文章信息：Rachel A. Spinti, Laura E. Condon, & Jun Zhang. (2023). The evolution of dam-induced river fragmentation in the United States. Nature Communications, 14(1), 3820. https://doi.org/10.1038/s41467-023-39194-x

整理人：闫甲祺，2024级硕士研究生

整理时间：2025年1月21日

Abstract: It is established that dams decrease river connectivity; however, previous global scale studies of river fragmentation focused on a small subset of the largest dams. In the United States, mid-sized dams, which are too small for global databases, account for 96% of major anthropogenic structures and 48% of reservoir storage. We conduct a national evaluation of the evolution of anthropogenic river bifurcation over time that includes more than 50,000 nationally inventoried dams. Mid-sized dams account for 73% of anthropogenically created stream fragments nationally. They also contribute disproportionately to short fragments (less than 10 km), which is particularly troubling for aquatic habitats. Here we show that dam construction has essentially reversed natural fragmentation patterns in the United States. Prior to human development, smaller river fragments and less connected networks occurred in arid basins while today we show that humid basins are the most fragmented due to human structures.

摘要：事实证明，水坝会降低河流的连通性；然而，之前对河流破碎化的全球规模研究主要集中在最大水坝的一小部分。在美国，中型水坝对于全球数据库来说太小了，但它们占主要人类建筑的 96% 和水库蓄水量的 48%。我们对人为河流分叉随时间的演变进行了全国性评估，其中包括 50,000 多座国家列入清单的水坝。中型水坝占全国人为河流碎片的 73%。它们还造成不成比例的短碎片（小于 10 公里），这对于水生栖息地来说尤其令人不安。在这里，我们表明，大坝建设基本上扭转了美国的自然破碎模式。在人类发展之前，干旱盆地中存在较小的河流碎片和连接较少的网络，而今天我们表明，由于人类结构，潮湿盆地是最破碎的。

1. 研究背景

• 水坝会降低河流的连通性，但以往关于河流破碎化的全球研究主要集中在大型水坝上。在美国，中型水坝（未被全球数据库收录）占主要人为结构的96%和水库蓄水量的48%。
• 河流连通性（即水在没有人为干预的情况下自由流动的能力）是生态系统健康的关键指标。自然状态下，河流碎片从源头延伸到河口，未受水坝影响的系统能够运输水、生物、营养物质、泥沙和能量，以维持水生生境。
• 水坝通过打断流域连通性导致河流破碎化，这种破碎化对淡水生物多样性构成威胁，并与淡水鱼类种群的丧失有关。全球研究表明，世界上63%的最长河流不再自由流动，全球48%的河段存在一定程度的连通性降低，而美国的情况更为严重。

2. 研究意义

• 本研究通过评估超过50,000个中型和大型水坝对美国河流破碎化的影响，揭示了中型水坝对河流破碎化的显著贡献，以及人类活动如何改变自然破碎化模式。
• 研究结果表明，中型水坝在国家范围内占人为创造的河流碎片的73%，并且在短碎片（小于10公里）中贡献尤为显著，这对水生栖息地尤其不利。
• 该研究为全面理解人类活动对河流网络的影响提供了重要数据，并强调了中型水坝在河流破碎化中的重要性，这对于未来的水资源管理和生态保护具有重要意义。

3. 研究方法

• 数据集：研究基于国家人为障碍数据集（National Anthropogenic Barrier Dataset, NABD）和国家水文数据集Plus版本2（NHDPlusV2）。
• 河流破碎化分析：通过开发的算法，识别和标记自然和人为碎片。算法从流域的源头开始，沿着河流网络向下追踪，直到遇到另一个碎片、人为结构或河流的终点。
• 程度调节（Degree of Regulation, DOR）：DOR定义为水库蓄水能力与年径流总量的比率，用于量化水坝对河流流量的调节能力。
• 破碎化和调节的时空变化：研究分析了从1920年到2010年期间，水坝建设对河流破碎化和调节能力的影响，特别关注中型水坝与大型水坝的差异。

4. 研究主要结论

• 中型水坝的主导作用：中型水坝在美国河流破碎化中占据主导地位，占全国主要结构的96%，并且在短碎片的形成中贡献尤为显著。
• 调节能力的增加：DOR随着时间的推移稳步增加，表明水坝对河流流量的调节能力不断增强。到2010年，密西西比河和科罗拉多河等主要流域的DOR超过1，表明这些流域的调节能力极强。
• 破碎化模式的转变：人类活动已基本逆转了美国的自然破碎化模式。在自然状态下，干旱流域的破碎化程度最高，而如今，湿润流域由于人类结构的存在而成为破碎化最严重的地区。
• 短碎片的增加：中型水坝对短碎片（小于100公里）的形成贡献最大，占这些碎片的70%以上。这种短碎片的增加对水生生态系统和生物多样性构成了威胁。

5. 研究展望

• 数据改进：尽管NABD比其他全球水坝数据库更完整，但仍有大量小型和非常小型的结构未被包括在内。未来的研究需要更全面的国家结构清单和可访问的水坝运行数据，以更准确地评估河流破碎化的影响。
• 政策和管理应用：研究结果为水资源管理和生态保护政策提供了科学依据，特别是在考虑水坝拆除和河流恢复项目时，需要充分考虑中型水坝的累积影响。
• 生态系统影响评估：未来的研究可以进一步探索河流破碎化对生态系统功能和生物多样性的具体影响，特别是在不同气候和地理背景下的影响。

6. 研究主要图表：

01 中型与大坝的数量和储层存储能力的比较

02 随着时间的推移，基于水坝的河流调节扩展到支流和水源系统

03 中大坝调节源头系统

04 随着时间的推移河流连通性减少

05 总体碎片密度与中坝频率的比较

06 无坝，所有大坝和大型大坝的各种碎片长度的超出概率

07 示例分水岭代表碎裂算法

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39194-x                          

原文转引：https://mp.weixin.qq.com/s/GBq5LpvM5H-jxRe5wQCE6g