基于空间结构的红树林航道防护功能指数

辛令芃，洪 波，黄剑坚，刘素青

(1.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；2.广东海洋大学 a.寸金学院；b.农学院，广东 湛江 524094)

基于空间结构的红树林航道防护功能指数

辛令芃1，洪 波1，黄剑坚2a，刘素青2b

(1.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；2.广东海洋大学 a.寸金学院；b.农学院，广东 湛江 524094)

以广东湛江港航道的红树林典型样方的群落为研究对象,开展船舶兴波对红树林空间结构的影响研究。应用混交度、大小比数、角尺度和竞争指数等空间结构指标，构建了红树林航道防护功能指数，同时运用该指数分析了湛江港特呈岛不同林分的防护功能状况。结果表明:A样带的白骨壤林分航道防护功能指数为0.32，为Ⅳ级较低防护水平；B样带白骨壤+红海榄+木榄混交林航道防护功能指数为0.67，为Ⅱ级较高防护水平。因此，特呈岛白骨壤林分防护指数低，混交林林分防护指数高。

红树林；空间结构；航道防护功能指数；湖光岩玛珥湖风景区

航道防护是港口建设的主要任务之一。港口建设的其中一个主要纠纷就是港口吨位的不断扩展与周边生态环境的冲突。船舶兴波、风暴潮等容易造成航道周边的海岸出现水土流失、侵蚀海岸，水土流失容易有堵塞航道产生冲淤和易位等问题。目前，解决港口航道防护的途径主要是海岸工程——建设海堤[1]。海堤建设由于需要投入巨量的资金，只会在市区开展建设，其他地区容易被忽略。粗制滥造的海堤在极其强烈的风暴潮中容易发生崩岸或者决堤，严重影响了港口经济的发展。

红树林mangrove指在热带与亚热带地区海岸潮间带滩涂上生长的木本植物群落；具有消浪、缓流、捕沙促淤和固结土壤等生态功能，防浪护岸效益显著[2]。海岸工程部门已经红树林作为一种经济有效的海岸堤坝消浪促淤的植物措施[3]。目前，对红树林的生态功能的量化研究较少，大多为定性描述或粗略估算。而研究较为深入的是海桑 - 无瓣海桑红树林生态系统的防浪效应，据报道，30m 宽的海桑 - 无瓣海桑红树林带平均消波系数为0.12，最大消波系数可以达到 0.47；风暴潮期间平均消波系数为0.18，最大消波系数为0.33[4]。红树林消波，除了林分高度和林带宽度与之相关，还与林带密度、红树林生态系统的结构、树木被淹没的程度、滩涂的坡度、红树林树种的形态结构等有关[4-7]。

红树林系统结构的好坏，影响着红树林系统防浪护岸功能的高低。林分空间结构指标的研究已经具备完整的指标体系[8-16]，具有可解析强、方便操作和量化、容易理解等众多优点。成熟的林分空间结构体系及其红树林结构或者功能体系的优越性，为开展红树林航道防护功能的研究，提供了必要的基础。因此，笔者拟提出以从红树林结构与功能之间的关系角度出发，开展红树林空间结构指标和林带宽度及坡度调查。通过调查，探索空间结构与航道防护功能高低之间的关系，提出红树林航道防护功能指数，给出其定义和量化公式，为进行红树林对航道防护的量化研究，甚至防浪护岸功能的量化研究提供新的参考。

1 研究区概况

广东湛江特呈岛，地理坐标位置为110°25' ～110°27'E，21°09'～21°10'N。它处于湛江港内，全岛海岸线长为7 400m，南北宽1 400m，东西长 2 700m，面积较小。特呈岛属热带北缘季风气候，年均气温变化为15.6～28.9℃，7～9月份多台风。特呈岛红树林群落主要以分布在岛的东南部和南部潮间带的百年白骨壤单优群落，以及白骨壤、红海榄和木榄混交为主，面积约 18.69hm2。

2 研究方法

2.1 调查方法

2014年7～8月，在广东省湛江港附近的特呈岛红树林区域利用条带法设置了条带样地2个(见图1)。A样地为白骨壤林，少部分其它树种；B样地为白骨壤+红海榄+木榄混交林。调查方法主要使用林木空间因子调查法，主要调查大小分化程度指标，空间分布格局指标，空间隔离程度指标等。调查因子为林木的胸径、树高、距离以及角尺度等等。

图1 特呈岛红树林样带分布Fig.1 Mangrove sample zone distribution around Techeng island

2.2 分析方法

2.2.1 空间结构分析方法

主要的空间结构指标包括：树种混交度Mi、大小比指数Ui、竞争指数Ii、角度尺Wi、空间密度指数Di。指标的详细解释见表1。

3 结果与分析

3.1 群落基本情况分析

3.1.1 林分空间隔离度

A样带的白骨壤林分接近于纯林，属于弱度混交。B样带白骨壤+红海榄+木榄混交林属于中度混交(见表2)。普遍认为，林分中的树种越多，林分的功能体现越强。

表1 空间结构指标说明Table 1 Spatial structure index description

表2 2个样带不同指标概况Table 2 Two samples with different index profiles

3.1.2 林木空间分布格局

从林分空间分布看，A样带白骨壤林平均角度尺为0.613，密度为2 577株/hm2；B样带混交林为0.676，密度为3 783株/hm2。数据说明了调查的2个林带不均匀和聚集的程度比较高，按照空间分布格局的判定标准数值 0.517，说明2个样带林分为团状分布。

3.1.3 林木大小分化程度和竞争激烈程度

A样带白骨壤林的树高大小比为0.085；B样带混交林中，树高大小比平均值为0.331。B样带混交林平均竞争指数高，为9.38(见表 2)，A样带白骨壤林仅为3.22，表明在特呈岛林区中，在随着树种的增多，互相之间的竞争变得激烈。

3.1.4 群落宽度及坡度

A样带白骨壤林的宽度为126m，坡度为15°；B样带宽度为122m，坡度为13.7°。说明了B样带的地势相对A样带要平缓，但两个样带差别不大。

3.2 红树林航道防护功能指数

3.2.1 红树林航道防护功能指数的提出及定义与参数的确定

红树林航道防护功能指数(Mangrove Waterway protection index，简称MWPI)是反映红树林应对航道中船舶兴波的功能的高低。该指数偏重于红树林的防浪护岸功能，表达的是船舶兴波的干扰环境中，从系统的整体性和系统的结构角度出发，红树林植物消除船舶兴波的比例，可反映红树林植物应对船舶兴波干扰的空间竞争特征、生长特征和适应特征。

红树林航道防护功能指数定义的关键问题是合理选择反映红树林群落应对船舶兴波的群落参数和影响因子。红树林的空间结构指标包括：树种混交度Mi、大小比指数Ui、竞争指数Ii、角度尺Wi、空间密度指数Di等。除此之外，还包括了群落宽度N、滩涂的坡度S。上述指标，基本上包括了林分高度、林带宽度、林带密度、红树林生态系统的结构、红树林树种的形态结构等与红树林群落密切的影响因子。树木被淹没的程度难以控制和测量，故不在考虑范围内。

因此，研究红树林航道防护功能指数从林分树种混交度Mi、大小比指数Ui、竞争指数Ii、角度尺Wi、空间密度指数Di、群落宽度N、滩涂的坡度S等方面选择参数。

3.2.2 红树林航道防护功能指数公式的提出

综合林分树种混交度Mi、大小比指数Ui、竞争指数Ii、角度尺Wi、空间密度指数Di、群落宽度N、滩涂的坡度S等7个指标的分析，为使红树林航道防护功能指数能客观地描述实际，最大发挥影响红树林空间营养指数多方面的作用，研究采用层次分析法分析各个指标的权重，从而构建红树林航道防护功能指数。对每一个指标计算平均值之后构建判断矩阵，再把两两矩阵之中的每一个元素除以相应列的总和，所得的商构建标准比较矩阵。计算标准比较矩阵中每一行的平均值，该值为每个指标的相对权重，最后得大小比数的权重为0.12，混交度的权重为0.21，角尺度的权重0.15，竞争指数的权重为0.17，群落宽度权重为0.23，滩涂的坡度权重为0.12。根据指标与相应的权重构建红树林航道防护功能指数。

航道防护功能指数MWPI为：

其中：MWPI值域在[0，1]之间，所计算出来的数值越近于1，说明航道防护功能越强，如果越近于0，说明航道防护功能越弱；n 为相关的指标项数；Wi为每一个指标的权重值；X′i为所需要指标数据的归一化值。

对于指标趋向不同，主要采用极值化法处理。指标数值越小，航道防护功能越高的指标采用公式(2)，与之相反则采用采用公式(3)。对于红树林航道防护功能指数指标体系指标数据的不同规格，则采用归一化处理。

同时，根据相关定义及分析[15-16]，竞争指数、角尺度、坡度等以小取优，混交度、大小比数以及空间密度指数、宽度等以大取优。

式中：Xmax为该类指标中的极大值；Xi为指标实际数值。

将红树林航道防护功能指数水平分为5个等级：指数 0 ～0.19，Ⅴ级，防护功能极低；指数0.20～0.39，Ⅳ级，防护功能较低； 指数 0.40 ～0.59，Ⅲ级，防护功能中等；指数 0.60 ～0.79，Ⅱ级，防护功能较高； 指数 0.80 ～1，Ⅰ级，防护功能很高。

对特呈岛A和B 2个样带的红树林航道防护功能指数进行计算，得出2个样带的红树林航道防护功能指数：A样带的白骨壤林分航道防护功能指数为0.2，Ⅳ级，处于较低防护水平；B样带白骨壤+红海榄+木榄混交林航道防护功能指数为0.67，处于Ⅱ级，较高防护水平。

4 结论与讨论

基于系统结构与功能的基本原理以及红树林的相关研究，提出了红树林航道防护功能指数。指数的构建方法简单且容易理解。从2个样带分析，B样带白骨壤+红海榄+木榄混交林防护指数高于A样带白骨壤纯林，说明了复杂林分防护的功能较强。两个样地的平均角尺度皆为团状分布，主要的原因是红树林自身的特性以及恶劣环境的干扰所导致。调查样带的防护指数计算结果，与湛江港的船舶兴波的影响是相互适应的。研究红树林对船舶兴波的应对反应及其防浪效应，应该从多个角度和因素考虑，分析各个因素之间的关系，以及各个因素与防护功能的之间的内在关系。在主要的相关指标中分析中，角尺度越大，林分等远离顶级群落的随机分布，林分防护功能越弱；混交度越低，林分越脆弱，意味着林分防护功能越弱；大小比数数值越小、竞争指数数值越大，则会阻碍个体的生长和功能的演进，林分防护功能越弱；林分密度越低，坡度越陡，林分防护功能越弱。同时，指标之间的相互关系是否会存在拮抗等效应，还需深入探讨。红树林航道防护功能指数的计算所采用的数据样本不多，为了能更客观全面反映指标参数的真实性和实用性，需要在多个红树林地区开展该指数的研究，提高指标的准确性和权重值合理性。

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Waterway protection function index of mangrove forest based on forest spatial structure

XIN Ling-peng1,HONG Bo1,HUANG Jian-jian2a,LIU Su-qing2b
(1.Engineering College of Ocean University of China,Qingdao 266100,Shandong,China;2.a.Cunjin College,b.Agriculture College,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524094,Guangdong,China)

By taking the community in mangroves typical plots along the laterals of Zhanjiang,Guangdong harbor channel as the research object,the effects of ship wave-making on mangrove forest spatial structure were studied.With the spatial structure indexes etc.( mingling，neighborhood comparison，neighborhood pattern and competition index),the mangrove waterways protection index model was put forward.At the same time,by using the obtained index model,the protective function status of different forest stands along Techeng Island,Zhanjiang Port was analyzed.The results show that the waterway protection function index of Acacia marina in A-sample zone was 0.32,being Ⅳ level(low protection level);that of A.marina+Rhizophora+Bruguiera gymnorrhiza mixed forest in B-sample zone was 0.67,being Ⅱlevel(high protection level).Therefore,the index of A.marina in A-sample zone was low,while that of the mixed forest was high.

mangrove forest;spatial structure;waterway protection function index；scenic spot of Huguangyan Maar lake

S718.54+2

A

1673-923X(2015)03-0090-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.03.018

2014-01-10

广东省教育厅项目(2013LYM_0108)；广东省自然科学基金项目(S2012010008703，S2013020012779)

辛令芃，研究方向：港口环境生态工程

黄剑坚，男，讲师，硕士；E-mail：3668602@qq.com

辛令芃,洪 波,黄剑坚,等.基于空间结构的红树林航道防护功能指数[J].中南林业科技大学学报,2015,35(3):90-93,106.

[本文编校：吴 毅]