21世紀(jì)沿海濕地對(duì)海平面上升的反應(yīng)仍不確定。全球預(yù)測(cè)表明，目前沿海濕地面積將減少20%至90%（分別針對(duì)低海平面和高海平面上升情景），這反過(guò)來(lái)將導(dǎo)致生物多樣性和高價(jià)值生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的喪失。這些預(yù)測(cè)不一定考慮到所有必要的地貌和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)反饋。在這里，我們提出了一種綜合的全球建模方法，該方法既考慮了沿海濕地通過(guò)沉積物增生垂直堆積的能力，也考慮了容納空間，即可細(xì)沉積物積累和濕地植被定植的垂直和橫向空間。我們利用這種方法來(lái)評(píng)估21世紀(jì)全球海平面上升和人為沿海占領(lǐng)對(duì)沿海濕地面積變化的影響。根據(jù)我們的模擬結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)，如果超過(guò)37%（我們對(duì)當(dāng)前容納空間的上限估計(jì)）的沿海濕地?fù)碛凶銐虻娜菁{空間，并且沉積物供應(yīng)保持在現(xiàn)有水平，那么全球濕地面積不但不會(huì)增加，反而有可能增加至當(dāng)前面積的60%。與之前的研究相反，我們預(yù)測(cè)，到2100年，全球沿海濕地面積的損失將在0%到30%之間，假設(shè)在當(dāng)前水平之外沒(méi)有進(jìn)一步的容納空間。我們的模擬表明，全球濕地的恢復(fù)力主要取決于容納空間的可用性，而容納空間的可用性受到沿海地區(qū)人為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的強(qiáng)烈影響，預(yù)計(jì)此類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)施將在21世紀(jì)發(fā)生變化。我們的研究結(jié)果表明，大規(guī)模沿海濕地喪失并非全球海平面上升的必然結(jié)果，而是可以避免的，如果能夠通過(guò)謹(jǐn)慎的基于自然的沿海管理適應(yīng)解決方案創(chuàng)造足夠的額外容納空間。

研究方法

1. 模型框架

本研究的核心方法是使用DIVA模型框架，構(gòu)建了12,148個(gè)海岸線段的沿海剖面。這些海岸線段構(gòu)成了模型的空間單元，具有平均長(zhǎng)度57公里。研究基于Shuttle Radar Topography Mission (SRTM)洪泛區(qū)數(shù)據(jù)，細(xì)致地建立了每個(gè)海岸線段的地形剖面。這些剖面基于不同海拔層次的洪泛區(qū)面積進(jìn)行計(jì)算，幫助更好地理解沿海濕地的時(shí)空分布特征，并根據(jù)不同海拔高度（如1.5m、2.5m等）推算浸水長(zhǎng)度，從而繪制出濕地可能淹沒(méi)的區(qū)域。

2. 濕地適應(yīng)性評(píng)分（WAS）

濕地的適應(yīng)性評(píng)分（WAS）是本研究中的關(guān)鍵因素。WAS旨在評(píng)估沿海濕地在海平面上升過(guò)程中是否能夠通過(guò)垂直沉積積累來(lái)維持其生態(tài)功能。該評(píng)分基于沉積物供應(yīng)量和潮差的關(guān)系，計(jì)算得到。沉積物供應(yīng)豐富的地區(qū)能夠通過(guò)沉積積累來(lái)對(duì)抗海平面上升的影響，而沉積物供應(yīng)不足的地區(qū)則容易發(fā)生濕地淹沒(méi)。因此，WAS值越高，代表濕地的適應(yīng)能力越強(qiáng)，濕地在海平面上升下的喪失將得到減緩。

3. 濕地變化的計(jì)算

本研究中，濕地變化分為兩部分：海側(cè)濕地的損失和內(nèi)陸濕地的增益。隨著海平面上升，海側(cè)濕地將逐漸受到淹沒(méi)，而內(nèi)陸濕地則會(huì)向陸地遷移。然而，內(nèi)陸濕地遷移可能受到人類(lèi)活動(dòng)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（如堤壩、城市發(fā)展等）的制約，這種限制通過(guò)人口密度在1/100年極端水位洪泛區(qū)的分布進(jìn)行建模。在沒(méi)有人為障礙的情況下，濕地將向內(nèi)陸遷移，并逐步形成新的濕地區(qū)域。通過(guò)濕地適應(yīng)性評(píng)分（WAS）和海岸線段的地形特征，研究計(jì)算了每個(gè)海岸線段在不同情景下的濕地喪失與增益。

4. 數(shù)據(jù)來(lái)源與情景分析

本研究使用了多個(gè)全球性數(shù)據(jù)集，包括SRTM數(shù)據(jù)、全球人口密度數(shù)據(jù)、潮差數(shù)據(jù)、沉積物供應(yīng)數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)為建立全球海岸線段的沿海剖面提供了空間和時(shí)間上的詳細(xì)信息。研究還利用三種全球海平面上升情景（RCP 2.6、4.5和8.5）以及不同的人類(lèi)適應(yīng)情景，分析未來(lái)海平面變化對(duì)濕地的潛在影響。

通過(guò)假設(shè)不同的人類(lèi)適應(yīng)情景（如自然適應(yīng)情景和現(xiàn)狀保持情景），我們模擬了不同的沿海濕地遷移過(guò)程和沉積物積累過(guò)程。例如，假設(shè)在較為稀疏的人口區(qū)域，沿海社會(huì)可能會(huì)撤離海岸，移除沿海防護(hù)設(shè)施，從而允許濕地自由遷移；而在人口密集的區(qū)域，可能會(huì)建造更多的防護(hù)設(shè)施，限制濕地遷移。這些假設(shè)為我們分析濕地適應(yīng)能力提供了不同的情境背景。

5. 假設(shè)情景與靈敏度分析

為了量化濕地遷移與沉積物積累對(duì)整體濕地適應(yīng)能力的貢獻(xiàn)，本研究使用了四種假設(shè)情景。這些假設(shè)情景包括：僅濕地遷移情景、僅沉積物積累情景、最大適應(yīng)能力情景（同時(shí)考慮濕地遷移和沉積物積累）、以及無(wú)適應(yīng)能力情景（不考慮濕地遷移和沉積物積累）。這些情景雖然從社會(huì)經(jīng)濟(jì)或物理角度來(lái)看不完全現(xiàn)實(shí)，但通過(guò)這些假設(shè)情景，我們能夠定量比較濕地遷移和沉積物積累對(duì)濕地適應(yīng)能力的相對(duì)貢獻(xiàn)。

6. 海平面上升與人類(lèi)活動(dòng)的綜合影響

通過(guò)結(jié)合全球海平面上升情景和區(qū)域化的人類(lèi)活動(dòng)影響，本研究探討了不同情景下人類(lèi)活動(dòng)對(duì)濕地的影響。例如，人口密度高的地區(qū)通常有更多的沿?；A(chǔ)設(shè)施，這些設(shè)施會(huì)妨礙濕地的內(nèi)陸遷移。在模擬中，我們依據(jù)不同的國(guó)家和區(qū)域的海平面上升預(yù)測(cè)、人口增長(zhǎng)情景（如SSP2），以及極端水位洪泛區(qū)的人口分布，評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)對(duì)濕地喪失和恢復(fù)的影響。

7. 模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證

為了確保模型的準(zhǔn)確性，研究使用了基于全球潮濕沼澤和紅樹(shù)林的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)的垂直沉積增長(zhǎng)數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)模型參數(shù)，并與其他現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確保模型能夠合理地預(yù)測(cè)濕地的沉積物盈虧狀態(tài)。校準(zhǔn)后的模型能夠在約78%的海岸線段中準(zhǔn)確預(yù)測(cè)濕地的適應(yīng)性變化。

研究結(jié)果

在所有海平面上升情景下，20人/平方公里都是一個(gè)關(guān)鍵的人口密度閾值。如果采用更高的人口密度閾值，則有足夠容納空間向內(nèi)陸遷移的沿海濕地會(huì)增多，從而導(dǎo)致全球沿海濕地面積總體增加（圖1）。如果考慮較低的閾值，則有足夠容納空間的沿海濕地會(huì)減少，從而導(dǎo)致全球總體損失。20人/平方公里的人口密度閾值與我們估計(jì)的當(dāng)前全球平均水平相符，超過(guò)該水平的沿海社區(qū)將受到某種沿海保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施的保護(hù)，因此只有 37% 的全球沿海濕地可以向內(nèi)陸遷移。300人/平方公里的人口密度閾值是歐盟委員會(huì)22定義的城市發(fā)展的下限，并設(shè)定了潛在濕地內(nèi)陸遷移的上限（NB 2 情景）。在此閾值下的最高海平面上升情景導(dǎo)致全球沿海濕地面積大幅增加（ 60%）。在同樣的海平面上升情景下，如果人口密度閾值為5人/平方公里，則全球凈損失為30%（圖1）。在最低海平面上升情景下，人口密度閾值在5至300人/平方公里之間的沿海濕地面積變化僅在-8%（損失）和 15%（增加）之間（圖1）。紅樹(shù)林的變化最大，它們從一開(kāi)始就對(duì)全球濕地面積的貢獻(xiàn)最大（69%）。值得注意的是，即使在容納空間最少的人類(lèi)適應(yīng)情景下，鹽沼的損失也小得多（圖1）。

在容納空間的BAU情景（5-20人/平方公里）下，全球沿海濕地范圍的變化在最低海平面上升情景下介于-8%（損失）和0%（無(wú)變化）之間，在最高海平面上升情景下介于-30%（損失）和-8%（損失）之間。這些損失主要?dú)w因于沉積物日益減少，阻礙了濕地在垂直方向上跟上海平面上升的速度。如果未來(lái)為沿海濕地提供更多的容納空間（例如，在實(shí)施基于自然的適應(yīng)解決方案的背景下），全球沿海濕地的面積可能會(huì)增加（圖1）。我們的中等基于自然的適應(yīng)情景（NB 1：20-150人/平方公里）導(dǎo)致低海平面上升情景下增加0%至12%，高海平面上升情景下增加 -8%（損失）至 42%。在更為極端的適應(yīng)情景（NB 2：150-300人/平方公里）下，我們預(yù)計(jì)增幅會(huì)更高，低海平面上升情景下增幅在12%至15%之間，高海平面上升情景下增幅在42%至60%之間（圖1）。與基本情況情景（BAU）相比，中等和極端基于自然的適應(yīng)情景（NB 1和NB 2）的這些增長(zhǎng)是由內(nèi)陸濕地遷移而非垂直沉積物沉積驅(qū)動(dòng)的，因此與沉積物供應(yīng)量無(wú)關(guān)。

圖1 全球沿海濕地面積變化。

在BAU情景下（下限：5人/平方公里），預(yù)計(jì)沿海濕地面積的絕對(duì)損失大部分（約 66%）將發(fā)生在加勒比海、美國(guó)東南部海岸和東南亞部分地區(qū)（圖2a）。同樣，東南亞此前被確定為紅樹(shù)林抵御海平面上升影響的關(guān)鍵區(qū)域。濕地面積預(yù)期相對(duì)變化模式（即百分比增加或減少）有所不同，但基本證實(shí)了動(dòng)態(tài)交互式脆弱性評(píng)估 (DIVA) 建模結(jié)果2；相對(duì)面積損失最大的地區(qū)（同樣是在居住空間高度受限的情景下）位于加勒比海、美國(guó)東海岸、波羅的海西部、地中海、紅海和東南亞部分地區(qū)（圖2b）。

圖2 濱海濕地變化的空間分布。

沿海濕地?fù)p失的空間模式與模擬的當(dāng)今沉積物平衡模式非常相似，即沿海濕地表面垂直跟上當(dāng)前當(dāng)?shù)叵鄬?duì)海平面上升所需的沉積物與當(dāng)前沉積物可用性之間的差值（圖3）。例如，在加勒比海、波羅的海西部、地中海以及美國(guó)東海岸和西海岸發(fā)現(xiàn)了大片沉積物不足的區(qū)域（圖3）。這些區(qū)域與在容納空間高度受限的情況下相對(duì)濕地面積損失的熱點(diǎn)區(qū)域基本重合（圖2b）。同時(shí)，亞洲、南美洲和歐洲西北部的大部分地區(qū)都顯示出充足或過(guò)剩的沉積物可用性（圖3），這對(duì)應(yīng)于即使在容納空間有限的情況下相對(duì)濕地?fù)p失較小的區(qū)域，因?yàn)榇怪背练e物增生抵消了相對(duì)海平面上升（圖2b）。

圖3 當(dāng)今全球沉積物平衡。

文章信息

Schuerch M, Spencer T, Temmerman S, et al. Future response of global coastal wetlands to sea-level rise. Nature, 2018, 561(7722): 231-234.

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-018-0476-5