生态水文反馈增强自然泥炭地储水能力、径流调节与系统恢复力

针对自然泥炭地水文功能机制不明确的问题，本研究开发了PECOSIM模型，量化了透水性反馈、弹性储水与水位-蒸散反馈三种生态水文过程的作用。结果表明，这些反馈协同作用使生长季径流量增加4倍、储水量提升3倍，显著增强了干旱条件下的水文韧性，为基于自然的流域管理提供了科学依据。

　　

在全球气候变化加剧干旱风险的背景下，泥炭地作为重要的陆地碳库和水源调节器，其水文功能机制亟待深入解析。尽管泥炭地长期被认为具有增强景观尺度水资源储存、维持基流和缓解干旱影响的作用，但关于其内部生态水文反馈如何影响水循环过程以及与周边景观的相互作用仍缺乏系统认知。这一科学基础的薄弱阻碍了有效的土地与水资源管理，也限制了人们对泥炭地恢复如何影响区域水文的预测能力。

为破解这一难题，研究团队以瑞典北部的Deger? Stormyr贫营养沼泽为研究对象，开发了新型水文模型PECOSIM（PEatland ECOhydrology and Streamflow SIMulator），首次在小时至周尺度上整合了三种关键生态水文反馈机制：透水性反馈（Transmissivity feedback）、泥炭弹性储水（Elastic storage）以及水位深度-蒸散反馈（WTD-ET feedback）。该模型基于7年每小时观测数据（2014–2020年）进行校准与验证，在水位深度和径流模拟中表现出色（Kling-Gupta效率系数分别为0.88和0.87）。

研究过程中，团队综合运用了高频水文监测（水位、径流、蒸散）、气象数据同化、参数化率定（基于拉丁超立方采样）以及多目标函数优化等方法。模型通过模块化设计允许单独或组合激活反馈机制，从而量化各过程的独立与协同效应。关键技术创新包括：基于广义逻辑函数刻画水力传导度垂向变化、采用双逻辑曲线描述水位-蒸散抑制关系、引入几何因子简化汇流结构，并通过雪模块与土壤冻融模型扩展了寒区适应性。

研究结果揭示出深刻的生态水文互作机制：

1. 1.

   反馈协同效应极显著提升水文功能：当三种反馈同时激活时，生长季径流量达66 mm，是无反馈情景（16 mm）的4倍；总储水量从262 mm增至819 mm，增幅213%；活跃径流生成储层（S_SG）从0 mm跃升至63 mm。水位深度中值从0.55 m抬升至0.13 m，波动幅度显著收窄。

2. 2.

   透水性反馈具双刃剑特性：虽在深水位时通过降低导水率减少侧向排水，但在湿润期会加速水流导出，单独作用时反而可能导致河流干涸（基流量q₁₀=0 mm）。其效应高度依赖水位波动，导水能力变化幅度达3倍以上。

3. 3.

   弹性储水反馈大幅增强调蓄能力：泥炭基质胀缩特性缓冲了水位波动，使20 mm降雨事件中的水位升幅降低60%。该反馈贡献了总储水增量的主要部分，并显著提升干旱期的径流可持续性。

4. 4.

   水位-蒸散反馈有效抑制水分流失：该机制使实际蒸散量减少36%（112 mm），相当于生长季降雨量的近一半。尤其在2018–2019年干旱期间，水分限制使蒸散显著低于潜在需求，保全了约30万立方米的水资源。

讨论部分强调，这些反馈的协同作用构筑了泥炭地的水文韧性：在外部水分胁迫（如排水或气候干旱）下，系统能维持当前水文学态至-0.5 mm/d的临界压力值；而若无反馈机制，轻微胁迫即导致系统失稳。该研究首次定量揭示了三重反馈的协同增效机制，证实自然泥炭地通过自我调节实现“双赢”——既保障内部生态需水，又增强下游供水服务。

研究结论明确指出，自然泥炭地的生态水文反馈是提升景观水文韧性的核心机制，其破坏（如排水开发）将导致储水与径流调节功能衰退。该成果为泥炭地作为基于自然的解决方案（NbS）提供了过程依据，对应对气候变化的流域管理策略具有重要指导意义。论文发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》，为相关领域建模研究与政策制定设立了新基准。