海草、海带床、红树林和其他水生植被常被视为“生态系统工程师”，因为它们能够实质上创造自己的栖息地：水生植物的叶片和芦苇会减缓水流，促使沉积物在附近沉降，形成更多植物生长所需的基础。
这些水下森林为数百种生物提供庇护，也能保护海岸线免受侵蚀。然而，在过去几十年里，全球大片水生植被已经消失，其中包括美国的1亿英亩湿地，以及数千英亩海草和海带床。
很大程度上，沉积物输运——即沉积物如何流经一个区域——决定了沿海盐沼和红树林的存续：植物生长依赖沉积物在海床上的累积。当强风暴或水流带走沉积物时，水下森林也可能被冲走，使海岸线和河岸暴露于侵蚀之中。
如今，麻省理工学院的研究人员开发了一种简单模型，可帮助科学家了解沉积物如何以及何时穿过湿地等水生植被区域。研究人员表示，工程师或可利用该模型设计更好的方法，恢复海草、红树林和其他水下植物床。例如，借助该模型，科学家或许能够找出水生植被较不易遭受侵蚀的位置。
“湿地非常重要，因为它们保护着我们的沿海地区，但它们正在遭受侵蚀，”麻省理工学院土木与环境工程系研究生杨庆军（Qingjun Yang）说。“有了这个模型，工程师可以模拟应力如何变化，并根据方程判断在这里或那里种植植被是否有帮助。”
杨庆军及其同事——麻省理工学院土木与环境工程系唐纳德与玛莎·哈勒曼讲席教授海蒂·内普夫（Heidi Nepf）和博士后弗朗索瓦·凯尔格（Francois Kerger）——已在期刊《 水资源研究
捕捉漂移
要估算水生环境中的沉积物输运，一个关键因素是所谓的“床面切应力”——水在海床上施加的摩擦力，它能让科学家了解沉积物如何沿海床移动。现有模型和方程可计算无植被水下环境中的床面切应力。然而，目前没有适用于有植被区域的模型，因为植物会形成更复杂的水流和涡流，使沉积物在这些区域中的输运情况更难厘清。
杨庆军及其同事希望为有植被环境建立床面切应力模型。为此，他们首先开展了一项受控实验，模拟沉积物在一种简单的芦苇状环境中的输运。
研究人员在一座大型的10米循环水槽中铺设塑料底层，并竖起数千根细木钉，模拟坚韧的盐沼芦苇。随后，他们将聚合物颗粒放入水中，并启动水泵，使水在水槽内循环。
研究人员采用一种称为激光多普勒测速的技术，在不同深度和位置将一对激光束射入水槽。他们利用激光的后向散射，即反射光，计算特定位置处颗粒的速度。由于颗粒非常小，其速度与周围水团（即水分子群）的速度相同。随后，研究人员将速度测量值转换为水团之间以及水团与床面之间摩擦力（或应力）的估算值。
塑造海床
经过多次试验，研究人员发现，一个水团对另一个水团施加的摩擦力与深度呈线性关系：水团越深，所受摩擦力越大，床面处的应力最大。这种线性关系与一种已确立的床面切应力理论——“壁面定律”——形成对比。该理论主要用于无植被区域，通常假设水生环境在床面附近施加恒定应力，不受深度影响。
杨庆军根据团队实验中观察到的线性应力关系，推导出一个床面切应力方程。随后，她利用该方程，根据床面上方任意位置的水团速度，成功预测了床面处的摩擦力。
杨庆军表示，该模型最适用于床面相对平坦且具有挺水植被的环境——挺水植被是指从海床延伸至水面的细长植物，例如芦苇。
“我们可以用这个模型预测沉积物开始流动所需的能量，以及水流必须达到多快，”杨庆军说。“水流越快，床面受到的摩擦力就越大，沉积物也就越容易开始移动。然后我们就能了解土地将如何演变，以及如何塑造和设计植被与土壤，使它们在不发生严重侵蚀的情况下存续。”
“任何人都可以想象，植物的存在会使流动模式变得非常复杂——我们只能从统计学角度处理这个问题，对植物间流场的相关统计特征进行建模，”未参与这项研究的米兰理工大学土木工程教授弗朗切斯科·巴利奥（Francesco Ballio）说。“该模型已经可以用于计算河流和湿地等有植被水体系统中的流场……因此，它也可能被纳入更复杂的生态水动力模型，作为水体管理和修复的一个组成部分。但这需要进行一些测试。”
这项研究部分由美国国家科学基金会资助。
本文由 麻省理工学院新闻合作发布。发布本文并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
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作者：詹妮弗·朱（Jennifer Chu）是麻省理工学院新闻的特约撰稿人。
图片：2014年11月10日，一只大蓝鹭飞过马萨诸塞州纽伯里普拉姆岛上的帕克国家野生动物保护区盐沼。路透社/布赖恩·斯奈德。
