海南省東方市紅樹林生境選擇及修復(fù)潛力評估

馮巧，吳庭天，2，3＊，陳宗鑄，2，3，雷金睿，2，3，陳小花，2，3，李苑菱，2，3

1.海南省林業(yè)科學(xué)研究院（海南省紅樹林研究院），海南 海口 571100；

2.海南省熱帶林業(yè)資源監(jiān)測與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 海口 571100；

3.海口市濕地保護(hù)工程技術(shù)研究開發(fā)中心，海南 海口 571100

紅樹林是中國沿海濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要植被組成，具有防風(fēng)消浪、護(hù)岸固堤、固碳釋氧、凈化大氣等多重生態(tài)功能，主要分布于海南、廣西、廣東、浙江、福建等沿海地區(qū)[1]。中國高度重視紅樹林保護(hù)和修復(fù)工作。2017 年，習(xí)近平在廣西視察時(shí)作出了“要尊重科學(xué)，把紅樹林保護(hù)好”的重要指示。2019 年習(xí)近平總書記、韓正副總理對全國政協(xié)《關(guān)于加強(qiáng)紅樹林保護(hù)的調(diào)研報(bào)告》作了重要批示。2020 年，自然資源部和國家林草局聯(lián)合印發(fā)《紅樹林保護(hù)修復(fù)專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃（2020—2025 年）》[2]，為中國紅樹林保護(hù)修復(fù)工作提供了“方向標(biāo)”和“時(shí)間表”。2021 年，自然資源部再次會(huì)同國家林業(yè)和草原局印發(fā)《紅樹林生態(tài)修復(fù)手冊》，指導(dǎo)沿海地區(qū)退化紅樹林和紅樹林跡地的生態(tài)修復(fù)工作。

海南是中國紅樹林分布的主要地區(qū)，分布有全國95%的紅樹植物[3-4]。但20 世紀(jì)70 年代的圍海造田以及20 世紀(jì)90 年代大力發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，對海南的紅樹林生態(tài)系統(tǒng)造成了很大的傷害，紅樹林濕地面積急劇下降[5]。進(jìn)入21 世紀(jì)后，海南開始著手紅樹林保護(hù)修復(fù)工作，相繼出臺(tái)了《海南省紅樹林保護(hù)規(guī)定》《關(guān)于加強(qiáng)和規(guī)范海南省高位池養(yǎng)殖業(yè)管理的通知》等法律法規(guī)，紅樹林濕地的破壞勢頭得以控制[1]。2022 年，海南省自然資源和規(guī)劃廳、海南省林業(yè)局聯(lián)合出臺(tái)《海南省紅樹林保護(hù)修復(fù)專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施方案（2022—2025 年）》，對全省紅樹林保護(hù)修復(fù)工作進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和安排，為海南省紅樹林生態(tài)修復(fù)工作提供了保障。

該研究以海南島西部地區(qū)典型市縣東方市為例，開展紅樹林生境選擇和修復(fù)潛力研究。根據(jù)《海南省紅樹林資源和適宜恢復(fù)地專項(xiàng)調(diào)查報(bào)告》顯示，東方市紅樹林分布面積較少，僅占全省紅樹林的3.9%。近年來東方市高度重視紅樹林保護(hù)與修復(fù)工作，大力開展紅樹林造林和補(bǔ)植補(bǔ)種，紅樹林面積得到一定擴(kuò)大。但紅樹林樹種單一、宜林地少、生境破碎化嚴(yán)重等問題仍較為突出。大量研究表明，退塘還林、退塘還濕已成為中國紅樹林修復(fù)的主要方式[1，6-8]，同時(shí)《紅樹林生態(tài)修復(fù)手冊》也指出了中國在紅樹林生態(tài)修復(fù)工作中存在的對于修復(fù)區(qū)域的選址、修復(fù)技術(shù)和方法的使用科學(xué)性不足等問題。因此，如何正確、準(zhǔn)確的選擇合適的造林及修復(fù)地是紅樹林保護(hù)和修復(fù)關(guān)鍵問題。

該研究擬基于東方市現(xiàn)狀紅樹林分布特征，以海岸線向海300m，向陸地1km 作為研究范圍，以野外實(shí)地樣地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用MaxEnt 物種分布模型擬合東方市紅樹林潛在適宜生境分布，再通過ArcGIS 平臺(tái)對適宜生境進(jìn)行熱點(diǎn)分布區(qū)分析，最后結(jié)合紅樹林保護(hù)現(xiàn)狀，提取保護(hù)空缺區(qū)及優(yōu)先修復(fù)區(qū)，旨在為東方市以及海南省的紅樹林保護(hù)和修復(fù)工作提供支撐和參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

東方市地處海南島西南部，位于熱帶季風(fēng)海洋性氣候區(qū)，溫度23℃～25℃，年均降雨量約1150mm，因蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降雨量，是海南最干旱的地區(qū)之一[9-11]。東方市現(xiàn)有紅樹林分布相對破碎，連片面積較小，紅樹林植物種類較少，僅白骨壤、紅海蘭、鹵蕨、拉灌木、無瓣海桑5 種，其中原有自然分布的僅白骨壤1種；2010 年來，東方市高度重視紅樹林生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)，在旦場園、四必村等地大量引種種植紅海蘭、拉灌木、無瓣海桑，總面積約166.2hm2，成效顯著。

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取

（1）紅樹林分布數(shù)據(jù)

東方市紅樹林分布數(shù)據(jù)均為野外實(shí)地樣方調(diào)查，結(jié)合遙感影像目視解譯獲取。以紅樹林小班為單位，通過ArcGIS 10.8 軟件創(chuàng)建隨機(jī)點(diǎn)，共獲取紅樹林現(xiàn)狀分布點(diǎn)600 個(gè)，作為MaxEnt 模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

圖1 紅樹林分布位置示意Fig.1 Distribution Map of Mangrove

（2）環(huán)境變量數(shù)據(jù)

該研究使用的環(huán)境變量數(shù)據(jù)主要包括海表鹽度（salinity）、海表溫度（temperature）、海表流速（velocity）、海表酸堿度（pH）、與岸線距離（distance）、土地利用類型（landuse）6 項(xiàng)。其中，海表鹽度、海表溫度、海表流速、海表酸堿度數(shù)據(jù)來源于用于生態(tài)建模的海洋數(shù)據(jù)層（www.bio-oracle.org）；與岸線距離數(shù)據(jù)通過GIS 平臺(tái)歐氏距離工具獲取；土地利用類型數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。

1.2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

(1)將紅樹林現(xiàn)狀分布點(diǎn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)出為csv 格式文件；

(2)以研究范圍為基準(zhǔn)，將所有環(huán)境變量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同范圍和坐標(biāo)系；

(3)通過ArcGIS 10.8 軟件的插值和重采樣工具，將所有環(huán)境變量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為分辨率10m 的柵格數(shù)據(jù)；

(4)在ArcGIS 10.8 軟件中將環(huán)境變量柵格數(shù)據(jù)導(dǎo)出為asc 格式文件。

1.2.3 MaxEnt 模型構(gòu)建

該研究利用MaxEnt 軟件進(jìn)行生境適宜性分析，經(jīng)多次擬合調(diào)整后發(fā)現(xiàn)將隨機(jī)測試比例設(shè)定為25%[12-13]，正則化乘數(shù)設(shè)置為1.15 時(shí)，擬合結(jié)果最符合紅樹林實(shí)際分布，設(shè)置為20 次bootstrap 重復(fù)，其他參數(shù)保持默認(rèn)。

采用Jacknife 檢驗(yàn)環(huán)境因子重要性，模型運(yùn)行精度使用ROC 曲線(受試者工作特征曲線) 下面積(AUC)進(jìn)行評價(jià)，值越大模型預(yù)測效果越好[14]。評價(jià)結(jié)果分級：分一般（0.7～0.8）、好（0.8～0.9）和非常好（0.9～1.0）三級[15-16]。模擬結(jié)果在空間上以概率形式表達(dá)紅樹林分布可能性大小，通過ArcGIS 10.8 軟件的自然斷點(diǎn)法工具[17-18]，將適宜生境劃分為高適生區(qū)、中等適生區(qū)和低適生區(qū)3 類。

1.2.4 保護(hù)空缺分析

GIS 平臺(tái)的核密度分析工具 ( Kernel Density)可通過點(diǎn)或線的分布密度，結(jié)合權(quán)重值反映目標(biāo)在空間上聚集程度或發(fā)生概率。該研究基于紅樹林生境適宜性模擬結(jié)果，通過核密度分析工具獲取保護(hù)與修復(fù)優(yōu)先區(qū)，再結(jié)合現(xiàn)狀保護(hù)地設(shè)立及分布情況，提取保護(hù)空缺區(qū)域[17，19]。

2 結(jié)果和分析

2.1 紅樹林分布與環(huán)境因子的關(guān)系

通過MaxEnt 軟件10 次重復(fù)模擬，得到ROC 曲線綜合AUC 值為0.935，表明了模型擬合預(yù)測可靠性高(圖2)，結(jié)果具有參考性。

圖2 模型擬合的受試者工作特征曲線檢驗(yàn)Fig.2 Receiver Operating Characteristic Curve of Model Fitting Results

圖3 環(huán)境變量貢獻(xiàn)率特征Fig.3 Characteristics of Contribution Rate of Environmental Variables

圖4 環(huán)境變量刀切法檢驗(yàn)結(jié)果Fig.4 The Jackknife Test Result of Environment Variables

圖5 環(huán)境變量與紅樹林適宜生境分布的響應(yīng)關(guān)系Fig.5 The Response Relationship Between Environmental Variables and Mangrove Suitable Habitat Distribution

圖6 東方市紅樹林生境適宜性分布Fig.6 Distribution of Mangrove Habitat Suitability in Dongfang City

圖7 東方市紅樹林保護(hù)與優(yōu)先修復(fù)區(qū)分布Fig.7 Priority Areas for Mangrove Conservation and Restoration in Dongfang City

MaxEnt 軟件模擬結(jié)果以貢獻(xiàn)率和重要性2 種方式表達(dá)環(huán)境變量對物種分布的影響程度，其中貢獻(xiàn)率考慮變量間的相互影響，重要性不考慮[20]。結(jié)果顯示，在不考慮變量間相互影響的前提下，海表水流速對紅樹林的重要性最高，占地42.0%，其次為pH（17.8%）、海表鹽度（14.8%）；考慮變量間相互影響的作用后，土地利用類型和海表水流速對紅樹林分布影響最大，貢獻(xiàn)率分別達(dá)32.4%和30.3%，其次分別是與岸線距離（15.6%）、pH（8.4%）、海表鹽度（7.1%）、海表溫度（6.2%）。

刀切法檢驗(yàn)結(jié)果顯示，海表水流速、海表鹽度、海表溫度對東方市紅樹林分布影響最大，表明以上3 個(gè)因子對紅樹林的分布和生境選擇起重要作用；另一方面，與岸線距離和土地利用類型2 個(gè)因子單獨(dú)發(fā)生變化時(shí)，對模型預(yù)測結(jié)果影響最大，說明當(dāng)這兩個(gè)因子發(fā)生變化后相較于其他因子會(huì)對紅樹林生境產(chǎn)生更大的影響。

2.2 紅樹林適宜生境閾值

選取對紅樹林生境影響最大的4 個(gè)環(huán)境變量因子土地利用類型、與岸線距離、海表水流速、pH，進(jìn)行適宜生境選擇與環(huán)境變量的關(guān)系分析。通過單因子建模，結(jié)果顯示東方市紅樹林最適宜生境的土地利用類型為水域、與岸線距離為160m～470m、海表水流速為1.38m/s～1.71m/s，pH、海表鹽度和海表溫度因子差異不明顯。

2.3 紅樹林潛在適生區(qū)

擬合結(jié)果顯示，東方市紅樹林高適生區(qū)約750hm2、中等適生區(qū)約1451hm2、低適生區(qū)約7850hm2。其中，高適生區(qū)主要分布在四更鎮(zhèn)旦園村、四必村、四而村，八所鎮(zhèn)田莊村、益興村、昌義村，新龍鎮(zhèn)下通天村、新村周邊。

2.4 紅樹林保護(hù)與修復(fù)優(yōu)先區(qū)分析

海南省東方市共有自然保護(hù)區(qū)4 個(gè)，其中涉及紅樹林的僅有“海南東方黑臉琵鷺省級自然保護(hù)區(qū)”1 個(gè)，將東方市紅樹林現(xiàn)狀分布數(shù)據(jù)與保護(hù)地?cái)?shù)據(jù)疊加，計(jì)算得出位于保護(hù)地范圍內(nèi)的紅樹林面積為83.2hm2，約占全市紅樹林總面積的50%。將保護(hù)地與紅樹林中高等適宜生境數(shù)據(jù)疊加后，顯示僅有37.5%的區(qū)域被納入保護(hù)范圍。

以紅樹林適宜生境模擬結(jié)果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過ArcGIS10.8 軟件進(jìn)行核密度分析，生成紅樹林適宜生境熱點(diǎn)分布圖，結(jié)果顯示，高熱點(diǎn)區(qū)主要分布在四更鎮(zhèn)旦園村、四必村、四而村，八所鎮(zhèn)田莊村、益興村、昌義村，新龍鎮(zhèn)下通天村、新村等現(xiàn)狀紅樹林分布區(qū)周邊，而除了位于海南東方黑臉琵鷺省級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的紅樹林外，其他區(qū)域的紅樹林均處于保護(hù)空缺狀態(tài)。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

該研究基于野外實(shí)測數(shù)據(jù)，利用MaxEnt 物種分布模型和ArcGIS 平臺(tái)擬合東方市紅樹林適宜生境及保護(hù)空缺區(qū)和優(yōu)先修復(fù)區(qū)，主要結(jié)論如下：（1）基于物種分布的模型擬合結(jié)果顯示，影響東方市紅樹林分布的主要環(huán)境因子為海表水流速、土地利用類型、pH、與岸線距離。（2）紅樹林高適宜生境面積約750hm2。主要分布在四更鎮(zhèn)旦園村、四必村、四而村，八所鎮(zhèn)田莊村、益興村、昌義村，新龍鎮(zhèn)下通天村、新村周邊。比較歷史記錄，東方市約有325.9hm2的生態(tài)修復(fù)空間。（3）結(jié)合空缺分析結(jié)果，可優(yōu)先選擇四更鎮(zhèn)旦園村、八所鎮(zhèn)益興村、田莊村，新龍鎮(zhèn)下通天村及其周邊地區(qū)開展紅樹林修復(fù)和和恢復(fù)工作。

3.2 討論

3.2.1 紅樹林適生條件

紅樹林的分布和生長狀態(tài)與所處的環(huán)境條件息息相關(guān)，眾多研究顯示海表溫度、鹽度、水深、降水、海拔、底質(zhì)類型等都是制約紅樹林生長的重要因子[7，21-22]，但不同區(qū)域尺度上其限制因子和閾值也不盡相同。該研究中，海表水流速、土地利用類型、pH、與岸線距離是影響東方市紅樹林分布的主要環(huán)境因子。

水流速度或者說潮流大小，對紅樹林生境選擇極為重要。紅樹林植物喜生長于富含有機(jī)質(zhì)的淤泥中，合適的水流速度有利于泥沙、碎屑以及動(dòng)物碎殼等底質(zhì)及營養(yǎng)物質(zhì)沉積[23]，同時(shí)這其中帶來的鈣離子更是可以中和高鹽度海水中的鈉離子，減少對紅樹林的危害，形成符合紅樹林生長的土壤和環(huán)境條件[24]。土地利用變化對紅樹林生境選擇同樣影響顯著。晁碧霄等[13]的研究顯示，養(yǎng)殖活動(dòng)、建設(shè)用地?cái)U(kuò)張等土地利用變化對紅樹林生境分布具有顯著負(fù)向影響，當(dāng)土地利用政策調(diào)整后會(huì)對紅樹林分布面積有10%到38%的正向增幅，紅樹林生境改善明顯。從pH 來看，該研究紅樹林適宜生長的pH 區(qū)間在8.2左右，這與東方市主要紅樹林植物為白骨壤關(guān)系密切；已有研究表明，白骨壤屬、紅樹屬植物喜生于堿性土壤中[24]；這也可為后期紅樹林修復(fù)工作中樹種的選擇提供參考。另外，與岸線距離因子，涉及潮位、海拔、人為干擾的多重因素，因此與紅樹林分布同樣息息相關(guān)。晁碧霄等[19]對廣東省紅樹林潛在適生區(qū)和保護(hù)空缺分析的研究中也印證了與岸線距離對紅樹林生境選擇的重要性。

3.2.2 模型適用性分析

該研究應(yīng)用MaxEnt 物種分布模型結(jié)合ArcGIS軟件平臺(tái)，完成對海南省東方市紅樹林適宜生境的擬合及保護(hù)優(yōu)先區(qū)、空缺區(qū)的甄別。模型擬合精度達(dá)0.935，研究結(jié)果具有較高的參考價(jià)值。但從另一方面看，該研究選定的環(huán)境變量僅海表鹽度、海表溫度、pH、海表水流速、土地利用類型和與岸線距離6項(xiàng)因子，未將底質(zhì)、高程、人為干擾程度等在小區(qū)域尺度上對紅樹林的生境選擇影響較為顯著因子納入背景變量中[17]，研究結(jié)果或存在一定的片面性和不確定性。后續(xù)研究中，可在以上缺省變量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步將氣候因子、有害生物侵襲、水質(zhì)等因子納入共同論證，增加研究結(jié)果的可靠性和科學(xué)性。

3.2.3 紅樹林保護(hù)與修復(fù)對策

根據(jù)海南省紅樹林資源和適宜恢復(fù)地專項(xiàng)調(diào)查結(jié)果顯示，東方市宜林養(yǎng)殖塘和灘涂面積約203.68hm2，現(xiàn)狀紅樹林地220.42hm2，適宜生境合計(jì)424.1hm2；該研究擬合結(jié)果中，東方市紅樹林高適生區(qū)約750hm2，較歷史調(diào)查結(jié)果新增325.9hm2。從比較結(jié)果可以看出，理論上東方市仍有較大的適宜空間供紅樹林生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)使用。

資料顯示，海南省紅樹林保護(hù)率約為68.7%，與廣東省74.81%[25]、福建省64.4%[17]相仿。但東方市紅樹林保護(hù)率僅37.5%，保護(hù)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于全省平均水平，海南東方黑臉琵鷺省級自然保護(hù)區(qū)雖保護(hù)住了東方市境內(nèi)的主要紅樹林生態(tài)系統(tǒng)，但在保護(hù)區(qū)外還還分布有一些較好的紅樹林，也需要得到有效保護(hù)管理。根據(jù)空缺分析結(jié)果，建議優(yōu)先在四更鎮(zhèn)旦園村，八所鎮(zhèn)益興村、田莊村，新龍鎮(zhèn)下通天村及其周邊地區(qū)實(shí)施紅樹林修復(fù)和和恢復(fù)工作。并結(jié)合積極推進(jìn)保護(hù)小區(qū)、濕地公園的建設(shè)，將已有原生群落和新修復(fù)人工林集中管護(hù)，最大化保障紅樹林生態(tài)修復(fù)和恢復(fù)成效。