本文來源于海潮天下（Marine Biodiversity）

Marine Biodiversity

布魯?shù)碌谑s（Brood X cicadas）是一種昆蟲，屬于半翅目蟬科（）。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。這種蟬群的特點是它們每隔17年才會出土一次，形成了獨特的周期性出土現(xiàn)象。

所以它們成為人們關(guān)注的焦點，因為它們的出土是一個規(guī)模龐大、且難得一見的生態(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）的出土?？赡芎芏嘧x者朋友有印象，當(dāng)時央視也報道了——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年開始統(tǒng)計以來，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，在這個背景下，科學(xué)家進(jìn)行了一項研究，旨在探究這些蟬洞對水文過程的影響。

(圖文無關(guān))▲上圖：一般來說，蟬蛻附近不遠(yuǎn)的地方，通常會有蟬洞。蟬從幼蟲在地下生活多年，到最后羽化成蟲并留下蟬蛻，其過程是一個連貫的行為鏈條。簡單來說，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。不過，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)隊采用了單環(huán)和雙頭滲透計，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，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。

研究的實驗設(shè)計包括森林（未擾動）和城市（擾動）地區(qū)的有無蟬洞的地點。在未擾動的森林地區(qū)，研究團(tuán)隊發(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，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雙頭滲透計進(jìn)行的實驗設(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)隊的實驗結(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。每個點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)象是一個自然界的奇觀，它們的蟬洞留下了一個獨特的生態(tài)印記。這項研究的結(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，這個問題尤為值得我們思考。

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

讀而時思之~


Q1、我們的城市建設(shè)，比如鋪路、壓實土地，是不是在無意中抹殺了自然界這種免費的“排水防洪系統(tǒng)”？從“生物擾動”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、在我國的城市生態(tài)系統(tǒng)健康的測評中，有沒有“蟬洞”作為指標(biāo)？你覺得，是否可以考慮把它作為一個透水性、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