红树林生命周期生态系统分析与预测模型（LEAF）的开发与应用：基于个体生长动态的生态服务功能量化研究

推荐：为解决红树林生态系统服务功能长期量化评估的难题，研究人员开发了基于Python的红树林生命周期分析与预测模型（LEAF v.1.0），耦合Delft3D Flexible Mesh模拟个体红树林从幼苗到衰老的全周期生长动态。该模型成功预测了四种河口类型下5-12年的红树林空间分布，揭示淹水时长、深度和结果窗口期是关键阈值参数，为NbS（基于自然的解决方案）的定量评估提供了创新工具。

　　

在全球气候变化和海岸带开发的背景下，红树林作为关键的蓝碳生态系统，其固碳、护岸和生物多样性维持等功能日益受到重视。然而，现有模型难以量化红树林全生命周期的生态服务功能，特别是缺乏对个体生长动态与水文形态相互作用机制的解析。这一知识缺口严重制约了红树林修复工程的设计和效果评估，导致全球范围内红树林修复项目存在高达50%的失败率。

针对这一挑战，新南威尔士大学（UNSW）的研究团队开发了全球首个基于个体生长动态的红树林生命周期生态系统分析与预测模型（Lifecycle Ecosystem Analysis and Forecasting model, LEAF v.1.0）。这项发表在《Environmental Modelling 》的研究通过耦合Python编写的生物物理模型与Delft3D Flexible Mesh水文模型，实现了对Avicennia marina从幼苗定居到衰老死亡全过程的动态模拟。

研究团队采用四项关键技术方法：1）基于BMI接口的Delft3D-Python双向耦合框架，实现水文参数与生物参数的实时交互；2）建立包含定居、生长、恢复与死亡、功能输出四阶段的个体生命周期算法；3）整合NSW（新南威尔士）四大河口类型（DRV、LBE、SBE、IOCE）的长期水位监测数据；4）开发包含茎干高度-直径异速生长、气生根动态等28项生物物理参数的敏感性分析体系。

研究结果揭示：

1. 模型验证

   通过调整淹水深度（0.5-0.8m）和干旱持续时间（14-54.5天）等阈值参数，模型成功复现了四种河口红树林的向海-向陆分布边界（误差<0.05m）。其中IOCE（间歇性开闭河口）类型红树林表现出对长期淹水（44.5天）的特殊适应性。

2. 敏感性分析

   12小时时间步长被证实为最优计算效率方案。关键参数分析表明，结果窗口期时间、无淹水持续期和淹水深度对森林发育具有决定性影响，在IOCE中的敏感性比DRV（溺谷河口）高37%。

3. 形态动力学响应

   在波浪条件下（H_s=0.1m，T=3s），模型捕捉到红树林通过气生根生长（pneumatophore）适应沉积-侵蚀过程的生物反馈机制，验证了沉积速率>2cm/年会导致幼苗50%死亡率。

4. 生态系统服务量化

   模型输出显示，成熟红树林（>5年）的拖曳系数（C_d）可达0.8-1.2，对应波浪衰减效率提升40%；生物量计算模块预测碳储量随林龄呈指数增长（R²>0.9）。

这项研究的创新性在于首次实现了红树林个体生命周期与区域水文过程的动态耦合，其开发的LEAF模型具有三大应用价值：1）为红树林修复选址提供量化决策工具，通过预测不同方案下20年的森林发育轨迹；2）建立生物物理参数敏感性等级体系，指导后续野外观测优先关注淹水耐受阈值等关键参数；3）模型开源设计（GPL-3.0许可）支持全球不同红树林物种（如Rhizophora sp.）的适应性改造。

研究同时指出当前局限：气生根三维形态的简化处理可能低估15%的拖曳效应；未来需通过LiDAR（激光雷达）扫描获取真实几何参数。团队计划整合机器学习算法，将模型扩展至包含盐度、营养竞争等多因子影响的概率预测框架，为全球红树林保护提供更精准的"数字孪生"解决方案。这项研究标志着海岸带生态系统建模从种群尺度向个体动态尺度的范式转变，为《巴黎协定》下的蓝碳核算提供了方法论突破。