生物奇迹：蝉洞探秘 —— 布鲁德第十代蝉对径流与地下水的重要作用-

布鲁德第十代蝉（Brood X cicadas）是一种昆虫，属于鞘翅目蝉科（Cicadidae）。它们是美国中西部和东部地区特有的一种蝉群，也被称为17年蝉或布鲁德X蝉。这种蝉群的特点是它们每隔17年才会出土一次，形成了独特的周期性出土现象。这也使得它们成为人们关注的焦点，因为它们的出土是一个规模庞大且难得的生态事件。2021年的5月和6月，美国中西部和东部地区迎来了布鲁德第十代蝉（Brood X cicadas）的隆重出土。可能很多读者朋友有印象，当时央视也报道了——数十亿只蝉从土壤中钻出。相当壮观！

上图：这是一张2021年布鲁德第十代蝉出土后不久的照片。照片中的蝉是在2021年5月22日出现在马里兰州佩里霍尔的一株幼小黑莓上。图源：Nick162534，Wikipedia。

自1893年开始统计以来，周期蝉的出现年分几乎没有失误过，而2021年是周期蝉预定出现第10次，所以科学家把2021年这次爆发的蝉命名“布鲁德第十代蝉”。

这些十七年蝉，留下了大量的洞穴和通往土壤深处的蝉洞。这些现象可能会影响土壤水分渗透率，在这个背景下，科学家进行了一项研究，旨在探究这些蝉洞对水文过程的影响。

2023年2月，一份新的研究成果发表在Hyrological Processes上。这项研究主要想要搞清楚的是，这些生物的大规模“爆发”式从土壤下冒出地面，对森林和城市景观的近地表水文过程有怎样的影响。

我们知道，在森林景观中，生物如蝉群、蚯蚓、蚂蚁等通过挖掘洞穴和隧道，形成了大量的生物孔隙。这些生物孔隙增加了土壤的通透性，促进了水分的渗透和循环。蝉群出土后，它们留下的蝉洞成为土壤中的表面连接大孔隙，使得降水可以迅速进入土壤剖面，并流入更深层次和浅层地下水水位。这些蝉洞作为通道，增加了降水与地下水之间的联系，对于径流动态、土壤和地下水充水和质量、营养循环等都产生了重要影响。

然而，在城市景观中，生物对近地表水文过程的影响可能会受到较大的限制。城市化过程导致大面积的水泥硬化地面，使得生物的栖息地受到限制，生物孔隙的形成和水文过程受到阻碍。特别是在受到人类干扰较大的城市区域，如市区中心、道路和建筑密集区，生物孔隙的形成受到压实和破坏，从而限制了水分的渗透和流动。

为了研究布鲁德第十代蝉在2021年爆发的影响，该研究团队采用了单环和双头渗透计，在美国印第安纳州南部中心地区的不同出土和土地利用模式下，对现场的饱和水力传导率（Kfs）进行了测量。

上图：图中显示了位于美国印第安纳州布卢明顿附近的饱和水力传导率测量点，其中(a)标记为扰动/城市地区（标记为A），(b)标记为未扰动/森林地区（标记为B）。图片来源：该论文作者Darren L. Ficklin等。

研究的实验设计包括森林（未扰动）和城市（扰动）地区的有无蝉洞的地点。在未扰动的森林地区，研究团队发现有蝉洞的土壤和无蝉洞的土壤之间的Kfs显著增加了80.8%。而在城市化的地区，蝉洞对Kfs没有产生显著影响。此外，对于未扰动的地点，蝉洞数量与Kfs速率之间存在着显著的相关关系，而在城市化地区并未发现相关关系。

上图：示例测量位置、工具和观察，包括(a) 一个有大量蝉洞的区域，(b) 一只正在出土的蝉（用圆圈标注以便清晰显示），(c) 洞穴（n=4；用圆圈标注以便清晰显示）位于渗透环内，以及(d) 使用SATURO双头渗透计进行的实验设置，近距离测量带有和没有蝉洞的渗透情况。图片来源：该论文作者Darren L. Ficklin等。

研究结果表明，蝉洞对Kfs的影响在城市化区域被最小化了。这可能是由于城市化导致的土壤压实和其他人类干扰影响了蝉留下的大孔隙的存在。相反，未扰动地区的蝉洞形成了表面连接的大孔隙，成为降水进入土壤剖面和流入更深层次和浅层地下水水位的通道。这对于径流动态、土壤和地下水充水和质量以及营养循环都具有重要的影响。

研究团队的实验结果显示：在受到较小人类干扰的地区，例如森林中，布鲁德第十代蝉的蝉洞对土壤的饱和水力传导率产生了显著的影响。而在受到较大人类干扰的地区，并未发现这种关联。

上图：图中为箱线图，展示了扰动（顶部）和未扰动（底部）地点的现场饱和水力传导率，其中右侧为有蝉洞，左侧为无蝉洞。每个点的误差棒代表该测量值的标准误差。图源：该论文作者Darren L. Ficklin等。

布鲁德第十代蝉的出土现象是一个自然界的奇观，它们的蝉洞留下了一个独特的生态印记。这项研究的结果在水文学领域有重要意义。布鲁德第十代蝉的广泛出土将影响其他科学领域，包括植被的水分吸收、地表水径流、地下水补给率、营养循环以及土壤水分和地下水质量的变化。研究结果为我们更好地理解这一现象带来的影响提供了科学依据，也为未来的城市规划和土地利用决策提供了参考。尤其是，在当下多地在大力推动“海绵城市”建设的背景下，这个问题尤为值得我们思考。

参考文献：https://doi.org/10.1002/hyp.14822

编译：王芊佳

审核：Samantha

编辑：Tommy