基于能量耗散視角的紅樹林海岸沉積地貌學

李炎，陳一寧

1.自然資源部海洋空間資源管理技術重點實驗室，杭州 310012

2.廈門大學東山太古海洋觀測與實驗站，廈門 361005

3.自然資源部第二海洋研究所，杭州 310012

能量耗散是沉積地貌學經久不衰的一個研究命題。流體或摻有固體的多相流體在一定邊界條件下運動時，除滿足質量（如水流連續方程和顆粒物連續方程），以及能量（如伯努利方程）或動量（如運動方程）的守恒外，還需要額外增加限定條件，才能準確描述泥沙運動特征，這是一個世紀前就提出的第四個封閉方程難題。近半個世紀來，河流學的解決路線漸漸靠向不可逆過程的熱力學理論和方法，試圖利用能量耗散或熵產生的概念，把流體或多相流體系統的水流、泥沙運動和邊界的變化及其他約束條件貫穿和聯系起來進行統一研究，從而給出河流運動在空間和時間過程上的較完整的概貌[1]?？屏_拉多州立大學楊志達教授將最小能量耗散率假說視為河流泥沙動力學的第四個封閉方程，嘗試替代經驗性的河相關系，演繹河道演變規律[2]。清華大學黃萬里教授1981 年在《清華大學學報》上發表了題為“連續介體動力學最大能量消散率定律”研究論文[3]，質疑了最小能量耗散率假說，提出最大耗散率假說存在的可能性，這兩種極值的存在“或許由于數學法則中微分等于零作為必需條件同樣適用于最大和最小兩極，但不能作為足夠的條件”。一時間內，到底是最小能耗還是最大能耗，抑或是兼而有之引起了當時學術界的廣泛爭論。2010年，黃才安[4]回顧了這場幾十年前的爭論，提出：“能耗率極值原理可以敘述為：流體或摻有固體的多相流體，當處在一個獨立系統內，在給定的初始和邊界條件下流動時，任何時刻的某因變物理量總是這樣的分布，使得系統整體的能量耗散率隨時為一個極值。將這一原理在不同條件下，用數學形式表達出來，就構成了數學上的極值問題。能耗率極值原理有2 種，一是以楊志達、張海燕為代表的最小能耗率原理；二是以黃萬里為代表的最大能耗率原理”。這段評述已將內外營力共同作用于地表過程的復雜系統，以“系統整體的能量耗散率隨時為一個極值”簡潔描述概括了該系統存在的最小能耗率和最大能耗率兩大類狀態。這一能耗極值原理，可以應用到海岸帶的地貌研究之中，并給出簡潔的表達方式。本文聚焦于海岸帶地貌過程中的能量耗散這一問題，通過回顧和梳理文獻，闡明能量耗散的概念，以常見海岸帶地貌類型為例解釋了最小值原理和最大值原理，最后從能量耗散角度來總結紅樹林生物地貌動力學過程。

1 能量耗散概念

陸海界面系統的能流和物質流輸入以及相應的地形和物質儲庫可以自動調整到相互適應的匹配狀態[5]。根據能量傳輸視角，簡潔地沿用波動學中相當成熟的阻抗匹配概念[6]：當海岸沉積地貌系統處于阻抗匹配狀態，海洋輸入的水波（包括潮波和波浪）能量若在系統中完全耗散，未被反射回來，海岸沉積地貌系統則處于“系統整體的能量耗散率隨時為一個極值”的穩態之中。當總能量E對時間t的二階導數，即總能流的一階導數等于0 時，即：

此時總能流隨時為一個極值?？偰芰骺梢苑纸鉃閯菽艽鎯β蔈s、動能存儲率Ek，以及通過熱量轉移的能量耗散率Ed等三項：

當輸入水波能量與海岸沉積地貌系統的諧振單元相互作用，產生有限模態的基頻或諧波共振，海岸與海洋的阻抗匹配，具備完美傳輸性能。此時，水波諧振單元大量吸收并存儲了勢能與動能，通過熱量轉移的能量耗散率則表現為極小值，該穩態簡稱為“共振阻抗匹配”。當輸入水波能量與阻抗逐級變化的海岸沉積地貌系統相互作用，沿程逐漸耗散至盡，存儲的勢能與動能相對受限，通過熱量轉移的能量耗散率表現為極大值，該穩態簡稱為“梯度阻抗匹配”。以此視角，楊志達、張海燕為代表的最小能耗率原理，關注的是沉積地貌系統的共振阻抗匹配狀態，強調了沙波、沙脊、心灘等周期性地貌組合對水波能量的存儲與調控作用。黃萬里為代表的最大能耗率原理，關注的是沉積地貌系統的梯度阻抗匹配狀態，強調了沿程連續變化的水波能量耗散。

2 海灘系統的能量耗散

以波浪主導的海岸沉積地貌系統水波能量耗散圖像為例，按照目前引用率最高的海灘沉積地貌系統分類方案，即Wright 和Short 于1984 年提出的無量綱沉降速度Ω 分類分案（圖1，Ω=Hb/WsT, 其中Hb是破波波高，Ws是泥沙沉降速率，T是波浪周期），下分反射型、耗散型兩種端點類型，以及脊-槽或低潮階地型、橫向沙壩裂流型、韻律沙壩海灘型、沿岸沙壩-凹槽型等4 種過渡類型[7]。

圖1 海灘Ω 分類概念模式圖[7]Fig.1 The Ω classification and conceptual models for beaches[7]

除了明顯海岸侵蝕而處于非穩態的反射型海灘以外，無論是耗散型海灘，還是過渡型海灘，海洋輸入的波浪能量，均可被處于穩態的海岸沉積地貌系統所吸收。以圖1 所示的平直海灘為例，正向入射海灘的波浪，經海灘的透射、反射和吸收，構建具有一維特征的海灘系統穩態。而偏離海灘法線方向的斜入射波浪，則經海灘的折射、透射、反射和吸收，匯聚到以低波速灘面為核心的水波波導上（比如瀕岸分布的邊緣波帶，或順著沿岸沙壩分布的破波帶），調控入射水波能流，構建具有二維特征的海灘系統穩態。其中，坡面平緩的耗散型海灘則更多地表現出海岸與海洋的梯度阻抗匹配狀態；而脊-槽型或低潮階地型、橫向沙壩裂流型、韻律沙壩型、沿岸沙壩凹槽型等4 種周期性地貌占優的過渡類型，集中地表現出海岸與海洋的共振阻抗匹配狀態。

無量綱沉降速度Ω 相當于海灘沉積物活動量與粒度的對比。高Ω 值的耗散型海灘可調動大活動量但粒度較細的沉積物，采用最簡潔的斜坡地形實現梯度阻抗匹配，適應波能輸入環境。低Ω 值的反射型海灘沉積物有限，只能依賴運動門檻較高的海崖蝕余沉積物，運用大斜坡與粗粒度沉積物的結合，趨近梯度阻抗匹配，爭取適應高波能輸入環境。中等Ω 值的過渡類型海灘調動中等程度的沉積物活動量與粒度，則需利用有限的活動性沉積物，建造諸如低潮階地、橫向沙壩裂流、韻律沙壩、沿岸沙壩凹槽等不同維度的周期性地貌組合，通過結構性升維以調控共振阻抗匹配狀態，去適應不同配置的波能輸入環境。由此可見，海灘系統的地貌動力學主控因素，是由活動量與粒度來量度的沉積物源條件。

3 河口灣系統的能量耗散

關于潮波能量耗散主導的河口灣沉積地貌系統分類方案一直是百家爭鳴。按照1995 年Gerardo M E Perrillo 推薦的成因-地貌分類系統，原生型（陸地外營力和構造內營力為主）河口灣類型下分溺谷、峽灣、河流主控和構造主控等4 個地貌類型，還再細分若干亞類；次生型（海洋外營力為主）河口灣下有海岸潟湖一個地貌類型，并根據沙壩的封閉狀態(潟湖口門的特征)細分若干亞類（圖2）[8]。

達到均衡態的河口灣，無論是原生型河口灣，還是次生型河口灣，海洋輸入的潮波能量，均可被穩態的河口灣沉積地貌系統所吸收。能流強勁的灣口，具有周期性沉積地貌特征的潮流脊槽系統，盡其所能調動來源有限的活動性沉積物，建造諸如潮流脊槽、分汊河道等不同維度的周期性地貌組合，通過結構性升維組織共振阻抗匹配狀態，去適應不同配置的潮波能流環境。在能流逐漸轉弱，而沉積物源相對富足的灣頂，借助淺灘坡面以及多級潮溝-潮灘系統，水波波速和緩過渡，能流逐級耗散，更多地表現出梯度阻抗匹配狀態。次生型河口灣的沙壩潟湖海岸，既利用潮汐汊道漲潮落潮三角洲的潮流脊槽系統共振阻抗匹配貢獻，也利用潟湖內多級潮溝-潮灘系統的梯度阻抗匹配貢獻，組織對潮波能流的阻抗匹配狀態，而且還利用沙壩外側耗散海灘的梯度阻抗匹配貢獻，或者是過渡型海灘的共振匹配貢獻，組織對波浪能流的阻抗匹配狀態，整體表現為一種可以靈活應對海岸沉積地貌系統的水波能量輸入，兼具復合型阻抗匹配能力的自適應沙壩-潟湖海岸濾波器。

4 紅樹林生態系統的潮溝-潮灘系統

紅樹林是指生長在熱帶、亞熱帶海岸潮間帶，以紅樹植物為主的常綠喬木、灌木組成的木本植物群落，是海陸交錯帶上獨特的生態系統，也是全球生態系統碳匯的主要貢獻者[9-10]。多級潮溝-潮灘系統為特征的河口灣灣頂，無論是原生型的還是次生型的，均是紅樹林群落的最佳生境[11]。相對富足的沉積物源，和緩過渡的灘面水深，逐漸減慢的水波波速，調控出潮波能流逐級耗散的梯度阻抗匹配狀態，形成了具備高效耗散能量并捕獲沉積物的生態系統[12-13]。河口灣潮溝-潮灘系統與紅樹林群落存在著生物地貌學層次的有機聯系。生物地貌學研究生物過程和地貌過程之間的雙向交互作用，涉及到大尺度（景觀尺度）、中尺度（地貌尺度）和小尺度（生物尺度）的不同過程和機理的集合[14]。從不同的空間尺度出發，可能存在能量耗散概念模式下的河口灣潮溝-潮灘系統紅樹林地貌學過程（圖3）。

圖3 不同尺度上的紅樹林生態系統能量耗散過程示意圖Fig.3 The schematic diagram of energy dissipation processes in mangrove ecosystems at different scales

依照小尺度動力機制研究視角，灘地水生植物力學結構與水體湍動力結構的相干性，能夠驅動輸入水波能量與水生植被產生有限模態的基頻或諧波共振一類響應，兩者之間的退相干性，則導致水波能量的沿程耗散響應。綜合映射到灘地平均流、湍流和物質輸運機制等表觀垂向二維分布參數時，可以實現復雜多樣的組合[15-16]。

到了中尺度分析層次上，河口灣潮溝-潮灘系統紅樹林濕地的降維特征是顯著的。Schwarz 等運用遙感觀測數據比較了鹽沼和紅樹林中的潮溝形態參數，發現世界各地的紅樹林濕地和鹽沼濕地均具有相似的潮溝系統分支規律，但比起鹽沼濕地，紅樹林濕地潮溝系統具有更低的密度、更長的流路，以及穩健的形態[11]。僅引用紅樹林濕地觀測到的等效參數，比如按陳一寧等在福建漳江口紅樹林灘地前緣的觀測（紅樹林灘等效拖曳系數為0.35, 分別是同水深光灘和互花米草灘的8.75 和2.19 倍，紅樹林灘等效水波波速為0.8 m/s，分別是同水深光灘和互花米草灘的36%和44%）[12]，就可簡潔地將紅樹林灘的發育與潮溝-潮灘系統的阻尼減速，以致整個河口灣的水波能量調控與梯度阻抗匹配狀態聯系起來：在此中尺度窗口內，沉積地貌建造物源不足導致的能量耗散圖像缺陷，可轉由水生植被的生物地貌學建造來彌補。依此窗口，擁有明顯水波波速梯度的紅樹林灘與光灘交界帶，一方面將斜入射水波能量匯入此“邊緣波波導”，均勻地分散到潮溝-潮灘系統曲折的交界帶上，另一方面也引導正入射的水波能量透入紅樹林濕地，支持著與交界帶法向相交潮溝的發育以及能量與物質交換[13]。同時，潮溝的存在為紅樹林的胚軸和種子的空間擴張提供了機會窗口?，F場調查和模擬顯示，大量的種子和果實在經過水動力輸運以后會富集在潮溝周圍[17]。這一結果，不僅指示了潮溝-光灘交界處的能量調控能力，同時還提示了植物如何通過生物地貌過程來完成空間上的擴張。

依照大尺度分析視角，河口灣灣頂的地表高程上升速率若趕不上海平面上升速率，紅樹林濕地前緣發育趨勢將受到全球氣候變化的抑制。Kirwan和Megoniga 認為，由于濱海濕地植物生長和地表高程上升速率之間的生態學正反饋，只要留足濕地后緣的可修復空間，“活”的濱海濕地就能夠不斷適應海平面上升的影響[18]。但孟加拉河口三角洲Sundarbans 紅樹林濕地1988—2022 年間演變的遙感監測揭示，當紅樹林濕地前緣遭受了與海平面上升過程同步的紅樹林濕地侵蝕損失時，一直處于自然保護區范圍內的紅樹林濕地后緣卻未出現向陸遷移趨勢，同期新增的紅樹林濕地主要分布在河口灣頂潮動力活躍且泥沙物源充足的潮溝-潮灘系統新淤灘地上[19]?！盎睢钡募t樹林濕地發育于活躍的潮溝-潮灘系統，而不出現在潮動力和泥沙活動性趨于沉寂的紅樹林濕地后緣。

紅樹林濕地前緣面臨海平面上升壓力，后緣遭受農業、養殖業和工業化發展的圍填海和污染壓力，“海岸擠壓”狀態下的紅樹林濕地逐漸退化。中國紅樹林濕地的退化，主要與修建海堤阻隔海陸聯系、養殖污染排放、外來生物入侵等人為因素有關，表觀上來自海岸帶空間、環境承載力和生態位的協同“擠壓”[20]。然而到了中尺度分析層次上，紅樹林濕地的“海岸擠壓”效應主要通過河口灣潮溝-潮灘系統的沉積地貌學與生物地貌學過程協同調控。修建海堤將河口灣潮溝-潮灘系統的上游部分渠閘化，輸入的潮波失去了有序耗散，也失去了水體和物質的有序交流，為了耗散過剩的潮波能量和沉積物，河口灣潮溝-潮灘系統出現明顯的“閘下淤積”，新淤光灘被非常適應高沉積速率生境的互花米草群落迅速取代，接著也出現明顯的“閘下侵入”[21-22]。潮溝形態也轉化為比紅樹林濕地潮溝系統具有更高密度、更暢流路，以及更強適應能力的鹽沼潮溝系統[11]。

5 能量耗散對紅樹林生態系統的作用

能量耗散概念模式下，梯度阻抗匹配是河口灣潮溝-潮灘系統紅樹林地貌學過程的主導。伴隨著水動力能量梯級分配狀態的形成，水交換的梯級分布、熱交換的梯級分布、生境的梯級分布、生態系統結構與功能的梯級分布，維系著紅樹林生態系統的生境多樣性與生物多樣性。

紅樹林不僅具有重要的生態系統服務功能，而且在防風消浪、促淤護岸上具有重要的防護作用，形成了海岸帶的有效綠色防護手段，減少了海岸防護的經濟投入[9-10]?？茖W家們很早之前就注意到紅樹林生態系統對于水動力的耗散效應[23-24]。紅樹林植物對水動力的削減作用主要由兩個原因引起：底部摩擦和植物本身帶來的拖曳力增加[15,25-26]。從能量變化視角來看，紅樹林對波浪的能量耗散效率研究是一個較為常見的例子。紅樹林對于波浪能量的耗散研究大多通過對比斷面上的沿程變化來展開，采用現場觀測、實驗室模擬和數值模擬等手段[27-31]。能量耗散效率可以用波高在單位距離上的減弱來進行量化[25]：

其中，r為波浪削減效率，H為波高，x為波浪傳播距離。這一公式和流體能量耗散公式十分接近，即單位重量的水體流動功率，可用速度和坡降的乘積表示[2]。

通過總結前人的研究，Kamil 等[31]將影響紅樹林對于波浪耗散的因素歸納為以下幾類：① 和紅樹林本身特征相關的因素，如植物帶寬、種類、物理結構特征、植物密度和年齡；② 和環境相關的因素，如水深、地表高程、入射波特征等。值得注意的是，在紅樹林生態修復過程中可以利用這些特征使得海岸防護能力得到提高?；诩t樹林對波浪的削減作用，Adytia 和Husrin[32]提出種植特定寬度的紅樹林帶進行海岸防護的方法。他們的模擬結果發現，當紅樹林帶的寬度是入射波波長的4 倍時，耗散效果最佳。這種波長倍數關系，和植物引起的基頻或諧波共振響應相關。前人的研究顯示[33-34]，紅樹林對于短波的耗散作用要好于長波（如涌浪、海嘯巨浪），這可能與紅樹林本身的空間結構特征有關，因為紅樹林植株生長的天然間隔大約是幾十厘米到幾米，對應共振吸收頻段位于短波。

事實上，除了沿程變化這種二維視角以外，紅樹林生活的潮灘具有三維結構，這種結構對于能量的有序耗散非常重要。潮灘由灘面（tidal platform）和潮溝（tidal creek）這兩類地貌單元共同構成[35]。潮溝是潮灘上的負地貌，對于潮灘的演化有著非常重要的作用，是潮灘整體能量和物質輸運的主要通道[36-38]。潮溝作為一種溝狀地貌，具有多級的分汊，通過空間自組織結構來完成能量的有效耗散[39]。盡管潮溝阻斷了植物的連續性分布，但是通過水文連通性，潮溝的存在有助于繁殖體擴散和存活，最終會對植物擴散和后續種間競爭產生重要的影響[40-41]。因此，潮溝-植物灘面之間存在交互作用，是一個典型的海岸帶生物地貌學問題[14]。

盡管潮溝底部不生長植物，但是潮溝兩側的岸壁上生長的植物可以穩定潮溝，而且植物生長初期的不均一性也是促使新潮溝發育的重要機制之一[22,42-43]。同時，由于潮溝是能量耗散的主要通道，這個系統形成了植被繁殖體（如種子、胚軸、根莖片段）傳播、擴散的主要路徑。已有研究顯示，潮溝的存在為外來紅樹林種-無瓣海桑的空間擴張提供了機會窗口：大量的種子和果實在經過水動力輸運以后會富集在潮溝周圍[17]。對越南Lac Bay 潟湖中紅樹林的研究則顯示了在生態系統修復過程中如何利用人工的潮溝來恢復紅樹林[44]。該地區由于人類活動的影響，造成紅樹林潮溝的消亡，最終因為咸淡水混合變弱而導致紅樹林受到鹽度脅迫而死亡。研究人員考慮了潮溝帶來的物質交換和能量交換過程，設計了人工潮溝，形成了有效的生態修復方案。

梯級分布的潮溝系統也調控著紅樹林生態系統的水溫環境，決定著熱能的耗散。前人的研究已經發現，當漲潮發生時，潮流的主要通道為潮溝，當潮溝被填滿之后，才出現漫灘現象；當落潮發生時，灘面歸槽水進入潮溝再排出，因此潮溝整體的淹沒時間遠遠超過灘面[36,45]。由于海水水溫和潮灘氣溫、土壤溫度具有差異性，潮溝的漲落潮過程往往對局地溫度變化有影響[46-47]。局地的水溫和氣溫變化均能對紅樹林的幼苗生長產生影響，實驗表明氣溫對胚軸萌發的影響可能大于水溫[48]。土壤溫度的變化則能夠影響土壤呼吸作用，特別是根呼吸作用[49]。近期實驗發現潮灘土壤溫度變化可以通過紅樹林根部菌群的調節來改變紅樹的抗寒能力[50]。在我國，紅樹林天然分布北界為福建省福鼎市（27°20'N），人工引種北界為浙江省樂清市（28°25'N）。隨著全球氣候變化，極端天氣事件發生的頻率變高，包括極端高溫和極端低溫[51]。對紅樹植物來說，極端低溫尤其不利，嚴重限制我國紅樹林的北移范圍。我國人工紅樹林分布的最北緣——樂清灣紅樹林區的現場觀測揭示了潮溝對于紅樹林抵抗冬季低溫的重要促進作用[47]。沿著潮溝分布的紅樹林的氣溫、土溫和沒有潮溝的灘面具有顯著的差異。潮溝的存在，可以使得沿程的紅樹林氣溫提高1～3 °C，土溫提高0.6～1.4 °C，有效促進了人工紅樹林的越冬概率[47]。潮溝系統在熱能耗散上的調整，對紅樹林這類溫度敏感型的潮間帶植物具有重要的影響，是需要開展進一步研究的方向。

6 結語

能量耗散是陸海界面沉積地貌發育的重要動力過程。當海岸沉積地貌系統處于阻抗匹配狀態，海岸沉積地貌系統則處于能量耗散極大值或者極小值的穩態之中，形成“梯度阻抗匹配”和“共振阻抗匹配”。運用這樣的概念，紅樹林的生物地貌過程事實上由潮溝-潮灘-植被界面上的能量耗散特征所決定的。紅樹林不僅可以調制界面上的能量耗散，而且這種能量耗散過程也能反過來影響紅樹林的生長和發育，這種基于能量耗散角度的生物地貌過程對于驅動紅樹林這一生態系統的發育具有重要的作用。

在我國人工紅樹林修復的工作中，尋找適合紅樹林生長的最適環境條件是一個關鍵的環節。前人的工作已經關注大范圍的溫度、鹽度和高程的影響，并從生態學和植物生理學角度提出了很多新的思考[14,20,51]。相比之下，潮灘局部地形和水動力的影響，特別是潮灘不同地貌單元（如潮溝）帶來的局地高程與溫度環境變化，會使系統性的能量耗散調整，但是現有的觀測數據非常有限[47]。目前，我國紅樹林的人工造林大多數采用灘面平整后種植的思路，盡管也有微地形的調整，但是像潮溝這樣的大型地貌單元在系統層面上對整個修復的生態系統有什么重要的作用，還有待進一步的研究。從能量耗散的視角來看，生態系統修復理論需要從二維的灘面高程思路擴展到三維思路，同時考慮灘面和潮溝這兩種正、負地貌的空間組合和沿程能量耗散，從而尋找到適合紅樹林定植、生長和擴散的關鍵“生物-環境”反饋條件。