红树林用于混合海岸防护的物种特异性波浪衰减及成本效益

《Journal of Environmental Management》：Species-specific wave attenuation and cost-effectiveness of mangroves for hybrid coastal defense

　　

摘要

在气候变化下，海平面上升和加剧的风暴潮正在放大热带和亚热带沿海地区的洪水风险。传统混凝土结构提供可靠的洪水保护，但它们越来越受到批评，因为其生态价值低和维护成本高。作为替代方案，基于自然的混合海岸保护系统（将工程堤坝与红树林前滩相结合）正因其提供洪水缓解和生态效益而获得认可。然而，与不同红树林物种相关的波浪衰减性能和成本效益，特别是在极端风暴条件下，仍然知之甚少。在本研究中，我们采用 SWAN-VEG 模型评估了三种代表性红树林物种在不同海平面上升和风暴潮情景下的波浪衰减能力和成本效益。结果表明，秋茄 表现出最高的波浪衰减，而 海榄雌 的效果最差。通常，植被引起的波浪耗散随着海平面上升和风暴潮表现出各种响应模式。成本效益分析显示，以 秋茄 为主导的混合系统在植被宽度为 50-100 米的情况下，实现了最经济高效的堤坝越浪保护。这些发现推进了对混合海岸防御中物种特异性性能的理解，并为气候变化下的适应性海岸线规划提供了指导。

引言

在 21 世纪，气候变化驱动的海平面上升 (SLR) 和加剧的风storm 预计将大幅增加全球沿海洪水风险 (Vitousek et al., 2017; Vousdoukas et al., 2018)，威胁着数百万生活在低洼沿海地区人民的安全和生活 (Rentschler et al., 2023; Zhang et al., 2025)。如果没有及时有效的适应措施，这些灾害的社会经济影响将继续升级 (Rogers et al., 2025)。传统的硬性工程解决方案，如海堤和堤坝，仍在海岸防御中广泛使用，但由于高昂的建设和维护成本 (van Wesenbeeck et al., 2025)、生态退化、生态系统服务丧失 (Hosseinzadeh et al., 2022) 以及在极端事件下越浪或失效的脆弱性增加 (Rom?o et al., 2024)，其长期有效性越来越受到挑战。因此，关注点已转向利用沿海生态系统生态功能以更可持续地减少洪水风险的基于自然的方法 (Temmerman et al., 2013, 2023)。其中，混合海岸保护系统（将人工堤坝与沿海湿地（如红树林和潮汐沼泽）相结合）已成为气候适应的有前景的策略 (Tiggeloven et al., 2026)。通过衰减波浪能量、减少侵蚀和稳定沉积物，这些系统增强了工程防御的安全性和沿海社区的韧性 (Bilkovic et al., 2016; Temmerman et al., 2013)。此外，沿海湿地提供宝贵的协同效益，如碳封存、生物多样性保护和海岸线保护的长期成本效益 (Costanza et al., 2008; De Dominicis et al., 2023)。

红树林越来越被认可为一种基于自然的防御，特别是在经常受风暴潮影响的热带和亚热带地区 (Jia et al., 2023)。大量的野外观察和实验室实验证明了它们强大的波浪衰减能力 (Horstman et al., 2014; Chen et al., 2024; Hu et al., 2025)，主要通过植被引起的阻力，这不同于裸露泥滩上的能量耗散 (Horstman et al., 2014)。即使在极端水文条件下，如风暴潮，红树林森林也可以耗散波浪能量和稳定海岸线 (Peng et al., 2024; Hu et al., 2025)。值得注意的是，红树林物种表现出多样的根结构，如板根、支柱根和带有呼吸根的缆根，这影响了它们的水动力学阻力 (Srikanth et al., 2016; Madhavan et al., 2025)。鉴于这种巨大的形态变异 (Bao, 2011; van Wesenbeeck et al., 2025)，结构和功能的种间差异应被仔细考虑 (Lovelock et al., 2024)。几项研究表明，这些特征可能导致不同的波浪衰减结果 (Zhu et al., 2023; Zhang et al., 2023; Lu et al., 2024)。然而，大多数数值建模研究仅将红树林植被视为具有单一阻力系数的垂直均质圆柱体元件 (Mendez and Losada, 2004; Suzuki et al., 2012)，这关键地影响了不同淹没深度下的波浪能量耗散。因此，在风暴潮和海平面上升等变化的水文条件下，不同红树林物种在垂直结构分层后的系统研究仍然稀缺，这限制了在海岸保护工程设计中基于证据选择红树林物种的能力。

红树林还可以通过降低工程堤坝的设计要求来减少海岸防御成本，因为波浪能量减弱 (van Zelst et al., 2021; Lu et al., 2024; Eggert et al., 2025)。例如，100 米宽的红树林带可能耗散超过 50% 的入射波浪能量，而宽度超过 1500 米的中树林带可以将波高降低超过 90% (Zhang et al., 2020; Jia et al., 2023)。当与工程堤坝结合时，红树林可以转移基础设施设计阈值， potentially 降低建设和维护费用 (van Zelst et al., 2021; Eggert et al., 2025)。然而，红树林物种在种植成本上有所不同，这取决于它们的存活阈值 (Bayraktarov et al., 2016)。这些差异意味着基于红树林的混合海岸保护系统的成本不是统一的，而是高度取决于物种的。尽管如此，大多数研究狭隘地集中在红树林在减少波浪越浪中的作用，但很少考虑洪水保护效益与混合海岸保护系统总费用之间的更广泛权衡 (Narayan et al., 2016; Kumano et al., 2021)。

为了解决这些差距，本研究通过选择中国南部三种具有不同形态特征的 dominant 物种，系统地评估了红树林的波浪衰减性能和成本效益。我们进行了数值模拟，纳入了代表根、茎和冠层结构的红树林形态三层垂直分层，以调查在不同 SLR 和风暴潮情景下物种特异性波浪衰减差异 (Fig. 1)。此外，我们通过直接将水动力学模拟输出与国家标准海堤设计规范中规定的允许越浪阈值联系起来，探索了洪水保护效率与包括种植和堤坝建设在内的基于红树林的混合系统总建设成本之间的权衡。通过将物种特异性生物物理功能与经济意义联系起来，我们最终为优化具有成本效益的海岸防御设计提供了理论见解。

章节摘要

SWAN-VEG 模型

前滩上的波浪衰减是使用谱波浪模型 SWAN (模拟近岸波浪; Booij et al., 1999; Ris et al., 1999) 计算的。该模型考虑了关键物理过程，包括风生波浪、通过三元组和四元组波浪相互作用的非线性相互作用、由于植被、白帽、底部摩擦和深度引起的破碎造成的耗散。以前的研究证明了它准确模拟波浪能量耗散的能力

三种红树林物种在不同水文条件下的波浪衰减性能对比

模拟结果揭示了三种红树林物种之间以及在不同植被宽度下，在不同 SLR 和风强迫条件下波浪衰减的显著变异性 (Figs. 2, S3, and S4)。在正常条件下 (Fig. S3)，堤脚处的波高随着红树林宽度的增加而单调递减 (Fig. S3a–l)。然而，对于给定的植被宽度，堤脚处的波高在不同物种中对 SLR 的响应不同。秋茄 显示出下降趋势，而 海榄雌。

物种特异性波浪衰减在海平面上升和风暴潮下

红树林物种在生态表型性状上差异很大，如根结构、茎密度和植物柔性，这强烈影响了它们波浪衰减和海岸线保护的能力 (Zhu et al., 2023)。由于其复杂的支柱根系统，增强了水动力学阻力和波浪能量耗散 (Kamil et al., 2021; Chang et al., 2022)，秋茄 在正常和风暴潮条件下都 consistently 表现出最高的波浪衰减能力 (Figs. 2, S3

结论

本研究使用 SWAN-VEG 模型模拟了不同红树林物种在不同植被宽度、海平面升高和风暴潮条件下的波浪衰减能力。由红树林和人工堤坝组成的基于红树林的混合系统的成本效益也得到了分析。秋茄 在建模的单种情景和初始成本假设下表现出最高的波浪衰减性能和明显的成本效益，主要由于其支柱根

CRediT 作者贡献声明

徐宇浩：数据整理，形式分析，方法论，软件，可视化，写作 – 初稿，写作 – 审查与编辑。王大伟：概念化，方法论，软件，写作 – 审查与编辑。白军红：概念化，资金获取，方法论，项目管理，监督，写作 – 审查与编辑。萧昌宏：方法论，软件，写作 – 审查与编辑。龙朗颖：方法论，软件，写作 – 审查与编辑。

竞争利益声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

这项工作得到了 国家重点研发计划 (2022YFF1301003) 的资助。

徐宇浩|王大伟|白军红|萧昌宏|龙朗颖

北京师范大学环境学院湿地保护与修复国家重点实验室，中国北京