第三节 泥炭地排水的环境影响
排水是干预泥炭地水文情势的重要手段，引起泥炭地退化和泥炭积累系统崩溃，会对泥炭地生态系统现状和发展趋势产生重大影响，并影响到泥炭地流域水文和水化学质量。排水是园艺泥炭和能源泥炭开采的基础，水分管理是开采迹地修复的重要手段。深入研究泥炭地排水和泥炭开采导致的生态系统变化和泥炭地水文变化，探索退化湿地修复和泥炭开采迹地修复的综合技术集成，对科学指导退化湿地重建和开采迹地修复具有重要意义。
泥炭是在积水厌氧环境中植物残体分解转化的产物。要保证稳定的积水还原环境，泥炭只能在水分输入、输出平衡的地貌部位中发育和积累。在降水量大于蒸发量的寒温带地区，各种地貌部位都具备泥炭形成和积累的有利条件，所以泥炭广布，积累深厚。在蒸发量大于降水量的温带地区，多数地段不具备稳定积水条件，因此泥炭积累和分布有限，只有在山区沟谷地貌中，由于地下水稳定出露，形成局部地段的水分平衡稳定，有利于泥炭的形成和积累，相对泥炭积累和部分少于寒温带地区。由于泥炭地所处地貌部位不同，导致两者在水和营养物质来源的根本差异。在寒温带地区，由于降水量大于蒸发量，气候冷湿，植物残体分解缓慢，有利于泥炭形成和积累。由于大气降水是沼泽主要水分来源，而降水中的矿物质含量低，所以主要形成了雨养的高位泥炭沼泽。沼泽呈高酸性（pH<4），钙和镁含量低，主要形成高位贫营养泥炭。而中温带的山地沟谷，以地下水和地表水补给的沼泽水源富含钙、镁等矿物元素，因此矿养沼泽酸性不强，矿物营养丰富，主要形成富营养低位泥炭。
泥炭地的地下水位的平衡稳定是控制泥炭积累和分解的关键因素。泥炭地对气候或土地覆盖变化带来的水文变化非常敏感，泥炭地潜水位的上部，植物残体暴露在氧气中，因此植物残体的分解是快速的、彻底的。泥炭地潜水位的下部，植物残体是被水饱和的、严重缺氧的，因此植物残体的分解是缓慢的、不彻底的，残留量的比例是很高的。这就是泥炭积累的主要原因。
泥炭排水可能导致泥炭地环境逆转，但也出现了湿地走向恢复的证据。如果要充分恢复退化的泥炭地、保留仍然完好的泥炭地、研究管理行为在流域范围的影响，就必须详细研究泥炭地排水与湿地水文、水化学和生态互动作用过程。
一、泥炭地排水驱动力
在我国，驱动泥炭地排水的力量主要是是人类活动，40%的泥炭地排水是将泥炭地用于开垦农田，50%的泥炭地排水是用于植树造林，只有10%～15%的泥炭地排水是用于泥炭开采。在欧洲的荷兰、芬兰、俄罗斯、爱尔兰和英国早在19世纪初，就开始进行大面积泥炭地排水，爱尔兰泥炭地排水从1809年即已开始，第二次世界大战后，泥炭地排水提高了泥炭地农场农牧业产量，扩大了需求。北爱尔兰因为大面积泥炭地排水，仅有14.2%泥炭地保持自然状态。英国是欧洲最大泥炭地排水用地国家之一，泥炭排水在英国农业史上扮演了重要角色。英国一半以上农田和牧场来自排水泥炭地。英国泥炭排水起步于17世纪，延续300多年，排水已经导致英国泥炭面积的收缩和厚度沉降。20世纪开始泥炭地排水开始侧重于降低地下水位，改造泥炭沼泽为农业生产服务。第二次世界大战后期，政府对泥炭地排水支付了70%的投资。1960～1970年期间，很多披盖泥炭地也开始排水，在英格兰奔宁山脉，1970年排水泥炭地面积达到创纪录的10万公顷水平。
泥炭地排水除了用于农业，在欧洲北部、东部及不列颠群岛，约有1500万公顷泥炭地被排干用于植树造林。英国自1945年开始，大约有19万公顷厚层泥炭地和31.5万公顷浅层泥炭地排水用于种植针叶林。在斯堪的纳维亚半岛、俄罗斯、加拿大、爱尔兰和英国，密集的排水渠使坡面径流变化频繁，不仅在排水初期从泥炭地中排出的水量大，到森林群落已经形成，沟渠排水仍然十分活跃。林冠郁闭增加了对降雨截流，加大了蒸发，增强了蒸散，促进泥炭地干燥和收缩裂缝扩展。芬兰的570万公顷泥炭地已被排干，泥炭地森林占全国领地总面积的1/4。苏格兰25%泥炭地受到不同强度的排水与造林影响，泥炭地排水不仅增加了下游河流的水量，增大了洪水风险，降低了河流水质，造成河道侵蚀和生态破坏，成为环保抗议和国际社会谴责的焦点。
二、泥炭地排水对流域水文的影响
在对拥有自然排水渠道和人工排水渠道的两种泥炭地的水文研究结果证明，披盖式泥炭地径流产生极其迅速，特别是山坡有密集沟壑网络、已有火灾影响或人工排水渠道时，泥炭地径流对暴雨径流的响应十分敏感，洪水峰值流量更高，来得更早。与此相反，相对地表未被损坏的泥炭地水流则表现出更大滞后时间和更平滑水位过程线。水量平衡计算显示，未侵蚀泥炭地中可以保留更多的水而不会排干。由此可见，披盖式泥炭地排水增加了下游洪水流量，减少了泥炭地本身的容水量。但是，Burke在爱尔兰Glenamoy研究了排水泥炭地水量平衡，结果表明，泥炭地地下潜水位接近地表且没有排水渠地方，径流形成似乎更快，而在有排水渠、潜水位在地下 45～60cm的泥炭地中，流域产生的径流则要慢得多。分析认为，有排水渠的泥炭地径流大部分通过地下渗透排走，而在无排水系统的泥炭地上，径流主要在泥炭地表面生成，并能很快传播。Baden和Egglesmann（1970）在德国泥炭地排水的水量平衡分析也证实了这个结果。即无排水渠道的下游流域的径流/降雨比值只有23.4%，有排水渠道的泥炭地流域径流/降雨比值则达到79.2%，达到极显著水平，这个研究结果对流域管理有重要影响。在这样的泥炭地进行排水，将对小溪和河流产生有利影响，洪水的频率和洪量将减少，夏季溪流的流量将在短期内增加。
对于导致泥炭地排水差异的原因，有研究证明，泥炭分解较少、纤维含量较高的泥炭地，其导水率比分解度大、纤维含量低的泥炭地高出一个数量级。但是，造成排水效率差异绝不仅仅是泥炭类型一个原因，泥炭地排水模式可能关系更大。罗宾逊（1980）发现，Moor之家的泥炭地排水渠深0.5m、间距14m，而Glenamoy泥炭地，渠道深1m、间距4m。大量数据证实，地下水渗透和运移只在排水渠2m之内受到影响，4m的排水间距可能是最科学的间距，排水工作的目的是降低地下水位，但是低导水率和渠道间距太密会造成投资过大和不经济，事实上4m的间距排水还是很少应用的。有的研究还证明，排水渠深度如果大于0.5m，排水流量才受到地下水影响，而沟渠网络和泥炭分解度在确定排水对泥炭地蓄水产流的影响才是最重要的。
很多研究发现，开沟排水后下游洪峰剧增；而排水渠间距减小，则洪峰高度增加。说明排水渠间距会对地下水位产生较大的影响。低洪峰时增加泥炭地临时蓄水，从而降低降雨对径流的影响。Burke将低位泥炭地与高位泥炭地的水位曲线比较发现，高分解泥炭低位泥炭地的平稳延迟流量远远低于低分解的高位泥炭地流域流量，高位泥炭地排水量更大更急，让我们对不同类型泥炭地排水效果传统思维发生颠倒。泥炭地就像是一块海绵，如果放在水中，就会吸收双倍重量的水。在短期排水的高位泥炭地和低位泥炭地比原始天然泥炭地有更好的“海绵”效应。泥炭地排水是否导致流域径流增加取决于泥炭地类型和排水方式。泥炭地排水导致流域年径流量减少，可能是因为排水后泥炭地的水力传导度下降，地表径流上部泥炭层缺失、洼地下渗、蒸发增加和水闸使用所导致。流域径流量增加这可能由于降雨导致进入排水渠道，来自溪流和沟渠直接的、下渗的及植物间隙水的增加，蒸发、散发的减少，地表水和地下水入渗的减少等。
三、泥炭地排水对泥炭降解和沉降的影响
泥炭地排水可能导致严重的泥炭收缩和分解。大规模的排水作业可以使土壤表面快速沉降。发生收缩的原因是地下水位降低，上部泥炭分解塌落造成泥炭体积密度增加。泥炭地开始排水后的几年内，上部 40cm泥炭层的容重增幅达 63%。泥炭地沉降是物理分解和表层泥炭加快矿化作用紧密关联，同时也与排水大孔隙减少有关。干燥泥炭表面增加的毛细作用，导致更多的水从次表层中转移到表层蒸发，加重了泥炭层干燥和收缩。从泥炭的本身特性来说，其含水量按质量计可以达到 90%以上，按体积计可以达到300%以上。Anderson等研究了在泥炭地造林对地下水的与影响，结果发现，浅耕可以显著降低地下水位，地表持续沉陷，随着泥炭的收缩与紧实，可以提取泥炭水分的能力不断降低，许多排水渠邻近的泥炭层地形形状改变，地表通气导致细菌有氧分解加剧，厌氧环境转变为好氧环境，表层泥炭分解加剧。如果地表泥炭加速干燥到限度，就会由亲水性转变为疏水性，不能恢复其初始含湿量。因此，干燥泥炭的沉降和表面润湿性状的不可逆已经成为泥炭地的连带问题。有的泥炭地排水18个月后，沉降可能达到50cm。在实验室中，用于模拟干旱的泥炭，其结构发生了永久性更改，进而导致水文学性状的改变。
泥炭层地下水位降低导致泥炭分解，从而影响泥炭物理和化学特性。排水主要影响是降低地下水位，增加通气性，促进有氧分解作用，加重微生物活性和分解速率，其分解速率比厌氧分解快50倍（Clymo，1983）。有氧分解提高了泥炭营养矿化，加速了被碳绑定的氮、硫和有机磷的释放。一个储存20t氮（N）、10t硫（S）、0.5t磷（P）和500t碳（C）的深层泥炭矿，只要每年增加1%矿化率，就可能使这些元素大量损失，造成泥炭肥力的下降。波兰泥炭沼泽排水致使表土好氧分解，突破了磷钾养分的限制，加速了泥炭分解和养分释放。
排水和随后降低地下水位致使泥炭地从碳汇转化为碳源，成为大气温室气体的来源。Laine 和 Minkkinen研究了泥炭地排水30年对碳释放的影响。结果发现，不排水和排水泥炭碳储库之间差异表明，无排水观测点的碳积累比有排水的观测点多35g/（m2·a）。芬兰对273块森林泥炭地调查结果证明，泥炭沼泽排水60年后，泥炭地表面平均塌陷（22±17）cm，碳密度增加了（26±15）kg/m2，储存增加到（5.9±14.4）kg/m2，暗示排水森林泥炭地中增加了从立木到泥炭并积存在泥炭中的碳流。
大量研究结果表明，排水后泥炭中可交换性阳离子含量小于原始泥炭，排水后泥炭表层土壤（0～20cm）中，氮和磷总浓度增加，钾却减少。Sundstrom等（2000）观察到瑞典60m排水间距的排水导致泥炭总氮、磷浓度增加，全钾、钙、镁浓度降低，对土壤pH值影响很小。由于泥炭容重增加，总N、总P增加更多明显，而排水泥炭中钾含量仅为不排水泥炭含量的25%～40%。Wells 和 Williams（1996）调查了加拿大排水沟间距对泥炭地和泥炭养分的影响。结果发现，3m间距排水沟的泥炭容重、总氮浓度（mg/g）和泥炭地中N、P、K、Ca和Fe含量均显著高于15m间距排水沟的泥炭地。可见，排水泥炭地总养分含量增加可能归于容重增加。与此相反，他们还观察到，泥炭容重和最大养分含量受排水影响不明显。
排水后泥炭表层土壤中总氮浓度 （mg/g）的增加取决于随着植物残体分解、微生物固氮增加以及泥炭单位体积全氮增加，碳/氮下降。排水和降低地下水位会增加氮矿化，增加氧和氨化细菌、硝化细菌的数量。地下水位从 0cm 降到 50cm 时，泥炭剖面无机氮平均含量增加1.5倍。进一步研究发现，水位降低18cm，表层10cm泥炭中矿化氮明显减少，但水位降低到34cm时，表层10cm泥炭中矿化量明显增加。这说明，泥炭矿化是泥炭地排水的土壤氮素固定响应，其响应程度取决于泥炭分解率、环境变化和泥炭性质。环境因素包括温度、Eh（氧化还原电位）和pH值。泥炭性质包括分解阶段、有机质质量、养分含量、土壤溶液化学和生物化学抑制剂对微生物活性影响。要控制泥炭的矿化作用，首先需要限制通气，虽然降低地下水位必然引起通气改善，但土壤温度、pH值或营养缺乏仍然抑制微生物活性，提高通气性对泥炭矿化率影响可能影响不大。Humphrey和 Pluth发现泥炭pH值为4.0时排水对氮矿化率影响不大，pH值为7.2时排水对矿化影响显著。Updegraff等指出，排水泥炭沼泽中氮矿化至少是不排水氮矿化的两倍，说明N矿化对排水通气的敏感性取决于有机物质数量和质量。
四、泥炭地排水对水化学的影响
排水沟渠建设和排水本身已经引起泥炭地水化学的变化。许多研究结果证明，排水沟建设增加泥炭中营养物质浸出。随着排水和地下水位降低，铵盐
浓度大量增加，硝酸盐 
浓度变化不大。这表明，泥炭有机氮氨化因排水受益，而有机氮硝化反应平平。但是，随着径流中硝酸盐增加，从微酸性泥炭中碱性阳离子淋失已经明显增加。Sallantaus发现从排水泥炭地下游的水中钙、镁、钾净损失与不排水泥炭地下游相比，这些营养物质的输入和输出大体上是平衡的。但泥炭地森林因开沟排水导致悬移质泥沙、钙、镁、锰和铝浓度增加，总有机碳（TOC）减少，溪水pH值从4.4提高到5.4。苏格兰排水泥炭地NH4-N浓度初期增加，排水中二氧化硅浓度降低。研究结果还发现，排水对可溶有机碳（DOC）浓度提高与水颜色加深相互矛盾，排水泥炭地发现有更多腐殖质化合物和容易水解物质，说明下游径流水质可能发生改变。Edwards等发现，排水泥炭地比不排水泥炭地的水流颜色更深，随着pH值降低，明尼苏达州排水泥炭地比未排水泥炭地的水体颜色更深，水中悬移质泥沙、钾、铁、铝、钠浓度更高。相比之下，英国的Moore泥炭地和开采泥炭地，比魁北克省南部原状泥炭地下游的溪流中的溶解有机碳浓度只有轻微的变化。Adamson等注意到，当地下水位下降到泥炭表面40cm以下，在10cm深的土壤溶液中，可溶有机碳和可溶有机氮浓度明显降低，流经森林泥炭河流比流经未排水高位泥炭地溪流中的DOC和DON浓度显著降低。
在排水沟渠穿透泥炭下方矿质土层的地方，泥炭中的营养浓度是钠>钙>镁>钾，而排水中营养浓度则变为钙>钠>镁>钾。其原因是矿质土壤暴露在森林泥炭排水沟渠底部，充当了铝和锰的来源。溪流中TOC和H+浓度下降可能是沟渠基底暴露在矿质土壤中。多数人认为，排水pH值增加与排水渠底矿质土壤出露有关。Prevost等收集了沟渠中心20cm和40cm深度，距离1.5cm、5cm和15cm外的土壤溶液，检测发现，土壤溶液可溶物浓度因排水而加强，硫和镁元素浓度与沟渠距离成正比，而氮、钠、钾、钙浓度增加则多在距离5cm范围内和 20cm深处出现。这种溶质的增加与pH值轻微下降有关，符合土壤温度增加、水分含量下降、泥炭加速解率的一般规律。
Adamson等调查了干旱期间高位泥炭地地下水位下降对土壤溶液组成的影响。在10cm深度、地下水位降至泥炭地表以下40cm时，
、Na+、Mg2+、Ca2+、
和H+浓度大幅度增加。当地下水位是在地表5cm范围之内时，大部分泥炭剖面处于厌氧状态，厌氧细菌将转换为H2S。当地下水位下降，好氧环境出现时，H2S就被氧化为游离的H2SO4，而H+会取代其他交换性阳离子导致钠、镁、钙的浓度明显增加。有人从威尔士中部山谷的底部泥炭地中采集泥炭柱分析地下水，也观察到地下水溶液中浓度大量增加，
、DOC、钠、氯、铁和镁浓度的提高。在排水泥炭地，快速降低地下水位导致可溶物质由泥炭转移向沟渠，而且排水沟渠相比河道，其溶液中的浓度至少高出三倍，钙和镁浓度至少高出一倍。
有时候下游水质下降不一定与开沟排水有关，也许与一定相关的生产活动紧密相关。虽然开沟排水为微生物活性提高和养分释放创造了有利条件，但是N释放不足仍然可能影响树木生长。因此，泥炭林业种植都需要使用肥料，一些高位泥炭地还需要添加石灰调节土壤酸度。在斯堪的纳维亚半岛和芬兰因森林施肥，流出的水分含有较高的磷和钾。在苏格兰，每公顷施用58kg，就可能在排出的水中流走1～2kg磷。每公顷施用108kg，就可能在从排水中损失25～35kg钾，并刺激排水渠道藻类的生长。
尽管已有的研究查明了开沟排水对立体地水中溶质浓度变化产生的影响和短期内流量的变化，但是排水对水化学影响的持续时间仍然没有确切的答案，因为目前的研究课题很少有超过5年时间。另外，多数研究监视的是渠水，而不是土壤溶液，也很少将研究结果与测量过程联系在一起，所以还不清楚泥炭地排水是通过什么机制释放和过滤溶质，在森林泥炭地和高位泥炭地两者之间，高位泥炭地中排水对水化学影响的数据更少。
五、泥炭地排水对侵蚀的影响
泥炭地开沟排水不仅造成泥炭和泥炭沼泽退化，一些排水沟渠还会严重侵蚀泥炭地，迅速成为深而宽的溯源侵蚀通道，大量泥炭进入排水渠道流失。在披盖式泥炭地上，一个50cm深的排水沟渠，很快就可能侵蚀到几米深。我国甘南地区的泥炭地溯源侵蚀也是造成泥炭地退化的重要因素（图5-2）。
图5-2 甘南泥炭地侵蚀照片
山地泥炭地的侵蚀过程中，排出的水中含有大量泥炭和泥沙，连续10年以后才逐渐稳定。5年后的悬浮物浓度仍比排水前大数倍，侵蚀沟中悬浮物移动导致下游严重的生态问题。英国奔宁山脉南部流域泥炭地在造林前排水、耕种后造成悬移质增加，引起当地水库严重污染和严重淤积。在英格兰北部几个流域在泥炭地排水之后的8 年间，三文鱼捕获量每年从1400条下降到380条，而附近的泥炭地没有排水的流域，三文鱼捕获量保持稳定。芬兰北部Nuorittajoki河放养周岁三文鱼，泥炭地排水颗粒物高的捕获率远远低于排水颗粒物含量低的捕获率。除此之外，三文鱼尺寸与颗粒物负荷成反比。水文、输沙率改变以及产卵砾石层被有机沉积物掩蔽，致使三文鱼产卵区不稳定，也是导致三文鱼捕获量下降的因素之一。
丘陵地区泥炭地荒火燃烧往往造成泥炭地侵蚀和排水。为了放牧和狩猎，地表火烧虽然可能在某种程度上促进泥炭地植物的发芽，但烧过的裸露泥炭马上就可能被迅速侵蚀，尤其是泥炭地径流流过燃烧后泥炭地地表，在原来的泥炭地表和排水网络内部都增加了悬浮颗粒。过度放牧也会增加泥炭地排水，造成丘陵泥炭地难以维持持续增长。英国奔宁山脉的泥炭地的放牧密度超过0.55个单位/hm2时，就会因为指标植被覆盖而发生侵蚀。我国的甘南地区高山泥炭地也是藏族牧民聚集区，泥炭地放牧十分普遍，牧压过载可能是该地泥炭侵蚀的重要原因之一。此外，丘陵地区泥炭地排水也会导致边坡失稳，导致泥炭沼泽爆裂或泥炭滑坡，有的泥炭滑动距离甚至超过1km。由于披盖式泥炭地人工排水过度，英国和爱尔兰泥炭地排水沿线发生了泥炭块体运动，排水沟渠附近经常有裂缝和发生滑坡的迹象。