核能作为关键的清洁能源之一，在确保能源稳定供应以及推动双碳目标的达成方面扮演着不可或缺的角色[1]。然而，核电厂的温排水释放到海域中会导致海水温度上升，进而对周边海域的海洋生态环境、生物资源产生不同程度的影响[2-5]。目前，国内外学者对核电厂温排水的研究主要集中在电厂温排水的余热利用[6-8]、温度反演技术[9-10]、对温升场的数值模拟分析[11-12]以及温排水引发的生态效应评估[13-15]等方面。
红树林是海洋生态系统的重要类型之一，在防风消浪、固碳释氧、维持生物多样性等方面具有重要价值[16]。关于温度对红树林的影响，研究者们开展了一系列红树林植物耐寒性的生理生态学研究，并依据最低月均温的等温线图和红树植物天然分布的北缘，划分红树植物耐寒性等级序列[17-20]；陈鹭真等[21]通过室内控制模拟冬季低温和夜间低潮研究极端温度对红树植物生长、生理特性等影响；卢昌义等[22]、王友绍[23]从全球气候变化角度，阐述红树林对全球变暖、海平面上升、大气中CO2浓度增加和极端天气响应与适应的生态学机制。红树植物多为嗜热性，其纬度分布受温度因素(包括气温、水温以及霜冻频率)的主导影响[24-26]。红树林分布与水温关系紧密，但往往由于水温资料不足，导致当前研究红树植物对温度升高的响应时，大多数学者更关注气温。因此，关于温排水温升对红树林分布扩散的影响，目前研究尚显不足，需进一步深入探讨。
本研究以国投钦州发电厂为参照系，运用参照对比法和基线对比法，对广西防城港核电厂三期工程温排水温升因素对红树林分布扩散的影响进行深入分析和研究，旨在为未来滨海核电厂对红树林影响评价提供坚实的基础，为相关领域的研究提供参考。
1 材料与方法 1.1 研究区概况广西防城港核电厂项目是国家重点工程，规划建设6台百万千瓦级核电机组。1—4号机组已投产发电，5、6号机组工程正在报批中。根据《防城港核电厂5、6号机组温排水数值模拟分析及验证专题》[27]数值模拟和观测数据，广西防城港核电厂一期工程1、2号机组运行导致温升1.0 ℃范围内的红树林面积仅5.36 hm2，无法充分观察温升对红树林的影响。但国投钦州发电厂一、二期项目位于核电厂东北方向约6.5 km，已先后于2007年和2016年投入运行，数模设计取排水温差为8.83 ℃。对比数模温升包络线与红树林分布图层，发现国投钦州发电厂温升3.0—4.0 ℃海域有红树林分布，且两地红树物种和群落类型相似。广西防城港核电厂一期工程1、2号机组容量为2×1 086 MW，取排水温差7.5 ℃；二期工程3、4号机组容量为2×1 188 MW，取排水温差7.72 ℃；三期工程5、6号机组容量为2×1 200 MW，取排水温差7.72 ℃[28]。国投钦州发电厂一期机组容量为2×600 MW，取排水温差8.83 ℃；二期机组容量为2×1 000 MW，取排水温差8.83 ℃[29]。因此，国投钦州发电厂温升区红树林可作为研究温升对红树林影响的参照系。
本研究以广西防城港核电厂三期工程5、6号机组温排水温升1.0 ℃范围内红树林区(以下简称为“影响林区”)和国投钦州发电厂温排水影响海域——金鼓江范围内红树林区(以下简称为“参照林区”)为研究区，研究区面积约为206 km2(图 1)。
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| 图 1 研究区位置 Fig. 1 Location of study area |
1.2 数据来源及预处理
用于红树林信息提取的遥感数据主要为航空图像、GF7和Worldview卫星影像，共有5个时相，其中2007年影像为航空图像，比例尺为1∶2 000；2011、2015、2019年影像为Worldview卫星影像，空间分辨率为0.5 m；2022年影像为GF7图像(空间分辨率为0.8 m)和航空图像(比例尺为1∶500)。矢量数据包括广西防城港核电厂一期温排水温升包络线、国投钦州发电厂二期温排水温升包络线、2021年国土变更调查红树林矢量。数据预处理包括大气校正、几何精校正、图像镶嵌等。地图投影均采用高斯-克吕格投影，中央经线为108°E；坐标系采用CGCS 2000国家大地坐标系。
1.3 红树林信息提取首先，制定统一的红树林解译规则，主要包括4点：(1)底图分辨率高于1 m；(2)每个斑块红树林覆盖度大于20%；(3)起算面积为20 m2；(4)斑块间距大于5 m。其次，以2021年国土变更调查红树林矢量数据为基准，结合2022年影像，采用目视解译对红树林边界进行修正，得到红树林分布基线，并对解译的初步成果进行实地验证、校对和修正。再次，基于提取的2022年红树林作为基线，只对其他时期红树林变化部分进行动态更新，且以影像空间分辨率较高为准，以保证相邻两期红树林斑块没有变化的位置及属性信息保持严格一致。最后，在ArcGIS 10.0软件上叠加不同时相红树林，分析其变化情况。
1.4 景观指数分析景观指数是指能够浓缩景观格局信息，反映其结构组成形式和空间配置某些方面特征的定量指标，一般有斑块水平、类型水平和景观水平3个层次[30-31]。通过分析红树林湿地景观斑块的形状、大小、数量及空间组合变化，能明确其变化过程，探索自然和人类活动的影响，揭示变化原因。本研究选取这3个层次的基本指标来描述红树林群落景观格局：(1)基本指数，包括斑块总数(N)、总面积(A)、总周长(L)；(2)破碎化指数，包括平均斑块面积(MPS)、最大斑块指数(LPI)、单位周长斑块数(PN)，MPS、LPI、PN等指标反映研究区红树林的破碎化程度，MPS、LPI越小，破碎化程度越高，PN越大，破碎化程度越高；(3)斑块形状指数，包括边界密度(平均斑块面积周长比，PA)、形状指数(LSI)，PA和LSI是评价形状复杂程度的重要指标，PA、LSI越小，表明斑块形状越简单，受干扰程度大[28]。
1.5 温排水对红树林分布扩散影响分析景观格局分析是探究红树林湿地景观功能和动态变化的基础[32]。本文运用参照对比法和基线对比法，实地调查参照系和基线系红树林现状与变化，分析其景观格局变化、典型红树林斑块面积变化、驱动因素及其影响程度，纵向和横向比较分析预测未来广西防城港核电厂温排水对红树林扩散的影响。
2 结果与分析 2.1 红树林景观格局变化 2.1.1 影响林区面积变化2022年7月遥感影像解译结果显示，影响林区红树林总面积为28.31 hm2，分布于钦州市龙门港镇至广西防城港核电厂取水口南侧的潮间带滩涂。其中，1.0—2.0 ℃温升区红树林面积为26.85 hm2，占红树林总面积的94.84%；2.0—3.0 ℃温升区内红树林面积为1.46 hm2，占红树林总面积的5.16%。红树林总面积以2011年为分水岭，呈现“先减后增”的趋势；2007—2022年红树林总面积净增2.92 hm2，变化率为11.50%，年均变化率为0.77%(图 2)。
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| 图 2 不同时期影响林区中各温升区红树林面积变化情况 Fig. 2 Changes in mangrove area in each temperature rise area in impacted forest area in different periods |
2.1.2 参照林区面积变化
2022年参照林区红树林总面积为165.64 hm2，分布在＜0.5、0.5—1.0、1.0—2.0、2.0—3.0和3.0—4.0 ℃ 5个温升区。其中，1.0—2.0 ℃温升区内红树林面积占比最大，为39.13%；其次是＜0.5 ℃温升区，红树林面积占比为36.86%；其余温升区按红树林面积占比大小依次为2.0—3.0、0.5—1.0、3.0—4.0 ℃温升区，占比分别为13.90%、7.16%、2.95%。2007—2022年参照林区红树林面积总体上呈现出以2019年为分界线，先快速减少后缓慢增加的趋势。2007—2022年红树林总面积净减24.93 hm2，变化率为-13.08%，年均变化率为-0.87%(图 3)。
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| 图 3 不同时期参照林区中各温升区红树林面积变化情况 Fig. 3 Changes in mangrove area in each temperature rise zone in reference forest area in different periods |
2.1.3 破碎程度
2007—2022年，影响林区红树林MPS波动上升，LPI逐渐减小，PN缓慢增大，表明影响林区红树林斑块呈破碎化趋势(图 4)。国投钦州发电厂投入运营后，参照林区红树林LPI总体变化不大，MPS、PN逐渐减小，说明参照林区红树林呈破碎化趋势。影响林区和参照林区均未出现红树林受到温排水影响后严重破碎化的趋势。
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| 图 4 2007—2022年破碎化程度指标值变化 Fig. 4 Changes in the fragmentation degree value from 2007 to 2022 |
2.1.4 受干扰程度
2007—2022年，影响林区红树林PA为0.53—0.55，LSI为0.76—0.81;参照林区PA为0.57—0.62，LSI为2.18—2.26，表明参照林区受干扰程度高于影响林区(图 5)。两个林区的PA和LSI总体变化均较小，在一定程度上说明红树林受到温排水影响前后，受干扰程度较小。
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| 图 5 2007—2022年受干扰程度指标值变化 Fig. 5 Changes in the disturbance level value from 2007 to 2022 |
2.2 典型红树林斑块面积变化 2.2.1 广西防城港核电厂一期工程温升1.0 ℃范围内典型红树林斑块面积变化
叠加广西防城港核电厂一期温排水温升包络线发现，一期温升1.0 ℃范围内红树林面积为5.36 hm2，全部位于1.0—2.0 ℃温升区，即阿麓堆岛至六墩岛附近潮间带滩涂上。阿麓堆岛潮间带滩涂上的典型红树林斑块在2022年的面积为0.83 hm2；2007—2022年，该斑块面积呈先减少后增加的趋势，总体增加0.29 hm2，变化率为54%，变化原因主要为红树林自然发育增长(图 6)。六墩岛潮间带的典型红树林斑块在2022年的面积为0.30 hm2；2007—2022年，该斑块面积持续保持在0.30 hm2，未发生变化，但其覆盖度有所增加(图 7)。
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| 图 6 2007—2022年阿麓堆岛的典型红树林斑块变化 Fig. 6 Changes in typical mangrove patches on Aludui Island from 2007 to 2022 |
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| 图 7 2007—2022年六墩岛的典型红树林斑块变化 Fig. 7 Changes in typical mangrove patches on Liudun Island from 2007 to 2022 |
2.2.2 参照林区典型红树林斑块面积变化
2007年参照林区2.0—3.0 ℃温升区的典型红树林斑块为4个，总面积7.56 hm2。2007—2022年典型红树林斑块面积呈现出先减后增的趋势(图 8)。2007—2015年，受周边填海造地工程建设影响，典型红树林斑块面积共减少2.83 hm2，而后2015—2022年红树林自然恢复和增长，面积增加0.40 hm2。
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| 图 8 2007—2022年参照林区2.0—3.0 ℃温升区的典型红树林斑块变化 Fig. 8 Changes in typical mangrove patches in the 2.0—3.0 ℃ temperature rise zone in reference forest area from 2007 to 2022 |
2007—2011年参照林区3.0—4.0 ℃温升区的典型红树林斑块面积保持在3.80 hm2，未发生变化；2011—2015年该斑块面积有少量减少，在向海林带边缘，共减少了0.05 hm2；2015—2022年该斑块面积持续上升，共增加了0.25 hm2；2007—2022年该斑块总体增加了0.20 hm2(图 9)。这在一定程度上说明了一定范围的温升不会影响红树林扩展。
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| 图 9 2007—2022年参照林区3.0—4.0 ℃温升区的典型红树林斑块变化 Fig. 9 Changes in typical mangrove patches in the 3.0—4.0 ℃ temperature rise zone in reference forest area from 2007 to 2022 |
2.3 驱动因素及其影响程度分析 2.3.1 影响林区
2007—2022年，影响林区红树林变化的主要原因是红树林自然增长，增加面积为4.49 hm2；红树林面积共减少1.72 hm2，原因为填海造地、围海养殖以及其他人为活动，分别导致其减少1.34、0.26、0.12 hm2。
广西防城港核电厂一期工程投入运营后，2019年影响林区红树林面积增加至28.20 hm2，2015—2019年是变化幅度最大的时期，该区域总体增加1.91 hm2；老虎墩至广西防城港核电厂取水口附近滩涂红树林自然增长、海岛附近生态修复工程实施是该时期红树林面积增加的主要因素，分别增加2.10、0.15 hm2，增加总量为2.25 hm2；红树林面积减少的主要因素为填海造地占用红树林，减少了0.34 hm2。
2.3.2 参照林区2007—2022年，参照林区红树林减少的面积为32.07 hm2，填海造地、围海养殖和其他人为活动是红树林面积大幅缩减的主要原因，导致红树林面积分别减少13.90、11.89、6.28 hm2。同时，红树林自然增长和生态修复工程的实施，使红树林面积分别增加4.73、2.41 hm2，共增长7.14 hm2。
2007—2022年，参照林区红树林面积总体上呈减少的趋势。红树林面积减少主要是由早期填海造地工程、围海养殖占用红树林，以及其他人为活动如海鸭放养、滩涂贝类养殖、排污口、养殖塘坝、工程建设等因素引起的。红树林面积增加的主要因素是生态修复工程，其次是自然增长。所有温升区均发生不同程度的红树林自然扩散，0.5—1.0 ℃温升区自然增长红树林面积最大，为2.18 hm2；＜0.5 ℃温升区自然增长的红树林面积最小，仅有0.06 hm2；1.0—2.0、2.0—3.0、3.0—4.0温升区自然增长红树林面积分别为1.11、1.00、0.38 hm2。金鼓江两岸发展不平衡，填海造地始于南部，再陆续向北发展；南部海域主航道的疏浚施工，使得除淡水湾外，适合红树林生长的潮间带滩涂极度缺乏，2.0—3.0、3.0—4.0温升区红树林自然扩展的空间很有限。
3 讨论 3.1 人为活动制约红树林分布扩散的主要因素不同时期各种人为活动对红树林空间分布的影响，反映了不同历史时期区域政策导向、经济发展水平和公众环境保护意识水平差异。随着沿海地区城镇化、工业化的推进，围填海项目不断增多，局部区域红树林被破坏的现象时有发生。2007—2022年，填海造地和围海养殖占用的红树林面积分别为15.23 hm2和12.15 hm2，是导致研究区红树林面积减少的最主要因素；工程建设期间或之后缓发渐进性的破坏致使红树林面积丧失6.40 hm2，也是主要因素之一。围填海活动造成红树林生境条件改变，不仅直接占用红树林，还造成红树林外围水动力和内部生境改变，对红树林生态系统构成潜在威胁。工程建设施工可引起潮水流向改变、流速下降，悬浮物淤积，从而导致红树植物受低氧胁迫、光合作用受阻，进一步导致红树林更新困难以致次生化[33-34]。人类过度利用导致其生态系统生物多样性下降。巨大的海产品需求以及沿海群众维持生计的需要，使得红树林区滩涂挖捕、围网、毒鱼、放养家鸭、捕鸟等破坏性活动长期得不到有效遏制[35]。强烈而密集的人为干扰导致红树林矮化、稀疏化及生物多样性降低，进而制约红树林分布扩散。
3.2 温升对红树林分布扩散的影响温度是控制陆地和海洋生物地理分布的主要因素。红树植物大多是嗜热性植物，低温是限制红树植物分布区向两极扩散的主要因素，其中最冷月平均温度和极端低温是主要限制因素，而水温的影响超过气温[24, 26]。通常来说，红树林分布区最冷月平均气温或水温通常大于20 ℃，或最冷月平均气温大于16 ℃[25]。我国红树林的自然分布北界在福建省福鼎市(27°20′N)，最冷月(1月)平均气温与水温分别为9.8 ℃和10.9 ℃；引种分布北界在浙江省温州市乐清县(28°25′N)，最冷月(1月)平均气温与水温分别为9.3 ℃和10.6 ℃[19]。
据报道，气温升高2 ℃可使我国红树植物分布区北扩约2.5个纬度，自然分布北界可扩至浙江[36]。天然情况下，随纬度升高，红树林分布面积、树种数及群落高度显著降低，耐寒树种逐渐占优势[37]。不同红树植物对温度升高的响应存在差异，只要升温不超过一定限度(植物光合作用适宜温度为10—35 ℃，最适温度为25—30 ℃[38])，则在总体上有利于红树林生长发育、生产力提升及物候模式优化，但对低纬度地区而言，升温过高则可能产生不利影响。
3.3 温排水对红树林影响预测分析对比国投钦州发电厂运营前后的红树林历史和现状分布数据发现，受温排水影响的各个温升区均有红树林自然增长扩散，在一定程度上说明了一定范围的温升不会影响红树林分布扩散。
钦州海洋观测站资料显示，2008—2022年钦州湾区域常年平均气温为23.0 ℃；月平均最高气温为30.8 ℃，月平均最低气温为9.1 ℃，极端最高气温为39.9 ℃，极端最低气温为3.1 ℃；平均水温为24.0 ℃，月平均最高水温为31.8 ℃，月平均最低水温为9.5 ℃，极端最高水温为35.0 ℃，极端最低水温为7.6 ℃。平均气温和水温具有明显的年度变化周期，每年1月至8月逐月回升，8月至翌年1月间，逐月下降。红树林生长最适宜的温度为最冷月平均温度不低于20 ℃，年平均气温25—30 ℃，年平均海水水温约24—27 ℃。钦州湾的年平均水温为24.0 ℃，影响林区大于3.0 ℃温升区无红树林分布，因此假设水温升高2.0 ℃，年平均水温为26 ℃，仍在适宜生长温度区间。
三亚站的海洋观测资料显示，1995—2019年三亚站累年平均气温为27.3 ℃，月平均最高气温为30.2 ℃，月平均最低气温为23.2 ℃，极端最高气温为37.2 ℃，极端最低气温为9.2 ℃；历年平均水温为26.5—27.9 ℃，月平均最高水温为30.2 ℃，月平均最低水温为23.4 ℃，极端最高水温为34.7 ℃，极端最低水温为18.7 ℃。三亚站的监测平台与三亚红树林公园直线距离不到1.5 km，公园内生长的红树林种类包含了影响林区现有红树种，且生长状况良好。
说明若不考虑其他因素，钦州湾年平均水温升高2.0 ℃的条件仍能够满足影响林区红树植物正常生长发育对温度的要求。因此预测广西防城港核电厂三期工程温排水在冬季导致的温升，将在一定程度上提高影响区域的水温，对于受到低温胁迫的红树林能起到一定程度的保护作用。
4 结论(1) 在参照林区内现有红树林165.64 hm2，分布于＜0.5、0.5—1.0、1.0—2.0、2.0—3.0、3.0—4.0 ℃温升区，面积占比分别为36.86%、7.16%、39.13%、13.90%、2.95%。2007—2022年，该区红树林总面积净减24.93 hm2，变化率-13.08%，斑块呈破碎化趋势。填海造地(-13.90 hm2)、围海养殖(-11.89 hm2)等人为活动是面积减少的主因，而自然增长(4.73 hm2)和生态修复(2.41 hm2)部分抵消了损失。
(2) 在影响林区内红树林面积28.31 hm2，其中分布在1.0—2.0、2.0—3.0 ℃温升区的面积分别为26.85、1.46 hm2。2007—2022年，该区红树林总面积净增2.92 hm2，变化率11.50%，斑块亦呈破碎化趋势。自然增长(4.49 hm2)超过填海造地等导致的人为损失(1.72 hm2)，表明该区域具备一定的自然恢复能力。
(3) 受温排水影响的参照林区在各个温升区均有不同程度的红树林自然增长扩散，表明在一定范围内的温升不会影响红树林扩展。据此预测，广西防城港核电厂三期工程投运后，温排水不会对1.0 ℃温升范围内红树林的自然增长扩散产生负面影响。但由于缺乏长期系统的监测数据支撑，后续需持续跟踪监测，构建红树林生态影响监测与评价技术体系，以深化相关研究。
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