為了恢復河流，修復其“肝臟”

Salmon 對居住在北美西北海岸的土著人民來說是如此重要，以至於幾代人以來，一些民族都自稱為“鮭魚民族”。但是，當定居者到來時，他們的農業和城市發展形式摧毀了這種強大的魚類。新居民砍伐了曾經減緩和吸收雨水的河岸植被，導致洪水氾濫。他們拉直彎曲的小溪，試圖加速將洪水排出陸地，並用盔甲保護兩側以防止侵蝕，但更快的流動沖刷了河床。後來，城市規劃者和工程師將溪流引入地下管道，以便他們可以在上面建造更多的城市，使水道與土壤、植物和動物脫節。這些損害的累積影響導致了突發洪水、不穩定的河岸、嚴重的汙染和日益衰退的生命。神聖的鮭魚幾乎消失殆盡。

在北美和世界各地，城市都用推土機征服了它們的水道。西雅圖和任何城市一樣有罪，直到 1999 年，美國內政部將奇努克鮭魚列為《瀕危物種法案》下的受威脅物種。這在法律上迫使該市在進行任何會影響魚類的新資本專案時，都必須幫助鮭魚。試圖改善西雅圖病態溪流的工程師開始重新引入一些彎道，並插入巨石和樹幹，以創造更自然的棲息地，但總的來說，鮭魚並沒有返回。洪水仍然是一個危險，因為雨水從硬化的城市景觀衝入仍然大多是僵化的河道，導致河道溢位。

2004 年，生物學家凱瑟琳·林奇正在參加又一次關於如何解決這些問題的會議——這次會議由她的僱主西雅圖公共事業公司舉辦——這時她突然有了頓悟。也許修復專案失敗是因為它們忽略了一個因城市化而受損的鮮為人知的特徵：溪流的“腸道”。

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溪流是一個系統。它不僅包括河岸之間的水流，還包括周圍和地下的土壤、生命和水。林奇一直在跟蹤關於河床下方一層溼潤的沉積物、小石頭和微小生物的發現，這層溼潤層被稱為潛流帶——這個術語來自希臘語 hypo，意思是“在……之下”，以及 rheos, 意思是“流動”。溪流水過濾到這個動態層中，與向上湧出的地下水混合。潛流帶中的水像地表水一樣向下遊流動，但速度要慢幾個數量級。

對於一條大河來說，潛流帶可以深達數十英尺，並且可以橫向延伸到河岸以外一英里。它透過調節關鍵的物理、生物和化學過程來保持水道的健康，包括河床曝氣、水含氧、溫度調節、汙染清理和食物創造。一些生物學家將潛流帶比作人類的腸道，並配有微生物群系。其他人則稱之為河流的肝臟。

健康的潛流帶充滿了生命。甲殼類動物、蠕蟲和水生昆蟲不斷地在潛流帶和地表水流之間移動。線蟲、橈足類動物、輪蟲和緩步動物也在上下挖掘，為地下水混合創造空間。微生物在整個區域內大量繁殖。從下方湧出的水為產在河床中的鮭魚卵帶來氧氣。林奇意識到，很少有人試圖修復西雅圖的溪流，考慮到潛流帶，或者河道化溪流會沖刷掉它，或者將溪流放入管道中會使潛流帶與上方的溪流水脫節。

會議關注的是西雅圖的桑頓溪，它最初蜿蜒穿過茂密的低地雨林，排洩了 11.6 平方英里的流域，然後注入華盛頓湖。開發商已經拉直了它，並用岩石或混凝土加固了它，在某些地方將其擠壓成只有幾英尺寬的河道。它 15 英里的河道有一段沿著高速公路延伸，並穿過數百個後院。有些房屋離狹窄的溪流太近，以至於它們的平臺懸在水面上。桑頓溪被認為是該市退化最嚴重的溪流，也是一條危險的溪流：它幾乎每年都會淹沒一條主要道路，阻礙通往學校、社群中心、醫院、企業和公交線路的通道。有時，溪流兩側的房屋和一所高中也會被淹。

會議上的討論集中在當時的最佳實踐：透過開墾鄰近的土地、移除盔甲和重新引入河岸邊的本地植物，將溪流與其部分洪泛區重新連線起來。林奇大膽地告訴小組，該專案應該更進一步：重建缺失的潛流帶。這將意味著開墾溪流下方的空間，用沙子和礫石填充它，並有可能帶回該區域的微小居民。

據林奇所知，沒有人嘗試過在城市溪流中重建缺失的潛流帶。她希望恢復溪流的“腸道”將有助於桑頓溪更好地自我維持，從而減少對持續、昂貴的人工幫助的需求。她還認為，如果這種革命性的方法成功，它將為城市溪流修復樹立新的標準，而此時世界各地的洪水經常造成人員傷亡和數十億美元的損失。世界各地的城市都限制和吞沒了成千上萬條溪流，將它們從公眾記憶中抹去。一項研究發現，費城埋葬了 73% 的溪流。另一項研究統計了巴爾的摩埋葬了 66% 的溪流。在全球範圍內，許多仍在地面上的溪流都病態或垂死。恢復桑頓溪的潛流帶可以為增強生物多樣性，同時減少城市洪水和乾旱創造藍圖。

會議上的其他科學家對林奇的 радикальное предложение 感到興奮。但在隨後的會議上，她很快遇到了其他決策者之間的一個基本障礙。“人們，”她說，“不知道我在說什麼。”

區域內的生命

潛流帶是一個充滿活力的地方。它的水化學、溫度和生命形式與上方的溪流和下方的地下水不同。這些介於兩者之間的生態系統被稱為生態交錯帶——邊緣空間，可以孕育巨大的生物多樣性，因為來自鄰近環境的物種、微生物和其他僅在該空間中生存的生物在那裡混合。

潛流帶中的微小生物充當生態系統工程師，將無機化合物代謝為植物和昆蟲的食物。它們在潛流帶和河床沉積物之間移動有機物質和養分，並在氮、磷和碳迴圈中發揮關鍵作用。潛流帶還有助於調節溪流的溫度，在炎熱的夏季引入相對涼爽的地下水，在寒冷的冬季引入溫暖的地下水。

科學家們已經透過繪製在水道河岸以外的土壤中發現的水生昆蟲和魚胚胎，展示了潛流帶可以延伸多寬和多深。對於像桑頓溪這樣的城市溪流，橫向範圍可能從河道延伸 30 英尺。深度可能在河床下方三英尺。

拉直溪流並在其洪泛區上建造建築物可能會破壞潛流帶。它還會加劇問題：落在路面和屋頂上的雨水無法滲入土壤，而是從這些堅硬的表面上迅速流走，在衝入溪流時帶走細小的汙垢和汙染物。生態學家稱之為“突發性”的水流會產生 пожарный шланг 效應，沖刷河床和下方的潛流物質，這些物質是經過幾個世紀沉積下來的。最終剩下的是不透水的下腹部，例如頁岩或花崗岩。筆直、加固的河道通常無法容納突發性徑流；水會溢位河岸，淹沒該區域。

繁榮的洪泛區吸收潛在的洪水。它們還減緩水流，消散其能量並減少侵蝕。緩慢的水流更容易滲入地下，其中一部分會透過潛流帶隨時間推移返回溪流，在乾旱時期供應水源。具有穩定潛流帶的天然溪流在冬季和夏季之間具有更平衡的流量，有助於全年保持溪流中的水，即使在易乾旱地區也是如此。

所有這些過程都使溪流能夠自我維持。如果潛流帶被剝奪，溪流的生物“腸道”就會消失，水道幾乎沒有希望保持健康——類似於人類因腸道微生物群系受到破壞而出現嚴重的消化道問題。

潛流帶重建

林奇在 2000 年在華盛頓大學首次瞭解到潛流帶，但直到 2004 年與地貌學家和客座講師蒂姆·阿貝一起進行野外考察時，她才意識到潛流帶的範圍有多廣。當他們停止行走時，他指著他們腳下的地面，指出他們腳下的地面覆蓋著附近溪流的潛流帶，這讓她感到驚訝。“我環顧四周，看到樹木和蕨類植物，”她回憶說，“心想，這怎麼可能呢？”

林奇在新斯科舍省出生和長大，後來搬到美國太平洋西北地區，最終在西雅圖公共事業公司工作，專注於溪流修復。2004 年會議上討論的計劃進行修復的桑頓溪的兩段被稱為匯合處和翠鳥。它們總長 1,600 英尺。該團隊選擇這些跨度是因為它們最初是洪泛區，允許在那裡溢流可以大大減少沿溪流較長路線的成問題洪水。西雅圖公園管理局已經買斷了願意出售房屋的房主，他們的房屋沿著這些地段被淹沒——匯合處有 5 戶，翠鳥有 6 戶——因此可以恢復溪流的一些被盜的肘部空間。

林奇知道讓決策者嘗試新事物會很困難。城市溪流修復的標價很高，而且風險很高——即確保人們的財產不會被淹沒。到 2007 年，經過多次討論，設計計劃包括潛流帶修復——儘管它在七年後才被批准為專案的正式組成部分。林奇說，這個時間表是城市專案的典型時間表，城市專案需要資金；土地所有者、社群團體和多個機構之間的協調；以及社會正義和平等的評估。

林奇的主管要求工作包括溪流監測，以便科學家可以提供資料來為後續專案提供資訊。時任美國魚類和野生動物管理局地貌學家的保羅·巴克進行了基線測量，證實桑頓溪的潛流帶幾乎已被完全刮掉。該公用事業公司聘請了位於西雅圖的自然系統設計公司，這是一家修復水道的科學與工程公司。林奇將巴克與該公司的首席工程師邁克·赫拉科維克合作，建立了創新設計。

對於巴克來說，修復具有個人意義，他 20 世紀 60 年代和 70 年代在桑頓溪邊長大，釣割喉鱒魚，玩水黽。就在他上高中之前，該市頒發了沿溪流邊緣建造公寓的許可證，切斷了他與水的接觸。“我真正喜歡的這些舊居，我那種荒野……突然之間不僅被封鎖了，而且還被鋪上了路面，”他說。“這非常令人沮喪。”

赫拉科維克年輕時也經常光顧溪流，在南達科他州黑山。然而，當林奇將他們配對重新設計桑頓溪時，兩人發現合作進展艱難。在一場爭論中，巴克想在河床上放置更大的礫石，以便水更容易地進入潛流帶。否則，他擔心，衝入溪流的城市灰塵可能會堵塞向下流動。赫拉科維克擔心，大的礫石可能會輸送過多的地下水，導致夏季地表溪流乾涸並殺死魚類。這種不確定性是城市難以嘗試新事物的原因之一。

溪流形狀、坡度、水速和碎片也會影響水流入和流出潛流帶。為了理清思路，該團隊使用計算機模擬和大型沙箱進行了測試，模擬溪流動力學，並嘗試不同的岩石聚集體、彎道和木材放置，以驅動水流到地下。最終感到滿意，並且在其他城市要求到位的情況下，西雅圖在 2014 年初發布了招標。然後，在 2014 年 5 月，就在施工即將開始之前，西雅圖公共事業公司專案經理提出了預算擔憂，因為另一個專案超支了。“在我眼前，”林奇難以置信地回憶道，“他說，‘什麼是潛流帶？’然後他就把它砍掉了。”

林奇告訴經理該區域有多麼重要，並辯稱潛流帶元素僅佔兩個地點總計 1050 萬美元預算中的 30 萬美元。她告訴他，這項投資——用於挖掘和礫石和更細沉積物等材料——很可能很快就會得到回報。她的團隊已經確定，重建該區域將減少每年平均花費 100 萬美元從附近的雨水池塘中疏浚沉積物的需要，該池塘的建造目的是吸收大量徑流。

她還提醒經理，監測將提供關於如何將城市溪流重建得更接近其完整複雜性的經驗教訓，使西雅圖成為這項工作的全球領導者。最終，他們進行了談判。林奇得以保留匯合處潛流帶修復的完整性；翠鳥段縮短了 25%。

2014 年夏天，推土機開進來了。赫拉科維克和他的團隊在從房屋中開墾的空間中挖出了寬大的彎道，在某些地方將溪流從 4 英尺或 8 英尺拓寬到 25 英尺或 30 英尺。為了使河床達到以前的高度並重新引入可以容納潛流帶的物質，他們分層鋪設了近 8 英尺深的沉積物和礫石。赫拉科維克和巴克以精確的角度將不同尺寸的木頭原木插入水中——有些部分埋在地下，有些縱橫交錯在河床上——創造了微小的瀑布、深潭和幾乎靜止的水袋，從而產生水力壓力，可以將水壓入潛流帶。這些精心放置的原木和巨石，被稱為“潛流帶結構”，還創造了渦流和緩慢的水袋，為幼魚和昆蟲提供安全的避風港——所有這些都是為了模仿天然溪流的特徵。

翠鳥重建工程於當年秋天完成，匯合處重建工程於 2015 年春天完成。溪流的流動速度減慢，因此沉積物從水柱中沉澱出來，並開始完善溪流的形狀和河床。這一行動還減少了下游沉積物的快速積累，城市過去經常花費大量資金清除這些沉積物。在接下來的五年裡，礫石和淤泥逐漸在木柵欄後面堆積起來，形成了更平緩的坡度。

監測使巴克和赫拉科維克能夠透過感知溫度和跟蹤示蹤劑來跟蹤水流。他們證實，水確實在向下移動並穿過潛流帶。在 2020 年的一篇論文中，他們報告說，那裡的水混合速度是施工前速度的 89 倍。資料分析證明，溪流正在按照巴克和赫拉科維克——以及自然——的意願運作。

但是，這種流動也支援生命並減少汙染嗎？

昆蟲入侵溪流

恢復溪流的自然形狀可以鼓勵流離失所的植物和動物遷回。然而，在許多情況下，只有一些物種返回。而且，由於該團隊安裝的礫石和沙子是貧瘠的區域，巴克認為他們可能需要生物學上的快速啟動。

如果一個物種從生態系統中消失，我們的本能只是重新引入它。但生態學家痛苦地意識到一些警示故事，例如放養一種理想的鱒魚，但不經意間也帶來了病原體。即使帶回一種本地植物，也可能會動搖一個已經適應其不存在的系統。

金縣（西雅圖所在地）的環境科學家凱特·麥克尼爾理解這個教訓。她監測昆蟲作為衡量溪流健康狀況的指標，並根據她所謂的“昆蟲評分”對它們進行評分。麥克尼爾發現城市化與較低的昆蟲評分之間存在明顯的關聯；她認為，有些物種對生存過於敏感。

幾年前的一次經歷讓她重新思考這個結論。破壞者破壞了她在西雅圖長fellow溪設定的一項實驗，該實驗將圈養的昆蟲釋放到城市溪流的“野外”。兩年後，她在那裡採集魚類樣本，並在一條魚的腸道中發現了一種昆蟲，一種石蛾。石蛾的壽命只有幾周，因此不可能是來自意外釋放的個體：它一定是“那個個體的孫子”，她說。“我簡直不敢相信。”

麥克尼爾意識到，重建溪流中的一些昆蟲可能失蹤，不是因為它們無法適應這些條件，而是因為附近沒有昆蟲可以重新殖民水域。生命將返回恢復溪流的想法依賴於生物從健康的河流上游棲息地遷移。但是對於長fellow溪，麥克尼爾說，源頭“實際上是一個家得寶停車場”。她說，如果生物要重新殖民恢復的溪流，“我們可能需要幫助它們。”

有了這個見解，她獲得了金縣的許可，可以用石蛾、蜉蝣、石蠅和其他物種播種四條溪流。其中一些物種倖存了下來。2019 年，桑頓溪團隊嘗試了另一項開創性的舉措：用生命接種工程潛流帶。與人類腸道類比一致，該程式有點像給一個人服用益生菌，甚至糞便移植，以恢復他們的腸道微生物群系。

進入溪流生態學家莎拉·莫利和微生物學家琳達·羅茲，她們都來自國家海洋和大氣管理局。他們在附近的更健康的雪松河流域收穫了野生微生物和無脊椎動物，將它們放在小籃子裡。他們將一些籃子帶回實驗室，記錄捕獲的物種，並將其他籃子埋在桑頓溪恢復的潛流帶中。

無脊椎動物和微生物迅速地在這些區域定殖。但是，即使個體數量很多，生物多樣性也相對較低。根據兩人 2021 年在Water雜誌上發表的論文，一些新物種大量繁殖，但大多數其他物種與溪流未修復部分的物種相似。

莫利和羅茲正在考慮為什麼更多他們引入的物種沒有存活下來。由於這門科學是如此新穎，他們尚未排除任何可能的解釋。捐贈溪流可能差異太大，或者修復區域太小，或者水質太差。他們可能過早地接種了潛流帶，在一些生物所需的小植被能夠生長之前。然而，在一些鱒魚的腸道中，林奇發現了至少 20 年來未在桑頓溪中見過的水生昆蟲。“魚類比我們更擅長取樣，”她說。科學家們現在正在進行另一項具有更靈敏監測的研究。

儘管如此，莫利和羅茲確實發現，開始生活在修復後的溪流段的微生物比附近未修復段的微生物活躍得多，這表明它們“被催促著去做一些事情”，羅茲說——可能是建立生物膜和生物質，清除汙染物或分解有機物質。修復後的河段的潛流帶甲殼類動物、蠕蟲和昆蟲的數量是以前的七倍，總體物種多樣性也更高。

追蹤化學物質

關於桑頓溪修復的最後一個問題是，它是否正在清理暴雨期間隨徑流湧入的汙染物，從草坪肥料到城市垃圾。林奇不得不尋找三年才能找到一位願意進行這項研究的化學家。“他們都說做不到，”她回憶道。他們說，追蹤水在潛流帶中停留多長時間，以及測量化學物質是否在水在地下停留期間被去除，都太困難了。

林奇最終聯絡到了當時在科羅拉多礦業學院擔任工程師的斯庫勒·赫爾佐格，他專門研究潛流帶。“他乘下一班飛機來到這裡，”林奇興高采烈地回憶道。在多年學術研究潛流帶之後，他很高興在一個真正的修復專案上進行測試。林奇招募了華盛頓大學化學家愛德華·科洛傑伊來提供幫助。

該團隊將示蹤染料送入一個工程深潭中，該深潭將水壓入潛流帶。然後，他們監測了下游 7 英尺和 15 英尺處的出口點，以確定“資料包”的水在重新加入地表水流之前在地下停留了多長時間；水在地下停留了 30 分鐘到 3 個小時或更長時間。他們還從溪流中採集了水樣，並使用質譜分析法測量了來自暴雨徑流的不同汙染物。他們統計了近 1,900 種。

科學家們在水包進入潛流帶段之前和之後以及在它們從潛流帶段出來之後對它們進行了取樣，並將它們與在潛流帶段上方向下游流動的地表水進行了比較。地表水流至少將約 17% 的化學物質濃度降低了一半。7 英尺長的潛流帶至少將 59% 的化學物質濃度降低了一半，而 15 英尺長的潛流帶至少將 78% 的化學物質濃度降低了一半。由於水在這些短的潛流帶段中停留的時間如此之短，該團隊認為汙染物大多是粘在沉積物或生物膜上，而不是立即被微生物分解，儘管這種分解在更長的時間內很常見。

赫拉科維克說，如此短的潛流帶跨度能夠減少如此多的汙染，真是“令人震驚”。他補充說，“令人震驚的是，如果我們能更廣泛地使用這種方法，我們能做好多少好事。”

新標準？

桑頓溪的調查結果令人鼓舞。自 2015 年修復工程完工以來，即使在大型風暴期間，溪流周圍的社群也沒有發生洪水。溪流的溫度和流量全年更加穩定。該市需要減少疏浚次數，節省資金，鄰居們喜歡在擴大的綠地中度過時光。然而，這項工作也揭示了自然系統是多麼複雜，以及一旦受損，修復它們有多麼困難。隨著城市和機構越來越多地轉向更多基於自然的解決方案，桑頓溪的經驗教訓可以幫助專家瞭解哪些步驟有效，哪些步驟需要改進。

成功幫助林奇說服了西雅圖公共事業公司和其他城市決策者溪流“腸道”的重要性。潛流帶修復已成為公用事業公司溪流專案的正式組成部分——並非有保證，但會定期考慮。泰勒溪現在計劃在 1,200 英尺長的河段上進行八次潛流帶重建。赫爾佐格正在測試設計改進方案，以增加水在潛流帶中的“停留時間”，並正在研究這會在多大程度上增加淨化效果。修復桑頓溪北支流的計劃包括潛流帶結構。由於該區域具有減少汙染的能力，該市可能會在長fellow溪的修復工程中包括潛流帶結構，長fellow溪中含有一種來自汽車輪胎顆粒的化學物質，科洛傑伊已證明該化學物質會殺死鮭魚；施工可能會在 2026 年開始。

儘管如此，小規模的修復無法完全彌補對長溪流和河流的損害。“雨水徑流、生物多樣性、洪水——這些都是流域尺度問題，”巴克說。這就是為什麼重建需要在溪流或河流沿線的許多地方分佈。阿貝是啟發林奇的地貌學家，他現在在自然系統設計公司工作。他已在華盛頓州其他五個縣規劃和監督了 14 項潛流帶修復工程。2019 年，阿貝與美國墾務局工程師史蒂夫·科爾克一起在切蘭縣的毒藥溪上散步，美國墾務局是一個在生態學界因建造巨型水壩而臭名昭著的機構。正如阿貝所說，科爾克突然停下腳步說：“最終，你們談論的是數十萬次處理，以恢復我們的流域。”阿貝說：“賓果。”

在一個已建成的城市中找到更多自然水流的空間似乎很困難，但建築物更換的頻率比人們想象的要高，尤其是在它們經常被淹沒的情況下。城市可以像西雅圖那樣開墾土地。即使是關鍵地點的小型專案也能發揮作用。透過恢復匯合處和翠鳥的洪泛區，西雅圖已經緩解了桑頓溪沿線令人頭痛的洪水。

對林奇來說最令人興奮的是，潛流帶創新在 2018 年秋季贏得了最終的認可，當時奇努克鮭魚從普吉特海灣遊入，並在溪流修復的潛流帶中產卵。

“那真是太激動人心了，”林奇回憶道。“我們做到了。你可以恢復潛流帶。你可以恢復自然過程，達到我們實際上正在吸引鮭魚到該地點產卵的程度。”她說，如果城市溪流中的這兩個小型修復工程可以幫助重啟一個功能正常的生態系統，“我認為未來真的有希望。”

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