季节性、风暴与土壤性质驱动退缩海岸森林的地下水与盐度动态

《Ecohydrology》：Seasonality, Storms and Soil Properties Drive Groundwater and Salinity Dynamics in Retreating Coastal Forests

　　

： 海平面上升正导致低坡度地区因地下水盐度升高和土壤饱和而出现高地生境向盐沼的快速转化。尽管这一现象广泛存在，但在这些过渡系统中塑造地下水水文与盐度的因素仍存疑问，尤其在美国东北部。研究人员在三个坡度不同、且过去100年间森林退缩速率约为1 m yr?1的东北部森林中，考察了地下水位高程和电导率（作为盐度的替代指标）。结果表明，地下水位受季节、风暴、降水和土壤特性影响。所有位点休眠季地下水位均显著高于生长季。各站点沼泽-森林交错带处地下水位相对于平均高潮位（MHW）的高程大致相等，这有两方面关键含义：第一，地形较陡的森林具有更深的地下水位；第二，由于整体水力梯度较低，即使坡度较陡的站点仍易受海水入侵影响。盐度动态偶由风暴潮和水力梯度驱动，但这些效应的量级和方向在不同事件间并不一致。最后，土壤饱和导水率（Ksat）较高的站点表现出更大的地下水位埋深和更强的潮汐平流作用。这一模式表明，松林沙地生态区（Pine Barrens Ecoregion）特有的排水良好土壤可能促进高效排水，但同时加剧了对海水入侵的敏感性。这些发现强调，在预测海平面上升背景下沼泽迁移速率和海岸森林恢复力时，必须考虑局地水文与土壤条件。

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一、研究背景与科学问题

全球气候变暖背景下，海平面上升速率加快，风暴和干旱事件的频率与强度也在增加，正在深刻重塑植被化的海岸景观。海洋侵蚀的推进正在导致美国东部地区的高地森林、淡水湿地、农田和草坪逐步转化为盐沼，这一过程被称为沼泽迁移（marsh migration）。沼泽迁移对于盐沼在海平面上升条件下的存续至关重要。然而，尽管自冰期后海平面上升以来，陆地生态系统退缩并被盐沼替代的现象已持续了数千年，但塑造海侵速率的具体机制至今尚未被充分理解。

现有研究表明，沼泽迁移由两个相互关联的因素驱动，即淹水和盐度，二者共同构成植物的胁迫梯度。持续的根系淹水会降低土壤中的氧含量，而盐化则降低细胞渗透势，干扰植物对养分和水分的吸收，最终导致高地植物死亡，从而为盐生植物向坡上迁移腾出空间。潮汐淹水在高程较高的区域频率降低，因此高程及其一阶导数——坡度，被认为是理解植物分带和沼泽迁移速率的关键因素。然而，已有研究显示坡度与迁移速率之间的关系虽然显著但较为微弱，这可能是因为地下水文状况和盐度的变异性干扰了这种关系。

地下水状况和盐度受降水、蒸散发和潮汐淹水等气象驱动因素控制。风暴潮期间，潮汐淹水可到达沼泽-森林交错带内部，造成盐度的突然脉冲，对树木造成冲击，引发森林退缩。降水也被认为影响地下水位高程，但对盐度的影响似乎是暂时的。蒸散发在盐沼中已被证明会导致白天地下水位下降，但在过渡森林中的研究较少。此外，在微咸水环境中，地下水流动受水体密度差异和水力梯度驱动，根据达西定律，其流量与饱和导水率和水力梯度的乘积成正比，因此这两个因素成为控制地下水状况和盐度的关键。

尽管已有大量关于沼泽迁移速率驱动因素的研究，但对地下水文复杂驱动因素的理解仍是一个新兴且活跃的研究领域，特别是影响地下水位埋深和盐度的因素。此外，大多数沼泽-森林交错带地下水水文研究来自切萨皮克湾地区，该地区与美国东北部（包括覆盖新泽西州、纽约州和马萨诸塞州南部的、以干旱沙质土壤为主的亚特兰大海岸松林沙地生态区）存在差异。因此，本研究旨在调查大西洋海岸松林沙地生态区内三个站点、跨植被带的地下水动态和盐度，检验已知植物胁迫因子与潜在驱动因素（如侧向水力梯度、降水和风暴潮）之间的关系。

二、研究设计与方法概述

研究人员在美国东北部大西洋海岸松林沙地生态区内选择了三个森林退缩速率约为1 m yr^?1的站点开展研究：新泽西州蛋港（Egg Harbor, NJ）、纽约州松颈（Pine Neck, NY）和马萨诸塞州瓦奎特湾（Waquoit Bay, MA）。这三个站点在坡度、沼泽迁移速率、潮差和交错带物种组成上存在区域差异，但共享松林沙地生态区排水快速的沙质土壤特征。研究分为两个阶段：第一阶段（2020–2021年）沿每个站点两条横断面各安装五口地下水井，穿越盐沼-森林边界，使用HOBO U20压力传感器监测地下水位，重点考察极端高值和低值时期以识别水位和土壤淹水的关键驱动因素；第二阶段（2023–2024年）使用HOBO U20水位记录仪和Meter Hydros 21水位/电导率计监测地下水比电导率（SPC）作为盐度指标。土壤特征方面，研究人员通过钻取1.5 m深土壤柱评估地层结构，使用烧失量法（LOI）测定有机质含量，使用激光粒度仪测定颗粒粒径分布，并使用台式K_sat仪器通过变水头法测定饱和导水率。数据分析采用方差分析（ANOVA）评估季节性效应，使用简单线性回归考察环境因素与地下水位埋深及SPC的关系，并通过自相关校正调整有效样本量和自由度。

三、研究结果

3.1 土壤特征

三个站点的土壤剖面相似，均由有机质层过渡到有机质与细粒沉积物混合物，再下覆含砾石的砂层。沼泽中的有机层由厚泥炭组成，从沼泽向交错带方向厚度逐渐减小；森林中的有机层主要由腐叶和枯枝构成。各站点有机质含量相近，泥炭层约为57%–61%，砂层约为1%。台式仪器测定的饱和导水率（K_sat）变异性较大，但总体以松颈站最高（均值475 cm day^?1），其次为蛋港站（249 cm day^?1）和瓦奎特湾站（166 cm day^?1）。

3.2 地下水位高程和SPC的季节变化

在控制两个研究时段间的年际变异性后，所有站点上层井的地下水位高程在休眠季均显著高于生长季。瓦奎特湾（F_1,5 = 15.22, p < 0.01）、松颈（F_1,25 = 7.18, p < 0.05）和蛋港（F_1,22 = 26.356, p < 0.001）均呈现此模式。瓦奎特湾和蛋港站的月均水力梯度在休眠季似乎更高。休眠季地下水位较高可能归因于蒸散发减弱以及秋冬季节风暴潮对森林淹水频率的增加。

3.3 地下水位高程的环境控制因素（2020–2021年）

由于样本量较小（n = 6），结果需谨慎解读，但研究发现井横断面坡度与森林地下水位埋深之间存在正相关关系（r² = 0.772, p < 0.05），地表高程相对于平均高潮位（MHW）与地下水位埋深之间也存在正相关关系（r² = 0.939, p < 0.001）。这表明较陡的坡度和较高的相对高程均对应更深的地下水位。

3.4 地下水位高程的气象驱动因素

高降水事件在所有站点均引起地下水位短期上升，但响应幅度和恢复时间因植被带而异。在沼泽带，水位响应通常温和且短暂，瓦奎特湾和松颈站在数小时内即恢复至事件前水平；蛋港站在最大降水事件（日降水10.1 cm）后水位恢复需数周，但水位上升幅度不足5 cm。相比之下，森林带表现出更大且更持久的水位响应。瓦奎特湾约8 cm降水配合高潮位使森林地下水位上升约30 cm；蛋港站约7.5 cm降水使森林水位上升约20 cm，约11天后恢复至降雨前水平。风暴潮同样引起地下水位上升，沼泽带快速恢复，森林带影响更持久。2021年2月初的东北风暴（Nor'easter）是三个站点2020–2021年期间的最高水位事件。瓦奎特湾和松颈站风暴潮未淹没森林地表，但仍使地下水位上升40–50 cm；蛋港站风暴潮则以约30 cm水深淹没了森林地表。水位恢复时间因站点而异：瓦奎特湾超过2周，松颈4天，蛋港3天。

3.5 水力梯度与坡度（2020–2021年）

三个站点地下水位的平均坡度（即水力梯度）均低于地表坡度。这种不匹配导致坡度较陡站点森林中的地下水位埋深更大。沼泽带的地下水位埋深也因站点而异：瓦奎特湾和蛋港站地下水位位于沼泽地表处，松颈站则约低于地表20 cm。在生长季某些时段或其后不久，水力梯度发生逆转，即沼泽中水位高于森林中水位，这一现象在瓦奎特湾最为明显，9月底持续一周沼泽水位比森林高约10 cm。

3.6 风暴潮对SPC的影响

2023–2024年期间，风暴事件对所有站点的SPC均有显著影响，但响应幅度各异。2023年12月的一场风暴使瓦奎特湾SPC上升约30 mS/cm；2024年4月的另一场风暴潮将水位抬升至地表以上，但未影响SPC。松颈站在2023年12月至2024年1月期间有三次风暴潮淹没了森林地表，导致SPC快速上升约30 mS/cm。蛋港站SPC变化较小，仅2023年9月一次风暴事件使SPC上升约13 mS/cm，尽管该站森林地表全年另有27次淹水事件，但均未显著影响SPC。

3.7 地下水位高程和水力梯度对SPC的影响

SPC与侧向水力梯度之间的关系在站点间和时间上均不一致。瓦奎特湾2023年8月森林SPC接近40 mS/cm时，水流方向为从沼泽流向森林（水力梯度强烈为负）；但其他时期SPC升高时水力梯度却为正。蛋港站夏季水力梯度强烈为负，但反向地下水流动并未影响SPC。相关分析显示瓦奎特湾和蛋港站的SPC与地下水位高程或水力梯度之间无明确关系。然而，松颈站周均水力梯度与周均SPC之间存在负相关关系（r² = 0.748, p < 0.01，经自相关校正），但该关系主要由2023–2024年冬季的多次强风暴潮驱动，难以区分地下水流动和地表淹水的各自效应。

四、讨论与结论总结

讨论部分指出，地下水位高程的季节性变化（休眠季高于生长季）可能有助于海岸森林在海平面上升背景下存续，因为水位最高时正值树木休眠期，可限制土壤缺氧胁迫，同时饱和土壤可限制风暴淹水期间盐水的入渗，较高的森林水位在冬季形成更高的水力梯度，可能加速淹水事件后地下水流动和盐度恢复。

环境因素方面，坡度和相对高程控制地下水埋深，但平均地下水位坡度并未反映地表坡度，表明仅凭地形不能决定地下水流动方向。负水力梯度（沼泽向森林流动）可在较陡坡度区域出现，已被识别为海水入侵的关键驱动因素。各站点地下水位高程相对于MHW相似（约高于MHW 10–15 cm），松颈站更清晰的潮汐信号和更大的地下水位埋深可能归因于其更高的饱和导水率。

气象因素方面，风暴潮对地下水位高程和SPC具有显著但不一致的效应，可能取决于前期条件和事件时机。蛋港站2023年9月风暴淹水导致SPC上升且约6个月未恢复至风暴前水平，而后续淹水潮汐未影响SPC，可能原因包括淹水盐度差异、风暴前地下水盐度以及风暴前地下水位埋深和土壤含水量。降水对地下水位的影响因植被带而异，森林带响应最强，沼泽带最弱。

SPC与水力梯度的关系仅在特定条件下成立。松颈站（饱和导水率最高）的SPC与水力梯度显著相关，但主要由冬季强风暴潮驱动。研究结果与Pratt等人（2025）的结论不同——后者认为水力梯度比风暴潮更能驱动海水入侵，而本研究表明风暴潮似乎是松林沙地生态区盐渍化的主要驱动因素。

研究结论总结：本研究表明高程/坡度和排水条件是影响美国东北部盐沼-森林交错带地下水状况的重要因素。虽然严重干旱期间的逆向水力梯度可能促成海水入侵，但风暴潮似乎是亚特兰大海岸松林沙地生态区盐渍化的主要驱动因素。森林地表的潮汐淹水可大幅提高地下水盐度，但效应大小在不同事件间不一致。未来研究可同步采集地表水和地下水电导率以考察淹水盐度对风暴潮海水入侵效应的调节作用，在更多不同坡度站点监测地下水位以更严格评估时间和环境因素的相对重要性，并在更多站点和更长时间尺度上检验前期条件决定气象和水动力驱动因素影响程度的假说。