美国草原坑洼地区爱荷华州不同农业管理情景下春季迁徙水鸟湿地资源建模：探寻水鸟栖息地的未来之路

在草原坑洼地区（PPR），农业扩张导致湿地排水、氮素流失，影响水鸟生存。研究人员开展 “不同农业管理情景下春季迁徙水鸟湿地资源建模” 研究。结果显示，排水现代化影响水鸟栖息地，水质湿地有一定作用但无法完全抵消。该研究为农业与生态平衡提供参考。

　　在北美洲的草原坑洼地区，这里曾是水鸟的天堂，是鸭子们重要的繁殖地，也是众多候鸟迁徙途中的关键停歇站。然而，随着农业的不断扩张和集约化发展，这片土地发生了巨大的变化。大量湿地被排水开垦，变成了农田，原本丰富的原生草原也逐渐消失。不仅如此，农田中通过地下排水管（tile drainage）排出的氮素，顺着水流进入地表水，引发了一系列环境问题，比如水体富营养化，导致有害藻类大量繁殖，让原本清澈的水域变得浑浊不堪。
与此同时，水鸟的生存也面临着严峻的挑战。春季迁徙时，水鸟们需要在中途停歇，补充能量，以便完成漫长的旅程，到达遥远的繁殖地。而现存湿地的数量和质量却在不断下降，这对依赖湿地资源的水鸟来说，无疑是雪上加霜。为了应对这些问题，人们开始探索新的土地管理方法，其中构建水质湿地（water quality wetlands）成为了一个备受关注的解决方案。它不仅能拦截 tile drainage 和地表径流，改善水质，还可能为水鸟提供栖息地。但水质湿地对水鸟的实际作用究竟有多大，能否弥补因排水现代化导致的水鸟栖息地损失，这些问题都亟待解答。
为了解开这些谜团，来自美国多个研究机构的研究人员，包括美国环境保护署（U.S. Environmental Protection Agency）、美国地质调查局（U.S. Geological Survey）、爱荷华州立大学（Iowa State University）等，针对美国草原坑洼地区爱荷华州部分开展了深入研究。他们通过构建空间明确的栖息地模型，并结合专家意见，深入探讨了水质湿地对春季迁徙水鸟的潜在影响，以及其对排水现代化导致的栖息地损失的补偿能力。
研究结果表明，排水现代化对大多数水鸟的栖息地质量影响巨大。对于以浅水环境为主要栖息地的涉禽和一些喜欢在浅水区觅食的鸭类（如钻水鸭）来说，如果不采取任何措施，排水现代化将使它们在春季迁徙时的栖息地资源大幅减少，这可能会严重影响它们的迁徙和繁殖。而对于潜水鸭来说，由于它们需要更深的水域，排水现代化对其影响相对较小。
在水质湿地方面，研究发现，水质湿地的建设确实能为钻水鸭和潜水鸭提供一定的栖息地。但对于涉禽和钻水鸭而言，湿地建设带来的栖息地改善，远远无法抵消排水现代化造成的栖息地损失。不过，从整体来看，水质湿地在改善水质、为水鸟和其他生物提供湿地资源等方面，还是发挥了积极的作用。
该研究成果发表在《Wetlands》杂志上，为土地管理者和农民在制定农业发展策略时，提供了重要的参考依据，有助于平衡农业生产和生态保护之间的关系。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：

1. 确定研究区域和模型位置：选取爱荷华州 Des Moines Lobe 地区作为研究区域，该地区涵盖了草原坑洼地区的南部部分，历史上湿地资源丰富，但如今受到农业活动的强烈影响。研究人员从该地区选择了 37 个具有代表性的流域，利用 ArcGIS Pro 2.8 软件确定流域和水质湿地的潜在位置。
2. 构建 InVEST 栖息地质量模型：使用 InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）栖息地质量模型，结合土地利用和土地覆盖信息以及专家意见，确定不同水鸟群体在特定位置的最大潜在栖息地质量（即栖息地适宜性）。同时，考虑多种威胁因素，如农田密度、道路密度等对栖息地质量的影响。
3. 设定情景和分析数据：设置了基线（无变化）、排水现代化、排水现代化 + 水质湿地、水质湿地（无排水现代化）等多种情景。通过叠加不同的数据集，如 2019 年国家农业统计局农田数据层（CDL）、排水洼地图层、国家湿地清单（NWI）等，生成各情景下的土地利用土地覆盖（LULC）地图，用于模型分析。

下面具体来看研究结果：

1. 钻水鸭觅食地栖息地：在 37 个流域中，钻水鸭潜在适宜栖息地占评估总面积的 9%，其中 85% 位于排水洼地。排水现代化使栖息地质量评分大幅下降，若考虑所有流域洼地，相对基线下降 87%；去除无地表水活动的洼地后，下降 54 - 56%。水质湿地的添加使栖息地质量评分相对基线提高 5%，但与排水改善结合时，若考虑所有洼地，栖息地质量仍下降 81%，仅考虑有地表水观测的洼地时，下降 34%。
2. 专性湿地觅食钻水鸭栖息地：这类钻水鸭潜在适宜栖息地情况与钻水鸭觅食地类似。排水现代化导致栖息地质量评分相对基线下降 87%（考虑所有洼地）或 54 - 56%（去除无地表水观测的洼地）。水质湿地添加使栖息地质量评分提高 6%，与排水现代化结合时，考虑所有洼地下降 81%，仅考虑有地表水活动的洼地时下降 32%。
3. 潜水鸭栖息地：潜水鸭潜在适宜栖息地面积较小，仅 125 ha，其中 7 ha 位于排水洼地。排水现代化使栖息地质量评分下降 5%。添加水质湿地后，栖息地质量评分提高 95%；与排水现代化结合，考虑所有洼地时提高 90%，仅考虑有地表水记录的洼地时提高 96%（湿地单独作用）和 91%（与排水现代化结合）。
4. 涉禽栖息地：涉禽潜在适宜栖息地 85% 位于排水洼地，但根据 DSWE（Dynamic Surface Water Extent）分析，86% 的排水洼地在研究期间无地表水记录。排水现代化使栖息地质量评分下降 87%（考虑所有洼地）或 47 - 48%（仅考虑有地表水观测的洼地）。水质湿地添加后，假设春季有 30 m 宽的海岸线可供涉禽使用，栖息地质量评分仅提高 1%；若无可用海岸线，栖息地质量评分下降 3%。与排水改善结合时，栖息地质量评分下降幅度在 41 - 58% 之间（考虑不同情况）。

研究结论和讨论部分指出，水质湿地对潜水鸭的春季迁徙有较大益处，对钻水鸭有一定益处，但对涉禽益处较小。排水现代化对除潜水鸭外的其他水鸟栖息地质量影响显著，而水质湿地目前的设计和安装方式，在为涉禽提供适宜栖息地方面存在不足。不过，通过合理设计和管理，水质湿地有望为水鸟提供更多益处。同时，研究人员也认识到，该研究主要基于专家意见和现有研究，需要更多实地研究来验证模型结果，尤其是在应用于其他地区时，需考虑当地的农业排水情况和景观差异。此外，研究还存在一些局限性，如对池塘动态的不确定性，依赖 DSWE 产品可能低估湿地蓄水程度等。总体而言，该研究为理解农业管理与水鸟栖息地之间的关系提供了重要依据，有助于推动可持续的农业发展和水鸟保护策略的制定。