17年一遇的蟬群，竟能改變地下水流？蟬洞讓森林滲水率飆升81%

本文來(lái)源于海潮天下（Marine Biodiversity）

Marine Biodiversity

布魯?shù)碌谑s（Brood X cicadas）是一種昆蟲(chóng)，屬于半翅目蟬科（）。它們是美國(guó)中西部和東部地區(qū)特有的一種蟬群，也被稱(chēng)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(huì)出土一次，形成了獨(dú)特的周期性出土現(xiàn)象。

所以它們成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兊某鐾潦且粋€(gè)規(guī)模龐大、且難得一見(jiàn)的生態(tài)事件。2021年的5月和6月，美國(guó)中西部和東部地區(qū)迎來(lái)了布魯?shù)碌谑s（Brood X cicadas）的出土。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

自1893年開(kāi)始統(tǒng)計(jì)以來(lái)，周期蟬的出現(xiàn)年分幾乎沒(méi)有失誤過(guò)，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(huì)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(duì)水文過(guò)程的影響。

(圖文無(wú)關(guān))▲上圖：一般來(lái)說(shuō)，蟬蛻附近不遠(yuǎn)的地方，通常會(huì)有蟬洞。蟬從幼蟲(chóng)在地下生活多年，到最后羽化成蟲(chóng)并留下蟬蛻，其過(guò)程是一個(gè)連貫的行為鏈條。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，蟬洞是它的出口，而蟬蛻是其蛻變后的空殼。?Linda Wong 攝影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

海潮天下（Marine Biodiversity）小編讀到一篇發(fā)表在上的研究成果。這項(xiàng)研究主要想要搞清楚的是，這些生物的大規(guī)?！氨l(fā)”式從土壤下冒出地面，對(duì)森林和城市景觀的近地表水文過(guò)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(guò)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(duì)于徑流動(dòng)態(tài)、土壤和地下水充水和質(zhì)量、營(yíng)養(yǎng)循環(huán)等都產(chǎn)生了重要影響。不過(guò)，在城市景觀中，生物對(duì)近地表水文過(guò)程的影響可能會(huì)受到較大的限制。城市化過(guò)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(guò)程受到阻礙。特別是在受到人類(lèi)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(dòng)。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(guó)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)的飽和水力傳導(dǎo)率（Kfs）進(jìn)行了測(cè)量。

上圖：圖中顯示了位于美國(guó)印第安納州布盧明頓附近的飽和水力傳導(dǎo)率測(cè)量點(diǎn)，其中(a)標(biāo)記為擾動(dòng)/城市地區(qū)（標(biāo)記為A），(b)標(biāo)記為未擾動(dòng)/森林地區(qū)（標(biāo)記為B）。圖片來(lái)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(dòng)）和城市（擾動(dòng)）地區(qū)的有無(wú)蟬洞的地點(diǎn)。在未擾動(dòng)的森林地區(qū)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)有蟬洞的土壤和無(wú)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(duì)Kfs沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響。此外，對(duì)于未擾動(dòng)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(cè)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(cè)量帶有和沒(méi)有蟬洞的滲透情況。圖片來(lái)源：該論文作者Darren L. Ficklin等。

研究結(jié)果表明，蟬洞對(duì)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(lèi)干擾影響了蟬留下的大孔隙的存在。相反，未擾動(dòng)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(duì)于徑流動(dòng)態(tài)、土壤和地下水充水和質(zhì)量以及營(yíng)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(lèi)干擾的地區(qū)，例如森林中，布魯?shù)碌谑s的蟬洞對(duì)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(lèi)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(xiàn)圖，展示了擾動(dòng)（頂部）和未擾動(dòng)（底部）地點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)飽和水力傳導(dǎo)率，其中右側(cè)為有蟬洞，左側(cè)為無(wú)蟬洞。每個(gè)點(diǎn)的誤差棒代表該測(cè)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，它們將影響其他科學(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(yíng)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(lái)的影響提供了科學(xué)依據(jù)，也為未來(lái)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(dòng)“海綿城市”建設(shè)的背景下，這個(gè)問(wèn)題尤為值得我們思考。

（圖文無(wú)關(guān)）上圖：北京地區(qū)2種常見(jiàn)的蟬。左邊是斑透翅蟬（個(gè)頭較大的），右邊是蒙古寒蟬（個(gè)頭較小的）。攝影：Linda Wong | ?海潮天下（Marine Biodiversity）

讀而時(shí)思之~


Q1、我們的城市建設(shè)，比如鋪路、壓實(shí)土地，是不是在無(wú)意中抹殺了自然界這種免費(fèi)的“排水防洪系統(tǒng)”？從“生物擾動(dòng)”到“水文功能衰退”，蟬洞效應(yīng)在城市化土壤中的失效，是否揭示了人為干擾對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生了“不可逆的閾值”？

Q2、在高度空間異質(zhì)的蟬群分布下，如何量化其整體水文影響？它是否足以在流域尺度上改變暴雨徑流的分配格局？

Q3、在我國(guó)的城市生態(tài)系統(tǒng)健康的測(cè)評(píng)中，有沒(méi)有“蟬洞”作為指標(biāo)？你覺(jué)得，是否可以考慮把它作為一個(gè)透水性、海綿城市、生態(tài)恢復(fù)成效的指標(biāo)？

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文 | 王芊佳

編輯 | 海潮君

感興趣的海潮天下（Marine Biodiversity）讀者可以參看該研究的全文：
Ficklin, D. L., Kelleher, C., Bergan, E. V., Myers, D. T., Adelsperger, S., & Hardman, E. (2023). Influence of the 2021 Brood X cicada emergence on near surface hydrology in forested and urban landscapes. Hydrological Processes, 37(2), e14822. https://doi.org/10.1002/hyp.14822