在美国河流和陆地与海洋交汇的潮湿、泥泞的地方，能源部橡树岭国家实验室的科学家们正在挖掘线索，以更好地了解这些重要的景观在气候变化下是如何演变的。

全国大约40%的人口居住在沿海县。沿海地区是美国经济的关键，拥有全国的港口、关键的能源基础设施、渔业和旅游中心，每年生产10万亿美元的商品和服务。

滨海湿地是吸收洪水影响和防止财产损失的有效屏障。然而，严重的风暴、长期的海平面上升和不断增加的基础设施，加上其他压力因素，给沿海生态系统带来了独特的挑战。

ORNL的研究人员收集和分析有关水、土壤、植物和微生物如何相互作用并影响这些环境中碳和营养物质循环的数据。

他们在路易斯安那州的沿海沼泽、德克萨斯州的红树林沼泽、切萨皮克湾和伊利湖的沿海湿地等各种各样的生物群落中收集样本。他们的目标是改善国家首要的地球系统模拟，帮助决策者为未来做好准备。

ORNL环境科学部的高级科学家Elizabeth Herndon正在领导一个项目，研究路易斯安那州海岸线上的水位波动如何转化为生物地球化学过程的变化，或者环境中生命、地球和化学的自然循环。

该研究涉及两个地点，其中一个是在部分河流改道以减少城市洪水后，三角洲正在积极发展。另一个地点是由于沉积物供应被切断，土地被淹没的地方，土壤越来越被淹没，并受到盐碱化的影响——海平面上升导致可溶性盐积累。

该研究是Herndon的能源部早期职业奖项目的一部分，重点关注淡水和海水的洪水如何影响沿海生态系统中营养物质磷酸盐与铁和锰元素之间的相互作用。这些发现将提高预测建模能力。

赫恩登是一名环境地球化学家，他正在与同事们一起测量和收集这些地点的水和土壤数据。他们的目标是分析洪水和排水如何影响环境条件，包括pH值，土壤湿度，最重要的是，系统的氧化还原过程，或还原氧化反应，控制生态系统中的化学转化。

除了亲自取样，科学家们还安装了环境传感器来收集近乎实时的数据。

赫恩登说:“我们的目标是了解土壤和水的组成，这可以为我们指出生态系统进化过程中发生的重要过程。”

通过了解这些生物地球化学过程如何随时间和空间的变化而变化，科学家们可以确定该系统是如何处理诸如密西西比河中磷的涌入等变化的。磷是植物和微生物的主要营养物质，在赫恩登正在研究的地区，由于肥料和工业径流，磷含量丰富。

磷是留在沿海土壤中，还是被冲进海洋，都会影响墨西哥湾的藻华和死区等事件。生态系统中的养分循环在很大程度上是由氧化还原变异性引导的，即不同物质之间的还原(即获得电子)和氧化(即失去电子)的平衡。

例如，当土壤饱和时，分解有机物的电子被转移到氧化铁而不是氧气中，导致矿物质溶解并释放出结合的磷酸盐。土壤排水重新引入氧气，与溶解的铁发生反应，重新形成氧化铁并捕获磷酸盐。

这种可变性会影响生物体获取营养和能量的能力，从而影响生长和生存。Herndon说，在土地系统模型中，氧化还原变率的代表性不足。

赫恩登说:“我们正在产生关于这些系统的新知识，在这些系统中，我们目前对驱动碳通量和其他生态系统过程的地球化学理解不多。”

“我们正在深入研究土壤中发生的事情，这些事情可能会影响植物群落或系统中的温室气体通量。”通过与建模方面的同事合作，科学家们利用这些观察和测量来为模型开发提供信息。

在地球大小的模拟中添加缺失的部分

terri O'Meara是ORNL的环境科学家，通过史密森尼环境研究中心的联合任命，她正在合作几个项目，以更好地了解植被动态和生物地球化学循环之间的联系，以响应人类引起的沿海生态系统变化。

在美国能源部一个名为“沿海观测、跨系统和尺度的机制和预测”(COMPASS)的大型多实验室项目中，奥米拉与建模师和现场科学家合作，作为主题共同领导分析洪水等驱动因素如何影响沿海地区。

在一项COMPASS实验中，科学家们正在模拟马里兰州的一种环境，在这种环境中，森林地块间歇性地被淡水或盐水淹没，以模拟风暴事件，以了解沿海生态系统中的碳循环和树木和植物的生存。

O'Meara还与史密森尼环境研究中心和美国能源部合作伙伴一起进行盐三月增加对温度的响应实验，或SMARTX项目，这是一个在切萨皮克湾进行的全生态系统活跃变暖实验，致力于研究变暖对碳循环的影响。

研究发现，海岸带湿地甲烷排放量在生物地球化学和植物性状双重作用下，随着气候变暖而显著增加。在另一个史密森尼与美国能源部合作的项目——温室气体排放Nexus (GENX)中，科学家们正在使用自动化甲烷室来量化不同时间尺度上调节甲烷排放的分解途径的速率。

“在我们合作的沿海生态项目之前，我们的陆地表面模型中很少有关于水和沉积物横向运输的细节。因此，在我们的地球系统模拟中，海岸线没有得到充分的描述。”

“我们想了解这些生态系统的碳捕获和储存潜力，以及它如何随着时间的推移而变化。例如，植物可以捕获沉积物，从而改变土地的海拔，进而改变地下生物地球化学。

“(海岸线)是受影响最严重的生态系统之一，”她补充说。

“我们需要他们提供的服务，但他们也受到陆地开发和海洋环境压力的压力。疏浚和其他措施可以改变沉积物的供应。海平面上升，温度变化会影响稳定生态系统的植被。所有这些事情都是同时发生的，不可能衡量所有事情。”

奥米拉说:“因此，如果我们能够了解生态系统中起作用的潜在过程，那么我们就可以把它放在一个模型中，让这些过程相互作用，分析它们对海岸生存的影响，以及我们可以做些什么来提高对变化的适应能力。”

将最微小的元素扩展到全球影响

这些项目在不同尺度上收集的数据，从土壤中的微生物生命到大规模的生态系统反应，对于更好地理解和模拟地球尺度的土地过程至关重要。

这就是ORNL科学家本杰明·苏尔曼介入的地方。他正在使用一套生物地球化学和其他模型来扩展这些过程，并将它们整合到更大的美国能源部百亿亿次地球系统模型(E3SM)的陆地模型中。E3SM是了解和预测地球在未来几年气候变暖下将如何变化的重要能力。

苏尔曼在E3SM陆地模型中整合沿海湿地过程的工作是他自己的能源部早期职业奖的主题，利用他在模拟生物地球化学循环和植物-土壤相互作用方面的专业知识。

他领导着将氧化还原化学、潮汐水文学和沿海湿地植物功能类型(如盐沼草和红树林)的模拟与生态系统和大陆尺度的陆地模型模拟联系起来的工作。

“这些生态系统之所以如此有趣，是因为它们位于陆地和水之间、淡水和咸水之间的许多界面上，”苏尔曼说。

“正因为如此，与我们可能研究的其他系统相比，它们非常动态。我们可以看到沿海系统的水文和生物地球化学每小时都在发生巨大的变化。这就是为什么它们是生物地球化学循环的热点。”

苏尔曼补充说，沿海地区可以储存大量的碳，因为那里生长着快速生长的植物，由此产生的有机物质被埋在沉积物中，但它们也会排放大量的温室气体，如甲烷和一氧化二氮，这些气体是在被淹没的土壤中产生的。

潮汐波动可以将盐或淡水输入系统，因此在这些界面上可能存在巨大的可变性。科学家们发现，当生态系统受盐的影响更大时，硫酸盐循环往往会压倒其他元素循环，从而导致温室气体的产生，苏尔曼说。

水、营养物质和碳在湿地景观中的横向运输可能是沿海碳和营养平衡的重要控制因素，ORNL正在利用先进的陆地模拟器(ATS)来代表这一因素。

由ORNL和其他国家实验室开发的ATS是一个复杂的地表和地下流动和运输模型，可以更好地模拟沿海系统中横向交换的作用。Sulman说，将ATS与E3SM陆地模型相结合，可以解决植物、水流和地下生物地球化学之间的相互作用，从而解决用更简单的模型无法解决的问题。

他说:“在ORNL工作人员今天所做的一些实地工作中，可以看到海岸变化的幅度。”“Beth [Herndon]正在密西西比三角洲的一个岛屿上工作，这个岛屿在50年前并不存在”，因为陆地在移动。“如果你看一下预测的海平面上升地图，你会发现沿海有很多地区在20到30年后可能就不存在了。”

通过描述这些复杂的海岸过程，你可以在E3SM陆地模型中更好地描述碳平衡，苏尔曼说。

Sulman、O'Meara和同事们最近取得了一个里程碑式的成就，他们成功地利用一种名为PFLOTRAN的生物地球化学模型，将氧化还原反应和其他关键的沿海生态系统过程整合在一起，详细信息发表在《地球物理研究杂志:生物地球科学》上。然后，他们展示了海岸过程是如何与E3SM陆地模型相关联的，详见《地球系统建模进展杂志》。

用更频繁的观测改进模型

苏尔曼说，科学家们将复杂的生物地球化学过程整合到地球陆地模型中，模拟硫、铁和碳循环之间的相互作用，以及它们对盐度的反应。

研究人员还建立了植物光合作用对盐度的反应。通过更频繁地观察潮汐和光合作用，研究小组发现，他们可以更清楚地分析显著影响土壤养分循环的变化。

虽然这项工作的重点是马里兰州和马萨诸塞州沿海地区的数据，但苏尔曼说，他现在正在与赫恩登合作，用她在路易斯安那州的网站上的数据进行类似的建模。

从长远来看，苏尔曼希望从单个地点评估模型，到在更大的气候和盐度梯度上进行模拟，以获得整个地区的答案。

在一个相关的项目中，作为ORNL与美国能源部东南德克萨斯城市综合野外实验室合作的一部分，Sulman正在与同事一起模拟湿地，以评估盐沼恢复活动对碳储存和温室气体通量的潜在影响。他补充说，诸如此类的项目可以成为更大的区域洪水管理计划的一部分。

更好地代表这些不断演变的生态系统的工作正在进行中。赫恩登最近共同领导了美国能源部关于沿海生态研究的研讨会，汇集了来自全国各地的科学家，讨论知识差距和未来的研究重点。

“(沿海生态系统)既具有生态重要性，又受到生态威胁，”苏尔曼说。“我们在这些地区依赖的很多东西，比如渔业、港口系统和抵御洪水的湿地，都依赖于完整的沿海生态系统。”

通过在预测模型中更好地代表这些环境中发生的复杂相互作用，科学家可以评估潜在的补救措施，以确保基础设施和自然资源的恢复能力。

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