生物膜对潮滩动力地貌演变影响的数值模拟研究

河口海岸潮滩湿地是一个复杂的生态系统,其地貌的形成和演变是水动力、泥沙输移和生物过程等多种因子相互作用的结果,特别是,探究潮滩生物过程并阐明其生物-物理效应是当前海洋科学领域研究的热点和难点。本文聚焦微生物生物膜,构建了耦合生物膜与水动力、沉积物输移、地貌演变的二维生物动力地貌模型,探究了生物膜在潮滩泥沙输移和地貌演变中发挥的作用。利用文献数据验证生物动力地貌模型,模型结果与文献数据吻合较好,表明所构建的模型可以较好地模拟出生物膜的增长规律及年际变化情况。结果表明,当水动力较弱时,在有生物膜作用的潮滩上,潮沟向陆侧延伸更充分,呈现出树杈状分布,潮间带区域的潮沟两侧分布有生物膜。通过对潮沟形态进行定量分析,发现生物膜的存在促进了潮沟数量增加,并向纵深方向发展,同时限制了其宽度的增加。相较于没有生物膜影响的潮滩,潮沟的平均深度增加,总面积减小,总长度增加,平均宽度减小,总体积增加。研究结果有助于加深对生物膜在潮滩地貌塑造中的作用机制认识,为海岸带保护与生态修复工程提供科学依据。

潮沟曲流摆动对潮滩沉积物碳输出的影响——以江苏中部潮滩为例

潮滩是全球固碳能力最高的生态系统之一,是缓解全球变暖的有效蓝色碳汇。针对潮滩碳汇功能,现有研究多关注生物作用下的碳输入过程,关于地貌演变,特别是潮沟曲流摆动引起的沉积物碳输出过程研究较少,因此无法准确评估潮滩碳汇功能的动态变化。研究结合野外观测、遥感反演与室内实验,探究了潮沟曲流摆动对潮滩沉积物碳输出过程的影响,从曲流摆动速率与有机碳空间分布特征两方面开展分析。研究结果表明:潮沟曲流摆动速率的空间差异可达数个量级,由粉砂滩的10^(-3) m/s锐减至互花米草盐沼滩的10^(-6) m/s;粉砂淤泥滩潮沟摆动速率存在显著的季节性差异,冬季摆动速率约为夏季的两倍;潮滩土壤有机碳含量呈海向递减趋势:互花米草盐沼滩(4.62 g/kg)>粉砂淤泥滩(2.61 g/kg)>粉砂滩(1.51 g/kg);综合考虑曲流摆动速率与土壤有机碳含量,发现粉砂滩沉积物碳输出速率显著高于互花米草盐沼滩,可达49.4 g C m^(-2) a^(-1),与该区域的碳埋藏速率相当。研究证实了潮沟曲流摆动对潮滩沉积物碳输出过程的重要性,为提升潮滩碳汇功能预测水平提供了重要的理论依据与数据支撑。

杭州湾北岸现代潮滩沉积物粒度特征及其对古海平面的指示意义

对杭州湾北岸3处现代潮滩沉积物进行高精度粒度分析,查找研究区潮滩不同微相的粒度特征和差异,提取基于粒度分析的潮滩微相识别敏感指标,并将其应用到该区域的全新世钻孔潮滩沉积物中,识别钻孔潮滩沉积微相,据此建立研究区全新世早期的海平面曲线。研究表明:杭州湾北岸现代高潮滩盐沼沉积物粘土含量明显高于高潮滩下部和中潮滩,而砂含量与之相反;高潮滩盐沼平均粒径等粒度参数明显小于中、高潮滩的粒度参数;盐沼沉积物粒度频率曲线峰态宽缓,明显区别于高潮滩下部和中潮滩。上述现代潮滩微相粒度敏感指标可成功应用到钻孔潮滩沉积微相划分中,并建立了该区域全新世早期海平面曲线。曲线显示,9700~8700 cal a BP期间海平面上升约11.6 m,海平面上升速率可达1.2 cm/a。现代潮滩不同位置沉积物粒度参数的规律性差异可作为潮滩微相识别的有效指标,为古潮滩沉积微相识别和古海平面重建提供参考依据。

潮滩泥沙抗侵能力的微生物作用研究综述

经典海岸动力学理论认为,海岸泥沙的侵蚀特性仅与物理化学因子有关。潮滩上大量微生物及其分泌的黏性物质形成的生物膜,附着泥沙颗粒而展现出的生物稳定效应,是新的研究难点,也是国际前沿和热点问题。目前微生物作用对于潮滩泥沙稳定性影响的研究尚处于发展阶段。结合国内外文献综述了潮滩微生物及其生物膜的分布特征,分析了潮滩微生物对海岸泥沙理化特性及稳定性的贡献及其作用方式,针对研究现状中的不足,对今后的研究方向提出了展望。研究成果可以丰富海岸动力学和泥沙运动力学的知识体系和学科内涵,发展河口海岸生物泥沙研究新方向。

三沙湾潮滩涨落潮和大小潮冲淤特征及其动力机制

潮滩不同尺度的变化规律一直是地表过程研究的核心之一。利用声学多普勒流速仪(ADV)、温盐深(CTD)、光学后向散射浊度计(OBS)对三沙湾潮滩涨落潮和大小潮冲淤及动力变化进行了高精度的观测。结果发现,潮周期内,潮滩冲淤呈现涨潮初期冲刷-落潮末期淤积-中间时段稳定的特征,涨潮初期水深<1 m的30 min内平均冲刷4.05 mm,落潮末期水深<1 m的30 min内平均淤积3.72 mm,中间时段动态稳定;大小潮周期内,呈现中潮到小潮平均淤积3.4 mm,小潮到大潮平均冲刷8.2 mm的特征。通过流速、紊动能、水深、悬沙浓度等因子与冲淤的相关性分析发现,潮周期内,流速和紊动能的增减决定涨潮初期冲刷和落潮末期淤积的变化;大小潮周期内,涨潮冲刷大于落潮淤积的特性决定了大潮到小潮阶段的冲刷,涨潮冲刷小于落潮淤积决定了小潮到大潮阶段的淤积。涨落潮周期和大小潮潮周期的冲淤机制为潮滩动力地貌和动力沉积学研究提供了一定的参考。

径流与涌潮对钱塘江尖山潮滩演变的影响分析

潮滩湿地具有生态系统服务、海岸防护等重要功能,认识其在涌潮与径流作用下的潮滩演变特征,对保护钱塘江涌潮区域湿地至关重要。基于钱塘江尖山潮滩151张地形及径流、水位、泥沙和遥感数据,探究潮滩演变特征与驱动机制。结果表明:(1)尖山潮滩呈动态平衡,在观测区,枯季淤积速率为0.01 m/d,坡度降至1‰后稳定;洪季崩岸速率达3 m/d,崩退宽度达113 m,但洪季后以0.05 m/d的速率恢复。(2)洪季潮滩处的涌潮略强于枯季,洪水促进河势分汊,而涌潮主要通过南汊输沙,减少了北汊潮滩处泥沙输送。(3)钱塘江流量是控制潮滩年内季节性冲淤变化的关键因素,潮滩变化速率与流量、初始高程及潮差呈多元线性关系。(4)洪水改变河势,潮滩泥沙供应减少,含径流的退潮流冲刷增强使其崩岸退缩,但当水流冲刷减小、涌潮与涨潮流输沙占优时,潮滩迅速淤积。

基于挟沙力方法的潮滩剖面形态演变数值模型

为研究波流共同作用下的潮滩剖面形态演变,推导了基于切应力方法的挟沙力公式,开发了基于挟沙力方法的潮滩剖面形态演变数值模型,模拟结果与Delft3D模型基本一致,计算效率明显提升。分别采用切应力方法和挟沙力方法模拟潮滩形态的演变过程,挟沙力方法在潮间带上部区域的模拟效果优于切应力方法,更容易模拟出淤积条件下的上凸形剖面,整体剖面形态更接近实测剖面。计算模拟了潮滩剖面在不同波浪条件下的演变过程,波浪对潮滩形态有极强的塑造作用,入射波高的提升加剧了潮间带的侵蚀,形成明显的下凹形剖面。

基于无人机航测的红树林潮滩地貌高程反演

红树林潮滩地貌高程的变化直接影响红树林生长发育。精确快速获取潮滩地貌高程动态变化过程,对实施红树林培育与造林意义重大。然而,受限于潮水涨落、潮滩易陷及红树林区难以深入等因素,红树林潮滩地貌的高程获取成为当前备受关注的难点。基于此,本文以广西北部湾北部北仑河口为例,利用DJI Phantom 4 RTK无人机对区域进行多高度、多架次航测,以Structure from Motion(SFM)算法为核心反演该区域的红树林潮滩地貌高程,探讨影响高程反演精度的因素,进而拟合出一套误差修正关系式,并以钦江与南流江河口红树林潮滩为应用对象验证该关系式的适用性。结果表明:(1)无人机飞行高度直接影响高程提取精度,其中飞行高度越高,提取的地貌高程误差越大,飞行高度约在110 m时更能兼顾航测用时和高程提取精度;(2)无人机航测提取的潮滩地貌高程值与RTK测量值存在较为显著的垂向平移偏差关系,提取值普遍高于RTK测量值,基于此提出了修正关系式,实现了对不同飞行高度的高程提取值的修正,显著提高了其精度,且关系式有较好的适用性和普适性;(3)植被覆盖度是无人机提取潮滩地貌高程的重要影响因子,植被覆盖度越高,提取精度越低,本研究的修正关系式在光滩区域的修正效果优于植被区域。研究结果可为无人机反演红树林潮滩地貌高程变化过程提供部分理论和技术支撑,对提高无人机反演红树林潮滩地貌高程的效率和精度有一定借鉴意义。

树种类型和潮滩高程对广东湛江高桥红树林碳储量的影响

红树林位于海洋与陆地的交界处,其高效的碳汇能力易受多方面因素的影响。文章通过分析植物生长指标、生物量、植被碳储量和土壤碳储量以及土壤容重等参数,研究了树种类型和潮滩高程对广东湛江高桥区红树林群落碳汇功能的单独作用和耦合效应。结果表明,高桥红树林的固碳总量为4.98×10^(10)g,碳密度为107.76×10^(6)g·hm^(-2),土壤碳积累是该红树林固碳的重要贡献。不同潮滩红树林的碳储量受树种差异的影响显著,且低潮滩的红树林碳储量显著高于高潮滩和中潮滩,而潮滩高程仅对无瓣海桑群落的碳储量具有显著影响。无论是植物碳库还是土壤碳库,中潮滩红海榄群落和低潮滩无瓣海桑群落的碳密度最高。红树群落的土壤有机碳含量在垂直方向分布均匀,各土层间无显著差异。在高潮滩和中潮滩,土壤有机碳含量的垂直分布受树种影响,大部分桐花树群落的土壤有机碳含量显著高于同土层的秋茄群落、白骨壤群落和无瓣海桑群落,而树种对低潮滩各土层有机碳含量无显著影响。虽然树种类型和潮滩高程可影响土壤容重与土壤有机碳含量间的作用关系,但线性拟合结果以负相关关系为主。

长江口潮滩高分辨率波流耦合模型

海岸带潮滩地区在潮汐的影响下呈现出复杂的地貌形态和波浪-水流的相互作用。建立高分辨率的潮滩波流耦合模型,以模拟潮滩中的精细波浪水动力过程,对于海岸防护设施设计和滨海湿地生态修复工程至关重要。本文以长江口南汇潮滩为研究区域,通过提出基于无人机RTK数据的潮滩高程反演技术,构建考虑潮滩干湿界面交替变化的波浪-水流耦合方法,开展潮滩波浪和水流现场观测等手段,借助Delft3D软件包建立了长江口潮滩高分辨率波流耦合模型。该模型嵌套长江口大尺度模型和潮滩小尺度模型,整合了海图水深数据、船测水深数据以及无人机高程反演数据,模型的边界条件包括天文潮汐、风场、径流和二维波浪谱等时序数据。研究结果表明,该模型不仅成功重现长江口水位、波浪和水流等关键参数,还能够精准模拟潮滩上的非线性波流耦合过程,模型模拟的潮滩水位、流速流向、波高等方面与实际观测数据具有较强的一致性。该模型不仅可为海岸水动力-结构相互作用模型提供边界条件,还能为滨海湿地生态修复和河口海岸管理提供精准的水动力支持。

临港潮滩盐沼植被的生态修复效果分析

互花米草的入侵使得临港潮滩的植被格局发生显著变化,探索有效的治理技术对保护长江口海滩生态环境具有重要意义。采用刈割+翻耕+深埋覆土治理技术有效控制互花米草扩散,中低滩通过土工格室组合土工管袋提升海三棱藨草的存活率,中高滩涂种植芦苇,配合投加底栖生物,形成“高-中-低滩”梯度的自然滩涂盐沼湿地生境,提高海岸生态系统的自我修复能力。本文以上海临港滨海海洋生态保护修复项目为例,分析临港潮滩盐沼植被的生态修复效果,为今后海洋生态治理与保护提供参考。

考虑潮位校正的乐清湾潮滩面积近30年变化遥感研究

潮滩是滨海湿地的重要组成部分,监测其演变对于蓝碳增汇具有重要意义。卫星遥感是目前应用最广泛的潮滩监测手段之一,但受潮位影响,遥感提取的潮滩面积往往被低估。本文利用2016—2021年Sentinel-2卫星影像提取乐清湾潮滩瞬时面积,建立了潮滩面积与潮位的定量关系模型,从而实现潮滩面积的潮位校正。在此基础上,将建立的校正模型应用于Landsat卫星影像,获取了1988—2020年期间7个时期的乐清湾潮滩面积,并分析了乐清湾潮滩面积近30年的变化及主要驱动因素。结果表明,乐清湾潮滩面积在1988—1994年期间显著增加,在1994—2010年期间急剧减少,在2010—2015年期间少量增长,而在2015—2020年期间再次减少。人类活动对潮滩的开发利用是乐清湾潮滩面积变化的主要驱动因素。

利用Sentinel-2多光谱影像构建一种潮滩提取指数

潮间带潮滩由于受到潮汐周期性淹没的影响导致难以精准确定其空间分布,因此,迫切需要利用遥感技术了解潮滩受潮汐淹没的光谱变化特征,构建潮滩提取指数,对潮滩的精准解译提供方法及基础数据支持。基于多时相Sentinel-2多光谱影像,通过分析高、低潮影像上不同地物的光谱反射率特征差异,优选出能反映潮滩特征的波段,构建一种海岸带潮滩提取指数。在此基础上,从三方面对已构建潮滩指数的可行性进行论证:(1)将潮滩提取指数应用到3个不同潮滩类型的研究区,研究了潮滩指数的可分离性及对不同潮滩类型区域的适用性,研究结果表明:与其他地类相比,构建的潮滩提取指数对潮滩具有较好的可分离性,并且适用于砂质、泥质不同种类的潮滩;(2)研究了潮滩提取指数对不同分类方法(包括最小距离法、极大似然法、支持向量机)的适用性,研究表明:采用所选取的三种分类方法进行潮滩解译时,其总体精度均大于93%,Kappa系数均大于0.85,潮滩提取指数对不同的分类方法均具有普适性,且可有效提高潮滩的解译精准度;(3)研究了潮滩提取指数对不同数据源的适宜性,采用“珠海一号”数据与本文Sentinel-2多光谱数据解译潮滩并对比结果,研究显示:构建的潮滩提取指数适用于不同数据源,且取得了较好的潮滩分类精度。该方法提高了海岸带潮滩遥感提取的准确度,丰富了潮滩遥感解译理论,对海岸带潮滩生态系统的科学管理与保护提供了理论指导与意义。

护滩软体排对潮滩碱蓬湿地修复的影响研究——以江苏条子泥为例

河口海岸潮滩湿地具有重要的生态服务功能,是近年来国家海岸带保护修复重大工程的重点关注区域。江苏条子泥潮滩湿地是中国黄(渤)海候鸟栖息地(第一期)的重要组成部分,面临着潮滩湿地保护修复和海堤工程维护的统筹协调等问题。护岸工程软体排是河口海岸工程常用的维护措施,但其对潮滩湿地保护和修复的影响尚不清楚。通过野外调查、碱蓬移栽和播种试验,分析了护滩软体排工程临近区域的高程、水动力、沉积物等环境参数对盐地碱蓬(Suaeda salsa)湿地修复的影响。结果表明:1)软体排对潮滩地貌影响明显,软体排内滩面稳定,软体排外亦有掩护效果,两月内促进盐沼植被区高程增量达29 cm,软体排外光滩高程变化剧烈;软体排建造后,海堤附近滩面地形有助于碱蓬植被定植,形成的高滩上移栽碱蓬存活率达55%,而在低处潮滩无法存活。2)碱蓬植被密度和株高受到盐度、高程、中值粒径环境因子的显著影响(P<0.05,P为显著性水平),高程与碱蓬植被密度、株高正相关;盐度和中值粒径与碱蓬植被密度负相关;流速与碱蓬植被密度负相关;有效波高与碱蓬株高负相关。研究结果可为潮滩软体排护滩工程的实施、碱蓬盐沼植被定植机理和生态修复提供科学参考。

底栖生物影响下的潮滩微地貌演化数值模拟

潮滩是海岸带湿地的主要类型之一,其中分布的底栖生物对生态环境具有重要的调节作用。潮滩底栖微藻、泥沙与水动力之间存在相互作用,影响潮滩微地貌形态,明晰底栖生物对潮滩微地貌的演化机制至关重要。以黄河三角洲潮滩湿地为研究区,通过构建潮滩微地貌动力模型,探究底栖生物对微地貌格局演化的作用机制,分析底栖生物对微地貌系统稳定性的影响。结果表明(1)底栖微藻生长与泥沙扩散、水流再分配过程交互作用驱动下,潮滩上可形成底栖微藻覆盖的高丘与积水洼地交替分布的规则性微地貌斑图;(2)微地貌斑图的形成提高了潮滩生态系统初级生产力和泥沙淤积高度;(3)底栖微藻与泥沙、水流的交互作用使得潮滩微地貌系统对侵蚀扰动呈现非线性响应行为,系统存在临界点,且在一定侵蚀率范围内存在双稳态;(4)黄河口泥螺入侵使得微地貌系统抵抗侵蚀扰动能力减小,且系统稳定性随泥螺生物量的增加而降低。

1989—2021年中国大陆海岸带潮滩、海岸线、养殖水体遥感观测

海岸带是世界上容纳人口最多的区域,其生态系统受到人类活动的强烈影响。潮滩、海岸线、养殖水体变化是海岸带生态系统健康监测的重要要素。由于潮汐作用,海陆水边线处于动态变化状态,是应用遥感技术进行潮滩、海岸线检测的主要难点,故通过综合Landsat4/5/7/8和Sentinel-2A/B卫星遥感数据对1989—2021年间中国大陆海岸带潮滩、海岸线、养殖水体进行了7期监测,发挥了多源卫星观测频次高的优势,通过检测不同潮位的水边线实现潮滩、海岸线、养殖水体的识别。结果表明:针对不同水色的海水应选用不同的水体指数组合,对于清澈或低浑浊度的海水,应分别采用修正的水体指数(modified normalized difference water index,mNDWI)与归一化差值水体指数(normalized difference water index,NDWI)检测高潮位、低潮位水边线,有效提高潮滩检测的可靠性,检测的潮滩面积比通常仅用mNDWI指数检测的潮滩面积大122%;对于高浑浊度海水(浙江省、江苏省和上海市),应采用mNDWI进行高潮位、低潮位水边线的检测,以避免NDWI将高浑浊度海水误识别为潮滩,对养殖水体应采用NDWI检测。1989—2021年,中国大陆海岸带发生了巨大变化,潮滩快速消失,养殖水体面积和海岸线长度增加,整个中国大陆海岸带的潮滩减少率、海岸线长度和养殖水体增加率平均分别为46.2%,34.4%和149.3%,潮滩面积减少了7173.2 km^(2),海岸线长度增加5320.5 km,养殖水体面积增加了9046.5 km^(2)。北方省份或城市遭受的潮滩损失比南方省份或城市更严重。以1989—2021年潮滩平均减少率计算,辽宁省、河北省和天津市、山东省的潮滩将分别在27 a,10 a和22 a内完全消失。潮滩和养殖水体的面积变化高度负相关,表明养殖水体的扩展是潮滩减少的重要驱动因素。

潮滩底栖动物对泥沙运动的影响研究进展

潮滩底栖动物通过摄食与掘穴等生命活动能够显著影响泥沙运动过程,是潮滩泥沙运动力学的研究热点之一。分析了潮滩底栖动物的种群空间分布及其作用下的滩面特征,从改变土体性质和水流结构两方面剖析了底栖动物对泥沙运动的影响机制,归纳总结了现场原位观测、室内物理模型试验和数值模拟等研究手段和方法。后续研究可加强潮滩原位泥沙起动测量技术及室内扰动研究装置的改进,结合底栖动物扰动结构形态及种群分布特征,深入研究底栖动物对泥沙起动的影响机制。

江苏潮滩型滨海地区景观生态修复与海绵城市建设耦合地域设计模式探讨

将海绵城市低影响开发和生态保护修复有机耦合,强调关注绿色雨水基础设施的生态保育与修复功能。通过对土壤生态修复改良措施与技术途径的系统梳理,统筹考虑“治盐”与“治水”,探讨适用于该地区的多目标、近自然、原生态、低成本、易维护的“水—盐”复合型“修复+海绵”地域设计模式。旨在为潮滩型滨海地区环境建设提供借鉴与参考,践行人与自然和谐共生的绿色发展新理念。创新的将景观生态海绵策略的适宜性与生态修复进行耦合分析,为潮滩型滨海地区的景观设计提供崭新路径。

长江口南汇潮滩的波浪特征及其影响因素

波浪是塑造开敞型潮滩动力地貌的重要因素,但目前对潮滩波浪特征研究仍较少。该文以长江口南汇潮滩为例,通过对固定平台声学多普勒流速仪(Acoustic Doppler Velocimeter,ADV)获得的流速和水压等高频数据进行反演,获得了波浪特征参数和波浪谱参数,进而分析了它们在潮周期内的变化规律和影响机制。研究表明,观测期间南汇潮滩3个站位波浪的常浪向和强浪向以SE向为主,由长周期涌浪占主导。3个站位的有效波高与水深均成正相关关系,但各站位在涨、落潮期间的拟合系数不同。波浪轨道流速受浅水效应和潮流流向的影响明显,如在涨潮初期达到最大,在转流时期出现谷值。落潮期间波浪频谱以双峰谱为主,明显受到潮汐水位和地形的综合影响,期间峰值能量不断衰减且逐渐分散,并伴随出现了峰频转移现象。

红树林生态系统中潮滩与植物消浪特性试验

采用室内水槽物理模型试验研究了潮滩、植物和红树林生态系统的消浪特性,量化了潮滩对红树林生态系统波高衰减的贡献。结果表明:随着植物淹没度的增大,潮滩、红树林生态系统的波高比均逐渐增大,即消浪效果越来越弱,而植物的波高比则是先减小再增大,水位在树冠中心时消浪率远高于其他植物部位;随着相对波高的增大,潮滩的波高比先稳定在1.0附近然后再减小,红树林生态系统的波高比逐渐减小,而植物的波高比先减小再增大;随着波长与植物带宽度的相对宽度增大,潮滩的波高比先略减小再增大,但多数稳定在1.0附近,而植物与红树林生态系统的波高比先增大再略微减小;潮滩对红树林生态系统波高衰减贡献随淹没度减小逐渐增大,最大可达63%;波浪在红树林生态系统传播过程呈非线性衰减,单位长度的波高衰减率在植物带前1/4宽度远大于后3/4宽度。