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小洼地湿地恢复对生态系统服务的影响研究：基于比利时Nete流域的地形分类与模型评估，发现恢复显著提升土壤碳储存和径流调节能力，但可能降低供给服务，41%区域具备无负面影响的恢复潜力，强调地理适应性恢复规划对气候韧性提升的重要性。
Jeroen Krols|Annelies Broeckx|Sam Vermeulen|Dirk Vrebos|Jan Staes
ECOSPHERE研究小组，安特卫普大学生物系，比利时安特卫普
摘要
小型洼地湿地因其对水文调节、碳储存和生物多样性维护的贡献而越来越受到重视。然而，由于面积小且空间隔离，这些湿地常常被排除在调查范围之外，从而容易受到人类活动的影响，进而影响其自然功能。本研究评估了比利时坎佩讷地区内Nete流域内景观洼地的恢复潜力，以及这种恢复对生态系统服务（ES）提供的影响。通过地形分析，共识别出20,843个地表洼地，其中4,600个可能是可恢复的洼地湿地。随后，结合ECOPLAN-SE模型对恢复前后生态系统服务的提供和调节功能进行了评估。结果表明，洼地恢复显著增强了调节功能，尤其是土壤碳储存和径流储存能力，而食物生产和木材生产等提供功能则有所下降。不过，41%的洼地属于“无遗憾”恢复区域，即对任何评估的生态系统服务都没有负面影响。这些地点通常位于上游，长期处于干燥状态，并且远离集约化农田。该研究强调了基于具体情境的恢复规划的潜力。鉴于小型洼地湿地能够通过缓解洪水和干旱显著提升景观层面的气候韧性，政策制定者应加大对其恢复和保护的力度。本研究为将小型洼地湿地恢复纳入区域土地管理和气候适应策略提供了具体的空间框架，突显了它们在维持多功能景观中的关键但未被充分认识的作用。
引言
湿地在水文循环中发挥着重要作用，并提供多种环境功能（Bertassello等人，2018；Bullock和Acreman，2003；Mitsch和Gosselink，2007）。尽管人们对湿地所提供价值的认识日益增强，但恢复工作往往侧重于最大化恢复面积，而忽略了湿地的其他空间属性，如湿地分布及其在景观中的空间布局（Van Meter和Basu，2015）。此外，湿地恢复项目的评估还应考虑它们与水文路径的相互作用（Blackwell和Pilgrim，2011）。近年来，人们对小型洼地湿地的关注度不断提高（Bertassello等人，2018；Blackwell和Pilgrim，2011；Calhoun等人，2017；Cohen等人，2016；Evenson等人，2018；Lane和D'Amico，2010；Rains等人，2016）。洼地湿地有时被称为“非洪泛区湿地”（Jones等人，2019；Lane等人，2018）或“地理隔离湿地”（Cohen等人，2016；Evenson等人，2016；Leibowitz和Nadeau，2003；Rains等人，2016）。然而，在本文中，所有地形洼地都被纳入考虑范围，定义为被较高地形包围、防止地表径流外流的洼地区域（Le和Kumar，2014）。这类区域自然上与河流网络没有直接连接，因为它们被高地环绕（Brinson，1993；Tiner，2003；Winter和LaBaugh，2003）。尽管如此，洼地湿地通过浅层或深层地下水流动路径与其他水体存在一定程度的水文联系，这些路径在空间、时间和方向上可能存在变化（Evenson等人，2018；Golden等人，2017；Rains等人，2016）。尽管多项研究表明小型洼地湿地的重要性（Van Meter和Basu，2015），但目前尚无统一的面积定义标准（例如，美国俄克拉荷马州更新世沙丘生态区的标准为<0.005平方公里（Londe等人，2022）；Blackwell和Pilgrim认为全球较小湿地的标准为<0.01平方公里（2011）；Evenson等人认为北美草原坑洼地区的标准为<0.03平方公里（2018））。因此，洼地湿地的面积应根据其具体地理环境进行评估。
根据大小、在景观中的位置以及与水文路径的相互作用，小型洼地湿地可能提供重要的生态系统服务（Blackwell和Pilgrim，2011）。研究表明，与大型湿地相比，小型湿地单位面积的水文缓冲能力更强（McLaughlin等人，2014），并且有助于地下水补给和维持基流（Van Meter和Basu，2015）。特别是上游的小型洼地湿地具有蓄水和补给地下水的潜力，这可以在干旱期间增加基流（Cohen等人，2016；Evenson等人，2018；Lee等人，2018；Rains等人，2016）。此外，从生物多样性的角度来看，小型湿地的水文隔离状态对物种扩散和整体群落组成至关重要（Smlitsch，2000）。水分条件的时空变化增加了栖息地的多样性和物种丰富度，而（小型）洼地的数量和空间分布也决定了物种在栖息地之间的迁移（Leibowitz，2003；Leibowitz和Nadeau，2003；Smlitsch和Bodie，1998）。因此，小型洼地的丧失会导致剩余物种种群连通性的降低（Evenson等人，2018）。此外，洼地湿地通过滞留沉积物、营养物质和其他溶解污染物来改善水质，从而减少下游水域的营养物质和污染物负荷。这种生物地球化学处理效率取决于空间特性（如面积、形状、在景观中的位置）以及气象和水文条件的变化（Marton等人，2015）。小型湿地通常具有较高的周长与面积比和更复杂的形状，这意味着更多的生物地球化学反应区域（Cohen等人，2016；Hefting等人，2004；Marton等人，2015）。研究表明，小型湿地在碳储存方面也更有效（Marton等人，2015）。总之，小型（洼地）湿地的生物多样性、水文和生物地球化学功能凸显了保护和恢复它们的必要性（Calhoun等人，2017）。
然而，洼地湿地经常受到人类活动的干扰，影响其自然功能。例如，人们通过排水降低地下水位，使地表和地下水流通过沟渠连接到河流网络；或者为了农业目的填平或耕作这些湿地（Blackwell和Pilgrim，2011；Cohen等人，2016；Rains等人，2016；Zuquette等人，2020）。除了恢复长期自然状态外，极端天气事件的增加也迫切需要恢复景观的水文功能（Kovats等人，2014；Mann等人，2017；Screen和Simmonds，2014）。恢复上游洼地湿地可以增强景观的渗透和蓄水能力，减少下游生态系统的淹没风险（Rains等人，2016）。因此，恢复这些湿地可以降低水文干旱风险和下游洪水（由于它们的蓄水能力），同时改善水质并维持生物多样性（Golden等人，2021）。尽管小型洼地湿地很重要，但由于其面积小、短暂存在以及动态边界，它们常常未被纳入湿地调查范围，这使它们更容易受到破坏（Blackwell和Pilgrim，2011；Boix等人，2016；Calhoun等人，2017；Smlitsch和Bodie，1998；Serran和Creed，2016）。因此，量化它们的分布和范围具有挑战性（Blackwell和Pilgrim，2011）。对其水文和生态状态进行空间明确的调查和功能评估对于制定有效的长期保护和管理策略至关重要（Calhoun等人，2017）。
在比利时北部的弗兰德斯地区，尚未有关于洼地湿地的研究。然而，Decleer等人（2016）发现，在过去50年中，弗兰德斯地区几乎75%的湿地已经消失。他们认为，尽管湿地损失严重且剩余湿地的质量较低，但弗兰德斯仍具有巨大的湿地恢复潜力，从而增加生态系统服务的供应，如关键的水文调节服务（水量和质量调节以及土壤中的碳储存）和文化生态系统服务。本文旨在探讨恢复地形洼地中曾经存在的洼地的潜力。本研究有两个目标：（1）识别适合恢复的洼地；（2）利用多种土地利用情景进行生态系统服务分析，以了解恢复后的附加值。这是一项探索性分析，旨在评估恢复洼地湿地的潜在效果。该研究强调了Nete流域内曾经存在的洼地湿地提供的生态系统服务，并为制定该地区洼地湿地恢复管理策略提供了基础。
研究区域
本研究应用于位于比利时弗兰德斯地区坎佩讷地区的Nete流域。Nete流域覆盖面积约为1673平方公里，如图1所示。该地区具有海洋性温带气候，年平均降雨量为800毫米。该低地河流流域的海拔范围从3米到82米不等（Vrebos等人，2015），最高海拔位于东部靠近默兹河流域的区域。
Nete流域地形洼地的识别
Wu等人（2019）提出的地形洼地检测方法在Nete流域识别出44,980个洼地，经过滤波后剩余20,843个被认为是可恢复的。这些潜在洼地湿地的描述性统计数据见表3。计算了过滤后的可恢复洼地的面积和体积及其当前状态（如果存在的话）。随后，根据表2中的五个等级对洼地进行分类，并展示了结果。
讨论
洼地湿地在增强气候韧性方面起着关键作用，因为它们可以调节水流，减轻洪水和干旱的影响（Evenson等人，2018；Moomaw等人，2018）。除了减少灾害风险外，它们还提供许多其他生态系统服务，如作为碳汇的自然功能、生物多样性热点的形成、气候缓解和适应效益，以及文化生态系统服务（Moomaw等人，2018；Severin和Michalková，2023）
结论
尽管洼地湿地在应对气候变化负面影响和提供生态系统服务方面具有重要作用，但它们正在迅速消失和退化。本研究在比利时坎佩讷地区的Nete流域进行了探索性评估，以确定这些洼地的恢复潜力。该评估使用Wu等人（2019）提出的Level-Set方法识别洼地。
CRediT作者贡献声明
Jeroen Krols：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件应用，调查，数据分析，概念化。Annelies Broeckx：撰写 – 原稿，概念化。Sam Vermeulen：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。Dirk Vrebos：监督，软件应用，方法论。Jan Staes：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
该项目得到了弗兰德斯研究基金会（FWO）-SBO Turquoise项目的资助（项目编号：S008122N）。
