《Ecological Engineering》：Hydrodynamics and short-term morphodynamics of hybrid terrace configuration in a tidally restored impoundment subject to relative sea-level rise
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湿地梯田设计对潮汐恢复区沉积与植被的影响研究。通过耦合水动力、短期床形动力与植被累积的简化模型框架，评估混合几何梯田（斜线线性、箭头形、圆形）在潮汐恢复淹没区的物理与生态效应。研究发现不同盐度条件下植被生物量生产力差异显著，影响沉积速率与海拔资本积累，其中淡水植被生产力最高，盐水植被稳定性最佳。梯田边缘植被通过固碳、沉积保留和栖息地扩张，形成动态平衡的生态系统。
L. 凯西·琼斯 | 彼得·巴科普洛斯 | 利诺杰·维贾扬 | 克里斯托弗·E·基斯
路易斯安那州立大学，海岸生态系统设计工作室，南河路1110号100室，巴吞鲁日，LA 70802，美国
摘要
我们提出了一个简化复杂性的建模框架，该框架将水动力学、短期河床形态动力学和沼泽植被沉积相结合，用于评估基于梯田的恢复设计。利用这一框架，我们测试了一种混合梯田配置，该配置包括倾斜的线性形状、人字形形状和圆形形状，应用于潮汐恢复的蓄水池中。水动力学受梯田配置的控制，潮汐流被引导进入和离开该区域，从而在区域后方形成有利于沉积物滞留的模拟循环条件。水下沉积模式取决于梯田的形状和排列方式，而沉积范围和程度则受沉积物类型（颗粒大小）的影响。梯田的侧坡提供了有利于沼泽植被生长和生态系统功能的潮间带高度。由于植被增强沉积作用，在相对海平面上升的情况下，边缘栖息地得到了增加。在淡水、半咸水和咸水条件下，沼泽边缘栖息地的增加量在体积上是相等的，但在潮下带、潮间带和潮上带的高度分布有所不同。由于更高的生物量生产力，淡水物种通过植被增强的沉积作用获得的沼泽边缘栖息地面积最大，其次是耐盐的半咸水物种；而在海平面上升的情况下，咸水沼泽植被表现出更稳定的生产力。沿梯田边缘的稳态沼泽植被提供了多种生态效益，包括沉积物滞留、栖息地扩展以及对无脊椎动物、游泳生物和水鸟的结构支持。我们的结果表明，恢复实践者可以使用这种简化复杂性的建模方法来评估物理和生态结果，以制定管理方案来维持湿地的健康。
引言
海岸工程一直是基于自然的解决方案来应对风暴潮和侵蚀等海岸威胁的活跃领域（Jordan和Frohle，2022）。基于自然的解决方案将工程需求与系统的自然过程相结合（USACE，2025a），从而设计出既能保护又能增强生态系统服务的海岸防御措施（Moraes等人，2022；Dunlop等人，2023；O'Leary等人，2023；Remme等人，2024）。海洋和河口环境中的海岸防御措施主要旨在提高防洪能力并减少土地损失（Bridges等人，2022），特别是在相对海平面上升速度加快的地区。恢复项目旨在保护湿地并减轻由于人为和自然压力因素导致的侵蚀和土地损失（例如，参见Gittman等人2019年对美国的研究），特别是在路易斯安那州沿海地区（CWPPRA，2025）。沼泽梯田是一种创新的基于自然的海岸恢复技术，最初主要在路易斯安那州沿海地区使用（Rozas和Minello，2001），以应对内陆沼泽转变为开阔水域的问题（Elsey-Quirk等人，2019）。梯田是在三角洲和河口湿地的开阔水域中建造的分段土堤，旨在减弱波浪能量、减少侵蚀并保留沉积物，同时通过边缘栖息地促进动植物的生物多样性（O'Connell和Nyman，2010）。基于自然的解决方案的概念指导下，设计生态功能良好的梯田项目需要考虑控制沼泽稳定性和恢复力的机制。
沼泽对平均海平面变化的响应通常被认为是由生物地貌反馈、生物量生产、沉积物动态和海拔资本之间的相互作用驱动的（Reed，1995；Kirwan和Guntenspergen，2012）。植被覆盖的沼泽平台在潮汐淹没期间有助于捕获矿物沉积物，并通过地下和地上生物量生产提供有机物，共同促进垂直沉积并维持有利于植物持续生产力的淹没范围（Morris等人，2002；Kirwan和Megonigal，2013）。在海平面上升的条件下，这种矿物-有机物的贡献可以维持沼泽相对于平均海平面的高度，只要沉积速率能够跟上海平面上升的速度，平衡就可以维持（Fagherazzi等人，2020；Reed，2002）。然而，这一过程的有效性取决于充足的沉积物供应和潮汐交换（Kirwan等人，2010），而这些条件常常受到诸如蓄水池和保护性基础设施等水文改造的干扰，这些改造会切断或限制自然的潮汐连通性（Boumans等人，2002）。在这样的系统中，潮汐恢复——在这里定义为与湿地系统重新建立水文连通性（Waltham等人，2021）——可能是支持相对海平面上升情况下沼泽恢复力所必需的生物地貌过程。
梯田配置可能会影响沉积物的滞留以及沿沼泽边缘的植被建立和空间分布（Osorio等人，2020），这表明在这些恢复措施的设计和实施中应考虑这些生态反馈（Rowland等人，2024）。实践中使用了各种梯田布局，包括由简单几何形状组成的复合配置（支持信息S1中的文本S1和图S1）。在大多数情况下，会选择一种梯田形状并在整个建设区域内重复使用。常见的梯田形状包括线性、箱形和人字形（Osorio等人，2024），但在梯田的景观设计和生态系统功能方面有多个自由度，例如梯田的大小和间距、方向、内角（人字形）、高度和侧坡。其他梯田设计包括网状、三角洲扩散和圆形形状（Keller等人，2023）。研究基于波浪减弱和显著波高减少来评估梯田设计（Osorio等人，2022；Jung等人，2024）。这些研究依赖于高保真模型（即Delft3D和SWAN），并表明箱形、人字形和三角洲扩散设计在减弱波浪能量和沉积物滞留方面表现最佳，特别是在与盛行风和波浪垂直安装时。此外，所研究的区域都是在水力开放的环境中，暴露于水位、风和波浪的影响下。尽管很少有研究评估沼泽梯田在侵蚀和沉积方面的性能（Osorio等人，2020；Keller等人，2023；Jung等人，2024），但没有研究在潮汐恢复的背景下评估梯田的性能。
人类对湿地生态系统的影响主要集中在水文操控上，包括常见的筑堤和蓄水措施（Jones等人，2021）。关于部分被蓄水且部分受潮汐连接以及相对免受风和波浪影响的半蓄水区域中梯田的物理和生态功能，仍然存在疑问。同样，现有文献尚未探讨梯田在潮汐恢复背景下重新建立生态系统功能的性能。在这项研究中，我们提出了一个简化复杂性的河床形态动力学和沼泽沉积动力学模型，用于评估潮汐恢复蓄水池中的混合梯田配置。潮汐恢复在重新建立以前被蓄水区域的富有生产力的沼泽景观的水力条件方面显示出有希望的结果（Brand等人，2012；Glamore等人，2021；Weinstein等人，2021；Ikeda等人，2024）。例如，在路易斯安那州沿海地区，正在考虑通过潮汐恢复来重新建立位于Morganza至Gulf堤坝系统后面的蓄水湿地（USACE，2025c），这些湿地自建成以来一直在退化。在路易斯安那州沿海和其他地方的硬化系统中，无论是通过抬高的堤坝还是运河挖掘的弃土堤，都将蓄水湿地与河道的水力分离，加剧了沉降和湿地损失（Day等人，2019；Turner和Ohimain，2024）。我们应用了一个理想化的潮汐恢复湿地模型及其短期形态变化，通过模拟自由进入（例如箱形涵洞）通过封闭边界（例如堤坝）和重新建立水力连接的条件。除了理想化模型域外，我们还通过模拟沉积、侵蚀和净海拔变化来简化模型复杂性，这些模拟与数值模拟的水动力学松散耦合。简化模型复杂性的目的是为了填补模型实施所需的资源和知识空白（Twomey等人，2024），同时提供可以在桌面工作站上执行的基于过程的模拟能力。
作为演示，我们模拟了具有倾斜线性、人字形和圆形特征的混合设计中梯田边缘的水动力学和短期形态动力学。还测试了三种替代设计布局，以研究仅由1）线性、2）人字形和3）圆形特征组成的梯田配置的使用情况。评估了不同相对海平面上升速率以及不同淡水、半咸水和咸水沼泽植被物种下的梯田性能。我们使用沼泽沉积、海拔带分布、水下河床海拔变化、空间整合的生物量生产力和海拔资本等生态指标来衡量性能。沼泽沉积指的是由于有机和矿物负荷导致的海拔垂直变化（Morris等人，2013），我们在表面海拔剖面上进行了模拟。海拔资本是指高于植被生长所需的海拔，这是估计沼泽对相对海平面上升脆弱性的重要指标（Reed，2002；Cahoon等人，2019）以及潜在的栖息地可用性。我们根据潮下带、潮间带和潮上带的分区对海拔带分布进行了分类（Twilley等人，2019）。水下河床海拔变化是根据潮汐流场引起的侵蚀和沉积的净效应来评估的。我们讨论了沼泽植被在梯田上的建立对生物地貌反馈的影响，包括生物量、沉积和淹没之间的相互作用，以及在潮汐恢复蓄水池中支持多种营养级生态系统的潜力。
本研究的创新之处包括：1）一个可用于桌面场景模拟潮汐湿地恢复的通用模型；2）在半封闭（潮汐恢复）且部分水力连接的区域内评估梯田的性能；3）一种促进可持续潮间带栖息地的混合梯田布局，结合了沼泽种植和水下河床沉积。
方法论
数值建模和分析用于描述理想化湿地模型中水下和地上区域的形态变化。水下形态变化由梯田配置所建立的潮汐流模式驱动的沉积增益和侵蚀损失的净河床海拔变化所概括。地上形态变化通过水动力学-沼泽海拔调整的耦合过程进行模拟，这一过程涉及植物生产力和有机-矿物
水动力学（ADCIRC）和形态动力学
ADCIRC模拟的输出包括时空水位和深度积分速度。模拟的水位在模型域内均匀分布，并与开放边界条件同步（支持信息S1中的图S7）。高潮和低潮之间的潮间带水平距离为8米，沿着梯田边缘的11:1（H:V）坡度。与水位不同，模型模拟的速度具有明显的空间结构（图3
水动力学和河床形态动力学
形态动力学结果是假设25年内沉积和侵蚀速率稳定情况下的净海拔变化的线性近似。非线性效应肯定会对变化的范围和程度产生影响，此外还有25年内水动力学的非稳定性。例如，在25年的形态变化后，模型域中的模拟速度（支持信息S1中的图S10）显示了潜在的侵蚀速度
结论
为解决从业者和科学家之间在海岸恢复和生态结果方面的现有差距，我们提出了一个简化复杂性的建模框架，该框架将河床形态动力学和沼泽沉积动力学结合起来，用于潮汐恢复的情景模拟。利用这一框架，我们测试了各种梯田配置——每种配置都包括线性、人字形和圆形形式——以及一种新的混合梯田配置，该配置结合了
CRediT作者贡献声明
L. 凯西·琼斯：写作——审阅与编辑，撰写——初稿，调查，正式分析，概念化。彼得·巴科普洛斯：写作——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，方法论，正式分析，概念化。利诺杰·维贾扬：写作——审阅与编辑，正式分析。克里斯托弗·E·基斯：写作——审阅与编辑，监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
这项研究部分由Anticipating Threats to Natural Systems (ACTIONS)和Developing Engineering Practices for Ecosystem Design Solutions (DEEDS)项目资助，通过美国陆军工程研究与发展中心，合同编号W912HZ2220005。首席作者感谢加州大学伯克利分校景观建筑与环境规划系、MIG, Inc和路易斯安那州立大学海岸生态系统设计工作室的学术和财务支持。
