《海南东寨港红树林湿地咸淡水交互过程及生源要素循环》以海南东寨港红树林湿地为典型研究区，从咸淡水交互作用及其驱动的生源要素循环视角，系统研究红树林湿地生态环境的演化机制及修复策略。《海南东寨港红树林湿地咸淡水交互过程及生源要素循环》结合遥感解译、水文-生物地球化学综合监测与数值模拟，重点探讨红树林湿地动态变迁、沉积环境演化、咸淡水交互过程及其驱动的地下水排泄特征，量化关键生源要素（碳、氮、硫等）的迁移转化规律与循环通量，并分析自然与人类活动对红树林湿地系统稳定性的影响。《海南东寨港红树林湿地咸淡水交互过程及生源要素循环》在理论分析与技术方法上均有所创新，提出针对红树林湿地生态系统退化的综合治理与修复策略，为滨海湿地保护与可持续发展提供重要参考。

**章绪论
　　1.1红树林研究背景与意义
　　红树林是生长于热带亚热带海岸潮间带、受到海水周期性浸没的木本植物群落，在改善海湾环境、防浪护堤、净化污染和保护湿地多样性等方面发挥着不可替代的作用。海南省拥有我国分布面积*大的红树林，植物群落结构丰富多样且生态价值高。近年来由于全球气候变化海平面上升、城市化建设与自然资源无序开发，红树林湿地受到自然因素和人类活动双重胁迫，面临生境破坏、面积衰减、生态服务功能退化的困境。
　　海平面变化、泥沙淤积、咸淡水交互作用是影响红树林生长发育的主要自然过程。近年来，伴随快速城市化建设与经济发展，水土污染、围塘养殖、港口建设、水上运输等强烈人类活动造成的环境破坏对红树林湿地资源也构成了巨大的威胁。在自然因素和人类活动共同影响下，红树林湿地通过水体循环，不断与周围环境进行物质和能量交换，从而驱动其景观格局演变、元素循环、生物生长并维持其生态功能的运转。其中，海水对陆地地下淡水的入侵，以及地下水排泄对咸水生态系统的影响是主要的海陆交互界面过程，淡水与咸水交汇形成的混合带对红树林湿地生物地球化学循环过程具有重要意义。
　　由于淡水和咸水混合，潮间带具有显著的地球化学梯度，并驱动着物质的生物地球化学循环。红树林湿地含水层中的生物地球化学循环包括溶解性有机质（dissolved organic matter，DOM）的降解，以及微生物参与的有氧呼吸、硝化与反硝化、厌氧氨氧化、硫还原、铁氧化还原等多种过程。在水力梯度驱动下，地下淡水进入红树林湿地含水层，与由于潮汐和波浪作用而渗入海滩的海水混合。潮间带的海水从涨潮的*高标志处向下流动，沿海滩底部向海洋排泄。咸水环流单元向海延伸的范围通常被一个在低潮点附近排泄的地下淡水区域包围；在更远的海域，密度梯度驱动着盐水沿着低盐水-淡水界面循环。周期性的海水-地下水交互作用驱动陆源生源要素（C、N、S）、重金属（Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn、As①、Fe）、有机污染物[抗生素、多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）、多氯联苯（polychlorinated biphenyls，PCBs）、总石油烃（total petroleum hydrocarbons，TPHs）和有机氯农药（organochlorine pesticides，OCPs）]等物质在红树林湿地系统中输移，均会对红树林湿地系统的演化造成不同程度的影响。从咸淡水交互作用及其驱动的生源要素循环的视角，系统研究红树林湿地地下水排泄驱动的生源要素循环过程，对红树林湿地的生态保护和可持续发展至关重要。
　　因此，本书研究通过遥感技术与水-土-生多圈层相互作用的综合监测，建立红树林湿地生态环境监测体系，以系统评估自然过程与人类活动对红树林湿地系统演化的影响，深入揭示红树林湿地含水层咸淡水交互及地下水排泄特征。同时，识别并量化影响湿地系统稳定性的关键生源要素的迁移与转化动态过程，为红树林湿地退化及生态敏感区域的环境治理与修复提供地球系统科学视角的科学依据，进一步推动红树林湿地的生态保护与可持续发展。
　　1.2红树林湿地研究现状与发展趋势
　　国内外关于红树林湿地系统的水文、环境及生态方面的科学研究工作主要包括以下几个内容。
　　1.2.1红树林湿地生态环境影响因素
　　1.水动力过程对红树林湿地生态环境的影响机制
　　红树林湿地广泛发育在陆地和海洋生态系统的过渡带，其对于维护海陆生态系统的平衡起到至关重要的作用（图1.1）。近几十年来，随着全球气候变暖，海平面上升是导致全球红树林面积损失、生态不断退化的主要因素，因此明确红树林地区的水动力过程是全面了解红树林湿地生态退化机理的基础。红树林分布区的水动力效应主要受潮汐、波浪、水流流速和悬浮泥沙浓度的影响。旱季红树林地区水动力过程的主控因素是波浪，造成光滩区积累更多的悬浮泥沙湍流，进而导致红树林生长区侵蚀。雨季的主控因素是河口和光滩区的径流流速。监测水动力过程，有利于量化红树林地区泥沙剥蚀淤积速率，判断现阶段海岸带的发育趋势；通过获取不同时空尺度的潮汐水动力数据，评估红树林的固土稳沙效益；建立红树林湿地水动力条件模型，为红树林湿地生态系统合理保护提供参考。
　　图1.1红树林湿地潮间带分区及海水-地下水交换示意图
　　2.营养元素对红树林湿地健康的影响机制
　　红树林湿地的营养元素循环主要受周期性的海水-地下水交换作用的驱动，从而发挥其作为海岸带“化学反应器”固定、转化或去除陆源营养元素的功能。随着沿海地区城市扩张、港口建设、水产养殖及围垦等人类活动的强度不断加大，红树林湿地遭到破坏，面积急剧减少，其原本储存的大量有机碳将以CO2的形式进入大气，红树林湿地由碳汇转为碳源，加重温室效应。潮间带的总有机碳（total organic carbon，TOC）负荷主要来源于污水输入，溶解性有机碳（dissolved organic carbon，DOC）负荷主要来源于养殖池及虾和鱼池的废水以及浮游植物，有机颗粒碳负荷主要来源于现场生产、垃圾、土壤有机质、沉积岩或污水。查明各类营养物质来源和负荷对改善红树林生态至关重要。
　　水产养殖作为一个直接营养来源，对红树林地区的养分吸收产生直接影响，从而影响红树林湿地的营养元素通量。富营养化会引起微生物和藻类的过度生长和繁殖，大量消耗水体和沉积物中的溶解氧（dissolved oxygen，DO）。当溶解氧耗尽后，有机物在厌氧条件下分解，释放出甲烷、硫化氢、氨等，对红树植物的呼吸根和幼苗的正常发育产生阻滞作用，甚至导致幼苗的窒息死亡。海南东寨港红树林自然保护区虽然备受保护，但水产养殖活动范围越来越大，严重影响了红树林的生长发育。
　　3.盐度对红树林植物的影响机制
　　盐度是红树林早期建立和发展*重要的影响因素之一，也是限制红树生长和生产率的主要环境因素。大量研究证明红树在含有5%～75%海水的水体中生存时有*优生长率，具体取决于红树的种类和红树整个生命周期的不同阶段，如幼苗的生长和生理机能*适宜的盐度范围为3～27psu（practical salinityunit，实用盐度单位）。一般情况下，盐度过高会促进植物的呼吸作用，由于淡水摄入减少会抑制红树生长，叶片面积减小；盐度过低则会导致红树林群落面临淡水植物的竞争。此外，pH和盐度的变化影响红树林湿地及植物体内重金属的迁移性和可利用性，当重金属和其他污染物浓度过高时，对红树植物及其系统内生物产生威胁。目前的研究主要围绕盐胁迫对红树植物生态生理结构的影响效应和红树植物的耐盐性开展，缺乏盐度变化对红树林湿地生态影响机理的深入探究。
　　4.人为因素对红树林湿地的影响
　　受经济利益驱动，红树林保护区周边普遍存在填海造田、毁林围垦进行高位养殖等行为，严重破坏红树生长环境。同时，保护区内居民生活废水、工业废水和未经处理的养殖污水直接排放，对保护区的生物造成一定的威胁，影响了红树林的生长。研究显示，生活污水排放带来的营养元素富集在一定范围内或能促进红树林植物的生长，特别是在底泥营养水平较低的地区。然而，这一过程也可能削弱红树林植物叶片的光合作用，降低叶绿素浓度及酶活性，而有机质的过量输入还可能引发底泥氧化-还原电势的失衡。此外，尽管红树林湿地中的土壤对工业废水中的重金属具有较强的吸附固定能力，对环境中重金属的去除具有积极意义，但红树林植物吸收的重金属大多积累在根部，对植物的生长会造成较明显的不良影响。
　　1.2.2红树林湿地环境污染特征
　　1.红树林湿地系统中重金属的污染特征及成因机制
　　针对红树林湿地中的Cd、Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Hg、Co、Fe、Mn和V等重金属已开展了不同程度的研究，其中Cd含量存在升高的趋势，主要来源为人为活动（如附近流域使用的磷肥）和成岩作用；As、Pb主要来源于人类活动主导的不同输入源或途径（煤矿燃煤活动和气溶胶沉降等）；Cr、Ni、Cu和Zn主要为天然来源。海南岛东部的红树林沉积物中重金属污染物主要的是Cr和As；万泉河中Fe、Pb和Co存在季节变化规律，Fe、Pb在雨季高旱季低，而Co的季节变化规律则恰好相反。
　　近年来，海南岛经济建设的快速推进，尤其是水产养殖活动，显著增加了红树林湿地中的重金属负荷。重金属的过量积累会对红树植物根系的生长和呼吸造成压力，且能通过蒸腾作用传导至叶片加速叶片老化，进而抑制红树的生长。研究结果普遍显示，目前海南岛东部红树林沉积物中的重金属仍处于轻度至中度污染水平，但含量呈现出逐渐上升的趋势。因此，亟待加强对红树林湿地中重金属含量的长期监测，并适当提高监测频率和精度，以评估和应对潜在的生态风险。
　　2.红树林湿地系统中有机污染物的分布特征及成因机制
　　红树林湿地有机污染物的研究主要包括沉积物和水体中的多环芳烃、多氯联苯、总石油烃和有机氯农药。大量研究表明，处于海陆交互区的红树林湿地是陆源有机污染物重要的吸收和累积场所。化石燃料的燃烧、含Pb汽油尾气的排放、生活污水和工业污水的排放及农田溢流是有机污染物进入湿地沉积物环境的主要途径。农药和芳烃类污染物会吸附在悬浮颗粒物表面，随水体迁移到红树生长区，通过生物富集进入红树植物。河口和近海的油品污染对红树植物的伤害主要表现为呼吸根因皮孔堵塞、供氧不足而坏死。
　　当前，针对红树林湿地中有机污染物的含量分布特征及溯源，尤其是有机污染物在沉积物-水体-红树植物之间的迁移转化工作缺乏系统深入的研究。因此，识别红树林湿地系统中有机污染物迁移转化规律，阐明有机污染物影响红树林生长发育的作用机制，探讨其主要的环境效应，对红树林退化及敏感生态区域污染治理和生态修复提供科学的决策建议具有重要理论和现实意义。
　　综上所述，已有研究存在如下三点不足。
　　（1）大多红树林的生长发育研究是基于单一学科的植物生态学研究或遥感调查，将红树林湿地水-土-生多要素作为一个整体的系统性跨学科研究略显不足。
　　（2）以往调查大多围绕地表水的水动力条件和盐度、有益有害组分等环境要素对红树林生长发育的影响等方面开展，多集中于单一环境或介质，未考虑海水-地表水-地下水-土壤（沉积物）多界面环境过程。
　　（3）当前缺乏基于地球系统科学视角的红树林演化规律与生态保护的研究，在充分考虑影响红树林发育的自然过程与人为活动、构建生源要素多界面综合监测网络、模拟海水-地下水交互过程、量化地下水排泄驱动的生源要素循环通量等方面的相关工作亟待加强。
　　1.3本书研究思路与内容
　　1.3.1研究思路
　　针对红树林湿地保护与生态修复的重大需求，从咸淡水交互作用及其驱动的生源要素循环的角度，本书选取海南东寨港红树林湿地作为典型研究区，开展红树林湿地咸淡水交互带的水文-生物地球化学调查、监测与模拟，基于遥感技术与水-土-生多圈层相互作用综合监测，构建红树林湿地生态环境监测网络，探究自然过程和人类活动对海南岛红树林湿地系统演化的影响，查明红树林湿地含水层咸淡水交互过程及地下水排泄模式，识别影响红树林湿地系统稳定性的关键生源要素迁移转化过程，量化红树林湿地地下水排泄驱动的生源要素循环通量，为红树林湿地系统退化及敏感区域的生态环境综合治理与修复提出地球系统科学对策，为海岸带生态保护与可持续发展提供重要支撑。
　　本书研究的技术路线如图1.2所示。
　　图1.2研究技术路线图
　　2研究内容
　　1.红树林湿地动态变迁及沉积环境演化特征
　　通过遥感解译技术获取红树林湿地近四十年的动态变化，进一步结合第四纪沉积演化研究恢复百年尺度的演化与环境变迁历史，重建红树林的出现、兴替及消亡演化过程，识别影响红树林演变的生态环境因子，揭示限制红树林分布与发育的生源要素，厘清红树林生态格局与历史演化特征。
　　2.红树林湿地含水层咸淡水交互过

目录
第1章 绪论 1
1.1 红树林研究背景与意义 1
1.2 红树林湿地研究现状与发展趋势 2
1.2.1 红树林湿地生态环境影响因素 2
1.2.2 红树林湿地环境污染特征 4
1.3 本书研究思路与内容 5
1.3.1 研究思路 5
1.3.2 研究内容 5
第2章 红树林湿地动态变迁及沉积环境演化 7
2.1 研究区概况 7
2.1.1 红树林分布特征 7
2.1.2 区域自然地理概况 8
2.1.3 区域水文地质条件 11
2.2 红树林动态变迁与发育现状 12
2.2.1 数据来源及预处理 12
2.2.2 红树林动态遥感解译 15
2.2.3 红树林发育现状解译 25
2.3 红树林湿地沉积环境演化特征 26
2.3.1 晚更新世以来红树林湿地的沉积演化过程 26
2.3.2 中全新世以来红树林群落的定植与演变特征 31
2.3.3 人类活动以来红树林湿地的沉积动态特征 34
2.3.4 全新世东寨港区域环境及植被演替史 44
2.4 本章小结 45
第3章 咸淡水交互过程及其水文地球化学特征 46
3.1 红树林湿地野外监测场地建设与监测 46
3.1.1 多水平监测剖面建设 46
3.1.2 监测剖面结构测量 49
3.1.3 监测场地样品采集 49
3.1.4 样品测试与分析 50
3.2 红树林湿地水文动态及咸淡水分布 51
3.2.1 孔隙水压力动态 51
3.2.2 盐度分布 52
3.3 红树林湿地水文地球化学特征 54
3.3.1 常规水化学指标 54
3.3.2 水化学类型及矿物饱和度 59
3.4 生源要素时空动态 61
3.4.1 溶解性有机质 61
3.4.2 无机氮 65
3.4.3 无机硫 69
3.5 本章小结 71
第4章 红树林湿地地下水排泄模式及其影响因素 73
4.1 水盐数值模型建立 73
4.1.1 数学模型 73
4.1.2 模型区域 74
4.1.3 模型空间离散 75
4.1.4 模型边界条件 76
4.1.5 模型案例及参数设置 77
4.1.6 模型并行运算设置 80
4.1.7 模型分析指标 80
4.2 红树林湿地地下水排泄特征 81
4.2.1 基准模型结果与实测结果对比 81
4.2.2 地下水排泄特征 83
4.2.3 红树林湿地含水层USP 的控制因素 86
4.3 红树林湿地地下水排泄的影响因素 87
4.3.1 潮间带地形 87
4.3.2 高渗透砂层 89
4.3.3 渗透系数各向异性 90
4.4 地下水排泄对红树林生长发育的指示 91
4.5 本章小结 92
第5章 咸淡水交互过程中溶解性有机质的迁移转化 94
5.1 地表水与地下水溶解性有机质空间分布特征 95
5.1.1 上覆地表水DOM 沿盐度梯度分子组成特征 95
5.1.2 沉积物孔隙水DOM 分子组成特征 95
5.2 地表水与地下水中溶解性有机质分子组成差异 98
5.2.1 有机质元素比值和分子质量 98
5.2.2 有机质分子式空间分布 99
5.2.3 有机质化学结构分类特征 101
5.3 影响红树林湿地溶解性有机质分子组成的关键环境要素识别 105
5.3.1 上覆地表水和沉积物孔隙水有机质组成的主成分分析 105
5.3.2 上覆地表水有机质的空间异质性特征 107
5.3.3 沉积物孔隙水有机质组成的影响因素 107
5.4 地表水-地下水相互作用下溶解性有机质的迁移转化过程 109
5.5 本章小结 114
第6章 微生物介导的红树林湿地沉积物氮、硫迁移转化规律 115
6.1 光滩和红树林区氮、硫循环的功能微生物分布特征 115
6.1.1 氮循环功能微生物分布特征 115
6.1.2 硫循环功能微生物分布特征 118
6.2 光滩和红树林区氮、硫循环功能基因的差异性 121
6.2.1 氮循环功能微生物的差异性 121
6.2.2 硫循环功能微生物的差异性 122
6.3 影响沉积物氮、硫循环的关键环境因子 123
6.3.1 氮循环关键环境因子 123
6.3.2 硫循环关键环境因子 125
6.4 红树林湿地微生物驱动的氮、硫迁移转化规律 127
6.4.1 微生物驱动的氮迁移转化规律 127
6.4.2 微生物驱动的硫迁移转化规律 129
6.5 本章小结 131
第7章 地下水排泄驱动的红树林湿地生源要素循环 132
7.1 反应-运移模型建立 132
7.1.1 数学模型 132
7.1.2 模型反应网络剖分及参数 135
7.1.3 模型案例设置 136
7.1.4 模型并行运算设置 137
7.1.5 模型分析指标 137
7.2 生源要素反应-运移模型结果分析 138
7.2.1 动态水盐模型结果验证 138
7.2.2 反应-运移模型结果分析139
7.3 生源要素循环热区/热时识别及通量特征刻画 144
7.3.1 生源要素循环热区识别 144
7.3.2 生源要素循环热时识别 147
7.3.3 生源要素的循环通量 150
7.4 养殖活动和红树林表层渗透性对生源要素迁移转化的影响 154
7.5 本章小结 156
第8章 红树林湿地生态保护及修复对策 158
8.1 基于PSR模型的红树林湿地健康评价 158
8.1.1 PSR模型的建立 158
8.1.2 健康评价指标权重的确定 161
8.1.3 评价指标原始数据的获取 165
8.1.4 评价指标原始数据的归一化处理 166
8.1.5 评价结果及分析 167
8.2 红树林湿地保护及修复对策建议 171
8.2.1 现有保护措施实施情况综述 171
8.2.2 红树林湿地保护修复建议 172
参考文献 177