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生物奇跡:蟬洞探秘 —— 布魯?shù)碌谑s對徑流與地下水的重要作用

中國綠發(fā)會
長期致力生態(tài)文明建設(shè)、生物多樣性保護(hù)與綠色發(fā)展
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布魯?shù)碌谑s(Brood X cicadas)是一種昆蟲,屬于鞘翅目蟬科(Cicadidae)。它們是美國中西部和東部地區(qū)特有的一種蟬群,也被稱為17年蟬或布魯?shù)耎蟬。這種蟬群的特點(diǎn)是它們每隔17年才會出土一次,形成了獨(dú)特的周期性出土現(xiàn)象。這也使得它們成為人們關(guān)注的焦點(diǎn),因?yàn)樗鼈兊某鐾潦且粋€(gè)規(guī)模龐大且難得的生態(tài)事件。2021年的5月和6月,美國中西部和東部地區(qū)迎來了布魯?shù)碌谑s(Brood X cicadas)的隆重出土。可能很多讀者朋友有印象,當(dāng)時(shí)央視也報(bào)道了——數(shù)十億只蟬從土壤中鉆出。相當(dāng)壯觀!

上圖:這是一張2021年布魯?shù)碌谑s出土后不久的照片。照片中的蟬是在2021年5月22日出現(xiàn)在馬里蘭州佩里霍爾的一株幼小黑莓上。圖源:Nick162534,Wikipedia。

自1893年開始統(tǒng)計(jì)以來,周期蟬的出現(xiàn)年分幾乎沒有失誤過,而2021年是周期蟬預(yù)定出現(xiàn)第10次,所以科學(xué)家把2021年這次爆發(fā)的蟬命名“布魯?shù)碌谑s”。

這些十七年蟬,留下了大量的洞穴和通往土壤深處的蟬洞。這些現(xiàn)象可能會影響土壤水分滲透率,在這個(gè)背景下,科學(xué)家進(jìn)行了一項(xiàng)研究,旨在探究這些蟬洞對水文過程的影響。

2023年2月,一份新的研究成果發(fā)表在Hyrological Processes上。這項(xiàng)研究主要想要搞清楚的是,這些生物的大規(guī)模“爆發(fā)”式從土壤下冒出地面,對森林和城市景觀的近地表水文過程有怎樣的影響。

我們知道,在森林景觀中,生物如蟬群、蚯蚓、螞蟻等通過挖掘洞穴和隧道,形成了大量的生物孔隙。這些生物孔隙增加了土壤的通透性,促進(jìn)了水分的滲透和循環(huán)。蟬群出土后,它們留下的蟬洞成為土壤中的表面連接大孔隙,使得降水可以迅速進(jìn)入土壤剖面,并流入更深層次和淺層地下水水位。這些蟬洞作為通道,增加了降水與地下水之間的聯(lián)系,對于徑流動態(tài)、土壤和地下水充水和質(zhì)量、營養(yǎng)循環(huán)等都產(chǎn)生了重要影響。

然而,在城市景觀中,生物對近地表水文過程的影響可能會受到較大的限制。城市化過程導(dǎo)致大面積的水泥硬化地面,使得生物的棲息地受到限制,生物孔隙的形成和水文過程受到阻礙。特別是在受到人類干擾較大的城市區(qū)域,如市區(qū)中心、道路和建筑密集區(qū),生物孔隙的形成受到壓實(shí)和破壞,從而限制了水分的滲透和流動。

為了研究布魯?shù)碌谑s在2021年爆發(fā)的影響,該研究團(tuán)隊(duì)采用了單環(huán)和雙頭滲透計(jì),在美國印第安納州南部中心地區(qū)的不同出土和土地利用模式下,對現(xiàn)場的飽和水力傳導(dǎo)率(Kfs)進(jìn)行了測量。

上圖:圖中顯示了位于美國印第安納州布盧明頓附近的飽和水力傳導(dǎo)率測量點(diǎn),其中(a)標(biāo)記為擾動/城市地區(qū)(標(biāo)記為A),(b)標(biāo)記為未擾動/森林地區(qū)(標(biāo)記為B)。圖片來源:該論文作者Darren L. Ficklin等。

研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括森林(未擾動)和城市(擾動)地區(qū)的有無蟬洞的地點(diǎn)。在未擾動的森林地區(qū),研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)有蟬洞的土壤和無蟬洞的土壤之間的Kfs顯著增加了80.8%。而在城市化的地區(qū),蟬洞對Kfs沒有產(chǎn)生顯著影響。此外,對于未擾動的地點(diǎn),蟬洞數(shù)量與Kfs速率之間存在著顯著的相關(guān)關(guān)系,而在城市化地區(qū)并未發(fā)現(xiàn)相關(guān)關(guān)系。

上圖:示例測量位置、工具和觀察,包括(a) 一個(gè)有大量蟬洞的區(qū)域,(b) 一只正在出土的蟬(用圓圈標(biāo)注以便清晰顯示),(c) 洞穴(n=4;用圓圈標(biāo)注以便清晰顯示)位于滲透環(huán)內(nèi),以及(d) 使用SATURO雙頭滲透計(jì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)設(shè)置,近距離測量帶有和沒有蟬洞的滲透情況。圖片來源:該論文作者Darren L. Ficklin等。

研究結(jié)果表明,蟬洞對Kfs的影響在城市化區(qū)域被最小化了。這可能是由于城市化導(dǎo)致的土壤壓實(shí)和其他人類干擾影響了蟬留下的大孔隙的存在。相反,未擾動地區(qū)的蟬洞形成了表面連接的大孔隙,成為降水進(jìn)入土壤剖面和流入更深層次和淺層地下水水位的通道。這對于徑流動態(tài)、土壤和地下水充水和質(zhì)量以及營養(yǎng)循環(huán)都具有重要的影響。

研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:在受到較小人類干擾的地區(qū),例如森林中,布魯?shù)碌谑s的蟬洞對土壤的飽和水力傳導(dǎo)率產(chǎn)生了顯著的影響。而在受到較大人類干擾的地區(qū),并未發(fā)現(xiàn)這種關(guān)聯(lián)

上圖:圖中為箱線圖,展示了擾動(頂部)和未擾動(底部)地點(diǎn)的現(xiàn)場飽和水力傳導(dǎo)率,其中右側(cè)為有蟬洞,左側(cè)為無蟬洞。每個(gè)點(diǎn)的誤差棒代表該測量值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。圖源:該論文作者Darren L. Ficklin等。

布魯?shù)碌谑s的出土現(xiàn)象是一個(gè)自然界的奇觀,它們的蟬洞留下了一個(gè)獨(dú)特的生態(tài)印記。這項(xiàng)研究的結(jié)果在水文學(xué)領(lǐng)域有重要意義。布魯?shù)碌谑s的廣泛出土將影響其他科學(xué)領(lǐng)域,包括植被的水分吸收、地表水徑流、地下水補(bǔ)給率、營養(yǎng)循環(huán)以及土壤水分和地下水質(zhì)量的變化。研究結(jié)果為我們更好地理解這一現(xiàn)象帶來的影響提供了科學(xué)依據(jù),也為未來的城市規(guī)劃和土地利用決策提供了參考。尤其是,在當(dāng)下多地在大力推動“海綿城市”建設(shè)的背景下,這個(gè)問題尤為值得我們思考。

參考文獻(xiàn):https://doi.org/10.1002/hyp.14822

編譯:王芊佳

審核:Samantha

編輯:Tommy

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