.85%、38.88%，且其消波程度是隨著林分生物量體積密度的增加而增加的。

3.2 促淤造陸功能

紅樹林濕地可捕捉徑流中的泥沙，促進海岸沉積。在新西蘭，至今仍然可看到早期幾代的毛利人為了穩定海堤而種植的一排排紅樹林[22]。研究表明，有兩種類型的紅樹林根系捕沙促淤功能最顯著。紅樹型拱形支柱根系，每株可有一 、二百條之多，支柱根生物量可達總生物量的25%；海桑型筍狀呼吸根系，密度可達 180～400 條m-2。 紅樹林潮灘沉積速度受區域性泥沙來源及海岸動態背景的重大影響，通常達每年數毫米，河口淤積區可達每年數厘米。海南東寨港林市村以密集支柱根為特色的紅海欖林區標志樁觀測結果顯示，密林區普遍淤積，平均速率 4.1 mma-1。 淤積速度還與灘面高程(或浸淹頻率)有關，即淤積速度隨灘面高程的增大或浸淹累積頻率的減小而減小[23]。這可以解釋為灘面越高，潮水浸淹時間越短，帶入和沉積的泥沙量越少。這一規律使紅樹林有可能在大潮高潮位附近建造沉積階地，是紅樹林生物地貌功能的重要體現[24]。

3.3 抵御海嘯作用

與風生波(wind-generated wave)相比，海嘯(Tsunamis)有更長的波長，而且波能分布在整個水柱并具有更大的規模。當海嘯接近海岸，水面快速漲高、波高急劇增加，能源轉換到表層，這種效果在逐漸變淺的海岸上更加明顯[25]。在免受風生波破壞的地點，海嘯卻能造成巨大損害，因為其波高往往在通過渠道和水灣時迅速增大。海嘯波也可在遇到不同障礙物后反射并改變運行方向[26]。因此，在2004年的海嘯中紅樹林起到緩沖器的作用也就不足為怪。

有許多觀測表明，紅樹林既可消減海嘯的強度又可沖走海嘯引起的碎片，從而有助于減少海嘯的破壞(WWF，2005)[15]。在一些情況下，紅樹林也有助于挽救生命，防止人陷入反激浪(the backwash of the wave)而被帶入大海。然而，紅樹林的防護效益存在相當的變數。在印度，測深和海岸剖面是最重要的影響因素。在安達曼群島，紅樹林后緣比那些沒有紅樹林的地方遭受的海水侵蝕更小[27]。在斯里蘭卡遭受最大損失的西南部、南部和東南部沿海24個瀉湖和河口的調查表明，在有高質量的紅樹林群落存在的海岸幾乎未遭受破壞，且紅樹林本身也未受到嚴重損壞[28]。然而，以非典型的紅樹林樹種占優勢的紅樹林群落(即那些在過去已退化，優勢種不是海桑或紅樹屬的)卻遭受破壞[12]。因此，除了其規模(即面積)和先前被清除之后的再生恢復情況，紅樹林緩沖能力在很大程度上還與其林分質量相關。紅樹林的密度毫無疑問是重要的：一項研究表明，一個100 m寬的紅樹林帶，其密度為30株m-2時，將足以減少高達90%海嘯帶來的流動壓力[28]。對受海嘯影響地點的大量衛星圖像分析顯示, 紅樹林的存在與海岸線破壞的減少之間沒有顯著的相關性[29]。許多情況下，在報道有紅樹林防護作用的地方，其海岸線往往離開波的主路徑或毗鄰深水，因此不容易受到嚴重損害。這些結果表明，開發海嘯預測模型的重要性，這就需要通過大規模的衛星圖像分析，以及詳細的實地調查研究，來認真分析某一個地點的各方面情況。

通常認為當海嘯發生時，紅樹林的存在與否不是海岸帶受損害程度的主要影響因素。而近岸水深、海岸線的剖面結構很可能是關鍵因素，因為這些因素確定在任何特定的沿海位置上波的力度。海岸附近的深水地段往往比淺水緩坡段受到的影響更小。而海岸線的形狀也是一個影響因素，岬往往為波浪提供保護，而海灣或河口灣則呈 “漏斗”狀向陸趨于收縮，限制和放大波浪的能量。因此，在可能預測一個紅樹林將以何種方式、在哪里減少海嘯的影響之前，還有大量的研究工作需要開展。

4 研究展望

紅樹林生態系統與沿海防災減災、漁業養殖、近海環境、林業、海洋旅游等密切相關，有著陸地森林不可取代的生態、經濟、社會效益。大量研究表明，紅樹林具有防風消浪、促淤造陸和抵御海嘯等生態防護效應。然而，臺風、暴潮等對紅樹林生態系統的各種生態過程和功能影響，以及紅樹林生態系統的響應，如何進行結構優化配置以提高其防護能力等，均有待深入研究探討。與此同時， 紅樹林生態防護效應的監測及評價研究亦亟須加強，為紅樹林防災減災功能的科學評估提供依據和計量手段，為紅樹林生態系統保護與恢復提供理論指導。

[1] 林鵬.紅樹林[M].北京: 海洋出版社,1984:1-104

[2] 林鵬.中國紅樹林濕地與生態工程的幾個問題[J]. 中國工程科學,2003,5(6):33-38

[3] Costanza R,d’Arge R,de Groot R，et a1.The value of the world’s ecosystem services and nature capital[J]．Nature,1997，387(1-3):253-260

[4] Walter V Reid,Harold A Mooney,Angela Cropper,et al.Millenium Ecosystem Assessment. Ecosystems and Human Well-being: Synthesis. Island Press, Washington DC. 2005:137

[5] 韓維棟,高秀梅,盧昌義,等.中國紅樹林生態系統生態價值評估[J].生態科學,2000,19(1):40-46

[6] 趙晟,洪華生,張路平,等. 中國紅樹林生態系統服務的能值價值[J].資源科學,2007,29(1):147-154

[7] 鄧培雁,劉威.湛江紅樹林濕地價值評估[J]. 生態經濟,2007(6):126-128

[8] Spurgeon J，Roxburgh T. A Blueprint for Maximising Sustainable Coastal Benefits: the American Samoa case study, Proc[C]. 10th International Coral Reef Symposium, Okinawa, Japan,2005

[9] Sathirathai S，Barbier E B.Valuing mangrove conservation in Southern Thailand[J]. Contemporary Economic Policy, 2001,19(2): 109-122

[10] UNEP/GPA . The Economic Valuation of Alternative Uses of Mangrove Forests in Sri Lanka. Report prepared by Dr B.M.S. Batagoda.UNEP/Global Programme of Action for the Protection of the Marine Environment from Land-based Activities, The Hague, Netherlands, 2003:82

[11] Ruitenbeek J. The rainforest supply price: a tool for evaluating rainforest conservation expenditure[J]. Ecological Economics，1992，6(1): 57-78

[12] Dahdouh-Guebas, F, Jayatisse, L P, Di Nitto, D,et al. How effective were mangroves as a defence against the recent tsunami?[J]. Current Biology 2005,15(12): R443-447

[13] Mangrove Action Project. Loss of Mangrove Forest contributed to Greater Impact of Tsunamis. http://www.earthisland.org/map/tsunami.htm#1 downloaded 21 January 2005

[14] Ha N H. Summary of Mangrove Disaster Preparedness Programme and Its Impact. Proceeding of the International Conference on TDRM. 2-4 December 2003

[15] WWF. WWF Tsunami Update 2. 7 January 2005. website: www.wwf-uk.org/news/n_0000001426.asp,2005.

[16] Cahoon, D R, P Hensel, J Rybczyk, et al. Mass tree mortality leads to mangrove peat collapse at Bay Islands, Honduras after Hurricane Mitch[J]. Journal of Ecology, 2003,91:1093-1105

[17] Massel, S.R, Furukawa, K. and Brinkman, R.M. Surface wave propagation in mangrove forests[J]. Fluid Dynamics Research,1999,24: 219-249

[18] 陳雪清.對紅樹林的生態功能和生物多樣性的全面認識及維護[J].林業資源管理,2001(6):65-68

[19] 陳玉軍.紅樹林消波效應觀測與模擬[M]. 北京:中國林業科學研究院,2012

[20] 吳沿友,郭曉君,付為國,等.紅樹林多孔介質阻力模型與消波效果仿真分析[J].農業工程學報,2012,28(23):92-97

[21] 田野,陳玉軍,侯琳,等.廣東湛江白骨壤紅樹人工林消波效應初步研究[J].地球環境學報,2014,5(1):30-41

[22] Vannucci, M. Supporting appropriate mangrove management. Intercoast Network Special Edition,1997

[23] 張喬民,施祺,余克服,等.華南熱帶海岸生物地貌過程[J]. 第四紀研究,2006,26(3):449-455

[24] 張喬民, 溫孝勝, 宋朝景,等.紅樹林潮灘沉積速率測量與研究.熱帶海洋,1996,15(4):57-62

[25] Kowalik Z. Basic relations between tsunami calculations and their physics—II. Sci Tsunami Hazards,2004,21(3):152-173

[26] Yeh H, Liu, P., Briggs, M. and Synolakis, C. Propagation and amplification of tsunamis at coastal boundaries[J]. Nature,1994,372: 353-355

[27] Department of Ocean Development.Preliminary assessment of impact of Tsunami in selected coastal areas of India. Department of Ocean Development, Integrated Coastal Marine Area Management Project Directorate, Chennai, India,2005

[28] Hiraishi T.Tsunami risk and countermeasure in Asia and Pacific Area: applicability of greenbelt tsunami prevention in the Asia and Pacific Region. Sixth multi-lateral workshop on development of earthquake and tsunami disaster mitigation technologies and its integration for the Asia-Pacific Region, (6th EqTAP WS) organized by Earthquake Disaster Mitigation Research Center, NIED, Ise-Kashikojima, Japan,2003

[29] Chatenoux B,Peduzzi P.Analysis of the role of bathymetry and other environmental parameters in the impacts from the 2004, 2005.

1005-5215(2017)02-0054-04

2017-01-03

李玫(1971-)，女，博士，副研究員，Email:1448890453@qq.com

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10.13601/j.issn.1005-5215.2017.02.019