科学家用洪水淹没森林来模拟海平面上升

在野生动物保护区内的沼泽地里矗立着枯树

在距离切萨皮克湾几英里的一片枫树、山毛榉树和杨树茂密的森林里，研究人员正在模拟未来的洪水。

他们使用PVC管和橡胶软管，淹没了半个足球场大小的林地，研究树木如何应对气候变化及其影响，即海平面上升和倾盆大雨。

这是一个本地实验，但研究人员表示，他们希望建立一个全球模型，帮助科学家了解什么事件导致树木压力的最早阶段，以及海岸附近的森林何时开始转变为湿地。

“人们意识到我们正处于巨大而迅速的变化之中。作为科学家，我们希望提前了解这种变化将如何展开，”史密森环境研究中心研究副主任帕特里克·麦戈尼格尔（Patrick Megonigal）说，他是该项目的关键合作者。

随着气温上升和海水变暖，世界正准备迎接更为恶劣的天气。“艾达”飓风只是一个预演，它预示着沿海地区和沿岸居民将如何受到气候变化的威胁。与此同时，作为抵御风暴破坏的重要缓冲区的湿地正在消失，或者被迫撤退到内陆，接管森林、田地和家园。

大西洋中部就是这些变化的一个例证。这里沿海的海水每年上升约5毫米，远远高于全球平均水平。

部分原因是陆地也在下沉，这主要是由于上一个冰河世纪末的影响。在这段时间里，冰川压迫着陆地的一侧，将一端抬高到切萨皮克湾之上。当他们撤退时，冰川下的土地反弹，另一端开始下降。

与此同时，从河流中流出的淡水减少，以阻止盐水向上游流动。由于湿地被咸海吞没，他们别无选择，只能退却高地，接管森林。

研究显示，自19世纪中期以来，切萨皮克湾地区150多平方英里的森林已转变为沼泽地，而自那时以来，沼泽地的退却率几乎翻了一番。

通常，这种转变会留下所谓的幽灵森林，即被海水杀死的漂白和变黑的树干。

这些变化在切萨皮克地区是显而易见的。但是海平面上升是一个全球性的问题，而且它也发生在人口密度大得多、资源或资金很少的地方。

大量抽取地下水的三角洲地区，如菲律宾新奥尔良或马尼拉附近的地区，正经历着海平面最大的上升。但新加坡、纽约等经济引擎以及即将失去全部生活方式的小岛屿国家也感受到了影响。

人们需要考虑的权衡

海岸的变化或发展方式将对造成的破坏程度产生重要影响。

上个月发表的一项研究发现，海平面上升加上湿地损失可能会在2100年或更晚发生的强风暴中造成25亿至130亿美元的财产损失。

在这样一场风暴中被淹没的区域可能比没有海平面上升和湿地损失的区域大2½倍。该研究得出结论，即使是低强度风暴在未来也会比今天的高强度风暴产生更大的影响，这在很大程度上是由于沿海湿地的减少。

变化的速度看起来不太好。

2020年6月发表的一项研究发现，红树林和类似的沿海生态系统能够跟上海平面上升速度的临界值约为每年7毫米。

然而，根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）最近的一份报告，到本世纪末，这一门槛可能会黯然失色。其结论之一是，海平面不可避免地在上升，在除最低变暖情景外的所有情况下，海平面上升的速度都快于沿海生态系统的速度。许多沿海地区的全球海平面上升速度也超过了平均水平，加剧了风险。

罗格斯地球、海洋和大气科学研究所所长、IPCC最新报告作者罗伯特·科普（Robert Kopp）说，以目前大西洋中部地区的上升速度，湿地和其他沿海生态系统可以跟上。“但他们只有在有空间的情况下才能跟上。”

这意味着他们需要空间把船移到远离大海的内陆。这就是为什么森林作为缓冲区很重要。科普补充说，用硬基础设施将事物锁定在适当的位置会阻止自然生态系统的适应。“这是人们需要考虑的权衡。”

山地迁移

回到史密森尼全球变化研究湿地，风暴潮项目正在那里运行，研究人员正在试图确定没有暴露在盐水中的树木如何对更高水平的盐度作出反应。他们将寻找一个临界值，超过这个临界值，树木在被海水淹没后会迅速衰退。

Megonigal说：“我们知道，成熟的树木可以忍受偶尔暴露在盐水中，特别是当盐被雨水冲走时，但我们不知道是什么原因导致树木在风暴潮事件的频率、季节性时间或严重程度方面下降。”。“我们的研究旨在梳理这些变化开始的植物、土壤和微生物过程和机制。”

这项新的实验被称为“暴风雨”，这是一个合适的名字，它将有效地测量未来的潮汐涌浪。

它起源于一些最早的气候研究，这些研究是关于大气中较高水平的二氧化碳如何影响植物生命的。该网站坐落在一个湿地上，湿地上散布着泵入二氧化碳的微型腔室，帮助研究人员发现，某些植物对升高的二氧化碳反应良好，它们会进行光合作用并将其作为能量消耗（绿线，2018年7月17日）。

温室气体还有助于植物更快地形成土壤，从而使它们能够从入侵的海洋中升起。大约4000年前，这里的湿地开始形成时，切萨皮克湾比今天低约15英尺。

但总有一天，海平面的上升将是这个湿地无法克服的。

为了生存，它迁移到高地。它正在接管任何阻挡它前进的东西，包括枫树、山毛榉和白杨树。

梅戈尼格尔说：“我们知道森林最终会消亡。”。“我们不知道需要多少风暴潮才能让树木受苦。”

淹没区域

为了模拟未来更为湿润、降雨更为强烈的情况，研究人员将使用复杂的水箱和管道网络，用80000加仑淡水淹没一处森林地带。这大约是今天一年中最潮湿月份的日平均降水量的40倍。另一个地点，他们将从河口抽取80000加仑盐水，通过一个巨大的膀胱泵出。

他们将在10小时内淹没这些地点一次，然后观察和测量树木在根部缺氧时的反应。这意味着测试水向树干上流的速度以及树木的生长速度。他们将采集土壤样本，测量水分和微生物，并查看土壤排放了多少二氧化碳。

随着水开始杀死树木，我们的假设是，树木将停止吸收和处理二氧化碳，并开始释放二氧化碳，成为碳的来源而不是汇。

他们不仅要测量含水饱和度，还要测量盐分。他们会区分这两种压力源，看看它们是如何以不同的方式伤害树木的。

这是一个更大的项目的一部分，该项目由太平洋西北国家实验室领导，能源部资助，旨在对切萨皮克湾和伊利湖进行观测。

太平洋西北国家实验室和TEMPEST项目负责人的博士后Anya Hopple说，这个想法是为了帮助研究人员预测哪些地区将面临快速变化的风险。然后，他们可以利用这些数据为保护工作和政策提供信息。霍普勒说，他们甚至可能看到某些物种具有快速适应和生存的能力。

领先一步

切萨皮克湾研究人员的努力具有现实意义。

根据美国国家海洋和大气管理局的数据，在美国，近40%的人口生活在沿海县。在像孟加拉国这样的低洼三角洲，海平面上升引起的潮汐洪水已经成为造成流离失所的主要原因。

了解未来沿海地区将发生什么有助于规划者和地方官员确定留出多少空间让湿地向内陆迁移，这意味着限制与森林相抵触的基础设施建设。

霍普说：“我们利用土地和海岸的方式，也在侵占这些地区。”。

保护湿地的好处是巨大的。它们保护野生动物栖息地和沿海基础设施免受风暴的侵袭，清除水中的污染物，并封存碳。根据最近的一份报告（Climatewire，7月27日），世界上一半以上的碳被生活在世界海岸线上或周围的动植物捕获。

那些希望通过恢复沼泽和红树林来减少排放的国家对储存在沿海栖息地土壤中的所谓蓝色碳感兴趣。碳信用也可以作为支付沿海湿地保护费用的一种方式。

Megonigal和史密森学会的研究人员正致力于制作海岸报告卡，帮助政府和保护组织确定哪些海岸生态系统需要保护。他们将利用海岸碳图集（Coast Carbon Atlas）的数据，这是一张包含5400多个碳剖面的交互式地图。

尽管在过去的二十年里他看到了湿地的变化，但梅戈尼格尔仍然保持着积极的态度。

“如果你能计划为沼泽地留下缓冲区，向内陆迁移，你能计划森林向沼泽地的有序过渡……那么就有很大的乐观空间，”他说。“我们只需要把谈话重点放在可能发生的事情上，而不是放在正在发生的事情上，以及我们如何走在前面。”