Där floder möter hav, varje cykel av tidvattnet flyttar vatten in och ut ur flodmynningar. Blandning och blandning av färskt och saltvatten, i kombination med säsongsbetonat väder, skapar en unik miljö för ekosystem i kustnära flodmynningar och uppströms tidvattenfloder.

Men vad betyder klimatförändringarna för dessa våtmarkssamhällen? Och hur kan aktiviteter som dammdrift och markutveckling påverka dem?

För att hjälpa till att svara på dessa frågor, forskare vid Pacific Northwest National Laboratory's Marine and Coastal Research Laboratory utvecklade ett prediktivt ramverk av ekologiska indikatorer och analyser för forskning och förvaltning av flodmynningar och tidvatten. Ett decennium på väg, det innovativa ramverket ger ett sätt att förstå hur både naturliga och mänskliga krafter styr hydrologi och växtsamhällen i dessa komplexa våtmarksekosystem, nu och i framtiden.

Ramverket beskrivs i "Ekohydrologi av våtmarksväxtsamhällen längs en flodmynning till tidvattengradient, " som publicerades den 18 september i Ecological Society of Americas tidskrift med öppen tillgång Ekosfär . Forskningen är den senaste i en serie av regionala studier som stöds av Bonneville Power Administration och U.S. Army Corps of Engineers, Portland District, som genomför ett program för att återansluta och återställa våtmarker på Columbia River floodplain.

En första för ekohydrologi

Från 2005 till 2016, studiegruppen registrerade landhöjd, vattenhöjd, och växttyper från 50 kärr längs den nedre flodslätten i Columbia River. Denna översvämningsslätten sträcker sig 145 miles från mynningen av Columbia River till Bonneville Dam, 65 miles öster om Portland, Oregon.

Amy Borde, en PNNL-jordforskare och studiens huvudförfattare, kombinerade undersökningsdata med en algoritm för att mäta översvämning – hur mycket vatten kvarstod under hur länge på en viss plats. Borde sa att det resulterande kumulativa värdet gjorde det möjligt för forskarna att slå samman olika typer av hydrologisk information till ett enda nummer.

"Vi kan sedan jämföra höjder på en enda plats, eller mellan platser längs flodens lutning, ", sa Borde. "Det var ett värdefullt verktyg för att analysera hydrologin."

Heida Diefenderfer, en annan jordforskare vid PNNL och medförfattare till studien, sade att det nya ramverket kan ge en grund för att modellera och förutsäga framtida förändringar i liknande tidvattenekosystem runt om i världen.

"Amys arbete gjorde det möjligt att jämföra våtmarker genom denna typ av gradient, från kustlinjen till ett floddominerat system, som aldrig gjorts förut, " sa Diefenderfer.

Naturens nyttospelare

Som jättesvampar, våtmarker fyller viktiga miljöfunktioner, som att kontrollera översvämningar, lagring av kol, och filtrering av föroreningar. Våtmarksmiljöer ger också skydd och mat för fåglar, fisk, och däggdjur. Till exempel, liten lax nappar längs Columbia Rivers stränder, växer och blir starkare på sin resa nedför floden till Stilla havet.

Men Diefenderfer sa att dessa viktiga kustekosystem ofta går obemärkt förbi eller ses som ödemarker.

"De tenderar att fyllas i och byggas om eller odlas, sade Diefenderfer, "så att förstå de hydrologiska tröskelvärdena och konkurrensen mellan arter är viktigt både för att informera om ekosystemåterställning och för att förbättra förståelsen för hur våtmarker relaterar till globala förändringar."

Bonneville Dam representerade en naturlig gräns för studien. Av många dammar vid Columbiafloden – som har sitt ursprung i Kanada och rinner genom flera amerikanska delstater innan de går västerut ut till Stilla havet – är Bonneville längst ner i floden. Under sensommaren och hösten, när flodflödena är som lägst, tidvattnet kan färdas hela vägen uppför floden till dammen, eller "tidvattnets huvud".

Salthalt och arter

Den långsiktiga forskningssatsningen, ett fokus för PNNL:s forskningsteam för kustekosystem, tillåtit forskare att registrera växtsvar i låg-, medium-, och högflödesår. Resultaten visade att växtarter varierade över höjder inom våtmarker och längs floden. Variationerna berodde på avståndet från salt och tidvatten vid kusten, och volymen av flodflödet under tidvattnet.

Teamet fann också att väta - eller översvämning - till stor del bestämde växtsamhällen och motstånd mot icke-inhemska arter. Närmast Stilla havet, salthalt hindrade främmande arter från att få fäste. Bara uppför floden, i den starkt tidvatten- men sötvattenszonen, växtarternas mångfald var högst – en indikator på motståndskraften i tidvattenvåtmarkerna.

Längre uppför floden, förändringar i dagliga, säsong, och årliga vätnings- och torkcykler ökade invasionen av icke-inhemska arter. Dessa cykler minskade också mångfalden av vattenväxter och annan vegetativ täckning. I genomsnitt, kvaliteten på växtsamhällen förbättrades avsevärt närmare havet.

Baserat på ramverket, teamet identifierade fem distinkta vegetationszoner associerade med indikatorarter och unika mönster av salthalt och översvämning. Två växtarter – Lyngbyes sedge (inhemsk) och vass kanariegräs (icke inhemsk) – stack ut för sin täckning och konkurrenseffekter på andra växter. Den dominerande rollen för dessa två arter byttes ut mellan hav- och flodinfluerade zoner, respektive.

Teamets ekohydrologiska ramverk kan användas för tillvägagångssätt i landskapsskala för ekologisk forskning och förvaltning i övergångszoner för tidvattenfloder runt om i världen. Studien relaterar också till PNNL:s globala jordsystemsmodelleringsinsatser för det amerikanska energidepartementet genom sin forskning för att bättre förstå och modellera det terrestra-akvatiska gränssnittet - där ekosystem övergår mellan land och vatten.