北方河流作为萜类排放源：对全球生物源挥发性有机化合物预算的新启示

本文首次量化了北方河流萜类化合物排放，揭示其作为生物源挥发性有机化合物（BVOC）重要来源的全球意义。通过两年野外观测，研究发现泥炭地和矿质土壤流域河流分别释放单萜（MT）和倍半萜（SQT），年均通量达4.9±2.8 mg·m-2·year-1和1.2±0.8 mg·m-2·year-1，其排放受溶解性有机碳（DOC）浓度、SUVA254和水温驱动。该成果为完善全球生态系统BVOC排放模型提供了关键数据。

　　

1 引言

生物源挥发性有机化合物（BVOC）是一类具有重要气候效应的活性气体，其中萜类化合物占全球BVOC排放的70%。尽管河流作为陆海碳循环的"生物地球化学反应器"已被广泛认知，但其作为BVOC排放源的作用仍属空白。本研究聚焦北方河流生态系统，通过对比泥炭地（棕色水河流）与矿质土壤（清水河流）两类典型流域，首次系统量化了萜类排放通量，并揭示其驱动机制，为全球气候变化模型提供关键参数。

2 材料与方法

2.1 研究站点

选取芬兰拉普兰地区两种典型流域：泥炭地主导的Yli-Nuortti河（棕色水河流）和矿质土壤流域的Kotkakurunoja河（清水河流）。研究区属亚北极气候，年均温-1.0°C，积雪期200-225天。连续监测显示两河流域在溶解性有机碳（DOC）浓度、水生植物群落（棕色水河流以杉叶藻为主，清水河流以溪苔为主）等方面存在显著差异。

2.2 BVOC采集与分析

采用动态顶空室技术进行原位采样，使用Tenax TA吸附管收集气体，通过热脱附-气相色谱-质谱联用（ATD-GC-MS）分析。每站点每次 campaign 设置4个重复采样，同步记录光合有效辐射（PAR）、水温、溶解氧等环境参数。排放通量计算采用标准公式，确保数据可比性。

2.3 辅助参数测量

使用浮箱法测定CO₂通量，紫外-可见光谱法分析DOC浓度和SUVA₂₅₄，离子色谱测定水化学指标，压力传感器连续监测流速。所有数据均通过混合效应模型（MEM）和多元线性回归（MLR）进行统计分析。

3 结果

3.1 排放格局

两河流均表现为萜类化合物的净排放源。清水河流年均排放通量（1.6±1.1 μg·m^-2·h^-1）显著高于棕色水河流（1.2±1.1 μg·m^-2·h^-1）。单萜（MT）占总排放的80%，其排放峰值在棕色水河流出现于7月（2.9±0.9 μg·m^-2·h^-1），而清水河流在春秋季更高。倍半萜（SQT）排放则呈现与水温显著相关的季节动态。

3.2 化学成分特征

α-蒎烯是两河流最主要的排放物，其次为莰烯和β-蒎烯。棕色水河流排放组成呈现明显季节规律：α-蒎烯夏季主导，对伞花烃春季升高。清水河流则表现出更高的化合物多样性（最多检测到14种萜类），但无清晰季节模式。杜松烯是唯一被检出的倍半萜，在春季排放比例较高。

3.3 驱动机制解析

冗余分析（RDA）表明排放组成主要受季节而非河流类型影响。MT排放与DOC浓度呈最强正相关（MLR模型R²=0.58），而SQT排放主要受气温驱动（单独解释40%变异）。SUVA₂₅₄与倍半萜排放负相关，暗示芳香性高的DOC可能抑制其释放。值得注意的是，流速和风速对排放通量无显著影响。

3.4 通量估算

基于最优MLR模型预测，开放水域期棕色水河流MT排放量为3.2-3.4 mg·m^-2·year^-1，清水河流为6.3-6.7 mg·m^-2·year^-1；SQT排放量分别为0.9 mg·m^-2·year^-1和1.5 mg·m^-2·year^-1。该通量与北方森林地表排放量级相当。

4 讨论

4.1 排放源解析

河流萜类可能源于三方面：流域植被分泌物的横向输入、有机质微生物降解产物、水生生物（如附生藻类）直接释放。尽管河流水体浮游生物量极低（浊度<2 NTU），但DOC化学组成差异（清水河流富含脂肪族化合物）可能通过影响微生物代谢导致排放通量差异。

4.2 气候反馈意义

萜类化合物的亨利常数（H_v）温度依赖性（单萜每升温10°C增加1.3-1.8倍）使其排放对气候变暖敏感。本研究首次证实河流是不可忽视的BVOC源，其单位面积排放量虽低于森林冠层（差两个数量级），但与森林地表和北极植被生态系统相当。考虑到河流仅占全球陆表面积的0.6%，需结合流域尺度进行综合评估。

5 结论

北方河流是萜类化合物的显著排放源，其通量与组成受流域类型、DOC特性及气候因子的共同调控。将水生系统纳入全球BVOC预算模型，对准确预测大气化学过程和气候反馈具有迫切意义。未来研究需加强不同生物群落区河流的联网观测，并发展耦合水文-生物地球化学过程的机制模型。