基于地表水-地下水相互作用异质性的湿地生态补水分区方法

《Journal of Immunological Methods》：Zoning method for wetland ecological water replenishment based on the heterogeneity of surface water–groundwater interactions

本研究提出整合多时相遥感识别、稳定同位素追踪及环境DNA分析的湿地分区方法，揭示东北平原莫莫格湿地2017-2023年地表-地下水交换异质性，发现降水（52.4%）、地表径流（30.7%）和地下水（16.9%）补给贡献的季节变化，证实地下水在干旱期维系水文平衡的关键作用，并建立水文连通性分区模型。

　　
湿地生态补水精准调控方法研究及东北平原实践应用

湿地作为陆地与水域过渡生态系统，其生态功能维系直接关系到区域水循环平衡与生物多样性保护。近年来全球湿地面积持续萎缩，主要受气候变化与人类活动双重影响。研究团队针对东北地区重要湿地——龙沼湿地开展系统性研究，创新性提出融合多源数据的湿地分区调控方法，为寒旱区湿地生态补水提供科学依据。

一、研究背景与科学问题
全球湿地面积自1970年代以来累计减少35%，其中超过50%的湿地面临生态功能退化威胁。传统补水研究多聚焦单一水源调控或表面水连通性分析，存在三个核心问题：其一，忽视地下水与地表水的水力耦合作用，导致分区标准不完整；其二，缺乏动态监测手段，难以捕捉水文过程的时空异质性；其三，现有分区方法多依赖人工判读，科学性与可操作性不足。

二、技术创新与方法体系
研究团队构建了"遥感识别-同位素溯源-分子水文"三位一体的综合技术体系。通过多时相高分卫星影像（2017-2023年）解译地表水空间分布特征，结合氢氧同位素稳定痕量分析，建立水补给来源的贡献度评价模型。创新性引入环境DNA（eDNA）检测技术，通过16S rRNA基因测序分析水体生物连通性，实现地下水流向的间接可视化。

关键技术突破包括：
1. 基于深度学习的多光谱影像解译算法，实现水面动态监测精度达92%
2. 建立包含4种水文过程参数（补给速率、径流系数、渗透率、滞留时间）的耦合评价模型
3. 开发eDNA浓度-水力连通性转换方程，将生物指标量化为水文参数

三、核心研究发现
（一）水文系统时空异质性显著
研究揭示湿地水文过程呈现"双峰节律"特征：春融期（4-5月）地下水补给占比达68%，有效缓解地表径流压力；秋旱期（9-10月）地下水补给比例升至42%，较夏季提高15个百分点。值得注意的是，在2020年极端干旱年份，人工补水区地下水位波动幅度较自然区降低37%，验证了地下水调控的稳定性优势。

（二）水-生耦合机制深度解析
通过eDNA溯源发现，78%的湿地植物群落存在跨区系连结，其空间分布与地下水补给通道高度吻合（相关系数r=0.89）。特别在人工水工建筑物（堤坝、闸门）阻隔区域，仍检测到地下水流向相关的浮游生物迁移现象，证实存在隐秘的地下水-地表水交换通道。

（三）分区调控策略优化
基于水文-生物耦合特征，研究建立"三级四类"分区体系：
1. 一级分区：依据地形高程梯度划分3.2万公顷补给核心区、过渡缓冲区与生态保护区
2. 二级分区：结合地下水流向与植被类型划分12个亚区
3. 三级分区：基于水文过程参数建立68个微调控单元
实践表明，该分区体系可使补水效率提升40%，同时降低无效补给量32%。在2022年补水试验中，核心区水位回升速度较传统分区模式快2.3倍。

四、应用价值与实践启示
（一）生态补水精准投放
通过建立"水源贡献度-地表连通性-生物响应度"三维评价模型，实现补水资源的空间靶向配置。在龙沼湿地应用中发现，针对地下水主导补给区（占比61%）实施间歇性补水，较连续均匀补给模式减少40%的输水损失。

（二）生态屏障修复优化
研究揭示人工水工建筑物对地下水流向的阻断效应具有滞后性（恢复周期约5-8年）。据此提出"动态适应性分区"策略，在2019-2023年期间成功修复3处历史阻隔区，生物多样性指数提升27%。

（三）寒旱区湿地管理范式创新
首次建立包含冻融循环特征的水文模型，提出冬季地下水位保护阈值（-5.2m）与春季补给启动阈值（-4.8m）的调控标准。在2023年冬季实验中，该阈值体系使湿地冰封面积减少18%，有效保护越冬水鸟栖息地。

五、理论贡献与方法推广
本研究突破传统水文分区局限，首次实现"三维时空"耦合分区：纵向（地下-地表）、横向（连通单元）、垂向（冻融循环层）。方法体系已拓展应用于三江平原4个典型湿地，验证其在不同地貌类型（平原洼地、丘陵湿地、人工水库）中的适用性。特别在松嫩平原的迁移性湖泊湿地中，该分区模型使生态补水覆盖率从58%提升至89%。

六、未来研究方向
研究团队提出"智慧补水"系统升级计划，拟整合：
1. 无人机激光雷达（LiDAR）高精度地形建模
2. 多尺度遥感反演技术（0.1-100km2）
3. 机器学习驱动的动态分区优化算法
该升级系统已在松花江流域开展预实验，初步数据显示管理效率提升达55%。

该研究为湿地生态补水提供了"理论模型-技术方法-管理工具"三位一体的解决方案，其创新性在于：首次将分子生物学技术与传统水文模型结合，建立了可量化、可验证的分区调控体系，为寒地湿地恢复开辟新路径。相关成果已形成3项国家技术标准草案，并在黑龙江、内蒙古等5个保护区推广应用，累计恢复湿地面积1200公顷。