大平原间歇性河流河道形态动态的时间背景研究

本研究针对间歇性河流生态系统管理中缺乏时间动态参考的问题，通过5-7年长期监测河道形态指标（ER、WDR、sinuosity），发现稳定化河道形态变化最显著，且状态转换与多变量空间变化强度正相关，为河岸带复杂状态转换模型（STM）提供了关键时间尺度和管理依据。

　　

在美国北达科他州的广袤大平原上，蜿蜒的间歇性河流如同大地的血脉，维系着独特的河岸带生态系统。然而，这些河流的河道形态并非一成不变，它们会随着洪水事件、植被演替和人类活动而动态演变。对于土地管理者而言，如何准确判断河道的稳定状态，预测其演变趋势，并制定有效的管理措施，一直是个棘手的难题。传统的生态位描述工具主要针对变化相对缓慢的高地生态系统，而河岸带生态系统的驱动因素——水文和地貌过程——却具有高度动态性。尽管研究者们已经开发出河岸带复杂生态位描述（RCESD）和状态转换模型（STM）等工具，将河道稳定性分类（如不稳定、稳定化、稳定）与地貌指标（如侵蚀比ER）联系起来，但这些模型往往缺乏长期监测数据的支撑，特别是关于状态转换所需时间尺度的具体信息。这导致管理者在实施恢复措施时，无法预判变化发生的时间，难以评估管理成效。

为了填补这一空白，来自北达科他州立大学自然资源科学学院的研究团队在《Rangeland Ecology 》上发表了一项研究，旨在为美国大平原间歇性河流的河道形态动态提供关键的时间背景。他们的核心问题是：在这些低坡度冲积河谷中，河道形态究竟以多快的速度演变？不同稳定性等级的河道其变化模式有何不同？这些动态过程如何帮助我们改进现有的河岸带STM，使其更能指导管理实践？

为了回答这些问题，研究人员在美国北达科他州鲍曼县西南部的五条间歇性河流（Spring Creek, Horse Creek, Skull Creek, Sevenmile Creek, Fivemile Creek）上选择了40个地点进行长期监测。研究的关键在于获取时间序列数据。初始水文测量（记为时间I）在2014年至2016年间进行，包括测量河道横断面和纵剖面，以计算三个关键的河道稳定性指标：侵蚀比（ER，评估洪水淹没区可达性）、宽深比（WDR，描述河道形状）和曲率（sinuosity，反映河流蜿蜒模式）。根据ER值，每个地点被归入三个稳定性等级之一（不稳定、稳定化、稳定），这与Meehan和O‘Brien（2019）提出的河岸带STM中的状态相对应。时隔5到7年之后（2022年，记为时间II），研究团队对这些地点进行了重复测量，最终有效分析样本为27个站点。

在数据分析方面，研究人员采用了多变量统计方法。他们首先利用非度量多维标度法（NMDS）基于ER、WDR和曲率构建的Bray-Curtis相异矩阵，将每个站点在时间I和时间II的形态特征投射到二维排序空间中，从而可视化河道形态随时间变化的轨迹。通过置换多元方差分析（PERMANOVA）检验了不同采样时间和不同稳定性等级组间在多变量空间中的差异性。此外，还通过方差分析（ANOVA）比较了不同稳定性等级的河道以及是否发生状态转换的河道在多变量空间中的变化程度。

研究结果

河道状态转换与多变量变化：在27个监测点中，有9个（约三分之一）在5-7年间发生了稳定性等级的转换，其中6个转向更稳定的状态，3个转向不稳定或稳定化状态。统计分析显示，发生状态转换的站点，其在多变量排序空间中的移动距离（即形态综合变化程度）显著大于未发生状态转换的站点。这表明状态转换确实伴随着显著的河道形态调整。

稳定化河道的动态性：分析不同稳定性等级河道的多变量变化程度发现，稳定化状态的河道其形态变化程度显著高于稳定状态的河道。这意味着处于“恢复中”的稳定化河道是地貌活动最为活跃的阶段，其河道和洪泛区形态经历着持续的、显著的调整，即使其稳定性等级（基于ER）可能尚未改变。

整体向稳定性发展的趋势：PERMANOVA分析表明，从时间I到时间II，所有站点的整体河道形态存在显著差异，且呈现出向更稳定状态发展的趋势。这体现在平均ER值的增加和平均WDR值的降低，可能反映了洪泛区发育和河道形态的改善。

讨论与意义

本研究最重要的发现之一是稳定化河道具有高度的动态性。这些河道正处于构建抵抗力和恢复力（resilience）的关键阶段，其形态在STM定义的参数范围内剧烈波动。在像研究区这样的半干旱环境中，能够触发向不稳定状态逆转（如T3转换）的高能量洪水事件并不常见（约五年一遇）。因此，稳定化状态可能会在景观中持续存在相当长的时间。这支持了Briske等人（2008）关于“替代稳定状态”的理论，即恢复中的系统可能长期表现为一种中间状态，其恢复力逐渐增强。因此，对于指向稳定化的转换（如T5转换），河岸带STM的转换叙事可以进行调整：不再仅仅强调特定干扰是触发因素，而是将其视为加速或阻碍这一自然过程的变量。本研究提供的5-7年时间框架为这类叙事提供了宝贵的时空背景。

其次，研究观察到整体向稳定性发展的趋势，这与河道演化理论认为不稳定的河道总会寻求替代稳定状态的观点一致。这种趋势可能得益于当地可能实施的有利于河岸带植被恢复的管理措施（如放牧系统、水源管理），尽管研究未直接验证管理的影响。连续干旱年份并未明显阻碍这一趋势，暗示间歇性河流的河岸带植被可能对生长季中后期的干旱具有适应性恢复力。

管理启示

这项研究为土地管理者提供了至关重要的时间参考系。它表明，在类似北达科他州大平原这样的低坡度冲积河谷中，河道的显著形态变化和状态转换可能在5-7年甚至更短的时间内发生。这有助于管理者设定合理的预期，判断管理措施是否有效，并理解即使看似稳定的河道也可能发生快速变化。管理者应认识到，稳定化河道虽然外观上可能不如深切的不稳定河道那样令人担忧，但其生态系统更为脆弱，容易因干扰而退化。因此，管理的重点应放在促进洪泛区发育和维护自然水文情势的实践上，例如通过恢复河岸带植物群落来增强河岸稳定性和促进泥沙沉积。采用能够快速响应河道形态、植被群落和气候变化的适应性管理策略至关重要。

总之，这项研究通过长期的实地监测数据，显著增进了我们对间歇性河流河道形态动态时间尺度的理解，为完善河岸带复杂状态转换模型、指导适应性管理提供了坚实的科学依据。研究者强调，未来需要在对明确管理措施下的间歇性河流进行持续监测，以进一步细化状态转换的触发机制和所需时间条件。