第三節 泥炭地排水的環境影響
排水是干預泥炭地水文情勢的重要手段，引起泥炭地退化和泥炭積累系統崩潰，會對泥炭地生態系統現狀和發展趨勢產生重大影響，并影響到泥炭地流域水文和水化學質量。排水是園藝泥炭和能源泥炭開采的基礎，水分管理是開采跡地修復的重要手段。深入研究泥炭地排水和泥炭開采導致的生態系統變化和泥炭地水文變化，探索退化濕地修復和泥炭開采跡地修復的綜合技術集成，對科學指導退化濕地重建和開采跡地修復具有重要意義。
泥炭是在積水厭氧環境中植物殘體分解轉化的產物。要保證穩定的積水還原環境，泥炭只能在水分輸入、輸出平衡的地貌部位中發育和積累。在降水量大于蒸發量的寒溫帶地區，各種地貌部位都具備泥炭形成和積累的有利條件，所以泥炭廣布，積累深厚。在蒸發量大于降水量的溫帶地區，多數地段不具備穩定積水條件，因此泥炭積累和分布有限，只有在山區溝谷地貌中，由于地下水穩定出露，形成局部地段的水分平衡穩定，有利于泥炭的形成和積累，相對泥炭積累和部分少于寒溫帶地區。由于泥炭地所處地貌部位不同，導致兩者在水和營養物質來源的根本差異。在寒溫帶地區，由于降水量大于蒸發量，氣候冷濕，植物殘體分解緩慢，有利于泥炭形成和積累。由于大氣降水是沼澤主要水分來源，而降水中的礦物質含量低，所以主要形成了雨養的高位泥炭沼澤。沼澤呈高酸性（pH<4），鈣和鎂含量低，主要形成高位貧營養泥炭。而中溫帶的山地溝谷，以地下水和地表水補給的沼澤水源富含鈣、鎂等礦物元素，因此礦養沼澤酸性不強，礦物營養豐富，主要形成富營養低位泥炭。
泥炭地的地下水位的平衡穩定是控制泥炭積累和分解的關鍵因素。泥炭地對氣候或土地覆蓋變化帶來的水文變化非常敏感，泥炭地潛水位的上部，植物殘體暴露在氧氣中，因此植物殘體的分解是快速的、徹底的。泥炭地潛水位的下部，植物殘體是被水飽和的、嚴重缺氧的，因此植物殘體的分解是緩慢的、不徹底的，殘留量的比例是很高的。這就是泥炭積累的主要原因。
泥炭排水可能導致泥炭地環境逆轉，但也出現了濕地走向恢復的證據。如果要充分恢復退化的泥炭地、保留仍然完好的泥炭地、研究管理行為在流域范圍的影響，就必須詳細研究泥炭地排水與濕地水文、水化學和生態互動作用過程。
一、泥炭地排水驅動力
在我國，驅動泥炭地排水的力量主要是是人類活動，40%的泥炭地排水是將泥炭地用于開墾農田，50%的泥炭地排水是用于植樹造林，只有10%～15%的泥炭地排水是用于泥炭開采。在歐洲的荷蘭、芬蘭、俄羅斯、愛爾蘭和英國早在19世紀初，就開始進行大面積泥炭地排水，愛爾蘭泥炭地排水從1809年即已開始，第二次世界大戰后，泥炭地排水提高了泥炭地農場農牧業產量，擴大了需求。北愛爾蘭因為大面積泥炭地排水，僅有14.2%泥炭地保持自然狀態。英國是歐洲最大泥炭地排水用地國家之一，泥炭排水在英國農業史上扮演了重要角色。英國一半以上農田和牧場來自排水泥炭地。英國泥炭排水起步于17世紀，延續300多年，排水已經導致英國泥炭面積的收縮和厚度沉降。20世紀開始泥炭地排水開始側重于降低地下水位，改造泥炭沼澤為農業生產服務。第二次世界大戰后期，政府對泥炭地排水支付了70%的投資。1960～1970年期間，很多披蓋泥炭地也開始排水，在英格蘭奔寧山脈，1970年排水泥炭地面積達到創紀錄的10萬公頃水平。
泥炭地排水除了用于農業，在歐洲北部、東部及不列顛群島，約有1500萬公頃泥炭地被排干用于植樹造林。英國自1945年開始，大約有19萬公頃厚層泥炭地和31.5萬公頃淺層泥炭地排水用于種植針葉林。在斯堪的納維亞半島、俄羅斯、加拿大、愛爾蘭和英國，密集的排水渠使坡面徑流變化頻繁，不僅在排水初期從泥炭地中排出的水量大，到森林群落已經形成，溝渠排水仍然十分活躍。林冠郁閉增加了對降雨截流，加大了蒸發，增強了蒸散，促進泥炭地干燥和收縮裂縫擴展。芬蘭的570萬公頃泥炭地已被排干，泥炭地森林占全國領地總面積的1/4。蘇格蘭25%泥炭地受到不同強度的排水與造林影響，泥炭地排水不僅增加了下游河流的水量，增大了洪水風險，降低了河流水質，造成河道侵蝕和生態破壞，成為環保抗議和國際社會譴責的焦點。
二、泥炭地排水對流域水文的影響
在對擁有自然排水渠道和人工排水渠道的兩種泥炭地的水文研究結果證明，披蓋式泥炭地徑流產生極其迅速，特別是山坡有密集溝壑網絡、已有火災影響或人工排水渠道時，泥炭地徑流對暴雨徑流的響應十分敏感，洪水峰值流量更高，來得更早。與此相反，相對地表未被損壞的泥炭地水流則表現出更大滯后時間和更平滑水位過程線。水量平衡計算顯示，未侵蝕泥炭地中可以保留更多的水而不會排干。由此可見，披蓋式泥炭地排水增加了下游洪水流量，減少了泥炭地本身的容水量。但是，Burke在愛爾蘭Glenamoy研究了排水泥炭地水量平衡，結果表明，泥炭地地下潛水位接近地表且沒有排水渠地方，徑流形成似乎更快，而在有排水渠、潛水位在地下 45～60cm的泥炭地中，流域產生的徑流則要慢得多。分析認為，有排水渠的泥炭地徑流大部分通過地下滲透排走，而在無排水系統的泥炭地上，徑流主要在泥炭地表面生成，并能很快傳播。Baden和Egglesmann（1970）在德國泥炭地排水的水量平衡分析也證實了這個結果。即無排水渠道的下游流域的徑流/降雨比值只有23.4%，有排水渠道的泥炭地流域徑流/降雨比值則達到79.2%，達到極顯著水平，這個研究結果對流域管理有重要影響。在這樣的泥炭地進行排水，將對小溪和河流產生有利影響，洪水的頻率和洪量將減少，夏季溪流的流量將在短期內增加。
對于導致泥炭地排水差異的原因，有研究證明，泥炭分解較少、纖維含量較高的泥炭地，其導水率比分解度大、纖維含量低的泥炭地高出一個數量級。但是，造成排水效率差異絕不僅僅是泥炭類型一個原因，泥炭地排水模式可能關系更大。羅賓遜（1980）發現，Moor之家的泥炭地排水渠深0.5m、間距14m，而Glenamoy泥炭地，渠道深1m、間距4m。大量數據證實，地下水滲透和運移只在排水渠2m之內受到影響，4m的排水間距可能是最科學的間距，排水工作的目的是降低地下水位，但是低導水率和渠道間距太密會造成投資過大和不經濟，事實上4m的間距排水還是很少應用的。有的研究還證明，排水渠深度如果大于0.5m，排水流量才受到地下水影響，而溝渠網絡和泥炭分解度在確定排水對泥炭地蓄水產流的影響才是最重要的。
很多研究發現，開溝排水后下游洪峰劇增；而排水渠間距減小，則洪峰高度增加。說明排水渠間距會對地下水位產生較大的影響。低洪峰時增加泥炭地臨時蓄水，從而降低降雨對徑流的影響。Burke將低位泥炭地與高位泥炭地的水位曲線比較發現，高分解泥炭低位泥炭地的平穩延遲流量遠遠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，讓我們對不同類型泥炭地排水效果傳統思維發生顛倒。泥炭地就像是一塊海綿，如果放在水中，就會吸收雙倍重量的水。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“海綿”效應。泥炭地排水是否導致流域徑流增加取決于泥炭地類型和排水方式。泥炭地排水導致流域年徑流量減少，可能是因為排水后泥炭地的水力傳導度下降，地表徑流上部泥炭層缺失、洼地下滲、蒸發增加和水閘使用所導致。流域徑流量增加這可能由于降雨導致進入排水渠道，來自溪流和溝渠直接的、下滲的及植物間隙水的增加，蒸發、散發的減少，地表水和地下水入滲的減少等。
三、泥炭地排水對泥炭降解和沉降的影響
泥炭地排水可能導致嚴重的泥炭收縮和分解。大規模的排水作業可以使土壤表面快速沉降。發生收縮的原因是地下水位降低，上部泥炭分解塌落造成泥炭體積密度增加。泥炭地開始排水后的幾年內，上部 40cm泥炭層的容重增幅達 63%。泥炭地沉降是物理分解和表層泥炭加快礦化作用緊密關聯，同時也與排水大孔隙減少有關。干燥泥炭表面增加的毛細作用，導致更多的水從次表層中轉移到表層蒸發，加重了泥炭層干燥和收縮。從泥炭的本身特性來說，其含水量按質量計可以達到 90%以上，按體積計可以達到300%以上。Anderson等研究了在泥炭地造林對地下水的與影響，結果發現，淺耕可以顯著降低地下水位，地表持續沉陷，隨著泥炭的收縮與緊實，可以提取泥炭水分的能力不斷降低，許多排水渠鄰近的泥炭層地形形狀改變，地表通氣導致細菌有氧分解加劇，厭氧環境轉變為好氧環境，表層泥炭分解加劇。如果地表泥炭加速干燥到限度，就會由親水性轉變為疏水性，不能恢復其初始含濕量。因此，干燥泥炭的沉降和表面潤濕性狀的不可逆已經成為泥炭地的連帶問題。有的泥炭地排水18個月后，沉降可能達到50cm。在實驗室中，用于模擬干旱的泥炭，其結構發生了永久性更改，進而導致水文學性狀的改變。
泥炭層地下水位降低導致泥炭分解，從而影響泥炭物理和化學特性。排水主要影響是降低地下水位，增加通氣性，促進有氧分解作用，加重微生物活性和分解速率，其分解速率比厭氧分解快50倍（Clymo，1983）。有氧分解提高了泥炭營養礦化，加速了被碳綁定的氮、硫和有機磷的釋放。一個儲存20t氮（N）、10t硫（S）、0.5t磷（P）和500t碳（C）的深層泥炭礦，只要每年增加1%礦化率，就可能使這些元素大量損失，造成泥炭肥力的下降。波蘭泥炭沼澤排水致使表土好氧分解，突破了磷鉀養分的限制，加速了泥炭分解和養分釋放。
排水和隨后降低地下水位致使泥炭地從碳匯轉化為碳源，成為大氣溫室氣體的來源。Laine 和 Minkkinen研究了泥炭地排水30年對碳釋放的影響。結果發現，不排水和排水泥炭碳儲庫之間差異表明，無排水觀測點的碳積累比有排水的觀測點多35g/（m2·a）。芬蘭對273塊森林泥炭地調查結果證明，泥炭沼澤排水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，儲存增加到（5.9±14.4）kg/m2，暗示排水森林泥炭地中增加了從立木到泥炭并積存在泥炭中的碳流。
大量研究結果表明，排水后泥炭中可交換性陽離子含量小于原始泥炭，排水后泥炭表層土壤（0～20cm）中，氮和磷總濃度增加，鉀卻減少。Sundstrom等（2000）觀察到瑞典60m排水間距的排水導致泥炭總氮、磷濃度增加，全鉀、鈣、鎂濃度降低，對土壤pH值影響很小。由于泥炭容重增加，總N、總P增加更多明顯，而排水泥炭中鉀含量僅為不排水泥炭含量的25%～40%。Wells 和 Williams（1996）調查了加拿大排水溝間距對泥炭地和泥炭養分的影響。結果發現，3m間距排水溝的泥炭容重、總氮濃度（mg/g）和泥炭地中N、P、K、Ca和Fe含量均顯著高于15m間距排水溝的泥炭地。可見，排水泥炭地總養分含量增加可能歸于容重增加。與此相反，他們還觀察到，泥炭容重和最大養分含量受排水影響不明顯。
排水后泥炭表層土壤中總氮濃度 （mg/g）的增加取決于隨著植物殘體分解、微生物固氮增加以及泥炭單位體積全氮增加，碳/氮下降。排水和降低地下水位會增加氮礦化，增加氧和氨化細菌、硝化細菌的數量。地下水位從 0cm 降到 50cm 時，泥炭剖面無機氮平均含量增加1.5倍。進一步研究發現，水位降低18cm，表層10cm泥炭中礦化氮明顯減少，但水位降低到34cm時，表層10cm泥炭中礦化量明顯增加。這說明，泥炭礦化是泥炭地排水的土壤氮素固定響應，其響應程度取決于泥炭分解率、環境變化和泥炭性質。環境因素包括溫度、Eh（氧化還原電位）和pH值。泥炭性質包括分解階段、有機質質量、養分含量、土壤溶液化學和生物化學抑制劑對微生物活性影響。要控制泥炭的礦化作用，首先需要限制通氣，雖然降低地下水位必然引起通氣改善，但土壤溫度、pH值或營養缺乏仍然抑制微生物活性，提高通氣性對泥炭礦化率影響可能影響不大。Humphrey和 Pluth發現泥炭pH值為4.0時排水對氮礦化率影響不大，pH值為7.2時排水對礦化影響顯著。Updegraff等指出，排水泥炭沼澤中氮礦化至少是不排水氮礦化的兩倍，說明N礦化對排水通氣的敏感性取決于有機物質數量和質量。
四、泥炭地排水對水化學的影響
排水溝渠建設和排水本身已經引起泥炭地水化學的變化。許多研究結果證明，排水溝建設增加泥炭中營養物質浸出。隨著排水和地下水位降低，銨鹽
濃度大量增加，硝酸鹽 
濃度變化不大。這表明，泥炭有機氮氨化因排水受益，而有機氮硝化反應平平。但是，隨著徑流中硝酸鹽增加，從微酸性泥炭中堿性陽離子淋失已經明顯增加。Sallantaus發現從排水泥炭地下游的水中鈣、鎂、鉀凈損失與不排水泥炭地下游相比，這些營養物質的輸入和輸出大體上是平衡的。但泥炭地森林因開溝排水導致懸移質泥沙、鈣、鎂、錳和鋁濃度增加，總有機碳（TOC）減少，溪水pH值從4.4提高到5.4。蘇格蘭排水泥炭地NH4-N濃度初期增加，排水中二氧化硅濃度降低。研究結果還發現，排水對可溶有機碳（DOC）濃度提高與水顏色加深相互矛盾，排水泥炭地發現有更多腐殖質化合物和容易水解物質，說明下游徑流水質可能發生改變。Edwards等發現，排水泥炭地比不排水泥炭地的水流顏色更深，隨著pH值降低，明尼蘇達州排水泥炭地比未排水泥炭地的水體顏色更深，水中懸移質泥沙、鉀、鐵、鋁、鈉濃度更高。相比之下，英國的Moore泥炭地和開采泥炭地，比魁北克省南部原狀泥炭地下游的溪流中的溶解有機碳濃度只有輕微的變化。Adamson等注意到，當地下水位下降到泥炭表面40cm以下，在10cm深的土壤溶液中，可溶有機碳和可溶有機氮濃度明顯降低，流經森林泥炭河流比流經未排水高位泥炭地溪流中的DOC和DON濃度顯著降低。
在排水溝渠穿透泥炭下方礦質土層的地方，泥炭中的營養濃度是鈉>鈣>鎂>鉀，而排水中營養濃度則變為鈣>鈉>鎂>鉀。其原因是礦質土壤暴露在森林泥炭排水溝渠底部，充當了鋁和錳的來源。溪流中TOC和H+濃度下降可能是溝渠基底暴露在礦質土壤中。多數人認為，排水pH值增加與排水渠底礦質土壤出露有關。Prevost等收集了溝渠中心20cm和40cm深度，距離1.5cm、5cm和15cm外的土壤溶液，檢測發現，土壤溶液可溶物濃度因排水而加強，硫和鎂元素濃度與溝渠距離成正比，而氮、鈉、鉀、鈣濃度增加則多在距離5cm范圍內和 20cm深處出現。這種溶質的增加與pH值輕微下降有關，符合土壤溫度增加、水分含量下降、泥炭加速解率的一般規律。
Adamson等調查了干旱期間高位泥炭地地下水位下降對土壤溶液組成的影響。在10cm深度、地下水位降至泥炭地表以下40cm時，
、Na+、Mg2+、Ca2+、
和H+濃度大幅度增加。當地下水位是在地表5cm范圍之內時，大部分泥炭剖面處于厭氧狀態，厭氧細菌將轉換為H2S。當地下水位下降，好氧環境出現時，H2S就被氧化為游離的H2SO4，而H+會取代其他交換性陽離子導致鈉、鎂、鈣的濃度明顯增加。有人從威爾士中部山谷的底部泥炭地中采集泥炭柱分析地下水，也觀察到地下水溶液中濃度大量增加，
、DOC、鈉、氯、鐵和鎂濃度的提高。在排水泥炭地，快速降低地下水位導致可溶物質由泥炭轉移向溝渠，而且排水溝渠相比河道，其溶液中的濃度至少高出三倍，鈣和鎂濃度至少高出一倍。
有時候下游水質下降不一定與開溝排水有關，也許與一定相關的生產活動緊密相關。雖然開溝排水為微生物活性提高和養分釋放創造了有利條件，但是N釋放不足仍然可能影響樹木生長。因此，泥炭林業種植都需要使用肥料，一些高位泥炭地還需要添加石灰調節土壤酸度。在斯堪的納維亞半島和芬蘭因森林施肥，流出的水分含有較高的磷和鉀。在蘇格蘭，每公頃施用58kg，就可能在排出的水中流走1～2kg磷。每公頃施用108kg，就可能在從排水中損失25～35kg鉀，并刺激排水渠道藻類的生長。
盡管已有的研究查明了開溝排水對立體地水中溶質濃度變化產生的影響和短期內流量的變化，但是排水對水化學影響的持續時間仍然沒有確切的答案，因為目前的研究課題很少有超過5年時間。另外，多數研究監視的是渠水，而不是土壤溶液，也很少將研究結果與測量過程聯系在一起，所以還不清楚泥炭地排水是通過什么機制釋放和過濾溶質，在森林泥炭地和高位泥炭地兩者之間，高位泥炭地中排水對水化學影響的數據更少。
五、泥炭地排水對侵蝕的影響
泥炭地開溝排水不僅造成泥炭和泥炭沼澤退化，一些排水溝渠還會嚴重侵蝕泥炭地，迅速成為深而寬的溯源侵蝕通道，大量泥炭進入排水渠道流失。在披蓋式泥炭地上，一個50cm深的排水溝渠，很快就可能侵蝕到幾米深。我國甘南地區的泥炭地溯源侵蝕也是造成泥炭地退化的重要因素（圖5-2）。
圖5-2 甘南泥炭地侵蝕照片
山地泥炭地的侵蝕過程中，排出的水中含有大量泥炭和泥沙，連續10年以后才逐漸穩定。5年后的懸浮物濃度仍比排水前大數倍，侵蝕溝中懸浮物移動導致下游嚴重的生態問題。英國奔寧山脈南部流域泥炭地在造林前排水、耕種后造成懸移質增加，引起當地水庫嚴重污染和嚴重淤積。在英格蘭北部幾個流域在泥炭地排水之后的8 年間，三文魚捕獲量每年從1400條下降到380條，而附近的泥炭地沒有排水的流域，三文魚捕獲量保持穩定。芬蘭北部Nuorittajoki河放養周歲三文魚，泥炭地排水顆粒物高的捕獲率遠遠低于排水顆粒物含量低的捕獲率。除此之外，三文魚尺寸與顆粒物負荷成反比。水文、輸沙率改變以及產卵礫石層被有機沉積物掩蔽，致使三文魚產卵區不穩定，也是導致三文魚捕獲量下降的因素之一。
丘陵地區泥炭地荒火燃燒往往造成泥炭地侵蝕和排水。為了放牧和狩獵，地表火燒雖然可能在某種程度上促進泥炭地植物的發芽，但燒過的裸露泥炭馬上就可能被迅速侵蝕，尤其是泥炭地徑流流過燃燒后泥炭地地表，在原來的泥炭地表和排水網絡內部都增加了懸浮顆粒。過度放牧也會增加泥炭地排水，造成丘陵泥炭地難以維持持續增長。英國奔寧山脈的泥炭地的放牧密度超過0.55個單位/hm2時，就會因為指標植被覆蓋而發生侵蝕。我國的甘南地區高山泥炭地也是藏族牧民聚集區，泥炭地放牧十分普遍，牧壓過載可能是該地泥炭侵蝕的重要原因之一。此外，丘陵地區泥炭地排水也會導致邊坡失穩，導致泥炭沼澤爆裂或泥炭滑坡，有的泥炭滑動距離甚至超過1km。由于披蓋式泥炭地人工排水過度，英國和愛爾蘭泥炭地排水沿線發生了泥炭塊體運動，排水溝渠附近經常有裂縫和發生滑坡的跡象。