廣東湛江白骨壤紅樹人工林消波效應初步研究

田 野，陳玉軍，侯 琳，廖寶文，周光益，吳曉東，陳粵超，李 玫，管 偉

（1.中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)研究所，廣州 510520；2.西北農(nóng)林科技大學 林學院，楊凌 712100；3．廣東湛江紅樹林國家級保護區(qū)管理局，湛江 524088)

廣東湛江白骨壤紅樹人工林消波效應初步研究

田 野1,2，陳玉軍1，侯 琳2，廖寶文1，周光益1，吳曉東3，陳粵超3，李 玫1，管 偉1

（1.中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)研究所，廣州 510520；2.西北農(nóng)林科技大學 林學院，楊凌 712100；3．廣東湛江紅樹林國家級保護區(qū)管理局，湛江 524088)

以廣東湛江紅樹林國家級自然保護區(qū)內(nèi)白骨壤人工林（Avicennia marina）為研究對象，通過對白骨壤人工林林內(nèi)距離林緣25 m、50 m、75 m、100 m處的消波觀測，分析紅樹林消波效應。研究表明：白骨壤人工林消波效果顯著。波浪從林緣經(jīng)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%，可以看出消波率受林分結(jié)構(gòu)指標林分生物量體積密度的影響；波高減低率隨水深的增加而增加；而白骨壤人工林消波率隨著波高的增加未呈現(xiàn)出規(guī)律變化?？傮w看來，白骨壤消減程度是隨著林分生物量體積密度的增加而增加的，當植株較矮時，受枝葉層影響消波效果會更明顯；波浪傳播距離越長，1/10波周期越大。

消波效應；白骨壤；紅樹林

紅樹林是生長于熱帶、亞熱帶海岸和河口潮間帶的木本植物群落，紅樹林生態(tài)系是陸地到海洋過渡的生態(tài)系。由于所處的特殊生態(tài)環(huán)境，紅樹林具有顯著的防風、消浪、促淤護岸、凈化海水、促進海洋水產(chǎn)生物繁盛等功能，具有獨特的濱海旅游價值（陳玉軍等，2006）。近些年，由于臺風等災害的頻繁發(fā)生，對紅樹林防災減災功能的研究正在日益受到國際社會的重視（陳玉軍等，2012）。而紅樹林的防風、防浪功能作為紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)評價指標體系的重要組成部分（陳玉軍等，2011a），因此，針對紅樹林消波效應的研究，有助于為建立和完善海岸帶防護林體系提供參考和依據(jù)，提高對臺風等自然災難的抵抗與緩沖能力，減少海岸社區(qū)的損失與危害。從2004年印度洋大海嘯后，人們對紅樹林重要性的認識進一步加深。國外對紅樹林消波效應的研究多集中在東南亞地區(qū)（Magi et al，1996；Massel et al，1999；Mazda et al，2005；Quartel et al，2007；Alongi，2008；Narayan et al，2010），多以秋茄、海桑等紅樹植物為研究對象，通過對植被特征指標，距離指標與水文特征指標的觀測分析，進一步討論波浪的消減情況。而國內(nèi)對紅樹林消波效應研究較少， 主要集中在海南島東寨港地區(qū)（陳玉軍等，2011a；王旭等，2012；張莉等，2013），其中張喬民等是以海上風場參數(shù)理論上推算相應波浪場參數(shù)（張莉等，2013）以及以林前林后為監(jiān)測點（王旭等，2012）對消波效應進行觀測。本研究選取湛江雷州半島東岸，分布廣泛的白骨壤人工林（Avicennia marina）作為消波效應監(jiān)測對象，分析比較不同林分結(jié)構(gòu)特征與各個因素對消波作用的影響，進一步為紅樹林消波效應定量評價提供依據(jù)，更好地完善紅樹林在沿海地區(qū)的生態(tài)價值（張喬民，1997；廖寶文，2009；廖寶文等，2010；陳玉軍等，2011b）。

1 研究地區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗地點設(shè)在廣東湛江國家級紅樹林自然保護區(qū)內(nèi)（20°15′～21°55′N，109°40′～110°55′E），屬于北熱帶與南亞熱帶過渡區(qū)的海洋氣候類型。年均溫度23°C，最冷月均溫度16.0°C，極端最低溫度2.8°C，年降雨量約為1500 mm。表層海水年均溫度23.7°C，鹽度29.7～32.0，淤泥質(zhì)土壤，該區(qū)現(xiàn)有紅樹林面積7256.5 hm2，其中以白骨壤、桐花樹、紅海欖、秋茄和木欖等為優(yōu)勢種。其中白骨壤，作為鄉(xiāng)土樹種，是中國分布面積最大的紅樹植物種類，有良好的耐鹽、耐淹水性等特征。選擇白骨壤人工林（Avicennia marina）為消波效應監(jiān)測對象（表1），消波效應監(jiān)測點位于雷州半島東海岸芙蓉村旁，白骨壤帶均是南北走向，東面臨海（圖1）。同時，通過相同瞬時時間下的相對水深可以求得，0～100 m白骨壤樣地內(nèi)灘面高程的變化以及邊坡坡度0.0042，100 m林內(nèi)與裸灘光滑平灘邊坡坡度較小，對波浪的消減作用較小（圖2）。波高、波周期計算時只考慮林內(nèi)100 m均有一定水深情況的消波效應。

表1 不同樣地的紅樹林林分結(jié)構(gòu)特征Table 1 Structure of mangrove forest stands

1.2 研究方法

試驗操作中，將波浪測定儀設(shè)置在與林帶垂直方向距林帶臨海邊緣25 m、50 m、75 m、100 m處的白骨壤人工林內(nèi)，并在林帶臨海邊緣設(shè)立波浪測定儀作為對照測量。在白骨壤試驗林外距林緣50 m裸灘設(shè)立波浪測定儀，用于測定裸灘的消波效應。本試驗于2013年4月對樣地的白骨壤及裸灘的消波效應進行全天候觀測，取樣間隔為30 min，取樣頻率為2 Hz，每個間隔的取樣數(shù)為1200次。數(shù)據(jù)采集后分析每30 min內(nèi)消波情況（1/3波高、1/10波高、平均波高）。試驗區(qū)4月份最大潮差為1.72 m，最小潮差為1.19 m。

圖1 湛江雷州半島東岸紅樹林消波效應觀測布局圖Fig.1 Observation point location in Zhanjiang mangrove on east side of Leizhou Peninsula注：圖為白骨壤人工林波浪監(jiān)測設(shè)置。觀測點A至E總長100 m，相鄰觀測點之間的距離為25 m，A至F相鄰點距離為50 m。紅樹林樣地01、02、03、04分別位于A–B、B–C、C–D、D–E之間，且A–F是裸灘對照觀測點。

圖2 灘面相對高度變化圖Fig.2 Changes of beach face relative height

1.3 數(shù)據(jù)分析

1）將在各個監(jiān)測地點利用壓力傳感器測定的瞬間水深數(shù)據(jù)，通過一定的程序運算，轉(zhuǎn)換成所需要的參數(shù)量：平均水深、1/3波高、1/10波高、平均波高等。

2）將野外監(jiān)測地點紅樹林樣地調(diào)查數(shù)據(jù)換算成參數(shù)量：地上根高度、生物量體積密度等。

生物量體積密度：W=V/(SH) =V0(1+g)/(SH) （見傅抱璞，1962），其含義是指林分被漬淹后所占的體積空間，是地表到樹冠層體積密度。公式中V若代表林帶內(nèi)單株林木的地上生物量總體積，則V0為單株材積，S為單株林木的平均營養(yǎng)面積，H為株高；若令V代表長度為L段林帶內(nèi)的總地上生物量的體積，則V0為該段的蓄積量。S=LD為該段林帶的總面積，D為帶寬，H為平均高。

紅樹林消波率或波高減低率：R=(H0– Hd)/H0

Hd表示波浪在林內(nèi)傳遞距離為d時的波高，H0表示入射波在林緣的波高

3）所測的數(shù)據(jù)通過Microsoft Excel 2003與SPSS17.0進行數(shù)據(jù)處理與方差分析。

4）裸灘與白骨壤消波觀測只考慮林緣波高大于0.05 m的數(shù)據(jù)，全文對消波效應的影響是以只考慮林緣波高大于0.05 m且水深高于0.4 m情況下的參數(shù)為前提的，保證數(shù)據(jù)篩選過程中林內(nèi)100 m均有波高、水深，以免出現(xiàn)誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同觀測區(qū)域紅樹林消波效應

2.1.1 白骨壤人工林消波效應

消波效應是以波高的消減程度為指標，樣地01～04波高分別是以是以0 m（林緣）、25 m、50 m、75 m處的波高為起點，以傳感器所測的波高值為基礎(chǔ)，求得不同樣地間的消波效應的。波浪經(jīng)過01樣地25 m后，其1/10波高、1/3波高及平均波高分別降低了31.49%、32.79%、30.78%；經(jīng)過02樣地25 m后，其1/10波高、1/3波高、平均波高分別降低了35.23%、36.89%、34.66%；波浪經(jīng)過03樣地25 m后，1/10波高、1/3波高、平均波高分別降低了40.85%、40.79%、40.02%；波浪經(jīng)過04樣地25 m后，其1/10波高、1/3波高及平均波高分別減低了38.88%、39.41%和40.37%（表2）。其中01～04樣地的林木地表斷面積及呼吸根密度是樣地03＞樣地04＞樣地02＞樣地01；樣地生物量體積密度是樣地04＞樣地03＞樣地02＞樣地01。說明波浪經(jīng)過樣地的消波效應與不同林分結(jié)構(gòu)下生物量體積密度變化是相關(guān)的。數(shù)據(jù)表明，不同林分結(jié)構(gòu)對波浪消減效應存在一定的差異性，樣地內(nèi)白骨壤人工林的消波程度是隨著林分的生物量體積密度的增加而增加的（表1）。這是由于林分生物量體積密度的增加，使得林分空間疏透度逐漸減少，使得樹干與波浪發(fā)生相互作用，并發(fā)生波態(tài)、流態(tài)的改變，能量耗損，實現(xiàn)消波效果。

2.2 裸灘消波效應

由表3可知，波浪經(jīng)過裸灘50 m后，平均波高減低率為10.81%。這表明，波浪經(jīng)過裸灘受底質(zhì)摩擦以及不同異質(zhì)粒度的滲透作用。隨著水深的增加，灘面受到底質(zhì)摩擦變小，波高減低率逐漸降低。數(shù)據(jù)表明：波浪經(jīng)過潮灘時，通過底質(zhì)摩擦、滲透損失，使得消波率降低，能量損耗。

表2 白骨壤人工林的消波效應（波浪經(jīng)過樣地25 m后）Table 2 The analysis of reduction factor of A. marina (Waves pass through a plot after 25 m)

表3 不同類型波高在裸灘中消波效應Table 3 The analysis of different types of wave height in mudflat

2.3 水深對白骨壤人工林消波效應的影響

計算是將樣地間看成統(tǒng)一林分并保持其他參數(shù)不變。1/10波高減低率是隨著水深的增加而增加。波浪經(jīng)過林緣到樣地02后（圖3），當水深范圍為0.4～0.8 m時，平均1/10波高減低率為83.09%；當水深范圍區(qū)間在0.8～1.2 m時，平均1/10波高減低率為84.90%；當水深范圍處于1.4～1.8 m時，其波高減低率為87.91%。相同水深范圍情況下波浪經(jīng)過林緣到樣地04后（圖3），其平均波高減低率從82.21%、83.19%增加到87.51%。數(shù)據(jù)表明：波浪經(jīng)過樣地后，受樹干的阻力以及樹干與波流之間相互作用的影響，使得波浪傳播發(fā)生變形，從而減低有效波高。水位的增加，白骨壤對波浪的主要阻力不僅受到樹干的影響，更是受到樹冠層的消減作用。而1/10波高減低率是隨著水深的增加而增加，也說明了林分生物量體積密度越大，消波率越好，以及柔軟枝葉對波浪的傳播影響（吉紅香等，2008）。

2.4 波高對白骨壤人工林消波效應的影響

計算是將樣地間看成統(tǒng)一林分并保持其他參數(shù)不變。隨著波高的增加，白骨壤消波率沒有呈現(xiàn)出明顯的變化。波浪由林緣經(jīng)過白骨壤林內(nèi)50 m后，隨著波高的增加，消波率呈明顯下降趨勢，1/10有效波高減低率從46.90%下降到38.56%，消波率均小于50%；而波浪從林緣經(jīng)過林內(nèi)100 m后，消波率隨著波高的增加是先增加再減少，消波率處于68.55%到72.62%（圖4）。分析表明：波浪由林緣經(jīng)過50 m與100 m之間波高減低率隨波高變化的差異性，可能是受地表到樹冠層生物量體積密度的影響，且表現(xiàn)出波高越大，可能50 m與100 m波高減低率的差異性就越大。同時波高變化的差異性也受到樹干、枝葉與波浪間發(fā)生相互作用的影響，波態(tài)、流向發(fā)生變化、波浪破碎，波高降低。

隨著波高的增加，林緣、樣地02、樣地04的1/10波周期變化趨勢與大小是不同的。林緣波浪和樣地50后的1/10波周期隨著波高的增加而增加，而經(jīng)過樣地100后，1/10波周期是隨波高增加而降低的?？傮w來看（圖5），隨著傳播距離的增加，1/10波周期逐漸變長；同時受不規(guī)則波的影響未呈現(xiàn)出波周期的長短與波高、波高減低率的相互關(guān)系。

圖3 水深區(qū)間與1/10 波高減低率變化圖Fig.3 Interval water depth and changing of 1/10 wave attenuation

圖4 1/10波高對白骨壤人工林消波率的影響分析圖Fig.4 The analysis between wave height of A. marina and reduction factor of 1/10 wave height

圖5 1/10波高對白骨壤人工林波周期的影響分析圖Fig.5 The analysis between wave height of A. marina and 1/10 wave period

3 討論與結(jié)論

波浪從林緣經(jīng)過樣地02（圖3）的1/10波高減低率是經(jīng)過裸灘同等距離后的4.82倍。說明底質(zhì)摩擦對波浪有一定的消減效應。波能損耗，是通過底質(zhì)對于水體的摩擦阻力引起的，也伴隨著不同底質(zhì)沙泥粗糙度的滲透作用對能量消耗；而處于林帶內(nèi)部的波浪消減程度更大。除底質(zhì)摩擦阻力的影響外，更主要的是林分生物量體積密度影響，且林分生物量體積密度越大，說明林分空間疏透度越小，波浪受接觸面越大，水體發(fā)生折射、繞射、破碎，有效的降低了波高與波能，達到消波的效果。

1/10波高減低率是隨著水深的增加而增加。受樹干的阻力以及樹干與波流之間相互作用的影響，使得波浪傳播變形，從而減低有效波高；隨著水深的增加，波浪不僅受主要樹干部分的影響，更是受到枝葉層的摩擦作用，通過相關(guān)數(shù)據(jù)（圖3）可以看出，消波率隨著林分生物量體積密度的增加而增加。主要是因為枝葉層多分枝、葉量大；枝葉隨波流搖擺，水流紊動，有效地吸收和減低了波能，降低了波高（吉紅香等，2006）。

白骨壤消波率隨著波高的增加沒有呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化。波高越大，林緣與林內(nèi)50 m、100 m波高減低率差異性就越大。這是由于波浪受不同地表到樹冠層生物量體積密度的影響，使有效波高差異較大。而1/10波周期并沒有呈現(xiàn)出與波高、波高減低率的明顯趨勢，波浪從林緣傳播到樣地02與樣地04，1/10波周期是逐漸變大。這與一般情況下短期波的消波效果要好于長期波的結(jié)果是不同的（吉紅香等，2008）。

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A preliminary study on wave attenuation effect of artif cial mangrove Avicennia marina in Zhanjiang, Guangdong Province

TIAN Ye1,2, CHEN Yu-jun1, HOU Lin2, LIAO Bao-wen1, ZHOU Guang-yi1, WU Xiao-dong3, CHEN Yue-chao3, LI Mei1, GUAN Wei1
(1. Research Institute of Tropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Guangzhou 510520, China; 2. College of Forestry, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 3. Zhanjiang Mangrove National Nature Reserve Administration, Zhanjiang 524088, China)

Wave attenuation effect of Avicennia marina was studied at Zhanjiang Mangrove National Nature Reserve in Guangdong Province. To research wave attenuation of mangrove, it has observed the distance of 25 m, 50 m, 75 m, 100 m through edge of forest. The results showed that Avicennia marina has better wave attenuation in practical observation, which has effect on density of mangrove forests of structure of forest stands. Passing through mangroves from plot 01 (0～25 m), plot 02 (25～50 m) to plot 03 (50～75 m), plot 04 (75～100 m), 1/10 wave height of Avicennia marina has reduced by 31.49%, 35.23%, 40.85%, 38.88%. Avicennia marina on wave attenuation has increased with increasing of water depth. As well as differentiational rate of wave attenuation with rise of wave height. To the sum, the extent of wave attenuation effect of mangrove depend on stand of volume density from the ground to the branches and leaves, stand of volumedensity increases with wave attenuation. 1/10 wave period increases with increasing the distance of wave propagation.

wave attenuation; Avicennia marina; mangrove

S718.5

A

1674-9901(2014)01-0030-06

10.7515/JEE201401005

2014-01-07

中國林科院基本科研業(yè)務費專項資金項目（CAFYBB2012018）；廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新專項資金項目（2013KJCX012-01）；國家林業(yè)科技支撐計劃項目（2009BADB2B0404）

陳玉軍，E-mail: yujunchen@hotmail.com