实验室研究团队在Nature Communications发表最新研究成果：揭示全球大河三角洲对河流入海泥沙供应变化的响应时间
三角洲是河流送给海洋的礼物。礼物的成分——河流泥沙源源不断输送至入海口堆积并发育富饶的三角洲，孕育了人类文明和支撑经济社会发展。然而，近几十年来流域高强度人类活动扰动导致河流至河口的泥沙输运和源汇格局发生显著改变，直接威胁三角洲土地持续淤涨和生态系统服务功能。三角洲土地面积变化直接反映上游河流泥沙输入的多寡，特别是流域水库化导致减沙极可能引致三角洲生长速率放缓，甚至进入衰退阶段。这已在科学界和工程界引起广泛关注，两者是“同步性”变化，还是出现潜在的“非同步性”，亦或得出“不相关”的结论。
三角洲土地变化可能需要一定时间来响应上游河流泥沙输入多寡的波动。但“一定时间”是否可以被量化？究竟是多长时间的滞后？这是值得争议的话题。实际上，揭示三角洲生长过程滞后流域泥沙多寡的具体时间及主控因素，应有助于解释为何在仅考虑同步变化时难以捕捉两者的相关性，也将促进我们对河流至三角洲系统内泥沙再均衡和动力地貌过程的深入理解。同时，弄清目前正“饥渴”的三角洲渴望迅速得到河流邮寄的“泥沙”的期望日，从而有利于三角洲的人民调整政策和管理目标，实现三角洲地区的可持续发展。因此，通过长达十年的研究，华东师范大学河口海岸全国重点实验室戴志军研究员团队联合领域内国际知名学者，提出河流“快递”给三角洲的“泥沙大礼包”会在六年左右的时间送达，抵达时间取决于三角洲环境的动力条件。
近日，该研究成果以Response time of global deltas to changes in fluvial sediment supply为题，发表于Nature Communications。华东师范大学河口海岸全国重点实验室博士毕业生王杰为第一作者，戴志军研究员与荷兰乌特勒支大学Nienhuis博士为共同通讯作者，其他共同作者包括河口海岸全国重点实验室梅雪菲研究员、香港理工大学段焕丰教授。
三角洲面积的增减竟然反映六年前流域入海泥沙量的波动
该文基于全球60个大河河口三角洲面积及其入海泥沙变化的研究发现1990-2020年间有36条河流输运到三角洲的泥沙量逐渐减少，24条河流的泥沙供给保持增加趋势，这使输入海洋的陆源泥沙总量以1.38×107 t/yr的速率持续减少（图1a-1c）。相应地，尽管三角洲土地总面积以271.52 km2/yr的速率增加，但整体生长速率放缓（图1d），其中有17个三角洲的土地面积已发生持续缩减。进而，基于二者的滞后相关揭示（图2），60个三角洲在这31年间的土地变化速率整体滞后于河流入海泥沙波动约6年（图3a-3c）。换言之，在全球尺度上，三角洲土地面积净增加或净减少速率反映了约6年前河流泥沙输入量的波动趋势，这补充我们对两者“非同步性”变化的认知和理解。进一步，我们再次分析36个河流入海泥沙供给量逐渐降低的三角洲时，发现其土地生长速率大致也滞后6年来响应上游泥沙输入多寡，且其滞后效应更为明显（图3d-3f）。然而，其它24个河流泥沙供给逐渐增加的三角洲，该滞后时间仅为1年，表明在具有更高泥沙可获得性的三角洲，其土地生长速率能更敏锐地响应河流泥沙供给的波动。
图3.（a-c）1990-2020年间所有三角洲的年总河流泥沙供给量和总土地面积变化速率的时间序列，交叉相关分析表明两者的整体滞后时间约为6年（滞后数据显著正相关）；（d-f）在36条河流泥沙供给逐渐减少的三角洲，其年总土地面积变化速率滞后于年总输沙量波动约6年；（g-i）在24条河流泥沙供给逐渐增加的三角洲，其年总土地面积变化速率仅滞后年总输沙量波动约1年。
河口强大的潮汐动力能让三角洲响应河流的影响更为迟钝
在不同的三角洲间，各自滞后时间存在较大分异。我们在本研究中主要选择具有非负滞后时间（∆t ≥ 0，具有物理意义）且滞后数据显著相关（P ≥ 0.10）的23个三角洲（图4a），分析不同类型三角洲（基于Galloway分类）的滞后行为差异与影响因素。工作发现个体三角洲滞后时间的长短似乎与其主控水沙动力过程和相对强度相关，其中滞后时间最长的5个三角洲中有4个均为潮汐动力主控的三角洲。对比来看，潮汐动力主控的9个案例平均滞后时间达到9.9年，这明显高于7个河流动力主控三角洲案例的6.6年，亦慢于7个波浪动力主控三角洲的4.1年。
进一步，我们将所有选择的三角洲投影到表征其河流、潮汐和波动动力相对强度的三元图中（图4b）。可以发现，滞后响应时间更长的三角洲主要紧密地聚集在潮汐动力主导端，特别是长江三角洲和格伦比亚三角洲，其滞后时间分别长达22年和21年。相对地，大多数滞后时间较短的三角洲分散在河流动力主导端，如乌拉圭三角洲和黄河三角洲。而在强波浪动力主导端，不同三角洲间的滞后时间差异较大，表明其地貌响应过程更为复杂多变、整体与河流泥沙供给波动间的相关性较弱。
因此，本研究构建了表征潮汐动力和河流动力相对强度的T值指标，定量地揭示具有更高T值的三角洲其土地面积变化速率表现出更长滞后时间（图5a）。比如在哥伦比亚三角洲和乌拉尔三角洲（里海非开放水域）的T值分别最高和最低，为478.1和0.001，对应的滞后时间分别达到22年和2年。此外，研究结果表明三角洲总体空间尺寸和滞后时间呈现显著负相关，即更大型三角洲似乎对河流沉积物供应量的变化反应更快，比如在亚马逊三角洲、伊洛瓦底江三角洲和黄河三角洲（图5b）。
很多相关研究指出强潮汐过程会产生显著的潮汐放大效应和更强的水体垂向混合，这能够很大程度上控制漏斗型三角洲河槽和潮滩系统内的水动力和泥沙输运过程。因此，本研究的结果亦凸显出在潮汐动力主控的三角洲，其更强的潮泵效应、涨落潮流过程和广阔的盐沼潮滩能够极大地增加三角洲内泥沙沉积和土地生长速率，进而增强三角洲地貌稳定性，且表现出相对更长滞后响应时间。而在波浪动力主导的三角洲，其泥沙输运过程和整体土地面积变化特征主要受控于强沿岸流和波浪侵蚀作用，这导致其相对河流或潮汐动力主导的三角洲表现出更多变的滞后响应时间尺度。此外，本研究亦讨论了三角洲尺度上高度关联的水动力、泥沙输运和地形条件共同影响的总体泥沙滞留效率对滞后时间的差异性影响，相对更高滞留效率将增加三角洲土地变化的滞后响应时间。
图4.（a）具有非负滞后时间且滞后数据显著正相关的23个三角洲的全球分布，展示其1990-2020年间年均河流泥沙供给量和滞后时间；（b）23个三角洲的河流、潮汐和波浪动力相对强度的三元图，圆圈颜色代表其滞后时间。
图5.（a）16个河流或潮汐过程主控三角洲的T值（潮汐动力/河流动力）与计算滞后时间的关系，呈现显著正相关；（b）16个河流或潮汐过程主控三角洲的总空间面积及其滞后时间的关系，呈现显著负相关。
三角洲变化滞后于河流传送泥沙“礼包”送达的启示
本研究为更好地理解全球尺度上河流泥沙输运和三角洲土地生长速率间的“非同步”变化过程补充新的证据，也强调了个体三角洲尺度上其滞后响应时间主要受控于不同的强水动力过程。工作揭示的滞后响应量化特征为剖析强人类活动影响下河流至三角洲系统泥沙输运和动力地貌过程提供新的见解，也为保护高度脆弱的三角洲湿地、增强气候韧性和促进陆海协同发展提供重要科学依据，增强我们对地球表层多元素非线性动态过程和作用机制的理解。
本研究得到国家自然科学重点基金（42430406）、上海市国际科技合作基金（23230713800）和香港研究资助局项目（C5002-22Y）等的联合资助。
原文链接：Wang, J., Dai, Z.J., Mei, X.F., Duan, H.F. & Nienhuis, J.H. Response time of global deltas to changes in fluvial sediment supply. Nature Communications 16, 5573 (2025). https://www.nature.com/articles/s41467-025-60531-9
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Nature Communications ,
2025 ,
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