Nature | 河流对“碳”只是“传输通道”吗？

文摘 2024-11-06 23:08 上海

河流生态系统是大陆、海洋和大气之间最大的生物地球化学联系。但在此之前，我们对河流在全球碳循环中的作用的理解依旧有限，甚至仍停留在“河流是仅是将碳从陆地转移到海洋的‘管道’”的阶段。

本篇将从Nature刊物中所发表的“River ecosystem metabolism and carbon biogeochemistry in a changing world”（译为：变化世界中的河流生态系统代谢和碳生物地球化学）一文中，解读河流生态系统代谢研究的现状，以及目前河流生态系统新陈代谢的最佳估计。

此外，还将讨论全球各类变化是如何影响河流生态系统代谢及相关碳通量的，这对将来预测河流与全球变化之间关系有所帮助。

在全球各地都在努力推进碳中和行动的大背景下，本篇文章也同样鼓励各国间建立全球河流观测系统（RIOS），使得全球陆地、河流、大气和沿海海洋的碳通量数据能够得到分享，进而推动对这些通量和潜在过程的系统性理解。

01 河流生态系统代谢及驱动因素

河流生态系统的能量学是基于水生初级生产的本地能量和陆地环境的外来能量。

而生态系统净生产（NEP）则是通过初级生产总值（GPP）和生态系统呼吸（ER）的平衡来定义的，其中NEP = GPP − ER。当最终得到的NEP的值大于0时，则说明该生态系统为自养型，反之则为异养型。

图1 河流生态系统整体新陈代谢过程图

通过图片可解读出：河流生态系统总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸力(ER)虽然在水中排出，但最终依旧会融合于陆地，即能量得到了排出。而有机碳(OC)和无机碳(IC)与气体通量和河流中的氧气平衡，实现了碳循环。

在这其中，光照、流量、土地利用和营养物质是影响GPP和ER的主要因素，进而导致河流呈现季节性和地理差异的生态代谢模式。

我们也可从下列图表中得出：太阳能、年总光照可用性以及水文干扰则是河流生态系统年度GPP和ER变化的主要驱动因素。由于温度效应与其他环境变量相互交织，无法明确找出其对于河流生态系统的具体影响，但温度敏感性依旧显著地影响着河流的代谢。这些复杂因素共同塑造了

河流生态系统的代谢和生态过程。

图2 光可用性的季节性变化

图3 氧饱和度和代谢的多年变化

02 整合大规模碳通量

通过质量平衡法的量化和分解全球河流系统中的碳通量，用具体的数据形象的表现出，从陆地到河流再到沿海海洋整个过程中碳的转移过程，甚至针对不同纬度之间的差异进行了分类和评估。

其中，我们将碳通量分为有机碳（OC）和无机碳（IC）两部分，两者之和构成了整个巨大规模的碳通量。这些通量不仅有来自陆地生物圈的不同过程（如植物净初级生产力和土壤呼吸），还包括了水库和河流的贡献。

图4 各级碳通量与能量消耗情况

图中灰色箭头表示河流GPP峰值期间从大气中封存二氧化碳的可能性，右侧图例也展示在不同维度中，河流对碳收支都有明显作用。

河流也通过将OC和IC输送到沿海海洋，进一步影响了沿海海洋的碳循环，由此可体现出整个河流系统对海洋二氧化碳的减排作用。

03 全球变化对河流代谢的影响

由于GPP与ER的不同驱动因素在不同的空间尺度和时间尺度中起作用，而导致全球变化对河流生态系统的代谢具有一定复杂性。

其中，陆地NPP的增加不仅影响了陆地上的人为有机碳储存，还加剧了高纬度和热带地区内陆水域的碳补贴。例如，水库建设，土地利用改变等。

图5 气候变化、土地利用变化如何潜在影响河流生态系统代谢

图中黄色轨迹是指气候和土地利用变化，棕色轨迹是指流量调节，灰色虚线轨迹是指流动(湍流引起的气体交换)和温度(气体溶解度)的影响。

也就是说，农业用地的转换会影响河流生态系统代谢和温室气体排放，在河流中引入更多的有机物质，对河流的生态系统产生潜在威胁。而通过建设水库来改变一些地区的水流状况，可导致整个河流生态系统的代谢和气体交换机制的改变。

图6 全球变化驱动因素对河流生态系统GPP和ER的潜在影响

这张图更直观的体现出流量和温度变化对GPP和ER的影响会增加或减少，光和养分会刺激GPP，OC会刺激ER，影响整个生态系统的新陈代谢。

04 河流生态系统研究重点

图7 全球河流观测系统

在文章末尾作者提出：建立全球RIOS来监测各地河流生态系统中的碳通量，改进模型框架，使其能更准确地模拟河流生态系统的代谢和碳形式。促进流域尺度上的水文、地貌学和生态学研究的整合。

作者也同样基于自己的想法，初步建立了一个观测系统的框架，将河流生态系统的观测与多格局网络尺度结合，可更好地用来预测气候变化对碳排放的响应。

展望&结论

河流之于“碳”当然不只是单纯的“管道”作用，完整的河流生态系统更像是一个生命体，将“碳”当作了生命代谢的主要物质，来维持自身的平衡。

在这其中，与任何生命体一样，人为或自然因素的变化也都会影响生态系统代谢的情况。

全球变化是复杂又难以预测的，只有掌握各类变化对河流生态系统的变化，才能更好的估计河流生态系统所带来的最高价值。

如作者所说，目前对于河流生态系统地综合研究依旧停留在表面，因而需要各国之间能够进行合作，对各地河流的碳通量进行观测，构建出完整的网络格局以预测全球变化带来的影响。

参考文献：

Battin, T.J., Lauerwald, R., Bernhardt, E.S. et al. River ecosystem metabolism and carbon biogeochemistry in a changing world. Nature 613, 449–459 (2023).

创建人：

黄依婕上海海洋大学

本文来源于第一届水生生物与水域生态学全国研究生暑期学校的学员作业。

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