自20世纪70年代开始，全球变化逐渐成为人类关注和研究的热点，其中气候变化是全球变化研究中的核心问题和重要内容。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告表明，近百年来全球气候系统正经历着以全球变暖为主要特征的显著变化^[1]。研究表明，自工业革命以来人类向大气排放大量温室气体所产生的增温效应很可能是导致全球变暖的最主要原因。现有预测表明，即使温室气体保持在现有水平，未来百年内全球气候仍将继续变暖。气候变化所引起的海温升高、海平面上升和大面积冰川融化等现象将会对海岸带形成巨大影响。海岸带位于陆地与海洋过渡地带，对气候变化导致的海平面上升、海水表层温度上升、海水入侵、海岸带侵蚀和风暴潮等尤为敏感。

红树林是生长在热带、亚热带沿海潮间带的生态系统，具有重要的生态功能，为人类提供社会、经济和生态服务，对海岸带安全具有保护作用^{[2, 3]}。同时海岸带红树林是陆地向海洋过渡的特殊生态系统，对气候变化所导致的海平面上升尤为敏感^[3]。自IPCC第一次评估报告之后，国内外许多学者开展了气候变化影响下红树林生态系统评估研究。Gilman等在美属萨摩亚通过野外定点监测红树林生境地表高程变化，研究相对海平面变化对红树林生态系统可能的影响^[4]。Ellison选取了定性和定量评价指标，如系统暴露度指标(相对海平面上升、降水强度和潮差等)、系统敏感性指标(红树林生长状况、初级生产力和面积变化等)和系统适应性指标(潮上带生境和社会管理能力等)，通过计算脆弱性综合指数，评价了红树林生态系统脆弱性^[3]。该气候变化影响下红树林生态系统脆弱性评价方法已运用于喀麦隆、坦桑尼亚和斐济等海岸带。近年来，国内学者李珍研究了广西海岸带红树林孢粉与沉积环境演变的关系，提供了历史上海平面变化对广西红树林生态系统的影响^[5]。孟宪伟等研究广西茅尾海和英罗湾红树林生态系统对海平面上升的响应，初步预测了该地区红树林面积的未来分布^[6]。也有研究者运用相关模型预测和评估了气候变化对未来红树林生态系统影响，例如Doyle等运用SELVA-MANGRO模型预测了佛罗里达南部红树林受海平面上升影响下物种组成和分布面积变化^[7]。Luo等运用Biome-BGC模型研究中国深圳、湛江和琼山红树林生态系统在气候变化影响下生产力变化^[8]。然而，目前国内研究中尚缺乏基于过程的气候变化对红树林生态系统影响的脆弱性评价。构建气候变化影响下海岸带红树林生态系统评价体系和方法，客观定量评价气候变化影响下红树林生态系统脆弱性，是保障红树林生态系统安全的重要前提，同时也是国际前沿科学问题。

本研究以广西钦州湾红树林生态系统为对象，应用评估模式分析全球气候变化所导致的海平面上升对红树林生态系统的影响，构建基于过程的红树林生态系统脆弱性评价体系和空间评价方法，定量评估海平面上升对红树林生态系统的可能影响。以期客观定量评价气候变化影响下广西红树林生态系统脆弱性，为海岸带红树林生态系统应对气候变化影响以及制定减缓和应对措施提供科学依据。

钦州湾位于广西海岸中段的北部湾顶部(北纬21°33′20″—22°54′30″，东经108°28′20″—108°45′30″)。钦州湾由其顶端的茅尾海、中部湾颈和外湾钦州湾构成，湾口门宽29 km，纵深39 km，中间狭窄，岛屿众多，两端宽阔，呈哑铃状，是一个半封闭型海湾(图 1)^{[6, 9]}。钦州湾属正规全日潮海湾，平均潮差2.40 m。研究区域位于南亚热带气候区，温暖多雨，年均气温22. 0 ℃，最热月均温28. 3 ℃，最冷月均温13.4 ℃，极端最低温-1.8 ℃^[6]。

图 1 广西海岸带及钦州湾区域红树林分布[6, 9] Fig. 1 The coastal zone and mangrove distribution in Qinzhou Bay,Guangxi

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根据2007年调查结果，研究区域广西钦州湾红树林面积约2955.47 hm²，其中茅尾海分布较集中，构成主要群系有白骨壤(Avicennia marina)、桐花树(Aegiceras corniculatum)、秋茄(Kandelia obovata)、红海榄(Rhizophora stylosa)、木榄(Bruguiera gymnorrhiza)和无瓣海桑(Sonneratia apetala)群系。不同红树林群系在潮间带呈带状分布，从低潮带至潮上带逐渐向陆生植物群落演化。白骨壤和桐花树群系分布在潮间带最外缘，中潮带主要是秋茄和红海榄群系，逐渐过渡至高潮带的木榄等演替后期群系^{[6, 9]}。

IPCC 在第三次评估报告中关于脆弱性定义被广泛接受运用，即脆弱性为一个自然的或社会的系统容易遭受来自气候变化(包括气候变率和极端气候事件)持续危害的范围或程度，是系统内的气候变率特征、幅度和变化速率及其敏感性和适应能力的函数^[10]。脆弱性概念可以概括为：系统的暴露度、敏感性和适应性^[11]，它们之间的关系可表达为：

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式中,V为系统的脆弱性，E为系统暴露度，S为系统的敏感度，A为系统的适应度。

在海岸带脆弱性评价研究中，目前应用较多的是“压力-状态-响应(PSR)”模型^[12]。PSR模型具有比较明显的因果关系，从指标产生的机理方面着手构建评价指标体系。在PSR模型的基础上，欧盟THESEUS项目提出了“源-途径-受体-影响(SPRC)”模型，用以研究评估气候变化所导致的海平面上升与风暴潮对海岸带社会经济和生态环境的影响^[13]。SPRC评估模型以因果关系为基础，可以体现影响“源”与“受体”的相互作用及其过程。本项研究应用SPRC模型，从系统脆弱性的暴露度、敏感度和适应度3个方面，构建了海平面上升影响下广西钦州湾红树林生态系统脆弱性评估模式(图 2)。

图 2 海平面上升影响下广西钦州湾红树林生态系统脆弱性评估的SPRC模式 Fig. 2 The SPRC model of vulnerability assessment for mangrove ecosystems under sea level rise in Qinzhou Bay,Guangxi

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红树林生态系统分布于潮间带，潮滩高程和沉积动力条件直接影响其生存与生长，因此对气候变化所导致的海平面上升十分敏感^[14]。该评估模式中，气候变化所导致的绝对海平面上升是对红树林生态系统可能产生影响的源(S)。海岸带地面沉降可以加速海平面上升对红树林生态系统的影响，而海岸带地壳抬升则可缓解或抵消海平面上升影响。河流和外海带来沉积物在海岸带的冲淤动态也是影响相对海平面上升的重要因素^[14]。绝对海平面上升通过海岸带地面垂直运动和海岸带沉积速率途径(P)，影响不同红树林受体(R)的栖息地变化。按钦州湾地形地貌特征，大致可分为内湾海岸和河口三角洲。金鼓江、钦州湾外湾和湾颈属于溺谷湾的内湾海岸^[15]，其海岸线曲折蜿蜒，受风浪干扰小而易于沉积物淤积。钦州湾顶端的茅尾海为典型的河口三角洲，受到风浪影响较小，并且有淡水补充，潮滩盐度相对较低，输沙量较大。不同红树林群系对高程和盐度的适应能力不同，从而形成从低潮带至潮上带的带状分布。根据海岸带地貌特征和红树林群系类型，钦州湾红树林生态系统评价受体可分为9类，其详细划分与分布见表 1和图 3。气候变化所导致的绝对海平面上升与海岸带地壳垂直运动和沉积动力条件相互作用，所导致的相对海平面变化将可能改变潮间带红树林生境(主要是高程)，对红树林生态系统产生影响(C，即表现为系统脆弱性)。当相对海平面上升速率超出红树林生态系统的耐受范围，将影响红树林生长，导致群落结构改变，最终导致生境丧失。如果海岸带修建了堤坝或已被围垦，红树林向陆迁移路径被切断，将导致海岸带红树林生态系统大面积丧失。

图 3 广西钦州湾红树林生态系统评价受体的分布 Fig. 3 Distribution of assessment receptors for the mangrove ecosystems in Qinzhou Bay,Guangxi

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基于上述IPCC脆弱性的定义和SPRC评估模式分析，本研究从系统的暴露度、敏感度和适应度3个方面构建了海平面上升影响下红树林生态系统脆弱性评价指标体系(表 2)。气候变化对红树林生态系统的影响主要是海平面上升、地壳垂直运动和沉积速率三者相互作用下，红树林生态系统能否适应潮间带高程和淹水时间的变化过程。选取的指标能定量反映海平面上升对红树林生态系统的影响以其过程和结果，并且应避免指标间的重复。同时，指标应具备可定量化和数据可获取性的特征，其数据具有时空异质性。

海平面上升速率 红树林生态系统位于海陆交界的潮间带，其分布与潮间带高程和潮汐水位密切相关。根据国家海洋局海平面公报统计，近40年广西海平面呈明显上升趋势，其上升速率约为0. 29 cm/a^[17]。根据IPCC排放情景特别报告(SRES)中B1情景下的海平面上升速率为0. 18—0. 38 cm/a，A1FI情景下的海平面上升速率为0. 26—0. 59 cm/a^[16]。本研究中海平面上升速率分别采纳了上述3种情景。

地面沉降/抬升速率 地面沉降/抬升是影响区域相对海平面上升的重要因素。广西海岸带由于地壳构造垂直运动，钦州湾海岸带普遍呈抬升趋势^{[18, 19, 20, 21]}，其海岸带地壳垂直运动变化速率见图 4。

图 4 钦州湾海岸带地壳垂直抬升速率和高程测量样线分布[6, 9, 18, 19, 20, 21] Fig. 4 The crust vertical rise rate and the transect distribution of elevation measurement in coastal zone of Qinzhou Bay

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红树林生境高程 广西钦州湾红树林生态系统沿潮间带高程梯度呈带状分布，各类红树林群系具有一定的生境需求和分布范围^[23]。海平面上升可能导致潮间带实际高程发生变化，从而影响红树林生态系统的生境。根据广西海岸带滩涂地形地貌调查在研究区域设置的26条样线(图 4)共1015个高程点的数据^{[6, 9]}，应用ArcGIS地理统计分析模块中克里格插值法进行高程空间插值，获取钦州湾海岸潮间带的数值高程图(黄海基面，国家85高程系)。

潮滩坡度 潮滩坡度是影响潮间带沉积物累积的重要地形地貌因素。平缓滩坡的水动力较稳定，利于沉积物淤积，而陡峭滩坡受潮汐侵蚀影响大，不利于沉积物淤积^[25]。在上述生境数值高程图的基础上，利用ArcGIS软件中地理统计分析模块，将高程数据转换为坡度，得出钦州湾红树林分布区的潮滩坡度分布图。

日均淹水时间(T) 沿高程梯度呈带状分布的各类红树林群系对淹水胁迫具有一定的适应性和耐受范围^{[3, 26]}。根据2012年国家海洋局刊发的潮汐表^[22]与红树林群系的高程分布^{[6, 23, 24]}，计算出各类红树林群系生境的日均淹水时间(全年日平均)，得出白骨壤、桐花树、无瓣海桑、秋茄、红海榄和木榄红树林群系日均淹水时间(T)分别为：8.8、7.3、7、6.9、6.4 h和5.8 h(图 5)。

图 5 不同海平面上升情景下日均潮位变化和各类红树林群系的日均淹水时间 Fig. 5 Mean daily tidal range and daily inundation duration for the six formations of mangroves under different scenarios of sea level rise

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沉积速率：河流和外海带来的沉积物在海岸带的冲淤动态是影响相对海平面上升速率的重要因素。当沉积速率大于或等于海平面上升速率，可缓解或抵消海平面上升影响，而侵蚀岸滩则会加速海平面上升对红树林生态系统的影响。钦州湾海岸带地区主要的常年入海河流有钦江和茅岭江两条河流。根据广西海岸带滩涂地形地貌调查样线的柱状沉积物数据^[6]以及参考广西海岸带沉积环境演变的柱状岩芯沉积物数据^[5]，得出钦州湾红树林分布区的平均沉积速率。

根据各气候变化情景下广西海平面上升速率和日均潮位变化(图 5)，可推导出钦州湾各类红树林群系生境在不同海平面上升情景下的日均淹水时间T_sl，其计算公式如下：

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式中，T_sl为不同海平面上升情景下各类红树林群系生境的日均淹水时间；m为不同海平面上升情景下日均潮位表f (tide)在各红树林群系生境高程f(e)上的截距(图 5)；f (tide)为平均潮位在不同海平面上升情景下随时间(t)的变化；t为不同时间尺度(短期2010—2030年，中期2010—2050年和长期2010—2100年)的评价年数；R_slr为相对海平面上升速率；R_sl为绝对海平面上升速率，R_sub为地面沉降/抬升速率，R_sed为沉积速率。

综合以上各项计算公式，可以计算在不同海平面上升情景下钦州湾红树林生态系统脆弱性指数Vulnerability Index(VI)：

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式中，Rang(T_sl－T)为不同海平面上升情景下各类红树林群系生境的日均淹水时间T_sl与相应的红树林群系生境日均淹水时间T 的差值。 K为潮滩坡度影响系数。钦州湾红树林分布区的潮滩坡度多在1% 以下，研究表明当潮滩坡度大于5%时，海岸带侵蚀会显著增加^[27]。据此，当海岸带潮滩坡度小于5%时，赋予影响常数K值为1(无影响)，而大于5%时K值为1. 5(显著影响)。

根据各类红树林群系由低潮带至高潮带呈带状分布和其生境的日均淹水时间T，高潮带红树林群系生境的日均淹水时间比中潮带和低潮带红树林群系生境分布别少1 h和2.2 h(图 5)，由此划分脆弱性指数VI的等级。当VI∈[≤ 0]，红树林生态系统为不脆弱；VI∈[0,1]为低脆弱；VI∈[1，2. 2]为中度脆弱；VI∈[> 2. 2]为高度脆弱(表 3)。

空间量化评价指标是实现脆弱性评价的基础。在ArcGIS平台上以广西钦州湾红树林生态系统评价受体(图 3)为数据载体和基本评价单元，共计283个评价单元。整合脆弱性指标数据与评价单元，实现空间评价单元的单属性图层赋值与储存。建立空间数据与属性数据相互关联的脆弱性指标数据库，实现海平面上升、地面沉降/抬升速率、生境高程、潮滩坡度、日均淹水时间和沉积速率指标的地理空间量化。根据脆弱性指数VI的计算方法，在GIS平台上进行指标图层的空间叠加与计算，生成多指标属性的综合图层，得出每个评价单元脆弱性指数。按脆弱性指数等级划分，输出不同海平面上升情景和时间尺度(短期2030，中期2050和长期2100年)的广西钦州湾红树林生态系统脆弱性评价的空间分布图。

近40年广西海平面上升(0.29 cm/a)与IPCC 的B1(0.38 cm/a)海平面上升情景下，钦州湾各类红树林群系在2030，2050和2100年脆弱性等级均为不脆弱(图 6)。钦州湾海岸带普遍呈抬升趋势，其抬升速率为0. 05—0. 23 cm/a，同时钦州湾红树林分布区的沉积速率为0. 25—0. 63 cm/a。在地面抬升和沉积速率的作用下，抵消了海平面上升给钦州湾红树林生境可能带来的影响。

图 6 A1FI情景下2030、2050和2100年钦州湾红树林生态系统脆弱性空间评价图 Fig. 6 The spatial distribution of vulnerability assessment for the mangrove ecosystems in Qinzhou Bay in 2030,2050 and 2100 under A1FI scenario

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在IPCC 的A1FI海平面上升(0.59 cm/a)情景下，钦州湾各类红树林群系在2030年均表现为不脆弱(图 6)。至2050年，钦州湾各类红树林群系表现为不脆弱的(VI等级0)为58. 7%，而处于低脆弱的(VI等级1)为41. 3%(表 4)。处于低脆弱的红树林群系主要分布在茅尾海西北岸段(图 6)，该区域至2050年绝对海平面上升超过了沉积和地面抬升，导致各红树林群系生境的日均淹水时间增加到[0,1]的低脆弱等级范围内。至2100年，钦州湾各类红树林群系表现为不脆弱的仅为总面积的30. 2%，而处于低脆弱的红树林群系为69. 8%，比2050年增加了28. 5%(表 4)。低脆弱等级的红树林群系不仅出现在茅尾海的西北岸段，也包括了茅尾海的东北岸段(图 6)。

全球气候变化所导致的海平面上升等现象对海岸带产生显著影响。20世纪90年代初的IPCC CZMS报告，首次将海岸带脆弱性评估列为主要事项^[28]。在众多的研究中，影响较大的是Nicholls于1999年对全球海平面上升可能造成的洪涝风险以及湿地损失的评估^[29]。该项研究预测了由于海平面上升造成的湿地损失和由于风暴潮造成的洪涝风险。研究预测显示，至2080年，全球海平面上升将造成世界湿地22%的损失，如果结合其他人类活动造成的影响，全球湿地损失将达到70%，如果没有相应的措施响应，全球海平面上升将产生严重的负面作用。从国内外的研究趋势上来看，构建基于过程的气候变化影响下海岸带脆弱性评估模式和加强定量化的脆弱性评估，是当前和今后海岸带脆弱性评估发展的方向。从系统论角度来看，气候变化影响下海岸带系统的动态符合SPRC评估模型，能够充分体现自然因子和人为因子(源)以不同方式(途径)对评价系统(受体)所造成的影响(表现为系统的脆弱性)，明确表达了影响源与受体之间的相互作用与过程。目前欧盟THESEUS项目也成功应用了SPRC评估模式，研究气候变化所导致的海平面上升与风暴潮对欧洲海岸带社会经济和生态环境的影响，用以制定切实可行的应对策略和措施^[13]。本项研究运用SPRC评估模型，分析了海平面上升对红树林生态系统影响的主要途径、过程和结果，体现了各要素间的因果关系，构建了基于过程的海平面上升影响下广西钦州湾红树林生态系统脆弱性评估模式，同时也为建立脆弱性评估的指标体系提供了依据。

自然系统和社会经济系统脆弱性评价的常用方法是基于暴露度、敏感性和适应性三方面建立脆弱性评价体系，进行定量评价。气候变化对海岸带生态系统影响涉及许多方面，反映其脆弱性的指标也是多方面的，因此必须根据脆弱性评估的对象、目的和具体情况，力求建立基于过程的、可量化的和可操作的评价指标体系^[11]。在美国海岸带脆弱性评估研究中，选取了地貌环境、海岸带坡度、相对海平面上升速率等6项海岸带脆弱性指标^[30]。西尼日利亚三角洲红树林生态系统脆弱性评估研究，从社会和生态两方面选取了海平面上升、相对湿度、温度、采伐等11项脆弱性指标^[31]。Ellison根据系统暴露度、敏感度和适应度选取了包括群落结构、生长状况、管理能力等气候变化影响下红树林生态系统脆弱性指标体系^[3]。本项研究基于SPRC评估模式和IPCC的脆弱性定义，建立了海平面上升速率、地面沉降/抬升速率、生境高程、日均淹水时间、潮滩坡度和沉积速率6项指标的海平面上升影响下红树林生态系统脆弱性指标体系。在该脆弱性指标体系基础上计算得出的脆弱性指数体现了基于过程、可量化和可操作的原则，实现了海平面上升影响下红树林生态系统脆弱性评价。

气候变化影响下海岸带脆弱性评估过程中涉及海岸带大量信息的获取、分析和模拟。GIS平台能融合各种数据建立数据库，执行分析、模拟和预测等功能，其发展为气候变化影响下海岸带脆弱性评估提供了一个崭新的平台和前景。利用GIS技术的空间分析功能，可以对资源、环境和社会经济等各类要素进行定量分析和综合分析，获得的评价结果直观、清晰，有助于问题发现和决策制定^[31]。本项研究应用ArcGIS中地理空间数据库、空间分析和图像表达，实现了研究对象的地理位置和相关属性信息的有机结合，完成地理空间数据的采集、处理、存储、分析、管理和结果输出。研究得出的空间评价结果直观、清晰，为客观定量评价海平面上升影响下红树林生态系统脆弱性提供了重要的技术支撑。

本项研究应用SPRC评估模型和IPCC脆弱性定义，构建了脆弱性评价体系。运用GIS平台计算脆弱性指数，建立了定量评估海平面上升影响下红树林生态系统脆弱性的方法。结合不同海平面上升情景和时间尺度(短期2030，中期2050和长期2100年)，进行了广西钦州湾红树林生态系统脆弱性的空间评价。研究结果表明，气候变化所导致的海平面上升对广西钦州湾红树林生态系统的影响主要表现在海平面上升与地壳垂直运动和沉积动力条件相互作用，改变了红树林生境高程和淹水时间，进而影响红树林生态系统的生存和分布。广西钦州湾红树林生态系统脆弱性评价的结果表明，气候变化所导致的海平面上升将对红树林生态系统产生明显的影响。随着钦州湾地区社会经济发展，人为干扰对该地区红树林生态系统的影响日趋严重。近20—30年来大规模围垦海岸带红树林用于沿海地区城市和工业建设、水产养殖^[6]以及沿海环境污染和红树林病虫害等^[32]会进一步加剧海平面上升对红树林生态系统的威胁。因此，实施有效的泥沙管理(促淤工程和疏浚泥利用)，开展红树林修复和重建工程以及控制大规模红树林围垦，是应对气候变化对广西钦州湾地区红树林生态系统影响的切实可行应对策略和措施，也是维持该地区海岸带社会经济发展和红树林生态系统安全的保障。