红树林是生长在热带、亚热带低能海岸潮间带上半部的耐盐常绿木本植物群落，是海岸防护林的重要类型(廖宝文等，1992)。红树林通过消浪、缓流、捕沙促淤和固结土壤等功能实现其防浪护岸效益。红树林防浪护岸功能很早就被人们认识并受到普遍承认。海岸工程部门把红树林作为一种经济有效的海岸堤坝消浪促淤的植物措施，其投资仅及木石投资的1/20(张乔民，1993；章家昌，1966)。

近年来，红树林生态系统的研究备受国内外的重视，对红树林的研究多集中在红树林发展动态(Berger et al., 2000；Dahdouh-Guebas et al., 2002；Sherman et al., 2000)、物种多样性(Hsueh et al., 2000；Macintosh et al., 2002；Ashton et al., 2002；林益明等，2001；刘敏超等，2001)、红树林系统结构和相关的生态学问题(Yanagisawa et al., 2009；Tanaka，2009；Sonak et al., 2008；Alongi，2008；Verheyden et al., 2004)等方面，初步指出红树林在消波防浪、减少潮汐危害和保护沿海海岸方面具有积极作用(Mazdal et al., 2006)，尤其是2004年印度洋大海啸后，人们对红树林的重要性有了更深刻的认识(McKee，2001；Mascarenhas et al., 2008；Shaw，2008；Cochard et al., 2008；Verheyden et al., 2004)。然而，迄今为止，对红树林的防浪护岸的认识大多为定性描述或粗略估算，缺乏对红树林系统功能的长期监测和研究，是构成对红树林功能评价的瓶颈和决策的滞后因素。

海桑(Sonneratia apetala)-无瓣海桑(S. caseolaris)林速生快繁、抗逆性强，为高大乔木，短期内便拥有足够的绿量，对风的阻抗能力强，对浪头的破碎能力较强，具有较强的防风消浪能力。为了更好地防御或减轻自然和人为灾害，对不同观测点波高、流速等进行为期1年的测定和分析，重点研究红树林对海浪和流速的消减功能，以期为更深刻地认识红树林防浪护岸机制提供理论依据，为实现优化沿海防护林(尤其红树林)的结构、功能，量化其效益的建设目标提供技术支持与决策参考，同时也为红树林资源的保护和可持续发展提供参考。

1 研究区概况

东寨港红树林国家级自然保护区位于海口市美兰区境内，距海口市32 km，地理位置为19°38′—20°01′N，110°34′—110°38′E。东寨港自然保护区面积3 337.6 km²，红树林面积2 065 km²。区内海拔10~80 m，坡度3°~7°，总地势为南高北低。保护区处于热带北缘，属热带季风气候，年平均温度23.8 ℃，极端最高温度38.9 ℃，极端最低温度3 ℃，海水表层年平均温度25 ℃。该处潮汐属不正规半日潮，平均潮差约1 m。

选取位于东寨港三江河闸门对出潮沟于1997年造的海桑-无瓣海桑人工林作为研究林，距三江河闸门北面约880 m，向西延伸长100 m，林宽30 m，株行距2 m×4 m，海桑-无瓣海桑林群落结构如表 1。

2 研究方法

在研究地域选择一片宽30 m的海桑-无瓣海桑林带作为试验林，株行距2 m×4 m。针对无瓣海桑红树林消波、缓流功能进行研究，分别在高浪区和低浪区进行选点，在海桑-无瓣海桑林带走向的中垂线上, 在北面1H处(简称林前1H)和南面1H处(简称林后1H)设置监测点, 其中H为树木平均高度(10.23 m)，同步测取波高、流速、风速等数据，计算消波系数。波高数据由COMPACT-WH波高仪测得，该波高仪可以用来长期连续观测波浪，仪器设置在“Burst”模式，每秒钟记录4个数据，放置在直径20 cm的PVC管中，离地高度为-50 cm。风速数据由ONSET H21-002测风气象站记录，每5 min自动记录1次数据(每5 s观测数据的平均值)，4个测风气象站布设在海桑-无瓣海桑林带走向的中垂线上, 在北面2 m高度4H、1H处(简称林前4H、1H)和南面2 m高度1H、4H处(简称林后1H、4H)，其中H为树木平均高(10.23 m)。为了测定红树林的消波效能，以林前1H作为参照，按照下列公式计算林后1H处的消波系数K (章家昌，1966)：

K=(林前1H处的平均波高-林后1H处的平均波高)/林前1H处的平均波高。消波系数K值越大，表明红树林防浪效能越好。

3 结果与分析 3.1 非台风期间海桑-无瓣海桑林对波浪的消减 3.1.1 监测期内波高数据的变化

图 1显示2008年3月11日—4月11日期间，试验地林前1H和林后1H处波高的连续变化情况。波高数据取每小时的平均波高, 林前平均波高为0.92 m, 最大波高为1.85 m；林后平均波高为0.79 m，最大波高为1.39 m。监测期内气象条件稳定，消波能力显著。

图 2显示2008年3月11日—4月11日期间，试验地消波系数的连续变化情况。平均消波系数为0.13，最大消波系数达到0.47。从图 2中可以看出有3天的消波系数出现了负值，这种情况发生在涨潮的时间段内，当树木被海水淹没后由于树的摇摆和波浪的波动频率趋于同步，以及海岸对波浪的反射、波峰的叠加，使红树林基本失去了消浪效果，从而出现了这种现象。

3.1.2 实测消波系数与计算消波系数比较

章家昌(1966)通过300组室内水槽试验，参考前苏联文件，于1966年建立起利用防波林主干半径R₀(m)、树冠半径R(m)、林木成等边三角形交错排列时的株距t(m)、林带宽度B(m)、入射波波长L(m)等参数计算波高衰减系数(或称消波系数)K的公式：

(1)

式中：K为消波系数；α′为林木枝叶遮蔽系数，即树干对地面投影面积比；α″为林木主干遮蔽系数，即树冠对地面投影面积比。

公式适用范围0≤α′≤1.0，0.000 6≤α″≤0.009 1。该公式是迄今为止国内唯一能用于红树林衰减波浪定量计算的公式。作者将该公式改制成利用枝叶遮蔽系数和林带相对宽度直接查找消波系数的图表。

根据该公式计算出30 m宽林带的消波系数为0.58(入射波周期4 s、水深3 m、波长21.7 m、遮蔽系数0.58)(章家昌，1996)。实测消波系数平均值为0.13，实测消波系数只有计算消波系数的20.7%(表 2)。

3.1.3 红树林对波浪流速的消减

红树林树干群主要依靠树干表面糙率引起的表面阻力、绕树干群的物形阻力以及树干与波流之间的相互作用引起的波态和流态的变化等共同作用而达到缓流的效果(石莉，2003；吉红香等，2005a)。本次研究从2007年11月—2008年11月，通过试验林的波浪流速的变化进行为期1年的监测，并对其中变化比较显著的时段进行了重点分析。此期间红树林对流速的削减率的平均值为24.5%，即林后1H处的波浪流速为林前1H处流速的3/4。

3.2 台风期间海桑-无瓣海桑林对波浪的消减

2008年第1号台风“浣熊”于4月18日22时30分在海南省文昌市龙楼镇登陆，中心最大风力为11级(30 m·s^-1)，海南省全境普降大暴雨。“浣熊”于4月18日穿越海南岛以东海域，转向北移动，强度略有下降。当晚22时“浣熊”掠过海南岛以东海域，并减弱为强热带风暴。此次研究完整的记录了整个台风期间经过红树林前后1H处波浪的风速、波高以及流速的变化情况。

3.2.1 台风期间试验地的风速变化

图 4所示的风速时间范围从2008年4月18日0时—2008年4月19日22时。期间林前1H处最大风速为19.67 m·s^-1，出现在4月18日20时；林后1H处最大风速为10.58 m·s^-1，出现在4月18日23时。

3.2.2 台风期间试验地波高数据的变化及影响因素

图 5显示2008年4月18日0时—2008年4月19日16时期间，在台风“浣熊”的影响下，试验地林前1H和林后1H处的波高变化情况。林前1H处的平均波高为1.17 m，最大波高为1.84 m，出现在4月19日1时；林后1H处的平均波高为0.96 m，最大波高为1.47 m，出现在4月19日1时，在台风登陆3 h后。

3.2.3 台风期间试验地的流速变化

图 6显示台风期间，红树林对流速的平均削减率为10.8%，为平时削减率的44%，最大削减率达到85.0%，缓流能力极不稳定，可能由于风成波及在风暴附近形成的波浪常常是不规则的(吉红香等，2005b)。从图 4与图 6的对比中可以看出台风期间试验地的风速变化情况对流速变化的影响较大。

由表 3可以看出台风期间，随着林前来波的增大，红树林的平均消波能力高于一般时期，平均消波系数由0.13提高到0.18，消波能力提升了38%，最大消波系数达到0.33。

4 结论与讨论 4.1 红树林对波高的衰减

在海桑-无瓣海桑红树林带状态确定的情况下，从通过林带的波高数据的变化中可以明显地看出红树林对波浪的消减作用，红树林林带平均消波系数为13%，最大消波系数可以达到47.0%，消波效能基本稳定。通过消波系数公式计算得出30 m宽林带的消波系数为58%，实测消波系数明显小于计算消波系数，仅为计算消波系数的20%。产生林带消波性能差异的原因主要与林带宽度、密度、红树林生态系统的结构、树木被淹没的程度以及滩涂的坡度等有关。

通过研究，发现某些监测时段林后的波高反而要大于林前的波高，这种情况多发生在涨潮的时间段内，当树木被海水淹没后由于树的摇摆与波浪的波动趋于同步，在海水的浮力和其本身的恢复力作用下向来波方向摆动，发生波高的叠加，而基本失去了消浪效果。这说明红树林的高度在防浪护岸效益中有着重要的意义。

4.2 红树林对流速的影响

红树林对水流的滞缓效应使漫溢流速与排泄流速都很小，憩流时间延长，这是红树林潮汐动力学的主要特征，也是红树林促淤保滩及保护堤防的主要机制之一。监测期内某些时段林后的流速大于林前流速，对流速的平均削减率为24.5%，而最大削减率达到85%。这种现象可能由于波浪由深海传播至浅海时水深变浅波速变慢，而波长变短、波高增加，发生碎波。碎波时约有60%的能量逸出，对地形变化、沿岸流以及波压影响很大；而且在监测期内海面的气象条件变化较大，期间经历了台风“浣熊”，所以林前与林后流速的变化紊乱。

4.3 台风期间的消浪效果

台风期间，林前和林后的平均波高、最大波高与平均流速均大于正常时期，通常情况下的平均消波系数为12.2%，热带风暴期间的平均消波系数达到17.95%消波能力提升了38%。风是产生波浪的主要原因，而林带对于风力的消减能力使得波浪的能量得到衰减，从而可以有效地保护海岸，减少强热带风暴和其他极端气候(海啸)所带来的巨大灾难。本研究仅将此次台风作为一个特例来研究，对于不同等级的台风及不同结构的红树林的消浪效果有待进一步系统研究。

4.4 消波系数的模拟与实测

本研究在天然情况下对红树林生态系统进行野外实测，因而植物空间几何分布的不确定及不规则性，水流流态的转变及植物与流体相互作用，林下植物等对消浪效果的影响均不可忽略(董德友，2008)。水深、波高、坡度、风速、风向等影响因素复杂多变，对判定红树林消波能力的主导因子造成干扰。可以继续开展实验室模拟研究确定单一因子的影响，再结合实测数据进行修正。章家昌(1966)通过室内300组水槽试验得到的消波系数公式是在试验林木呈等边三角形交错排列的条件下得到的，然而在实际情况下，林木排列与实验室中差异较大，且影响因素复杂(郑桂珍，2003；杨建民，2008)，消波系数公式用于实地防浪效应的量化研究还需进一步的修正和完善，因而迫切需开展对红树林防浪效应的长期定位研究。

4.5 波浪与红树林生态系统的相互影响

波浪对于红树林生态系统有双重的效应，即在波浪较大时，对红树林的根部造成极大的伤害，同时给提供微生物、动物生长和繁殖条件的淤泥环境造成很大的破环，波浪冲刷海滩，进而冲刷岸边，侵蚀人类的活动区域，造成陆地面积损失；在波浪较小时，波浪带来的泥沙逐渐堆积，加速滩地淤高，进而向海延伸，促使中粒径小于0.01 mm的沉积物含量增加，并以枯枝、落叶直接参与沉积，特别在红树林根系密集之处，其淤积的速度可达附近光滩的2~3倍，通常沉积较快而地形微微隆起(王文介等，1996)。光滩只有先海滩淤涨才能生长红树林，当然红树林的生长又促进了海滩的淤涨。由于茂密的红树林具有极强的捕沙促淤功能，因此，提倡用密植的方法种植红树林。通过红树林面积逐渐恢复，波浪小时对乡土树种的种子的漂移、扩散、幼苗生长等方面有重要的作用，进而促进红树林生态系统平衡与天然更新，并促进其从陆地向海域拓展。无瓣海桑的速生特性使红树林的防风、消浪作用得以迅速体现，为乡土红树树种提供了适宜生境。波浪的大小对于红树林生态系统是一种干扰，掌握其干扰大小程度，使其对红树林生态系统的效应最大化，使人类遭受到的损失最小化。调查发现：平均水深小于树根到树冠的高度，且多为浅水小波浪，则树干起主要的消波作用，刚性树干表面相对比较光滑，阻力较小，消浪效果不是很显著；而平均水深与幼树层的高度相当，幼树的分枝、浸入潮水中的树叶较多，枝下高较低，这使幼树层具有较强的消浪功能。因此，可在林下栽种一些幼树，通过小树与大树合理搭配方式，增强其防风消浪功能。不同的树种搭配形成的层次结构，有利于提高消波功能，因此，应对红树林树叶的消波效能进一步研究，找到乔灌木互相搭配的最佳种植模式。