为了恢复河流，修复其“肝脏”

Salmon 对居住在北美西北海岸的土著人民来说是如此重要，以至于几代人以来，一些民族都自称为“鲑鱼民族”。但是，当定居者到来时，他们的农业和城市发展形式摧毁了这种强大的鱼类。新居民砍伐了曾经减缓和吸收雨水的河岸植被，导致洪水泛滥。他们拉直弯曲的小溪，试图加速将洪水排出陆地，并用盔甲保护两侧以防止侵蚀，但更快的流动冲刷了河床。后来，城市规划者和工程师将溪流引入地下管道，以便他们可以在上面建造更多的城市，使水道与土壤、植物和动物脱节。这些损害的累积影响导致了突发洪水、不稳定的河岸、严重的污染和日益衰退的生命。神圣的鲑鱼几乎消失殆尽。

在北美和世界各地，城市都用推土机征服了它们的水道。西雅图和任何城市一样有罪，直到 1999 年，美国内政部将奇努克鲑鱼列为《濒危物种法案》下的受威胁物种。这在法律上迫使该市在进行任何会影响鱼类的新资本项目时，都必须帮助鲑鱼。试图改善西雅图病态溪流的工程师开始重新引入一些弯道，并插入巨石和树干，以创造更自然的栖息地，但总的来说，鲑鱼并没有返回。洪水仍然是一个危险，因为雨水从硬化的城市景观冲入仍然大多是僵化的河道，导致河道溢出。

2004 年，生物学家凯瑟琳·林奇正在参加又一次关于如何解决这些问题的会议——这次会议由她的雇主西雅图公共事业公司举办——这时她突然有了顿悟。也许修复项目失败是因为它们忽略了一个因城市化而受损的鲜为人知的特征：溪流的“肠道”。

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溪流是一个系统。它不仅包括河岸之间的水流，还包括周围和地下的土壤、生命和水。林奇一直在跟踪关于河床下方一层湿润的沉积物、小石头和微小生物的发现，这层湿润层被称为潜流带——这个术语来自希腊语 hypo，意思是“在……之下”，以及 rheos, 意思是“流动”。溪流水过滤到这个动态层中，与向上涌出的地下水混合。潜流带中的水像地表水一样向下游流动，但速度要慢几个数量级。

对于一条大河来说，潜流带可以深达数十英尺，并且可以横向延伸到河岸以外一英里。它通过调节关键的物理、生物和化学过程来保持水道的健康，包括河床曝气、水含氧、温度调节、污染清理和食物创造。一些生物学家将潜流带比作人类的肠道，并配有微生物群系。其他人则称之为河流的肝脏。

健康的潜流带充满了生命。甲壳类动物、蠕虫和水生昆虫不断地在潜流带和地表水流之间移动。线虫、桡足类动物、轮虫和缓步动物也在上下挖掘，为地下水混合创造空间。微生物在整个区域内大量繁殖。从下方涌出的水为产在河床中的鲑鱼卵带来氧气。林奇意识到，很少有人试图修复西雅图的溪流，考虑到潜流带，或者河道化溪流会冲刷掉它，或者将溪流放入管道中会使潜流带与上方的溪流水脱节。

会议关注的是西雅图的桑顿溪，它最初蜿蜒穿过茂密的低地雨林，排泄了 11.6 平方英里的流域，然后注入华盛顿湖。开发商已经拉直了它，并用岩石或混凝土加固了它，在某些地方将其挤压成只有几英尺宽的河道。它 15 英里的河道有一段沿着高速公路延伸，并穿过数百个后院。有些房屋离狭窄的溪流太近，以至于它们的平台悬在水面上。桑顿溪被认为是该市退化最严重的溪流，也是一条危险的溪流：它几乎每年都会淹没一条主要道路，阻碍通往学校、社区中心、医院、企业和公交线路的通道。有时，溪流两侧的房屋和一所高中也会被淹。

会议上的讨论集中在当时的最佳实践：通过开垦邻近的土地、移除盔甲和重新引入河岸边的本地植物，将溪流与其部分洪泛区重新连接起来。林奇大胆地告诉小组，该项目应该更进一步：重建缺失的潜流带。这将意味着开垦溪流下方的空间，用沙子和砾石填充它，并有可能带回该区域的微小居民。

据林奇所知，没有人尝试过在城市溪流中重建缺失的潜流带。她希望恢复溪流的“肠道”将有助于桑顿溪更好地自我维持，从而减少对持续、昂贵的人工帮助的需求。她还认为，如果这种革命性的方法成功，它将为城市溪流修复树立新的标准，而此时世界各地的洪水经常造成人员伤亡和数十亿美元的损失。世界各地的城市都限制和吞没了成千上万条溪流，将它们从公众记忆中抹去。一项研究发现，费城埋葬了 73% 的溪流。另一项研究统计了巴尔的摩埋葬了 66% 的溪流。在全球范围内，许多仍在地面上的溪流都病态或垂死。恢复桑顿溪的潜流带可以为增强生物多样性，同时减少城市洪水和干旱创造蓝图。

会议上的其他科学家对林奇的 радикальное предложение 感到兴奋。但在随后的会议上，她很快遇到了其他决策者之间的一个基本障碍。“人们，”她说，“不知道我在说什么。”

区域内的生命

潜流带是一个充满活力的地方。它的水化学、温度和生命形式与上方的溪流和下方的地下水不同。这些介于两者之间的生态系统被称为生态交错带——边缘空间，可以孕育巨大的生物多样性，因为来自邻近环境的物种、微生物和其他仅在该空间中生存的生物在那里混合。

潜流带中的微小生物充当生态系统工程师，将无机化合物代谢为植物和昆虫的食物。它们在潜流带和河床沉积物之间移动有机物质和养分，并在氮、磷和碳循环中发挥关键作用。潜流带还有助于调节溪流的温度，在炎热的夏季引入相对凉爽的地下水，在寒冷的冬季引入温暖的地下水。

科学家们已经通过绘制在水道河岸以外的土壤中发现的水生昆虫和鱼胚胎，展示了潜流带可以延伸多宽和多深。对于像桑顿溪这样的城市溪流，横向范围可能从河道延伸 30 英尺。深度可能在河床下方三英尺。

拉直溪流并在其洪泛区上建造建筑物可能会破坏潜流带。它还会加剧问题：落在路面和屋顶上的雨水无法渗入土壤，而是从这些坚硬的表面上迅速流走，在冲入溪流时带走细小的污垢和污染物。生态学家称之为“突发性”的水流会产生 пожарный шланг 效应，冲刷河床和下方的潜流物质，这些物质是经过几个世纪沉积下来的。最终剩下的是不透水的下腹部，例如页岩或花岗岩。笔直、加固的河道通常无法容纳突发性径流；水会溢出河岸，淹没该区域。

繁荣的洪泛区吸收潜在的洪水。它们还减缓水流，消散其能量并减少侵蚀。缓慢的水流更容易渗入地下，其中一部分会通过潜流带随时间推移返回溪流，在干旱时期供应水源。具有稳定潜流带的天然溪流在冬季和夏季之间具有更平衡的流量，有助于全年保持溪流中的水，即使在易干旱地区也是如此。

所有这些过程都使溪流能够自我维持。如果潜流带被剥夺，溪流的生物“肠道”就会消失，水道几乎没有希望保持健康——类似于人类因肠道微生物群系受到破坏而出现严重的消化道问题。

潜流带重建

林奇在 2000 年在华盛顿大学首次了解到潜流带，但直到 2004 年与地貌学家和客座讲师蒂姆·阿贝一起进行野外考察时，她才意识到潜流带的范围有多广。当他们停止行走时，他指着他们脚下的地面，指出他们脚下的地面覆盖着附近溪流的潜流带，这让她感到惊讶。“我环顾四周，看到树木和蕨类植物，”她回忆说，“心想，这怎么可能呢？”

林奇在新斯科舍省出生和长大，后来搬到美国太平洋西北地区，最终在西雅图公共事业公司工作，专注于溪流修复。2004 年会议上讨论的计划进行修复的桑顿溪的两段被称为汇合处和翠鸟。它们总长 1,600 英尺。该团队选择这些跨度是因为它们最初是洪泛区，允许在那里溢流可以大大减少沿溪流较长路线的成问题洪水。西雅图公园管理局已经买断了愿意出售房屋的房主，他们的房屋沿着这些地段被淹没——汇合处有 5 户，翠鸟有 6 户——因此可以恢复溪流的一些被盗的肘部空间。

林奇知道让决策者尝试新事物会很困难。城市溪流修复的标价很高，而且风险很高——即确保人们的财产不会被淹没。到 2007 年，经过多次讨论，设计计划包括潜流带修复——尽管它在七年后才被批准为项目的正式组成部分。林奇说，这个时间表是城市项目的典型时间表，城市项目需要资金；土地所有者、社区团体和多个机构之间的协调；以及社会正义和平等的评估。

林奇的主管要求工作包括溪流监测，以便科学家可以提供数据来为后续项目提供信息。时任美国鱼类和野生动物管理局地貌学家的保罗·巴克进行了基线测量，证实桑顿溪的潜流带几乎已被完全刮掉。该公用事业公司聘请了位于西雅图的自然系统设计公司，这是一家修复水道的科学与工程公司。林奇将巴克与该公司的首席工程师迈克·赫拉科维克合作，创建了创新设计。

对于巴克来说，修复具有个人意义，他 20 世纪 60 年代和 70 年代在桑顿溪边长大，钓割喉鳟鱼，玩水黾。就在他上高中之前，该市颁发了沿溪流边缘建造公寓的许可证，切断了他与水的接触。“我真正喜欢的这些旧居，我那种荒野……突然之间不仅被封锁了，而且还被铺上了路面，”他说。“这非常令人沮丧。”

赫拉科维克年轻时也经常光顾溪流，在南达科他州黑山。然而，当林奇将他们配对重新设计桑顿溪时，两人发现合作进展艰难。在一场争论中，巴克想在河床上放置更大的砾石，以便水更容易地进入潜流带。否则，他担心，冲入溪流的城市灰尘可能会堵塞向下流动。赫拉科维克担心，大的砾石可能会输送过多的地下水，导致夏季地表溪流干涸并杀死鱼类。这种不确定性是城市难以尝试新事物的原因之一。

溪流形状、坡度、水速和碎片也会影响水流入和流出潜流带。为了理清思路，该团队使用计算机模拟和大型沙箱进行了测试，模拟溪流动力学，并尝试不同的岩石聚集体、弯道和木材放置，以驱动水流到地下。最终感到满意，并且在其他城市要求到位的情况下，西雅图在 2014 年初发布了招标。然后，在 2014 年 5 月，就在施工即将开始之前，西雅图公共事业公司项目经理提出了预算担忧，因为另一个项目超支了。“在我眼前，”林奇难以置信地回忆道，“他说，‘什么是潜流带？’然后他就把它砍掉了。”

林奇告诉经理该区域有多么重要，并辩称潜流带元素仅占两个地点总计 1050 万美元预算中的 30 万美元。她告诉他，这项投资——用于挖掘和砾石和更细沉积物等材料——很可能很快就会得到回报。她的团队已经确定，重建该区域将减少每年平均花费 100 万美元从附近的雨水池塘中疏浚沉积物的需要，该池塘的建造目的是吸收大量径流。

她还提醒经理，监测将提供关于如何将城市溪流重建得更接近其完整复杂性的经验教训，使西雅图成为这项工作的全球领导者。最终，他们进行了谈判。林奇得以保留汇合处潜流带修复的完整性；翠鸟段缩短了 25%。

2014 年夏天，推土机开进来了。赫拉科维克和他的团队在从房屋中开垦的空间中挖出了宽大的弯道，在某些地方将溪流从 4 英尺或 8 英尺拓宽到 25 英尺或 30 英尺。为了使河床达到以前的高度并重新引入可以容纳潜流带的物质，他们分层铺设了近 8 英尺深的沉积物和砾石。赫拉科维克和巴克以精确的角度将不同尺寸的木头原木插入水中——有些部分埋在地下，有些纵横交错在河床上——创造了微小的瀑布、深潭和几乎静止的水袋，从而产生水力压力，可以将水压入潜流带。这些精心放置的原木和巨石，被称为“潜流带结构”，还创造了涡流和缓慢的水袋，为幼鱼和昆虫提供安全的避风港——所有这些都是为了模仿天然溪流的特征。

翠鸟重建工程于当年秋天完成，汇合处重建工程于 2015 年春天完成。溪流的流动速度减慢，因此沉积物从水柱中沉淀出来，并开始完善溪流的形状和河床。这一行动还减少了下游沉积物的快速积累，城市过去经常花费大量资金清除这些沉积物。在接下来的五年里，砾石和淤泥逐渐在木栅栏后面堆积起来，形成了更平缓的坡度。

监测使巴克和赫拉科维克能够通过感知温度和跟踪示踪剂来跟踪水流。他们证实，水确实在向下移动并穿过潜流带。在 2020 年的一篇论文中，他们报告说，那里的水混合速度是施工前速度的 89 倍。数据分析证明，溪流正在按照巴克和赫拉科维克——以及自然——的意愿运作。

但是，这种流动也支持生命并减少污染吗？

昆虫入侵溪流

恢复溪流的自然形状可以鼓励流离失所的植物和动物迁回。然而，在许多情况下，只有一些物种返回。而且，由于该团队安装的砾石和沙子是贫瘠的区域，巴克认为他们可能需要生物学上的快速启动。

如果一个物种从生态系统中消失，我们的本能只是重新引入它。但生态学家痛苦地意识到一些警示故事，例如放养一种理想的鳟鱼，但不经意间也带来了病原体。即使带回一种本地植物，也可能会动摇一个已经适应其不存在的系统。

金县（西雅图所在地）的环境科学家凯特·麦克尼尔理解这个教训。她监测昆虫作为衡量溪流健康状况的指标，并根据她所谓的“昆虫评分”对它们进行评分。麦克尼尔发现城市化与较低的昆虫评分之间存在明显的关联；她认为，有些物种对生存过于敏感。

几年前的一次经历让她重新思考这个结论。破坏者破坏了她在西雅图长fellow溪设置的一项实验，该实验将圈养的昆虫释放到城市溪流的“野外”。两年后，她在那里采集鱼类样本，并在一条鱼的肠道中发现了一种昆虫，一种石蛾。石蛾的寿命只有几周，因此不可能是来自意外释放的个体：它一定是“那个个体的孙子”，她说。“我简直不敢相信。”

麦克尼尔意识到，重建溪流中的一些昆虫可能失踪，不是因为它们无法适应这些条件，而是因为附近没有昆虫可以重新殖民水域。生命将返回恢复溪流的想法依赖于生物从健康的河流上游栖息地迁移。但是对于长fellow溪，麦克尼尔说，源头“实际上是一个家得宝停车场”。她说，如果生物要重新殖民恢复的溪流，“我们可能需要帮助它们。”

有了这个见解，她获得了金县的许可，可以用石蛾、蜉蝣、石蝇和其他物种播种四条溪流。其中一些物种幸存了下来。2019 年，桑顿溪团队尝试了另一项开创性的举措：用生命接种工程潜流带。与人类肠道类比一致，该程序有点像给一个人服用益生菌，甚至粪便移植，以恢复他们的肠道微生物群系。

进入溪流生态学家莎拉·莫利和微生物学家琳达·罗兹，她们都来自国家海洋和大气管理局。他们在附近的更健康的雪松河流域收获了野生微生物和无脊椎动物，将它们放在小篮子里。他们将一些篮子带回实验室，记录捕获的物种，并将其他篮子埋在桑顿溪恢复的潜流带中。

无脊椎动物和微生物迅速地在这些区域定殖。但是，即使个体数量很多，生物多样性也相对较低。根据两人 2021 年在Water杂志上发表的论文，一些新物种大量繁殖，但大多数其他物种与溪流未修复部分的物种相似。

莫利和罗兹正在考虑为什么更多他们引入的物种没有存活下来。由于这门科学是如此新颖，他们尚未排除任何可能的解释。捐赠溪流可能差异太大，或者修复区域太小，或者水质太差。他们可能过早地接种了潜流带，在一些生物所需的小植被能够生长之前。然而，在一些鳟鱼的肠道中，林奇发现了至少 20 年来未在桑顿溪中见过的水生昆虫。“鱼类比我们更擅长采样，”她说。科学家们现在正在进行另一项具有更灵敏监测的研究。

尽管如此，莫利和罗兹确实发现，开始生活在修复后的溪流段的微生物比附近未修复段的微生物活跃得多，这表明它们“被催促着去做一些事情”，罗兹说——可能是建立生物膜和生物质，清除污染物或分解有机物质。修复后的河段的潜流带甲壳类动物、蠕虫和昆虫的数量是以前的七倍，总体物种多样性也更高。

追踪化学物质

关于桑顿溪修复的最后一个问题是，它是否正在清理暴雨期间随径流涌入的污染物，从草坪肥料到城市垃圾。林奇不得不寻找三年才能找到一位愿意进行这项研究的化学家。“他们都说做不到，”她回忆道。他们说，追踪水在潜流带中停留多长时间，以及测量化学物质是否在水在地下停留期间被去除，都太困难了。

林奇最终联系到了当时在科罗拉多矿业学院担任工程师的斯库勒·赫尔佐格，他专门研究潜流带。“他乘下一班飞机来到这里，”林奇兴高采烈地回忆道。在多年学术研究潜流带之后，他很高兴在一个真正的修复项目上进行测试。林奇招募了华盛顿大学化学家爱德华·科洛杰伊来提供帮助。

该团队将示踪染料送入一个工程深潭中，该深潭将水压入潜流带。然后，他们监测了下游 7 英尺和 15 英尺处的出口点，以确定“数据包”的水在重新加入地表水流之前在地下停留了多长时间；水在地下停留了 30 分钟到 3 个小时或更长时间。他们还从溪流中采集了水样，并使用质谱分析法测量了来自暴雨径流的不同污染物。他们统计了近 1,900 种。

科学家们在水包进入潜流带段之前和之后以及在它们从潜流带段出来之后对它们进行了采样，并将它们与在潜流带段上方向下游流动的地表水进行了比较。地表水流至少将约 17% 的化学物质浓度降低了一半。7 英尺长的潜流带至少将 59% 的化学物质浓度降低了一半，而 15 英尺长的潜流带至少将 78% 的化学物质浓度降低了一半。由于水在这些短的潜流带段中停留的时间如此之短，该团队认为污染物大多是粘在沉积物或生物膜上，而不是立即被微生物分解，尽管这种分解在更长的时间内很常见。

赫拉科维克说，如此短的潜流带跨度能够减少如此多的污染，真是“令人震惊”。他补充说，“令人震惊的是，如果我们能更广泛地使用这种方法，我们能做好多少好事。”

新标准？

桑顿溪的调查结果令人鼓舞。自 2015 年修复工程完工以来，即使在大型风暴期间，溪流周围的社区也没有发生洪水。溪流的温度和流量全年更加稳定。该市需要减少疏浚次数，节省资金，邻居们喜欢在扩大的绿地中度过时光。然而，这项工作也揭示了自然系统是多么复杂，以及一旦受损，修复它们有多么困难。随着城市和机构越来越多地转向更多基于自然的解决方案，桑顿溪的经验教训可以帮助专家了解哪些步骤有效，哪些步骤需要改进。

成功帮助林奇说服了西雅图公共事业公司和其他城市决策者溪流“肠道”的重要性。潜流带修复已成为公用事业公司溪流项目的正式组成部分——并非有保证，但会定期考虑。泰勒溪现在计划在 1,200 英尺长的河段上进行八次潜流带重建。赫尔佐格正在测试设计改进方案，以增加水在潜流带中的“停留时间”，并正在研究这会在多大程度上增加净化效果。修复桑顿溪北支流的计划包括潜流带结构。由于该区域具有减少污染的能力，该市可能会在长fellow溪的修复工程中包括潜流带结构，长fellow溪中含有一种来自汽车轮胎颗粒的化学物质，科洛杰伊已证明该化学物质会杀死鲑鱼；施工可能会在 2026 年开始。

尽管如此，小规模的修复无法完全弥补对长溪流和河流的损害。“雨水径流、生物多样性、洪水——这些都是流域尺度问题，”巴克说。这就是为什么重建需要在溪流或河流沿线的许多地方分布。阿贝是启发林奇的地貌学家，他现在在自然系统设计公司工作。他已在华盛顿州其他五个县规划和监督了 14 项潜流带修复工程。2019 年，阿贝与美国垦务局工程师史蒂夫·科尔克一起在切兰县的毒药溪上散步，美国垦务局是一个在生态学界因建造巨型水坝而臭名昭著的机构。正如阿贝所说，科尔克突然停下脚步说：“最终，你们谈论的是数十万次处理，以恢复我们的流域。”阿贝说：“宾果。”

在一个已建成的城市中找到更多自然水流的空间似乎很困难，但建筑物更换的频率比人们想象的要高，尤其是在它们经常被淹没的情况下。城市可以像西雅图那样开垦土地。即使是关键地点的小型项目也能发挥作用。通过恢复汇合处和翠鸟的洪泛区，西雅图已经缓解了桑顿溪沿线令人头痛的洪水。

对林奇来说最令人兴奋的是，潜流带创新在 2018 年秋季赢得了最终的认可，当时奇努克鲑鱼从普吉特海湾游入，并在溪流修复的潜流带中产卵。

“那真是太激动人心了，”林奇回忆道。“我们做到了。你可以恢复潜流带。你可以恢复自然过程，达到我们实际上正在吸引鲑鱼到该地点产卵的程度。”她说，如果城市溪流中的这两个小型修复工程可以帮助重启一个功能正常的生态系统，“我认为未来真的有希望。”

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