古水成土壤的生物地球化学恢复作用及其在当代洪泛区修复中的角色

《Ecological Engineering》：Biogeochemical recovery and role of ancient hydric soils in contemporary floodplain restorations

历史湿润土壤在恢复水道中的脱氮潜力及恢复时间研究。通过马里兰州Gramies Run流域三年对比实验，发现掩埋的有机质土壤需3年以上才能显著提升脱氮速率，初期因氧化释放无机氮但溶解氮浓度低。保留原位未扰动土壤可加速恢复，水文连通性和碳供应是关键驱动因素。

　　近年来，随着对水体污染问题的关注不断加深，河流和洪泛区的生态修复已成为一种重要的管理实践。这些修复措施旨在减轻沉积物和营养物质的污染，同时满足监管机构设定的水质目标。然而，许多修复项目在实施过程中往往忽略了历史遗留影响（如农业、建坝、森林砍伐等）所造成的原始环境条件，未能充分考虑如何利用这些条件实现更具环境效益的修复效果。为此，我们对一个经过修复的洪泛区表面所暴露的古代、埋藏的水生土壤进行了生物地球化学恢复的评估，并探讨了其在提供脱氮生态系统服务方面的潜力。

研究对象包括埋藏的水生土壤以及当代湿地土壤，评估时间持续了三年。在Gramies Run修复现场（位于美国马里兰州Elkton市），我们进行了每月的孔隙水采样和每六个月的土壤采样。采样分析涵盖了总碳（C）和氮（N）、硝酸盐和铵态氮的浓度、氮处理速率（包括脱氮、净硝化和矿化）以及活性微生物生物量。研究发现，水生土壤在氧化过程中会释放无机氮，但溶解的氮浓度仍然较低（≤1 mg/L）。值得注意的是，第一年的脱氮速率较低（1–4 μg kg?1 h?1），但随着时间推移，特别是在第三年，脱氮速率逐渐上升至更高的水平（10–47 μg kg?1 h?1）。这一趋势表明，埋藏的水生土壤在修复后可能需要三年或更长时间才能发挥出显著的生态服务功能，如改善脱氮能力和提升水质。同时，我们也建议，若能在原地保持水生土壤的自然位置和水分条件，其恢复速度将更快。

在美国东部地区，尤其是中大西洋地区，历史和现代的土地利用方式（如森林砍伐、农业、水力发电坝等）导致了广泛的坡地侵蚀，同时在河流和溪流河谷中积累了大量的历史沉积物（James, 2013; Walter and Merritts, 2008）。这些沉积物埋藏了曾经存在的湿地、沼泽和有机土壤，其年代跨度从约250至4500年前不等（Elliott et al., 2013; Wegmann et al., 2012）。随后，由于水坝的破坏和移除，河流侵蚀这些沉积物，并将相关的营养物质带入下游（Merritts et al., 2011; Walter and Merritts, 2008）。历史沉积物及其携带的营养物质在中大西洋地区的下游运输，已成为水污染的重要来源（Miller et al., 2019）。

历史遗留影响、农业活动和城市化等因素的叠加，导致了氮输入量的显著增加，以及河流流速和峰值的改变。这些变化与切萨皮克湾下游的水质问题密切相关（Bernhardt and Palmer, 2007; Clune and Capel, 2021; Groffman et al., 2003; Noe et al., 2020）。增加的峰值流速加剧了河岸的侵蚀和渠道化，从而导致河流与洪泛区之间的水文隔离（Walsh et al., 2005）。水文隔离可能削弱脱氮作用，因为浅层地下水和河水无法淹没周围洪泛区土壤的表层有机质丰富的区域（Lammers and Bledsoe, 2017; McMillan, 2020; Roley et al., 2012）。城市和农业流域中氮输入量的增加已被归因于肥料、生活污水、历史沉积物的侵蚀以及大气沉降（Cole et al., 2006; Groffman et al., 2004; Kaushal et al., 2011; Lutgen et al., 2020）。因此，当前的土地利用方式不仅增加了流域的氮负荷，也降低了河流和洪泛区在氮的保留和转化方面的能力（Bernhardt and Palmer, 2011; Kaushal et al., 2008; Mayer et al., 2010, Mayer et al., 2022; Noe et al., 2020）。

尽管河流和洪泛区修复项目的目标通常包括改善河流健康和提升水质，但这些项目在实施过程中很少考虑埋藏的历史有机层。这些土壤代表了历史时期的环境条件，富含碳和氮，可能包含独特的微生物群落，有助于提升修复项目的土壤健康（Hill, 2011; Inamdar et al., 2023; Weitzman et al., 2014）。然而，目前的修复实践很少评估洪泛区土壤的健康状况，以及如何将历史水生土壤纳入修复设计中以实现水质目标（Inamdar et al., 2023）。土壤健康在这里被定义为能够增强土壤生态系统功能的物理、化学和生物属性（Inamdar et al., 2023; Lehmann et al., 2020）。因此，埋藏的有机层中的有机碳可能在修复过程中被利用，通过将这些土壤层暴露在洪泛区表面，以及重新与河流通道建立水文联系，从而增强氮的去除能力（Peck et al., 2023）。

此外，洪泛区表面的可溶性碳（如植被释放的碳）可能刺激长期休眠的微生物群落的恢复，提升微生物多样性和脱氮潜力（Epstein, 2009; Graham et al., 2016; Jones and Lennon, 2010）。最近的研究表明，在“Stage 0”修复项目中，纳入历史水生土壤可以显著提高脱氮能力和硝酸盐的保留（Forshay et al., 2022; Hartranft et al., 2011; Mayer et al., 2022）。通过对13种历史有机土壤在修复后的变化进行比较，Peck等人（2023）发现这些土壤的脱氮速率和基因数量（如nosZ）以及活性微生物生物量都有所增加。因此，历史水生土壤可能在提高氮去除能力和土壤微生物多样性方面具有重要价值，应被纳入河流和洪泛区的修复实践。

虽然已有研究证实了历史有机土壤在修复中的潜在益处，但关于这些土壤在暴露于洪泛区表面后，其化学成分和处理过程如何变化，以及这些变化如何随着修复项目的成熟而演变，目前的研究仍较为有限（Inamdar et al., 2023; Mattern et al., 2020; Sweeney et al., 2019）。为了填补这些知识空白，我们对在Gramies Run修复现场暴露的古代水生土壤进行了原地培养实验，评估其生物地球化学恢复的速率。这些实验将古代水生土壤与两种其他处理方式进行了比较：第一种是修复后的洪泛区土壤“原样”状态；第二种是古代水生土壤在洪泛区表面的培养；第三种是来自相邻现代湿地的土壤在洪泛区表面的培养。我们关注了三个关键问题：（Q1）古代土壤的氮浓度在修复后如何变化？（Q2）古代水生土壤的氮处理速率如何随时间演变，这些变化与洪泛区土壤和现代湿地土壤相比如何？（Q3）土壤在修复后变化的主要驱动因素是什么？我们预测（图1 e, f）：（H1）在修复初期，现代湿地和古代湿地土壤的氮浓度将高于修复后的洪泛区土壤；（H2）当代湿地土壤的氮处理速率（包括脱氮、净矿化和净硝化）将高于古代水生土壤，但古代水生土壤的处理速率将在三年内缓慢增加；（H3）土壤的营养状况和微生物生物量可能是影响古代水生土壤恢复的关键因素。在修复初期，土壤暴露于好氧条件会立即促进硝化和矿化速率，导致孔隙水中氮浓度的上升。当代湿地土壤由于初始活性微生物群落更为丰富，因此其氮处理速率更高。古代水生土壤的处理速率则可能随着洪泛区中可溶性碳的增加而逐步提升。

本研究的结果将为修复实践者提供有价值的指导，帮助他们理解如何利用古代、埋藏的水生土壤来提升河流和洪泛区的修复效果，并预估在水质和生态系统服务（如硝酸盐的脱氮去除）方面的改善。通过深入了解这些土壤在修复后的恢复过程，我们可以更好地制定科学的修复策略，以实现可持续的水环境管理目标。此外，本研究还强调了在修复过程中保留和利用历史土壤的重要性，以加快其生态功能的恢复。这不仅有助于提高氮的去除效率，也对改善洪泛区的土壤健康和生物多样性具有深远的意义。因此，未来在进行河流和洪泛区修复时，应更加重视历史土壤的恢复潜力，并将其纳入修复设计中，以实现更高效的生态服务功能。