红树林整合滨海基础设施(Mangrove-Integrated Coastal Infrastructure, MICI)：将设计考量与生态系统服务相关联

《Nature-Based Solutions》：Mangrove-Integrated Coastal Infrastructure: Linking Design Considerations to Ecosystem Services

　　

摘要：滨海社区面临海平面上升、风暴潮、侵蚀及极端天气事件带来的日益严峻的威胁。与此同时，滨海城市化和开发正在限制传统的红树林保护与修复工作，这些局限在港口、游艇码头、港湾和城市滨水区等高度人工改造环境中尤为明显。为应对这一挑战，本文提出红树林整合滨海基础设施(Mangrove-Integrated Coastal Infrastructure, MICI)的概念框架——一种将红树林整合于固定及浮动滨海构筑物中的杂交生态工程(hybrid eco-engineering)方法，旨在传统修复或保护难以实施的场所支持生态系统服务供给。本文综述了有限的红树林在浮动结构上定植的案例研究与小规模调查，汲取经验并指出关键知识缺口，以指导所提出的框架及未来研究重点。此外，本文建立了针对固定与浮动构筑物的总体生态工程框架，并将其应用于10种概念性MICI设计类型，旨在促使红树林在传统修复不可行的环境中定植。该框架综合了设计目标、关键考量因素及评估标准（包括红树林支持度、区位适宜性、环境韧性与结构完整性、生态系统服务提供能力及实施可行性），用以指导后续MICI概念的评估并促进一致、透明的评价。分析识别出支撑红树林于工程结构上所伴随的设计依赖性机遇、权衡、约束及不确定性。虽然MICI无法复制天然红树林生态系统的功能，且不能替代自然景观，但浮动湿地(floating wetland)技术是在特定场地或受限环境中已确立的解决方案。尽管尚属初步探索，本框架为更广泛海岸管理策略中的MICI实验研究、设计优化及效果评估奠定了基础。

《红树林整合滨海基础设施(MICI)：将设计考量与生态系统服务相关联》论文解读

一、研究背景与问题提出

热带与亚热带地区的自然红树林(mangrove)生态系统可提供供给、调节、文化及支持类生态系统服务(ecosystem services)，包括减弱风暴潮能量、减少洪水影响、截留沉积物以减缓侵蚀、调节水质及阻挡咸水入侵淡水系统等。然而，滨海城市扩张、农业与水产养殖开发导致全球红树林面积在1996至2020年间约减少3.4%，其中62%源于土地利用变化与滨海开发压力。为补偿红树林丧失，大量硬性人工构筑物（如海堤seawall、护坡revetment、丁坝groyne）被修建，目前全球约33%的砂质海岸线已被硬化，仅15%相对未受人为干扰。硬性工程方案成本高昂且在动态海岸系统中效果有限，缺乏自然生态系统的自适应、自我修复及生境支持功能，甚至加剧海滩流失。

传统红树林保育与水文修复(hydrological restoration)是最有效且应优先采用的策略，但在港口、游艇码头、港湾及城市滨水区等空间受限、硬质基底占主导的高度人工改造环境中，传统修复因缺乏合适底质、水文条件及足够空间而难以实施。在此背景下，将红树林整合入既有或新建滨海工程构筑物中形成杂交海岸防护(hybrid coastal protection) / 生态工程(eco-engineering)方案——即红树林整合滨海基础设施(Mangrove-Integrated Coastal Infrastructure, MICI)——成为潜在的补充手段。尽管已有零星案例（如Richard Sowa的Spiral Island与Joyxee Island、UNESCO在卡塔尔的浮式码头种植试验、哥斯达黎加木筏栽培试验、新南威尔士大学水实验室的缩尺模型波浪衰减试验），但MICI尚处探索阶段，缺乏系统框架与设计指引。本文即针对此空白展开研究。

二、期刊信息

本文发表于《Nature-Based Solutions》。

三、主要关键技术方法

研究人员通过系统性文献综述梳理已有浮动结构上红树林定植的案例（Spiral Island/Joyxee Island、UNESCO Qatar浮箱试验、Radulovich等哥斯达黎加筏式栽培、Ashley缩尺物理模型波浪试验），总结经验教训与知识缺口；继而建立包含五大准则（红树林支持Mangrove Support, MS；区位适宜性Location Suitability, LS；环境韧性与结构完整性Environmental Resilience, Stability, and Structural Integrity, ERSSI；生态系统服务提供Ecosystem Services Provision, ESP；实施可行性Implementation Feasibility, IF）的MICI生态工程评估框架；在此基础上提出10种概念性MICI设计类型（4种固定高程Above-Seabed Fixed-Elevation MICI + 6种全浮力Fully Buoyant MICI按能源需求细分），按淹没机制分类并定性探讨其适用条件与权衡；此外研究者在澳大利亚悉尼Manly Lagoon部署三种全浮力实验原型以探究底质、根域与淹水条件对红树林生长的影响。

四、研究结果（按论文主体小节总结）

1. MICI作为探索性工程方法(MICI as an Exploratory Engineering Approach)

通过分析指出MICI并非天然红树林或传统水文修复的替代品，而应类比已广泛应用的浮动湿地(floating wetland)技术，作为受限或重度改造环境（港口、码头、城市滨水区）中传统修复不可行时的补充方案。天然红树林是受水动力–沉积–生态过程调控的自维持复杂系统，MICI仅能在工程结构中支撑个体红树植物，属生境拟态(habitat mimicry)而非真正生态系统修复，无法完全复制自然过程与功能。

2. MICI的可行性与实施潜力(Feasibility and Implementation Potential of MICI)

回顾Living Shoreline、生态强化海壁(living seawalls)、淡水浮动处理湿地(Floating Treatment Wetland, FTW)与河口浮动湿地(Floating Estuarine Wetland, FEW)相关文献，佐证杂交方案可提供生境创建、减蚀、水质过滤、固碳及气候适应益处。引证Spiral Island（红树林在PET瓶浮体上成功长至成年尺寸）、UNESCO Qatar试验（Avicennia marina在海水箱体中3年长至>1.5 m并形成呼吸根pneumatophore与花实）、哥斯达黎加试验（Avicennia germinans与Rhizophora mangle盆栽于海上木筏733天存活率100%但年高增长208.1–401.5 mm低于自然恢复点，且施肥显著影响生长）、UNSW缩尺模型试验（桩限浮动红树林浮桥在短周期波况下具海岸防护可行性，植株质量对透射与位移影响不显著因浮体质量比大）。由此归纳六条经验：(1)大型红树林可在浮动构筑物成功定植；(2)可能需要主动管理（灌溉/施肥）但应优先采用有机底质与改善营养交换等可持续替代法；(3)结构须坚固且材料环境安全；(4)红树林在MICI上的生态需求（根域限制、盐度、营养）认识不足；(5)常遇波况下植被对波浪衰减与浮体稳定性影响有限但极端波、风载及共振效应未探明；(6)MICI可补充岸基红树林但需慎重选址、社区参与及政策衔接。研究人员已在Manly Lagoon布设三种全浮力原型考察底质类型、种植深度、根域空间及是否需周期性淹没。

3. 设计目标、准则与考量(Design Aims, Criteria, and Considerations)

阐明五大评估准则：

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  红树林支持(Mangrove Support, MS)准则：需提供适宜红树林全生命周期或预期留存期内的生长条件，建议采用带土工织物衬里穿孔种植箱允许根系自由生长并接触水体、氧气与营养，保守做法是模拟自然潮汐淹没周期（全复现或部分复现或海水灌溉）。
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  区位适宜性(Location Suitability, LS)准则：需依据波候（极低能<0.5 m、低能<1.0 m、中等能量<1.5 m）、水深、海底特征、潮汐制度及当地植被模式评估，并兼顾社区需求、文化意义与法规合规。
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  环境韧性、稳定性与结构完整性(Environmental Resilience, Stability, and Structural Integrity, ERSSI)准则：涵盖材料耐腐蚀性/抗海洋生物污损、承载能力、抗撞击（漂浮物/船只）、抗风浪流、整体稳定性与长期机械强度，以及适应海平面上升等气候变化影响的适应性。
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  生态系统服务提供(Ecosystem Services Provision, ESP)准则：按供给、调节、文化、支持四类服务评估各设计潜在贡献。
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  实施可行性(Implementation Feasibility, IF)准则：考量概念验证程度、可扩展性(scalability)、成本效益（初建+运维）及场地特定部署因素（审批、利益相关方、社区接受度）。

4. 概念性MICI设计与分类(Conceptual MICI Design and Classification)

按淹没/供水机制将有10种概念设计分为两大组：

(1) 固定于海床上方一定高程的MICI(MICI with Fixed Elevation above the Seabed)——依靠潮汐涨落使根区经历自然周期性淹没：

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  Type I – 张紧或刚性系泊MICI(MICI with Taut or Rigid Mooring)：自浮式浮桥/防波堤用张紧索或刚性桩柱锚固于海床使其高程相对海床固定，高潮时系泊受拉增加吃水加深淹没，低潮时恢复，实现部分至全潮汐淹没；需权衡系泊刚度（定位稳但波致应力大）与柔性（吸能但高程控制弱）。
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  Type II – 带红树林模块且张紧/刚性系泊的MICI(MICI with a Mangrove Module with Taut or Rigid Mooring)：红树林模块经短刚性/微弹性连接件附于主浮动结构（供行人、泊船等功能），模块靠自身重力–浮力–系泊张力维持相对固定高程并随潮变吃水，主浮体可自由浮动；设计需考虑模块质量浮力匹配、连接器刚度长度及水动力荷载。
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  Type III – 依附固定构筑物MICI(Fixed-Structure-Attached MICI)：穿孔平台经悬臂、套箍或吊杆缆绳附着于已有或新建固定非浮结构（栈桥jetty、突堤pier、桩群），潮汐引起水位相对红树林变化实现淹没/暴露，适合将红树林栽培整合入既有滨水设施。
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  Type IV – 浅水解决方案MICI(Shallow-water solutions MICI)：受生态海壁(living seawall)启发，用大型穿孔非浮结构（如3D打印红树林种植槽、具有镂空/透水特征的护面块体或石笼gabion）置于亚潮或潮间带稍深水域，潮汐涨落自然调控根区淹没，近似自然潮汐制度且利于沉积捕集与生境营造。

(2) 全浮力MICI(Fully Buoyant MICI)——随潮升降故根区相对无周期性干湿变化，需外部输入（能源）调变吃水或灌溉以模拟潮汐状况，按能源分为：

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  电驱动浮动MICI(Electricity-Powered Floating MICI)：
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    Type V – 电驱变吃水MICI(Electricity-Powered Variable-Draft MICI)：浮体设可控压载舱，电动泵入/排出水或空气调节吃水深浅模拟高/低潮，可用岸电、蓄电池或太阳能光伏/风能供电，系泊可为悬链(catenary)式、桩限垂直运动或连杆系统。
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    Type VI – 电驱灌溉MICI(Electricity-Powered Irrigation)：红树林植于透水种植箱配传感器与自动灌溉系统，按生命周期需水量定时供海水灌溉模拟淹没效果（较Type V模拟程度弱），可由可再生能源供电。
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  机械驱动浮动MICI(Mechanically Powered Floating MICI)——直接利用潮/波机械能驱动水泵或调吃水无电力PTO(Power Take-Off)装置：
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    Type VII – 潮汐泵MICI(Tidal-Pump MICI)：全浮力浮体利用潮汐升降驱动活塞/柱塞泵，止回阀控制向根区供水灌溉。
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    Type VIII – 点吸收泵MICI(Point-Absorber-Pump MICI)：仿点吸收式波浪能转换器(Wave Energy Converter, WEC)，波浪引发弹性气囊或活塞泵作动通过单向阀循环根区水体与营养，可用气囊压缩空气或直接水活塞。
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    Type IX – 波浪越顶MICI(Wave-Overtopping MICI)：仿越顶式波浪能转换器(Overtopping WEC)，波浪沿斜坡越入储水池后经机械/气动定时阀灌溉根区，或仅靠波浪振荡增强基质毛细作用供水，无涡轮转动部件。
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    Type X – 振荡水柱泵MICI(Oscillating-Water-Column MICI, OWC-pump MICI)：仿振荡水柱式波浪能转换器(OWC WEC)，利用共振放大水柱压力振荡灌溉；需将水柱自然频率f ≈ (1/2π)·√(g/L)（g为重力加速度，L为浸没深度）调谐至优势波频，可配储水池与定时阀。

5. 生态风险与监测框架(Ecological Risks and Monitoring Framework)

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  沉积过程(Sedimentation Processes)：固定MICI(Type I–IV)可能局部促沉积与 accretion，但全浮力MICI脱离海床沉积过程，无法完全复制天然沉积捕集、碳封存及长期海平面上升响应功能；已有浮动系统报道根域受限与生长受抑可能关联底质体积小、高盐及缺营养。
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  自然灾害韧性(Natural Disaster Resilience)：MICI成功定植依赖低能环境，高波能或台风条件下结构系泊失效、材料降解或植被丧失风险高，需慎重选址与设计并通过物理模型/数值模拟评估极端工况下水动力荷载与失效模式。
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  监测框架(Monitoring Framework)：长期监测须含红树林存活率/生长量/生理状态、根系发育与构型、生物多样性、水质与营养动力学及不同环境下结构性能，并与自然/传统修复红树林对比以评估MICI相对生态价值；当前实验亦考察无周期性潮汐淹没或非有机不渗漏底质下能否低维护健康生长。

五、讨论与结论翻译

讨论要点总结：MICI属实验性工程驱动途径，无法复制天然或水文修复红树林的完整生态功能，不应视作全球红树林消失的主要可扩展对策，传统保护与水文重连仍最优先；MICI适用于受限/退化环境中补充传统修复（如为幼苗提供庇护提高早期成活率）并兼具消波、水质改善、渔业/休闲可达性及教育美学价值。应用五大准则对10种设计做概念评估显示：固定高程设计(Type I–IV)较接近自然潮汐制度并在极低能浪(≤0.5 m)与浅水(2–5 m)适用，其中刚接固定型(Type III, IV)稳定性更高，浅水型(Type IV)利于生境创建与沉积稳定；张紧系泊浮动型(Type I)可拓展至中能浪与深水；全浮力电驱/潮汐泵型(Type V–VII)适于中等水深(2–10 m)与中等波暴露；全浮力机械驱动型(Type VIII–X)可运作于更深水(5–20 m)及较高波(≤1.5 m)且具创新展示与教育互动潜力；存在稳定性vs适应性、生态表现vs技术可行性间的权衡，需依场地具体条件选用。

结论（翻译）：

自然本位(nature-based)及杂交方案日益被视为可持续海岸防护策略的重要组成部分，尤其在气候变化与滨海城市化背景下。除减轻物理灾害外，其提供广泛生态系统服务包括生境供给、水质提升、碳封存及生物多样性支持。鉴于全球33%砂质海岸线已被人工构筑物硬化，MICI为传统红树林修复不可行之环境中的创新性、探索性、场地特异性生态工程方案，而非天然或水文修复系统的替代。

通过综述有限的红树林在浮动结构上定植的历史与现有案例，本研究提炼出直接指导MICI设计与实施之实践经验，同时指出知识缺口并为未来研究排定优先级。关键启示包括：红树林可在全浮力MICI上成功定植；可能需主动管理（含灌溉与施肥）；结构须坚固且采用环境安全材料；需社区参与；以及对MICI上红树林生态需求（根域空间、盐度、营养约束对生长健康的影响）的认识亟待深化。

此外，本研究提出10种概念性MICI设计类型作为探索性构想，并按供水/淹没机制分类，同时基于五项关键设计准则（红树林支持MS、区位适宜性LS、环境韧性与结构完整性ERSSI、生态系统服务提供ESP、实施可行性IF）给出评估框架。讨论阐明了不同设计类型基于其特征之预期表现：固定高程设计可更好复现自然潮汐制度并提供较强风浪防护，全浮力设计则对水位波动与长期海平面上升具更好适应性；波浪与潮汐驱动MICI概念具备创新展示、公众教育与社区参与潜力，浅水固定方案尤擅生境创建、沉积稳定与景观美化。所有设计中均存在生态表现、技术可行性与适应性间的权衡，须在场地应用中审慎考量。鼓励MICI研究聚焦生态不确定性（包括连通性改变、入侵风险及沉积过程——特别是碳封存——的有限复制能力），极端条件下性能亦有待明确，这凸显了慎重选址、设计及含与自然/修复红树林对比的长期监测之必要性。据此，MICI不能取代天然或水文修复红树林，而应视为高度受限或退化环境中具补充性质的特定情境方案。