基于Sentinel-2遙感影像的珠海淇澳島紅樹(shù)林對(duì)多臺(tái)風(fēng)連續(xù)干擾的響應(yīng)研究

羅友好，羅 旭，龍曉澤，崔倫杰，杜建會(huì),b

（中山大學(xué) a. 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院；b. 粵北巖溶區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳水耦合野外觀測(cè)研究站，廣州 510006）

紅樹(shù)林是分布于熱帶與亞熱帶海岸潮間帶的典型生態(tài)系統(tǒng)，其在防浪促淤、固碳釋氧等方面具有重要的生態(tài)功能（Cui et al., 2018; Zhang et al.,2022a）。但受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)影響，天然紅樹(shù)林面積不斷減小，沿海地區(qū)的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)也隨之增大（Thomas et al., 2017）。紅樹(shù)林退化導(dǎo)致其原生境破壞嚴(yán)重，在缺乏人類(lèi)主動(dòng)干預(yù)下往往難以自然恢復(fù)（Ren et al., 2008）。近年來(lái)，許多國(guó)家通過(guò)人工種植先鋒樹(shù)種來(lái)恢復(fù)海岸紅樹(shù)林（Shamim et al., 2022）。先鋒樹(shù)種喜光照，且生長(zhǎng)迅速，可在短時(shí)間內(nèi)增加土壤有機(jī)質(zhì)，從而改善退化林地的微生境，進(jìn)而促進(jìn)后續(xù)演替樹(shù)種的快速定居。但隨著氣候變暖，臺(tái)風(fēng)登陸的強(qiáng)度和頻率不斷增加，先鋒樹(shù)種因高徑比大，木材密度低（Ren et al., 2008），其災(zāi)后受損也日趨嚴(yán)重，從而導(dǎo)致退化紅樹(shù)林地恢復(fù)緩慢，其生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能也呈現(xiàn)很大的不確定性（Kossin et al., 2020）。

臺(tái)風(fēng)后，樹(shù)木受損存在明顯的空間分異，其以枝葉脫落為主，也有少部分樹(shù)木出現(xiàn)樹(shù)干折斷或連根拔起（Lin et al., 2020）。許多學(xué)者通過(guò)臺(tái)風(fēng)前后紅樹(shù)林的遙感影像解譯或野外調(diào)查，對(duì)紅樹(shù)林的受損程度、恢復(fù)過(guò)程及影響因素等進(jìn)行分析，并取得一定進(jìn)展（Smith et al., 2009）。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度越大，紅樹(shù)林受損越重。Peereman 等（2022a）對(duì)全球56 個(gè)紅樹(shù)林分布區(qū)在86場(chǎng)臺(tái)風(fēng)后的遙感影像解譯發(fā)現(xiàn)，同一臺(tái)風(fēng)下，紅樹(shù)林NDII（Normalized Difference Infrared Index，歸一化紅外指數(shù)） 和EVI （Enhanced Vegetation Index，增強(qiáng)型植被指數(shù)）的下降幅度均隨距離臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑的增加而逐漸減小。此外，不同樹(shù)種對(duì)臺(tái)風(fēng)干擾的響應(yīng)差異較大，從而導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)后紅樹(shù)林的結(jié)構(gòu)及樹(shù)種組成等發(fā)生變化。Nirmol 等（2021）在颶風(fēng)“Sidr”登陸后對(duì)孟加拉國(guó)孫德?tīng)柋舅辜t樹(shù)林的野外調(diào)查表明，與海漆（Excoecaria agallocha）相比，蘇達(dá)班銀葉樹(shù)（Heritiera fomes）更易遭受臺(tái)風(fēng)損害。臺(tái)風(fēng)后，紅樹(shù)林下的水熱環(huán)境得以改善，從而有利于其后續(xù)恢復(fù)（Sobrado et al., 2005；陳鷺真 等，2010）。大部分紅樹(shù)林可在幾個(gè)月至2年內(nèi)恢復(fù)至臺(tái)風(fēng)前狀態(tài)，具體恢復(fù)周期與紅樹(shù)林的受損程度有關(guān)，樹(shù)木受損越重，恢復(fù)速率越慢（Long et al., 2016）。Delaporte等（2022）研究表明，當(dāng)臺(tái)風(fēng)的最大持續(xù)風(fēng)速每增加1 m/s，海岸森林在災(zāi)后對(duì)應(yīng)的恢復(fù)時(shí)間將延長(zhǎng)4 d，特別是當(dāng)最大持續(xù)風(fēng)速超過(guò)75 m/s 后，海岸森林的恢復(fù)時(shí)間將明顯增加。然而，目前已有研究多針對(duì)單次臺(tái)風(fēng)前后紅樹(shù)林的受損和恢復(fù)格局，難以反映紅樹(shù)林對(duì)多臺(tái)風(fēng)連續(xù)干擾下的響應(yīng)過(guò)程，無(wú)法預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)登陸頻率增加下紅樹(shù)林的恢復(fù)程度。

因圍墾養(yǎng)殖、碼頭建設(shè)和互花米草入侵等，淇澳島紅樹(shù)林早期出現(xiàn)大面積退化（廖寶文 等，2008）。自1999 年起，珠海市政府撥專(zhuān)款實(shí)施淇澳島紅樹(shù)林引種擴(kuò)種工程，廣泛引進(jìn)先鋒樹(shù)種無(wú)瓣海桑（Sonneratia apetala）等以改善退化林地生境，并利用其固碳速率快、碳儲(chǔ)量大等特點(diǎn)，以促進(jìn)淇澳島紅樹(shù)林的后續(xù)恢復(fù)，從而充分發(fā)揮紅樹(shù)林的防風(fēng)消浪作用，以完善淇澳島防護(hù)林體系（陳玉軍等，2012；王旭 等，2012）。經(jīng)2014年淇澳島紅樹(shù)林引種科技項(xiàng)目驗(yàn)收后，2015年后已形成以無(wú)瓣海桑為優(yōu)勢(shì)種，面積穩(wěn)定且足夠連續(xù)的紅樹(shù)林群落（邱霓 等，2019；賈凱 等，2022）。但與紅樹(shù)林本地種相比，無(wú)瓣海桑樹(shù)木高大，木材密度低，更易遭臺(tái)風(fēng)損害（陳玉軍 等，2000）。目前尚不清楚以無(wú)瓣海桑為優(yōu)勢(shì)種的淇澳島紅樹(shù)林，在未來(lái)臺(tái)風(fēng)登陸頻率增加下，能否實(shí)現(xiàn)該區(qū)域退化紅樹(shù)林地的全面恢復(fù)。因此，本文以珠海淇澳島紅樹(shù)林為研究區(qū)，在年際尺度上選取多臺(tái)風(fēng)（2016“妮妲”、2017“天鴿”和2018“山竹”）連續(xù)干擾前后淇澳島紅樹(shù)林的Sentinel-2遙感影像，計(jì)算其N(xiāo)DVI變化以反映紅樹(shù)林的受損及恢復(fù)格局，并對(duì)其影響因素進(jìn)行探討。以期有助于更好地理解氣候變化背景下紅樹(shù)林對(duì)臺(tái)風(fēng)干擾的響應(yīng)機(jī)制，并為紅樹(shù)林在臺(tái)風(fēng)災(zāi)后的科學(xué)管理提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

淇澳島位于廣東省珠海市（圖1），地處橫門(mén)南部，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫22.4℃，年平均降水量1 964.4 mm，且主要集中在4—9月。潮汐類(lèi)型為不規(guī)則半日潮，平均高潮位0.17 m，平均低潮位-0.14 m。海水年平均鹽度為18.4‰，土壤屬濱海鹽漬草甸沼澤土。淇澳島現(xiàn)有10科13屬15種真紅樹(shù)植物，如本地種秋茄（Kandelia obovata）、桐花樹(shù)（Aegiceras corniculatum）、老鼠簕（Acanthus ilicifolius）、鹵蕨（Acrostichum aureum），引進(jìn)種無(wú)瓣海桑等，有半紅樹(shù)植物7 科9 屬9 種，如銀葉樹(shù)（Heritiera littoralis）、水黃皮（Pongamia pinnata）等。研究區(qū)紅樹(shù)林群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)瓣海桑為該區(qū)域的先鋒樹(shù)種及優(yōu)勢(shì)種（圖1-b），占研究區(qū)紅樹(shù)林分布面積的82%以上（孫學(xué)超 等，2022）。桐花樹(shù)和秋茄分別是研究區(qū)紅樹(shù)林演替前中期和后期群落的代表性樹(shù)種，但分布面積較?。ㄇ衲?等，2019）。

圖1 研究區(qū)示意（a. 高程；b. 優(yōu)勢(shì)種無(wú)瓣海桑分布；c.臺(tái)風(fēng)路徑；d. 紅樹(shù)林景觀分區(qū)）Fig.1 The study area (a. elevation; b. distribution of the dominant species: Sonneratia apetala; c. typhoon's path; d. mangrove landscape zoning)

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.2.1 紅樹(shù)林邊界提取與分區(qū) 淇澳島紅樹(shù)林面積自2015年后變化不大（賈凱 等，2022）。首先，依據(jù)劉葉取等（2022）發(fā)布的2015—2020年廣東省沿岸紅樹(shù)林矢量數(shù)據(jù)集提取淇澳島紅樹(shù)林邊界數(shù)據(jù)。其次，使用ArcGIS中3D analyst工具，提取紅樹(shù)林邊際線數(shù)據(jù)作為林緣線，并將靠海一側(cè)的邊際線作為海岸線?？紤]到景觀格局和林齡（孫學(xué)超 等，2022）均會(huì)影響紅樹(shù)林對(duì)臺(tái)風(fēng)干擾的響應(yīng)，按天然水道分界、斑塊形狀和恢復(fù)時(shí)間將淇澳島紅樹(shù)林劃分為3個(gè)區(qū)域，即斑塊面積較大、較連續(xù)且恢復(fù)時(shí)間較早的A區(qū)，斑塊面積小、破碎且恢復(fù)時(shí)間較晚的B1和B2區(qū)（圖1-d）。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)獲取與處理 采用的氣象數(shù)據(jù)包括臺(tái)風(fēng)路徑、降水量和氣溫?cái)?shù)據(jù)。其中，“妮妲”“天鴿”“山竹”的臺(tái)風(fēng)路徑（圖1）及淇澳島紅樹(shù)林距其登陸點(diǎn)距離、垂線交點(diǎn)風(fēng)速數(shù)據(jù)（表1）來(lái)自于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）的國(guó)際氣候管理最佳跟蹤檔案（IBTrACS）站點(diǎn)①https://www.ncdc.noaa.gov/ibtracs/。臺(tái)風(fēng)期間（2016 年7 月至2020 年4 月）珠海市香洲站的逐日降水量和日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象局②http://data.cma.cn/，并對(duì)臺(tái)風(fēng)后不同時(shí)段的累積降水量和活動(dòng)積溫（日平均氣溫＞5℃）進(jìn)行計(jì)算，以反映臺(tái)風(fēng)后研究區(qū)的水熱條件變化。

表1 臺(tái)風(fēng)登陸前后的淇澳島Sentinel影像選取Table 1 Selection of Sentinel images of the Qi'ao Island before and after typhoon landfall

1.2.3 遙感數(shù)據(jù)獲取與處理

1）遙感影像獲取及預(yù)處理。為研究紅樹(shù)林對(duì)多臺(tái)風(fēng)連續(xù)干擾的響應(yīng)過(guò)程，選取“妮妲”“天鴿”“山竹”登陸后的淇澳島紅樹(shù)林作為研究對(duì)象（見(jiàn)表1）。并以登陸日期為基礎(chǔ)，從Earth Explorer③https://earthexplorer. usgs.gov/處下載了20 景云量百分比低于20%的Sentinel-2 L1C遙感影像，對(duì)其進(jìn)行幾何校正和輻射校正。使用Sen2Cor④http://step.esa.int/main/snap-supported-plugins/sen2cor/對(duì)其進(jìn)行大氣、卷云、地形校正，并選取空間分辨率為10 m的場(chǎng)景。臺(tái)風(fēng)前最近一期影像作為紅樹(shù)林受災(zāi)前對(duì)照，臺(tái)風(fēng)后最近一期影像用于災(zāi)損分析，而其他影像用于不同恢復(fù)時(shí)期分析，直至第二場(chǎng)臺(tái)風(fēng)開(kāi)始后終止?？紤]到物候影響，選擇與2016、2017 和2018 年相近且無(wú)臺(tái)風(fēng)干擾淇澳島的2021 年的4 期影像（2021-05-09、 2021-07-23、2021-10-06、2021-12-05）進(jìn)行物候矯正。

2）植被指數(shù)計(jì)算與災(zāi)損評(píng)估。NDVI（Normalized Difference Vegetation Index，歸一化植被指數(shù)）是測(cè)量和監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)、植被覆蓋和生物量等應(yīng)用最廣泛的植被指數(shù)之一，其可用于監(jiān)測(cè)紅樹(shù)林對(duì)不同臺(tái)風(fēng)干擾的響應(yīng)（Giri et al., 2011）。NDVI 利用近紅外波段（NIR）與紅光波段（RED）進(jìn)行計(jì)算，公式為：

ΔNDVI 可用于評(píng)估臺(tái)風(fēng)前后森林的災(zāi)損情況（羅紅霞 等，2013）。以臺(tái)風(fēng)前和臺(tái)風(fēng)后的NDVI圖像作為數(shù)據(jù)，計(jì)算ΔNDVI 以描述僅由臺(tái)風(fēng)干擾引起的淇澳島紅樹(shù)林NDVI變化格局?？紤]到臺(tái)風(fēng)前后因植被自然生長(zhǎng)和季節(jié)變化等會(huì)造成誤差，選擇無(wú)臺(tái)風(fēng)年中對(duì)應(yīng)臺(tái)風(fēng)前后時(shí)間的NDVI變化NDVIChangesVG進(jìn)行物候校正。最后，通過(guò)線性相減的方式求得ΔNDVI（Guo et al, 2022）。

式中：ΔNDVI 代表僅由臺(tái)風(fēng)干擾引起的NDVI 變化；R代表臺(tái)風(fēng)年的研究數(shù)據(jù)；C代表非臺(tái)風(fēng)年對(duì)應(yīng)時(shí)間的修正數(shù)據(jù)；Pre代表臺(tái)風(fēng)前數(shù)據(jù)；Post代表臺(tái)風(fēng)后數(shù)據(jù)。規(guī)定ΔNDVI下降的絕對(duì)值在0～0.2為輕度受損，0.2～0.3 為中度受損，0.3～0.5 為重度受損，＞0.5為極重度受損，ΔNDVI＞0表示與臺(tái)風(fēng)干擾前相比其植被覆蓋狀況沒(méi)有改變或更好，因此定義為無(wú)受損（Mandal et al., 2020）。

最后，計(jì)算NDVI%以評(píng)估臺(tái)風(fēng)后不同時(shí)期淇澳島紅樹(shù)林的恢復(fù)格局，規(guī)定NDVI%＜95%為未恢復(fù)，95%～100%為恢復(fù)較好，＞100%為恢復(fù)極好（Delaporte et al., 2022）。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

1）隨機(jī)點(diǎn)選取。由于研究區(qū)像元數(shù)目較多，基于紅樹(shù)林邊界數(shù)據(jù)，使用ArcGIS10.7中Sampling工具選取隨機(jī)點(diǎn)。采用Spatial Analyst 中Extraction 工具將災(zāi)后各時(shí)期ΔNDVI 提取至點(diǎn)，以探究臺(tái)風(fēng)后不同時(shí)期淇澳島紅樹(shù)林的受損及恢復(fù)格局。

2）災(zāi)損和恢復(fù)像元統(tǒng)計(jì)。為探究淇澳島紅樹(shù)林不同受損和恢復(fù)程度像元占比隨時(shí)間的變化，分別統(tǒng)計(jì)臺(tái)風(fēng)后不同時(shí)期淇澳島的無(wú)受損、輕、中、重、極重度受損以及未恢復(fù)、恢復(fù)較好、恢復(fù)極好的像元數(shù)，并計(jì)算其在總像元數(shù)目中的占比，從而評(píng)估臺(tái)風(fēng)后不同時(shí)期淇澳島紅樹(shù)林的受損及恢復(fù)格局。

3）線性回歸模型建立。為探究多臺(tái)風(fēng)連續(xù)干擾下淇澳島紅樹(shù)林受損格局的影響因素，采用一元線性模型建立臺(tái)風(fēng)前后各隨機(jī)點(diǎn)ΔNDVI 與研究區(qū)域距離臺(tái)風(fēng)中心距離、距離海岸線距離、距離林緣線距離的回歸方程；為探究多臺(tái)風(fēng)連續(xù)干擾下淇澳島紅樹(shù)林恢復(fù)格局的影響因素，采用一元線性模型建立臺(tái)風(fēng)前后淇澳島紅樹(shù)林總恢復(fù)像元占比與累積降水量、累積活動(dòng)積溫和受損像元占比的線性回歸方程。回歸模型的相關(guān)參數(shù)采用MATLAB R2022a 計(jì)算，相關(guān)作圖使用OriginPro 2017完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 多臺(tái)風(fēng)連續(xù)干擾下淇澳島紅樹(shù)林的受損格局

臺(tái)風(fēng)“妮妲”從淇澳島東北側(cè)登陸，盡管其距離淇澳島最近時(shí)風(fēng)速僅有30 m/s，但移動(dòng)路徑距離淇澳島的垂直距離最短，僅有39.01 km，因而導(dǎo)致研究區(qū)紅樹(shù)林受損較重。本研究發(fā)現(xiàn)，“妮妲”對(duì)紅樹(shù)林的損害以輕、中度為主，兩者受損像元占比共計(jì)88.6%，遭受中度及以上受損的紅樹(shù)林主要出現(xiàn)在靠近臺(tái)風(fēng)路徑一側(cè)的A區(qū)，而無(wú)受損像元僅占0.7%。強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”從淇澳島西南側(cè)登陸，盡管其移動(dòng)路徑距離淇澳島的垂直距離最遠(yuǎn)，達(dá)到99.01 km，但距離淇澳島最近時(shí)風(fēng)速達(dá)到48 m/s，也對(duì)研究區(qū)紅樹(shù)林造成嚴(yán)重?fù)p害?！吧街瘛睂?duì)紅樹(shù)林的損害同樣以輕、中度為主，二者占比共計(jì)76.1%，中度及以上受損的紅樹(shù)林在A、B1和B2三個(gè)區(qū)域均有出現(xiàn)，極重度受損的紅樹(shù)林主要集中于靠近臺(tái)風(fēng)路徑一側(cè)的B1 區(qū)，而無(wú)受損像元僅占6.5%。強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”從淇澳島西南側(cè)登陸，盡管其移動(dòng)路徑相對(duì)“山竹”更靠近淇澳島（59.19 km vs 99.01 km），距離淇澳島最近時(shí)風(fēng)速也大于“妮妲”（48 m/s vs 30 m/s），但與以上2 個(gè)臺(tái)風(fēng)不同，“天鴿”過(guò)境對(duì)研究區(qū)紅樹(shù)林影響不大，其以無(wú)受損或輕度受損為主，二者像元占比共計(jì)90%，其中無(wú)受損像元占比達(dá)到21%（圖2）。

圖2 淇澳島紅樹(shù)林在多臺(tái)風(fēng)連續(xù)干擾下的受損格局及受損像元面積占比Fig.2 Damage pattern and proportion of damaged pixels of mangroves in Qi'ao Island under continuous interference of multiple typhoons

2.2 多臺(tái)風(fēng)連續(xù)干擾下淇澳島紅樹(shù)林的恢復(fù)格局

不同臺(tái)風(fēng)干擾下，紅樹(shù)林的受損程度不同，其恢復(fù)速率也有所差異（圖3）。臺(tái)風(fēng)“妮妲”和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”過(guò)境后，淇澳島紅樹(shù)林受損較重，其恢復(fù)像元占比均呈現(xiàn)為先增加，后降低，最后再緩慢恢復(fù)的特點(diǎn)?！澳萱А被謴?fù)像元占比的第一個(gè)峰值（14.8%）出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)后296 d，且恢復(fù)像元占比最大的區(qū)域出現(xiàn)在B1 區(qū)。而“山竹”（29.3%）出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)后326 d，且恢復(fù)像元占比最大的區(qū)域出現(xiàn)在A區(qū)，而B(niǎo)1和B2區(qū)變化不大。達(dá)到峰值后，紅樹(shù)林恢復(fù)像元占比開(kāi)始下降，其在“妮妲”后376 d達(dá)到9.2%，這與“山竹”后391 d紅樹(shù)林的恢復(fù)像元占比較為接近（7%）。臺(tái)風(fēng)“妮妲”登陸1 a后，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”再次登陸，而“山竹”登陸后2 a內(nèi)再無(wú)其他臺(tái)風(fēng)過(guò)境，淇澳島紅樹(shù)林的恢復(fù)得以持續(xù)，其恢復(fù)像元占比在571 d后才達(dá)到25.4%。強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”登陸后，淇澳島紅樹(shù)林因受損較輕，其恢復(fù)速率也相對(duì)較快。臺(tái)風(fēng)后200 d，紅樹(shù)林恢復(fù)像元占比達(dá)96%，顯著高于相近時(shí)段“妮妲”和“山竹”對(duì)應(yīng)的恢復(fù)像元占比，且恢復(fù)像元占比在A、B1 和B2 區(qū)均有顯著增加，并未集中在某一區(qū)域。至“天鴿”后270 d，紅樹(shù)林恢復(fù)像元占比輕微下降至88.8%，但也顯著小于對(duì)應(yīng)時(shí)段“妮妲”和“山竹”的下降幅度。

圖3 淇澳島紅樹(shù)林三場(chǎng)臺(tái)風(fēng)干擾后恢復(fù)格局及恢復(fù)像元面積占比Fig.3 Recovery pattern and proportion of restored pixels after three typhoons disturbed mangroves in the Qi'ao Island

3 討論

3.1 淇澳島紅樹(shù)林受損的影響因素

3.1.1 臺(tái)風(fēng)風(fēng)速 樹(shù)木的受損程度在距離臺(tái)風(fēng)路徑一定范圍內(nèi)差異不大，超過(guò)此距離后，受損程度會(huì)因臺(tái)風(fēng)風(fēng)速快速下降而大幅減輕（Zhang et al.,2013），且樹(shù)木受損的類(lèi)型和范圍、枝葉脫落和樹(shù)干折斷的比例等均呈指數(shù)或線性減少（Ayala-Silva et al., 2004）。本研究表明（圖4-a），臺(tái)風(fēng)“妮妲”登陸時(shí)，淇澳島紅樹(shù)林的受損程度隨距臺(tái)風(fēng)路徑遠(yuǎn)近差異不顯著（P=0.37），這可能在于“妮妲”移動(dòng)路徑距淇澳島最短距離僅39.01 km，因此使研究區(qū)紅樹(shù)林遭受無(wú)差別損害。而強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”離淇澳島最短距離為59.19 km，其登陸對(duì)淇澳島紅樹(shù)林的損害程度隨著離臺(tái)風(fēng)路徑距離增加而快速減小。

圖4 距臺(tái)風(fēng)路徑遠(yuǎn)近（a）、海岸線遠(yuǎn)近（b）、林緣遠(yuǎn)近（c）與紅樹(shù)林受損程度相關(guān)性分析Fig.4 Correlation analysis between typhoon track distance (a), coastline distance (b), forest edge distance (c) and mangrove damage degree

局部地形起伏也會(huì)引起臺(tái)風(fēng)能量的重新分配，使得背風(fēng)一側(cè)的樹(shù)木因臺(tái)風(fēng)風(fēng)速下降而受損減輕（Feng et al., 2020）。本研究也表明（圖4-b），“妮妲”和“天鴿”登陸后，隨著與淇澳島西側(cè)海岸線距離的增加，紅樹(shù)林的受損程度顯著減輕（P＜0.001），這可能與淇澳島東南和東北側(cè)均有低山分布有關(guān)，且最高海拔達(dá)175 m（見(jiàn)圖1）。當(dāng)“妮妲”從淇澳島東北側(cè)、“天鴿”從西南側(cè)過(guò)境時(shí)，島內(nèi)背風(fēng)一側(cè)的臺(tái)風(fēng)風(fēng)速均會(huì)顯著下降，從而使得靠近該側(cè)的紅樹(shù)林受損程度明顯減輕。“山竹”盡管也從淇澳島西南側(cè)過(guò)境，但距離研究區(qū)最近距離達(dá)99.01 km，地形對(duì)紅樹(shù)林的受損影響顯著減小。Zhang 等（2022b） 的研究也證實(shí)，盡管臺(tái)風(fēng)“María”風(fēng)速高于“Hugo”，但其登陸后海岸森林的死亡率低于后者，主要在于“María”移動(dòng)路徑恰好受盧基約山脈阻擋，山體背風(fēng)一側(cè)的樹(shù)木受損大幅減少，而“Hugo”登陸時(shí)海岸森林大部分暴露于強(qiáng)風(fēng)中。

樹(shù)木的生長(zhǎng)位置不同，其對(duì)臺(tái)風(fēng)的暴露程度也有所差異。當(dāng)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速較小時(shí)，林緣對(duì)林內(nèi)的遮蔽作用不明顯（van Beusekom et al., 2018）。本研究也表明（圖4-c），“妮妲”后淇澳島紅樹(shù)林的受損表現(xiàn)為林緣和林內(nèi)無(wú)顯著差異（P=0.40），這可能與“妮妲”移動(dòng)路徑在距離淇澳島最近時(shí)風(fēng)速較小有關(guān)（30 m/s）。此外，“妮妲”登陸前兩年也無(wú)其他臺(tái)風(fēng)干擾，且因人工種植，紅樹(shù)林林緣和林內(nèi)樹(shù)木高度差異不大（孫學(xué)超 等，2022），從而使得臺(tái)風(fēng)后樹(shù)木受損的空間異質(zhì)性較小。已有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速超過(guò)某一閾值后，樹(shù)冠的擺動(dòng)幅度和頻率均顯著增加，枝葉間的摩擦增多，樹(shù)干通過(guò)大幅擺動(dòng)、扭轉(zhuǎn)等，將臺(tái)風(fēng)能量從冠層傳遞到根系，樹(shù)木折斷和掘根的比例大幅提高（Stanturf et al., 2007）。此時(shí)，林緣對(duì)林內(nèi)的遮蔽作用尤為重要，其通過(guò)持續(xù)消耗臺(tái)風(fēng)能量，使得進(jìn)入林內(nèi)的風(fēng)速快速減小，進(jìn)而降低林內(nèi)樹(shù)木的受損程度（陳綬柱 等，1999）。這也與本研究結(jié)果較為一致，當(dāng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”移動(dòng)至與淇澳島最近距離時(shí)，風(fēng)速達(dá)到48 m/s，紅樹(shù)林的受損表現(xiàn)為林緣顯著大于林內(nèi)（P＜0.001）。

3.1.2 樹(shù)種特征 一般來(lái)說(shuō)，臺(tái)風(fēng)風(fēng)速越大，紅樹(shù)林受損越重，但臺(tái)風(fēng)登陸前紅樹(shù)林的恢復(fù)程度可能會(huì)改變此趨勢(shì)。與“妮妲”相比，“天鴿”距淇澳島最近時(shí)風(fēng)速更大（30 m/s vs 48 m/s），與“山竹”相比，“天鴿”移動(dòng)路徑距淇澳島更近（99.01 km vs 59.19 km），但本研究發(fā)現(xiàn)，“天鴿”造成的紅樹(shù)林損害在3場(chǎng)臺(tái)風(fēng)中反而最?。ㄒ?jiàn)圖2）。這主要與“天鴿”登陸前，以無(wú)瓣海桑為優(yōu)勢(shì)種的淇澳島紅樹(shù)林在“妮妲”干擾下受損重且恢復(fù)慢有關(guān)（邱霓等，2019）。臺(tái)風(fēng)“妮妲”登陸前2年內(nèi)未有其他臺(tái)風(fēng)過(guò)境，加上淇澳島水熱條件良好，從而使得無(wú)瓣海桑的高徑比和郁閉度快速增加，此外，無(wú)瓣海桑作為速生樹(shù)種，其主根和呼吸根均較淺，從而放大了淇澳島紅樹(shù)林對(duì)臺(tái)風(fēng)干擾的脆弱性（Vandecar et al., 2011；邱明紅 等，2016）。嚴(yán)重的受損使得淇澳島無(wú)瓣海桑林整體矮化，生長(zhǎng)減緩，僅有9.2%的像元在“天鴿”登陸前得以恢復(fù)，部分易損個(gè)體也在該過(guò)程中被清除（Chi et al., 2015；黃曉敏 等，2018），從而顯著降低后續(xù)“天鴿”登陸時(shí)紅樹(shù)林的死亡率，其無(wú)受損像元占比達(dá)21%，遠(yuǎn)高于其他2 次臺(tái)風(fēng)。這也與Uriarte 等（2019）的研究較為一致，其發(fā)現(xiàn)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“María”過(guò)后，海岸森林的掘根的比例并未高于臺(tái)風(fēng)“Hugo”，而以樹(shù)干折斷為主，這可能與2 周前臺(tái)風(fēng)“Irma”從波多黎各島北緣經(jīng)過(guò)，導(dǎo)致海岸森林枝葉大量脫落，從而降低后續(xù)臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)冠層的拖曳力，進(jìn)而降低海岸森林的掘根比例有關(guān)。

輕度受損下，海岸森林以枝葉脫落為主，而對(duì)樹(shù)干和根系影響較小，臺(tái)風(fēng)后海岸森林可快速恢復(fù)到臺(tái)風(fēng)前水平（Abbas et al., 2020），但無(wú)瓣海桑的快速恢復(fù)仍會(huì)再次放大后續(xù)臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的受損程度。“山竹”和“天鴿”均在淇澳島同側(cè)過(guò)境、距離淇澳島最近時(shí)風(fēng)速相同，但與“天鴿”相比，“山竹”移動(dòng)路徑距離淇澳島更遠(yuǎn)。然而本研究發(fā)現(xiàn)，“山竹”過(guò)境造成的淇澳島紅樹(shù)林受損更重，其中輕中度損傷在臺(tái)風(fēng)后16 d 占比為76.1%，尤其中度損害占比達(dá)50.7%。這主要與“山竹”登陸前，因“天鴿”干擾受損的像元中有88.8%已完全恢復(fù)有關(guān)。此外，與臺(tái)風(fēng)“妮妲”和“天鴿”不同，臺(tái)風(fēng)“山竹”登陸后，遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)路徑和西側(cè)海岸線的一側(cè)及林內(nèi)的紅樹(shù)林受損更重，這主要與“天鴿”登陸后，該部分紅樹(shù)林受損較輕，從而在災(zāi)后恢復(fù)較快有關(guān)。Imbert（2018）的研究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到36 m/s時(shí)，高大樹(shù)木的受損比例顯著增加，而低矮樹(shù)木的受損比例在風(fēng)速超過(guò)50 m/s 后才逐漸增大。

本研究認(rèn)為，淇澳島紅樹(shù)林對(duì)多臺(tái)風(fēng)連續(xù)干擾的響應(yīng)在年際尺度上存在遺產(chǎn)效應(yīng)（Legacy effect），即單次臺(tái)風(fēng)干擾后，紅樹(shù)林在后續(xù)生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)受到前次事件的持續(xù)影響，進(jìn)而影響后續(xù)臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)紅樹(shù)林的受損格局（董伯綱 等， 2022）。這與Peereman 等（2022b）研究結(jié)論不同，原因可能在于其研究的臺(tái)灣山地以演替晚期的次生林為主，海岸森林在臺(tái)風(fēng)的頻繁干擾下有非常強(qiáng)的自適應(yīng)能力。而淇澳島紅樹(shù)林以無(wú)瓣海桑等先鋒樹(shù)種為主（邱霓 等， 2019），其生長(zhǎng)速度快，但對(duì)臺(tái)風(fēng)干擾的易損性高。

綜上所述，多臺(tái)風(fēng)連續(xù)登陸下，淇澳島紅樹(shù)林可能遵循“受損較重→緩慢恢復(fù)→受損較輕→快速恢復(fù)→受損較重”的循環(huán)演替模式，以適應(yīng)臺(tái)風(fēng)的頻繁干擾，從而促使其從人工林向近自然林轉(zhuǎn)變（Lin et al., 2018），提高海岸紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 淇澳島紅樹(shù)林恢復(fù)的影響因素

3.2.1 水熱條件 一般情況下，水熱條件越好，海岸森林的恢復(fù)周期越短（Chen et al., 2022），但這與本研究并不一致。3 場(chǎng)臺(tái)風(fēng)干擾后，淇澳島紅樹(shù)林的恢復(fù)像元占比隨累積降雨量和累積積溫的增加變化并不顯著（P＞0.1，圖5-a、b）。首先，與其他類(lèi)型海岸森林對(duì)土壤水分的變化較為敏感不同，紅樹(shù)林生長(zhǎng)于潮間帶，其生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)鹽度的變化更敏感（陳長(zhǎng)平 等， 2000）。盡管降雨會(huì)增加地表徑流量，降低潮間帶的鹽度，有助于紅樹(shù)林的生長(zhǎng)恢復(fù)，但淇澳島潮間帶的鹽度主要受北部橫門(mén)年徑流量的影響。橫門(mén)徑流量占珠江入海總徑流量的11.2%，其年際和年內(nèi)變化均受整個(gè)珠江流域降水量控制，而與珠海市降水量關(guān)系較??；其次，淇澳島紅樹(shù)林位于亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，其蒸發(fā)量遠(yuǎn)小于干旱和半干旱地區(qū)的紅樹(shù)林。因此，淇澳島紅樹(shù)林在這3場(chǎng)臺(tái)風(fēng)后并未遭受?chē)?yán)重的水分脅迫。此外，紅樹(shù)林生長(zhǎng)主要分布在熱帶和亞熱帶海岸，對(duì)極端低溫比較敏感（陳鷺真 等，2010），而本研究的3 場(chǎng)臺(tái)風(fēng)均出現(xiàn)在氣溫較高的8—9月，且臺(tái)風(fēng)后研究區(qū)的日平均氣溫均高于活動(dòng)積溫最低閾值（5 ℃），可最大程度滿足紅樹(shù)林的生長(zhǎng)需求。因此，水熱條件在空間尺度上的差異影響海岸森林在臺(tái)風(fēng)災(zāi)后的恢復(fù)周期，但這時(shí)間尺度上的變化對(duì)淇澳島紅樹(shù)林在臺(tái)風(fēng)災(zāi)后的恢復(fù)影響較小。

圖5 累積降水量（a）、累積活動(dòng)積溫（b）、總受損占比（c）與紅樹(shù)林恢復(fù)程度相關(guān)性分析Fig.5 Correlation analysis between cumulative precipitation (a), cumulative active accumulated temperature (b),total damage ratio (c) and mangrove recovery levels

3.2.2 受損程度 本研究發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)后淇澳島紅樹(shù)林的恢復(fù)速率與其受損程度有關(guān)（圖5-c）。首先，樹(shù)木的輕度受損以枝葉脫落為主，而對(duì)樹(shù)干和根系影響不大，而枝葉的大量脫落可在短時(shí)間內(nèi)降低樹(shù)木的蒸騰失水，從而有助于海岸森林在臺(tái)風(fēng)后的快速恢復(fù)（Abbas et al., 2020），這與本研究較一致。臺(tái)風(fēng)“天鴿”登陸后，淇澳島紅樹(shù)林受損最輕，其后續(xù)的恢復(fù)速率也最快，130 d 后紅樹(shù)林恢復(fù)像元面積占比為42.5%，200 d后達(dá)96%。無(wú)瓣海桑作為淇澳島紅樹(shù)林的先鋒及優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，其在臺(tái)風(fēng)后首先將生物量分配于地上部分，通過(guò)高生長(zhǎng)來(lái)快速獲取光照以補(bǔ)充體內(nèi)碳水化合物（王震 等，2017；邱霓 等，2019）。而樹(shù)木的嚴(yán)重受損則使其光合器官大幅減少，水分傳輸效率降低，根系也難以從土壤中獲取水分，從而導(dǎo)致樹(shù)木光合產(chǎn)物合成不足，而前期碳水化合物儲(chǔ)量?jī)H能滿足少數(shù)枝條萌發(fā)，樹(shù)木的后續(xù)生長(zhǎng)大幅減緩（Chapman et al., 2008）。與“天鴿”相比，臺(tái)風(fēng)“妮妲”和“山竹”登陸后，淇澳島紅樹(shù)林均遭受了輕、中度的損害，對(duì)其恢復(fù)過(guò)程分析發(fā)現(xiàn)，“山竹”登陸131 d后紅樹(shù)林恢復(fù)像元面積占比僅為5.6%，“妮妲”登陸176 d 后為3.1%，二者均遠(yuǎn)低于“天鴿”所對(duì)應(yīng)恢復(fù)速率。

臺(tái)風(fēng)后，淇澳島紅樹(shù)林的恢復(fù)像元占比并非呈線性持續(xù)增加，而是表現(xiàn)為先增加，后減小，之后再增加的過(guò)程。王震（2017）和邱霓（2019）等對(duì)淇澳島紅樹(shù)林的物種調(diào)查發(fā)現(xiàn)，無(wú)瓣海桑林下主要伴生老鼠簕、秋茄等，但無(wú)瓣海桑的面積百分比、高度和蓋度均顯著高于林下伴生種。因此，臺(tái)風(fēng)后淇澳島紅樹(shù)林NDVI的下降可能與無(wú)瓣海桑的受損有關(guān)。受損程度不同，后續(xù)恢復(fù)過(guò)程也有所差異。無(wú)瓣海桑的嚴(yán)重受損使得其林窗大量出現(xiàn)，林下層植物因受無(wú)瓣海桑遮蔽而受損較小，其冠層也得以大量暴露。此外，林下層的微環(huán)境也隨之改善（Ren et al., 2008），這有利于林下層植物種子、幼苗和幼樹(shù)的快速萌發(fā)、生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致淇澳島紅樹(shù)林在臺(tái)風(fēng)災(zāi)后NDVI的快速增加（黃曉敏 等，2018）。王震等（2017）對(duì)淇澳島紅樹(shù)林研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)瓣海桑人工林的種植對(duì)天然種群向海灘前緣擴(kuò)散和定居有促進(jìn)作用。林下層的演替時(shí)間越長(zhǎng)、物種越豐富，這與本研究結(jié)果較為一致?！吧街瘛钡顷憣?dǎo)致淇澳島紅樹(shù)林嚴(yán)重受損，其災(zāi)后恢復(fù)像元占比最大的區(qū)域主要位于A 區(qū)，而B(niǎo)1和B2區(qū)相對(duì)較少，這主要與3個(gè)區(qū)域無(wú)瓣海桑的齡級(jí)差異有關(guān)。孫學(xué)超等（2022）對(duì)淇澳島無(wú)瓣海桑林的調(diào)查表明，A區(qū)在2003 年已有無(wú)瓣海桑種植，而B(niǎo)1 和B2 區(qū)直到2013年后才開(kāi)始大規(guī)模種植。但對(duì)引起淇澳島紅樹(shù)林受損較輕的“天鴿”研究發(fā)現(xiàn)，其災(zāi)后200 d 恢復(fù)像元占比在A、B1 和B2 區(qū)差異不大（見(jiàn)圖3），這主要與紅樹(shù)林輕度受損下，林窗變化較小、林下微環(huán)境受其影響不顯著有關(guān)。

然而，無(wú)瓣海桑作為先鋒樹(shù)種，其仍可借助原有的根系和高度優(yōu)勢(shì)，通過(guò)枝葉萌發(fā)實(shí)現(xiàn)災(zāi)后的緩慢恢復(fù)。隨著無(wú)瓣海桑冠層的不斷郁閉，林下層物種暴露程度降低，種子、幼苗和幼樹(shù)的萌發(fā)及生長(zhǎng)受到抑制，從而導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)后淇澳島紅樹(shù)林NDVI再次回落，且表現(xiàn)為“山竹”對(duì)應(yīng)的回落最為明顯，以A區(qū)最為顯著，B1、B2區(qū)差異不大。而“天鴿”對(duì)應(yīng)的回落則不明顯，且在3個(gè)區(qū)域差異不大（見(jiàn)圖3）?！吧街瘛钡顷懞?年內(nèi)無(wú)其他臺(tái)風(fēng)過(guò)境，對(duì)淇澳島紅樹(shù)林恢復(fù)的持續(xù)分析表明，在無(wú)瓣海桑重新取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)后，其N(xiāo)DVI會(huì)再次回升，但因之前受損較重，在臺(tái)風(fēng)“山竹”后571 d 紅樹(shù)林的恢復(fù)像元占比僅有25.4%。

4 結(jié)論

基于臺(tái)風(fēng)登陸前后的多期Sentinel-2遙感影像，探討了淇澳島紅樹(shù)林多臺(tái)風(fēng)連續(xù)干擾的響應(yīng)過(guò)程及其影響因素，主要結(jié)論如下：

1）臺(tái)風(fēng)后，淇澳島紅樹(shù)林的受損以輕度或輕到中度受損為主，重度和極重度受損占比較低。淇澳島紅樹(shù)林的受損程度隨臺(tái)風(fēng)風(fēng)速增大而加重，但臺(tái)風(fēng)前若無(wú)瓣海?；謴?fù)緩慢則會(huì)降低其受損程度。

2）臺(tái)風(fēng)后，淇澳島紅樹(shù)林的恢復(fù)過(guò)程并未表現(xiàn)出線性變化，其在災(zāi)后的NDVI先增加、后減小，之后再增加。紅樹(shù)林的恢復(fù)格局與臺(tái)風(fēng)后無(wú)瓣海桑的受損程度有關(guān)，而受水熱條件影響不大。

3）淇澳島紅樹(shù)林對(duì)多臺(tái)風(fēng)連續(xù)干擾的響應(yīng)存在遺產(chǎn)效應(yīng)，其通過(guò)“受損較重→緩慢恢復(fù)→受損較輕→快速恢復(fù)→受損較重”的循環(huán)演替模式，促進(jìn)紅樹(shù)林從人工林向近自然林轉(zhuǎn)變，最終形成穩(wěn)定的抗臺(tái)風(fēng)生態(tài)系統(tǒng)。

受臺(tái)風(fēng)后亞熱帶云量較大影響，本文選取的3場(chǎng)臺(tái)風(fēng)前后的多期影像在日期上難以一致，無(wú)法在同一時(shí)段對(duì)比不同臺(tái)風(fēng)干擾后淇澳島紅樹(shù)林的受損及恢復(fù)格局。未來(lái)仍需在高精度遙感影像分析的基礎(chǔ)上，借助地面調(diào)查和無(wú)人機(jī)遙感等，進(jìn)一步理解臺(tái)風(fēng)登陸頻率增加下紅樹(shù)林對(duì)多臺(tái)風(fēng)連續(xù)干擾的響應(yīng)過(guò)程。