水文干旱条件下墨西哥湾大型低地河流的二氧化碳排放与溶解碳输送机制研究

本研究针对水文干旱如何影响大型河流碳循环这一科学问题，以北美最大沼泽河流Atchafalaya River为研究对象，通过24个月连续监测发现干旱使pCO2降低至850–5422 μatm、CO2排放速率降至13.06 mmol m?2 hr?1，DIC和DOC年输送量分别减少33%和26%，揭示了水文连通性降低是碳通量变化的主因，为极端气候下流域碳预算评估提供重要依据。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，水文极端事件对碳循环的影响日益凸显。河流作为连接陆地与海洋的"碳传输带"，其溶解碳（DC）输送和转化过程对全球碳预算具有重要影响。然而，当前关于干旱如何改变大型河流碳动力学的认识仍存在显著空白。北美Atchafalaya River（AR）作为密西西比河最大支流，年均输送200 km³淡水至墨西哥湾，其广阔的洪泛区与沼泽湿地构成了独特的碳处理系统。以往研究多关注高流量条件下的碳通量，而对持续干旱如何影响这一复杂系统的认识仍不充分。

美国路易斯安那州立大学的研究团队抓住2021-2023年历史性干旱的契机，在AR的Morgan City断面开展为期24个月的连续观测。研究测量了溶解二氧化碳分压（pCO₂）、水温、溶解氧、pH等参数，结合水化学分析量化了溶解无机碳（DIC）和溶解有机碳（DOC）输送通量。通过与2019-2021丰水期数据对比，首次系统揭示了长期干旱对大型低地河流碳循环的影响机制，成果发表于《Estuarine, Coastal and Shelf Science》。

研究采用高频现场监测与实验室分析相结合的技术路线。每月采集河水样品测定DIC、DOC浓度，使用便携式气体分析仪实时测量pCO₂，结合USGS水文站流量数据计算碳通量。通过建立CO₂排放速率模型（FCO₂ = k×K₀×ΔpCO₂），量化气体交换通量。所有数据均与前期丰水期观测结果进行统计学对比分析。

【Atchafalaya River】
研究区作为北美最大沼泽河流，其独特的水文特征为干旱研究提供理想场所。干旱期间河流日均流量降至2877 m³ s^?1，较丰水期下降近50%，导致历史罕见的负流量现象（海水倒灌）。

【River discharge and physicochemical parameters】
干旱期pCO₂范围（850–5422 μatm）显著低于丰水期（1130–8650 μatm），CO₂排放速率均值从19.70降至13.06 mmol m^?2 hr^?1。同时DIC浓度保持高于DOC的特征表明，即使干旱条件下有机碳矿化过程仍在持续。

【Effects of hydrological droughts on riverine carbon export】
质量平衡计算显示，干旱使DIC年输出从6.40 Tg C yr^?1降至4.21 Tg C yr^?1，DOC从2.40 Tg C yr^?1降至1.78 Tg C yr^?1。这种下降主要归因于洪泛区水文连通性减弱导致的碳输入减少。

【Conclusions】
研究证实长期干旱通过三重机制影响碳循环：①限制陆源有机质输入；②延长水体滞留时间促进局部矿化；③减少气-水界面交换面积。值得注意的是，尽管总通量下降，单位水体的碳转化效率反而提升，这为预测未来气候情景下碳循环响应提供了新视角。

该研究首次量化了持续干旱对大型低地河流碳通量的累积效应，建立的干旱响应模型可推广至全球类似河流系统。发现的水文连通性阈值效应为流域管理提供了科学依据，尤其对预测极端气候事件频发背景下的海岸带碳收支具有重要价值。团队建议未来研究应关注干旱-洪水转换期的碳脉冲释放现象，以更全面评估气候变化对河流碳循环的影响。