综述：迈向沿海湿地科学中“潮汐影响”的精确定义

《Wetlands》：Towards a Refined Definition of “tidal Influence” for the Coastal Wetland Sciences

　　

天文潮（astronomical tide）涉及月球（以及较小程度上太阳）对水体涨落的影响，是许多海岸过程的关键控制因素。然而，潮汐在海岸边缘的表现方式多种多样，使其应用超越了艾萨克·牛顿爵士的最初描述。在此，研究人员论证了“潮汐”（tide），或更具体地说“tidal”一词，尚未在沿海湿地科学中被充分定义，以促进针对快速变化海岸线和未来气候适应规划的当代跨学科区分。研究人员提供了潮汐概念的简要历史，并描述了多种未获普遍认知的边缘海岸环境中的潮汐。常见的天文潮表现通过水文示例加以描述，随后扩展到那些额外受河流（fluvial）、气象（meteorological，风）或地下水（groundwater）影响的潮汐环境。研究人员扩展后的“tidal”定义旨在成为一种前瞻性概念，因为环境将不可避免地随海平面上升（sea-level rise）、水提取（water extraction）和人为流量改变（anthropogenic flow alteration）而变化。研究人员所拓宽的湿地潮汐影响定义包括：“受海岸限制环境内天文水位波动影响的湿地，这些波动引起频繁或非频繁的地表淹没或地下水潮汐变化，从而影响土壤的生物地球化学（如离子交换容量、氧状态、矿化过程）”。天文水位波动常被非天文事件（如风）放大或减弱。科学界扩展对潮汐的认定范围，对于加深对沿海湿地功能及其为人类和社会提供的一系列生态系统服务（包括气候减缓机遇、管理和适应）的理解至关重要。

引言（Introduction）
潮汐和水位波动在塑造沿海湿地的生物、化学和物理特征方面起着关键作用。潮汐模式分为半日潮、全日潮或混合潮，受地理因素影响。涨潮时，大多数潮间带土壤表面被淹没，但深度和持续时间因潮差及潮间带高程位置而异。落潮时，潮间带土壤表面不再被水淹没，但潮差、潮间带位置、涨落潮不对称性、沟床摩擦、植被表面、地形测量及微地形等仍具重要控制作用。潮汐影响的范围通常界定了河口生态学及更近期的“蓝碳”（blue carbon）科学的领域。潮汐系统的边界对界定至关重要，尤其随着海平面上升而向内陆迁移时；然而，一个沿海湿地或内陆系统（如劳伦森湖）被视为“潮汐”所需具备的特征仍缺乏明确界定。事实上，对于湿地必须具备何种水文特征才能被视为潮汐湿地，目前并无清晰定义。鉴于潮汐影响具有政策效应，这种界定缺失给有效海岸管理带来挑战，尤其因为潮汐湿地的水文特征受到土地利用变化、开发和海平面上升的影响。此外，边界扩展需要更新，而边界收缩可能受益于遗留保护。城市化、工业发展和湿地转为农业用途导致栖息地丧失和自然潮汐模式破坏。近期，极端天气通过急性胁迫事件主导了潮汐湿地损失。水坝、堤防和其他基础设施可放大、阻挡或限制潮汐水流，造成慢性胁迫事件。潮汐限制不仅损害潮汐湿地的功能和价值，也模糊了我们对潮汐特征如何影响那些潮汐运动不经常被观察到的地方的完整理解。在本综述中，研究人员通过一系列示例挑战沿海湿地科学界，以考虑将更广泛的湿地视为“潮汐”，从而识别可能导致更大碳储存、生态差异和政策讨论的生物地球化学变化。

潮汐在湿地中的应用简史（A Brief History of Tide As Applied to Wetlands）
潮汐已被多个文明观察并融入语言和文化实践，包括从巴西南部到澳大利亚北部的原住民社区。至古希腊和罗马时期，“tide”一词已被西方社会使用，但通常不仅指海水的涨落，还常与时间、季节或自然周期以及天气模式变化相关。当时科学家对现代潮汐理论背后的引力相互作用或潮汐如何传入湿地尚无认识，尽管原住民社区似乎已有所知。公元1世纪，老普林尼注意到潮汐与月球的联系。16至17世纪，开普勒和伽利略推动的科学探究兴起，产生了更复杂的潮汐理论。牛顿的万有引力定律表明海洋受月球以及较小程度太阳的引力，形成地球上近月和远月两侧的水体隆起，称为“潮汐平衡理论”（Equilibrium Theory of Tides），但该理论未考虑大陆地块等影响。汤姆森首次描述了“固体潮”（earth tides）。拉普拉斯建立了“潮汐动力理论”（Dynamic Theory of Tides），将潮汐隆起描述为浅水波，波长相对于海洋深度较长。由于潮汐作为长波传播，与陆地相互作用时发生反射，且受地球自转（科里奥利效应）影响，潮汐在不同海岸区域表现出的剧烈程度或延伸范围各异。潮汐的内陆延伸：湿地潮汐越向内陆延伸，描述越困难，因为潮汐水位波动信号可能频率更低、振幅更小，或被其他水文过程（如河流流量）、工程设施（如堤道）、河口几何形态、地貌和底摩擦干扰。Brinson等人最早描述并量化了潮汐到达其河流极限的情况，他们描述了美国北卡罗来纳州帕姆利科河一条支流潮汐的衰减，伴随盐度向内陆淡水森林湿地降低。水文测量频率用月平均、最高和最低水位表示，展示了潮汐在其范围边缘产生的脉冲特征。类似的潮汐水文图分析在佐治亚州和南卡罗来纳州的潮汐森林中揭示了季节性低降雨期与盐度集中和养分循环转变的对应关系。Rheinhardt扩展了水文分析到地下潮汐特征，表明即使特定潮汐事件期间不存在地表淹没，地下潮汐也在垂直方向影响湿地水位，饱和根区而不产生地表淹没。Levanon等人描述海潮对沿海地下水的影响为两个不同过程：一是相对于海床边界的潮汐波动，造成湿地内潮汐特征；二是通过非饱和流（毛细效应）进入潮汐湿地底层土层的潮汐衰减。非饱和边界中的流动比开放水域慢，影响水头传播和水位深度。地下水潮汐与地表水潮汐之间的时间滞后是正常的，导致地表淹没与河口内或近海潮汐计之间产生差异。这种脱节随距开放水域距离增加而加剧，使得潮汐影响更加难以预测。

湿地潮汐的重要性（Importance of Wetland Tides）
潮汐的存在被纳入“蓝碳”湿地的定义中，但其他特征也用于评估其作为可管理潮汐系统的价值。潮汐湿地的重要特征之一是它们承受海平面上升，这提供了逐渐增加的容纳空间，促进地下根系生长和沉积物滞留，从而刺激土壤碳埋藏。当湿地变成潮汐湿地时，有机质生产的驱动因素发生变化，陆地有机质可能被原位产生的有机质（如根系生长）取代。潮汐湿地也是生产力极高的生态系统，常超过邻近生态系统的初级生产力，潮汐入侵引起的周期性土壤厌氧状态减少了原位有机质分解，从而减少对生产力的抵消。土壤碳被埋藏，并发生原位响应的过程。潮汐作用开始的地方，土壤生物地球化学和碳保存成为物理性质（如频繁的沉积物输运和输送、絮凝—絮凝解体、波浪）、变化的化学条件（如O₂、SO₄^2-和CO₂之间的还原转变）和微生物过程（如好氧菌到兼性厌氧菌再到专性厌氧菌）的平衡。水流变为垂直和水平方向，分别接触不同水平的养分和电导率。当盐度成为该平衡的一部分时，有机质分解可能快速矿化，潮汐湿地通过改变大型植物物种组成向更高盐度耐受性转变，以维持高生产力并重新建立物质封存。这些变化由潮汐促成。

沿海湿地中普遍认知的潮汐（Commonly Recognized Tides in Coastal Wetlands）
许多潮汐湿地具有独特的水文特征，与开放水域（并由附近潮汐计测量）在每日高低潮时间上紧密关联，并受河口自然地理影响。第一种常见模式代表下游河道或小型排水区域的潮汐，潮汐沿潮间带梯度传递，影响湿地淹没高度和持续时间。盐沼和红树林通常具有这种潮汐特征。强风潮（或气象潮）在低潮差环境中季节性影响天文潮，但许多系统仍以天文潮为主导。第二种常见模式代表盆地条件，淹没由较高的大潮（或大降雨事件）决定，导致持续地表淹没直到小潮允许排水。盆地特征在于水被滞留一段时间，与天文潮不同步，形成短暂的天然蓄水区，称为河口蓄水，通过物理坡度变化或蒸散发（evapotranspiration, ET）延迟排水。第三种常见模式代表天文潮影响被风（即由局地和远程气象过程产生的短波和长波）季节性复合或掩盖的条件。这些潮汐可能非常隐蔽，但出人意料地常见，在美国常位于受人类干预严重的低潮差环境中。例如路易斯安那州，离岸强风推高基面水位，使天文潮波动围绕观测水位显现；陆源风吹向海方向则产生低水位，地下潮汐可见但有时与ET或壤中流衰退难以区分。这些例子建立了从强潮汐强迫到潮汐影响刚刚触及湿地边界（称为“潮水头”，head-of-tide）的连续体。潮汐定义通常指“受潮汐影响的水的内陆或上游极限”，实际应用中潮汐数据在平均潮差小于0.061米处停止计算。但研究人员认为，河内潮汐计所测并不总是反映附近湿地实际发生的情况。

沿海湿地中未被普遍认知的潮汐（Uncommonly Recognized Tides in Coastal Wetlands）
由于可观察的每日一次或两次潮汐淹没期并不总能界定潮汐边界，研究人员将定义扩展至至少八种额外的湿地水文条件，包括潮上带、低梯度河流驱动、高梯度河流驱动、湖震依赖、漂浮、间歇性河口、残留和地下河口（anchialine）潮汐湿地。

潮上带湿地（Supratidal Wetlands）
潮上带定义为位于平均大潮高潮面以上的河口部分，包括最高天文潮以上受气象条件、河流效应、风暴潮和/或地下水相互作用影响的区域。潮上带湿地常被定义为“偶尔被异常潮或分点大潮淹没”的森林。地下水波动在一年中相当长时期追踪潮汐涨落，但可能受含水层扩散系数和潮汐效率限制。降雨脉冲使水位升高至潮上带湿地根区以内或以下，暂时使水位波动与天文潮脱钩；潮汐退去后重新耦合。大降雨事件可将潮汐脉冲抬高至地表以上造成淹没，但淹没通常较浅（<0.5米），短暂存在。随着海平面上升，一些潮上带湿地正在向更传统的潮汐湿地转化，水文模式开始追踪内陆河口潮汐。总体而言，平均水位深度接近土壤表面，至少季节性引起氧缺乏。

河流驱动的潮汐湿地（Fluvially Driven Tidal Wetlands）
河流效应在低梯度沿海流域（如美国东南沿海平原和墨西哥湾沿岸）与高梯度沿海流域（如美国太平洋西北部河口）表现不同。低梯度区域，河流效应主要出现在淡水潮汐带及其邻近区域；高梯度区域，河流效应在中上游河口强烈，淹没优势种为潮汐森林湿地，可能为半咸水或淡水。这些湿地在季节上受高、低河流水位影响，上游水坝和蓄水对其水文影响很大。河流和潮汐力的相互作用影响范围比以往认为的更广，更多潮汐森林湿地（淡水和半咸水）和淡水潮汐沼泽被记录在中上游河口和广阔潮水头带附近。

低梯度河流驱动潮汐森林（Low-Gradient Fluvially Driven Tidal Forests）
在低梯度沿海平原，潮汐森林在一年中大部分时间水位波动处于河流影响的极端端（潮水头），水位位于土壤表面或略低于表面。由于高程梯度低，潮水头湿地与下游潮汐湿地同步性较好，但峰值潮时受河流水位影响更大。高水位时，潮汐叠加在长期淹水期上，潮汐振幅仅几厘米，现场难以察觉。双向流动的地表水是这些洪泛区为潮汐性的最明显特征，但河流内潮汐水位波动出现在流向逆转上游很远。低水位事件期间，地下水波动占主导，但仍通过低潮时的壤中流排水和涨潮时的垂直水位上升与潮汐耦合。研究分类这些潮水头区域为潮汐森林，尽管其处于潮汐的陆向极限，但与下游常见潮汐的耦合多在地下进行。

高梯度河流驱动潮汐森林（High-Gradient Fluvially Driven Tidal Forests）
在美国太平洋西北部，河流性河口占主导（110个河口中80个，占河口面积94%）。在中上游河段，半咸水和淡水潮汐森林湿地受河流流量强烈影响。由于沿海流域陡峭，溺谷河口在中上游狭窄河谷产生更高的河流水位。一项对俄勒冈州内哈勒姆河河口的研究显示，锡特卡云杉（Picea sitchensis）潮汐森林湿地（位于河口径流21.7公里处）的平均高程高于平均较高高潮面（MHHW）约17厘米，非潮汐成分（主要是河流）通常使水位比仅根据潮汐计预测的高30-50厘米，大洪水事件时高出2米以上。模型显示，中位河流流量（50百分位）使冬季淹水频率增加约25%，春季和秋季增加300-500%。即使在夏季干燥月份，河流贡献也使淹水次数增加一倍或两倍。另一个显著特征是“大潮重置”（spring tide reset）：小潮期间地下水位降至湿地表面以下，大潮淹没时重置至表面。

湖震相关湿地（Seiche-Associated Wetlands）
湖震（seiche）是封闭盆地或局部隔离水体中的长周期驻波。在劳伦森五大湖沿岸，月球潮差极小（小于5厘米），但湖泊水位日波动受湖震驱动周期（包括风应力24小时周期和引力潮加风应力12小时周期）影响强烈。湖震期间，水位在盆地两端摆动。以伊利湖为例，强西风将水推至湖对岸，导致湿地区域水位下降超过一米，掩盖了较小的湿地水位波动。当风向改变并减弱时，较小尺度水位循环重新出现。这些湖震相关湿地的水位变化和生态过程主要由气象力驱动。

漂浮沼泽（Floating Marshes）
路易斯安那州有超过10万公顷的漂浮沼泽，其中许多可能在某些时期受潮汐影响。漂浮沼泽的水文通常按季节运动类型描述，其活性根区深度20-30厘米，下伏分解泥炭约50厘米，底层为水。潮汐对厚垫植被垫在日尺度上影响有限，但小潮或持续风可降低垫层高程20厘米以上。潮汐脉冲有时使水位超过草垫表面。当在较宽时间范围展示时，潮汐影响变得不明显，但草垫和水位在阈值高度以下相互追踪，超过该高度则脱钩并淹没。潮汐明显影响水位基准，尽管其对功能的精确作用不明确。

间歇性河口湿地（Intermittent Estuarine Wetlands）
一些河口因沙坝或泥滩季节性封闭，仅在开放阶段受潮汐影响。在南非，开放阶段潮汐引入盐水和水位波动，支持潮间带盐沼和盐生海草（Zostera capensis）建立；关闭阶段，喜稳定水位和半咸水条件的沉水植物（如Ruppia cirrhosa）建立。降雨驱动关闭阶段的水位波动。开放阶段（持续约3个月）对生物多样性和生态系统功能至关重要，为海洋鱼类和无脊椎动物提供育苗栖息地，并为碳储存提供重要场所。间歇性河口占微潮（潮差小于2米）河口的15%以上，通常出现在波控海岸，具有小潮棱、高沉积物供应和变化河流流入。口门关闭可因淡水提取和潮汐丧失导致部分小型河口完全转变。

残留潮汐湿地（Relict Tidal Wetlands）
残留潮汐湿地的潮汐波动通常被人工堤防（如疏浚运河的弃土堤）阻碍。水位波动表现出减弱和/或时间滞后的潮汐信号，原因包括渗漏堤坝和潮门、淡水流出在潮门后的蓄积，或二者兼有，也可能以降雨事件和蒸散发（ET）为主。隔离期有时被季节性高水位连接，高水位可越堤或沿天然/疏浚水道更强地输送潮汐水。在极高潮（俗称“王潮”，king tides）期间，湿地重新与潮汐连接，潮汐信号再次明显。王潮和ET形成水文特征，降雨事件可能被潮汐部分掩盖。在低起伏地区，水位高低与沿岸同步，由水位下降（ET、排水）和上升（湾风、风暴潮、王潮）共同控制。

地下河口湿地（Anchialine Wetlands）
地下河口（anchialine）池塘是与海洋无地表连接的半咸水水体，由来自高地的淡水地下水和来自海洋的盐水地下水补给，通过火山或喀斯特海岸环境中高渗透性的地下路径流动。地下河口边缘湿地是一种罕见的半咸水潮汐湿地类型。其地下水波动的频率和幅度与潮汐以及当地天气（如大风暴、干旱）和地下水抽取相关。以夏威夷Kaloko-Honokōhau国家历史公园的一个池塘为例，其水位每日随潮汐波动，但振幅衰减，且相对开放水域潮汐计延迟约1小时。滞后和衰减随时间及距海岸距离增加而增大，并受当地地下水抽取、大风暴补给和潮汐成分影响。

全球变化对潮汐动态的影响（Global Change Effects On Tidal Regimes）
海岸系统受全球变化和人类改造影响，两者单独或共同改变潮汐动态和景观相互作用。自19世纪末以来，多条河流和海湾的上游潮差已增加一倍以上，而其他河口系统则出现潮差减小。潮汐动态已经并将继续响应海岸带变化。例如，预计到2100年，美国墨西哥湾北部的河口潮振幅将增加多达67%，最大涨落流速降低26-39%。海平面上升减少底部摩擦，促进潮波更有效传播，使潮水头更向上游迁移；同时也可通过增加容纳空间刺激潮间带垂直沉积物堆积，从而减少潮汐淹没深度和范围。海平面上升还可能通过回水效应增强河口和潮汐河流上游的沉积，但降低输运能力，导致洪泛区地表-地下水-潮汐相互作用的不可预测横向变化。除海平面上升外，潮汐动态还受河口分层、河流流量和风暴模式影响。五大湖的风驱动潮汐动态可能因气候和天气模式变化导致的极端事件频率和强度增加而改变。人类改造（疏浚、海岸加固等）也改变海岸景观中的潮汐。预测生态系统受气候相关潮汐变化影响的程度具有挑战性，因为海岸带内水文、生物地球化学和地貌之间存在复杂联系。大多数研究无法完全解释调节潮汐动态的复杂生态、生物地球化学和地貌反馈与转变。

潮汐湿地的定义（Definition of Tidal Wetland）
暴露于未被普遍认知潮汐的湿地常面临开发压力，但其通过提供基本生态系统服务对社会的价值可能超过替代性土地利用。这些湿地的范围极难绘制，且常因潮汐频率低以及非潮汐与潮汐之间植被变化微妙而难以识别。基于本综述，研究人员提出一个包含常见和不常见潮汐的潮汐湿地精炼定义：“湿地受海岸限制环境内天文水位波动影响，引起频繁或非频繁的地表淹没或地下水潮汐变化，从而影响土壤生物地球化学（如离子交换容量、氧状态、矿化过程）”。湿地分类协议通常依赖视觉特征（如湿地植物、土壤氧化还原形态特征），但对于许多未获普遍认知的潮汐情况，需要长期评估，包括高频水位测量、重复土壤采样、建模和/或逐步植被变化监测，而非单次调查。当新定义的潮汐湿地中出现潮汐水位波动时，这些波动的幅度可能大于生长季ET波动。该新定义的目的是促进对天文潮和地下水潮汐波动与生物地球化学过程之间复杂非线性相互作用的理解，以更好地预测沿海湿地演化，特别是在加速变化和海平面上升的未来。

结论（Conclusions）
潮汐是决定海岸生态系统建立、发展、空间组织和长期稳定性的基本概念。长期研究已在世界各地的潮汐沼泽和红树林等特定生态系统中调查了潮汐-生态联系，表明潮汐的存在影响沿海湿地的生物地球化学特征，无论其环境背景如何。然而，这些调查可扩展到更广泛的系统，特别是那些处于物理潮汐影响极限以及强烈受潮汐和非潮汐水文力相互作用的系统。转向更扩大的生态潮汐定义，而非以往主要强调天文潮定期淹没的定义，可以释放更广泛海岸生态系统对当代湿地生态功能、转变和服务讨论的贡献潜力，特别是与气候变化减缓和自然气候解决方案相关的方面。