地表淡水流动对路易斯安那州盐沼土壤孔隙水盐度和铵有效性的垂直交换影响；一项实验室研究

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Effects of Surface Freshwater Flows on Vertical Exchange with Porewater Salinity and Ammonium Availability in a Louisiana Salt Marsh Soil; A laboratory study

　　

摘要 以湿地为主的海岸线正面临因海平面上升而导致的广泛陆地丧失。全球各地的沿海系统都在寻求重新连接淡水流入沿海盆地。路易斯安那州是沿海陆地丧失最为严重的地区之一，在过去100年间丧失了约5,000平方公里的沿海湿地。路易斯安那州的恢复计划旨在通过修建河道复连分洪设施，将密西西比河与沿海盆地重新连接。这一连接将输送造陆的河流沉积物，使湿地能够跟上海平面上升的速度。然而，该分洪设施还将向半咸水和盐沼区域输送大量淡水。沿海生态系统中的生物地球化学循环和湿地植物分带高度依赖于湿地孔隙水特征。受控淡水径流可能会通过咸盐离子向低盐度表层水排出而影响孔隙水特征。铵根离子是湿地植物的必需养分，在咸水中土壤中的铵根离子常会被盐离子置换。因此，孔隙水盐度的变化可能直接影响湿地生产力。本研究对路易斯安那州完整的盐沼土芯进行了受控实验室实验，以考察模拟的一个月地表水淡化事件中的孔隙水垂直交换。测量了孔隙水盐度、pH值、孔隙水铵根离子和可提取铵根离子，以及土壤特征。在28天内，土芯上部10厘米深度的孔隙水盐度在整个深度范围内均有所下降，在0-2厘米土层区间从约18降至约1，在8-10厘米土层区间从约22降至约13。这一显著变化可能归因于招潮蟹洞穴的存在，因为洞穴可以为地表淡水和咸水孔隙水交换提供通道，但本研究未能确证此结论。此外，孔隙水铵根离子浓度随时间未出现增加，这表明氮素向表层水发生了泄漏。这些结果表明，在一个月的地表水淡化事件期间，盐沼土壤的盐度可以降至半咸水沼泽土壤的盐度水平，这可能预示着植被生态系统将随时间发生转变。这一反应结果与此前已发表研究中半咸水沼泽土壤的反应结果恰好相反。

引言 全球各地的三角洲海岸线形成于河口附近，通过河流沉积物的堆积形成了大面积平坦的沿海平原（Wright, 1977; Tye and Coleman, 1989）。这种地貌特征主导了路易斯安那州东南部海岸线，那里由蜿蜒的密西西比河在数千年的三角洲叶切换过程中形成了三角洲复合体（Roberts, 1997）。主河道改道后，原路径末端会遭受陆地丧失，而新的陆地会在河流三角洲的新入海口方向形成。千百年来，这些动态的周期性三角洲叶生长与退缩事件塑造了路易斯安那州东南部沿海地区。然而，如今路易斯安那州南部沿海面貌已大不相同，自1932年以来已丧失约5,000平方公里的沿海湿地（Couvillion等，2017）。

在过去的一个世纪中，全球大型沿海三角洲河流被连续的堤防系统所约束，这切断了历史河流通向相邻沿海盆地的沉积物供应通道，而这些沉积物正是此前三角洲形成的基础（Couvillion等，2017）。这种隔离导致相邻沿海湿地的沉积物供给匮乏。沉积物供给匮乏、海平面上升和区域沉降是造成全球这些三角洲系统中湿地大量丧失的主要原因之一（Day等，2024）。

沿海湿地提供了一套独特的生态系统服务功能：改善地表水质量、支持关键野生动物栖息地及相关休闲和商业化渔业，以及作为屏障保护人类定居点及相关基础设施免受波浪和飓风风暴潮的侵袭（Engle, 2011; Barbier, 2013）。因此，沿海地区湿地持续丧失威胁着许多生活或工作在这些地区附近的人口的基础设施和生计。

美国路易斯安那州正在实施许多沿海恢复和保护活动以应对这一湿地丧失问题；其中一项包括建设中巴拉塔利亚沉积物分洪设施（MBSD）（CPRA, 2023）。MBSD（目前等待批准）计划在河流高水位和沉积物浓度较高时期，通过第61河流英里处西岸堤防的受控开口，将密西西比河与巴拉塔利亚盆地重新连接（Peyronnin等，2017）。该分洪设施将引入物质以补充沉积物匮乏的沿海湿地，预计50年内可建造约54平方公里的陆地，从而逆转路易斯安那州自20世纪初以来约5,000平方公里沿海湿地丧失的部分后果（CPRA, 2023）。除新建陆地外，该分洪设施还将通过为沿海盆地湿地提供沉积物补充来维护现有湿地复合体（Roberts等，2015; Spera等，2020; White等，2023）。然而，该分洪设施还将向半咸水和盐沼生态系统引入大量淡水。这一排放将淹没湿地，预计在某些区域地表水盐度将降至0（USACE, 2022）。盐度下降程度将基于距分洪设施的距离而有所不同；因此，距分洪设施更近的地表水将经历更大的淡化程度，而远离入流口的地表水则淡化程度较小。

盐度变化以多种方式影响植被覆盖的沿海湿地的生物地球化学特征。沿海湿地植物物种的分布高度依赖于盐度范围和大型植物耐盐水平，尤其是在根际区域（McKee和Mendelssohn, 1989; Howard和Mendelssohn, 1999; Crain等，2004）。如果地表水盐度降低导致孔隙水盐度下降，随着盐度长期降低，这可能导致从盐沼优势植物群落向半咸水或淡水沼泽物种的转变（Greiner La Peyre等，2001）。因此，了解孔隙水盐度对地表水盐度降低的敏感性非常重要。

沿海沼泽盐度变化的文献主要特别关注通过气象事件引起的盐度突发增加以及海平面上升引起的海水入侵（Herbert等，2015; Mazhar等，2022）。突发海水入侵伴随风暴潮发生；这种盐分入侵迅速改变了孔隙水盐度和生物地球化学过程（McKee等，2016; Marks等，2016; Kinsman-Costello等，2023）。这种盐度较高的地表水向沼泽孔隙水的渗入是由咸水密度较高而置换淡水孔隙水驱动的。当地表水盐度在沼泽中增加时，离子浓度可能变得具有毒性，硫酸盐被还原为硫化氢，导致植被死亡（Dawes, 1998）。虽然这些盐度增加现象在文献中有充分记录，但关于通过恢复淡水径流向沿海系统进行的快速淡化事件的研究相对较少（Herbert等，2011; Sapkota等，2023）。

要了解快速淡化对湿地植物和土壤的影响，必须了解盐度变化对氮循环的影响。硝酸盐（NO??）和铵根离子（NH??）的循环维持着所有植被生态系统。固氮细菌和矿化作用产生铵根离子，铵根离子被植物吸收、吸附在土壤上或氧化为硝酸盐。硝酸盐通过反硝化作用转化为N?气体，有时通过异化硝酸盐还原为铵根（DNRA）转化为铵根离子，不过在该系统中这一途径的比例较小（<5%）（Pinzon和White, 2025及其参考文献）。盐度变化会影响这些氮素途径，对水质产生负面影响。反硝化作用可能因盐度突然变化而减缓或停止（Marks等，2016），铵根离子可能由于海水盐度中阳离子的涌入而从土壤中置换出来（Gardner等，1991; Putnam-Duhon等，2020），或者当地下水盐度降低时，额外的铵根离子可能吸附在土壤上（Feder和White, 2024）。

铵根离子在这些盐沼土壤中尤为值得关注，因为这种形态在这些有机、厌氧土壤中构成了主要的氮素形态（Vaccare等，2019）。硝化作用仅限于根际区域，在那里硝酸盐要么被植物吸收，要么迅速被反硝化（White和Reddy, 2003; VanZomeren等，2012）。已知盐度降低会影响湿地土壤中的铵根离子交换和产生。淡化导致阳离子竞争减少，使铵根离子在土壤颗粒上的吸附增加（Putnam-Duhon等，2020）。由于大型植物和土壤微生物依赖铵根离子作为关键养分，孔隙水淡化可能增加根际区域的氮素保留（Reddy和Delaune, 2008）。孔隙水淡化还可能通过减少氯化物和硫化物、以及通过减轻微生物的渗透压应激来提高微生物活性，从而改善植物健康（Kinsman等，1982; Rysgaard等，1999; Seo等，2008）。因此，孔隙水的淡化有可能影响整体沿海生态学和湿地生物地球化学循环。

大量工作已致力于概述河道分洪作业的潜在利弊（CPRA, 2023）。需要适当的数据来理解、模拟和预测分洪对沿海系统的影响程度。通常，地表水数据被用于衡量盐度变化对植被和其他沿海生态系统功能的影响（Greiner La Peyre, 2001; Visser等，2013）。然而，路易斯安那州巴拉塔利亚湾是一个微潮系统，日潮汐约30厘米（Georgiou等，2005）。在微潮系统中，湿地平台仅间歇性被淹没，因此只有少量湿地植物与盆地潮汐通道接触，导致孔隙水盐度更为稳定。此外，盐分从沼泽边缘向内陆进一步累积（Dawes, 1998; Steinmuller等，2020）。这就是为什么开发成功的盐度预测模型需要了解孔隙水盐度对快速地表水盐度变化的响应速率。任何使用地表水盐度来预测孔隙水盐度的预测模型都可能高估淡化对沼泽生态系统功能的影响（Feder和White, 2024）。因此，与地表水盐度相比，孔隙水盐度值更可能与生物地球化学相关，更适合用于分洪影响评估。

虽然盐度增加的影响在文献中有相对充分的记录，但关于地表盐度降低对沿海沼泽土壤影响的研究相对匮乏。为此，本研究的目标是通过实验室土芯实验，考察路易斯安那州巴拉塔利亚湾盐沼中地表淡水对孔隙水盐度和孔隙水铵根离子的影响。我们假设，与此前Feder和White（2024）在半咸水沼泽中发表的已研究结果类似，盐沼孔隙水盐度对一个月地表水淡化事件将总体表现出韧性。

研究地点 研究地点是位于美国路易斯安那州南部巴拉塔利亚盆地的一个盐沼（图1）。巴拉塔利亚盆地面积约600,000公顷，由开阔水域和植被覆盖的沼泽组成（Nelson等，2002）。研究地点距计划建设的MBSD选址约24公里（15英里）。巴拉塔利亚湾地表水主要因水深较浅和风混合作用而充分溶解氧。巴拉塔利亚盐沼地表水盐度一般在6-22之间（Conner和Day...

结果 由于连续淹没的水柱条件，含水量（表1）在不同深度和时间上基本无变化，但在0-2厘米深度处始终比土芯其余部分在每个时间点平均低约15%。容重（表1）在不同深度和时间段之间基本均匀一致，唯一的显著差异出现在第6-8厘米深度处，第0天土芯与第28天土芯之间存在显著差异。这一唯一的容重显著差异是……

盐沼与半咸水沼泽的淡化对比 盐沼在整个0-10厘米土壤深度范围内经历了显著的垂直淡化。因此，在地表淡水脉冲期间，盐沼土壤孔隙水盐度似乎缺乏稳态性。这种垂直淡化不包括随后沿沼泽边缘发生的水平淡化。沿海环境可以决定垂直淡化分量相对于沼泽边缘水平孔隙水交换的相对重要性。

结论 河流与沿海盆地的重新连接是一项重要的水文恢复技术。密西西比河分洪在开启期间可向相邻沿海盆地输送约2100立方米/秒的淡水。沿海系统地表盐度的变化会显著改变生态和土壤生物地球化学特性。

在实施此类大规模修复项目时，应使用带有实测数据的生态系统模型来预测盐度变化的潜在影响。

CRediT 作者贡献声明
Jacob Z. Cheng：撰写 – 初稿，方法论，调查，形式分析。
Robert Feder：撰写 – 评审与编辑，方法论，概念化。
John R White：撰写 – 评审与编辑，监督，资源，资金获取，概念化

未引用参考文献
路易斯安那州海岸保护与修复局，2023 年；Day Jr 等，2007 年；King 等，1982 年；美国环境保护署，1993 年；Xiao 等，2019 年。

利益冲突声明
?作者声明，他们没有已知的可能被认为影响本文中报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
本工作由路易斯安那州海岸保护与修复局通过海岸科学助理项目资助。该助理项目由路易斯安那州海洋赠与计划管理。作者感谢 Eddie Weeks 提供的野外协助和 Thomas Blanchard 提供的实验室协助。作者还感谢 Hiatt 博士（路易斯安那州立大学）和 Berkowitz 博士（美国陆军工程兵团）提供的宝贵讨论，这些讨论为本研究提供了信息，并感谢几位匿名审稿人，他们的评论有助于加强本

Jacob Z. Cheng | Robert Feder | John R. White 海洋学与海岸科学系，路易斯安那州立大学，美国路易斯安那州巴吞鲁日。