热带气旋引发的干扰对孟加拉国红树林的影响

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：The effects of disturbances derived by tropical cyclones on mangrove forests in Bangladesh

本研究利用1988-2024年Landsat EVI数据，结合风暴路径和气象因素，分析热带气旋对孟加拉湾萨达邦斯红树林的长期影响。结果显示，风暴风速是植被破坏的主因，导致面积下降0.2%-22%；红树林在数年内可恢复，但频繁强风暴会阻碍再生，威胁生态系统。研究为红树林保护提供了科学依据。

　　

尼卢法·阿克塔尔（Nilufa Akhtar）| 古泽史郎（Shiro Tsuyuzaki）

日本北海道大学环境科学研究生院，札幌060-0810

摘要

热带气旋（TCs）对红树林构成了严重威胁；然而，热带气旋对大规模红树林的长期影响仍不明确。通过遥感技术，量化了1988年至2024年间孟加拉国孙德尔本斯（Sundarbans）红树林因热带气旋造成的破坏。利用Landsat反射数据（30米分辨率）和Google Earth Engine中的增强植被指数（EVI）对红树林进行了绘制。通过Mann-Kendall检验和Theil-Sen中位数趋势分析，评估了36年间EVI的时空变化。通过结构方程模型（SEM）分析了32次热带气旋事件前后EVI的变化与森林破坏之间的关系，同时考虑了风速、气旋路径距离、温度、降水量和海拔等因素。EVI的年际变化表明，热带气旋导致森林面积减少了0.2%至22%（总面积为5,980平方公里）。SEM结果显示，风速是预测森林破坏的最重要因素，其与受破坏森林面积呈正相关。气旋路径距离和降水量也与森林破坏有关，这凸显了红树林植被对强热带气旋的敏感性——强热带气旋登陆后，由于树叶脱落、树干折断和树木倒伏，EVI会下降。尽管红树林在气旋过后几年内能够重新生长，但频繁的强热带气旋会阻碍其再生，威胁到红树林及其在海岸生物保护中的关键作用。这些发现强调了热带气旋风速和暴露程度增加对红树林的潜在影响，因此需要采取可持续的保护和恢复策略，以提高红树林的恢复能力。

引言

热带气旋（TCs）是热带和亚热带地区最具破坏性的自然灾害之一（Lugo, 2008）。热带气旋直接影响森林生态系统的功能、结构和多样性（Mo et al., 2023）。红树林作为分类多样且生产力高的海岸生态系统，提供了多种生态系统服务，如减缓海岸侵蚀、维护生物多样性、充当碳汇、抵御风暴潮、净化水质、支持农业和渔业以及提供木材（Donato et al., 2011; Das et al., 2022）。红树林独特的结构和密度使其成为有效的海岸防护措施（Amaral et al., 2023）。然而，由于红树林树种在盐水和缺氧环境中具有形态和生理适应性，它们在热带气旋袭击后往往会立即受损（Kathiresan and Bingham, 2001; Peereman et al., 2022），导致约45%的红树林树木自然死亡（Sippo et al., 2018）。热带气旋对红树林生态系统构成长期威胁（Armitage et al., 2020），表现为物种组成改变（Xi et al., 2008）、森林演替受阻（Vandermeer and Cerda, 2004）、养分循环紊乱（Bloem et al., 2005）、生产力下降（Ross et al., 2006）以及碳储存减少（Chambers et al., 2007）。由于全球气候变化（Michener et al., 1997; Alongi, 2015），热带气旋的强度和频率不断增加。红树林的恢复情况取决于破坏的严重程度（Azad et al., 2019），但破坏程度与恢复模式之间的关系尚不明确。

研究表明，红树林树种具有一定的恢复能力（Alongi, 2008）。部分树种在气旋过后会通过相邻森林的繁殖体重新生长（Krauss and Osland, 2020）。然而，频繁的强热带气旋会破坏红树林的再生过程（Taillie et al., 2020）。例如孙德尔本斯群岛上的红树林，连续的气旋袭击导致了植被的严重破坏（Mandal and Hosaka, 2020）。此外，较高的树木和暴露在外的树冠更容易受到气旋风的影响，从而形成树冠空隙（Duke, 2021），进而影响森林结构。受到严重破坏的红树林通常表现出较低的树冠高度（Ibanez et al., 2019; Lin et al., 2020）。鉴于红树林再生对生态系统可持续性的重要性，有必要研究红树林在频繁气旋袭击下的恢复模式。

热带气旋（TCs）是热带和亚热带地区最具破坏性的自然灾害之一（Lugo, 2008）。它们直接影响森林生态系统的功能、结构和多样性（Mo et al., 2023）。红树林作为分类多样且生产力高的海岸生态系统，提供了多种生态系统服务（Donato et al., 2011; Das et al., 2022; Amaral et al., 2023）。其独特的结构和密度使其成为有效的海岸防护措施（Amaral et al., 2023）。然而，由于红树林树种适应了盐水和缺氧环境，它们在热带气旋袭击后容易受到损害（Kathiresan and Bingham, 2001; Peereman et al., 2022），导致约45%的红树林树木死亡（Sippo et al., 2018）。热带气旋通过改变物种组成（Xi et al., 2008）、影响森林演替（Vandermeer and Cerda, 2004）、养分循环（Bloem et al., 2005）、降低生产力（Ross et al., 2006）和减少碳储存（Chambers et al., 2007）对红树林生态系统造成长期威胁。由于全球气候变化（Michener et al., 1997; Alongi, 2015），热带气旋的强度和频率不断增加。红树林的恢复情况取决于破坏的严重程度（Azad et al., 2019），但破坏程度与恢复模式之间的关系尚不明确。

红树林树种被认为具有一定的恢复能力（Alongi, 2008）。部分树种在气旋过后会通过相邻森林的繁殖体重新生长（Krauss and Osland, 2020）。然而，频繁的强热带气旋会破坏红树林的再生过程（Taillie et al., 2020）。例如孙德尔本斯群岛上的红树林，连续的气旋袭击导致了植被的严重破坏（Mandal and Hosaka, 2020）。较高的树木和暴露在外的树冠更容易受到气旋风的影响，从而形成树冠空隙（Duke, 2021）。受到严重破坏的红树林通常表现出较低的树冠高度（Ibanez et al., 2019; Lin et al., 2020）。由于红树林再生对生态系统可持续性至关重要，因此有必要研究红树林在频繁气旋袭击下的恢复模式。

热带气旋以持续强风、暴雨和风暴潮为特征，通过树叶脱落、树木折断或倒伏以及植被停滞等方式对红树林造成大规模破坏，并通过沉积物堆积和海水盐度升高改变环境（Peereman et al., 2022）。气旋造成的破坏范围从几公里到几百公里不等（Fibich et al., 2023）。破坏程度不仅受气旋特征和距离的影响，还受红树林生态系统树密度以及沿海环境（温度、降水量、海拔和坡度）的影响（Mo et al., 2023）。特别是在偏远红树林地区，这种由气旋与环境因素相互作用引起的破坏很少被大规模研究。

卫星传感器捕捉电磁光谱中的信息以估计森林多样性（Végh and Tsuyuzaki, 2021）。遥感图像为研究森林破坏（Giri et al., 2007; Parker et al., 2018）和恢复模式（Martínez et al., 2022）提供了全面的方法，适用范围从局部到全球（Long et al., 2024）。基于像素的植被指数（VI）的时间序列分析能够准确监测植被变化并揭示空间趋势（Zhu et al., 2021），并通过设定阈值来检测事件前后（Wang and Xu, 2009）的森林破坏情况。因此，通过评估热带气旋对红树林的影响，可以绘制出森林破坏的地图。

全球最大的连续红树林——孙德尔本斯，经常遭受强风侵袭，极易受到热带气旋的破坏（Halder et al., 2021）。过去四十年中，有255次热带气旋袭击了北印度洋的孟加拉湾（Sahoo and Bhaskaran, 2018）。孟加拉国的红树林受到了广泛关注（Mahmood et al., 2021），但频繁的气旋袭击破坏了其生态系统和动态（Rashid et al., 2009）。此外，热带气旋对濒危红树林造成了严重破坏（Sarker et al., 2016）。目前，关于热带气旋对红树林影响的研究主要集中在近期或重大事件上（Bhowmik and Cabral, 2013; Dutta et al., 2015; Mishra et al., 2021）。然而，需要长期的数据数据库来检测这些破坏带来的变化，以便更好地理解红树林的恢复过程，并为可持续管理提供依据（Hossain et al., 2022）。本研究旨在评估36年间热带气旋和环境因素对红树林的影响。

研究表明，红树林在面对破坏时表现出时空变化（Akhtar and Tsuyuzaki, 2024），而这些破坏直接或间接受到热带气旋和环境因素的影响（Fibich et al., 2023）。因此，基于以下三个问题评估了热带气旋对红树林的影响：i) EVI如何检测红树林植被在热带气旋袭击后的长期变化？ii) 热带气旋在多大程度上导致森林破坏？iii) 哪些热带气旋和环境因素对红树林破坏有显著影响？这些发现为估算森林破坏的空间范围以及影响红树林植被的各种因素之间的复杂关系提供了有效方法，有助于制定先进的森林保护和恢复策略。

研究区域

孙德尔本斯红树林分布在孟加拉国西南部海岸，地理坐标为21°30'N至22°30'N和89°00'E至89°55'E（图1）。该红树林位于恒河-布拉马普特拉河三角洲，覆盖面积约为5,980平方公里（占总面积的60%），包括潮汐水域、河岸泥滩和众多岛屿（Kumar et al., 2021）。这里的红树林由耐盐树种组成。在27种红树林树种中，Heritiera fomes

热带气旋数据

美国国家海洋和大气管理局（NOAA）提供的开源数据平台“国际最佳路径档案（IBTrACS V4”（Knapp et al., 2010）提供了高分辨率的热带气旋路径数据，有助于研究热带气旋对红树林破坏的影响。1988年至2024年间北印度洋地区的热带气旋数据来自IBTrACS V4和孟加拉国气象部门（图2a）。

基于EVI的红树林时空趋势

研究区域总面积为5,980平方公里，其中2/3为密集红树林（图1）。密集红树林面积从1988年的3,517平方公里（59%）减少到2024年的2,510平方公里（42%）；而稀疏红树林面积从1988年的621平方公里（10%）增加到2024年的1,330平方公里（22%）。使用VI集成RF方法进行土地覆盖分类的总体准确率在1988年为96%，2024年为97%，κ值分别为0.96和0.97。1988年至2024年间EVI逐年波动（MK检验，p < 0.01）（图5）。

红树林的时空变化

通过EVI检测到的时空变化很好地反映了红树林植被的年际变化。大部分变化表现为密集红树林向稀疏红树林的转化，反之亦然（Akhtar and Tsuyuzaki, 2024）。历史数据表明该研究区域容易受到热带气旋的破坏。红树林覆盖率的突然下降表明热带气旋的影响很快显现，而覆盖率的增加则反映了植被的恢复（Krauss and Osland, 2020）。

结论

热带气旋可以改变红树林的结构和动态，因此在全球气候变化的背景下，了解红树林的破坏和恢复过程尤为重要。为了明确热带气旋对大规模红树林的长期影响，通过EVI监测了1988年至2024年间红树林的时空变化。热带气旋与环境因素的相互作用表明，红树林植被容易受到强风的影响。靠近陆地登陆的强热带气旋尤其具有破坏性。

作者贡献声明

古泽史郎（Shiro Tsuyuzaki）：负责撰写、审稿与编辑、验证、资源提供、方法论制定和概念构思。尼卢法·阿克塔尔（Nilufa Akhtar）：负责撰写初稿、数据可视化、验证、软件使用、资源提供、方法论制定、数据分析、数据整理和概念构思。

未引用参考文献

Duke, 2001.

伦理声明

我们声明本手稿为原创作品，未曾发表过，也未被其他学术期刊考虑发表。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分由日本学术振兴会（Japan Society for the Promotion of Science）和日本文部科学省（Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology）资助。