水文变化与管理干预下密西西比河上游洪泛区森林的未来格局模拟研究

《Landscape Ecology》：Future forest conditions under alternative management and hydrological scenarios in the Upper Mississippi River floodplain

本研究针对洪泛区森林在水文变化多重压力下面临的退化问题，通过LANDIS-II模型模拟了上密西西比河Reno Bottoms区域未来100年森林演替轨迹。研究团队设置4种水文地貌管理、3种森林管理和2种水文情景的组合方案，发现森林地上生物量在所有情景下均呈下降趋势，其中湿润水文情景下降更显著。尽管强化管理可缓解生物量损失，但无法扭转银槭主导的群落格局。研究首次量化了不同因子的相对贡献度：前50年森林管理主导，世纪末水文 regime 成为最关键因子，为洪泛区森林适应性管理提供了时空明确的决策依据。

　　

在全球气候变化和人类活动双重压力下，洪泛区森林正经历着前所未有的生态转型。作为河流生态系统的关键组成部分，这些森林不仅承担着生物多样性保育、碳储存和洪水调控等重要功能，更是众多野生动物的栖息地。然而，近年来洪泛区森林面临着水文情势改变、农业扩张和入侵物种等多重威胁，其中水文变化被认为是驱动长期生态演替的核心因素。特别是在上密西西比河（UMR）流域，近两个世纪以来为支持农业发展和商业航运而修建的一系列闸坝工程，显著改变了自然水文节律，导致洪泛区森林覆盖率从1890年的约42%降至1975年的28%，且退化趋势仍在持续。

在此背景下，美国地质调查局与陆军工程兵团的研究团队选择上密西西比河Reno Bottoms区域作为天然实验室，开展了一项前瞻性研究。该区域作为上密西西比河国家野生动物与鱼类保护区的重要组成部分，仍保留着闸坝建设前的高质量森林栖息地特征，但近年来观测到的森林退化现象尤为显著：银槭（Acer saccharinum）占绝对优势的单一龄林结构普遍存在，树木更新严重不足，加之荷兰榆树病、白蜡窄吉丁（Agrilus planipennis）等病虫害侵袭，以及入侵草本植物如虉草（Phalaris arundinacea L.）的扩张，使生态系统恢复面临严峻挑战。

为科学预测未来森林演变轨迹，研究人员采用空间显式森林景观模型LANDIS-II（v6.2），模拟了100年内（2020-2119年）4种水文地貌管理情景（基线条件、河道封闭、高程提升、综合措施）、3种森林管理策略（无干预、种植+虉草抑制+林区扩张、综合抚育）与2种水文情景（随机水文、趋势性湿润）的24种组合方案。通过生物量演替扩展模块（Biomass Succession v3.2）模拟树种竞争与生长，结合土地利用扩展模块（Land Use Plus）整合年际淹没持续时间数据，并引入生物干扰代理扩展（BDA）模拟白蜡窄吉丁危害。水文驱动数据源自自适应水力学模型（AdH）生成的淹没历时图，其中趋势性水文情景基于1972-2019年观测数据的线性外推，反映流域径流持续增加的科学预期。

水文管理措施显著改变局部淹没格局

研究发现，高程提升工程使处理区生长季平均淹没时长减少达15天，而单纯的河道封闭措施效果有限。尽管景观尺度的平均淹没时长仅降低7天，但局部地形改造创造了更适宜树木建立的微环境。趋势性水文情景下，后期淹没持续时间显著高于随机情景，凸显了气候变化对洪泛区水文节律的潜在影响。

森林生物量呈普遍下降趋势但管理干预有效缓解损失

模拟显示所有情景下地上生物量均持续下降，趋势性水文情景中61%的区域呈现显著负增长（τ < -0.4）。强化管理使显著负增长区域降至49%，生物量衰减斜率趋缓。银槭生物量的急剧减少是主导因素，其成熟林分（约70-100年生）正接近寿命终点，而沼泽白橡树（Quercus bicolor）等后期演替树种呈现增长趋势。空间上，负增长热点集中于长期淹没区，而正增长主要出现在河道邻近区域和高程提升区。

物种组成呈现生态记忆效应

银槭相对生物量从当前82%降至世纪末49%，但仍保持优势地位。沼泽白橡树占比从6%升至29%，美国榆（Ulmus americana）和河桦（Betula nigra）略有增加。管理措施虽促进物种多样性提升，但未能根本改变以银槭为主导的群落格局，反映出历史土地利用、水文改造及病虫害等遗留影响的持续性。

水文 regime 末期成为主导因子

方差分析表明，前50年森林管理解释大部分生物量变异（56%），但世纪末水文 regime 影响范围扩至48%。水文地貌管理的影响局限于工程实施区（占比13%-17），凸显局部措施在景观尺度的局限性。

本研究通过多情景模拟揭示了洪泛区森林演替对管理干预与水文变化的差异化响应。尽管当前以银槭为优势的森林结构表现出较强生态惯性，但高程提升与定向抚育等措施确实为后期演替树种创造了生态位机会。值得注意的是，若流域湿润化趋势持续，管理措施的有效性将显著受限。研究提出的“抵抗-接受-引导”（RAD）框架为差异化管理提供了理论依据：在淹没持续时间较短区域，通过植被重建可有效引导群落转向；而长期淹没区则需考虑生态功能转型。该成果不仅为密西西比河修复工程提供优化方案，其构建的“水文-生态”耦合模型范式更可为全球变化下洪泛区生态系统的适应性管理提供方法论借鉴。