《Science of The Total Environment》：From habitat heterogeneity to flood refugia: linking flow intensity and morphology to inform river management
编辑推荐：
为解决河流生态系统中如何通过恢复栖息地异质性来增加洪水避难所，从而提高河流面对极端洪涝事件恢复力的问题，研究人员在瑞士十条河流的30个河段（重度改造、轻度改造、修复后）开展了一项大规模水力与生态模拟研究。结果显示，修复后的河段在所有水流强度下均表现出最高的流速和床面剪应力变异系数（分别高出重度改造河段17%和34%），且栖息地异质性与避难所可用性呈正相关。该研究强调了考虑不同强度洪水事件在河流生态修复规划中的重要性，为通过物理栖息地恢复提升河流生态系统韧性提供了关键科学依据。
洪水，作为全球最常见的环境干扰事件之一，深刻塑造着河流生态系统的结构与功能。它既是破坏者，也是重塑者——一方面可能导致水生生物的死亡和迁移，另一方面又能重新塑造栖息地的异质性并启动关键的生态过程。在近自然的河流中，高度异质化的栖息地，如回水区、支流河口和凹岸，能够在洪水期间缓冲严酷的水力条件，成为水生生物至关重要的避难所。然而，随着人类活动对河流的数百年改造，如为防洪而进行的河道渠化，河流的栖息地异质性被严重削弱，这些天然的“安全港”也随之减少。与此同时，气候变化预计将导致洪水强度和频率增加，这使得理解和保护河流在面对干扰时的恢复力变得更加紧迫。一个核心但尚未明确解答的问题是：在不同程度的河流改造和修复背景下，水流强度的增加如何影响栖息地的异质性以及随之而来的避难所可用性？为了回答这个关键问题，瑞士联邦水科学与技术研究所（Eawag）的研究团队在瑞士中部高原的十条河流中，进行了一项大规模、高重复性的实地研究与数值模拟工作。
为了评估水流强度和河流形态对栖息地异质性与洪水避难所的影响，研究人员首先在十条河流中，每种河流形态（重度改造、轻度改造、修复后）各选取了一个100米长的河段，共30个研究样点。研究的关键技术方法主要基于现场水力量测与先进的水动力数值模拟的结合。研究人员使用差分GPS和流速仪在实地精确测量了地形和水力参数（如三维坐标、水深、流速），并利用无人机航测创建了高精度的三维数字地形模型。这些数据作为输入，使用BASEMENT水动力学软件构建了每个河段的二维深度平均浅水方程数值模型。模型校准后，模拟了平均流量和六个不同重现期的洪水强度下的水深、流速和床面剪应力。基于模拟结果，研究人员量化了河段内的栖息地异质性（使用流速和床面剪应力的变异系数）以及对于水生大型植物（macrophytes）和大型无脊椎动物（macroinvertebrates）的洪水避难所可用性，并运用线性混合效应模型和广义线性混合效应模型等统计方法进行了分析。
3.1. 不同河流形态下的栖息地异质性
研究结果支持了第一个假设，即修复后的河段在所有水流强度下均表现出最高的流速和床面剪应力变异系数。与重度改造河段相比，修复后河段的流速变异系数平均高出17%，床面剪应力变异系数平均高出34%。这表明河流修复措施（如拓宽河岸、移除堤岸）能够有效增加河道内水力条件的空间变异性。此外，随着水流强度的增加，所有河段类型的栖息地异质性均显著下降。从平均流量到百年一遇洪水，平均流速变异系数下降了45%，床面剪应力变异系数下降了43%。这一下降趋势在五年一遇及以上洪水强度时趋于稳定。
3.2. 不同河流形态下的避难所可用性
结果部分支持了第二个假设，即随着水流强度增加，两种生物群的避难所可用性均显著下降。从一年一遇到百年一遇洪水，大型植物避难所可用性平均下降了29个百分点，大型无脊椎动物的则下降了17个百分点。研究还发现，即使在五年一遇或更高强度的洪水中，修复后和轻度改造河段的河岸区域仍能提供避难所。虽然数据显示修复后河段倾向于具有更高的避难所可用性，但不同形态河段间的差异在统计上不显著。
3.3. 从栖息地异质性到避难所可用性
研究证实了第三个假设，即栖息地异质性与避难所可用性之间存在显著的正相关关系。这意味着具有更高空间异质性水力条件的河段，通常也能为生物提供更多的洪水避难空间。这种相关性对于水生大型植物（ρ=0.73）比对大型无脊椎动物（ρ=0.61）更强。对于大型无脊椎动物，相关性在修复后的河段中最强。
研究的结论强调了河流修复在恢复栖息地异质性和维持洪水避难所方面的关键作用。修复后的河段即使在面临高强度洪水时，也能保持相对较高的栖息地异质性，为水生生物提供了缓冲严酷水力条件的潜力。研究表明，栖息地异质性并不随水流强度增加而减少的程度因河段形态不同，但修复措施确实有助于将栖息地异质性和潜在的避难所维持在较高水平。
在讨论部分，作者指出，尽管河流修复无法完全阻止随着洪水强度增加而出现的栖息地异质性和避难所减少，但它确实能在更长时间和更广泛的水流范围内维持这些生态属性。这突显了修复措施在提升河流生态系统应对极端事件（如洪水）韧性方面的潜力。研究特别强调河岸区域作为关键避难所的重要性，建议未来的河流管理和修复应特别关注河岸的保护与重建。同时，作者也指出了当前研究的局限，例如基于固定水力阈值（如流速≤0.8米/秒作为大型植物避难所）来定义避难所是一种简化处理，未能完全反映不同物种的生态需求。未来研究需要建立基于物种功能性状的、更精细的避难所判定标准，并需要结合生物实际分布与存活数据，来验证这些物理模型预测的避难所是否被生物实际利用。
这项发表在《Science of The Total Environment》上的研究，通过大规模的实地数据与水动力模型相结合，为“如何通过物理栖息地恢复来增强河流生态系统的气候韧性”这一核心问题提供了有力的量化证据。它明确地将不同强度的洪水事件纳入了生态修复规划的考量，倡导了一种兼顾生态效益与防洪安全的多功能修复理念。在全球气候变化加剧、极端水文事件频发的背景下，这项研究为决策者和生态工程师提供了重要的科学依据，即保护和重建河流的栖息地复杂性，尤其是河岸区域，是提升河流生物多样性保护和生态系统长期恢复力的关键策略。
