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Journal of Tropical Oceanography >

2025 , Vol. 44 >Issue 5: 154 - 165

DOI: https://doi.org/10.11978/2024230

Marine geomorphology

Study on the characteristics of shoreline changes and ecological protection strategies of coral sandy islands: A case study of North Island in the Xisha Islands, South China Sea

  • LIN Ting , 1, 2 ,
  • QU Jianjun , 2 ,
  • WU Zhifeng 1, 2 ,
  • LI Yupei 3
Expand
  • 1. School of Geography and Remote Sensing, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China
  • 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Guangzhou), Guangzhou 511458, China
  • 3. Sansha Marine Protected Area Administration, Sansha 573199, China
QU Jianjun. email:

Received date: 2024-12-10

  Revised date: 2025-02-17

  Online published: 2025-02-20

Supported by

PI Project of Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou)(GML20220014)

Fold

Abstract

Coral sandy islands, as a typical tropical marine landform, play a significant ecological role and hold great scientific research value. However, the intensification of global climate change and human activities poses a serious threat to their stability. This study focuses on North Island, a typical coral sandy island in the Xisha Islands of the South China Sea, using multi-temporal high-resolution remote sensing imagery from 2002 to 2023 and the Digital Shoreline Analysis System (DSAS) to reveal its coastline dynamics and influencing factors. The study also proposes targeted protective measures. The results show that: 1) the coastline of North Island exhibits distinct stage characteristics. From 2002 to 2015, the coastline expanded slowly; from 2015 to 2019, due to dock construction at the southeastern end and island expansion, 57% of the coastline extended seaward through sediment deposition, with the coastline length and area sharply increasing, peaking in 2019. However, from 2019 to 2023, erosion intensified, with 47% of the coastline retreating and a total erosion area of 11846 m2. The spit area, influenced by monsoons, exhibited seasonal erosion-deposition cycles (erosion during the northeast monsoon and deposition during the southwest monsoon), while the beach rock area decreased drastically due to erosion susceptibility, human activities, and natural factors, leaving only 3827 m2 by 2023. 2) The evolution of coral sandy islands is fundamentally driven by the interaction between hydrodynamics and sediments, affected by both natural factors (e.g., coastal hydrodynamics, coral reef degradation, sea-level rise, extreme weather) and human disturbances. 3) This study proposes a hierarchical ecological protection system for coral sandy islands, with measures spanning from the supratidal to the subtidal zone, including vegetation-based sand fixation, mobile sand barriers, diamond-shaped sandbags, and beach rock restoration. These measures balance ecological conservation with island protection needs, providing practical and feasible recommendations for the protection and management of coral sandy islands in the South China Sea.

Key words： coral sandy island; remote sensing monitoring; Digital Shoreline Analysis System (DSAS); ecological protection

Cite this article

LIN Ting , QU Jianjun , WU Zhifeng , LI Yupei . Study on the characteristics of shoreline changes and ecological protection strategies of coral sandy islands: A case study of North Island in the Xisha Islands, South China Sea[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2025 , 44(5) : 154 -165 . DOI: 10.11978/2024230

珊瑚礁生态系统被誉为“海洋中的热带雨林”, 不仅为众多海洋生物提供了栖息地, 还在防止海岸侵蚀、维持生物多样性、支持渔业和旅游业等方面具有重要的生态功能和经济价值(刘胜, 2024)。出露海面的珊瑚礁被称为沙洲和灰沙岛, 沙洲由珊瑚砾砂、贝壳碎屑和其他生物碎屑在礁坪堆积发育而成, 大多无植被生长, 形态易变, 海拔低, 在大潮时易被淹没。当沙洲进一步演化, 在中、高潮位也不会被淹没, 四周海滩固结成岩, 植被逐渐生长, 则会发育成为灰沙岛(Woodroffe, 2008; 阎根齐 等, 2024), 沙洲和灰沙岛也可统称珊瑚岛礁。珊瑚岛礁不仅是许多海龟和海鸟的筑巢地和栖息地(Fuentes et al, 2011; Berr et al, 2023), 同时也是马尔代夫、菲律宾、斐济等岛屿国家的重要居住地。近年来, 随着全球气候变化、海平面上升和人类活动的加剧, 珊瑚岛礁的动态变化逐渐成为国内外学者研究的热点。一些研究将海平面上升视为影响岛礁的最重要因素, 认为它必然会导致珊瑚岛礁的不稳定甚至是被淹没(Storlazzi et al, 2018; Martyr-Koller et al, 2021)。然而, 珊瑚岛礁并非静态存在, 而是在不同时间尺度上(如单次风暴、季节变化或数年至数百年)持续调整(Kench et al, 2009; 赵美霞 等, 2017), 能够在一定程度上适应海平面和气候的变化。Masselink等(2020)的数值模拟研究表明, 珊瑚岛礁的海拔会随着海平面的上升而增长, 但前提是岛礁能够持续获得沉积物的供应。然而, 全球气候变化和人类活动导致的海水温度上升、海水酸化以及珊瑚天敌长棘海星暴发等因素(吴钟解 等, 2011), 严重威胁珊瑚礁的健康, 从长远来看, 很可能会减少珊瑚骨骼碎屑等重要沉积物的供应, 进而影响珊瑚岛礁的稳定和可持续性。
我国的珊瑚礁面积约占全球的5%, 主要包括广西、广东、海南岛和台湾岛沿海的珊瑚岸礁以及南海的珊瑚岛礁(王丽荣 等, 2014)。南海珊瑚岛礁不仅具有一般珊瑚礁的生态价值, 还因其独特的地理位置, 对维护国家主权和海洋权益具有至关重要的战略价值(赵焕庭 等, 2016; 李晓敏, 2021), 因此, 对这些岛礁进行精细的动态监测具有重要意义。远海岛礁的地理位置偏远、交通困难, 传统的地面调查手段不仅耗时费力, 还难以获取及时、准确的数据, 遥感技术则为解决这一问题提供了有效手段。通过航空遥感影像, 可以在不受地理位置和交通限制的情况下, 获取大范围、长期且连续的监测数据, 尤其是在高分辨率遥感影像的支持下, 能够精确地监测珊瑚岛礁的岸线变化、形态变化以及地貌演变等情况, 为应对海平面上升和气候变化等因素带来的环境挑战提供关键的数据支持。目前, 许多学者利用遥感影像对珊瑚岛礁的动态变化开展了深入研究, 例如, Houser等(2014)通过Landsat影像重建了伯利兹南部珊瑚岛礁在1960—2012年间的动态变化历史, 发现珊瑚礁潟湖沉积物供应不足是导致岛屿侵蚀的主要原因。李晓敏(2021)利用2005—2020年间的高分辨率遥感影像获取了西沙群岛的时空动态信息, 分析了其变化特征。
北岛是西沙群岛典型的灰沙岛, 其沙滩为绿海龟提供了理想的产卵环境, 是中国境内最大的绿海龟自然产卵地。雌性绿海龟具有独特的生活史特征, 成年后会回到出生地海滩进行产卵(Zhang et al, 2022), 因此, 北岛海龟产卵场的保护具有重要的生态意义。为防止海岸侵蚀并维护这一关键生态区域的稳定, 对北岛进行持续的动态监测十分必要。本文利用2002—2023年间的多期高分辨率遥感影像, 重点开展长时间尺度和季节尺度的岸线变化定量分析, 探讨其主要影响因素, 并提出相应的防治措施和建议, 为南海珊瑚岛礁的资源管理、生态保护及工程建设活动提供的数据支持与科学依据。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

西沙群岛位于中国南海的西北部, 地处15°46′N—17°08′N, 111°11′E—112°54′E之间, 由宣德群岛和永乐群岛组成, 共包含40多座岛、礁、暗礁、滩及沙洲。北岛位于宣德群岛的七连屿礁盘, 岛屿呈长条形, 地势两端高中间底, 四周有沙堤包绕, 海滩的整体坡度相对均匀, 平均坡度约为11° (Zhang et al, 2024b), 向海侧发育有海滩岩, 岛上植被茂盛(图1)。西沙群岛属于热带季风气候, 每年11月至次年2月盛行东北季风, 风力持续且强劲, 平均风速6~10m·s-1; 5—8月盛行西南季风, 风力弱且断断续续, 平均风速4~5m·s-1; 3—4月、9—10月为转风期, 风力较弱且风向不定(赵娜, 2018; 李晓敏, 2021)。西沙地区的台风天气主要集中于夏季, 几乎每年都会出现多次台风和热带风暴, 且近年来台风频次有增加的趋势(图2)。西沙海域的表层洋流主要为季风导致的风驱流, 其流速和方向直接受到季风的影响, 随风速强度和方向的变化而变化。波浪以风浪为主, 七连屿近岸平均波高为1.3m, 强风天气可达到8m。潮汐类型为不规则日潮, 潮差小, 一般在2m以下(叶锦昭, 1996; Zhao et al, 2016; 赵娜, 2018)。
图1 研究区位置示意图

a. 西沙群岛位置示意图, 基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2023)2767号的标准地图制作, 图中红色方框为图b位置; b. 北岛位置示意图, 图中红色方框为图c位置; c. 北岛WorldView-2影像及分区示意图(成像时间: 2022年10月8日)

Fig. 1 Location of the study area. (a) Location of the Xisha Islands; (b) location of North Island; (c) Worldview-2 satellite image and zoning map of North Island (Image date: October 8, 2022)

图2 西沙群岛及其附近海域台风统计

Fig. 2 Typhoon statistics of the Xisha Islands and adjacent waters

1.2 数据来源

本文以高空间分辨率遥感影像为主要数据源, 包括QuickBird、WorldView-2、GF-2、ZY3-03等4种卫星影像, 能够精确提取远海小面积海岛的形态、岸线和面积等信息。影像的选择主要基于两个原则: 首先, 需确保研究区域内无云层覆盖且成像质量清晰; 其次, 影像的获取时间避开台风过境前后, 避免短期变化对研究结果的干扰。基于上述原则, 本研究选取了2002年至2023年间8期覆盖北岛区域的高分辨率遥感数据, 并从潮汐表查询网站(https://www.chaoxibiao.net)获取各期影像成像时刻西沙永兴岛验潮站的潮位数据(表1), 用于分析近20年来北岛岸滩的变化过程以及季风气候对岛屿形态的影响。同时, 从美国海洋大气管理局网站(https://www.star.nesdis.noaa.gov)获取了2022年10月至2023年10月西沙海域的海面风场数据, 数据包括东西方向和南北方向的风速分量, 空间分辨率为0.25°, 时间跨度为一个完整季风期, 用于辅助分析季风气候对灰沙岛的影响。近20年来经过西沙群岛及其附近海域的台风统计数据从中国气象局热带气旋资料中心获取(图2)。
表1 北岛高分辨率遥感影像

Tab. 1 High-resolution remote sensing images of North Island

成像时间 遥感卫星 分辨率/m 潮位/cm
全色 多光谱
2002-07-31 QuickBird 0.5 2.0 126
2006-06-23 QuickBird 0.5 2.0 130
2010-02-07 WorldView-2 0.5 2.0 105
2015-12-14 GF-2 0.8 3.2 108
2019-08-11 Worldview-2 0.5 2.0 138
2022-10-08 Worldview-2 0.5 2.0 102
2023-03-09 Worldview-2 0.5 2.0 80
2023-10-30 ZY3-03 2.1 5.8 62

1.3 数据处理方法

1.3.1 遥感数据处理

进行遥感分析时, 为确保准确反映地表地物的反射率及位置信息, 需要对遥感影像进行预处理。主要包括辐射定标、大气校正、正射校正以及全色与多光谱波段融合等。此外, 为了确保不同时间、不同传感器获取的卫星影像具有精确的空间位置对应关系, 本研究还对各期遥感影像进行了地理配准。由于北岛无地面实测控制点, 所以选取岛上的建筑物边缘点和附近点礁等位置相对稳定的点作为控制点, 以 2023年3月9日的影像为基准进行配准, 遥感影像的预处理过程均在ENVI软件中进行。北岛的岸滩主要为砂质海滩和海滩岩, 具有明显的解译标志, 因此, 本文首先采用人机交互解译的方式对各时期的北岛岸线进行精细提取, 再以 2023年3月9日的影像成像时刻潮位为基准, 利用滩面坡度和潮位对其他时期的岸线进行潮汐校正, 除2017年之后的修建的人工岸线段外, 其他自然岸线均进行了潮汐校正。

1.3.2 DASA岸线分析

数字海岸线分析系统(digital shoreline analysis system, DSAS)是美国地质调查局开发的一个用于分析和量化岸线变化的软件工具, 通过从基线生成垂直于海岸线的横断线, 计算历史岸线的净移动距离(net shoreline movement, NSM)和端点变化速率(end point rate, EPR)。本文依据各阶段起始时间的岸线, 绘制向海侧延伸的平行基线, 建立2m间隔的横断线, 计算北岛各时期岸线的净移动距离与端点变化速率。理论上, NSM为负值表现为海岸侵蚀后退, 正值则为海岸淤积扩张, 然而, 本文仅利用平均滩面坡度和潮位对岸线进行了简单校正, 虽然在一定程度上减小了潮汐变化带来的误差, 但由于滩面坡度并非恒定不变, 因此所获取的岸线仍存在一定误差。基于此, 本文将 NSM < -2m定义为侵蚀, -2m≤NSM≤2m为相对稳定, NSM > 2m为淤积。

2 结果与讨论

2.1 岸线长度与面积变化特征

过去20多年北岛的岸线长度和面积呈现先增后减趋势, 但在不同阶段表现出不同的变化特征(图3)。2002—2015年这一阶段, 北岛的岸线长度和面积在自然因素的影响下波动较小。2015—2019年, 在人类活动影响下, 北岛岸线长度和面积均出现急剧增长, 2015年北岛海龟保护站成立后, 岛上人类活动干扰强度逐渐增加, 2017年在东南沙嘴处进行了围填扩建, 形成了约30000m2的填岛区域, 并对岛上的基础设施进行了扩建和完善。2019—2023年间, 北岛遭受侵蚀, 岸线长度和面积均呈现下降趋势。
图3 2002—2023年北岛岸线长度与面积变化趋势

Fig. 3 Shoreline length and area changes of North Island (2002-2023)

2.2 岸滩侵蚀与淤积变化特征

本研究利用DSAS工具对相邻两期岸线进行计算分析, 量化了各个时期的岸线移动情况和端点变化率, 以评估北岛岸滩的侵蚀与淤积情况。分析结果显示, 岸滩变化特征在时间与空间上均呈现显著差异。2019—2023年期间, 北岛的侵蚀最为严重, 47%的岸线侵蚀后退, 最大侵蚀距离达到56.84m, 最大侵蚀速率为15.62m·a-1, 平均侵蚀距离为10.11m, 平均侵蚀速率为2.82m·a-1, 总侵蚀面积高达11846m2; 其次是2006—2010年, 32%的岸线侵蚀后退, 最大侵蚀距离为54.62m, 最大侵蚀速率为15.08m·a-1, 平均侵蚀距离为13.18m, 平均侵蚀速率为3.63m·a-1, 总侵蚀面积达到8953m2 (图4、表2)。其他3个阶段也存在一定程度的侵蚀, 最大侵蚀距离均超过30m, 平均侵蚀距离在10m (表2)。同时, 各个时期也存在岸线淤积扩张的情况, 在2015—2019年这一时期, 北岛东南端的工程建设导致57%的岸线向海扩张, 其他时段在自然因素的影响下淤积情况波动较小(图4、表3)。
表2 北岛各阶段岸线侵蚀情况

Tab. 2 Shoreline erosion conditions of North Island at different stages

年份 最大侵蚀距离/m 平均侵蚀距离/m 最大侵蚀速率/(m·a-1) 最大侵蚀速率/(m·a-1) 侵蚀面积/m2
2002—2006 34.26 12.54 8.79 3.22 4115
2006—2010 54.62 13.18 15.08 3.63 8193
2010—2015 35.63 10.11 6.09 1.73 6114
2015—2019 46.57 14.84 12.73 4.06 6397
2019—2023 56.84 10.11 15.62 2.82 11846
图4 2002—2023年北岛岸线波动情况

Fig. 4 Shoreline fluctuation of North Island (2002—2023)

a. 2002—2006年; b. 2006—2010年; c. 2010—2015年; d. 2015—2019年; e. 2019—2023年

表3 北岛各阶段岸线淤积情况

Tab. 3 Shoreline deposition conditions of North Island at different stages

年份 最大淤积距离/m 平均淤积距离/m 最大淤积速率/(m·a-1) 最大淤积速率/(m·a-1) 淤积面积/m2
2002—2006 33.00 8.13 8.47 2.08 7400
2006—2010 48.79 14.11 13.47 3.89 6070
2010—2015 43.14 8.99 7.38 1.53 10082
2015—2019 110.67 18.59 30.26 5.08 40049
2019—2023 16.80 6.55 4.70 1.83 3002
对北岛各时期的NSM最值(包括最大侵蚀与最大淤积)端点进行空间分布分析(图5), 结果显示, 变化最显著的端点均集中于沙嘴区域。大部分位于西北沙嘴, 东南沙嘴仅有两个端点, 其中一个为2015—2019年间由人类活动引起的最大淤积点。这表明在自然条件下, 西北沙嘴的变化幅度明显大于东南沙嘴。总体上, 各个时期北岛的东北与西南向海侧岸线相对较稳定, 而西北与东南端的沙嘴区域变化强烈。原因是向海两侧发育有海滩岩, 能有效减缓波浪、潮汐和风暴对海岸的侵蚀, 而两端的沙嘴则是生物碎屑的松散堆积, 在潮汐和风浪的作用下, 形态变化强烈。
图5 侵蚀/淤积最大端点空间分布

Fig. 5 Spatial distribution of maximum erosion/deposition endpoints

2.3 沙嘴形态对季风的响应特征

对2022年10月至2023年10月西沙海域的风场数据进行了计算分析, 获取每个月的平均风速与风向。其中, 2022年10月至2023年3月为东北季风期, 6—8月为西南季风期, 4月至5月以及9月为转风期, 10月则进入新一轮的季风周期。整体风力强度呈现出“东北季风 > 西南季风 > 转风期”的规律(图6)。
图6 2022年10月—2023年10月西沙海域风场特征

Fig. 6 Wind field characteristics in the Xisha Islands (October 2022-October 2023)

根据这一时段的季风特征, 本文选取了2022年10月、2023年3月和2023年10月 3期遥感影像, 对北岛的西北沙嘴岸线进行了分析, 以探讨沙嘴形态对季风的响应特征。研究结果显示, 东北季风对沙嘴产生了显著的侵蚀作用, 侵蚀主要集中在北侧迎风面, 原本向西延伸的尖锐凸出部分被完全侵蚀, 岸线明显后退并趋于平滑, 南侧背风面则出现了长条形的淤积现象(图7a、7b), 总体上侵蚀大于淤积, 最大侵蚀距离达到了54.39m, 侵蚀面积为5528m2。相反的, 西南季风则呈现出南侧侵蚀, 北侧淤积的现象, 且淤积大于侵蚀, 最大淤积距离52.08m, 淤积面积为6715m2 (表4)。不论东北季风还是西南季风, 侵蚀都是发生在沙嘴的迎风面, 淤积发生在背风面。值得注意的是, 2022年10月与2023年10月的沙嘴形态十分相似(图7c), 沙嘴形态和面积的年际变化要远小于季节性变化。在整个研究时段内, 七连屿及其附近海域未受到台风或热带风暴的直接影响, 主要受季风、波浪和潮汐等因素的作用。这表明, 在无极端风暴事件或人为干扰的情况下, 岛屿的形态与岸线能够保持相对的动态平衡。然而, 西沙地区台风风暴频发, 很可能会打破这种自然平衡。
图7 季风期沙嘴岸线变化

a. 2022年10月; b. 2023年3月; c. 2023年10月

Fig. 7 Shoreline changes of sand spits during monsoon periods

表4 季风期沙嘴变化情况

Tab. 4 Shoreline fluctuation of sand spits during monsoon periods

阶段 最大侵蚀距离/m 最大淤积距离/m 沙嘴侵蚀面积/m2 沙嘴淤积面积/m2
东北季风期 54.39 18.37 5528 3649
西南季风期 27.16 52.08 4630 6715
完整季风期 9.21 15.13 1216 1332

2.4 海滩岩变化特征

海滩岩是由海滩沉积物经碳酸盐胶结形成的天然屏障, 能够有效抵御海浪和潮流的侵蚀, 对维持灰沙岛岸线稳定具有不可替代的作用。对比北岛2012年(图8a)与2024年(图8b、8c)实地考察的情况, 可以明显地看出北岛海滩岩岩层数量减少, 破碎化严重。北岛各时期海滩岩的目视解译结果显示, 过去20多年间其面积经历了显著波动。2002—2010年间, 北岛海滩岩面积呈上升趋势, 从13219m2增至16116m2。然而, 自2010年起, 海滩岩面积开始显著减少, 特别是在2015—2023年间, 面积急剧下降。到2023年, 北岛西南侧的海滩岩已完全消失, 东北侧仅剩3827m2, 相较于最大面积减少了12289m2, 仅为2010年时最大值的23% (图9)。北岛海滩岩的成岩机制主要是藻类黏结作用(Zhao et al, 2019), 即藻类物质(丝状或絮状藻类)将生物碎屑颗粒连接起来, 颗粒间连接黏性较弱, 导致海滩岩胶结程度差、孔隙度大, 结构不稳定, 这些内在结构特征使得北岛海滩岩本身就更容易受到侵蚀。此外, 北岛海滩岩的侵蚀加剧与外部因素密切相关。首先, 东南端海岸工程的建设改变了近岸水动力环境, 加剧了原本不稳定的海滩岩的侵蚀; 其次, 近年来南海区域台风频次增加及海平面上升等自然因素, 也加速了海滩岩的退化。
图8 北岛海滩岩实地考察照片

a. 2012年实地考察拍摄(赵娜, 2018); b、c. 2024年实地考察拍摄(摄影: 屈建军)

Fig. 8 Field survey photos of beach rocks on North Island. (a) Photo taken in 2012 (Zhao Na, 2018); (b, c) photos taken in 2024 (Photographer: Qu Jianjun)

图9 北岛海滩岩面积变化趋势

Fig. 9 Trends of beach rock area changes on North Island

2.5 珊瑚岛礁演变影响因素分析

海岸动力环境与岸滩沉积物的相互作用是珊瑚岛礁在自然状态下演变的本质, 气候环境因素和人类活动的干扰则是通过改变沉积物的供应和水动力强度来间接影响珊瑚礁海岸的地貌变化。
影响岛礁演变的海洋动力主要包括风力、波浪和潮汐。水动力是搬运礁坪沉积物至海岸的关键, 通常进入礁坪附近的动力会形成两个汇聚区, 在迎风面形成高能汇聚区, 背风面形成低能汇聚区(周胜男 等, 2019), 北岛的东北侧和西南侧交替处于迎风面和背风面, 高能环境和低能环境交替出现。但总体上, 北岛东北侧面向开阔海域, 受到波浪的作用更强烈(赵娜, 2018), 粗颗粒的物质容易被波浪聚集, 更容易胶结形成海滩岩, 西南侧面向潟湖, 相对来说水动力能量较弱, 更容易发育成沙滩。水动力不仅仅只搬运沉积物到近岸, 同时也会将沉积物离岸搬运, 造成岛屿的侵蚀。
造礁石珊瑚的骨骼碎屑是珊瑚岛礁的重要沉积物来源, 但受全球变暖、海水温度上升、人类活动和自然天敌长棘海星的影响, 南海多数区域造礁石珊瑚覆盖率已明显下降(Hughes et al, 2013)。西沙生态监控区(包括永兴岛、西沙洲、赵述岛和北岛4个站位)的实地监测数据显示, 2007—2016年间, 监控区内的活造礁石珊瑚覆盖率从53.80%下降至5.44%, 其中北岛附近礁盘的造礁石珊瑚种类从23种下降到17种, 平均覆盖率由88.17%下降到7.5% (李元超 等, 2018)。活珊瑚覆盖率的大幅下降, 意味着岛礁沉积物的供给来源将会减少, 同时其作为海岸保护屏障的作用也在弱化, 使珊瑚岛礁更加暴露于气候变化带来的极端海洋动力之中, 海浪和潮汐对岛屿的侵蚀作用变得更为显著, 对岛礁生态系统的稳定性构成重大威胁。
气候变化引起的海平面上升和极端风暴天气频发也是珊瑚岛礁演变的重要影响因素。2023年北岛海平面相较于1993—2011年全球20年平均海平面高度上升了约85mm (赵中伟 等, 2024), 海平面的上升不仅影响珊瑚礁的生长, 还会加强波浪和潮流等水动力, 对珊瑚岛礁造成侵蚀。台风则是导致珊瑚岛礁短期快速变化的关键因素。近年来西沙地区的台风频次呈增长趋势, 其引发的沉积物重新分配对海滩形态影响显著, 一部分沉积物随风向延伸堆积, 另一部分则被风浪运离岛屿。此外, 台风还会破坏岛礁沿岸的植被, 使原本被固定的沉积物失去保护, 被风浪冲刷至海滩, 导致岛屿面积暂时增大。然而, 台风过后, 这些松散沉积物在潮汐和风浪的作用下逐渐流失, 岛屿面积又会随之减小(肖海婷 等, 2024)。台风虽能在短期内显著改变岛礁形态, 甚至促成或摧毁一座沙洲(阎根齐 等, 2024), 但是对于北岛这类已经发育较成熟的灰沙岛, 其长期演变主要受潮汐和海流的主导作用, 台风后的变化会逐渐恢复到由常规海洋动力塑造的轨道中。
珊瑚岛礁的演变还受到人类活动的影响, 对于北岛来说, 人类活动的干扰主要是东南端的扩建与码头修建, 直接扩大了岛屿面积, 改变了周围的水动力环境, 同时, 遥感影像清晰地显示北岛西南潟湖侧靠近码头区域的礁盘具有明显的开挖痕迹, 珊瑚礁受到严重破坏(图10)。此外, 由人类活动导致海洋垃圾污染不容忽视, 尤其是微塑料污染, 会对海龟繁殖造成严重威胁(Zhang et al, 2024a)。北岛地区只有少数捕鱼和水产养殖活动, 而且当地严格执行垃圾分类、处理和回收政策, 并没有当地的塑料垃圾造成污染, 张婷等(2020)对北岛的海滩塑料垃圾调查发现主要来源于东南亚国家。
图10 码头建设前(a)后(b)影像

a. 2015年2月7日; b. 2019年8月11日, 图中红色方框为开挖破坏的礁盘

Fig. 10 Satellite images before and after dock construction. (a) February 7, 2015; (b) August 11, 2019

3 生态防护对策

灰沙岛海岸主要分为3个区域: 潮上带、潮间带和潮下带。潮上带位于平均高潮线之上, 主要由沙质区域和植被覆盖的陆地组成; 潮间带位于高、低潮线之间, 受到周期性海水浸泡和海浪冲击, 包含裸露的海滩岩及砂质海滩; 潮下带位于潮间带下方, 包括珊瑚礁、海草床等生态系统, 该区域的生物多样性极高, 是海岸防护的重要组成部分。为了避免影响北岛敏感的生态环境, 特别是绿海龟的繁殖和海草床、珊瑚礁生态系统的稳定性, 本文建议对不同的区域采取针对性措施进行防护。
灰沙岛潮上带防护主要依靠植被固沙, 北岛的优势植被为草海桐, 其具备较强的防风固沙功能, 同时能够改善珊瑚岛礁的土壤环境, 具有固沙和生态保护双重作用, 为进一步增强防护效果, 可在岛屿外围适量人工栽种草海桐, 以增加植被覆盖度并推动植被线向海扩展, 植被覆盖度是海龟选择筑巢岛屿的关键因素之一(Santos et al, 2017)。此外, 在裸露沙地区域, 需在东北季风期布设可移动的固沙障(图11a), 主要布置于北岛东北侧沙地, 按照品字形排列, 平均间隔2m (陆文赋等, 2024), 以减缓东北季风对岛屿的侵蚀, 对于岛屿西南侧, 东北季风主要带来淤积作用, 可以少量布设固沙障以促进沙土积聚。西南季风期风速较弱且为海龟上岸产卵季, 因此无需布设固沙障。移动固沙障的布设可根据季节性风向和沙土流失状况灵活调整, 确保不干扰海龟上岸, 同时维持岛屿的生态稳定性。
图11 可移动固沙障(a)与菱形固沙袋(b)

Fig. 11 Movable sand barriers (a) and diamond-shaped sand bags (b)

潮间带的防护措施包括海滩岩修复、防风水蚀与固沙输沙管理。北岛的海滩岩层数较少且薄弱, 胶结程度低、碎裂严重, 使得岛屿的天然屏障逐渐消失, 亟需开展海滩岩保护与修复工作。海滩岩修复通过就地取材, 在破裂的岩石缝隙中填充珊瑚沙, 并注入地质聚合物浆液用以改善其结构完整性和抗侵蚀能力, 增强海滩岩的稳定性。在沙质潮间带区域, 主要包括岛屿西南侧沙滩和西北沙嘴, 可布设菱形防浪固沙袋(图11b), 选用透水性良好的纤维布袋就地装沙, 呈菱形排列, 通过增加床面粗糙度削弱水动力强度, 从而降低泥沙搬运能力, 实现快速固沙(屈建军 等, 2023)。固沙装置的布设在每年11月至次年4月, 此时既能有效防治东北季风的强烈侵蚀, 又能避开海龟的产卵季节, 从而在东北季风结束后形成稳定的沙滩, 为海龟提供理想的产卵环境。
潮下带防护的核心在于恢复海草床和珊瑚礁生态系统的健康与稳定, 它们为近海环境提供重要的生态屏障和生物栖息地, 具有固碳、固沙、净化水质和提供栖息地等多重功能。首先, 需要定期监测海水水质(透明度、温度、悬浮物、营养盐、pH值等)、海草床覆盖率、珊瑚礁分布及健康状况, 便于及时发现和预警白化或退化等问题。对于受损严重的区域, 可采取人工辅助修复, 加快海草床和珊瑚礁的恢复。例如, 海草床修复可采用海草移植和种子播撒(周毅 等, 2020), 珊瑚礁则可通过人工移植健康珊瑚碎片或建造人工礁体来实现生态重建(龙丽娟 等, 2019)。
本文提出的灰沙岛生态防护对策涵盖潮上带、潮间带和潮下带3个不同区域, 构成了一个综合的生态修复与防护体系(图12)。相比传统硬质防护措施如防浪堤、透水板桩等, 这一体系采用相对柔性的策略, 降低了对自然环境的干扰, 同时兼顾了生物多样性保护和岛礁稳定性防护, 有助于维持珊瑚岛礁海岸系统的长期稳定和功能完整。
图12 灰沙岛生态防护体系

Fig. 12 Ecological protection system for coral sandy islands

4 结论

本文利用多期高分辨率遥感影像数据, 结合数字海岸线分析方法, 定量分析了北岛岸滩的变化特征, 探讨了珊瑚岛礁动态演变的主要影响因素, 并提出了相应的防护对策。主要结论如下:
1) 研究期间, 北岛的岸线长度和面积呈现先增加后减少的趋势, 在2019年达到最大值。2015—2019年, 由于岛屿扩建与码头修建, 北岛岸线扩张最为显著。2019—2023年间, 北岛遭受侵蚀最为严重, 47%的岸线受到侵蚀, 总侵蚀面积高达11846m2。北岛沙嘴区域的变化最为显著, 呈现出东北季风导致侵蚀、西南季风引发淤积的特征, 其季节性变化要大于年际变化。此外, 北岛海滩岩其内在特征导致易受到侵蚀, 加上人类活动与自然因素的双重影响, 面积急剧减少, 至2023年, 海滩岩面积仅剩3827m2。
2) 珊瑚岛的动态演变是自然环境、气候变化和人类活动相互作用的综合结果。岛屿海岸的水动力是沉积物搬运的关键因素, 珊瑚礁退化不仅减少了岛屿沉积物的供应, 还改变了近岸水动力强度。全球气候变化和极端风暴事件的频发加剧了岛屿的侵蚀过程。同时, 人类活动的干扰改变了岛屿的侵蚀与淤积平衡。这些因素通过影响岛屿的沉积过程、岸线形态及生态系统稳定性, 共同推动了岛屿的动态演变。
3) 建议通过综合性的生态保护手段, 从潮上带、潮间带到潮下带层层防护, 以生态修复为主导, 通过植被固沙、移动沙障固沙、菱形沙袋固沙、海滩岩修复、海草床与珊瑚礁保护等措施实现分区防护, 采用生态友好型材料和灵活性较高的措施, 避免对自然栖息地(海龟产卵沙滩)的破坏, 平衡自然生态保护与岛礁防护需求。

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