研究人员揭示了河流对洪水的抵御能力

内华达大学里诺分校的研究人员完成了最广泛的河流恢复力研究之一，研究洪水后河流生态系统如何恢复。他们开发了一种新颖的建模方法，利用放置在河流中的氧气传感器的数据来估计水生植物和藻类的每日生长情况。然后，研究人员对美国本土143条河流的藻类和植物生物量进行了建模，以量化洪水对生物量的干扰程度以及河流从洪水中恢复所需的时间。

增加对河流弹性的了解对于维持健康的河流非常重要，因为人类活动可能影响洪水状况并改变河流中其他可能依赖藻类和植物作为食物来源的水生生物的条件。

该大学农业、生物技术与自然资源学院和全球水中心的助理教授JoannaBlaszczak和博士后学者HeiliLowman领导了这项研究，该研究发表在两篇独立的期刊文章中。

由Blaszczak领导并于去年6月发表在《生态快报》上的初步工作首先研究了6条河流，并为Blaszczak聘请Lowman进行的第二项研究奠定了基础和方法，研究了143条河流。该研究结果于1月24日发表在《美国国家科学院院刊》上。

这项研究是独一无二的，因为它比以往任何时候都更频繁地估计河流生物量的变化，而无需直接对河流进行采样。这是通过使用美国地质调查局放置在河流中的氧气传感器的数据以及藻类和植物生物量的种群模型来完成的——类似于模拟人口数量随时间变化的人口模型，但模拟的是藻类和植物数量的变化。

氧气传感器于2007年开始收集数据，最近一次由内华达州牵头的对143条河流的研究包括了一些连续九年的数据，是全球河流记录最长的记录之一。

Blaszczak说：“以前，你必须去河边擦洗岩石来测量藻类，并在很长一段时间内重复多次，才能估计生物量增长和损失的变化。”“这非常耗时，因此相对于我们传感器网络的广泛程度而言，数据极其有限。”

Blaszczak表示，通过每五分钟采集一次数据的氧气传感器，研究小组发现他们可以使用统计模型来提取每天发生的光合作用量，并估计河流中生物量随时间的每日变化。

“溶解氧传感器显示白天的峰值和夜间的低值，根据这些模式，你可以估计当天有多少新藻类和其他生物量生长，”她说。“通过传感器多年来连续测量数百条河流的数据，我们可以获得更大、更清晰的画面。数据就在那里，我们可以用它来模拟扰乱河流中生物量所需的洪水规模，以及河流从洪水扰动中恢复的速度，这可以帮助我们更有效地管理河流。”

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在第一项研究中，Blaszczak使用了放置在六条河流中的氧气传感器的两年数据。她发现，她可以成功地利用这些数据来模拟特定于扰乱底层生物量的河流的洪水阈值，并且一般来说，扰乱生物量和降低生态系统生产力所需的洪水强度低于调动生物量所需的扰动流量阈值。河床沉积物，河流研究人员常用的扰动指标。

换句话说，本研究不是通过河床上岩石的移动来估计河流的扰动，而是利用生物学——藻类和植物生长的变化——来量化对河流的扰动，并发现生物扰动阈值较低。

Blaszczak解释说：“生物量对于水质非常重要，也是河流中生物的食物来源，因此就河流生态系统如何受到干扰的影响而言，它比岩石运动更重要。”

Blaszczak是一位淡水生态学家，她与蒙大拿大学弗拉特黑德湖生物站的RobertO.HallJr.一起开始了这项工作，并在她的同事、植物生态学家助理教授RobertShriver的帮助下完成了这两个研究项目生物量增长建模。Blaszczak、Shriver和Lowman都作为学院自然资源与环境科学系以及学院实验站研究单位的一部分进行研究。Blaszczak说，学院的教师经常采取跨学科的方法来应对研究挑战。

扩展到大陆范围

Blaszczak希望进一步深入研究，在更长的时间内将这种方法应用于更多的河流，以揭示各种因素如何影响河流的洪水扰动阈值及其对洪水的抵御能力。因此，她招募洛曼开始第二项更广泛的研究。洛曼的研究考察了影响河流抗洪能力的景观和河流特征。

“我们从未对河流的恢复力有如此深入的了解，并且由于数据量和我们的建模，我们现在了解恢复力的自然变化，并且上游没有水坝的最宽河流恢复速度最快，”洛曼说。

她说，没有水坝的宽阔河流比上游有水坝的宽阔河流恢复得更快这一事实并不明显，这是我们的行动如何影响和/或管理河流的一个例子。洛曼研究的大多数河流都有三到四年的数据，有些河流长达九年，少数河流的数据不到一年。

“拥有三到四年的数据比我们以前能够使用的数据要多得多，”洛曼说。“而且，我们使用了具有不同气候和土地特征的各种规模的河流。”

洛曼说，除了没有水坝的更宽的河流更有弹性之外，那些洪水频繁的河流也往往恢复得更快。

她说：“这可能是因为它们有着长期频繁发生洪水的历史，因此它们的藻类和植物群落已经具备了适应更频繁的干扰的能力。”

总体而言，洛曼表示，新模型的结果与之前的其他方法一致。但是，她说，无论河流大小如何，有些地点从洪水中恢复的时间比其他地点要长得多，一个月甚至更长。

“这可能是藻类和植物群落的组成、河床的结构或其他因素，”她说。“阈值和恢复时间很可能部分取决于坡度、沉积物的粒度，以及可能的其他没有得到充分记录的因素。这些是未来研究的一些后续步骤。”