自然洪水管理后及为期五年的海狸重新引入试验的全系统生态水文变化

《Ecohydrology》：Whole System Ecohydrological Change Following Natural Flood Management and a Five-Year Beaver Reintroduction Trial

　　

曾经常见的海狸已经从不列颠景观中消失了几个世纪，但近年来野生海狸种群作为重新引入计划的一部分已回归，包括释放到受监测的围栏中。在北约克郡，2019年进行了欧亚海狸（Castor fiber）的释放。研究人员结合传统方法（如物种调查、重复定点摄影）和前沿技术（如移动光探测与测距[LiDAR]和环境DNA[eDNA]采样）的跨学科监测与建模，报告了这些海狸在5年期间对水文、地貌和生态的影响，包括它们与现有自然洪水管理（NFM）基础设施的相互作用。海狸建造了六座水坝，之后水文响应变得更平缓，峰值流量低于海狸前时期。与上游测站相比，中值峰值流量减少了46.6%，基流（Q₉₅）增加了417%，浊度中值降低了31%，其他水质指标总体改善。海狸最初并未将现有的溪流内基础设施纳入其水坝，这些设施退化并损失了超过一半的蓄水能力；然而，海狸水坝提供的额外容量缓解了这种减少，并且近期有迹象表明海狸正在恢复这些退化人造水坝的功能并延长其活跃寿命。水生植物多样性增加，脊椎动物物种丰富度高于邻近溪流；小型哺乳动物、两栖动物、蜻蜓和豆娘的监测均观察到增加。蝙蝠种群在恰好与海狸活动相应的时间和地点增加。研究人员新颖的跨学科监测方法清楚地证明了海狸对当地水文、地貌和生态产生的深远且相互关联的影响。

**论文解读：《自然洪水管理后及为期五年的海狸重新引入试验的全系统生态水文变化》**

**研究背景与问题**
海狸（Castor fiber）作为关键生态系统工程师，通过筑坝等活动显著改变水文、地貌与生态过程，曾广泛分布于欧洲，但16世纪因过度捕猎在英国灭绝。近年来，海狸重新引入项目在欧洲多地展开，包括英国苏格兰、英格兰西南部等地的围栏试验。然而，在已实施自然洪水管理（NFM）措施（如大型木质水坝[LWD]和木材捆束）的景观中，海狸如何与这些人工设施相互作用、其对全系统生态水文的综合效应尚不明确。此外，现有NFM结构缺乏长期维护易退化，而海狸能否弥补这一不足并带来额外的生态水文效益，是政策制定者亟需回答的问题。为此，研究人员于2019年4月在英格兰北约克郡Cropton Forest的Sutherland Beck（位于River Seven流域上游）的一个10公顷林地围栏内释放了一对欧亚海狸，开展了为期5年的多学科监测，旨在评估海狸活动对水文、地貌、生态的联动影响，并探讨其作为基于自然的解决方案（NbS）的潜力。该研究发表于《Ecohydrology》。

**主要技术方法**
本研究采用跨学科监测与建模方法，主要包括：无人机（UAV）摄影测量（2019年起每年3次，获取水面面积变化）；地面激光扫描（TLS）与iPad LiDAR（监测水坝三维结构与高度变化，扫描误差<8 mm）；声纳测深（2024年，估算pond水深与蓄水体积）；HEC-RAS一维水力模型（模拟不同重现期洪水下的静态蓄水能力）；上下游水文站（配备Nivus流速仪、HOBO压力传感器）与水质多参数探头（InSitu Aqua Troll 600，每15分钟记录浊度、溶解氧[DO]、pH、电导率、温度）；环境DNA（eDNA）宏条形码（2022年采集围栏内及对照溪流Pickering Beck的20个水样，扩增线粒体12S rRNA基因片段，鉴定脊椎动物物种）；固定重复摄影、植被样带（102个1×1 m样方，DAFOR法）与专项物种监测（蝙蝠声学样线及固定点、蜻蜓与豆娘、小型哺乳动物Longworth活捕、相机陷阱等）。样本来源均位于Cropton Forest围栏内，对照区为邻近的Pickering Beck。

**研究结果**

**3.1 海狸种群与场地结构变化**
通过TLS与iPad LiDAR重复扫描及固定点摄影，海狸在围栏内建造了6座水坝（表1）。最初（2019年）主坝建于上游观赏性池塘处，2021年高度增至2.52 m，延伸至70 m，成为英格兰最大海狸水坝，使池塘水面上升0.74 m，面积增加70%（至4589 m²）。2024年2月主坝部分决口，水位回落至2019年水平，但海狸随后在下游新建了云杉坝、石心坝、中央坝、下游坝等（图4）。上游池塘被海狸挖渠排水，面积从1130 m²降至271 m²，形成水与沼泽的镶嵌生境。决口后水坝未被立即修复，但2025年观察到重建迹象。

**3.2 水文**
采用“前-后”（Phase One，104场降雨事件）与“对照-影响”（Phase Two，2022年12月-2024年2月，89场事件）两种分析。Phase One广义线性模型（GLM）显示，海狸存在时峰值流量平均降低5%（0.034 m³s^-1），即使对Q₅（超5%时间）极端事件仍降低2%。Phase Two显示，下游（受海狸影响）中值峰值流量较上游（对照）减少46.6%（从1.16到0.62 m³s^-1，p<0.01），基流Q₉₅增加417%（从0.035到0.181 m³s^-1）。流量历时曲线斜率（R2FDC）从1.05降至0.28，表明径流过程显著平缓。

**3.3 水文建模**
HEC-RAS稳态模型模拟了不同洪水重现期（1年一遇至100年一遇）下的蓄水容量。2014年安装的大型木材捆束因退化至2024年蓄水能力降低约50%，而海狸4座水坝提供了约2500 m³的静态蓄水容量，尽管低于原初捆束，但两者合计总容量超过原始设计值（图7a）。下游末端一处旧牛轭湖被重新连接，增加了侧向储水。

**3.4 水质**
下游测站与上游相比，浊度中值显著降低31%（冬季降低48%），溶解氧中值升高（10.2 mg/L vs 9.5 mg/L，效应量0.546），pH升高（7.45 vs 7.33，效应量0.336），电导率差异较小（175 vs 173 μS/cm，效应量0.126），温度降低（8.12 vs 8.32 °C）。冬季效应量更显著（DO效应量0.906，pH效应量0.771，电导率效应量0.592）。夏季则出现浊度与温度略微升高的反转趋势，可能与海狸活动扰动有关。

**3.5 植被与植物多样性**
102个固定样方中，湿地（沼泽/静水）样方从2019年的12个增至2023年的29个。水生植物物种数从15种增至20种，新增两种眼子菜（Potamogeton），浮萍（Lemna minor）从优势变为丰盛状态。2023年水高变化导致部分物种局部消失（如Sparganium erectum、Potentilla palustris）。

**3.6 eDNA分析与生态监测**
19份有效样本共获得707,349个序列读长，检测到46个脊椎动物分类单元（39种在Cropton，33种在Pickering）。Cropton物种丰富度均值18.2，略高于Pickering的16.5（无显著差异）。群落组成存在显著差异（PERMANOVA p<0.001）。鱼类方面，Cropton特有丁鱥（Tinca tinca）与鲤鱼（Cyprinus carpio），Pickering特有欧洲鳗鲡（Anguilla anguilla）等。哺乳动物中，海狸、獾（Meles meles）、水獭（Lutra lutra）仅见于Cropton，相机陷阱显示水獭记录量在2023年较2019年增加3倍，2024年再增近3倍。小型哺乳动物终期调查（2024年）捕获6种（新增侏儒鼩Sorex minutus、水鼩Neomys fodiens）。两栖动物中，欧亚蟾蜍（Bufo bufo）与普通蛙（Rana temporaria）遍及所有样本，掌欧螈（Lissotriton helveticus）在所有Cropton样本中检出。蜻蜓与豆娘从2018年4种增至2023年13种（8种确认繁殖），包括金环蜻蜓（Cordulegaster boltonii）。鸟类eDNA检测到19种，BTO调查记录49种，其中湿地鸟类（如灰鹡鸰、秧鸡）缓慢增加。

**3.7 蝙蝠调查**
围栏内20点样线蝙蝠活动量逐年稳定增加（图10d）。固定点记录器显示，上游点（靠近主水坝）蝙蝠活动量增加近10倍；下游点至2023年7-8月才出现剧增，与海狸活动移到下游的时间精确吻合；中段海狸活动微弱处仅有中等增加。物种以pipistrelle（Pipistrellus pipistrellus等）为主，Myotis属也有贡献。

**讨论与结论**
讨论指出，人工NFM结构在缺乏维护时显著退化（蓄水能力减半），而海狸水坝弥补了这一损失，但海狸最初未主动维护这些人工设施；直到试验末期，海狸才将一根退化捆束纳入其水坝，显示“建而不管”策略不可取。海狸水坝的决口与重建是自然演化周期的一部分，未加剧洪水风险。水文方面，蓄水增加与侧向连通性增强共同降低了洪峰；基流提升增强了干旱韧性。水质改善（浊度降低、DO升高）主要源于沉积物截留与生化缓冲，但夏季扰动导致部分指标反转。生态方面，海狸活动创造的水文异质性（lentic-lotic镶嵌）支持了更高物种多样性，特别是蝙蝠的即时响应（时间与地点精确匹配）提供了强烈证据。结论强调，跨学科监测揭示了海狸对水文、地貌、生态的深刻相互影响：海狸活动具有高度动态性与空间变异，但整体上持续降低洪峰、增加蓄水、改善水质、提升生物多样性。该发现对英国政府推动野生海狸重新引入及多效益NFM/NbS项目具有重要参考价值。研究结论翻译如下：“结果证明了海狸对当地水文、地貌和生态产生的深远影响。同时监测水文、地貌和生态得以追踪每一影响，并识别其相互作用。场地内的海狸活动表现出高度的动态性和空间变异性。虽然人工NFM结构在项目期间退化，但海狸水坝也多次决口，且下游新结构已建成后才发生决口。这种湿地演替周期是海狸工程的自然特征。尽管如此，从监测与建模均观察到海狸结构在减少下游洪峰和增加蓄水方面的一致影响。水生植物、昆虫、鱼类和哺乳动物的水质改善与生态多样性增加也得到证实。跨学科方法使得监测各组成部分间的协同效应得以识别。最明显的是，围栏某处的地貌变化与地表水扩张几乎立即引发了同一地点蝙蝠种群的响应。鉴于英国政府承诺将海狸重新引入野外，且对多效益NFM/NbS项目关注增加，从本密切监测试验围栏收集的关于海狸预期影响的新跨学科科学证据，对于指导将海狸重新引入如英格兰这样高强度管理且人为改变的景观尤为重要。”