长三角地区是我国重要的经济发展区，也是人口、城市最密集地区，其社会和财产易损性因此也较其他区域大(王润等，2000)。研究推测，受全球气候变暖趋势的影响，到2050年长三角地区相对海平面上升幅度将可能达到全球水平的2~3倍(武强等，2002)。目前百年一遇的高潮位将可能缩短为十年一遇，千年一遇的将缩短为百年左右(杨桂山，2000)，生态风险大大增加，这对该区域沿海防护林体系的构建标准提出了更高要求。事实上，本地区沿海防护林带建设一直倍受关注，有关防护林构建及环境效应在局部区域做过大量研究(胡海波等，1994；2001；卢义山等，1995；2002)，在防护林带的设计与配置方面提出过许多具体措施，如李德毅等(1960)曾就苏北沿海防护林的防风、改良土壤、调节小气候等功能做过细致调查，并就有效防护距离与有效风向，在防护林带的设计及树种选择与配置方面提出了改进意见。针对苏北沿海台风灾害比较频繁，刘文晃(1985)认为应在海堤外面营造防浪林，以抗台防浪。根据林带生物量、树种生长规律、土壤改良效果以及林带防风效果，万福绪等(2004)提出了苏北沿海防护林带的4种优化模式。但是，作为长三角地区海岸带防护林的重要组成部分，崇明岛沿岸防护林的有关研究目前还十分缺乏，这对正在进行的崇明生态岛建设以及区域生态安全防控都会产生不利影响。

本研究基于GIS空间分析法与景观格局指数法，同时结合样地群落调查结果，从不同层次对崇明岛沿大堤分布的江、海岸的基干林带，以及大堤外的前缘消浪林体系的结构与功能空间格局特征进行分析，以期全面地了解其现状，为未来沿岸防护林带构建提供翔实、具体的参考依据。

1 研究区概况

崇明岛是世界上最大的河口冲积岛，位于121°09′30″—121°54′00″ E，31°27′00″—31°51′15″ N，处于长江入海口，三面临江，东濒东海，南与江苏常熟、太仓、上海市嘉定、宝山、川沙等区隔江相望，北与江苏海门、启东县一衣带水。东西长76 km，南北宽13~18 km。2005年岛区航片解译结果表明，全岛总面积约1 582 km²，岸线长约449.66 km。

风灾是崇明岛区的主要自然灾害。多年气象资料显示，崇明岛多年月平均风速均在5~6级。3—5月间月平均风速最大，均为6级；10月平均风速最低，仍属于5级；7，8月为台风多发期。据崇明气象局统计(1949—2005)，岛区台风的发生概率为73.21%，每年汛期崇明都会受到台风的影响，平均每年2次，多的年份可达6~7次。此外，据国家科技部自然灾害综合研究组统计(1949—2002)，崇明岛风暴潮发生的概率为62.96%。风暴潮灾害加快了海岸侵蚀速度，影响沿海建筑物的安全，给海岸防护工程和海堤保护造成新的威胁。

2 研究方法

以崇明岛2005年1:50 000的航片为基础，通过ArcGIS 9.0进行解译和空间分析。采用Fragstats 3.3计算景观格局指数。通过样地群落调查，计算疏透度，分析林带防风效应。

2.1 景观格局指数的选取

1)斑块密度(PD)

PD等于每平方千米景观面积上某一斑块类型的斑块数(PD>0)，无上限。

2)景观形状指数(LSI)

景观中所有斑块边界的总长度(m)除以景观总面积(m²)的平方根，再乘以正方形校正系数。取值范围：LSI≥1，无上限。

3)聚集度指数(AI)

聚集度指数通常度量同一类型斑块的聚集程度。取值范围：0＜AI≤100(单位为%)。

2.2 群落调查

野外调查分有叶期和无叶期2次进行。对于沿岸基干林，参考解译与实地踏查结果，选择在林相与群落构成上具有代表性的样地进行调查(图 1，样地1~10)，内容包括林带宽度、高度、树种组成等。对于前缘消浪林，主要调查群落构成与盖度(图 1，样地11~21)。

2.3 林带疏透度的计算

本研究采用透光疏透度(以下简称疏透度或β)作为评价沿岸基干林带结构与防风功能优劣的主要指标(Wang et al., 1996；朱廷曜，2004；Hiroyuki et al., 2007)。

林带疏透度为垂直林带面上林带孔隙总面积与总面积之比。本文采用加权平均法计算林带的疏透度值(周新华等，1992)：

式中：β为疏透度，β₁为林冠疏透度，β₂为林干疏透度，H为林带平均高, h₁为林冠平均高，h₂为林干平均高。其中，β₁的计算式为林冠的填充像素点数/林冠所在的方框内的总像素点数，β₂的计算式为林干的填充像素点数/林干所在的方框内的总像素点数。

在所摄取林带的边缘放置一定高的标杆(本试验采用2.5 m)，采用数码相机(尼康COOLPIX 5400)在距林带20~30 m处对其进行垂直拍摄(周新华等，1992)，用Photoshop将图像中与测量无关的信息处理掉，在GIS下将处理过的彩色图像转化成灰度图像。根据转化成灰度的原彩色相片上林带枝体与其空隙之间的灰度差异，选定域值(上限应以林带平均高处为准，林冠与林干2部分之间的分界线以平均枝下高为准)，由各自所占的“像素"分别测量出树冠与树干影像的孔隙度，再根据公式计算林带的实际疏透度。

3 结果与分析 3.1 沿岸防护林带空间格局特征

空间分析结果显示，现存基干林带宽度在3.14~32.9 m之间。根据国家对于防护林带的规定，海岸基干林带的宽度应达到100 m(周生贤，2005)。因此，以大堤作为基准，向内以100 m做缓冲分析。结果发现，在32.42 km²的防护缓冲区内，林地覆盖面积只有6.88 km²，占到缓冲区总面积的21%。其中，对于4个区段而言，林带完备度由高到低依次为西部>南部>东部>北部。北部很多区域大堤内防护林带几乎为0(图 1)。

3.2 沿岸防护林带景观指数评价

对4个区段的沿岸基干林带分别进行景观指数分析，计算结果如表 1。比较而言，南北两岸沿岸基干林的斑块密度与景观形状指数较高，聚集度较低。结合上述结果可知，南岸基干林虽然完备度较高，但分布并不连续，且形状较为复杂，受人为干扰较大。北岸的沿岸基干林完备度低，林带以多个小片段分散分布出现。

东西两岸基干林带的斑块密度与景观形状指数较小，聚集度较高。西岸的沿岸基干林多呈大片连续分布。东岸由于围垦频繁，沿岸基干林带面积很小，但林带分布连续、整齐且比较集中。

3.3 沿岸防护林带群落结构与功能状况特征 3.3.1 前缘消浪林体系群落结构特点

崇明岛前缘消浪林主是指沿海大堤外的滩涂植被。调查结果显示了4个区段的差异。其中，南岸水急滩小，仅在比较平坦的地方栽种了小片的池杉(Taxodium ascendens)林，宽度从5~30 m不等。西岸滩面平缓，原生的芦苇(Phragmites australis)与人工种植的垂柳(Salix babylonica)、池杉等耐湿性树种相间，宽度为3~70 m。北岸堤外围垦活动频繁，原生的芦苇成片段状分布。

东岸包括目前的东滩国际湿地自然保护区，其滩涂植被保护较好，宽度在1.75~11.5 km之间不等。从海堤向外，依次为芦苇带、海三棱喆草(Scirpus xmariqueter)内带、喆草(Scirpus triqueter)群落外带、藻类盐渍光滩带。芦苇带分布于潮上滩，镶嵌有结缕草(Zoysia japomca)和糙叶苔草(Carex Scabrifolia)等。芦苇群落外貌整齐、植株密集，呈现背景化分布，盖度在70%~90%之间。海三棱喆草带主要分布在滩涂的最前沿，组成单一植物群落，只有在一些过渡性地区才和喆草混合生长，覆盖度可达50%~70%。

3.3.2 沿岸基干林带结构与功能分析

研究显示，以减弱风速20%为指标的最适疏透度为0.25~0.3，以减弱风速30%为指标的最适疏透度为0.25左右(朱廷曜，1980)。苏北沿海防护林的研究表明，主林带疏透度以0.25~0.3为优(万福绪等，2004)。

林带疏透度调查分别在无叶期与有叶期即生长季进行，结果见表 2。在无叶期，位于南岸的样地5疏透度值落在最适疏透度范围。样地5由较成熟的水杉(Metasequoia glyptostroboides)纯林组成，在有叶期，其疏透度变小。结合其树干疏透度接近0，说明林带种植过密。有叶期，位于南岸的样地4与位于西岸的样地7，8均符合最适疏透度条件。3个样地或由成熟的水杉纯林，或由水杉、柳杉(Cryptomeria fortunei)混交林组成。由表 2可知，3样地无叶期整体疏透度均大于0.5，相对应的树冠疏透度接近或高于0.7，这主要是由组成林带的水杉季相变化引起的。单纯灌木组成的林带，如夹竹桃(Nerium indicum)、芦竹(Arundo donax)，由于生长过密，疏透度较小，如位于东岸的样地1、位于北岸的样地9，10等。

4 结论与讨论 4.1 崇明岛沿岸防护林完备度低，空间分异明显

本研究引入完备度的概念以定义和描述崇明岛沿岸防护林的数量和空间分布特征。完备性是数学量化理论以及物理学理论中一个常见概念，在灾害应急预案评价中引申为需求与措施之间的对应关系(刘吉夫等，2008)。本研究将这个概念进一步延伸，提出一个量化指标：完备度，即措施与需求之比。这里的“需求"是指100 m宽的标准缓冲区面积，“措施"则指的是缓冲区内的林带覆盖面积，完备度即为林带面积与缓冲区面积之百分比。据此，崇明岛沿岸防护林带完备度仅为21%。完备度的提出与计算使研究结果更具实践意义。

岛区沿岸防护林空间分异明显，西岸、南岸大于东岸、北岸。气象资料显示，岛上11月至次年2月多北风、西北风，3—8月盛行东南风，9，10月盛行北风、东北风；夏秋两季台风影响频繁。但空间分析结果表明，东岸与北岸恰是4个区段中林带完备度最低的，分别只有4%，11%，与2个区段的风灾风险显然不相符。

林带完备度的空间分异与岛屿的自然历史特征和开发发展定位有关。据崇明县志，作为一个冲积岛区，其西部与南部形成较早，早期曾有过大规模的造林活动。目前沿岸防护林带多为当年造林成果。东部、北部淤积较晚，土地围垦频繁，林带完备度较低。此外，岛区西岸、南岸土壤熟化、脱盐化程度高，质地松软，较肥沃；东岸、北岸土壤含盐量较高，且土壤瘠薄、质地粗。土壤熟化程度与含盐量一直是当地植被生长的限制因子(眭丽华等，1989；盛云飞，2006)。土壤的盐渍化程度对林带生长的影响，以及林带对土壤的改良作用，是该区域有关沿海防护林已有研究中讨论较多的问题之一(胡海波等，1994；卢义山等，1995；万福绪等，2004)。

4.2 岛区沿岸现有防护林带片段化，连续性低

景观指数分析显示，现存基干林带连续性低，呈片段状分布。其中，南岸、北岸林带连续性低于西岸、东岸。连续性低一方面是受人为干扰的影响，如南岸；一方面也受到完备度的影响，如北岸，林带完备度很低，只以小段片林形式出现。林带的防风效应与林带的长度、宽度、高度密切相关。林带结构不同，其整体防护效应也会存在明显差异(Seginer, 1975；Nord, 1991；朱廷曜等，1993；张纪林等，1997；Zhou et al., 2004；Hiroyuki et al., 2007)。林带的片段化分布将大大降低现有林带的防风效应。

4.3 岛区沿岸现有防护林带群落组成单一，林带疏透度值很少达到最适

计算结果显示，由于树种及群落配置不一，不同样地之间疏透度存在差异；同一样地在不同生长期也会存在不同，这与已有的研究结果一致(Zhou et al., 2002；朱廷曜等，2004)。比较而言，西岸优于南岸，北岸最差；有叶期好于无叶期。总体而言，目前岛区防护林带防风效果并不理想。

防护林的结构以上乔、下灌的林带结构配置最为理想(宋兆民，1998；朱廷曜等，2004)。但岛区样地群落调查结果显示，岛区现存沿岸基干林带主要是水杉、柳杉或杨树组成的单一林相，群落结构简单；林带以水杉林居多。由于水杉为落叶树种，无叶期防风效应大大减弱。崇明属于亚热带季风气候区，其地带性植被为常绿落叶阔叶林，沿岸防护林带树种配置能够更加多样化，从而可以大大提高其防护效应。

综合以上3点，未来崇明岛区沿岸防护林体系的构建应充分考虑当前林带格局与功能的空间分异性，适地适树，增加林带宽度，丰富树种，优化结构，并对残次林进行更新改造，方能全面提升沿岸基干林带生态防护功能。

4.4 未来崇明岛区沿岸防护林带的研究，应加强除疏透度外的机制性研究

防护林带完整的空气动力学结构特征应该从2方面来描述，一种是外部结构特征，如长度、高度、宽度、走向；一种是内部结构特征，如植被表面积与体积的大小与配置，单个植被要素的几何形状等。疏透度是防护林结构的重要参数，对于人工樊篱与狭窄林带的防风效应具有良好的指示作用，但其基于二维的定义与计算决定其不能充分代表真正防护林带的空气动力学影响，因此越来越多的科学家倾向寻找其他更好的替代品，如地上生物量体积密度(朱廷曜等，2004)，或者2个参数的组合描述，如植被表面积密度(vegetative surface area density)，即单位树冠体积具有的表面积，与体积密度(cubic density)，即单位树冠体积具有的植被体积(Zhou et al., 2004)等。Hiroyuki等(2007)的研究结果显示，林带宽度与总面积密度之积与最小相对风速与防护距离呈显著相关性等等。

因此，未来崇明岛区沿岸防护林带的研究，将不能拘泥于目前有关量与结构性研究，而应该更多除疏透度外的机制性研究，以便能为区域防护林体系构建提供更加详细的参考信息。

此外，根据崇明生态岛总体规划，沿岸防护林带将作为未来崇明生态岛整体景观的框架部分，林带的景观视觉效应也是生态岛建设的基本要求。研究还发现，在大堤100 m宽的缓冲区内，房屋与生产性面积占到55%¹⁾。因此，未来岛上可持续的沿岸防护林体系需要具备生态－社会－经济复合功能，其优化结构也是进一步研究的重要内容。

1) 孔正红，王开运，李宏庆, 等.2007.崇明岛域植被承载力研究报告.