《Wetlands》：Vegetation and Waterfowl Response to a Drawdown on a Semi-Permanent Emergent Wetland
编辑推荐：
半永久性挺水湿地（semi-permanent emergent wetlands）为密西西比冲积谷下游（Lower Mississippi Alluvial Valley）的水禽提供了迁徙停歇与越冬栖息地资源。湿地专性物种（wetland obligate
半永久性挺水湿地（semi-permanent emergent wetlands）为密西西比冲积谷下游（Lower Mississippi Alluvial Valley）的水禽提供了迁徙停歇与越冬栖息地资源。湿地专性物种（wetland obligate species）的单优群落（如美洲莲［Nelumbo lutea］、巨型切草［Zizaniopsis miliacea］）若缺乏周期性干扰（如管理性排水调控［managed drawdowns］）以重置湿地演替周期，则会降低半永久性挺水湿地中越冬水禽的栖息地质量。研究人员记录了大湖国家野生动物保护区（Big Lake National Wildlife Refuge）的一次排水调控事件，该保护区位于阿肯色州东北部，在迁徙与越冬期为超过20万只水禽提供栖息地。研究人员开发了深度学习（deep learning）模型，以估算排水前后（2021–2023年6–11月）6类植被群落类型的月度与年度变化。航空调查（aerial survey）与eBird数据被用于构建年度迁徙曲线以估算水禽使用日数（waterfowl use days），同时开展植被调查以估算能量承载力（energetic carrying capacity）。非持久性挺水植被（non-persistent emergent vegetation，即湿土植被［moist-soil vegetation］）自2021年秋季（排水前）至2022年秋季（排水后）增加了310%。除非持久性挺水植被取代开阔水面外，2022年或2023年秋季的植被群落相较于排水前变化甚微。排水后当年秋季的能量承载力增加了一倍以上，但排水后次年秋季与排水前年份基本持平。重要的是，能量承载力仍未达到保护区设定的目标。为实现水禽能量与使用目标，大湖国家野生动物保护区需加强主动管理，通过周期性排水调控促进非持久性挺水植被生长。
一、研究背景与问题
半永久性挺水湿地（semi-permanent emergent wetlands）在一年中大部分时间维持地表水，为多种野生动植物提供栖息支持。在密西西比冲积谷下游（Lower Mississippi Alluvial Valley），这类湿地为迁徙和越冬水禽提供关键的停歇与栖息资源。然而，在缺乏周期性干扰的情况下，湿地专性物种（wetland obligate species）如美洲莲（Nelumbo lutea）和巨型切草（Zizaniopsis miliacea）易形成单优群落，降低湿地作为水禽栖息地的质量。湿地管理通常分为被动管理（passive management，依赖自然水文过程）与主动管理（active management，通过人工排水等手段促进早期演替植被）。被动管理下的半永久性挺水湿地往往趋向于单一化的多年生挺水植被，不利于水禽取食资源的多样性。已有研究表明，主动管理的湿地较被动管理湿地能为水禽提供更多能量，且经历完全或部分排水调控的湿地中湿土植被（moist-soil vegetation）覆盖度和种子密度更高。然而，关于大型复杂湿地复合体中排水调控对植被群落和能量承载力精确影响的实证证据仍然有限。
大湖国家野生动物保护区（Big Lake National Wildlife Refuge，NWR）位于阿肯色州东北部，是密西西比冲积谷内的半永久性挺水湿地，其管理目标是为约10.5万只越冬和迁徙水禽提供栖息资源，年能量目标为720万水禽能量日（waterfowl energy days，WED）。鉴于被动管理下湿地植被趋于单一化，该保护区于2022年6–7月实施了一次排水调控（drawdown），旨在减少美洲莲单优群落覆盖并促进能量价值更高的非持久性挺水植被生长。本研究旨在评估此次排水调控前后水禽使用、植被覆盖和能量承载力的变化，为保护区管理实践提供科学依据。
二、研究内容与结论
研究人员在2022年6月（排水前）、2022年9月（排水后）和2023年6月开展了植被调查，采用分层随机抽样设计，在10米直径样方内目视估算各植物物种的水平覆盖度，并记录水深和土壤穿透度。排水调控于2022年6月中旬开始，7月中旬完成全部排水，10月中旬因降雨重新蓄水。研究期间共调查了37个（2022年6月）、20个（2022年9月）和45个（2023年6月）样点。
研究结果显示，非持久性挺水植被自2021年秋季（排水前）至2022年秋季（排水后）增加了310%。除非持久性挺水植被取代开阔水面外，2022年和2023年秋季其他植被群落相对于排水前变化甚微。浮叶水生植被在排水年（2022年10月）较排水前（2021年10月）减少了31%，但排水后次年增加了73%，达到较排水前高21%的水平。开阔水面在2021年7月至8月间减少了85%，浮叶水生植被增加了63%；2022年排水期间开阔水面减少108%，浮叶水生植被仍增加57%。排水后非持久性挺水植被的年际增幅（2022年为32%）大于未实施排水调控的年份（2021年为16%，2023年为22%）。土壤穿透度均值从排水前（2022年）的8.0厘米±0.6厘米标准误降至排水后（2023年）的5.1厘米±0.6厘米标准误，降幅36%；平均水深从23.4厘米±1.4厘米标准误降至21.6厘米±1.3厘米标准误，降幅8%。
能量承载力方面，水禽可利用能量从2021年的2,666,288 WED增加至2022年的5,376,107 WED，增幅102%，但2023年降至2,596,988 WED，较2022年减少57%。排水前后能量变化的差异具有统计学显著性（P≤0.05）。ANOVA检验显示各年份间WED均值无显著差异（2021年均值412.8 WED±10.9标准误；2022年450.9 WED±13.9标准误；2023年417.5 WED±10.7标准误）。2022–2023年冬季，预测能量需求（1,120万WED）在12月24日即超过可用能量；2023–2024年冬季，预测能量需求（460万WED）在12月31日超过可用能量。
水禽调查方面，2022–2023年冬季共进行6次航空调查，2023–2024年冬季仅完成1次。项目期间最大水禽丰度估计出现在2022年12月20日，共127,843只，其中潜鸭类（dabbling ducks）占82%，潜水鸭类（diving ducks）占11%，雁类占7%。传统仲冬调查期（1月初）的估计数量（16,764只）远低于两周前的调查结果。2022–2023年冬季观测到的总使用日数为530万，显著高于年度eBird迁徙曲线（180万使用日）和标准化迁徙曲线（110万使用日）的估计值。
三、主要技术方法
本研究采用了以下几项关键技术方法：第一，基于ResNet34 U-Net架构的深度学习（deep learning）遥感分类模型，利用3米分辨率PlanetScope卫星影像（2021–2023年6–11月）对6类植被群落进行监督分类，通过分类后比较法（post-classification comparison）检测月度与年度植被变化；第二，湿土植被快速评估法，通过种子头生产指数（seed head production index，SPI）结合生物量校正因子估算种子产量，并转换为能量密度常数（1,596 WED/英亩）；第三，航空调查法，采用主次调查单元设计和两阶段可见性偏差校正流程估计水禽丰度；第四，迁徙曲线构建法，综合航空调查观测数据、eBird公民科学数据和标准化迁徙曲线三种来源估算水禽使用日数。样本数据来源于大湖NWR实地植被调查、航空调查以及eBird平台在阿肯色州密西西比、克雷格黑德、波因塞特和克里坦登四县的观测记录。
四、研究结果分述
植被群落变化：非持久性挺水植被在排水后秋季较排水前增加310%，但除其取代开阔水面外，其他植被群落在排水后变化有限。浮叶水生植被在排水年减少31%，但次年反弹至高于排水前21%的水平。
能量承载力变化：排水后当年秋季能量承载力较排水前翻倍以上（增加102%），但次年回落至接近排水前水平（较排水前减少约3%）。排水前后能量变化差异显著，但各年份间WED均值无显著差异。
水禽使用与迁徙动态：2022年12月20日观测到最大水禽丰度127,843只，以潜鸭类为主。观测到的使用日数（530万）远高于基于仲冬调查估计的eBird曲线（180万）和标准化曲线（110万），原因是水禽丰度在12月20日峰值后两周内骤降87%，而eBird和标准化曲线分别仅下降50%和8%。
五、讨论与结论
排水调控对植被和能量承载力的积极影响在排水当年十分显著，但次年几乎没有延续效应。因此，大湖NWR需要频繁（如每年或隔年）实施排水调控才能对水禽使用和能量承载力产生显著效果。美洲莲在排水后次年覆盖度快速增加，可能因为单次季中排水不足以使其根系充分干燥，其根茎在裸露泥滩上仍保持绿色生长，阻碍了非持久性挺水植被的扩展。研究人员建议将除草剂处理与排水调控结合，形成综合管理策略。航空调查是难以从地面观测的大型湿地复合体的有效调查手段，但飞机可用性和维护问题限制了重复调查的可行性，结合eBird等多源数据与单次航空调查可能是平衡可行性与数据质量的最佳方案。eBird迁徙曲线在小尺度上的效用存在变异性，使用日数估计对迁徙曲线高度敏感，观测到的水禽快速迁离现象未被标准化曲线充分反映。总体而言，尽管排水调控使能量承载力翻倍并使保护区接近其能量目标，但尚未完全达到720万WED的目标，需通过更频繁、更早期的排水调控以及针对美洲莲的额外主动管理措施来实现水禽能量和使用目标。
