《Journal of Environmental Management》：Soil carbon and inundation regimes jointly regulate denitrification potential in restored riverine floodplains
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•土壤碳可用性决定了反硝化作用对水文条件的响应。•实现高氮去除需要总碳阈值达到 3% 至 5%。•水文作用主要通过间接的土壤途径影响反硝化作用。•随机森林模型解释了反硝化潜力差异的 71%。•修复应优先恢复土壤碳，然后再进行水文连通性恢复。引言河岸带和洪泛平原构成了陆地和水生
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土壤碳可用性决定了反硝化作用对水文条件的响应。
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实现高氮去除需要总碳阈值达到 3% 至 5%。
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水文作用主要通过间接的土壤途径影响反硝化作用。
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随机森林模型解释了反硝化潜力差异的 71%。
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修复应优先恢复土壤碳，然后再进行水文连通性恢复。
引言
河岸带和洪泛平原构成了陆地和水生系统之间的关键界面，调节着景观中水体及相关污染物的迁移（Hong 等，2025；Qu 等，2024；Velázquez 等，2026）。这些区域充当生物地球化学热点，农业、废水和大气沉降产生的过量氮素在此得以保留和转化（Hong 等，2025；Korol 等，2019；Wang 等，2023；Zhang 等，2025）。当功能有效时，即使是相对狭窄的河岸缓冲带（通常 5 至 30 米宽），也能通过反硝化作用大幅降低地下硝酸盐浓度（Gong 等，2025；Xie 等，2023；Ye 等，2024）。除了去除氮之外，河岸带还影响大气交换。其作为温室气体潜在源或汇的作用受水文条件、温度和活性碳可用性之间复杂相互作用的控制（Gong 等，2025；Hao 等，2026；Man 等，2024）。因此，由河道化或土地利用变化引起的退化不仅影响下游水质，还从根本上改变了这些生态系统的碳氮平衡（Wohl 和 Knox，2022；Yaculak 等，2025；Zheng 等，2025）。鉴于其在流域循环中的核心作用，恢复河岸系统仍然是环境管理的重要策略（Kaden 等，2023）。
这些环境中的反硝化作用受地形、水文和土壤性质的综合影响（Kaden 等，2023）。尽管水文控制作用已被广泛研究（Hao 等，2026；Korol 等，2019），但最近的研究越来越多地表明，水文效应是动态的，河流水位和地下水位波动会产生氧化还原振荡，从而改变河岸和洪泛平原环境中的氧气可用性、硝酸盐传输和氮转化（Zhang 等，2025, 2026）。这些发现表明，水文波动的时机和幅度可以通过改变氧化和还原条件之间的平衡来改变氮循环。一项欧洲规模的研究确定土壤湿度、温度和硝酸盐可用性是调节冲积土中反硝化作用的主要因素。考虑这些变量之间相互作用的模型通常表现优于仅基于加性效应的模型，且土壤湿度始终参与关键相互作用，表明其核心作用（Hao 等，2026；Korol 等，2019）。在农业溪流 - 河岸系统中也观察到了类似的模式，其中前期降水和景观位置塑造了季节性动态。反硝化活性通常在饱和度和有机质可用性并存的低洼地区最高。土壤理化性质也在控制反硝化作用中发挥关键作用。作为异养反硝化主要电子供体的土壤有机碳，已被广泛证明能增强河岸系统中的反硝化速率（Speir 等，2020；Ye 等，2024）。水文波动还会改变溶解性有机质的可用性和转化，影响沿河岸地下水径流路径的硝酸盐衰减和氮循环（Zhang 等，2024）。这表明水文强迫的影响可能不仅取决于氧化还原条件，还取决于有机基质的可用性和加工。土壤质地通过调节孔径分布和气体扩散性介导厌氧微位点的形成（Qu 等，2024；Ye 等，2024；Zhang 等，2025）。容重作为压实度和孔隙度的指标，也被发现与修复洪泛平原中的长期反硝化表现有关（Gong 等，2025；Kaden 等，2023）。此外，季节性水位波动可能与土壤质地、湿度和深度相互作用，在潜在反硝化和其他氮转化过程中产生显著差异（Zhang 等，2023）。此外，修复历史可能会大幅改变这些土壤特征。例如，修复湿地中反硝化的空间模式往往与自然系统观察到的差异显著（Speir 等，2020；Yaculak 等，2025）。
尽管取得了这些进展，但水文研究和土壤研究之间的整合仍然有限（Lei 等，2024）。水文研究通常将土壤性质视为相对静态的，而以土壤为重点的研究往往忽视动态水文条件的影响（Shi 等，2025；Wilson 和 Megonigal，2025）。这种分离是有问题的，因为水文和土壤性质紧密相关。水文制度通过沉积物沉积等过程影响土壤发育，而现有土壤特征控制入渗和持水（Lei 等，2024；Napora 等，2023）。因此，它们的相互作用可能会产生阈值响应和非线性效应，这些效应无法通过简单的线性方法很好地捕捉（Liu 等，2024；Wilson 和 Megonigal，2025）。
最近，Lay 等 (2026) 评估了修复河流洪泛平原中反硝化潜力的环境驱动因素，但他们的分析未能解决非线性水文 - 土壤相互作用如何塑造反硝化响应，以及修复背景之间的调节途径是否存在差异。
为了解决这些空白，我们采用了一种结合机器学习、SHAP、偏依赖分析、分段结构方程模型和基于 Copula 的联合概率分析的综合预测 - 解释 - 因果框架。该框架识别非线性相互作用和类似阈值的响应，区分全局预测重要性及其特定场地的调节途径，并将这些模式整合到场地特定的调节制度中。我们假设土壤碳限制了反硝化潜力，而其直接影响取决于允许的水文和土壤物理条件。我们进一步检验碳是否表现出类似阈值的约束，以及水文效应是否取决于土壤湿度、碳可用性和地貌设置。
章节摘要
研究区与数据采集
本研究使用了 Lay 等 (2026) 报告的数据集，以研究瓦巴什河流域恢复梯度上的反硝化作用。该研究在印第安纳州 battleground 附近的先知镇州立公园内的四个洪泛平原样地进行。这些样地代表了不同的修复历史和土地利用条件。其中一个样地仍进行传统的行作物生产，采用常规耕作和矿物肥料（WR-A）。
环境驱动因素的空间异质性
WR-W 和 WR-P 处较高的 DEA（反硝化酶活性）值与更频繁的淹没和以靠近排水网络为特征的水文地貌设置有关。WR-W 记录了最高的洪水频率，总共有 70 天被淹，而 WR-P 经历了中等洪水水平。这些样地还表现出较高的土壤总碳 (TC; >4%)、较高的含水量 (MC; >20%) 和较低的容重 (BD; <1.3 g/cm3)。相比之下，WR-A 和 TR-P 显示了较低的 DEA，较不频繁
讨论
四个洪泛平原样地显示出淹没制度、水文地貌设置以及土壤物理化学性质的显著空间异质性。这些模式主要源于每个场地的地貌设置、洪水频率和修复历史。例如，经历频繁洪水的 WR-W 具有更高的 MC、TC 和 CaCO3，以及较低的 BD。这些条件与重复漫滩流的影响一致，这促进了细沉积物的沉积
结论
本研究整合了机器学习、结构方程模型和基于 Copula 的概率方法，对洪泛平原系统中反硝化动力学进行了全面评估。从这个综合框架中出现了清晰的层次结构：土壤碳可用性决定了反硝化潜力的上限，而水文条件决定了该潜力被激活的程度。3% 至 5% TC 阈值的确定提供了一个有用的基准
CRediT 作者贡献声明
Xiaodan Ji: 写作 - 初稿，方法论，形式分析，概念构思。Anlei Wei: 写作 - 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，数据管理，概念构思。Yifan He: 写作 - 审阅与编辑，验证，软件，形式分析。Nan Li: 验证，资源。Yangyang Guo: 方法论，形式分析。Xiaofan Chang: 调查。Shengbo Yue: 方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系，这些关系可能被认为影响了本文中报告的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号 42577432）的资助。
Xiaodan Ji|Anlei Wei|Yifan He|Nan Li|Yangyang Guo|Xiaofan Chang|Shengbo Yue
