在全球气候变化的大背景下，对碳循环的研究愈发重要。河流作为全球碳循环的关键环节，其在陆地与海洋之间的碳传输作用一直是科学家们关注的焦点。今天，我们就来深入了解一下最新的研究成果 ——“Global riverine land - to - ocean carbon export constrained by observations and multi - model assessment”。
一、河流在全球碳循环中的关键作用
河流是全球碳循环的重要组成部分。每年，大约有 2 - 3 PgC yr⁻¹ 的陆地有机和无机碳进入河流网络。这些碳一部分与大气交换，一部分被埋藏在河流网络中，还有一部分则被输送到河口和附近的海岸。陆地输入的有机碳会在河流水系中产生强烈的净异养作用，同时土壤释放的二氧化碳也会进入河流网络，进而产生大量的温室气体排放到大气中。而这种净异养作用以及河流的脱气作用，会深刻影响最终输出到海洋的碳的化学组成。
横向的陆地到海洋的碳转移和转化过程在全球碳循环中扮演着至关重要的角色。它不仅影响着全球的碳收支，还对生物多样性、食物网结构以及内陆和近岸水域的水质产生深远影响。例如，会影响水体的 pH 值和缓冲能力、造成缺氧现象、改变重金属的迁移性以及水的透明度等。
二、以往研究中河流碳输出评估的不确定性
（一）评估方法及局限
以往全球范围内对河流碳输出到海洋的估计主要依赖于经验模型或基于过程的模型。经验模型的性能与观测数据的可用性、代表性和质量密切相关。由于观测数据的代表性有限，经验模型容易产生偏差。而且在选择协变量（如河流流量、沉积物输出、地形、土地覆盖、流域土壤碳储量等）和拟合方法时，可能会产生额外的不确定性，并且这些不确定性很少被评估。此外，经验模型往往会低估高流量，高估低流量。
基于过程的模型虽然能够模拟河流碳通量在流域内的动态变化，但也存在很大的不确定性。这主要是由于对驱动这些通量的知识基础缺乏了解，关键过程及其驱动因素的简化表示和参数化，以及用于模型校准的观测数据的可用性、代表性和质量有限。
（二）不同模型估计的差异
全球尺度差异
在本研究中，对于河流颗粒有机碳（POC）出口的估计，原始的经验模型和基于过程的模型就存在显著差异。原始经验模型给出的全球 POC 通量估计值分别为 200 TgC yr 和 170 TgC yr，而更新后的估计值在利用更多沉积物产品后分别为 189 TgC yr⁻¹ 和 196 TgC yr⁻¹。综合五个经验估计值，全球 POC 出口范围在 142 - 193 TgC yr⁻¹，相对标准偏差为 12%。而三个基于过程的空间明确估计值则在 150 - 300 TgC yr⁻¹ 之间变化，相对标准偏差为 33%。
对于河流溶解有机碳（DOC）出口估计，三个经验估计值范围在 175 - 198 TgC yr⁻¹，相对标准偏差为 7%。而基于过程的模型模拟的全球 DOC 出口差异更大，产生了 2 - 3 倍的范围差异，相对标准偏差值为 35%。
全球溶解无机碳（DIC）出口估计中，两个经验估计值全球差异达两倍（范围在 275 - 525 TgC yr⁻¹；相对标准偏差为 44%），基于过程的模型显示的范围则较小（344 - 474 TgC yr⁻¹；相对标准偏差为 16%）。对于颗粒无机碳（PIC）通量，经验估计值在结合其他数据后为 17 - 38 TgC yr⁻¹。
不同模型对全球河流 DOC、POC 和 DIC 出口的估计
跨大陆差异
当研究不同大陆的河流碳输出通量时，三种主要碳物种（DOC、POC 和 DIC）的预测在不同模型之间差异明显。对于 DOC，不同模型在各大陆的预测差异可达 2 - 53 倍，平均为 12 倍，相对标准偏差分别为 18%、72%（中亚）和 120%（大洋洲）等。中亚和大洋洲的差异尤为显著。
大陆 POC 和 DIC 估计的差异比 DOC 小，POC 平均最大变化为 5 倍（相对标准偏差在 36 - 82%），DIC 平均最大变化为 4.5 倍（相对标准偏差在 21% - 110%）。中亚和东亚的 POC 以及北亚和大洋洲的 DIC 在模型预测中仍存在较大差异。
流域尺度差异
将全球估计值分解到流域尺度时，估计值之间的差异进一步增大。对世界上 156 个外流流域的预测通量进行成对空间相关性分析，DOC、POC 和 DIC 出口的决定系数（R²）分别在 0.01 - 0.91、0.20 - 0.90 和 0.08 - 0.86 范围内。几乎所有流域的碳输出估计值最大变化都超过一个数量级，超过 50% 的流域中至少一种碳物种的估计值最大变化超过 100 倍。在流域层面，当碳通量增加时，估计值之间的相对差异有减小的趋势，但像亚马逊河等大型流域的碳输出估计值在不同模型中仍有很大差异。
（三）与新观测数据集的比较
研究构建了一个新的观测数据集，包含约 520,000 个 DOC、130,000 个 POC、31,000 个 DIC 和 620 个 PIC 浓度测量值，涵盖了约 21,000 个 DOC、9,100 个 POC、1,400 个 DIC 和 130 个 PIC 采样点。与这个新数据集相比，流域尺度的模型估计显示出不同程度的差异和偏差。不同模型的偏差各异，从回归斜率来看，DOC、POC 和 DIC 出口的斜率分别在 0.04 - 0.75、0.47 - 1.1 和 0.09 - 1.1 之间。经验模型的一些统计指标（如中位数对称准确率、归一化平均偏差等）表现出相似的值，而一些基于过程的模型在某些方面表现更优。例如，DLEM - TAC 在捕捉 DOC 和 POC 出口的地理空间变化方面表现更好，IMAGE - DGNM 在 DIC 的地理空间变化上表现最佳。通过与新数据集的比较还发现，模型估计之间的差异不太可能由百年尺度的气候变化或人为影响导致的时间变异性来解释，而更可能是由于在模型中准确考虑陆地碳在河流系统中的运输和命运存在困难，以及不同模型采用的方法不同。
不同模型对 DOC、POC 和 DIC 出口的斜率、偏差等指标
三、本研究的改进方法及结果
（一）改进方法
构建模型集合
为了减少不确定性并提高准确性，研究构建了一个模型集合平均值。通过四种机器学习算法（MLAs）对每个模型的重要性进行加权，加权基于模型的性能。同时，将新的河流碳输出驱动变量（如植被、降水和岩性等）纳入 MLA 中，这些变量来自地理空间数据集。这些因素被发现能够分别解释观察到的 DOC、POC 和 DIC 通量的 72%、81% 和 90% 的空间变化。考虑地下水碳输出研究还估计了全球地下水碳输出，之前的评估往往忽略了这一部分。通过结合全球新鲜沿海地下水排放数据和一个新的地下水 DOC 和 DIC 观测数据集，计算了地下水对陆地到海洋碳通量的贡献。
（二）改进结果
不确定性降低和准确性提高
全球范围内，模型集合评估使 POC 和 DIC 出口的不确定性分别降低了 49% 和 32%，DOC 通量不确定性也略微降低了 4.5%。在大陆尺度上，POC 通量不确定性在大多数大陆上也有所降低，DOC 和 DIC 也有类似情况（非洲部分地区因观测有限可能有不同）。
基于 MLA 的结果与观测通量的相关性比大多数单个模型更高（DOC、POC 和 DIC 的 R² 在 0.69 - 0.89 之间）。与之前估计值的算术平均值相比，新评估在多个指标上都有显著改进，如面积归一化出口通量的一致性指数（IOA）在 85% - 93% 之间，相比算术平均值有大幅提高。
基于 MLA 评估与之前评估对比的 DOC、POC 和 DIC 通量等
新的全球碳输出评估
空间分辨率重新评估的河流碳输出得出全球总通量为 1,020 ± 110 TgC yr⁻¹。其中 DOC 为 300 ± 68 TgC yr⁻¹，POC 为 180 ± 22 TgC yr⁻¹，DIC 为 520 ± 85 TgC yr⁻¹，PIC 为 27 ± 10 TgC yr⁻¹。同时，估计全球海底地下水溶解碳出口相对较小，突出了地下碳输出在全球陆地到海洋碳通量中是次要组成部分。
在不同海洋区域和流域尺度上，也提供了详细的碳输出分布。例如，在不同海洋盆地和流域，DOC + POC 以及 DIC + PIC 的通量都有明确的估计值。研究还指出了全球河流碳输出的热点地区，如亚马逊流域是碳输出最大的流域，其次是刚果河、长江和恒河等。并且在本研究的集合平均评估中，这些流域碳输出估计值的差异相比原始估计值大幅减少。
研究还发现，全球陆地来源的碳出口不仅不确定性更小、准确性更高，而且与早期评估相比有显著差异。例如，全球 DOC 和 DIC 通量分别比之前估计值的平均值高 50% 和 25%，在大陆尺度上，不同地区的河流碳输出估计值也与之前有所不同。
全球网格化的河流 DOC、POC 和 DIC 出口估计
四、对全球碳循环和未来研究的启示
（一）对全球碳循环的影响
碳收支和气候预测
本研究重新评估的全球和区域碳出口及其形态，对陆地和海洋碳汇的评估以及气候预测具有重要意义。新的集合评估结果比上一次 IPCC 评估报告中的值大约高四分之一，为向上修订陆地到海洋的碳通量提供了有力证据。同时，碳输出的形态也与之前报告有显著不同，DOC 和 DIC 出口都有向上修订。对陆地和海洋碳平衡的影响研究结果有助于评估陆地碳出口对全球和流域尺度陆地生态系统碳平衡的重要性。例如，在亚马逊盆地，侧向碳出口对净生态系统交换有重要影响，而在西伯利亚苔原则影响较小。此外，量化河流碳向海洋的转移对评估工业化前海洋碳脱气也很重要，本研究的结果为这一评估提供了新的证据，支持向上修订相关通量。
（二）未来研究方向
模型改进和验证
本研究的重新评估结果可用于基准新的基于过程的模型，特别是下一代地球系统模型中用于河流碳通量的陆面方案。重新网格化的估计值可用于更好地约束全球海洋生物地球化学模型模拟中的陆地来源碳输入。未来还可进一步扩展本研究的框架，更好地约束流域尺度上单个碳组分的起源和关键特性。数据完善和监测
尽管本研究的观测数据库是目前最全面的，但仍存在空间和时间覆盖上的差距。例如，在非洲和中亚等地区存在外推不确定性，小流域的调查也相对不足，极端气候事件对碳输出的影响在观测中也未得到充分体现。因此，未来需要更多的测量和改进统计方法，以更新碳输出的估计值。同时，需要更多关于全球河流网络碳通量的时间序列观测，以及重新运行一些基于过程的模型，提高其时空分辨率，以更好地模拟碳通量的时空趋势。
河流碳输出的研究在全球碳循环研究中具有至关重要的地位。本研究通过综合多种方法，克服了以往研究中的诸多不确定性，为我们更准确地理解陆地与海洋之间的碳循环联系提供了重要依据。未来的研究需要在本研究的基础上，进一步完善模型和数据，以更好地应对全球气候变化带来的挑战。希望通过科学家们的不断努力，我们能够更加深入地了解碳循环的奥秘，为保护地球环境做出更大的贡献。
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