河狸活动对沉积物-水界面硝酸盐储存与转化的影响

《Hydrobiologia》：Beavers affect nitrate storage and transformation at the sediment–water interface

　　

摘要专业翻译 再野化是一种旨在重建生态系统过程和功能的恢复策略。本研究聚焦于英国萨塞克斯郡克奈普庄园再野化场地中欧亚河狸（Castor fibre）的重引入，及其在2024年秋季对沉积物-水界面硝酸盐（NO3?）通量的影响。研究人员测量了上游、下游、河狸池塘边缘及两个对照位点的溪流内水质、温度及斑块尺度NO3?通量的野外数据。为补充野外分析，研究人员对来自各位点的新鲜（未灭菌）与无菌沉积物进行了受控实验室条件下的NO3?通量测定，以确定参与沉积物NO3?通量的微生物过程。结果显示，河狸池塘内的溪流内NO3?浓度显著高于其他位点，但仍低于英国环境质量标准。下游及河狸池塘内沉积物-水界面的NO3?去除率显著高于上游及集水区对照位点。结果表明，在低营养的再野化系统中，受河狸活动影响的下游河段沉积物具有更强的促进NO3?生物去除能力。

论文解读文章

一、研究背景与目的

氮素在塑造淡水生态系统的物种组成、多样性和生态功能中起着至关重要的作用。然而，人类活动显著改变了河流中的氮动态，导致氮流动性增加和全球水质退化。硝酸盐是淡水中氮污染的主要形式，因其既是有机氮矿化的最终产物，也是土壤和沉积物中高度移动的阴离子。在英国，农业面源污染仍是集水区尺度上农村水质的主要压力来源。物理和生物地球化学因素共同影响着河流氮动态，这些过程主要集中在沉积物-水界面，并受到河流流量、沉积物类型、水质、河流代谢及有机物质的数量和质量的影响。反硝化作用是永久性从生态系统中去除氮的关键缺氧生物过程，但河流退化已影响了沉积物储存和转化硝酸盐的能力。

河狸作为“生态系统工程师”，其筑坝行为和引入木质残体有助于恢复侧向洪泛平原连通性、水文动态性以及大型动物和微生物多样性。河狸坝能够显著改变河狸池塘的生物地球化学特性，通过拦截沉积物、增强缺氧条件、提升溶解性有机碳含量并促进植被生长，从而影响沉积物的生物地球化学过程。已有研究表明，河狸池塘可促进反硝化作用，显著降低总氧化态氮，并增强硝酸盐滞留。

本研究旨在调查再野化背景下，河狸活动对英国萨塞克斯郡阿杜尔河再野化河段的溪流内硝酸盐浓度及沉积物介导的硝酸盐转化的影响。具体目标包括：（1）识别河狸活动对溪流内硝酸盐浓度、pH、溶解氧和水温的影响；（2）识别河狸活动对沉积物-水界面硝酸盐通量的影响；（3）分离影响硝酸盐浓度的生物与物理沉积物过程。

二、研究方法概述

研究在克奈普庄园进行，该庄园自2001年起实施最少干预的土地管理方式，并于2022年引入一对欧亚河狸至6英亩围栏内。研究设置了河狸池塘上游、下游、池塘边缘以及两个对照位点（克奈普对照和阿杜尔对照）。野外测量方面，研究人员在2024年10月至12月期间，使用硝酸盐离子选择性电极记录硝酸盐浓度，同时测定溶解氧、pH和水温。为评估沉积物-水界面硝酸盐通量，研究人员在14个上游位点、8个河狸池塘边缘位点、11个下游位点和6个阿杜尔对照位点进行了斑块尺度的通量测量，方法是将约10克表层沉积物加入含硝酸钠溶液的试管中，定期记录硝酸盐浓度变化。实验室分析中，研究人员将沉积物分为新鲜（未灭菌）和无菌两种处理，采用流动式装置在恒定流速下监测硝酸盐浓度变化，以区分生物与物理过程的作用。

三、研究结果

1. 水体化学测量结果

河狸池塘内的硝酸盐浓度显著高于所有其他位点，范围从阿杜尔对照位点的0.5 mg NO₃^? l^?1到河狸池塘的1.39 mg NO₃^? l^?1。下游位点的pH值显著不同，范围为7.43至8.07。克奈普对照位点的溶解氧浓度显著高于其他位点，最低值为上游的3.73 mg l^?1。水温方面，克奈普对照位点与其他位点也存在显著差异。

2. 野外与实验室沉积物-水界面分析结果

野外实验中，下游位点的硝酸盐去除率显著高于其他位点。实验室实验中，上游、阿杜尔对照和克奈普对照位点在新鲜与无菌条件下硝酸盐百分比变化存在显著差异，而下游和河狸池塘内位点则无显著差异。新鲜-无菌校正后的沉积物-水界面硝酸盐通量速率显示，河狸池塘边缘和下游沉积物的硝酸盐去除率显著高于上游位点，下游沉积物的去除率也显著高于克奈普对照位点。

四、讨论与结论总结

讨论部分指出，所有位点的溪流内硝酸盐浓度均远低于环境关注标准。克奈普庄园的再野化实践，包括停止施肥、大幅减少农业管理和低密度放牧，已显示出增加土壤动物群和显著减少硝酸盐径流的效果。河狸池塘内硝酸盐浓度较高，这与以往研究一致，因为河狸池塘作为沉积物陷阱，可积累有机质并储存硝酸盐。此外，历史农业遗留的氮素可能通过降雨引发的径流进入水体。实验室实验表明，上游和对照位点的沉积物主要通过硝化作用产生硝酸盐，而河狸池塘和下游沉积物则表现出更强的生物性硝酸盐去除能力，这可能归因于反硝化作用的增强。河狸筑坝创造了缺氧条件和丰富的有机质，有利于微生物反硝化。

研究结论总结如下：本研究结果表明，河狸活动显著影响氮的储存与转化。尽管溪流内硝酸盐总体水平较低，但河狸池塘内的硝酸盐水平显著升高。关键在于，下游和河狸池塘内沉积物的硝酸盐去除率显著高于上游和对照位点。这表明，即使在低硝酸盐的再野化系统中，受河狸活动影响的下游河段沉积物也具有显著更强的生物去除硝酸盐能力。最后，本研究提出了一种可在野外提供简单、及时沉积物硝酸盐吸收测量的功能性方法。未来研究应追踪硝酸盐转化及相关去除的全过程，全面表征河狸活动对沉积物基氮途径的生物与物理前体的影响。