《Nature-Based Solutions》：The AquaNbS Framework for Climate Resilience: Planning and Assessing Ecological Function of Aquatic Landscapes at the Catchment Scale
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基于自然的解决方案（Nature-based Solutions, NbS）框架为应对粮食安全、水资源管理及生物多样性丧失等社会挑战提供了可行路径，尤其在气候变化加速背景下具有重要价值。水生生态系统是实现上述目标的核心载体，但当前相关实践多局限于孤立点位，限制
基于自然的解决方案（Nature-based Solutions, NbS）框架为应对粮食安全、水资源管理及生物多样性丧失等社会挑战提供了可行路径，尤其在气候变化加速背景下具有重要价值。水生生态系统是实现上述目标的核心载体，但当前相关实践多局限于孤立点位，限制了其在景观尺度的整体效能。为填补这一空白，研究人员提出水生基于自然的解决方案（Aquatic Nature-based Solutions, AquaNbS）框架，该框架以流域作为具有生物物理意义的边界单元，统筹水文连通的水生生态系统与其周边土地利用的累积效应。其核心优势体现在四个方面：一是表征水生生态系统间的连通性，支撑能够捕捉生物多样性与生态功能时空变异的规划；二是协调不同类型土地利用，使实施潜力较高的区域能够为下游及受限区域提供支持；三是应用标准化水文指标建立基线并追踪景观尺度的生态变化；四是改进水生碳输运核算以提升减缓成效的可信度。基于此，研究人员认为流域为统筹水生NbS的规划、实施与监测提供了功能性基础，使其能够与调控气候适应与减缓成效的景观尺度过程相匹配。
1 水生生态系统多功能性与流域尺度整合的必要性
水生生态系统（湖泊、河流、湿地、河口等）长期为人类发展提供 fertile土壤、淡水、渔业资源及航运通道，尽管地表覆盖占比有限，却贡献了近60%的全球生态系统服务总价值。其高生产力使其成为定居与经济活动中心，但也因农业与城市化进程遭受广泛改造——筑坝、河道硬化、地下排水及海岸硬化等工程切断了陆地与水生生态系统的水文连通，将多功能生态系统简化为单一用途系统（如粮食生产或基础设施建设）。全球超过半数大型城市海岸线已硬化，约21–33%的湿地已消失，由此导致的地表与土壤水流失贡献了约10%的年均海平面上升，同时淡水系统自1970年以来生物多样性损失高达83%，生态系统多功能性随之衰退。
多功能水生生态系统兼具支持气候适应与减缓、维持栖息地及生物多样性的双重作用，其作为动态水“存储系统”可延缓、滞留并重新分配水分，支撑洪水缓解、干旱缓冲、水质净化及食物供给等服务，降低基础设施与生态系统风险。此外，水生生态系统在全球碳循环中扮演关键角色：仅湿地就储存了全球20–30%的碳，却仅占非沙漠陆地面积的8%；整体而言，水生生态系统的单位面积净碳通量高于陆地生态系统。这些功能使其成为全球气候战略的核心组成部分。
然而，水生生态系统的功能并非取决于单个系统，而是源于从陆地到海岸带连通区域的动态耦合。流域作为天然组织单元，定义了水、物质与能量跨景观迁移的路径，已在水文风险评估、河流修复协同、海岸带生态恢复、湿地整合规划及景观尺度碳收支研究中被证实为有效尺度。尽管NbS的陆海统筹视角与流域尺度高度契合，但二者尚未形成正式衔接机制。现有NbS实践多聚焦于单点生态系统实施，虽能在局部取得显著成效，但在景观尺度上其累积效应往往难以检测或不足以应对预期的社会挑战。为此，研究人员提出AquaNbS框架，以流域尺度组织为核心推进水生NbS的规划与评估，其定义涵盖流域尺度内河流、湖泊、湿地、溪流、河口、泻湖、沼泽、 swamp及其河岸带的恢复、可持续管理与保护，旨在提升水生景观的生态功能，进而支撑气候适应与减缓目标。
2 AquaNbS框架
2.1 流域管理作为AquaNbS实施的生态功能尺度
流域是指所有地表径流汇入共同出口的集水区域，可从小型池塘集水区延伸至跨国流域系统（如亚马孙河流域、多瑙河流域）。水文连通使流域能够串联内陆淡水生态系统与周边土地利用，并通过径流输入影响海岸带系统健康。以流域为边界开展AquaNbS项目，可统筹考虑两个关键相互作用：陆地景观对水生生态系统的影响，以及水生生态系统之间的相互关联。这种框架能够从功能层面解析土地利用负面效应的级联传递，以及单个生态系统的退化或恢复对整个网络的放大或削弱作用，推动AquaNbS从孤立干预转向作为广义景观组成部分的水文连通系统管理。
2.1.1 流域尺度生物多样性框架对气候保险与多功能性的支撑
NbS的多功能性源于生态系统的生物多样性复杂性，生物多样性不仅是NbS的效益之一，更是其功能的核心基础。高物种丰富度的生态系统可提供更广泛的生态系统服务，并在极端气候事件中表现出更强的持久性。然而，确定足以支撑必要生态功能与气候韧性的生物多样性阈值仍具挑战，且生态系统处于持续演化中，以“自然状态”或历史生物多样性水平为恢复目标可能并不现实。在流域尺度管理生物多样性，能够更精准地捕捉与人类服务相关的生态功能变化，通过维持功能冗余但组成各异的点位，形成类似“多元化投资组合”的气候保险机制。即使单个点位多样性中等，只要物种组成差异足够大，仍能实现高流域尺度生物多样性。已有研究表明，流域尺度更高的生物多样性与净初级生产力呈正相关，进而支撑碳捕获、养分循环等关键生态过程。
2.1.2 生态变化在多功能性评估中的作用
AquaNbS涵盖保护、恢复与新建三类站点，其中恢复与新建在实践中常可互换，因为原始生态状况往往未知，“恢复”可能产生全新的生态系统。因此，AquaNbS的生态质量差异显著：保护类站点可能具备高生物多样性和气候韧性，而恢复类站点初期生态质量与生物多样性可能较低。Krauze与Wagner的研究指出，不同质量的NbS可通过景观组合实现可持续结果，而非要求每个站点均具备完美生态质量。AquaNbS进一步以流域框架落实这一理念：韧性与多功能性并非源于单个站点的静态基线，而是来自对水文连通网络中生态变化如何塑造功能的动态理解。生态功能不是固定状态，而是随环境条件改变而重组适应的动态过程，这是AquaNbS气候韧性的核心。以湿地恢复为例：早期低多样性、高营养阶段通常对应高氮磷滞留率，可减少下游水体富营养化风险，支持下游湿地生物多样性；初期湿地可能因甲烷排放成为净碳源，但随着生态成熟度提升，长期碳埋藏将超过甲烷排放，转变为净碳汇；生物多样性与养分去除等功能也会随时间发生阶段性变化。因此，AquaNbS的性能应放在生态相关的时间尺度上评估，由处于不同演替阶段的连通生态系统组成的网络，可在短期与长期均提供互补功能，单个站点的贡献并非必须同时覆盖所有服务。
2.1.3 流域作为解决土地利用冲突的功能尺度：从高机会区获取水生生态功能
水生生态系统的效益既随时间演化，也随空间延伸。流域内一个生态系统的水文调节或水质改善可惠及下游，这对实施空间不足的区域尤为重要。自然系统的单一功能速率通常低于灰色技术且变异性更大，因此需要足够的土地面积才能满足社会需求，例如水生生态系统总面积与生物多样性、脱氮、防洪等功能呈正相关。当前NbS研究集中于城市与海岸带，但这些区域人口密集、经济竞争激烈，难以提供充足空间支持多样化的水土交互过程，其生态功能贡献有限。相比之下，农业、城郊及郊区等管理用地占土地利用主体，为AquaNbS规模化实施提供了更高机会。已有案例表明，纽约市通过上游森林与农业保护避免了60亿美元的水过滤厂建设，开普敦通过清除上游集水区高耗水入侵物种提升了水库供水能力并创造了就业与生物多样性收益，均验证了流域尺度NbS通过农村区域实施支持城市需求的成本效益优势。对于海岸带生态系统，其生态功能维持同样依赖上游过程管理：海岸富营养化主要由农业与城市营养径流驱动，会导致盐沼、海草床等生态系统退化，削弱其碳汇、护岸与防洪功能；而长期削减河流污染可实现海岸带生态系统自然恢复。因此，海岸带AquaNbS需要将海岸干预与流域尺度的水文恢复、污染物减排相结合。
2.2 流域尺度监测：从指标到管理
2.2.2 利用现有水文框架简化监测
大规模流域保护项目的可持续资金保障常受限于预测性不足与多主体协调困难，而流域尺度的协同数据收集可展示AquaNbS的实施成效，获取多方支持。流域边界可通过简单通用的指标实现时空标准化监测：在河流网络出口进行的长期测量可汇总整个景观与水生过程的累积效应，水文时间序列可用于解析土地利用与气候变化对水量水质的影响。此外，还可在子流域或单个AquaNbS站点补充分布式测量，尽管单个生态系统过程对流域尺度功能的贡献机制仍待深化，但多尺度监测有助于识别研究缺口并提升效益预测能力。许多地区已依托国际协议或区域计划建立了环境目标与监测框架（如欧盟水框架指令、澳大利亚墨累-达令盆地管理等），AquaNbS可直接复用这些现有水文与水质指标作为基线，此类指标可作为生态过程的代理变量：低流量频率与生物多样性丧失相关，营养盐与悬浮沉积物升高指示富营养化风险，水文指标的变化可关联洪水峰值、pH值、有机质等参数的变动，反映富营养化、分解与生态系统生产力的变化。利用现有水文指标可支撑结果导向的管理，并增强AquaNbS对水文情势变化的适应能力。
2.2.3 加强水生碳通量测算以完善全球碳核算
除标准水文指标外，河流溶解性碳输出（溶解有机碳与溶解无机碳）为量化水生碳输运提供了简便途径，这是全球碳核算中不确定性极高却至关重要的路径。传统碳清单侧重大气系统的“垂直”碳交换（如碳汇、土壤储存、大气逸散），往往忽略跨景观的“横向”碳转移，尤其是通过水生路径的输送。全球内陆水体（湖泊、河流、湿地）的横向碳通量规模巨大：人为活动导致的陆地向内陆水体碳输入约为1.0 Pg C yr-1，相当于全球陆地生态系统年碳汇总量或全球化石燃料排放量的10%；全球内陆水体自然与人为碳通量总和约为5.1 Pg C yr-1。随着全球数据网络扩展，内陆水体在碳循环中的累积作用正被不断重估。Casas-Ruiz等提出的净流域交换（Net Watershed Exchange, NWE）框架，可整合陆地与水生碳通量以实现精准碳核算，该框架可直接嵌入AquaNbS，在流域尺度水文水质监测的基础上增加河流溶解碳输运监测。标准化扩大AquaNbS的水生碳输运监测，可拓展NWE框架的实践应用，提升区域水生碳通量估算精度，进而约束全球碳收支。这一方向与联合国粮农组织地球观测组的倡议一致，后者已将河流监测列为全球碳收支准确核算的核心。精准碳核算对AquaNbS至关重要，尤其是当其以增汇为目标时。高有机质储量的流域（如森林、泥炭地系统）天然具有较高的水生碳输运率：泥炭地主导流域的水生碳输出可达总碳吸收量的20%，单个湿地的碳输出可占年吸收量的40%。气候极端事件（如持续干旱后接强洪水）会进一步放大水生生态系统的碳迁移：干旱期提升碳迁移能力，洪水期增强碳输送效率。随着干旱-洪水循环在全球愈发频繁，AquaNbS的流域尺度水生碳动态监测将成为精准量化碳收支、捕捉碳储存与迁移动态、确保减缓成效在气候变化下可信且韧性的关键。
2.3 超越流域框架：跨学科认知驱动AquaNbS成功
流域为生态保护提供了科学可扩展的框架，但许多大型流域保护项目因实施碎片化、协调不足或利益相关方支持有限而未达预期。AquaNbS的成功治理需要将其纳入国家与地方政策法律体系，建立强有力的制度结构以促进跨部门行动与责任共担，弥合部门分歧并汇聚复杂水管理所需的多元技术能力。AquaNbS的生态功能实现不仅依赖水文与生态设计，还取决于流域边界之外的治理、经济可行性及持续社会支持。公众支持决定AquaNbS的长期成败，这依赖于透明沟通、包容流程及对动态社会需求的响应，公民科学、生活实验室与游戏化平台等共创工具已被证明可有效提升参与度。流域监测框架尤其适配水文类公民科学项目，能够培育公众对AquaNbS的所有权。需要注意的是，尽管农业景观被视为AquaNbS的高机会实施区，但其落地并非易事：农业用地全球分布广泛，但获取土地需与生计依赖农业生产的私有土地所有者协商，仅靠购买或付费往往不够，还需设计将保护目标与当地经济利益对齐的激励机制。通过将覆盖AquaNbS全生命周期的生态系统服务经济指标纳入体系，可直观体现其多功能价值，将生态功能直接与经济社会收益挂钩，从而强化土地所有者参与与制度支持。
2.4 AquaNbS在气候减缓与适应中的局限性
AquaNbS是应对气候变化的重要路径，但外部因素将强烈影响其成效。近年来研究强调，不应高估自然生态系统的气候减缓潜力，其无法替代化石燃料绿色转型等技术与社会变革。AquaNbS的碳减缓潜力总体较高但不确定性大，湿地潜力突出，河流与溪流的作用则较不确定，因此需要 robust监测以确保解决方案的可信度与可扩展性。其次，AquaNbS虽可缓解土地利用活动的环境退化，但土地利用活动本身也必须减少对水生生态系统的负面影响，以支持其生态功能。AquaNbS规划需与可持续土地利用实践（如农业循环养分系统、城市蓝绿基础设施）协同推进。最后，AquaNbS不仅应服务于人类中心目标，还应包含对内在生态价值的保护与恢复。时空权衡不可避免，追求零 trade-off的最优解既不切实际也会延误行动。即便算力持续提升，复杂非线性系统（如非凸优化问题）的全局最优仍难以通过计算求解，这凸显了AquaNbS需接纳一定程度的不确定性，融合多元认知与价值评估方法，并建立有效的监测与适应性管理框架。通过跨学科输入可缩小适宜成功指标的筛选范围，使各方对AquaNbS成功的共识更具可操作性。
