泥炭沼泽那些事儿

沼泽水面上充斥着可燃性气体甲烷。这些甲烷由沼泽中的厌氧微生物代谢产生。

在古代,进入沼泽的人们在夜晚看到远处有火光闪烁,会误认为是人家的烛火。如果贸然跟随“烛火”深入沼泽,很快便会迷失方向,不少人因此丧命沼泽。难怪这些神秘火球被当成是邪恶精灵的化身。

2018年10月末一个傍晚,美国新泽西州中部的米尔斯通河上漂浮着一艘小船。船上坐着应用微生物学家伊芙丽带领的小队。伊芙丽点燃一根长杆末端的织物,小心翼翼地将长杆燃烧的一端伸向河面。河面上立即升起熊熊火焰,火光照亮船上所有人的脸庞。几秒钟后,火光消失,周围一切又迅速遁入夜色。

沼泽水面上充斥着可燃性气体甲烷。这些甲烷由沼泽中的厌氧微生物代谢产生。

伊芙丽的这个实验揭示沼泽水体会释放可燃气体。沼泽水面几乎平静。这意味着空气中的氧气无法有效溶入沼泽水中。因此,厌氧细菌和依靠无氧代谢的古菌在沼泽水体中大量繁殖,而它们中许多属于产甲烷菌。在伊芙丽的小队步行穿越沼泽时,她让大家注意身边不时浮起的一连串甲烷气泡。

在阴冷潮湿的沼泽中,是什么点燃了燃点超过500℃的甲烷?原来,沼泽中富含磷元素,这让厌氧菌在代谢时产生磷化氢(一种常温下可自燃的气体)。由于厌氧菌的代谢活动,水面附近始终充斥甲烷气体。少量磷化氢浮出水面后自燃,并点燃了附近的甲烷,形成火球。

泥炭是天然固碳装置

有些沼泽易燃,尤其是泥炭沼泽。泥炭是煤炭的初级形态,由泥炭沼泽中没有完全腐烂的植物残体形成。2019年6月,北极圈经历罕见高温,西伯利亚、格陵兰、阿拉斯加和加拿大北部等北极圈地区野火猖獗,其中不少野火发生于多年冻土带上方的泥炭沼泽。雷击制造火苗,丰富的泥炭提供可燃物,干燥天气则助长火势蔓延。

泥炭沼泽的火势不但向周边蔓延,还向地下更深的泥炭层扩散。这种地下立体火灾一次性可持续数月,燃烧不但产生大量碳排放,还会破坏土壤微生物群落和植物根系。燃烧过后的地下土层出现巨大空洞,引起地面塌陷,沿海泥炭沼泽地被大量海水倒灌。印度尼西亚拥有面积巨大的热带泥炭沼泽,分布在婆罗洲群岛和苏门答腊岛等地。印度尼西亚每年有大面积泥炭沼泽被抽干积水并焚烧,以清理出耕地用于种植油棕(一种油料作物,其产品是食品、化妆品和工业生产的重要原料)等经济作物。

因为泥炭沼泽的低温和缺氧条件抑制了植物残体腐败,所以大气中大量的碳被保存在泥炭沼泽中。因为泥炭是一种燃料,所以泥炭沼泽在干燥天气极易发生自燃。

泥炭沼泽虽然易燃,但也是重要的天然固碳系统:一方面,泥炭沼泽中生长的植物不断从大气中吸收二氧化碳,并以纤维素、木质素等有机质的形式固定下来;另一方面,泥炭沼泽寒冷的环境延缓植物腐败进程,沼泽中充沛的水量则隔绝有机质接触空气。就这样,大气中大量的碳被锁定在泥炭沼泽中。据估计,每1平方米的泥炭地每天能从大气中吸收、固定3克二氧化碳。全球130万平方千米的泥炭地储存着相当于全球60年碳排放总量的碳。

为什么我们离不开泥炭沼泽?

提供燃料泥炭很久以來都是一种重要燃料。泥炭中的木糖也可用于生产乙醇:泥炭被浸入硫酸溶液中熬煮,其中的木糖被硫酸溶剂萃取出来。木糖是一种五碳糖,也是一种重要生物质,经特种酵母处理后可用于生产燃料乙醇。每100千克泥炭干物质中可提取出6升纯乙醇,产量接近马铃薯制乙醇。木糖本身在化工、医药、皮革、染料等工业部门都有广泛的应用。

动植物的重要栖息地沼泽生态系统有很高的生产力,其多样化的水陆环境为生活在沼泽中的微生物、植物、昆虫、鸟类、鱼类、两栖动物、爬行动物和哺乳动物提供理想的栖息地。

泥炭沼泽被誉为生物“超级市场”,为动物提供多样化食物来源。枯死的植物叶子和茎在水中分解,形成有机质小颗粒。小型水生昆虫、贝类和小型鱼类靠进食这类有机质生存。这些小型动物又为大型肉食性鱼类、爬行动物、两栖动物、鸟类和哺乳动物提供食物。泥炭沼泽还为人类提供丰富的食物来源,包括鱼、贝类、浆果、野生稻等等。更重要的是,沼泽中的微生物和野生动植物共同参与全球水、氮和硫循环。

净化水质泥炭沼泽具有强大净化能力。泥炭沼泽的海绵状土壤不仅吸收水分,也清除许多水体中的污染物。上游水汇入沼泽后,流速变慢,有利于泥土和沙粒等大颗粒沉降。一些来自城市、牧场和道路排水中的污染物,例如重金属和农药,被泥炭沼泽中的植物根毛和泥炭土吸附,其中一些有害物质形成沉淀物沉积下来,还有一些成为植物组织的一部分。在泥炭沼泽的更深层土壤中,微生物完成更复杂的净化。水中的亚硝酸盐会在人体内被转化为亚硝胺(一种与癌症高度相关的化合物)。一些细菌通过反硝化作用将水中的硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气或含氮气体,释放到大气,减少水体中亚硝酸盐的含量。

从泥炭沼泽中被挖掘出来的泥炭是一种重要燃料。泥炭沼泽的高生产力为许多生物提供了栖息地和食物来源。泥炭沼泽的净水机制(示意图)。

因为泥炭沼泽优秀的净水能力,许多国家都在研究利用沼泽等湿地处理污水。20世纪50年代,德国科学家率先提出湿地可被用于大规模、低成本去除水体中的富营养物质和悬浮物。20世纪90年代初,深圳出现了中国第一个用于污水处理的人工湿地——白泥坑湿地。今天,全中国正在运营的人工湿地污水处理项目超过200个。

泥炭黄油。泥炭鞣尸。

泥炭沼泽考古

因为泥炭沼泽凉爽、低氧(甚至无氧)的环境不利于微生物活动,所以古人使用的木制品等有机材料在泥炭沼泽中可得到良好保存,因此泥炭沼泽也是考古热点地区。在英国达特穆尔泥炭沼泽中,考古学家发现了距今4000多年的精致手镯、编织布袋和木制耳钉,其中一些木制品上甚至完整保留了加工痕迹,考古学家通过这些痕迹来判断青铜时代生活在这里的古人使用了什么切割技术。

2016年,爱尔兰一处泥炭沼泽中出土了一个木质容器,里面装着重约10千克的黄油块。其实,在英国和爱尔兰泥炭沼泽附近生活的人们经常在寒冷季节割草准备燃料时发现沼泽黄油。早在2003年,英国科学家就揭开了沼泽黄油成分之谜:牛油和乳制品的混合物。

泥炭沼泽中出土的最著名考古证据是“泥炭鞣尸”——经过泥炭地自然干尸化处理的人类干尸。目前人类发现的最古老泥炭鞣尸形成于大约1万年前。与绝大多数古代人类遗体不同,泥炭鞣尸往往能保留皮肤和内脏等软组织,这是由于泥炭沼泽环境同时具备高酸性、低温和缺氧等条件。这些条件不但有利于保存尸体,还会对尸体进行天然鞣制(鞣制是皮制品的一个重要加工工序,可让柔软皮革变得坚硬耐磨)。与此同时,因为长期浸泡在酸性水体中,这些尸体的骨骼磷酸钙逐渐流失,导致骨骼变得极其柔软。由于尸体中肌肉等组织的蛋白质逐渐溶解,尸体体积也随之缩小。

在1916年一次国际学术会议上,一位瑞典科学家当众讲述自己怎样通过在瑞典南部泥炭沼泽中发现的花粉揭示不同植物分布变化过程。粉孢学这个新学科由此创立,其主要研究课题是古代植被分布和古代气候变化。今天,粉孢学甚至在石油勘探和司法破案等领域也得到应用。

泥炭沼泽不仅具有调节气候和净化水质的作用,也是动植物的重要栖息地。泥炭沼泽不仅为人类提供娱乐和景观资源,而且具有重要的蓄洪意义。更重要的是,泥炭沼泽为人类研究古生物和古代气候提供了不可替代的标本来源。人类對独一无二的生态系统——泥炭沼泽的认识也在不断加深。

(责任编辑 王川)

漂浮的岛

2013年10月一个星期五,美国明尼苏达州梅里菲尔德湾东部早起的居民发现一夜之间水面上出现一座小岛,其总面积超过1万平方米。该岛上生长着矮草、菖蒲和低矮的柳树。科学家说,这是一块漂浮的泥炭地(俗称泥炭浮岛)。为了不影响通航,这块泥炭浮岛被切割成三块,并漂流至下游。

当气候变得温暖时,泥炭中的有机物被厌氧菌分解,由此产生的大量甲烷会增加泥炭浮力,让泥炭浮于水面。这给植物提供了生长所需的土壤:草本植物最先登陆浮岛,然后是灌木,甚至就连高大乔木也会安家浮岛,浮岛因此变得越来越像陆地。泥炭浮岛在全世界普遍存在,人们利用这些浮岛放牛、耕种和钓鱼。

最大的热带泥炭沼泽露面

位于刚果盆地中部的一个泥炭沼泽此前一直不为人所知,直到2012年才被发现。科学家深入这片热带沼泽森林,在三年里收集了足够的泥炭样本。结合卫星数据,科学家估计该沼泽的面积是最初估计值的17倍。虽然这也只占刚果盆地总面积的4%,但该沼泽储存的碳量相当于全球三年化石燃料碳总排放量,而且全球热带泥炭沼泽碳储量中30%都集中在这里。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午10:49。
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