红树林入侵下河口潮滩和溪流的长期形态动力学演变：一个改进的具有植被-障碍物表示功能的2D模型

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Long-term morphodynamic evolution of estuarine tidal flats and creeks under mangrove colonization: an improved 2DV model with vegetation–obstacle representation

　　摘要：红树林植被改变了河口湿地的潮汐水动力学、沉积物输送和地形调整，但其对潮滩和溪流长期横截面演变的影响仍缺乏足够的量化研究。我们开发并验证了一个改进的二维垂直（2DV）形态动力学模型，该模型引入了红树林植被-障碍物（MVO）表示方法，考虑了植被阻力以及植被覆盖平台上有效输水面积的减少。水动力学模块根据Freeman等人（2000年）的植被水槽实验结果进行了验证，整个模型利用台湾北部石兹红树林湿地的四个横截面地形观测数据进行了评估。该模型在水槽水面剖面上的R2值为0.97，在野外横截面上的平均R2值为0.92。与之前的模型相比，潮滩高程的平均相对误差从约25%降低到13%，减少了48%。长期模拟再现了在有植被和无植被条件下潮滩侵蚀、稳定以及随后溪流填充和缩小的三个阶段。红树林通过增强平台堆积、减少平台输水能力和改变流向溪流的流量分配来改变这一过程。连续的平台堆积最终减少了潮汐流量，并促进了溪流的早期填充。该模型为评估红树林湿地的长期形态动力学提供了基于过程的框架，并为未来准三维模型的开发和适应性管理提供了支持。

引言：红树林是热带和亚热带河口最重要的潮间带生态系统之一，它们提供了广泛的生态和环境功能，包括海岸线稳定、沉积物滞留、洪水缓解、碳储存以及为多种水生和陆地生物提供栖息地（Alongi, 2014; Bosire et al., 2008; Faunce and Serafy, 2006; Nagelkerken et al., 2008）。除了其生态价值外，红树林还通过地上和地下结构对水动力学、沉积物输送和地貌发展产生强烈影响（Nepf, 1999; Temmerman et al., 2007）。因此，了解红树林入侵下潮滩和溪流的调整机制对于预测长期湿地演变以及在海平面上升、沉积物供应变化和人为干扰下的适应性管理至关重要。潮汐溪流是水、沉积物、营养物质和有机物质在河口通道与潮间带平台之间交换的主要通道，其几何形态反映了潮汐作用、沉积物供应、盆地地形、植被以及许多系统中的偶发性洪水和风暴事件的共同影响（Fagherazzi and Furbish, 2001; D’Alpaos et al., 2010; McLachlan et al., 2020）。相比之下，潮滩是浅层沉积环境，水期、沉积物沉降和植被介导的捕获强烈影响高程增长和表面稳定性（Morris et al., 2002; Kirwan and Murray, 2007）。潮滩和溪流的耦合调整决定了潮间带湿地是保持水力连通性和地貌异质性，还是逐渐填充和简化。大量研究已经探讨了植被潮间带系统中的潮汐溪流演化和湿地形态动力学。Diplas（1990）研究了自形成直渠道的特征，而Pizzuto（1990）开发了一个数值模型来模拟非粘性沉积物在直渠道中的侵蚀过程。Fagherazzi and Furbish（2001）建立了一个基于过程的模型，表明动量重新分布可以从最初平坦的河床开始侵蚀并驱动盐沼溪流的早期演变。D’Alpaos等人（2006）进一步证明，水期和植被通过加速平台堆积和改变河道水力学显著影响潮汐溪流的横截面形成。Temmerman等人（2007）报告称植被可能通过集中水流主动促进河道侵蚀，而Kirwan和Murray（2007）强调了生态和地貌因素对潮汐沼泽演变的共同控制作用。这些研究提供了重要的概念和理论基础，但大多数研究主要是针对盐沼环境，并未明确考虑红树林植被对水力输水和长期溪流-潮滩演变的影响。早期的河道成形研究强调了横截面剪切应力重新分布和沉积物输送在决定河道几何形态中的作用（Diplas, 1990; Pizzuto, 1990）。后来的形态动力学模型将这些概念扩展到潮汐环境中，纳入了潮汐棱柱减小、平台堆积和植被反馈（Fagherazzi and Furbish, 2001; D’Alpaos et al., 2006）。然而，这些模型大多针对盐沼环境设计，并未明确表示红树林植被对潮滩上水力输水的结构阻塞效应。在红树林湿地中，植被效应特别复杂，因为茎干、树干、根系和气生根不仅增加了阻力，还物理阻塞了流场并减少了潮间带平台上的有效输水面积。这些效应可以改变潮滩和溪流之间的流量和沉积物分配，从而影响侵蚀、沉积和河道稳定性。尽管早期研究表明红树林增强了沉积物滞留和湿地堆积（Kathiresan, 2003; Lee and Shih, 2004; Lovelock et al., 2007），但在长期形态动力学建模中明确表示这种阻塞效应仍有限。Shih和Cheng（2022）开发了一个地貌模型来研究红树林沼泽中的潮汐溪流和潮滩动态，发现潮汐溪流和相邻潮滩普遍倾向于淤积，而退潮和涨潮水动力学的不对称性有助于在常规潮汐条件下维持自我维持的溪流。该研究还指出，河流洪水可以引入大量悬浮沉积物，从而加速湿地堆积。尽管该模型较好地再现了潮汐溪地的地形演变，但潮滩高程预测的平均相对误差约为25%，表明对平台堆积的估计有所偏高。此外，该研究主要使用现场地形数据验证了形态动力学结果，并未通过水面或流阻测量对水动力学模块进行独立验证。在平面尺度上，Lee等人（2022）提供了补充的现场证据，表明红树林扩展可以显著改变潮汐溪流的形态。他们利用遥感和水动力学分析报告称，红树林在潮滩上的定殖可以压缩潮间带空间，减少河道宽度和弯曲度，并促进潮汐溪流从蜿蜒形态向更直、更稳定的形态转变。他们的研究还表明，直化渠道的单位流功率与蜿蜒渠道有显著差异，表明红树林引起的限制不仅改变了河道几何形态，还改变了水力和沉积物输送机制。关键的是，Lee等人（2022）还指出，当红树林自然退化或部分人工移除时，潮汐溪流可能会恢复更蜿蜒的配置。这些结果表明，红树林的存在对潮汐溪流具有持久的限制效应，植被变化可以驱动红树林湿地中的可逆平面转变。Lee等人（2022）的发现与本研究直接相关，因为他们识别了一种可以纳入形态动力学框架的物理机制——植被引起的限制。在当前工作中，这一机制通过植被地形概念和水动力学模块中的红树林植被障碍物（MVO）表示方法得到了明确体现。MVO表示方法不仅将红树林视为与阻力相关的粗糙度效应，还减少了植被覆盖潮滩上的有效输水面积，并改变了流速、剪应力和沉积物在潮滩和溪流之间的分布。这种表述也与栖息地适宜性和生物量模块中反映的红树林大小相关特征在概念上一致，因为两者都描述了红树林结构对湿地过程的影响。通过形式化Lee等人（2022）观察到的限制效应，本研究为模拟潮滩和潮汐溪流的长期形态演变提供了更物理上明确的基础。本研究的另一个关键进展是使用Freeman等人（2000）的水槽实验验证了水动力学模块。在该实验中，在受控条件下测量了植被引起的水面响应和水力阻力，提供了测试模型是否能够再现木质植被引起的回流效应和流动阻塞的机会。这一验证步骤很重要，因为沉积物输送和形态动力学预测的可靠性在很大程度上取决于水力部分的真实性。通过结合基于水槽的水动力学验证和基于现场的石兹红树林湿地地形验证，加强了耦合建模框架的物理可信度，并解决了Shih和Cheng（2022）早期研究中发现的问题。尽管越来越多的人认识到河口湿地中植被-沉积物-地貌之间的相互作用，但仍存在三个空白：首先，很少有横截面模型表示红树林植被的输水阻塞效应；其次，这种表述方法改善潮滩高程预测的程度很少被量化；第三，尽管在有植被和无植被的潮汐系统中都可能发生侵蚀、稳定和填充的三个阶段，但红树林对这些阶段的时间、几何形态和持续时间的修改程度仍不够明确。因此，本研究的目标是（1）使用MVO概念开发改进的红树林覆盖潮滩的水动力学表示方法；（2）评估这种表示方法是否改善了潮滩和潮汐溪流形态动力学的预测；（3）研究红树林入侵下潮滩和潮汐溪流的长期横截面演变；（4）讨论这些结果对未来准三维或全三维红树林湿地形态动力学建模的意义，包括蜿蜒河道和直河道形式之间的平面转变。通过这样做，本研究为红树林湿地的演变提供了新的基于过程的见解，并为未来气候变化、海平面上升、洪水输送与生物多样性保护之间的权衡以及河口湿地的生态系统服务提供了定量基础。我们注意到，尽管该模型包括了演变地形和高程依赖植被特征之间的反馈，但它尚未模拟完整的双向殖民、生长和死亡动态。因此，本研究侧重于在渐进式红树林殖民下的长期横截面生态-地貌调整，而不是严格意义上的植被-地形共同演化。

模型框架：本研究开发的形态动力学模型由三个耦合模块组成（图1a）：（1）水动力学模块，（2）沉积物输送模块，（3）红树林植被模块。该模型在一个二维横截面框架上运行，以模拟潮滩和潮汐溪流几何形态随时间的演变。初始输入包括横截面地形、水位时间序列、床面坡度和悬浮沉积物浓度。植被被理想化为...

模型性能评估：模型开发后，对水动力学和形态动力学组件进行了校准和验证，随后进行了情景模拟。首先，水动力学模块根据Freeman等人（2000）的植被水槽实验进行了验证。然后使用台湾北部淡水河红树林湿地的测量数据验证了地形演变的模拟结果。

使用Freeman水槽实验的水动力学验证：水动力学模块首先根据Freeman等人（2000）的植被水槽实验进行了评估，该实验为测试木质植被对水面轮廓的水力效应提供了独立的基准。与我们的先前模型（Shih and Cheng, 2022）不同，后者主要基于现场地形变化进行验证，本研究还包括额外的水动力学验证步骤，以检查模型是否能够再现植被引起的流动阻塞...

结论：本研究开发并验证了一个改进的二维垂直（2DV）形态动力学模型，以研究红树林入侵下河口潮滩和潮汐溪流的长期演变。该研究的主要方法学进步是通过水动力学模块中的红树林植被-障碍物（MVO）表示方法明确纳入植被地形。通过考虑红树林群落对植被覆盖潮滩有效输水面积的阻塞效应...

作者贡献声明：Hsiao-Yen Liang：可视化、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理。Shang-Shu Shih：写作-审稿与编辑、写作-初稿、验证、监督、资源管理、方法论、资金获取、正式分析、概念化。Zhong-Ze Huang：写作-初稿、可视化、软件、数据管理。

未引用的参考文献：D’Alpaos et al., 2010; Press et al., 2007。

利益冲突声明：作者声明没有利益冲突。