泥炭沼澤那些事兒

段景頤

沼澤水面上充斥著可燃性氣體甲烷。這些甲烷由沼澤中的厭氧微生物代謝產(chǎn)生。

在古代，進入沼澤的人們在夜晚看到遠處有火光閃爍，會誤認為是人家的燭火。如果貿(mào)然跟隨“燭火”深入沼澤，很快便會迷失方向，不少人因此喪命沼澤。難怪這些神秘火球被當成是邪惡精靈的化身。

2018年10月末一個傍晚，美國新澤西州中部的米爾斯通河上漂浮著一艘小船。船上坐著應(yīng)用微生物學家伊芙麗帶領(lǐng)的小隊。伊芙麗點燃一根長桿末端的織物，小心翼翼地將長桿燃燒的一端伸向河面。河面上立即升起熊熊火焰，火光照亮船上所有人的臉龐。幾秒鐘后，火光消失，周圍一切又迅速遁入夜色。

沼澤水面上充斥著可燃性氣體甲烷。這些甲烷由沼澤中的厭氧微生物代謝產(chǎn)生。

伊芙麗的這個實驗揭示沼澤水體會釋放可燃氣體。沼澤水面幾乎平靜。這意味著空氣中的氧氣無法有效溶入沼澤水中。因此，厭氧細菌和依靠無氧代謝的古菌在沼澤水體中大量繁殖，而它們中許多屬于產(chǎn)甲烷菌。在伊芙麗的小隊步行穿越沼澤時，她讓大家注意身邊不時浮起的一連串甲烷氣泡。

在陰冷潮濕的沼澤中，是什么點燃了燃點超過500℃的甲烷？原來，沼澤中富含磷元素，這讓厭氧菌在代謝時產(chǎn)生磷化氫（一種常溫下可自燃的氣體）。由于厭氧菌的代謝活動，水面附近始終充斥甲烷氣體。少量磷化氫浮出水面后自燃，并點燃了附近的甲烷，形成火球。

泥炭是天然固碳裝置

有些沼澤易燃，尤其是泥炭沼澤。泥炭是煤炭的初級形態(tài)，由泥炭沼澤中沒有完全腐爛的植物殘體形成。2019年6月，北極圈經(jīng)歷罕見高溫，西伯利亞、格陵蘭、阿拉斯加和加拿大北部等北極圈地區(qū)野火猖獗，其中不少野火發(fā)生于多年凍土帶上方的泥炭沼澤。雷擊制造火苗，豐富的泥炭提供可燃物，干燥天氣則助長火勢蔓延。

泥炭沼澤的火勢不但向周邊蔓延，還向地下更深的泥炭層擴散。這種地下立體火災(zāi)一次性可持續(xù)數(shù)月，燃燒不但產(chǎn)生大量碳排放，還會破壞土壤微生物群落和植物根系。燃燒過后的地下土層出現(xiàn)巨大空洞，引起地面塌陷，沿海泥炭沼澤地被大量海水倒灌。印度尼西亞擁有面積巨大的熱帶泥炭沼澤，分布在婆羅洲群島和蘇門答臘島等地。印度尼西亞每年有大面積泥炭沼澤被抽干積水并焚燒，以清理出耕地用于種植油棕（一種油料作物，其產(chǎn)品是食品、化妝品和工業(yè)生產(chǎn)的重要原料）等經(jīng)濟作物。

因為泥炭沼澤的低溫和缺氧條件抑制了植物殘體腐敗，所以大氣中大量的碳被保存在泥炭沼澤中。

因為泥炭是一種燃料，所以泥炭沼澤在干燥天氣極易發(fā)生自燃。

泥炭沼澤雖然易燃，但也是重要的天然固碳系統(tǒng)：一方面，泥炭沼澤中生長的植物不斷從大氣中吸收二氧化碳，并以纖維素、木質(zhì)素等有機質(zhì)的形式固定下來;另一方面，泥炭沼澤寒冷的環(huán)境延緩植物腐敗進程，沼澤中充沛的水量則隔絕有機質(zhì)接觸空氣。就這樣，大氣中大量的碳被鎖定在泥炭沼澤中。據(jù)估計，每1平方米的泥炭地每天能從大氣中吸收、固定3克二氧化碳。全球130萬平方千米的泥炭地儲存著相當于全球60年碳排放總量的碳。

為什么我們離不開泥炭沼澤？

提供燃料泥炭很久以來都是一種重要燃料。泥炭中的木糖也可用于生產(chǎn)乙醇：泥炭被浸入硫酸溶液中熬煮，其中的木糖被硫酸溶劑萃取出來。木糖是一種五碳糖，也是一種重要生物質(zhì)，經(jīng)特種酵母處理后可用于生產(chǎn)燃料乙醇。每100千克泥炭干物質(zhì)中可提取出6升純乙醇，產(chǎn)量接近馬鈴薯制乙醇。木糖本身在化工、醫(yī)藥、皮革、染料等工業(yè)部門都有廣泛的應(yīng)用。

動植物的重要棲息地沼澤生態(tài)系統(tǒng)有很高的生產(chǎn)力，其多樣化的水陸環(huán)境為生活在沼澤中的微生物、植物、昆蟲、鳥類、魚類、兩棲動物、爬行動物和哺乳動物提供理想的棲息地。

泥炭沼澤被譽為生物“超級市場”，為動物提供多樣化食物來源。枯死的植物葉子和莖在水中分解，形成有機質(zhì)小顆粒。小型水生昆蟲、貝類和小型魚類靠進食這類有機質(zhì)生存。這些小型動物又為大型肉食性魚類、爬行動物、兩棲動物、鳥類和哺乳動物提供食物。泥炭沼澤還為人類提供豐富的食物來源，包括魚、貝類、漿果、野生稻等等。更重要的是，沼澤中的微生物和野生動植物共同參與全球水、氮和硫循環(huán)。

凈化水質(zhì)泥炭沼澤具有強大凈化能力。泥炭沼澤的海綿狀土壤不僅吸收水分，也清除許多水體中的污染物。上游水匯入沼澤后，流速變慢，有利于泥土和沙粒等大顆粒沉降。一些來自城市、牧場和道路排水中的污染物，例如重金屬和農(nóng)藥，被泥炭沼澤中的植物根毛和泥炭土吸附，其中一些有害物質(zhì)形成沉淀物沉積下來，還有一些成為植物組織的一部分。在泥炭沼澤的更深層土壤中，微生物完成更復雜的凈化。水中的亞硝酸鹽會在人體內(nèi)被轉(zhuǎn)化為亞硝胺（一種與癌癥高度相關(guān)的化合物）。一些細菌通過反硝化作用將水中的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮氣或含氮氣體，釋放到大氣，減少水體中亞硝酸鹽的含量。

從泥炭沼澤中被挖掘出來的泥炭是一種重要燃料。

泥炭沼澤的高生產(chǎn)力為許多生物提供了棲息地和食物來源。

泥炭沼澤的凈水機制（示意圖）。

因為泥炭沼澤優(yōu)秀的凈水能力，許多國家都在研究利用沼澤等濕地處理污水。20世紀50年代，德國科學家率先提出濕地可被用于大規(guī)模、低成本去除水體中的富營養(yǎng)物質(zhì)和懸浮物。20世紀90年代初，深圳出現(xiàn)了中國第一個用于污水處理的人工濕地——白泥坑濕地。今天，全中國正在運營的人工濕地污水處理項目超過200個。

泥炭黃油。

泥炭鞣尸。

泥炭沼澤考古

因為泥炭沼澤涼爽、低氧（甚至無氧）的環(huán)境不利于微生物活動，所以古人使用的木制品等有機材料在泥炭沼澤中可得到良好保存，因此泥炭沼澤也是考古熱點地區(qū)。在英國達特穆爾泥炭沼澤中，考古學家發(fā)現(xiàn)了距今4000多年的精致手鐲、編織布袋和木制耳釘，其中一些木制品上甚至完整保留了加工痕跡，考古學家通過這些痕跡來判斷青銅時代生活在這里的古人使用了什么切割技術(shù)。

2016年，愛爾蘭一處泥炭沼澤中出土了一個木質(zhì)容器，里面裝著重約10千克的黃油塊。其實，在英國和愛爾蘭泥炭沼澤附近生活的人們經(jīng)常在寒冷季節(jié)割草準備燃料時發(fā)現(xiàn)沼澤黃油。早在2003年，英國科學家就揭開了沼澤黃油成分之謎：牛油和乳制品的混合物。

泥炭沼澤中出土的最著名考古證據(jù)是“泥炭鞣尸”——經(jīng)過泥炭地自然干尸化處理的人類干尸。目前人類發(fā)現(xiàn)的最古老泥炭鞣尸形成于大約1萬年前。與絕大多數(shù)古代人類遺體不同，泥炭鞣尸往往能保留皮膚和內(nèi)臟等軟組織，這是由于泥炭沼澤環(huán)境同時具備高酸性、低溫和缺氧等條件。這些條件不但有利于保存尸體，還會對尸體進行天然鞣制（鞣制是皮制品的一個重要加工工序，可讓柔軟皮革變得堅硬耐磨）。與此同時，因為長期浸泡在酸性水體中，這些尸體的骨骼磷酸鈣逐漸流失，導致骨骼變得極其柔軟。由于尸體中肌肉等組織的蛋白質(zhì)逐漸溶解，尸體體積也隨之縮小。

在1916年一次國際學術(shù)會議上，一位瑞典科學家當眾講述自己怎樣通過在瑞典南部泥炭沼澤中發(fā)現(xiàn)的花粉揭示不同植物分布變化過程。粉孢學這個新學科由此創(chuàng)立，其主要研究課題是古代植被分布和古代氣候變化。今天，粉孢學甚至在石油勘探和司法破案等領(lǐng)域也得到應(yīng)用。

泥炭沼澤不僅具有調(diào)節(jié)氣候和凈化水質(zhì)的作用，也是動植物的重要棲息地。泥炭沼澤不僅為人類提供娛樂和景觀資源，而且具有重要的蓄洪意義。更重要的是，泥炭沼澤為人類研究古生物和古代氣候提供了不可替代的標本來源。人類對獨一無二的生態(tài)系統(tǒng)——泥炭沼澤的認識也在不斷加深。

（責任編輯 王川）

漂浮的島

2013年10月一個星期五，美國明尼蘇達州梅里菲爾德灣東部早起的居民發(fā)現(xiàn)一夜之間水面上出現(xiàn)一座小島，其總面積超過1萬平方米。該島上生長著矮草、菖蒲和低矮的柳樹。科學家說，這是一塊漂浮的泥炭地（俗稱泥炭浮島）。為了不影響通航，這塊泥炭浮島被切割成三塊，并漂流至下游。

當氣候變得溫暖時，泥炭中的有機物被厭氧菌分解，由此產(chǎn)生的大量甲烷會增加泥炭浮力，讓泥炭浮于水面。這給植物提供了生長所需的土壤：草本植物最先登陸浮島，然后是灌木，甚至就連高大喬木也會安家浮島，浮島因此變得越來越像陸地。泥炭浮島在全世界普遍存在，人們利用這些浮島放牛、耕種和釣魚。

最大的熱帶泥炭沼澤露面

位于剛果盆地中部的一個泥炭沼澤此前一直不為人所知，直到2012年才被發(fā)現(xiàn)。科學家深入這片熱帶沼澤森林，在三年里收集了足夠的泥炭樣本。結(jié)合衛(wèi)星數(shù)據(jù)，科學家估計該沼澤的面積是最初估計值的17倍。雖然這也只占剛果盆地總面積的4%，但該沼澤儲存的碳量相當于全球三年化石燃料碳總排放量，而且全球熱帶泥炭沼澤碳儲量中30%都集中在這里。