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《北部湾茅尾海红树林蓝碳资源评估及其保护研究》详细介绍了北部湾茅尾海红树林的基本情况、多源卫星遥感数据处理及种群分类实践，研发了红树林生物量反演系统，评估了红树林的蓝碳资源空间分布格局及影响因素，围绕红树林蓝碳资源保护展开深入研究。《北部湾茅尾海红树林蓝碳资源评估及其保护研究》以多源遥感数据和野外采样数据为依据，结合国内外红树林蓝碳资源评估理论基础与技术方法，对多源卫星遥感技术在红树林生态系统中的应用进行了系统探讨，并阐述了茅尾海红树林生态系统蓝碳资源的空间分布现状，进一步丰富了红树林生态系统碳循环研究的实践案例，对红树林生态系统的修复以及可持续性保护具有一定的参考价值。
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目录序前言第1章 绪论 11.1 红树林生态系统及蓝碳研究概况 11.1.1 红树林 11.1.2 红树林生态系统 11.1.3 红树林生态系统分类研究 61.1.4 红树林生态系统蓝碳研究 91.2 理论基础与研究范式 141.2.1 红树林生态系统蓝碳研究的理论基础 141.2.2 红树林生态系统蓝碳研究的评估范式 161.2.3 红树林生态系统蓝碳研究的驱动力方法 181.3 研究思路与技术路线 21参考文献 24第2章 北部湾茅尾海红树林基本情况 332.1 地理位置 332.2 气候概况 342.3 入海河流 352.4 海岸地貌 362.5 底质类型 362.6 社会经济 372.7 人类活动 38参考文献 39第3章 红树林多源卫星数据来源与预处理 403.1 GF-2号卫星数据 403.1.1 GF-2号卫星数据来源 403.1.2 GF-2号卫星数据预处理 413.2 Landsat 8卫星遥感影像数据 423.2.1 Landsat 8卫星遥感影像数据来源 423.2.2 Landsat 8卫星遥感影像数据预处理 433.3 UAV-LiDAR与高光谱数据 433.3.1 UAV-LiDAR与高光谱数据来源 433.3.2 UAV-LiDAR与高光谱数据预处理 443.4 野外采样数据库 443.4.1 野外采样数据来源 443.4.2 野外采样数据预处理 46参考文献 46第4章 红树林生态系统种群分类实践 474.1 基于光学遥感影像的红树林分类 474.1.1 红树林野外分类样本及特征 474.1.2 红树林种间分类流程 484.1.3 XGBoost模型性能分析 534.1.4 茅尾海典型区红树林种间分类 564.1.5 茅尾海红树林种间分类 594.2 基于无人机影像的红树林样本数据提取 614.2.1 红树林野外分类样本及特征 614.2.2 基于无人机数据的红树林种间分类流程 624.2.3 XGBoost模型性能分析 694.2.4 茅尾海典型区红树林分类结果 74参考文献 77第5章 红树林生物量反演系统和平台 815.1 LiDAR点云数据特征 815.2 激光雷达红树林生物量反演系统（LiMARS）介绍 835.3 地面与非地面点云分割 855.4 红树林数字模型生成（CHM、DSM与DEM） 875.5 红树林高度/强度特征参数 885.6 红树林郁闭度与单木分割 905.6.1 无瓣海桑红树林郁闭度变量 905.6.2 无瓣海桑红树林单木分割 915.7 红树林生物量反演模块 93参考文献 95第6章 基于UAV-LiDAR的红树林生物量反演及其空间分布格局 966.1 基于UAV-LiDAR的红树林生物量反演 976.1.1 野外样地调查与异速生长方程 976.1.2 激光点云生物量反演参数生成 1006.1.3 生物量反演机器学习模型优选 1066.1.4 特征变量选择与模型构建 1076.2 典型区红树林生物量空间分布 1106.2.1 不同模型性能分析 1106.2.2 生物量空间分布格局 1176.3 典型区红树林生物量与生态水文过程 1186.3.1 不同地貌单元生物量空间分布 1186.3.2 不同子流域单元和潮沟生物量空间分布 120参考文献 122第7章 红树林蓝碳资源评估 1267.1 数据来源与预处理 1267.1.1 数据来源 1267.1.2 Landsat 8卫星遥感影像数据预处理 1277.1.3 野外样本数据预处理 1277.1.4 气象数据预处理 1297.2 基于Landsat 8卫星遥感影像的茅尾海红树林生物量反演 1297.2.1 红树林地上生物量模型参数构建 1297.2.2 红树林异速生长方程构建 1317.2.3 地上生物量反演机器学习模型优选 1327.2.4 特征变量选择与模型构建 1337.2.5 红树林地上生物量空间分布格局 1347.2.6 红树林植被生物量空间分布格局 1367.3 基于Landsat 8卫星遥感影像的茅尾海红树林土壤碳反演 1387.3.1 红树林土壤碳模型参数构建 1387.3.2 土壤碳反演机器学习模型优选 1387.3.3 特征变量选择与模型构建 1407.3.4 红树林土壤碳空间分布格局 1417.4 茅尾海红树林蓝碳空间分布格局 1427.4.1 红树林蓝碳计算方法 1427.4.2 红树林蓝碳空间分布格局 143参考文献 144第8章 红树林蓝碳资源及其保护 1498.1 茅尾海红树林蓝碳资源空间分布热点分析 1498.1.1 探索性空间数据分析方法 1498.1.2 红树林空间分布模式 1518.1.3 红树林生物量热点与冷点分析 1538.2 茅尾海红树林蓝碳驱动力分析 1548.2.1 红树林蓝碳的全局解释性及非线性特征 1558.2.2 红树林蓝碳的驱动力机制 1618.3 茅尾海红树林蓝碳资源评估讨论 1638.4 红树林保护及应对策略 1658.4.1 红树林保护现状 1658.4.2 红树林保护存在问题 1658.4.3 红树林修复潜在分布区对策和建议 167参考文献 170
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第1章 绪论 1.1 红树林生态系统及蓝碳研究概况 1.1.1 红树林 红树林，因其植物体内富含单宁酸，树皮被割开后暴露在空气中会氧化为红色而得名（林鹏，2003）。红树林生长在热带和亚热带海岸潮带，及沿海河口区域，受周期性潮水浸淹，是以红树植物为主体的由常绿灌木或乔木组成的木本生物群落，是一些鱼类、鸟类、海洋哺乳动物的重要哺育场所。红树林不仅具有促淤造陆、防浪护堤、维持生物多样性、抵御自然灾害等一系列生态系统服务功能（Alongi，2007；Donato et al.，2011；He et al.，2019），还在固碳方面扮演着重要的角色，享有“海岸卫士”的美誉（刘少才，2011）。红树林植物由于生长环境特殊，具有胎生现象（周晓旋等，2016），通过演化出呼吸根来应对周期性缺氧的环境是其一大特点。作为蓝碳（blue carbon）资源之一，红树林固碳能力强，对缓解全球气候变化具有重大意义。有研究表明红树林仅占全球陆地面积的0.1%，但其固碳量占全球总固碳量的5%，红树林的植被和沉积物的固碳量大约是热带雨林的3～4倍（Alongi，2007）。 1.1.2 红树林生态系统 1.生态系统 在早期的植物学研究中，英国生态学家阿瑟？乔治？坦斯勒爵士（Sir Arthur George Tansley）在《植物生态学概论》中提出，生活在同一地区的动植物与其环境是结合在一起的，这些动植物与环境构成了地球表面上具有不同大小和类型的基本单位，即生态系统（ecosystem）。20世纪40年代，美国生态学家雷蒙德？L.林德曼（Raymond L.Lindeman）进一步以数学方式定量地表达了生态系统中营养级的相互作用，建立了养分和能量循环的理论模型（Lindeman，1942）。随着生态学研究的逐步发展，如今学界普遍认为一个完整的生态系统需要有以下四方面的要素：①由生物和非生物成分组成；②各要素间有机地组织在一起，具有能量流动、物质循环、信息传递等功能；③生态系统是客观存在的实体，有时间、空间概念的功能单位；④生态系统是人类生存和发展的基础。 2.红树林生态系统的概念 学者汤姆林森在1986年提出“红树林”（mangrove）一词。红树林是生长在热带和亚热带地区海陆交界处的木本植物群落，它们生长在高盐度、极端潮汐、强风、高温以及缺氧淤泥的环境中，并演化出了一系列*特的生理和形态适应性以应对这些胁迫条件 （Tomlinson，1986）。大多数红树林植物彼此之间的关系并不密切，但它们对极端环境具有高度相似且发达的形态适应性、生物适应性、生理适应性和生态适应性（Kathiresan et al.，2001）。实现这种生态适应性的主要特征包括呼吸根（海榄雌、无瓣海桑等）、高跷根（木榄属、角果属）、排盐叶片和胎生现象等*特适应性结构 （Kathiresan et al.，2001；Blasco et al.，1996）。红树林的生态群落分布大多与海岸线平行，因此，与海洋或河口岸的距离、潮汐淹没的频率和持续时间、盐度和土壤等均是影响红树林生长发育重要的环境因素（FAO，2007；Lugo et al.，1974；Tomlinson，1986；Alongi，2002）。通常情况下，红树林生态系统的稳定性良好，然而在某些特殊环境情境下（如在超出其生态容忍范围的水质环境中）又表现出高度敏感性（Blasco et al.，1996）。水文、土壤、温度等也是影响红树林生长发育的重要因素，因此，深入研究、分析红树林的生态环境是保护、修复红树林生态系统的重要步骤。 3.红树林生态系统的特征 在世界范围内，位于北纬30°和南纬30°之间的124个国家拥有红树林生态系统（FAO，2007），覆盖了75%的热带和亚热带海岸线（Giri et al.，1996）。红树林生态系统是地球上生产力*高的生态系统之一，能生产出丰富的自然资源，也为海洋生物提供了栖息场所（Kon et al.，2010），对维持湿地生态安全意义重大，是国际上湿地生态保护和生物多样性保护的重要对象，为人类创造了重要的自然生态效益。红树林是抵御海岸线海洋动力的天然屏障。不少研究讨论了红树林保护海岸线和抵御自然灾害（飓风、旋风、海啸等）的能力（Alongi，2002；Barbier，2006；Cochard et al.，2008；Danielsen et al.，2005；Kathiresan et al.，2005；Kerr，2006；Othman，1994；Vermaat et al.，2006），以及其消波减浪和防止海岸侵蚀的过程（Blasco et al.，1992；Dahdouh-Guebas et al.，2005；Mazda et al.，1997；Mazd et al.，2002）。红树林作为一种复杂的滨海生态系统，还具有强大的固碳能力，是重要的蓝碳生态系统，使其在缓解全球气候变暖过程中发挥重要作用（Meng et al.，2021）。 红树林生态系统以其卓越的生产力，被誉为地球上*高效的自然工厂之一。它们不仅孕育着丰富的自然资源，更为海洋生物提供了一个繁衍生息的避风港，对于维护湿地生态平衡和生物多样性的健康至关重要。鉴于其不可替代的生态价值，红树林生态系统成为了全球湿地保护与生物多样性维护的焦点。这些*特的滨海生态系统，不仅是自然界的瑰宝，同时也为人类带来了显著的社会经济回报和生态福祉。更重要的是，红树林生态系统具备强大的碳汇功能，作为蓝碳生态系统的代表，它们在对抗全球气候变化的过程中扮演着关键角色，通过吸收并储存大量二氧化碳，有效减缓了地球暖化速度。红树林生态系统不仅是生物多样性的宝库，更是应对全球环境挑战的天然盟友，其保护与恢复工作对于确保生态安全、促进可持续发展具有深远意义。 4.红树林生态系统的经济效益 红树林生态系统，以其*特的自然结构和生态功能，维护了生物多样性的平衡，还为人类社会带来了广泛的经济效益，具体效益如下。 林业产品与渔业产品优选材料：红树林的树木和枝条，以其高热值特性，成为制造优质木炭和柴火的优选材料，其效能相当于大量煤炭，且燃烧时无烟，环保高效。此外，富含单宁酸的红树林木材，因其耐久性，被广泛应用于建筑和工艺品制作。根部则用于生产瓶塞和浮子，展现了红树林资源的多样化利用。还有红树林生态系统内部软体动物的壳则被加工成石灰，进一步拓宽了红树林的经济应用领域。 养蜂业与畜牧业宝贵资源：红树林不仅是陆地生态系统的组成部分，也是养蜂业的宝贵资源。印度西孟加拉邦的孙德尔本斯地区便是一个典型例证，该地区每年产出的大量蜂蜜和蜂蜡，不仅为当地居民创造了就业机会，也贡献了印度红树林蜂蜜市场的绝大部分份额。与此同时，红树林地区为水牛、绵羊、山羊和骆驼提供了营养丰富且成本低廉的天然牧场，特别是在印度、巴基斯坦、印度尼西亚和波斯湾等国家和地区，骆驼放牧已成为一种常见的经济活动。 传统医药的宝库：红树林植物提取物在医学中扮演着重要角色，它们被用于治疗各种疾病，从高血压、麻风病到癫痫，甚至包括艾滋病等难以治愈的病毒性疾病。从降压效果到对麻风病的疗效，红树林植物展现了其在传统医疗领域的潜力（Kathiresan，2020） 。 水产养殖业的种子库：红树林不仅是野生动物的天堂，也为水产养殖业提供了宝贵的种子资源。在孙德尔本斯地区，红树林同样为数万渔民提供了斑节对虾苗种，极大地推动了当地水产养殖业的发展。此外，红树林生态系统本身就是一个高产的天然渔场，其单位面积的鱼类和甲壳类动物产量远超粗放养殖系统，展现出巨大的经济潜力（Chaudhur et al.，1994）。 5.红树林生态系统的生态服务功能 作为地球上*特而宝贵的生态系统，红树林承载着广泛而深刻的生态服务功能，对维持全球环境健康和促进人类福祉至关重要，具体如下。 气候调节与碳封存：红树林是热带地区碳密度极高的森林之一，其光合作用机制使它们成为强大的碳汇系统，能够有效减少大气中的二氧化碳，对抗温室效应。与热带海洋浮游植物相比，红树林具有更强的碳固定能力，尤其在高二氧化碳环境下表现出色（Sahu et al.，2019） ，这一特征增强了红树林基质的稳定性。同时，红树林泥炭是一种由红树林根系形成的有机物质，构成了热带地区重要的沉积物基质，极大地提升了红树林的固碳潜力，使其成为全球*重要的“蓝色碳汇”之一。沿海植被栖息地，包括红树林、盐沼和海草床，因其高效的碳埋藏速率，成为海洋碳循环中的关键环节（周金戈等，2022）。 灾害防御：红树林在减少飓风、风暴、海啸的破坏力方面发挥着天然屏障的作用。以1999年印度奥里萨邦的超级气旋为例，红树林的存在显著减少了受灾地区的损失，尤其是在红树林茂密的地区，几乎未见破坏。研究表明，红树林的保护效益远超其被“清理”的价值，这意味着保护红树林不仅是生态上的必要，也是经济上的明智选择。此外，2004年印度洋海啸再次证实了红树林在缓冲海浪冲击、保护沿海社区免遭灾难性后果方面的不可或缺性。 水资源保护与海岸线稳定：红树林湿地能够有效地控制洪水，其密集的根系网络有助于固定沉积物，减少洪水对沿海地区的影响。同时，红树林还能防止海水入侵内陆，保护地下水系统，确保沿海地区饮用水的安全。它们通过降低地下水盐度，改善水质，为沿海社区提供稳定的淡水供应。 防止海岸侵蚀：红树林根系的物理结构能够显著减弱波浪能，有效防止海岸侵蚀。研究显示，在越南，红树林的存在使每100 m的波浪能减少20%，远超人工结构所能达到的效果（Mazda et al.，l997）。红树林被誉为“活海堤”，其维护成本远低于传统防波堤，且能长期保持海岸线稳定。 营养物质循环与生物多样性维护：红树林沉积物具有*特的养分保留能力，其复杂的气生根系统不仅能捕集悬浮沉积物，还能促进土地的自然扩张，为多种生物提供栖息地。红树林生态系统高效地循环利用碳、氮、硫等元素，为生态系统内的生物提供了必要的营养物质，同时也为人类提供了丰富的渔业资源。 生物量和凋落物的产生：作为地球上*特的湿地生态系统，红树林惊人的生物量和凋落物产量使其在全球碳循环中扮演着至关重要的角色。Clough在1992 年指出，红树林的生物量可高达700 t/hm2（Clough，1992），而Twilley等1992 年估计全球红树林的总生物量约为87亿t干重，换算为碳含量则约为40亿t。这一巨大的生物量不仅体现了红树林在全球碳储藏中的重要地位，也突显了它们在生态系统中的*特贡献。 从赤道湿热气候到季节性干旱区域，红树林的生物量与凋落物产出均呈现出多样化模式，这些模式不仅受季节性气候的影响，还与物种特性及生境条件紧密相关。深入研究红树林生态系统在全球变暖背景下的响应机制，对于理解其在碳循环中的作用，以及制定有效的保护和管理策略至关重要。未来的工作应当致力于探索红树林生态系统的复杂性，以期在全球变暖的挑战下，确保这些宝贵的生态系统能够持续发挥其关键的生态功能。 6.对红树林生态系统的保护 自20世纪50年代以来，受工业污染、围塘养殖、海岸带工程建设、违法采砂等各种人为干扰因素，以及气候变暖、海岸线变化和飓风、冰冻等自然因素的影响，全球至少35%的红树林受到破坏而大面积消失。国际上，1971年通过的《拉姆萨尔公约》强调了红树林在地球的重要地位，对红树林进行保护与修复已经成为全球关注的焦点，对红树林进行保护与修复有利于国家生态环境的稳定和经济的发展。2006 年国际自然保护联盟（IUCN）和联合国开发计划署（NUDP）签订“红树林未来计划”（mangroves for the future program，MFF），重视红树林的保护修复工作。 我国是全球生态保护重要贡献者，特别是在固碳方面，国家主席习近平在第七十
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