北河以北

河流碳循环的前世今生

文/宋春林

河流碳循环是一个比较新的研究领域,属于流域生态水文学、生物地球化学和生态系统科学的交叉学科。我博士期间在这上面花了几年时间,得到了一些初步认识,想写一下到底什么是河流碳。需要说明的是,本文为面向非专业人士的科普文,也欢迎专业人士勘误和补充。

这件事要从全球碳循环开始说起。众所周知,随着工业革命开始,人类活动导致地球大气 CO2 浓度逐年升高,如今已经超过 400 ppm。 CO2 浓度升高的一个后果是通过「温室效应」使全球变暖,这已在科学界达成共识。在这个背景下,大量地球和环境科学的研究者开始投身全球碳循环研究,希望能够弄清地球上各个碳库的储量、变化以及他们之间的交换机制。一般地球上可分为陆地、海洋和大气三个碳库,河流则是连接陆地-大气之间和陆地-海洋之间碳库的界面和通道,其对于碳物质由岩石圈到水圈、由水圈向大气圈以及由陆地到海洋的输送起重要作用,对全球碳循环和碳收支有重要影响,是碳循环中不可或缺的一个分量。河流就如同大地的动脉血管,在水循环的驱动下源源不断地向河口、海洋以及大气中输送、反应和排放陆地碳物质,和流域水文过程、下垫面条件等有着千丝万缕的联系。

河流碳的研究开始于上世纪 70、80 年代,一开始的研究主要在量化河流到底从陆地输送到多少碳到海洋,这方面以 M. Meybeck 和 W. Schlesinger 两位科学家为代表。研究方法就是在河口地区采水样,分析水样里面碳的浓度,乘以一定时间段输送的水量就得到了碳的通量。陆地碳到河流中主要可分为溶解态有机碳(DOC),溶解态无机碳(DIC),颗粒态有机碳(POC)和颗粒态无机碳(PIC)。所谓溶解态一般是指粒径小于 0.45 µm 的碳组分,而大于 0.45 µm 粒径的碳组分就是颗粒态了。无论是颗粒态还是溶解态,它们都对河流的地球化学过程以及水生态过程有重要影响。例如来自侵蚀作用的颗粒态碳通过沉积作用可视为一个重要碳汇,有助于缓解陆地生态系统碳排放。DOC 是水生生态系统新陈代谢的重要来源,而 DIC 一般与陆地风化过程密切相关。

在上世纪 90 年代,G. Kling 发现北极的湖泊和溪流水体处于 CO2 过饱和状态,也就是水中的 CO2 分压大于大气中 CO2 分压,因为这个分压差值的存在会向大气排放 CO2相关研究发表在 Science 上。这一发现被逐渐在全球内陆各种水体中确认,即陆地大部分自然水体都处于 CO2 过饱和状态,会向大气排放 CO2。进入新世纪以后学界认识到河流碳其实主要包含了水平输出、垂直气体排放以及沉积这三个途径。对河流碳这三个途径进行整合的最著名的文章就是 J. J. Cole 2007 年在 Ecosystems 上发表的文章,至今已引用两千多次。虽然 J. J. Cole 的估算数字不断被更新,但是这篇开创性的文章促进了河流碳循环领域的发展。

河流 CO2 单位面积排放量取决于两个因素:水气 CO2 分压差和气体扩散速率。前者的确定较为简单,通过采样或者模型都可以确定,后者主要与水体湍流程度有关,其不确定性较大。在这一领域里程碑式的文章是 P. A. Raymond 等人 2013 年发表在 Nature 上的对全球内陆水体 CO2 排放量的估算。这篇文章的发表主要是基于 P. A. Raymond 等人 2012 年研发的气体扩散速率的经验模型,基于他们自己的方法以及全球的 CO2 分压数据调查,再结合统计方法,所以 2013 年发了 Nature。这两个文章的引用率都非常高。由于河流 CO2 排放是一个很复杂的过程,这一课题至今还是研究的热点,几乎每年都有重量级的文章发表。比如今年 T. J. Battin 课题组就对河流气体扩散速率重新研究,得到了基于能量扩散系数的新的气体扩散速率模型,并在此基础上估算了全球山区河流的 CO2 排放量,结果发现山区河流 CO2 排放量相当大,主要是因为山区河流湍流强烈,水体能量扩散系数高,气体扩散速率快。目前还有很多地区的河流缺乏 CO2 排放数据,其机制也还有不少不清楚的地方。

河水里的 CO2 气体从哪里来呢?这就涉及到有机质分解了。陆源有机碳进入河流,一部分沉积在河床,一部分被输送到下游地带,还有一部分会被分解转化为 CO2 或其他成分。分解的途径包括微生物分解和光化学分解,其中的机制并没有完全搞清楚。特别是对于多年冻土地区,冻土消融后释放有机碳到河流中,这些有机碳的分解会增加河流 CO2 释放,该领域也有大量重量级文章发表。比如 T. W. Drake 2015 年就在 PNAS 上发表了冻土中的低分子量有机酸是 CO2 的重要来源的文章。当然除了来自有机碳的分解,近些年的研究也发现地下水本身也会为河流提供大量的 CO2,特别是对于江河源头区,这个发现去年发表在 Nature Geoscience 上

未来河流碳循环将会继续蓬勃发展,特别是对于亚洲地区。据估计,亚洲河流碳输送量占全世界河流的 40-50%,但是,大部分河流碳循环的研究都集中在欧洲、美洲和北极等地区的河流,亚洲的河流研究严重不足。因此,亚洲河流碳循环还需要大量研究,尤其是发源于青藏高原的大江大河。由于全球变化,青藏高原的“亚洲水塔”正发生剧烈变化,其河流碳循环过程的改变和响应也值得密切关注。

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分类 学无止境  标签 河流碳  碳循环