DOI: https://doi.org/10.3389/fmars.2025.1620592
تاريخ النشر: 2025-09-25
المؤلف: Xihang Xu وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات السواحل والبحار
نظرة عامة
تُعتبر الأعشاب البحرية مهندسي نظم بيئية حيويين في المياه الساحلية الضحلة، حيث تقدم فوائد بيئية مثل احتجاز الكربون واستقرار الرواسب، بالإضافة إلى مزايا هندسية مثل تخفيف طاقة الأمواج. ومع ذلك، لا تزال الآليات الكامنة وراء تخفيف الأمواج الناتج عن الأعشاب البحرية غير مفهومة جيدًا، مما يزيد من تعقيد الأمر بسبب عدم الاتساق في القياسات عبر الدراسات المختلفة. تتناول هذه الدراسة هذه القضايا من خلال فحص ستة معايير رئيسية: تخفيف طاقة الأمواج، معامل السحب، معامل نقل الأمواج، معامل تخفيف الأمواج، سرعة تدفق الأمواج، والطاقة الحركية المضطربة. تم إجراء مراجعة منهجية للدراسات المخبرية ذات الصلة من 2000 إلى 2024 لتلخيص التطورات في هذه المعايير وأدوارها في تحليل تخفيف الأمواج، بينما يتم أيضًا التحقيق في تأثيرات التيارات على أداء الأعشاب البحرية.
تسلط الدراسة الضوء على الحاجة إلى إطار موحد لتقييم تأثير ميزات غطاء الأعشاب البحرية وخصائص الأمواج على تخفيف الأمواج، وهو أمر ضروري لإبلاغ سياسات حماية السواحل وجهود استعادة الأعشاب البحرية. تشير النتائج إلى أن سرعة تدفق الأمواج الناتجة هي المعلمة الأكثر دراسة، مما يكشف عن الهياكل الهيدروديناميكية داخل مروج الأعشاب البحرية. بالإضافة إلى ذلك، يعزز تحليل الطاقة الحركية المضطربة من فهم الديناميات الهيدروليكية المحلية ونقل الرواسب. تؤكد الأبحاث على أهمية معايير التقييم المتسقة والمنهجيات التجريبية، مقترحة إطارًا جديدًا لقياس أداء تخفيف الأمواج في مروج الأعشاب البحرية. في النهاية، هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات التجريبية لتحسين طرق التقييم والاستفادة الكاملة من الفوائد الهندسية للأعشاب البحرية في إدارة السواحل والاستدامة البيئية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الأهمية المتزايدة للمناطق الساحلية، التي تضم أكثر من 2.15 مليار شخص، في المشهد الاجتماعي والاقتصادي العالمي. تواجه المجتمعات الساحلية، وخاصة في المناطق المنخفضة، تهديدات متزايدة من العواصف والفيضانات والتآكل، مما يدفع الاعتماد الواسع على الدفاعات الهندسية الصلبة مثل الجدران البحرية والحواجز. ومع ذلك، تعتبر هذه الطرق التقليدية غير مستدامة على المدى الطويل بسبب ارتفاع مستوى سطح البحر الناتج عن تغير المناخ وتأثيرها الضار على النظم البيئية المحيطة. استجابةً لذلك، هناك اهتمام متزايد بالحلول المستندة إلى الطبيعة (NbS)، مثل استعادة مروج الأعشاب البحرية، والشعاب المحارية، والمستنقعات المالحة، والأشجار المنغروف، التي تقدم فوائد بيئية مثل تخفيف طاقة الأمواج وزيادة المرونة ضد تغير المناخ.
على الرغم من الفوائد المعترف بها لـ NbS، لا يزال هناك فجوة كبيرة في فهم فعاليتها في حماية السواحل. على سبيل المثال، بينما يمكن لمروج الأعشاب البحرية التعافي من الأحداث المناخية القاسية، فإن قدرتها على التخفيف من المخاطر الساحلية لم يتم قياسها بالكامل بسبب عدم الاتساق في معايير التقييم عبر الدراسات. تهدف هذه الورقة إلى معالجة هذه الفجوة من خلال تطوير إطار موحد لتقييم خدمات حماية السواحل التي تقدمها مروج الأعشاب البحرية. تركز أسئلة البحث الرئيسية على تحديد الصيغ التجريبية لتخفيف الأمواج، وتحديد المعايير الحرجة للتقييم، وإقامة إطار تقييم متماسك. ستقوم المراجعة بتلخيص الأبحاث السابقة والتطورات الحديثة في هذا المجال، مما يوفر في النهاية رؤى حول الفوائد الهندسية لنظم الأعشاب البحرية ويسلط الضوء على اتجاهات البحث المستقبلية.
الطرق
تتبع منهجية هذه الدراسة إرشادات العناصر المفضلة للتقارير للمراجعات المنهجية والتحليلات التلوية (PRISMA) لمراجعة قدرات تخفيف الأمواج لمروج الأعشاب البحرية والأوراق بشكل منهجي. شملت الأبحاث بحثًا شاملاً في الأدبيات باستخدام قواعد بيانات Web of Science وScopus، مع التركيز على المنشورات من يناير 2000 إلى نوفمبر 2024. تم استخدام استراتيجية كلمات رئيسية مستهدفة لتحديد الدراسات ذات الصلة، مما أسفر عن اختيار أولي لـ 501 مقالة. تم تطبيق معايير صارمة للإدراج والاستبعاد لضمان ملاءمة الدراسات، مما أدى في النهاية إلى تضييق الاختيار إلى 40 مقالة تمت مراجعتها من قبل الأقران والتي قيمت بشكل محدد أداء تخفيف الأمواج للأعشاب البحرية من خلال طرق تجريبية.
تُفصّل الخصائص الرئيسية للدراسات المختارة، بما في ذلك أنواع الأعشاب البحرية، والظروف الهيدروديناميكية، والمعايير المبلغ عنها، في الجدول التكميلي S1. بالإضافة إلى ذلك، تم الإشارة إلى الدراسات الأساسية التي تم تحديدها من خلال تتبع الاقتباسات الخلفية لتوفير سياق حول التطور التاريخي لنماذج تخفيف الأمواج؛ ومع ذلك، تم استبعاد هذه الدراسات من مجموعة البيانات الرئيسية لأنها لم تركز بشكل محدد على الأعشاب البحرية أو النتائج التجريبية. يوضح الشكل 3 الخطوات الرئيسية في عملية اختيار الورقة، مما يوضح النهج المنهجي المتبع في هذه المراجعة.
المناقشة
تركز قسم المناقشة في ورقة البحث على الديناميات المعقدة لتخفيف الأمواج فوق مروج الأعشاب البحرية، مع التأكيد على تأثير كل من الخصائص البيئية وخصائص الغطاء. يبرز أن تخفيف طاقة الأمواج مدفوع بشكل أساسي بالسحب الهيدروديناميكي، والذي يعتمد على التفاعل بين أوراق الأعشاب البحرية وجزيئات الماء. يتم تقديم معامل تخفيف الأمواج، $K_D$، كمقياس رئيسي لت quantifying هذا التخفيف، مع تطوير صيغ تجريبية مختلفة على مر السنين لنمذجة العلاقة بين معلمات الأمواج الساقطة وخصائص الأعشاب البحرية. من الجدير بالذكر أن النماذج الحالية غالبًا ما تفترض وجود أوراق صلبة، مما قد يؤدي إلى تقديرات مبالغ فيها لتخفيف الأمواج في مروج الأعشاب البحرية المرنة بسبب السحب المنخفض المرتبط بحركة الأوراق وإعادة تكوينها تحت تأثير الأمواج.
تتوسع القسم أكثر في العوامل المهمة التي تؤثر على تخفيف الأمواج، بما في ذلك كثافة السيقان، ومرونة الأوراق، والظروف البيئية مثل عمق الماء وفترة الأمواج. تشير الأدلة التجريبية إلى أن كثافة السيقان الأعلى ونسب الغمر الأكبر تعزز من تخفيف الأمواج، خاصة في المياه الضحلة. ومع ذلك، فإن عدم الاتساق في المعلمات المبلغ عنها عبر الدراسات يعقد تعميم النتائج. تتناول الورقة أيضًا التحديات المتعلقة بقياس معاملات السحب وتخفيف الأمواج بدقة في الإعدادات التجريبية، مشيرة إلى أن الفجوات بين الدراسات المخبرية والميدانية قد تؤدي إلى تقديرات مبالغ فيها لتخفيف الأمواج في البيئات الخاضعة للتحكم. بشكل عام، تؤكد المناقشة على ضرورة وجود منهجيات موحدة ومزيد من الأبحاث لتوضيح آليات تخفيف الأمواج الناتجة عن الأعشاب البحرية وتحسين فعالية جهود الاستعادة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmars.2025.1620592
Publication Date: 2025-09-25
Author(s): Xihang Xu et al.
Primary Topic: Coastal and Marine Dynamics
Overview
Seagrasses are recognized as crucial ecosystem engineers in shallow coastal waters, providing ecological benefits such as carbon sequestration and sediment stabilization, as well as engineering advantages like wave energy dissipation. However, the mechanisms underlying seagrass-induced wave attenuation remain poorly understood, compounded by inconsistencies in metrics across various studies. This research addresses these issues by examining six key parameters: wave energy dissipation, drag coefficient, wave transmission coefficient, wave attenuation coefficient, wave-induced flow velocity, and turbulent kinetic energy. A systematic review of relevant laboratory studies from 2000 to 2024 is conducted to summarize developments in these parameters and their roles in analyzing wave dissipation, while also investigating the effects of currents on seagrass performance.
The study highlights the need for a unified framework to evaluate the impact of seagrass canopy features and wave characteristics on wave attenuation, which is essential for informing coastal protection policies and seagrass restoration efforts. The findings indicate that wave-induced flow velocity is the most frequently studied parameter, revealing hydrodynamic structures within seagrass meadows. Additionally, the analysis of turbulent kinetic energy enhances understanding of local hydrodynamics and sediment transport. The research underscores the importance of consistent evaluation criteria and empirical methodologies, proposing a new framework for measuring wave attenuation performance in seagrass meadows. Ultimately, further experimental studies are necessary to refine assessment methods and fully leverage the engineering benefits of seagrass in coastal management and environmental sustainability.
Introduction
The introduction highlights the increasing significance of coastal regions, home to over 2.15 billion people, in the global socio-economic landscape. Coastal communities, particularly in low-elevation areas, face escalating threats from storms, flooding, and erosion, prompting widespread reliance on hard-engineered defenses like seawalls and breakwaters. However, these conventional methods are deemed unsustainable in the long term due to climate-induced sea level rise and their detrimental impact on surrounding ecosystems. In response, there is a growing interest in nature-based solutions (NbS), such as restoring seagrass meadows, oyster reefs, salt marshes, and mangroves, which offer ecological benefits like wave energy dissipation and enhanced resilience against climate change.
Despite the recognized advantages of NbS, there remains a significant gap in understanding their effectiveness for coastal protection. For instance, while seagrass meadows can recover from extreme climatic events, their ability to mitigate coastal hazards is not fully quantified due to inconsistent evaluation metrics across studies. This paper aims to address this gap by developing a unified framework for assessing the coastal protection services provided by seagrass meadows. Key research questions focus on identifying empirical formulas for wave attenuation, determining critical parameters for evaluation, and establishing a cohesive assessment framework. The review will synthesize past research and recent advancements in the field, ultimately providing insights into the engineering benefits of seagrass ecosystems and highlighting future research directions.
Methods
The methodology of this study follows the Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses (PRISMA) guidelines to systematically review the wave attenuation capabilities of seagrass meadows and blades. The research involved a comprehensive literature search using the Web of Science and Scopus databases, focusing on publications from January 2000 to November 2024. A targeted keyword strategy was employed to identify relevant studies, resulting in an initial selection of 501 articles. Rigorous inclusion and exclusion criteria were applied to ensure the relevance of the studies, ultimately narrowing the selection to 40 peer-reviewed articles that specifically assessed the wave attenuation performance of seagrass through experimental methods.
The key characteristics of the selected studies, including seagrass species, hydrodynamic conditions, and reported parameters, are detailed in Supplementary Table S1. Additionally, foundational studies identified through backward citation tracking were referenced to provide context on the historical development of wave attenuation models; however, these studies were excluded from the primary dataset as they did not focus specifically on seagrass or experimental findings. Figure 3 outlines the key steps in the paper selection process, illustrating the systematic approach taken in this review.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the complex dynamics of wave attenuation over seagrass meadows, emphasizing the influence of both environmental and canopy characteristics. It highlights that wave energy dissipation is primarily driven by hydrodynamic drag, which is contingent on the interaction between seagrass blades and water particles. The wave attenuation coefficient, $K_D$, is introduced as a key metric for quantifying this dissipation, with various empirical formulas developed over the years to model the relationship between incident wave parameters and seagrass characteristics. Notably, existing models often assume rigid blades, which may lead to overestimations of wave attenuation in flexible seagrass meadows due to the reduced drag associated with blade motion and reconfiguration under wave action.
The section further elaborates on the significant factors affecting wave attenuation, including shoot density, blade flexibility, and environmental conditions such as water depth and wave period. Empirical evidence suggests that higher shoot density and greater submergence ratios enhance wave attenuation, particularly in shallow waters. However, inconsistencies in reported parameters across studies complicate the generalization of findings. The paper also addresses the challenges of accurately measuring drag coefficients and wave attenuation in experimental setups, noting that discrepancies between laboratory and field studies may lead to overestimated wave attenuation in controlled environments. Overall, the discussion underscores the necessity for standardized methodologies and further research to elucidate the mechanisms of seagrass-induced wave attenuation and improve the effectiveness of restoration efforts.