欧洲泥炭地再湿润10-20年后孔隙水磷含量持续升高的综合性研究

《Geoderma》：A comprehensive porewater survey of European peatlands reveals sustained elevated phosphorus levels after 10–20 years of rewetting

　　本刊推荐：为应对泥炭地排水导致的养分流失和生态功能退化问题，研究人员对欧洲64个自然及再湿润泥炭地开展了长达20年的孔隙水化学调查。研究发现，再湿润富营养沼泽（fens）的孔隙水中SRP（可溶性活性磷）和NH4+-N（铵态氮）浓度显著高于自然状态，其中SRP的深度积分通量高出23倍。值得注意的是，即便在再湿润10-20年后，磷浓度仍维持高位，但在泥炭铁含量较低（<20 mg g?1）的区域观察到50-80%的下降。该研究揭示了再湿润泥炭地长期的养分动态，为生态修复策略提供了关键科学依据。

　　

在欧洲北部广袤的湿地景观中，泥炭地如同巨大的海绵，不仅孕育着独特的动植物群落，更是重要的碳汇和养分过滤器，被誉为"大地之肾"。然而，过去几个世纪以来，为了农业和林业发展，大量泥炭地被排水改造，导致水位下降、氧气进入千年积累的泥炭层，引发有机质加速分解。这一过程不仅释放大量二氧化碳，使泥炭地从碳汇转变为碳源，还导致储存的养分如磷和氮被释放，对下游水体造成污染。

随着全球对生态系统服务功能的重视，近年来欧洲开展了大规模的泥炭地恢复工程，通过再湿润（rewetting）试图恢复其生态功能。但科学家们发现，即使恢复了缺氧的饱和水环境，养分的释放问题并未立即解决，反而可能加剧。特别是磷元素的持续释放，可能阻碍泥炭地植物多样性的恢复，影响整个生态系统的重建。那么，再湿润后的泥炭地究竟需要多长时间才能恢复自然的养分循环？哪些因素影响着这一过程？

为了回答这些问题，由丹麦奥胡斯大学（Aarhus University）主导的国际研究团队开展了一项规模空前的调查。研究人员在1997至2017年间，对分布在德国、波兰、爱沙尼亚、瑞典、格鲁吉亚和苏格兰的64个自然和再湿润泥炭地进行了系统性研究，收集了812个缺氧孔隙水样本，分析了其中多种溶解物质的浓度变化。这项研究成果发表在土壤科学领域权威期刊《Geoderma》上，为我们理解再湿润泥炭地的长期生态演变提供了宝贵数据。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先，使用透析采样器（dialysis samplers）以4厘米的垂直分辨率收集0-0.6米深度的缺氧孔隙水样本，避免了采样过程中的氧化问题；其次，通过Fick第一扩散定律计算了SRP和NH₄⁺-N的深度积分迁移速率；此外，运用线性混合模型（LMM）和主成分分析（PCA）等统计方法，系统比较了不同泥炭地类型的孔隙水化学特征；还对选定站点进行了季节性采样和长达10-20年的长期监测，以捕捉时间动态变化。

孔隙水和泥炭化学在自然与再湿润泥炭地中的差异

研究结果显示，自然状态的沼泽（bogs）和贫营养沼泽（poor fens）具有相似的孔隙水化学特征，而再湿润的富营养沼泽（rich fens）则表现出显著差异。再湿润富营养沼泽的电导率（EC）从自然状态的344.5±85.1 μS cm^-1大幅上升至1125.9±109 μS cm^-1，反映了溶解物质浓度的普遍升高。

最关键的是养分浓度的变化。再湿润显著提高了沼泽和富营养沼泽中的SRP浓度（p < 0.001），以及富营养沼泽中的NH₄⁺-N浓度（p < 0.001）。再湿润富营养沼泽的SRP浓度达到1.6 mg L^-1，是自然富营养沼泽（0.1-0.4 mg L^-1）的十倍左右。NH₄⁺-N浓度也从自然富营养沼泽的0.8 mg L^-1上升至3.6 mg L^-1。

深度积分分析进一步揭示，再湿润富营养沼泽中SRP和NH₄⁺-N的迁移速率分别是自然状态的23倍和4.6倍，平均值分别为1.8对比0.1 mg P m^-2 d^-1和3.6对比0.8 mg N m^-2 d^-1。这种高迁移速率主要发生在再湿润沼泽上部高度分解的泥炭层中。

泥炭特性对孔隙水组成的影响

通过相关性分析和线性回归模型，研究人员探讨了泥炭特性如何影响再湿润沼泽孔隙水中的磷浓度。出乎意料的是，泥炭中的铁（Fe）和铝（Al）含量与SRP仅呈现弱相关，但SRP与摩尔Fe/P比呈显著负相关（p < 0.001），表明磷释放受铁(III)化合物中磷饱和程度的影响。

在比较的多个模型中，包含Fe含量、Al含量和pH值的模型1具有最低的AICc值，表明这是预测SRP浓度最简洁有效的模型。这意味着泥炭中铁铝含量和酸碱度共同决定了磷在孔隙水中的溶解度。

磷浓度的季节性变化和再湿润年限的影响

对六个德国再湿润沼泽站点的月度监测显示，SRP浓度存在明显的季节性波动。Menzlin站点始终表现出最高的SRP水平（6.9 mg L^-1），约为其他站点的三倍。季节性变化遵循四阶多项式模式（χ2 = 15.2， df = 4， p = 0.004），在春季出现峰值，在芦苇等水生植物密集生长的站点出现初夏次峰，随后在中夏下降，晚夏至秋季再次上升。

更引人关注的是长期变化趋势。SRP浓度在再湿润后呈现显著的非线性时间趋势（χ2 = 26.7， df = 4， p < 0.001）。大多数站点在再湿润后的3-5年内SRP水平上升达到峰值，随后逐渐下降。Menzlin站点的SRP值最高，峰值超过10 mg L^-1，且峰值出现时间早于其他沼泽。

峰值后，SRP在接下来的五年内下降3-6 mg L^-1。到再湿润后8-22年，所有站点的SRP水平稳定在3-5 mg L^-1之间。Wendewiese Nord站点下降最为显著，从第4年的7.3 mg L^-1降至第15年的1.2 mg L^-1。然而，即使经过20多年，再湿润沼泽的SRP水平仍高于自然泥炭地。

讨论与意义：泥炭地修复的长期视角

这项研究揭示了再湿润泥炭地养分动态的复杂性。再湿润富营养沼泽中溶解物质浓度的升高主要归因于高度分解泥炭层在厌氧条件下的生物地球化学过程。其中，铁(III)氧化物的还原溶解是磷释放的主要机制，而泥炭中铁铝含量和pH值共同调控这一过程。

季节性波动反映了生物地球化学过程与植物生长、温度变化和水文条件的复杂相互作用。特别是密集的芦苇等植物在生长旺季对养分的吸收，会导致孔隙水磷浓度的暂时下降。

最值得关注的是长期趋势：尽管再湿润后磷浓度有所下降，但恢复到自然基线水平可能需要数十年时间。在泥炭铁含量相对较低（<20 mg g^-1干重）的区域，SRP浓度下降更为明显（50-80%），这表明铁含量是预测再湿润后磷动态的关键指标。

从植被恢复的角度看，持续的高磷环境有利于快速生长的营养耐受物种，而不利于本地泥炭形成物种（如褐苔藓和莎草）的重新定殖。这可能会延缓泥炭地生态系统功能的完全恢复。

这项研究对泥炭地恢复实践具有重要指导意义：首先，恢复目标需要基于泥炭地类型和退化程度制定差异化策略；其次，铁含量可作为预测再湿润后磷动态的有效指标；最后，管理者应预期再湿润泥炭地的养分恢复是一个长期过程，可能需要数十年时间，在铁丰富的沼泽中这一过程可能更为漫长。

研究还指出，为了加速再湿润泥炭地的"再贫营养化"，可能需要持续的管理干预，如植物收割或营养富集表土的移除。然而，这种方法因成本、能耗以及在暴露退化泥炭可能继续矿化的潜在气候影响而存在争议。

总之，这项跨越20年、覆盖欧洲多国的综合性研究为我们提供了再湿润泥炭地长期养分动态的宝贵见解，强调了泥炭地恢复是一个复杂的长期过程，需要基于科学监测的适应性管理策略。研究结果不仅对欧洲泥炭地保护具有直接指导意义，也为全球范围内的湿地恢复提供了重要参考。