北方泥炭地林业活动是导致流域铁元素渗出的主要原因，同时也有相应的缓解措施

《Ecological Engineering》：Boreal peatland forestry dominated catchment iron leaching and the possibilities for mitigating it

铁浓度在 boreal 区域地表水中的增加与黑云母岩和泥炭地排水密切相关，通过高分辨率地形模型和空间采样分析，揭示了铁渗漏的高风险区，并评估了人工湿地、沉淀池等水处理方案对铁去除的有限效果。低pH（5.90-6.16）和还原电位（ORP <100 mV）抑制了铁氧化，导致水处理效率低下。研究强调减少对泥炭地的排水和干扰黑云母岩区域的重要性，并建议优化水处理系统的氧化条件。

　　在研究铁（Fe）在北欧地区地表水中的浓度变化时，研究团队发现自1990年代以来，铁浓度呈现上升趋势。这种现象主要由土地利用方式所驱动，特别是在黑云母（black schist）区域、酸性硫酸盐土壤（acid sulfate soil）以及泥炭地（peatland）等地点。这种增加的铁浓度对水质产生了显著影响，包括使水体呈现褐色，这会破坏水生生态系统的初级生产力，并削弱鱼类及其他水生生物的生存能力。此外，水体的变色和铁沉淀还会对水基础设施以及水体的休闲价值造成影响。然而，铁在磷循环中也发挥着重要作用，能够减少水体中的磷负荷。

铁在土壤中广泛存在，主要以氧化物、硫化物和硅酸盐矿物的形式存在。其中，硫化物在黑云母地区以及前 littorina 海区的酸性硫酸盐土壤中尤为常见。这些区域在铁硫化物氧化成硫酸时，可能产生酸性水体，从而溶解土壤中的铁及其他金属。土地利用方式对铁的迁移有重要影响，尤其是在有机土壤中，通过排水降低地下水位会增加铁和有机碳（OC）的迁移。此外，低pH值的环境会抑制铁的氧化，而低氧化还原电位（ORP < 100 mV）则可能表明铁（III）在微生物作用下发生还原。当前的自然水处理解决方案在低pH和富含腐殖质的条件下对铁的保留能力有限，这突显了减少铁迁移的必要性，特别是在泥炭地排水等土地利用活动方面。

研究团队开发了一种流域尺度的方法，以更好地识别铁迁移的区域。高分辨率的地表径流模型结合空间采样，证明是一种有效识别主要铁迁移区域的方法。在芬兰的 J??linj?rvi 流域，空间分析表明铁迁移与泥炭地排水和黑云母区域密切相关。未排水的泥炭地表现出可测量的铁浓度较低，这表明它们在铁迁移中具有潜在的缓冲作用。此外，研究团队还评估了不同自然水处理解决方案（如人工湿地（CW）、沉淀池（SB）、旋涡沉淀池（VSB）和木材束（WB））对铁的保留效率，并探讨了水化学性质对铁过程的影响。结果显示，铁的保留通常较弱，只有3.5公顷的沉淀池（SB）显示出显著的去除效果（总去除率为14%，溶解铁的去除率为33%）。铁去除效果较弱可能是由于水处理解决方案中停留时间和接触时间较短，而大多数铁以溶解形式存在。此外，低pH值的环境对铁的氧化有重要影响，尤其是在pH值在5.90–6.16的地区，这会抑制铁的氧化。低氧化还原电位（ORP < 100 mV）表明可能发生了铁（III）的微生物还原。

为了有效管理铁的迁移，应重点关注土地利用的控制，避免铁从土壤和地下水迁移至水体。研究结果清楚地表明，当铁进入水体时，很难通过水处理系统将其捕获。因此，在高风险区域应避免不必要的土地利用和土壤扰动。排水或其他土地开挖活动会改变土壤层的地下水位，直接影响其氧化和厌氧条件。这会导致有机和矿物层的氧化，从而增加铁和其他金属的迁移。在富含硫化物的基岩或泥炭中进行操作时，如沟渠网络维护或泥炭采伐，可能会增强酸性和重金属的迁移。其他高风险区域包括可能的酸性硫酸盐土壤，这些土壤通常位于自然铁储存区域。

为了有效保护水资源，需要更好地识别铁迁移的高风险区域，以防止其迁移。在流域尺度的水管理和保护中，利用和结合水文流动网络模型、子流域划分和水采样可以帮助评估富含铁的水流如何进入沟渠。空间数据集可用于识别每个采样点的铁与基岩、土地利用或排水状态的联系。避免促进增加人工水文连接，尤其是在已排水的泥炭地流域中，是非常重要的。如果容易发生铁迁移的区域直接与接收水体相连，那么高浓度铁的问题可能会变得严重。在空间分析中，未排水的泥炭地与黑云母区域的铁浓度呈负相关，表明自然泥炭地可以帮助缓解铁迁移，尤其是在高风险的黑云母地区。然而，在泥炭地恢复的情况下，需要考虑铁迁移的风险，因为恢复可能会在情况恢复正常之前导致铁、营养物质、碳和其他重金属的显著输出。

如果土壤扰动和土地利用变化已经发生或无法避免，那么减少铁负荷有害影响的主要方法是传统水处理方法。了解铁迁移的过程对于提高水处理解决方案的效率和可持续性至关重要。关于铁负荷及其变化的信息有助于评估这些解决方案的容量，减少解决方案的过载。解决方案可以通过调整水停留时间来优化铁的沉淀，但本研究指出，这些解决方案的效果可能因情况而异，或效果较弱。

在研究区域，J??linj?rvi 流域的面积为36.3平方公里，海拔在40至70米之间。该地区的气候寒冷，长期（1991–2020年）的年均温为3.1°C，年均降水量为552毫米。该地区的主要基岩是富含铁的黑云母，其上覆盖着冰川沉积物。这些沉积物在冰川作用下可能已广泛分布于流域的土壤中。在黑云母区域，铁和硫的最大含量特别高（11.5%铁和9.9%硫），这比典型的泥炭含量高约三倍。铁含量在黑云母附近的泥炭层最高，而硫则在泥炭层的下部更广泛分布。

为了识别流域内的地表径流模式，研究团队使用了基于地理信息系统（GIS）的模型方法。该模型基于2米分辨率的数字高程模型（DEM）和D8流方向算法，并结合矢量数据（来自芬兰国家土地测量局（NLS）地形数据库）优化了流烧方法。这种方法允许研究团队考虑密集沟渠对实际地表径流模式的影响。优化后的径流模型被划分为基于上游流域面积的流网络，进一步帮助识别主要径流路径。根据模型，J??linj?rvi 流域被划分为五个主要子流域：Saarisenoja、Korteoja、Kokko-oja、Haisunsuo 和 Peukaloisenj?rvi。

在2023年，研究团队从J??linj?rvi流域的采样点采集了空间水样，这些采样点分布在不同子流域内。在2021年、2022年和2023年的研究期间，采样点的Fe总浓度变化显著。其中，Peukaloisenj?rvi子流域（采样点A）的平均Fe总浓度最高（19.4 mg/L），其次是Saarisenoja子流域（采样点F）（10.6 mg/L），而Kokko-oja子流域（采样点D）的平均Fe总浓度最低（4 mg/L）。在Saarisenoja子流域（F），上部流域的Fe浓度最低，而在Kokko-oja子流域（D），采样点O4（位于子流域上部）的平均Fe总浓度最高。在Haisunsuo子流域（E）中，由于排水密度较高，未观察到从上部流域到出口的浓度变化模式。

研究团队使用广义线性模型（GLM）分析了泥炭地排水和黑云母影响区域对平均Fe总浓度的影响。GLM被选为一种灵活且可解释的模型，其预测变量包括排水泥炭地百分比、未排水泥炭地百分比和黑云母区域百分比。结果表明，未排水泥炭地百分比与Fe总浓度呈显著负相关（r = -0.651，p = 0.006），而黑云母区域百分比与Fe总浓度呈显著正相关。然而，排水泥炭地百分比与Fe总浓度之间没有显著相关性。研究团队还检测到了一些异常值，这些值可能与O4和A点的特殊高Fe浓度有关，这可能是由于过去几十年中湖水的疏浚活动导致的沉积物堆积，而不是单纯的排水或黑云母的存在。

铁在水体中的行为仍受与土壤中相同的化学和生物过程所影响，这些过程也可以用于去除铁。铁在水处理系统中的保留主要基于Fe(II)氧化为Fe(III)。氧化后的Fe(III)会形成不溶的（氧）氢氧化物，这些氢氧化物会结合土壤、沉积物和有机质，铁可能通过沉淀或过滤被保留。在高浓度铁的情况下，化学沉淀占主导地位，但在较低浓度下，微生物和植物的吸收是铁去除的重要机制。自由水面湿地和沉淀池已被广泛用于铁去除，这些系统通过沉淀悬浮固体和铁来去除铁。在自由水面湿地中，植被还增强了过滤效果。沉淀作用依赖于沉淀池中的水停留时间和颗粒物的性质，如密度和大小。例如，在Lesley等人的研究中，通过人工湿地实现了92%的铁去除，而Hedin的研究报告了通过沉淀池实现85%的铁去除。与自由水面湿地相比，地下流湿地对铁去除效果较差，因为厌氧条件会促进可溶性Fe(II)的形成，这可能导致其被冲刷掉。

研究团队还评估了水处理解决方案的性能，包括铁总浓度（Fe_tot）和溶解铁（Fe_dis）的去除效率。结果显示，所有水处理解决方案的铁去除效率普遍较弱，甚至出现负值，表明铁从水处理系统中迁移。VSB在2023年的铁总去除效率为3%，而WB在2022年的铁总和溶解铁去除效率也为3%。CW在2021年的铁总去除效率为-6%，2022年为-7%，但在2023年达到7%。SB在2021年的铁总去除效率为11%，2023年为14%，而2021年的溶解铁去除效率为33%。这些结果表明，尽管水处理解决方案在铁去除方面有一定效果，但在低pH和富含腐殖质的条件下，其去除效率仍然有限。因此，减少铁迁移的关键在于控制土地利用活动，如泥炭地排水。

为了更有效地管理铁的迁移，需要更好地识别高风险区域。通过结合水文流动网络模型、子流域划分和水采样，可以评估富含铁的水流如何进入沟渠。空间数据集可用于识别每个采样点的铁与基岩、土地利用或排水状态的联系。避免促进增加人工水文连接，尤其是在已排水的泥炭地流域中，是非常重要的。如果容易发生铁迁移的区域直接与接收水体相连，那么高浓度铁的问题可能会变得严重。此外，研究团队发现未排水的泥炭地在黑云母区域的铁浓度较低，这表明自然泥炭地可能在缓解铁迁移方面具有潜在作用。

本研究的结论表明，高分辨率的DEM模型结合流烧方法能够有效识别J??linj?rvi流域的主要地表径流路径。通过将这些径流路径与空间水质采样相结合，研究团队识别了高铁浓度区域，并探讨了水文连接，从而指出了铁迁移的潜在风险区域。空间分析显示，J??linj?rvi流域的Fe总浓度存在显著的空间差异，其中最高为19.4 mg/L，最低为0.37 mg/L。铁迁移与黑云母区域和泥炭地排水密切相关。未排水的泥炭地在黑云母区域表现出较低的铁浓度，这表明它们可能在缓解铁迁移方面发挥作用。然而，由于流域的同质性，检测显著模式较为困难。因此，需要更多的研究，特别是关于黑云母沉积物的环境影响。

在水处理系统方面，研究团队评估了人工湿地（CW）、沉淀池（SB）、旋涡沉淀池（VSB）和木材束（WB）的性能。这些解决方案对铁的保留作用有限，其中最佳的Fe总去除效率出现在3.5公顷的沉淀池（SB）中，为14%（2023年），而溶解铁的去除效率为33%（8月-9月2021年）。CW在2021年和2022年的Fe总和溶解铁去除效率为负或较低，而在2023年达到7%。VSB和WB在第一年的Fe总去除效率为3%。这些结果表明，尽管这些水处理解决方案在铁去除方面有一定效果，但在低pH和高腐殖质的条件下，其效果仍然有限。因此，需要更有效的水处理方法来应对铁迁移问题。

在水化学性质方面，研究团队发现铁的迁移和去除受到多种因素的影响，包括pH值、氧化还原电位（ORP）、溶解氧（DO）以及微生物活动。低pH值会抑制铁（II）的氧化，而低ORP值可能表明铁（III）的微生物还原。此外，水体的腐殖质含量和微生物活动对铁的迁移和去除具有重要影响。在本研究中，铁的去除效率较低可能与低pH值、高腐殖质含量以及水体的低氧化还原电位有关。因此，为了提高铁的去除效率，需要优化水处理系统的运行条件，例如通过增加水的停留时间或调整水体的pH值。

研究团队还发现，铁的负荷和去除效率在不同季节和不同水处理系统中存在显著差异。例如，在2023年的研究期间，铁的负荷在8月达到峰值，而在2022年，由于降雨量较高，铁的负荷也相应增加。此外，铁的去除效率在水处理系统中受到多种因素的影响，包括水的停留时间、pH值、氧化还原电位（ORP）以及微生物活动。因此，为了提高铁的去除效率，需要综合考虑这些因素，并优化水处理系统的运行条件。

最后，研究团队指出，铁迁移和水处理系统的效率受到多种因素的影响，包括土地利用、水化学性质和水文条件。因此，为了有效管理铁的迁移，需要采取综合措施，包括控制土地利用、优化水处理系统的设计和运行，以及加强水化学性质的监测。这些措施将有助于减少铁的负荷，并改善水体的水质。