来源：佛罗里达大西洋大学                                   发布时间：2021年6月3日

       红树林植被在亚热带海岸线自然生长，具有减少海岸侵蚀、促进生物多样性、去除氮、磷和二氧化碳等多种生态系统功能。这些重要的生态功能受到复杂红树林根系周围水流的影响，这些水流形成复杂的能量过程，混合沉积物并在根系后面形成一个沉积区。这些红树林根系如何与水流相互作用被认为是减轻海岸侵蚀的关键因素。

       对管理人员和修复专家来说，为预测项目设计的成功，准确预测水动力侵蚀和红树林物种的基本数量一直是一个挑战。他们需要两个关键的信息：红树林根系近底部边界层的特征及其对红树林根系侵蚀的影响；以最佳孔隙度为基础，定量了解红树林根系侵蚀和生境需求。

       佛罗里达大西洋大学Oscar M.分校的研究团队率先使用预测模型开展了量化最优红树林根系水动力研究。这项研究发表在《科学报告》（Scientific Reports）杂志上，他们采用不同孔隙度的简化红树林根系模型来研究孔隙度对沉积物初始运动的影响，并考虑了红树林根系孔隙度和近底部湍流效应，这对海岸线、三角洲和陆地的演化至关重要。

       这项研究确定了红树林根系孔隙度的关键作用，并提供了指导海岸线形状演变的沉积物运输和侵蚀过程的见解。且野外研究的广泛时空参数可以扩展目前的研究成果，成功地预测河口岸线红树林侵蚀的结果。

       该研究的数据满足了全球恢复红树林栖息地的信息需求，并将带来与环境和生态工程界进行跨学科合作的机会。此外，了解红树林根系的水动力学和尺度，有助于设计和开发一个类似红树林的生物系统，用于全球沿海保护，特别是在有可能生长红树林的亚热带地区。

       描述红树林状结构的流体动力学特征可以解释其恢复力的主要机制，以及红树林根系能够承受高能流体条件的主要机制。例如，研究人员观察到，对于高孔隙率（较少堵塞）的情况，大多数沉积物被冲蚀，而对于低孔隙率斑块，沉积物沉积区域受到冲蚀(φ = 47%）的最大面积表明，对于固定根系结构而言，具有最佳孔隙度以减轻侵蚀。这些信息有可能改善未来沿海基础设施的设计与仿生红树林样结构。

       研究还表明，海岸线的最佳孔隙度设计可以为红树林生境适宜性边界线上的地点增加生境的灵活性。这种最佳孔隙度将影响泥沙运动开始时临界流速的增加。临界流速的增加在生物学上具有重要意义，它可能增加根系周围的养分，增加能量耗散以承受高流速，并控制基质底部的变化以促进红树林沼泽的增长。

       不超过最大能量耗散的临界孔隙率的根系可能具有适应性优势，比如能耐受沉积环境中的微咸水。通过恢复前的分级来增加红树林的物种可以潜在地增加减少侵蚀成功的可能性，更高的能量耗散会增加红树林根系对潮汐流能量的抵抗力。

       在未来的研究中，研究团队提出使用机器学习（ML）算法，利用现有的视频图像数据集和最先进的深度学习及ML算法，作为预测振荡水流条件下三维泥沙输移过程的一种替代方法。凭借丰富的泥沙输运数据，ML算法可以发现数据的模式和结构，从而生成一个可行的形态动力学模型。基于训练数据集，这些算法可以学习、推断和预测物理现象，这些物理现象有可能应用于流量控制、能量收集和侵蚀缓解等领域。

       研究人员表示，这项重要研究有助于填补解红树林根系近底部水流的空白，并进一步准确预测植被地区的泥沙输移，这有助于在自然中塑造这些沉积物。该研究提出的最优配置孔隙度范围和临界流速将为海岸管理者恢复河口红树林或种植红树林提供有用的指导。

原文链接：MANGROVE ROOT MODEL MAY HOLD THE KEY TO PREVENTING COASTAL EROSION

编译：刘群