农业排水泥炭地再湿润后的水质动态：一项中宇宙实验研究

《Sustainable Environment》：Water quality dynamics following re-wetting of agriculturally drained peatlands: A mesocosm experiment

　　

摘要专业翻译 泥炭地再湿润（rewetting）是一种有效的恢复策略，可减少碳损失、遏制土壤沉降并恢复生态系统功能。然而，对已排水和退化的泥炭地进行再湿润，可能会将储存的养分和潜在有毒元素释放到地表水中，引发对富营养化和金属迁移的担忧。相反，再湿润也可能产生积极效应，即源水中的污染物被截留在泥炭本身之中。为评估这些效应，研究人员利用取自英格兰五处农业低地泥炭地（隆起沼泽（raised bogs）和芬地（fens））的泥炭柱芯开展了一项中宇宙（mesocosm）实验。这些柱芯被置于三种水文情势下：排水（对照组）、抬升水位（再湿润组）以及抬升但波动的水位条件。研究人员在试验启动前监测了中宇宙地表水中的水质指标，包括有机和无机氮、磷、钾、硫酸盐、钙、镁、钠、氯化物和氟化物，并在九周内监测了中宇宙孔隙水（作为迁移性指标）中的相应指标。总体而言，孔隙水化学在试验期间保持相对稳定。除硝酸盐浓度外，水位处理未产生场地尺度的整体效应，其中硝酸盐浓度在排水条件下最高。各场地对个别指标的响应存在差异，这可能是由于泥炭类型（沼泽vs.芬地）、泥炭化学性质及土地利用历史的差异所致。研究结果表明，再湿润不太可能引发大范围的下游水质恶化——至少就所测指标而言如此，尽管效应因场地和溶质而异。这些发现强调了场地特异性评估的重要性，尤其是在再湿润之前对氮状况的评估。

论文解读文章

一、研究背景与意义

泥炭地生态系统正承受着巨大的人为压力，全球约12%的泥炭地已退化到不再形成泥炭且持续损失碳的程度。泥炭地排水通过降低地下水位将氧气引入泥炭层，加速有机质分解，导致碳损失增加。在此背景下，通过抬升地下水位进行泥炭地再湿润被提议作为减少碳损失、恢复厌氧条件以减缓分解的措施，但其水质后果仍不确定。

再湿润究竟是迁移还是截留污染物，取决于诸多尚不明确的场地特异性因素。农业活动使排水泥炭地暴露于过量养分和重金属之中，这些物质在排水条件下可能滞留于系统内，但在水位抬升后可能变得活跃并迁移至周边地表水。已有研究多聚焦于少数指标，如溶解性有机碳（DOC）、无机磷（P）及不同形态的氮（N），而对其他较少监测的养分、金属和微量元素（可能来源于农业投入、大气污染及废物直接倾倒）的滞留或淋溶知之甚少。这些物质的潜在迁移将对水生生态、饮用水质量、温室气体（GHG）排放及休闲用水产生深远影响。反之，鉴于完整泥炭具有截留养分的能力，再湿润可能成为有效结合那些在排水条件下会淋溶至地表水的物质、从而修复长期农业集约化影响下游效应的策略。

英国在此问题上尤为关键。作为工业革命的发源地，英国泥炭地深受工业化影响，且其排水泥炭地中很大比例用于农业而非林业或泥炭开采。这些历史遗留造成了重金属污染，并使部分英国泥炭地成为全球退化最严重的泥炭地。然而，英国早期的再湿润工作集中于高地覆盖沼泽，大部分证据基础来源于这些系统。据估计，约90%的英国低地泥炭地（原为芬地和隆起沼泽）已被排水用于农业，这些泥炭地代表了英国部分价值最高的农田，贡献了英国园艺作物生产的很大比例，年经济价值达数十亿英镑。尽管其对英国粮食生产和经济至关重要，其农业利用导致排放占英国报告温室气体排放总量的2.5%，并引发土地沉降、基础设施结构损坏及洪水风险增加等问题。因此，英国低地泥炭地的部分或完全再湿润正受到越来越多的关注，但关于低地泥炭地再湿润将如何影响生物地球化学循环和生态系统服务仍存在明确的知识空白。

二、研究设计与主要方法

研究人员从英格兰五处农业排水低地泥炭地（两处位于西北部，三处位于东南部）采集了完整泥炭柱芯，这些场地均为或曾为采用传统排水耕作方式的活跃农田。2024年7月4日至8月14日期间，研究人员使用机械挖掘机将PVC排水管（长0.8 m，直径0.23 m）小心打入土壤中，每处采集12根完整泥炭柱芯，去除表层植被后保持垂直运输至英国生态与水文中心（UKCEH）建立中宇宙阵列。三种水位处理被随机分配到柱芯中（每场地每处理n=4）：再湿润组（水位维持在泥炭表面以下10 cm）、传统排水组（水位维持在泥炭柱底部以上10 cm，约泥炭表面以下60 cm）以及波动组（每两周在再湿润和传统排水情景之间交替）。柱芯保留在其PVC排水管内（管壁每0.1 m有0.6 cm孔径的孔洞以允许水分交换），分别置于80 L黑色塑料容器中，容器设有溢流孔和水龙头以通过直接向容器加水精确调控水位。降雨允许直接落在柱芯上，但周围容器用多层蓝色塑料膜覆盖以排除雨水输入并阻挡阳光防止藻类生长和温度假象。经充分考量后，自来水被选为水位调控的最佳水源。所有柱芯最初保持传统排水状态以模拟其原始状态，随后在排水条件下稳定至少九周后施加水位处理。孔隙水样品在试验开始后第1、2、3、4、5和9周从竖管中采集，共获得360个样品。

三、研究结果

3.1 预处理地表水化学

预处理阶段所有中宇宙均保持传统排水状态，水位位于泥炭柱底部以上0.1 m（约泥炭表面以下0.6 m），地表水样品代表地表水与泥炭下层之间的交换产物。若指标浓度高于添加水源水浓度，则推断泥炭向下层地表水发生了净释放——氯离子（Cl^?）、氟离子（F^?）、钾（K）、镁（Mg）、亚硝酸盐（NO₂^?）和硫酸盐（SO₄^2?）即属此类；反之若低于自来水浓度，则推断泥炭内发生了截留——磷酸盐（PO₄^3?）即属此类。所有预处理地表水样品中，砷（As）和铅（Pb）浓度均低于检出限（LLD），仅部分锂（Li）和镉（Cd）样品略高于LLD，表明金属迁移性有限。

预处理地表水化学揭示了场地间的显著差异。Pymoor农场具有独特的水质特征，硫酸盐、电导率（EC）、钙（Ca）、镁（Mg）和锰（Mn）浓度高于其他场地，可能反映其薄层、矿物混合的“废弃泥炭”特性。两个Rosedene农场场地水质特征相似，磷酸盐和氟化物浓度较高，二者呈正相关，可能源于肥料投入。Railway View（沼泽、草地）的钙（50 mg L^?1）、镁（2.7 mg L^?1）和电导率（389 μs cm^?1）最低，铵（NH₄⁺）浓度最高（0.23 N mg L^?1）。Wrights农场（沼泽、耕地）的铝（Al，1426 μg L^?1）、铁（Fe，1230 μg L^?1）和铬（Cr，6.2 μg L^?1）浓度最高，可能与肥料投入、农业排水暴露深层泥炭和矿物层或该地区历史上的工业污染有关。

3.2 再湿润对孔隙水化学的影响

氮素。 硝酸盐（NO₃^?）浓度随时间显著下降（β = ?0.21，p < 0.001），从基线期的8.5 ± 7.5 N mg L^?1降至第9周的1.4 ± 1.5 N mg L^?1。硝酸盐浓度在场地间（F = 10.8，p < 0.0001）和处理间（F = 6.5，p = 0.002）均存在显著差异，排水处理的硝酸盐浓度高于波动（p = 0.002）和再湿润（p = 0.001）处理。Pymoor场地存在显著的场地与再湿润处理的交互效应（β = 9.8，p = 0.03），表明该场地再湿润处理的硝酸盐浓度高于其他场地。铵（NH₄⁺）浓度在基线期后随时间略有增加（β = 0.21，p = 0.02），但场地间（F = 1.1，p = 0.37）和处理间（F = 2.7，p = 0.07）均无显著差异。

磷酸盐。 磷酸盐（PO₄^3?）浓度无显著时间趋势（β = 0.04，p = 0.08），但多数场地和处理在第9周浓度升高。磷酸盐浓度在场地间（F = 13.2，p < 0.0001）和处理间（F = 3.3，p = 0.04）均存在显著差异，但处理效应未强到可在两两比较中检出。Railway View（沼泽、草地）柱芯的磷酸盐浓度最高。

其他离子（K、SO₄^2?、Ca、Mg、Na、Cl^?、F^?）。 其余指标浓度在处理内变化较大，掩盖了处理层面的规律。所有指标浓度在场地间均存在显著差异（p < 0.001），但处理间无显著差异，场地内变异较小。唯一例外是氟离子，其处理效应总体显著（p = 0.03），但未在两两比较中检出。Wrights农场的钾浓度最高，基线期后略有下降。Pymoor农场的硫酸盐、钙、镁和钠浓度最高，基线期后小幅下降。Rosedene1的氯离子和氟离子浓度最高，随时间相对稳定。

四、讨论与结论

研究人员指出，泥炭地排水、再湿润和波动水位均会影响氮循环。较低的含水量可能加速氮循环，因为有氧条件下的氮矿化比厌氧条件更有效。硝酸盐浓度的下降在再湿润后已被其他研究观察到，归因于饱和条件抑制硝化作用。本研究中硝酸盐下降发生在所有处理中，表明存在时间依赖性过程而非单纯的水位效应。Pymoor场地再湿润处理中硝酸盐下降更陡峭，可能反映了相对较大的硝酸盐库在再湿润响应中被快速消耗。饱和条件有利于反硝化作用，因此再湿润中宇宙中可能同时存在最低的硝酸盐产生和最高的硝酸盐去除。铵浓度的增加归因于饱和泥炭中硝化水平较低。

磷酸盐迁移是再湿润前排水农业泥炭地的一个公认问题，因为肥料中的磷在表层泥炭层中积累并结合到氧化还原敏感化合物上，特别是Fe(III)氢氧化物。再湿润后氧化还原电位降低，通过Fe(III)还原使磷被迁移。本研究中磷酸盐的排水/再湿润响应受铁和铝及pH的进一步调节，因此高度场地特异性。高铁磷比（Fe:P）的场地（如Wrights农场）通过铁吸附保留更多磷。

其余指标（K、SO₄^2?、Ca、Mg、Na、Cl^?、F^?）无显著时间趋势，处理间也无显著差异，主要差异在场地之间。这表明排水与再湿润方法对大多数孔隙水化学指标的影响（氮和磷除外）小于泥炭条件本身的影响，至少在短期内如此。

研究结论表明，在研究背景下，再湿润对大多数测得的养分和离子构成相对有限的短期淋溶风险。然而，作为泥炭类型和土地利用历史函数的场地间变异很高（如金属浓度的场地特异性峰值），因此恢复前对土壤和水化学的评估对于制定有效的场地特异性再湿润策略以最小化再湿润后养分负荷仍然很重要。硝酸盐在再湿润后持续下降而铵增加这一发现表明，应考虑到恢复前土壤氮浓度以及再湿润水源中的氮浓度。总体而言，研究结果并不表明泥炭地再湿润将导致显著的下游生物地球化学影响，因此对水质的担忧不应成为泥炭地再湿润用于气候减缓或生物多样性的障碍。