全 文 ：第 42卷 第 6期 海 洋 与 湖 沼 Vol.42, No.6
2 0 1 1 年 1 1 月 OCEANOLOGIA ET LIMNOLOGIA SINICA Nov., 2011
* 国家林业科技支撑计划专题“消浪红树林带防护效益研究及人工红树林生态功能恢复评价”, 2009BADB2B0404号; 中央
级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目“海南东寨港红树林生态效益研究”, 6309号。陈玉军, 副研究员, E-mail: yu-
junchen@hotmail.com
① 通讯作者: 廖宝文, 研究员, E-mail: mangro@pub.guangzhou.gd.cn; 黄 勃, 教授, E-mail: huangbohb1@163.com
收稿日期: 2011-03-10, 收修改稿日期: 2011-06-23
秋茄(Kandelia obovata)和无瓣海桑(Sonneratia
apetala)红树人工林消波效应量化研究*
陈玉军1 廖宝文1① 黄 勃2① 张乔民3 徐大平1
陈元海4 林卫海4 李 玫1
(1. 中国林业科学研究院热带林业研究所 广州 510520; 2. 海南大学海洋学院 海口 570228;
3. 中国科学院南海海洋研究所 广州 510301; 4. 海南东寨港国家级自然保护区管理局 海口 571129)
提要 采用野外监测的方法对海南东寨港三江湾秋茄和无瓣海桑红树人工林的消波效应进行了
量化研究。结果表明, 裸露海滩的消波作用较弱, 波浪在经过裸滩 50m后, 1/10波高、1/3波高和平
均波高分别减低 2.9%、4.4%和 5.8%。红树林的消波作用显著, 总体来说, 波浪在经过秋茄林 50m后,
1/10 波高、1/3 波高和平均波高分别减低 46.3%、46.4%和 46.1%, 在经过无瓣海桑林 50m 后分别减
低 30.1%、29.6%和 28.8%。红树林的消波率随林分基部断面积的增大而增加; 在浅水区域, 红树林
的消波率随水深增加而降低; 在水深相同的条件下, 红树林的消波效应随着波高的增加而增强; 红
树林的消波率与波浪的传播距离呈非线性正相关性, 随着传播距离的增加, 波高持续降低, 但降幅
减小。
关键词 人工红树林, 秋茄, 无瓣海桑, 消波效应
中图分类号 P735
风暴潮灾害是沿海地区的频发事件 (齐鹏等 ,
2010), 分析海洋波浪特征是沿海灾害研究的重要环
节(李丙瑞等, 2010)。红树林在热带及亚热带地区发
挥着重要的海岸防护功能 , 能够保护海岸线免受海
水侵蚀和暴潮危害。近年来的海啸灾难, 使人类对红
树林的减灾功能有了更深入的认识和理解(Kathiresan
et al, 2005; Alongi, 2008; Cochard et al, 2008; Yanagi-
sawa et al, 2009)。红树林保护海岸、防灾减灾主要是
通过缓解波浪来实现的。定量研究红树林对波浪的消
减效应, 是了解红树林的减灾价值, 构建和评价海岸
带生态防护体系的重要依据 , 为增强沿海地区防御
自然灾害能力提供技术支撑。
对红树林消波效应的研究 , 国外主要集中在东
南亚地区 , 多数研究是通过野外测量来分析红树林
对波浪的消减情况以及波浪消减率与红树林植被特
征、水文特征的相关性(Brinkman et al, 1997; Mazda et
al, 1997a, b, 2005, 2006; Phuoc et al, 2006; Quartel et
al, 2007; Wahid et al, 2007), 也有一些研究通过建立
理论模型来模拟红树林对波浪的消减情况(Massel et
al, 1999; Struve et al, 2003; Mendez et al, 2004; Phuoc
et al, 2008; Teh et al, 2009)。国内早在 1966年曾开展
过水槽试验, 建立了利用树干半径、树冠半径、林带
宽度、波长等计算防波林消波系数的公式(章家昌 ,
1966), 这是迄今为止国内仅有的对红树林消波效益
计算的参考公式。张乔民 (1993, 1997)根据章家昌
(1966)的计算公式制作了依据红树林枝叶遮蔽系数与
林分相对宽度直接查算消波系数的图表 , 并经过相
关的验证。目前国内尚未见有对红树林消波效应的实
6期 陈玉军等: 秋茄(Kandelia obovata)和无瓣海桑(Sonneratia apetala)红树人工林消波效应量化研究 765
测及量化的研究。秋茄和无瓣海桑是我国红树林中有
典型代表性的种类, 在华南沿海均有普遍分布。本研
究主要通过长期的野外观测 , 研究和分析海南东寨
港秋茄和无瓣海桑人工林消波效应的定量指标 , 为
我国红树林消波功能的评价提供科学依据。
1 研究地区和方法
1.1 研究区概况
研究地点设在海南东寨港国家级自然保护区内,
该区是我国红树林生长最好、种类最丰富的红树林保
护区, 1992年被列入《国际重要湿地公约》国际重要
湿地名录。研究区位于 19°51′—20°01′N, 110°32′—
110°37′E, 年均温度 23.3—23.8℃, 最冷月气温 17.1℃,
最热月气温 28.4℃, 年降雨量 1676.4mm, 海水盐度
21.9。总面积 3337.6hm2, 天然红树林 1773hm2, 人工
林 251hm2, 红树植物共 15科、32种。波浪监测点设
在三江湾区域, 为三江河的入海口, 地域开阔, 红树
林受风浪直接影响。
1.2 研究方法
在海南东寨港三江湾开阔滩涂上 , 选择无瓣海
桑 (Sonneratia apetala Buch.-Ham.)人工林及秋茄
(Kandelia obovata Sheue, Liu et Yong)人工林作为监
测对象, 长期监测红树林的消波效应。红树植物无瓣
海桑原产孟加拉国, 属前沿裸滩定居的先锋树种, 树
体高大、生长迅速; 红树植物秋茄为当地乡土树种,
生长较缓慢。无瓣海桑和秋茄林带为东西走向, 林带
临海面朝正北方向。
波浪测定仪设立在无瓣海桑人工林和秋茄人工
林内(表 1), 沿与林带垂直方向距林带临海边缘 25m、
50m、75m、100m处, 同时在林带临海边缘和林外裸
滩设立波浪测定仪作对照测量。另外在裸滩设立风速
风向仪以获得风速风向数据。通过分析野外观测数据
研究波浪在红树林及裸滩传递过程中的减低效应。
于 2008—2010 年对研究地的波浪情况进行长期
全天候观测, 取样间隔为 60min, 取样频率为 2Hz,
每个间隔的取样数为 1200次。数据采集后统计分析每
60min内的 1/10波高、1/3波高、平均波高等波浪特征。
2 结果与分析
2.1 研究区域的波浪特征
2.1.1 全年的波浪特征 研究区域全年各月均以
低波高的波浪出现频率高, 波高越大, 出现的频率越
低。1/10 波高小于 10cm 的波浪出现的频率, 在各月
均超过 67.1%, 其中 2、3 月份为 100%。全年仅在 9
月和 10 月出现 1/10 波高大于 25cm 的波浪, 且出现
频率仅为 1.3%和 0.7%, 其它月份的 1/10波高一般低
于 20cm。7月、9月和 10月份的 1/10波高最大值分
别达到 24.5cm、33.3cm和 27.6cm, 2月和 3月的 1/10
波高最大值仅为 6.3cm和 8.3cm(表 2)。
2.1.2 波浪与水深的关系 研究区所获得的波浪
数据的水深位于 0.33—1.14m的范围内, 其中 76%的
数据介于水深 0.5—0.8m 之间, 说明此区间是海水经
常性淹浸的水位(图 1)。由波高分布情况可知, 水深
是波浪产生的必要条件之一。较大的水深条件为较大
波浪的产生提供了前提, 若水深较小, 则不会产生较
大的波浪。随着水深增加, 海面波浪的最大值增加,
表 3显示了不同水深范围内的波高最大值。
2.1.3 海面波浪与风速的关系 当水深在 0.5—
1.0m 的情况下, 当平均风速小于 6m/s 时, 研究区裸
滩的波高较小, 1/10 波高小于 10.51cm, 且所测数据
大部分小于 5.0cm, 6m/s以内的风速变化对波高无显
著影响(图 2)。这表明波浪的大小是受海面风速的制
约的, 在风速较小的情况下无法产生较大的波浪。当
风速大于 6m/s 时, 随着风速的增加, 海面波浪能量
增大, 波高随着增加。但海面风速的增加只是为波浪
的增高提供了一种可能, 因为在风速大于 12m/s 时,
1/10 波高范围为 13.38—27.36cm, 变幅较大, 表明在
风速较大时, 波高的大小随风速并非呈线性变化的,
波浪与风速并无确切的定量关系。1/3 波高和平均波
高随平均风速的变化趋势与 1/10波高具有相似的特性。
表 1 研究对象的林分结构特征
Tab.1 Structure of studied mangrove forest stands
林分类型 树高(m) 地径(cm) 胸径(cm) 林分密度(hm-2) 地表断面蓄积
(m2/hm2)
胸高断面蓄积
(m2/hm2)
秋茄人工林 5.5 8.1 6.7 2700 94.71 9.51
无瓣海桑人工林 10.8 27.4 19.6 700 45.53 25.26
766 海 洋 与 湖 沼 42卷
表 2 研究区全年各月的波浪特征
Tab.2 Wave traits of studied area among months throughout the year
时间 1/10波高频率(%) 1/10波高 1/10波高
(年.月) H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7 最大值(cm) 平均值(cm)
2010.01 37.0 48.1 14.9 0 0 0 0 12.8 6.4
2010.02 76.9 23.1 0 0 0 0 0 6.3 3.6
2010.03 92.1 7.9 0 0 0 0 0 8.3 2.3
2010.04 53.5 29.1 15.1 2.3 0 0 0 17.9 5.1
2010.05 76.7 21.7 1.7 0 0 0 0 11.1 2.9
2010.06 94.2 4.3 1.4 0 0 0 0 10.2 1.6
2010.07 68.8 20.8 6.5 1.3 2.6 0 0 24.5 4.0
2010.08 87.7 11.0 1.4 0 0 0 0 12.3 2.3
2010.09 55.4 22.8 11.2 6.7 2.6 1.0 0.3 33.3 6.1
2010.10 60.5 21.7 11.2 5.4 0.4 0.7 0 27.6 5.3
2010.11 41.4 25.7 27.1 5.7 0 0 0 16.7 7.1
2010.12 59.2 37.0 3.8 0 0 0 0 15.0 4.1
注: H表示波高, H1: 0
图 1 裸滩波高特征与水深的相关性
Fig.1 Relationship between wave height and water depth at bare mudflat
表 3 不同水深条件下裸滩的波高最大值
Tab.3 Maximum of wave height at different water depth at bare mudflat
波高上限(cm)
波高类型
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8
1/10波高 10.2 15.0 17.4 24.6 27.4 28.4 21.8 33.3 13.9
1/3波高 8.1 11.7 15.4 21.2 21.9 23.1 16.7 26.7 10.9
平均波高 5.1 7.2 10.9 14.5 14.3 15.8 10.8 16.9 6.8
注: D表示水深, D0: D≤0.4m; D1: 0.4m
图 2 裸滩波高特征与平均风速的关系
Fig.2 Relationship between wave height and wind speed at bare mudflat
6期 陈玉军等: 秋茄(Kandelia obovata)和无瓣海桑(Sonneratia apetala)红树人工林消波效应量化研究 767
2.2 波浪经过裸滩的自然减弱特征
波浪经过裸露海滩时, 受到底泥的摩擦, 有一部
分能量损失, 波高减低。由于研究区为泥质滩, 底质
较光滑, 波浪在经过裸滩 50m后, 波高减低程度较弱,
1/10波高、1/3波高和平均波高分别减低了 2.9%、4.4%
和 5.8%(图 3、表 4)。在不同水深条件下, 波浪经过
裸滩的消退程度不同, 但未见有明显规律性。在水深
为 0.7—0.9m 时, 可能由于风力等其它外界因素的影
响, 波浪高度出现少量增加的现象。
2.3 红树林对波浪的消减效应
2.3.1 不同林分结构的消波效应 海南东寨港秋茄
人工林和无瓣海桑人工林对浅水域波浪均具有明显
的消减效应。波浪在经过林分 50m后, 秋茄人工林能
将 1/10波高、1/3波高和平均波高分别减低 46.3%、
46.4%和 46.1%, 无瓣海桑人工林能将 1/10波高、1/3
波高和平均波高分别减低 30.1%、29.6%和 28.8%(图
4)。由于林分结构的差异(表 1), 造成秋茄人工林与无
瓣海桑人工林消波效应明显不同, 秋茄人工林的消波
图 3 波浪经过裸滩 50m前后的变化
Fig.3 Wave height comparison between waves before and after 50m across bare mudflat
×: 经过裸滩前波高(对照), +: 经过裸滩 50m后波高
表 4 不同水深条件下波浪经过裸滩 50m的消退情况
Tab.4 Wave attenuation after 50m across bare mudflat at different water depth
消波率(%)
波高类型
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 平均
1/10波高 12.0 15.7 3.1 5.6 6.4 — 1.0 0.2 2.9
1/3波高 11.2 15.0 1.5 4.4 8.6 — 7.9 8.2 4.4
平均波高 11.1 14.9 1.0 4.7 10.9 — 13.2 16.0 5.8
图 4 波浪经过红树林 50m前后的波高对比情况
Fig.4 Wave height comparison between waves before and after 50m across mangrove forest stand
注: A、B、C为秋茄人工林, D、E、F为无瓣海桑人工林。×: 红树林外波高(对照), +: 经过红树林 50m后波高
768 海 洋 与 湖 沼 42卷
效应要明显优于无瓣海桑人工林 , 秋茄林的消波率
(1/10波高)约为无瓣海桑林的 1.54倍。
波浪在红树林中传播的过程中 , 主要受到林木
枝干及地上根的阻力而不断消弱 , 因此在波浪所波
及的水深范围内 , 林木生物量所占空间对于波浪的
消弱起着关键作用。由于秋茄林外(对照)波浪数据的
水深范围为 0.43—1.22m, 无瓣海桑林外(对照)波浪
的水深范围为 0.56—1.22m, 造成两者消波效应差异
的林分结构特征主要在于林木基部(1.22m 以下)所占
的生物量空间。林木断面蓄积是代表林木所占生物量
空间的重要指标, 而且从所处的高度而言, 林木地表
断面积对于消减波浪的重要程度要高于胸高断面积。
无瓣海桑人工林的胸高断面蓄积虽高于秋茄林 , 但
秋茄林的地表断面积要远高于无瓣海桑林 , 并且秋
茄林的地表和胸高断面积之和为无瓣海桑林的 1.47
倍。二者断面积之比(1.47)与消波率之比(1.54)较接近,
说明林木基部断面积与消波率存在正相关性 , 林木
基部断面积越大, 对波浪的消减效应越明显。
2.3.2 不同水深条件下红树林的消波效应 在不
同的水深条件下 , 秋茄人工林和无瓣海桑人工林的
消波效应存在巨大差异(图 5)。随着水深的增加, 红
树林的消波效应呈下降的趋势。在水深 0.4—0.5m区
间, 秋茄林的消波率最高, 对 1/10 波高、1/3 波高和
平 均 波 高 的 消 波 率 分 别 为
73.5%、69.5%和 65.9%, 在水深
1.1—1.2m 区间的消波率最低 ,
分别为 33.1%、33.7%和 33.2%,
最高消波率分别是最低消波率
的 2.22、2.06 和 1.98 倍。无瓣
海桑林在水深 0.5—0.6m 区间的
消波率最高, 对 1/10 波高、1/3
波高和平均波高的消波率分别
为 43.4%、36.7%和 31.4%, 在水
深 1.2—1.3m区间的消波率最低,
分别为 12.7%、9.6%和 7.8%, 前
者分别是后者的 3.42、3.83 和
4.00倍。
由于要适应生长于松软的
泥滩上, 秋茄红树林和无瓣海桑
红树林具有根部发达、树干基部
粗大的特征, 并且树干从地表向
上粗度变小, 尖削度大。由表 1
可知, 秋茄红树林的地表断面积
达到胸高断面积的 9.96 倍, 无瓣海桑红树林的地表
断面积是胸高断面积的 1.8倍。因此, 当水深增加时,
载波水体所接触的林木生物量体积相对变小 , 波浪
所受的磨擦阻力也相应变小 , 造成红树林的消波率
下降。
2.3.3 红树林对不同波高的消波效应 在水深相
同的情况下, 随着波浪高度的增加, 秋茄人工林和无
瓣海桑人工林的消波率也随之有增加的趋势(图 6)。
其中, 在 1.0—1.2m 的水深区间, 秋茄人工林当波高
为 5—10cm时消波率最低, 为 26.7%, 当波高为 25—
30cm 时消波率最高, 为 54.8%, 是最低值的 2.05 倍;
无瓣海桑人工林当波高为 5—10cm 时的消波率为
4.2%, 当波高为 25—30cm 时消波率为 27.0%, 二者
之间的差异更大。由于水深较浅时海面所能产生的波
浪相对较小, 因此在水深为 0.4—0.6m 时所测得的波
高上限为 15cm, 在水深 0.6—0.8m水平时的波高上限
为 25cm, 但消波效应同样表现出随波高增大而增强
的趋势。
2.3.4 波浪传播距离对消浪效应的影响 随波浪
在红树林中的传播, 波浪能量逐渐削弱, 波高逐渐降
低(表 5)。秋茄林的消波率与波浪在林分中的传播距
离呈非线性正相关。波浪在红树林中传播的最初减弱
效应最强, 之后波高的降幅逐渐减小。在波浪最初经
图 5 不同水深情况下红树林的消波效应
Fig.5 Wave attenuation effect of mangrove at different water depth
注: A为秋茄人工林, B为无瓣海桑人工林
图 6 相同水深条件下红树林对不同波高的消减效应
Fig.6 Attenuation effect of mangrove on waves with different height at the same water depth
注: A为秋茄人工林, B为无瓣海桑人工林。图例数据单位为 m
6期 陈玉军等: 秋茄(Kandelia obovata)和无瓣海桑(Sonneratia apetala)红树人工林消波效应量化研究 769
过秋茄林 25m 的距离内, 林分对波浪的减低效应最
明显, 对 1/10 波高、1/3 波高和平均波高分别减低
31.8%、31.2%和 30.8%, 在从 25m传播到 100m的过
程中, 传播距离为 75m, 1/10波高、1/3波高和平均波
高仅减低 26.8%、27.4%和 26.7%。
消波效应在红对林中随传播距离减弱的规律 ,
与前述消波率随波高增加的规律是一致的。因为波浪
在林中传播的过程中, 波高逐渐变小, 造成在相同距
离上的消波率降低, 所以在红树林中传播距离越长,
消波效应也就越低。
表 5 波浪在秋茄人工林中的减低过程
Tab.5 Wave attenuation process across artificial K. obovata forest
经过红树林的 消波率(%)
距离(m) 1/10波高 1/3波高 平均波高
25 31.8 31.2 30.8
50 40.5 41.0 41.0
75 52.5 53.2 54.8
100 58.6 58.6 57.5
注: 所测数据的林缘水深为 0.64—0.86m, 林缘 1/10 波高范
围为 5.0—12.8cm
3 讨论
在海南东寨港三江湾红树林分布区域 , 以较低
波高的波浪出现频率最大, 1/10 波高小于 10cm 的频
率在全年各月均超过 67%, 仅在 9 月和 10 月出现较
大波高的波浪(1/10 波高大于 25cm), 因此该时间段
是红树林消波效应观测的较理想时间。
水深和风速均是形成较大波浪的必要条件。水深
和风速越大, 就可能形成越大的波浪。在进行红树林
消波效应观测时, 应尽量选择潮差较大、涨潮淹水较
深的区域进行, 同时能尽量在台风期观测, 以获得较
显著的波浪数据。
裸露的海滩对波浪有一定的减弱作用 , 波浪在
经过裸滩 50m后, 1/10 波高、1/3 波高和平均波高的
减低率分别为 2.9%、4.4%和 5.8%。
海南东寨港三江湾秋茄人工林和无瓣海桑人工
林均对波浪具有显著的消减效应。由于树木枝干等对
于波浪起着阻碍作用 , 林木生物量体积对于红树林
的消波效应起着关键作用。在林分结构特征中, 林分
的基部断面积最能体现林分的生物体积 , 与林分的
消波率有着紧密的联系。断面积越大, 消波率越高。
在浅水区域 , 红树林的消波率随水深增加而降
低。在水深相同的条件下, 红树林对波浪的消减效应
随着波浪高度的增加而增强。本研究的红树林区域水
深范围局限在 0.4—1.3m 之间, 所测得的波高未超过
40cm, 对于水深超过 1.3m或者波高超过 40cm (1/10
波高)情况下红树林的消波效应, 需要进一步进行深
入研究。
波高在红树林中的递减与波浪的传播距离呈非
线性正相关性 , 随着波浪在红树林中传播距离的增
加, 波高持续减低, 但降幅逐渐减小。
参 考 文 献
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STUDIES ON THE QUANTITATIVE ATTENUATION EFFECT OF ARTIFICIAL
MANGROVE KANDELIA OBOVATA AND SONNERATIA APETALA ON WAVES
CHEN Yu-Jun1, LIAO Bao-Wen1, HUANG Bo2, ZHANG Qiao-Min3, XU Da-Ping1,
CHEN Yuan-Hai4, LIN Wei-Hai4, LI Mei1
(1. Research Institute of Tropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Guangzhou, 510520; 2. Ocean College, Hainan University,
Haikou, 570228; 3. South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou, 510301; 4. Hainan Dongzhai
Harbor National Nature Reserve, Haikou, 571129)
Abstract Attenuation effect of artificial mangrove Sonneratia apetala and Kandelia obovata on waves was studied
quantitatively through field monitoring at Sanjiang Bay, Dongzhai Harbor, Hainan. The results showed that bare mudflat
could only attenuate waves slightly, with 1/10 wave height, 1/3 wave height and mean wave height reduced by 2.9%, 4.4%
and 5.8% respectively after the waves traveled 50m across the mudflat. Significant attenuation effect on waves could be
seen of both artificial mangrove forests. In general, 1/10 wave height, 1/3 wave height and mean wave height were reduced
by 46.3%, 46.4% and 46.1% respectively after the waves traveled 50m across artificial K. obovata forest stand, and the
same indexes were reduced by 30.1%, 29.6% and 28.8% respectively on artificial S. apetala forest stand. Larger section
area of mangrove forest stand turned to result in higher wave attenuation rate. At shallow water area, attenuation rate of
mangrove forest decreased as the water grew deeper. While at the same water depth, attenuation rate of mangrove increased
as wave height grew higher. Attenuation rate of mangrove on waves kept a nonlinearly positive relationship with travel
distance of the waves. With the extension of waves across mangrove forest, wave height tended to be reduced continually,
while the decline rate became less significant gradually.
Key words Artificial mangrove forest, Kandelia obovata, Sonneratia apetala, Attenuation effect on waves