《Journal of Great Lakes Research》：Sources and streambed storage of soft sediment and sediment-bound phosphorus in an agricultural Great Lakes tributary
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東河農業流域中磷和懸浮沉積物的來源分析表明，河道侵蝕（包括岸坡侵蝕和溝壑）貢獻了約7200公斤/年的磷沉積物，占系統總磷負荷的72%，而總懸浮沉積物年負荷達5400萬噸。研究采用地化指紋技術結合河道網絡預算分析，揭示了河道床細粒沉積物存儲量達1400萬噸，其中高階河段存儲比例超95%。發現不同地貌條件下河道侵蝕貢獻度差異顯著，溝壑發育區磷釋放效率提高30%-50%。
海蒂·M·布羅曼（Heidi M. Broerman）| 詹姆斯·D·布朗特（James D. Blount）| 費思·A·菲茨帕特里克（Faith A. Fitzpatrick）| 坦賈·N·威廉姆森（Tanja N. Williamson）| 麗貝卡·M·克雷林（Rebecca M. Kreiling）| 艾薩克·J·梅維斯（Isaac J. Mevis）| 馬修·J·科米斯基（Matthew J. Komiskey）
美國地質調查局（U.S. Geological Survey），上中西部水科學中心（Upper Midwest Water Science Center），美國
摘要
東河（East River）是美國威斯康星州（Wisconsin）下�？怂购樱↙ower Fox River）和密歇根湖（Lake Michigan）的一條農業支流，其磷（P）和懸浮沉積物負荷過高，導致下游水體富營養化及棲息地受損。本研究分析了從一級臨時性河道到下游監測站之間，軟質細顆粒沉積物（淤泥和粘土）及其所含磷（sed-P）的來源和河道儲存量的空間變化及連通性。分析方法包括現場調查、應用于擴展河道網絡的河道沉積物和沉積物-磷預算，以及地球化學指紋分析。河道調查內容包括山谷兩側的質量流失、河岸侵蝕、常年性和臨時性河道中的溝蝕現象，以及常年性河段的河道儲存量；所有數據均轉換為質量單位。侵蝕結果表明每年產生約7400毫克的細顆粒沉積物，這與年均懸浮沉積物負荷5400毫克相當。河道侵蝕每年貢獻了7200毫克的沉積物-磷，低于年均顆粒磷負荷10,000毫克。軟質沉積物的儲存量為1400毫克，其中含有1500毫克的沉積物-磷。軟質沉積物中河岸來源的比例具有空間差異：在高儲存量的河段中占比≥95%，而在上游河段中這一比例低至20%，其余部分來自溝蝕、農作物和森林。兩條鄰近支流在軟質沉積物中河岸來源的比例上相似，但地貌環境的不同影響了其空間分布。本研究強調了將河道侵蝕作為農業流域沉積物和沉積物-磷來源的重要性，這對制定保護措施具有指導意義。
引言
農業流域是全球水生生態系統沉積物和磷（P）濃度的主要來源（Sharpley等人，2013年；Stets等人，2020年），這些物質會導致富營養化、棲息地退化，并引發藻類大量繁殖，從而影響魚類、水生生物和下游水質（Cadmus Group，2012年；Klump等人，2018年；Lin等人，2016年；Noe等人，2020年；Tellier等人，2022年）。此外，儲存在流域中的磷可能需要數百年甚至數千年才能通過水文過程被輸送出去（Goyette等人，2018年）。為減輕美國境內營養物質和沉積物負荷的影響，美國環境保護署（U.S. Environmental Protection Agency, EPA）根據《清潔水法》（Clean Water Act, CWA）第303(d)條制定了總最大日負荷（TMDL）標準，以控制流域污染物負荷（美國環境保護署，2022年）。污染物減排目標和TMDL指標通�；谂c土地利用特征相關的土壤侵蝕模型來確定，而較少考慮河道侵蝕及物質輸送和儲存的變化（Lucas等人，2025年；Nsar等人，2007年）。
在五大湖地區，許多河流流域已制定了TMDL標準，以減少向湖泊的沉積物和磷負荷（密歇根州環境質量部，2015年；威斯康星州自然資源部，2021年）。作為密歇根湖格林灣（Green Bay）主要支流的下�？怂购恿饔虮徽J定為沉積物和營養物質過高的受損河流（美國環境保護署，2024年），目標是在2040年前將總懸浮固體（TSS）和總磷（TP）負荷分別減少55%（Cadmus Group，2012年）。威斯康星州自然資源部2020年進行的負荷評估顯示，自2015年基準條件以來，下福克斯河的TP負荷僅減少了18%，其中大部分減排來自點源和允許建設的市政獨立雨水排放系統（MS4）。因此，TMDL目標日期從2040年推遲至2050年（威斯康星州自然資源部，2020年）。
與其他農業流域研究類似（例如Wilson等人，2012年），先前對下�？怂购又Я鞯难芯勘砻�，河岸侵蝕和溝蝕是懸浮沉積物及軟質河道沉積物的主要來源，雖然沉積物貢獻量大，但磷的貢獻相對較低（Blount等人，2022年；Fitzpatrick等人，2019年）。通常作為流域模型重點的高地土壤侵蝕，在河道與下游水質監測點之間的輸送距離增加時，其影響會被河岸侵蝕所掩蓋（Wilson等人，2014年）。這些河道來源對流域沉積物和磷負荷的貢獻程度取決于當地土地利用管理、侵蝕和沉積地貌特征的存在、凍土范圍以及高地與河道之間的連通性（Fitzpatrick等人，2019年；Good等人，2019年；Rustomji和Prosser，2001年；Williamson等人，2024年；Wilson等人，2014年）。
在陡峭的冰川后地貌中，尤其是切割高谷兩側的溝蝕和臨時性河道，長期以來難以在河道預算中準確量化。然而，將這些因素與河岸侵蝕及常年性河流的侵蝕一起考慮，對管理具有重要意義（Azmera等人，2016年；Fitzpatrick等人，2015年；Gran等人，2009年）。通過地球化學“指紋”分析并確定懸浮沉積物的來源，有助于與河道預算相結合（Gellis等人，2016年；Gellis和Walling，2011年；Williamson等人，2023年）。然后可以根據侵蝕來源的空間或時間變化來調整這些因素的貢獻比例（Blount等人，2023年；Blount等人，2022年；Fitzpatrick等人，2019年）。要實現TMDL目標，需要減少來自高地和河道的沉積物和磷負荷，這就提出了關于如何優先實施管理措施和決策的問題。
在低坡度常年性河道的河床上，洪水期間松散沉積的懸浮沉積物通常為細顆粒物質（主要是淤泥和粘土），含水量高且含有不同量的有機物質，因此容易在洪水期間重新懸浮并輸送到下游地區。為簡便起見，本文將這種沉積物稱為“軟質沉積物”。它是細顆粒沉積物和磷的潛在來源，如果含量豐富，可能會延緩高地管理措施對下游水質改善的效果（Lamba等人，2015年；Meals等人，2010年）。在美國威斯康星州東北部，美國地質調查局在附近的下福克斯河支流（如Plum Creek，Fitzpatrick等人，2019年；Apple Creek，Blount等人，2022年）進行的沉積物預算和指紋分析表明，軟質沉積物的來源包括河岸侵蝕和溝蝕（Blount等人，2022年；Fitzpatrick等人，2019年；Lamba等人，2015年；Williamson等人，2024年）。不同流域的軟質沉積物儲存量因地質和地貌環境而異，這些支流中的沉積物儲存量占年TSS負荷的25-30%，占年TP負荷的11-30%（Blount等人，2022年；Fitzpatrick等人，2019年）。
本研究的重點是下�？怂购拥闹匾Я鳌獤|河上游段，該地區農業活動密集，包括農田和畜牧業（圖1a）。由于東河與格林灣附近的下福克斯河交匯，東河的TMDL目標分別為減少TSS負荷63.5%和TP負荷70.1%（Cadmus Group，2012年；OCLCD和BCLWCD，2015年）。這些減排目標與Apple Creek（TP = 64.2%；TSS = 51.2%）和Plum Creek（TP = 77.2%；TSS = 63.5%）的目標相似（Cadmus Group，2012年）。然而，東河的河道網絡結構與Apple Creek和Plum Creek不同，因為其流域中部有一條基巖陡崖（圖1a-c）。這引發了一個問題：東河中沉積物和沉積物-磷的來源及其儲存是否受到這些河道差異的影響，從而影響了TMDL相關的管理決策。
我們假設河岸侵蝕（包括河岸和溝蝕）是東河流域內軟質沉積物的主要來源，同時考慮陡峭峽谷中的溝蝕和臨時性河道的侵蝕有助于識別可通過管理措施改善的沉積物來源。最近的研究表明，在地理信息系統（GIS）中使用10米數字高程模型數據，量化溝蝕和臨時性河道具有價值（Fitzpatrick等人，2023年）。在我們的研究中，除了常年性河道外，還納入了臨時性河道的侵蝕特征。為了驗證這一假設，我們提出了四個研究問題：1）沉積物指紋分析能否驗證河道侵蝕的沉積物預算估計，并揭示其他軟質沉積物來源的差異？2）擴展河道網絡的上游范圍是否有助于更準確地量化小型陡峭上游河道的侵蝕情況？3）上游河道的劃分能告訴我們什么關于河道與高地來源的連通性？4）沉積物-磷的儲存分布與軟質沉積物的儲存有何關系？
通過更詳細地繪制上游河道侵蝕熱點與高地土地利用及下游儲存之間的地圖，可以更好地理解從高地到流域出口的沉積物輸送過程。軟質沉積物的分布也可能揭示為什么在具有相似地貌特征的緩坡河道中，儲存量存在差異，而不僅僅是均勻分布。因此，我們結合沉積物來源分配、沉積物預算與儲存量的比較以及地理空間映射，來確定河床上軟質沉積物和沉積物-磷的來源和位置。此外，這些分析還有助于我們理解源區磷濃度如何影響沉積物-磷濃度，尤其是在沉積物從上游河道輸送到下游河流和格林灣的過程中。本研究的結果結合了流域TMDL標準以及河流監測點的年均沉積物和磷負荷進行了評估；然后將東河的沉積物和沉積物-磷來源及儲存量與附近的Plum Creek和Apple Creek進行了比較。
研究區域
東河上游流域（115.5平方公里）主要位于布朗縣（Brown County）南部，并延伸至卡盧梅特縣（Calumet County）北部（圖1c）。尼亞加拉陡崖（Niagara Escarpment）的露頭基巖主要由志留紀白云巖構成，覆蓋在較老的奧陶紀馬科凱塔頁巖（Maquoketa Shale）之上（Luczaj，2011年；Luczaj，2013年；WGNHS，2011年），在研究區域內不連續分布（圖1a，c）。這種陡崖影響了上游河道的排水模式和流速。
沉積物-磷濃度的變化
東河樣本的顆粒大小分布和沉積物-磷濃度因來源不同而有所差異，與Apple Creek和Plum Creek樣本相比，東河樣本的沉積物-磷濃度和顆粒大小更高（圖2a，b）。東河道路樣本的顆粒最大（圖2a）；然而，所有樣本組的顆粒大小總體上都比Apple Creek和Plum Creek樣本更大。四個東河樣本中有三個的沉積物-磷濃度較高，且d50值也較大。地貌因素對河道侵蝕和儲存的影響
東河的研究結果與其他農業區的研究一致，這些研究也指出河道和河岸侵蝕是細顆粒沉積物的主要來源，并強調需要進一步了解侵蝕的驅動因素（Shi等人，2021年）。通過將現場評估河段的侵蝕率和儲存量（ESM表S2、表S3）應用于60米長的河段，而不是更長范圍的河段……結論
東河是下�？怂购幽酥粮窳譃吵练e物和沉積物-磷的重要來源。通過結合沉積物指紋分析和河道沉積物預算映射技術，我們確定了河道中的沉積物和沉積物-磷來源及其在河道網絡中的空間分布。了解河道侵蝕熱點和軟質沉積物儲存位置有助于與懸浮沉積物進行比較……
注釋
文中使用的任何貿易名稱、公司名稱或產品名稱僅用于描述目的，并不代表美國政府的認可。
作者貢獻聲明
海蒂·M·布羅曼（Heidi M. Broerman）：撰寫——審稿與編輯、初稿撰寫、可視化、調查、數據分析、數據整理。詹姆斯·D·布朗特（James D. Blount）：撰寫——審稿與編輯、項目管理、方法論設計、調查、資金獲取、概念構思。費思·A·菲茨帕特里克（Faith A. Fitzpatrick）：撰寫——審稿與編輯、初稿撰寫、可視化、驗證、監督、方法論設計、調查、資金獲取、數據分析、概念構思。坦賈·N·威廉姆森（Tanja N. Williamson）：
數據可用性
數據可在美國地質調查局的國家水資源信息系統中獲取，或在美國地質調查局的ScienceBase網站上發布。利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文的研究結果。
致謝
本研究的資金由美國環境保護署的五大湖恢復計劃提供。沉積物指紋分析和數據準備得到了美國地質調查局俄亥俄-肯塔基-印第安納水科學中心（USGS Ohio-Kentucky-Indiana Water Science Center）的Shannon Pace的幫助。當地縣的數據由布朗縣（Brown County）、卡盧梅特縣（Calumet County）和馬尼托沃克縣（Manitowoc County）提供。在發表時，用于確定評估位置的布朗縣土地利用數據尚未公開。
