《River Research and Applications》：Strategies for Assessing Post-Wildfire Geomorphic Resilience in Semiarid Rivers
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这篇综述系统总结了评估半干旱区河流廊道在野火后地貌恢复力所需监测的各类流域组分。文章明确区分了影响水、溶质、沉积物和有机质输入的“高地”与直接受影响的“河流廊道”，并对地形、雪盖、径流、土壤、植被、水文、泥沙、河道与洪泛平原形态、连通性及生境等具体参数及其测量方法进行了全面梳理。论文强调评估恢复力需综合考虑（i）作为评估基准的基线状态（如自然变异范围NRV），（ii）扰动后系统组分随时间变化的响应过程，（iii）流域或河流廊道内特定组分的选择，以及（iv）认识到人类在其中的交互作用。作者以美国科罗拉多州Cache la Poudre河流域为例，深入探讨了测量的时空尺度与分辨率选择依据，为科研人员和自然资源管理者提供了一个评估野火后地貌动态与恢复潜力的系统框架。
野火在全球许多地区，包括美国西部，正变得愈发频繁、影响范围更大、严重程度更高。高强度野火在陡峭地形中通常会引发一连串的次级扰动，导致输入河流网络的水量和泥沙量增加，进而造成河道与洪泛平原不稳定、生境改变、资源变化、营养级联效应以及河流廊道内的群落组成变化。河流对增加的水沙输入可能仅表现出短暂的响应，也可能发生持久的变化。这些不同的响应可以在抗性、恢复力和敏感性的框架下进行描述。本文将恢复力置于河流流域内部物理过程和形式的背景下，重点关注河流廊道。我们将河流过程或形态的恢复力定义为：当指定的过程或形态在比扰动重现期更短的时间内恢复到其扰动前状态时，即认为存在恢复力。因此，恢复力取决于扰动的强度、持续时间以及扰动引起的变化。评估一个特定的过程或形态是否已恢复到扰动前状态并非总是直截了当，因为扰动后的调整可能遵循随时间波动减小的趋势。例如，在一个具有恢复力的系统中，野火后的首场暴雨可能引发向河流廊道输送异常高脉冲的水和沉积物。随后年份的类似风暴可能仍会产生增强的响应，但随着高地植被和入渗能力的恢复，这些响应的强度会随时间稳步下降。如果已知，自然或历史变异范围可作为基线扰动前状态，用于评估恢复力。恢复力也可以针对一个非常具体的组分（如河道宽深比）进行评估，或基于一个河段内多个组分的恢复力来评估整个河流廊道的恢复力。
我们以一个具体而广泛的自然背景——响应野火扰动的半干旱区河流流域——来（i）回顾可用于评估恢复力的物理组分，（ii）讨论描述扰动前状态时的考量，以及（iii）讨论选择适当测量的时空分辨率与范围时的考量。我们以美国科罗拉多州的Cache la Poudre（Poudre）河流域为例来说明这三个主题。Poudre河体现了半干旱区许多河流廊道面临的挑战，包括日益频繁和严重的野火、不断增长的人口和耗水性用水需求、流域和河流廊道的人类改造历史、濒危的水生物种以及气候变暖引起的径流和扰动机制变化。因此，Poudre河流域代表了美国西部及其他火灾易发地区许多其他河流流域的共同特征。
我们关注河段尺度对野火扰动级联的响应。一个河段是指一段连续的河流廊道，其流域面积和流量逐渐增加（即没有大的支流汇入），并且具有一致的河道和谷底几何形态。河段的长度在源头溪流中可能仅为数十米，而在较大的河流中可达数十公里。河段的上、下游也可能以重要的支流汇合处为界。一条河流由多个连续的河段组成，河流网络包括指定点以上所有的贡献河道，而流域则包括指定点以上所有的贡献区域。河段存在于这些空间尺度的背景下，并受到上游过程和下游条件（如基准面稳定性）的影响。河段的特点在于（i）由谷底几何形态创造的物理模板，（ii）输入河流廊道的物质通量（包括水、溶质、沉积物和颗粒有机质），以及（iii）与水生和河岸植被及动物相关的生物物理相互作用。在任何时间点，河段内河流廊道的形态反映了物理模板、输入通量和生物物理特征之间持续相互作用的历史。流域、河流网络和单个河段各自包含众多特征，因此在野火等扰动之后具有许多潜在的调整路径，以及不同类型的扰动和重现期。这些组分中的每一个都可以在恢复力的背景下进行评估。我们确定了在评估恢复力时预计最有用的组分，尽管并非所有组分都适用于或可行于任何一个特定地点，也并非所有组分都同等重要。
我们假设本节讨论的所有组分都可能随时间变化，因此应随时间进行测量。野火可能在高地或河流廊道内引发。燃烧高地环境的野火可以通过改变输入河流廊道的物质来间接影响河流廊道。在高地或河流廊道引发的野火可能会也可能不会在这些环境之间蔓延。燃烧河流廊道的野火可以直接改变廊道内的过程和形态，例如通过清除河岸植被和倒木，从而间接改变河岸和洪泛平原地表的抗侵蚀能力。人类的存在，包括基础设施、产权边界、土地覆盖的变化以及野火发生前、发生期间和发生后采取的管理行动，都可能影响本节讨论的所有组分。
高地组分强烈影响河流廊道的地貌恢复力，调节着水、沉积物和溶质输送的时机、强度和性质。野火后，高地过程的变化可以放大或抑制下游响应。与河流廊道地貌恢复力相关的高地组分包括高地地形、雪盖、径流、土壤和植被。野火后的高地地形变化反映了水和沉积物向河流网络输送方式的变化。片流和细沟流增强了向河流的水输入，而泥石流则向河流快速输送大量沉积物。高地地形变化还可以通过改变下坡路径或高地-河流廊道连通性来影响后续的河流输入。高地地形变化可以通过基于高分辨率重复地面或机载激光雷达或运动恢复结构测量的DEM差异法、用于定位新侵蚀特征（如细沟）的SfM或激光雷达影像、侵蚀桩、沉积物围栏以及基于野外的河源和细沟测绘来测量。
高地积雪特性影响向河流廊道输入的水、溶质和沉积物，以及高地植被的再生。相关的积雪特性包括峰值雪水当量、积雪消失日期和融雪速率。可用于评估积雪特性的技术包括积雪遥测、在野外部署的传感器和数据记录器、卫星获取的数据集、机载雪观测站测量、各种地面平台的中子宇宙射线传感以及基于野外的雪深、雪密度、雪水当量和其他属性的测量。
高地径流影响向河流廊道输入的水、溶质和沉积物。径流系数是径流的主要特征。径流系数可以从降水和流量数据以及包含入渗模拟的降雨-径流模型中进行估算。小区尺度的降雨模拟也用于测量火后径流。降雨-径流关系可能因野火引起的高地土壤和植被特性变化而改变。
高地土壤特性影响入渗和径流、向河流廊道的沉积物输入以及高地植被。野火后关键的土壤特性包括（i）斥水性或疏水性，（ii）入渗能力，（iii）吸渗率，以及（iv）土壤湿度。这些特性可以通过星载光学、热、被动微波和主动微波传感器用于土壤湿度、固定式、车载或轨道中子宇宙射线传感、用于土壤质地和容重的实验室分析野外样品以及使用入渗仪、微型圆盘入渗仪或水滴渗透时间测试的野外测量来估算。
高地植被通过降低地表径流的平均速度、拦截雨滴能量防止地表结壳以及创造增加局部导水率的大孔隙来影响入渗和径流；通过提供可能有助于将地表径流集中到细沟中的地表粗糙度并增加土壤抗侵蚀性来影响地表稳定性和向河流廊道的沉积物输入；通过拦截积雪和遮蔽地面来影响积雪保持和融化速率；通过改变下坡流路和速率、产生植物凋落物形成的有机质、向下坡水流直接提供溶质以及影响高地土壤有机质和该物质的淋溶来影响向河流的溶质和有机质输入。野火后相关的植被特性包括植物群落组成以及植被的密度或覆盖度百分比。这些特性可以使用遥感影像（如归一化差异植被指数NDVI）、归一化燃烧比NBR、基于无人机或卫星的遥感影像用于覆盖度百分比以及使用样方植物调查的野外测量来评估。
河流廊道包括河流网络的所有部分，无论是在整个网络、整条河流还是单个河段的尺度上考量。与火后地貌恢复力相关的河流廊道组分包括活跃河道内的水流、沉积物输运、河道形态、洪泛平原形态、河流廊道水文连通性以及水生和河岸生境。在中等至陡峭地形发生的野火通常会导致火后头几年向河流廊道输送的水和沉积物通量增加。增加的通量可以表现为活跃河道内的水文过程和沉积物动力学的变化，并可引起河道和洪泛平原形态的变化。水文特征可能在总流量和洪峰流量的强度、洪峰流量的持续时间、频率、季节时间和突发性方面发生变化。水文特征可以使用现有水文站、火后安装的水文站设备、盐示踪剂和电导率传感器估算河段平均流速的测量、临时堰的安装、卫星和/或无人机影像或野外测量的高水位标记结合地形数据进行水力模型以及区域关系或校准的火前水文模型进行比较来评估。
野火后的沉积物动力学可能在溶解质、悬移质和推移质输运的强度、持续时间和频率方面发生变化。推移质动员和输运的时空模式可以使用包含溶解质和/或悬移质测量的现有水文站进行评估。在缺少时间序列测量水文站的地方，可以使用手持式或桥载/船载采样器进行现场直接测量，或进行自动野外采样。卫星影像可用于估算中型至大型河流的溶解质和悬移质负荷。推移质或许是最难测量的沉积物输运形式，但火后测量可以采用河道几何形态的重复测量，包括通过测深法，或对标记了RFID、油漆或磁性标签的部分卵石进行颗粒追踪。
野火后，河道形态可能因输入和通过河流廊道的水沙通量变化、大木流动性增加以及如果河岸植被燃烧导致河岸抗侵蚀性改变而发生改变。活跃河道形态的变化可能涉及河道宽深比、横截面积和对称性、河床颗粒级配、河床形态类型、振幅和波长、河床坡度、深潭体积、河岸形态和稳定性、弯曲度和河道平面形态、水流相对粗糙系数、大木的丰度、分布和流动性、河狸改造的存在、河道在横向和垂向的稳定性以及空间异质性的变化。大多数潜在的河道横截面积、形状和平面形态的变化可以使用传统测量、RTK或其他基于GPS的平台、船载测深、从无人机或卫星平台获取的影像或来自激光雷达的遥感高程数据进行的河道形态重复测量来评估。颗粒级配分布的变化可以使用直接的卵石计数、用于粗颗粒的无人机或地面影像自动颗粒尺寸检测软件以及用于细颗粒的样品采集和筛分、激光粒度分析或比重计测量来评估。河岸侵蚀可以使用各种类型的侵蚀桩和河岸稳定性模型来评估。深潭体积可以从使用V*技术的直接野外测量重复调查中评估。大木的分布和位置变化可以使用DEM差异法、遥感影像的监督分类和过滤的激光雷达回波来评估。粗糙系数可以从河段平均流速测量或水力模型中估算。空间异质性可以使用诸如平面复杂性或河道复杂性等指标来表征。
与河道形态类似，洪泛平原形态可能在野火后因通过河流廊道的水沙通量变化、河道迁移性和河道-洪泛平原连通性变化、河岸植被燃烧以及大木的流动性和分布变化而发生改变。改变的洪泛平原形态表现为洪泛平原宽度/河道宽度比值、洪泛平原冲积物颗粒级配分布和厚度、灰烬沉积深度、洪泛平原植被的群落组成和覆盖密度以及与洪泛平原地形、河狸改造和大木相关的洪泛平原空间异质性的变化。大多数用于描述河道形态的技术也适用于洪泛平原形态。洪泛平原颗粒级配分布和冲积层厚度可以通过取芯或浅层地球物理技术来评估。灰烬沉积的厚度、深度和空间范围可以使用沉积物岩芯、活跃河道沿岸的切坡露头以及卫星影像中的光谱指数来测量。植被特性可以通过样方的野外测量和遥感使用航空或卫星影像来估算。
河流廊道水文连通性可以在横向、纵向和垂向维度上进行评估。野火后，横向（河道-洪泛平原）连通性可能因河道和洪泛平原的尺寸变化以及输入和通过河流廊道的水通量变化而改变。这些变化可以增强或减弱洪峰的衰减，可以使用二维水力模型、包含洪泛平原淹没地形阈值的数字高程模型、检测洪泛平原上水存在的传感器阵列或遥感影像、记录漫滩流量的洪泛平原水尺和相机、高水位标记的野外调查以及洪泛平原上火灾后由水流产生的侵蚀和沉积特征的调查、用于较大流域的SWOT和卫星影像以及湿地和潜水湿生植被群落的存在、位置和特征来估算。
野火后，垂向连通性可能因高地入渗变化以及河道和洪泛平原的颗粒级配分布和地表配置变化而改变。潜流交换流可以使用盐示踪剂和电阻率、染料或氡示踪剂以及河床温度模式进行测绘。地下水补给和上升流可以使用浅井、渗流计、同位素特征和示踪剂、通过电导率传感器或卫星影像随时间测量土壤含水量、河床水温测量、集成地表和地下水流模型、泉源河道测绘、湿地和潜水湿生植被测绘以及热成像进行测绘。
野火后，纵向连通性可能因输入和通过河流廊道的水沙通量变化以及河道和洪泛平原形态的变化而改变。类似于适用于横向水文连通性的技术，纵向水文连通性可以使用记录河道和洪泛平原水流存在和/或深度的传感器、水尺和间隔相机、校准的一维静态和二维水力模型以及基于地貌特征存在的间接评估来评估。
河流廊道的水力复杂性可以使用声学多普勒流速测量的直接水力测量、基于粒子图像测速法的水力复杂性估计、或作为相对水力差异初步近似的基于地形、颗粒大小和其他粗糙度来源的几何表征、流动能量耗散机制的表征以及流动分离特征的分布和特性、和二维及三维水力模型来评估。
水生和河岸生境的丰度、多样性、稳定性、连通性和复杂性可能因火灾后水沙通量变化、河流廊道的配置和稳定性以及食物资源、营养级联和河流廊道内多种生物的连通性等因素而改变。生境的特征可以使用栖息地适宜性模型以及物种的存在与否和种群特征等工具进行评估。
现有的基于多个组分的恢复力评估通常使用分类的客观和/或主观加权系统，其中指标权重的确定是一个关键步骤。组分的选取也是一个关键步骤，特别是在评估一个河段或整段河流廊道恢复力的背景下。组分的选取和权重的分配既反映了实际可测量和监测的内容，也反映了对特定地点最重要组分的识别。我们建议按以下步骤制定恢复力指数：评估有关基线状况和可用火灾前数据的现有信息；选择并排序感兴趣的反应变量和潜在的基础控制变量；确定用于测量反应变量的空间范围、持续时间以及时空分辨率和技术；在初始径流季节或其他指定时间段后重新审视监测范围、持续时间和分辨率的选择，以评估初始选择是否足以满足预期目的。
评估河流流域或廊道地貌恢复力的能力可能取决于对以下方面的理解：评估恢复力的基线、扰动后系统组分随时间的响应、流域或河流廊道内特定组分的选择以及认识到人类与流域或河流廊道的相互作用。基线这里指的是野火前的状况。在一些地点，可能存在扰动前状况的记录。在缺少火灾前数据的地方，扰动前的状况可以从邻近的、未受扰动但其他方面可比较的地点推断。当使用任何这些方法推断扰动前状况时，重要的是将流域或河流廊道概念化为动态的，具有扰动机制和持续调整。自然或历史变异范围的概念在此背景下是有用的。如果使用自然变异范围来描述扰动前状况，那么当被野火推至该范围之外的河流廊道组分再次落入自然变异范围时，即视为恢复。
系统组分在扰动后的响应曲线或恢复轨迹也可用于评估特定变量的变化强度和/或频率是否随时间下降，以及变化是否正在使该组分恢复到扰动前状态。扰动可以使河流廊道进入一个替代状态并保持稳定。或者，野火后发生的显著变化（例如降水后洪峰流量和沉积物输运增加）可能随时间逐渐减弱，并最终达到与扰动前相似的输入-响应特征。因此，系统组分随时间的变化趋势可用于间接评估该组分是否具有恢复力。Ebel等人区分了恢复的统计评估和功能评估。统计评估基于中心趋势、方差、统计分布或线性回归等定量统计关系。这些用于定义火灾前和火灾后的状态；连续的时间比较构成了评估是否恢复到火灾前状态的基础。功能恢复评估依赖于水文功能的重新建立或无变化的记录，例如土壤湿度或流量。
对野火扰动的恢复力可以针对特定组分进行评估，也可以针对流域或河流廊道中的多个组分进行评估，并使用某种类型的加权来评估作为系统的流域或河流廊道的恢复力。使用多个组分创建恢复力指数目前主要用于评估河流生物群落、水质或城市内涝，但这种方法也可能适用于地貌组分。实际上，组分选择可能反映监测的目标和可行性。
河流流域和廊道的恢复力评估最有可能在人类需求、欲望和期望的背景下进行。虽然我们在此重点关注河流系统的地貌恢复力，但这可能与基础设
