《Environmental Research》：Climate–Connectivity–Geography Interactions Govern the Hydrologic Vulnerability of Geographically Isolated Wetlands
编辑推荐：
孤立湿地水文脆弱性机制研究：构建气候-连接性-地理（C-K-G）框架并通过936个高分辨率模拟（1950-2099）揭示三种水文响应模式：连接性主导型、气候主导型、地理自稳型。地理异质性调控系统响应强度与空间分布，地下水连通性缓冲年际波动，气候驱动整体水位下降。该框架为非站态气候下湿地韧性评估与管理提供物理基础。
朱杰|黄玉明|郑向群|刘一飞|张晓|耿冰|朱长雄|刘立元|王家瑞|卢大伟|姜贵斌
中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京100081，中国
摘要
地理隔离的湿地（GIWs）是维持景观水分平衡和生态系统恢复力的关键水文要素，然而在气候变率加剧的背景下，它们的持续性仍缺乏明确的科学认知。本文开发并测试了一个名为“气候-连通性-地理”（C-K-G）的诊断框架。该框架首次将气候强迫、地下水连通性和地理异质性对GIWs水文脆弱性的交互作用进行了概念化和量化分析。研究使用了936次高分辨率模拟数据（30米网格间距，30分钟时间步长；1950–2099年），这些模拟结合了六个经过偏差校正的CMIP6气候模型、两种地下水连通状态以及三个区域、13个站点和两种地貌类型的地理变化。在各种情景下，气候因素决定了水文脆弱性的程度：在“干旱温暖”（DryWarm）情景下，中位水位下降至-157厘米——比“湿润寒冷”（WetCool）情景低100多厘米。地下水连通性使中位水位上升了20–46厘米，并减弱了年际水位波动，其中在结构受限的环境中缓冲作用最为显著。地理因素则组织了这些响应的空间模式和强度。综合系统行为后，我们区分出了三种可重复出现的模式：依赖连通性的模式、受波动驱动的模式（年水位变化范围可达175厘米）以及自我稳定的模式（水位很少低于-120厘米）——每种模式代表了不同的气候强迫下的水文响应特征。C-K-G框架为诊断湿地持续性、量化恢复力阈值以及在非平稳气候条件下的水文管理提供了基于过程的、可推广的应用基础。
引言
湿地通过储存、转化和释放水分来调节水文变异性，从而为生态系统和人类社区提供对极端气候的缓冲（Cheng等人，2020；Fluet-Chouinard等人，2023；Murray，2023b；Schuerch等人，2018；Li等人，2022；Murray等人，2022；Piemontese等人，2024；Richardson，1985；Temmink等人，2022；Wei等人，2023；Xu等人，2024）。其中，地理隔离的湿地（GIWs）——也称为非洪泛区湿地（NFWs）——是指被高地环绕的洼地系统（Cohen等人，2016；Marton等人，2015；Rains等人，2015；Lane等人，2018；Lane等人，2025）。尽管这些术语常被交替使用来描述没有持续地表水连接的洼地湿地，但它们并不完全等同。GIWs强调与下游水域的水文隔离，而NFWs则强调位于已绘制洪泛区之外的湿地。在本研究中，我们始终使用GIWs这一术语，并仅在引用基于洪泛区位置分类的研究时提及NFWs。GIWs缺乏与溪流或河流的持续地表连接，但通过间歇性的地表径流和地下交换与周围景观保持水文和生物地球化学上的联系（Leibowitz，2015；Murray，2023a；Mushet等人，2015；Tiner，2003；Trevathan-Tackett等人，2024）。尽管单个GIWs的面积较小，但它们在北美及更广泛地区的低洼地形中共同对补给、洪水缓解和养分循环起着重要作用（Zhu等人，2017；Zhu等人，2020；An等人，2024；Cohen等人，2016；Finlay，2020；Lee等人，2018；Peng等人，2022；Sun等人，2024；Winter和LaBaugh，2003；Zhu等人，2024）。在全球范围内，尽管缺乏持续的地表水连接，孤立和非洪泛区湿地仍然是对流域水文、生物地球化学循环和气候韧性具有不成比例影响的“脆弱水体”（Cohen等人，2016；Creed等人，2017；Miguez-Macho和Fan，2021）。通过短暂的地表或地下水途径实现的水文连通性通常决定了它们在气候变率和变化下的功能表现（McLaughlin和Cohen，2019）。
尽管GIWs对气候变化敏感，但其水文动态不能仅由气候因素解释（Cui等人，2024；Leibowitz等人，2023；Li等人，2024b）。区域气候因素如降水量、蒸散量和温度主要决定了湿地的水文周期（Cohen等人，2016；Leibowitz，2015；Marton等人，2015；Rains等人，2015）。然而，实地观察和建模研究表明，地下水连通性和局部地貌特征往往能够超越或修改这些气候控制因素（Lee等人，2023；Mushet等人，2015；Tiner，2003；Winter和LaBaugh，2003）。通过从高分辨率数字高程模型中提取地貌洼地信息，并结合多光谱时间序列遥感技术，可以准确识别GIWs，并估算其淹没情况和水文周期动态。新兴的地球物理方法如探地雷达和电阻率剖面技术进一步揭示了低洼地形中的浅层地下水梯度和地下连通性。这些方法为在全球不同地貌环境中检测GIWs及其水文功能提供了可重复且可推广的基础（Creed等人，2017；McLaughlin和Cohen，2019；Zhang等人，2024a）。然而，大多数现有研究对这些非气候因素的影响进行了简化或隐含处理。例如，一些研究使用了固定的边界条件或概念化的地下水交换模型（Lee等人，2018；McLaughlin等人，2014），或依赖地形指数来代表水文路径（Shaw等人，2013）。因此，这些因素的定量作用和相互作用仍不明确。
为了解决这些问题，最近的建模工作试图更好地模拟塑造GIWs动态的多尺度水文过程。例如，在佛罗里达州和美国东南部，这方面的研究沿着两条互补的方向进展：随机模型和概念模型通过模拟降雨-储存阈值和极端事件的持续性来量化水文周期的变异性和气候-水文的耦合关系（Bertassello等人，2020；Bertassello等人，2018；McLaughlin等人，2014；Shaw等人，2013；Yang等人，2024）；而基于分布式过程的模型（如MIKE SHE）则明确模拟了地表径流、非饱和带和三维地下水之间的相互作用（Abbott等人，1986）。这些方法加深了对局部湿地-地下水交换以及从事件到季节尺度的水文动态的理解（Lane等人，2018；Lee等人，2023；Leibowitz等人，2018；McLaughlin等人，2014）。然而，一个能够整合气候变率、水文连通性和地理异质性的统一诊断框架仍然缺失。这一空白限制了对湿地脆弱性机制的理解，并阻碍了设计适应气候变化策略以维持地下连通性、增强缓冲能力和保护水文避难所的工作（Carpenter等人，2014；Folke等人，2004；Leibowitz，2015；Mushet等人，2015）。
在本框架中，气候（C）代表外部强迫（降水量和蒸发需求），连通性（K）表示不同于短暂地表连接的地下水流，地理（G）则描述了影响储存和排水的地形-土壤-覆盖特征。我们假设气候决定了水文周期变异性的上限，连通性调节了系统的缓冲作用与放大效应，而地理因素则组织了系统响应的空间梯度。因此，美国东南部的地理隔离湿地是一个理想的模型系统，可以用来提炼出普遍适用的水文原理，因为其气候-连通性-地貌相互作用与全球许多非洪泛区湿地的特征相似（Cohen等人，2016；Creed等人，2017；Miguez-Macho和Fan，2021）。我们将MIKE SHE分布式水文模型（30米网格间距，30分钟时间步长）与十二个经过偏差校正的CMIP6气候情景和两种连通性条件相结合，形成了一个代表性的GIW景观的因子实验。长期（1950–2099年）模拟得出了四个可解释的指标：总变化范围（TR）、中位水位（MWL）、年变化率（ACR）和气候贡献比例（PC），以表征暴露程度、变化趋势和原因。通过936次情景模拟，我们识别出三种稳定的水文模式：（i）依赖连通性的模式（K主导），（ii）受波动驱动的模式（C主导），以及（iii）自我稳定的模式（G主导）。该框架提供了一个物理上一致、具有不确定性界限且可推广的工具，仅需局部校准即可与遥感和实地监测结合，以支持气候变化下的早期预警、恢复和空间规划。
研究区域
研究区域位于美国佛罗里达州中北部阿拉楚阿县盖恩斯维尔东北方向约33公里处的平坦林地，该地区以GIWs丰富（Zhu等人，2020）。这里属于湿润亚热带气候，年平均气温约为21°C，年降水量约为1330毫米。地形坡度平缓（0–1.6%），覆盖着更新世-更新世时期的阶地沉积物和Hawthorn组岩层，其中包含一层超过4米厚的黏土层，这层黏土层将一个浅层含水层（约2–3米）抬升至佛罗里达含水层之上（Sun等人，2000）；土壤...
GIW水位的时空变化
在时间尺度上，1950–2099年期间，所有气候情景下的GIW系统长期地下水位记录均显示出持续下降的趋势（图2a）。多情景集合分析进一步证实了这一趋势，显示年平均地下水位呈显著下降趋势，下降速率为-0.26厘米/年（p < 0.001）。值得注意的是，2000年后下降速率加快：1950–2000年期间的下降速率为-0.15厘米/年（R^2 = 0.67）...
讨论
我们的研究结果支持了先前的假设，即GIWs中的不同水文脆弱性模式是由气候强迫、地下水连通性和地理环境之间的相互作用共同决定的，这为本研究中提出的C-K-G框架提供了定量支持。所有地下水位指标均表示相对于地面的水位深度，负值表示地下水位较低。因此，“水位下降”意味着...
作者贡献声明
姜贵斌：监督工作及资源协调。卢大伟：写作、审稿与编辑、监督工作。黄玉明：可视化处理及软件开发。朱杰：初稿撰写及数据整理。朱长雄：正式分析。耿冰：数据整理。王家瑞：资源协调及数据整理。刘立元：调查工作。郑向群：资源协调。张晓：软件开发及数据整理。刘一飞：软件支持
未引用参考文献
Carpenter等人，2001；Davis等人，2024；Hoang等人，2025；Lee等人，2024；McLaughlin等人，2019；Warrier等人，2024；Zhang等人，2023。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42477527、22222610、22376202、22193051）、中央公共利益科学机构基础研究基金（项目编号BSRF202514）、中国科学院（项目编号XDB0750100、YSBR-086）以及国家重点研发计划（2023YFF0614200和2023YFC3708301）的支持。我们还要感谢美国农业部东部森林环境威胁评估中心的支持。
