科雷马河（西伯利亚东北部）的水生生产力指标：通过O2/Ar比值及O2同位素比值来确定

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Aquatic Productivity Signals in the Kolyma River (Northeastern Siberia) From O2/Ar Ratios and O2 Triple Isotopologues

北极河流通过生物地球化学过程将碳转化为CO?排放或输运至海洋。本研究首次应用O?/Ar比率及同位素分析，量化了科拉玛河及支流Ambolikha在融雪期（6月）和低流期（8月）的净与总氧生产力。结果显示：高流量期湍流和光照不足抑制生产力，河流表现为净呼吸，CO?排放量达27±8 μmol/L；低流期水流减缓，光照穿透增强，支流交汇处出现浮游植物大量繁殖，净生产力提升，CO?排放量降至3±5 μmol/L。微生物群落及溶解有机物（DOM）的分子特征显示，夏季DOM以木质素为主（来自冻土分解），而秋季低流期DOM更易被微生物分解为碳水化合物，支持浮游植物生长。研究表明，北极河流的碳动态高度依赖水力条件与光照，气候变化可能通过延长开water季节促进局部生产力提升，但全年碳平衡仍待明确。

　　
北极河流作为连接陆地和海洋生态系统的重要纽带，其碳循环过程在气候变暖背景下备受关注。本研究以俄罗斯东北部的科拉姆达河及其支流安博利卡哈河为对象，通过2019年夏季（融雪期）和秋季（低水期）的连续监测，揭示了水流条件、生物生产力与温室气体排放间的动态关系。

**核心发现：**
1. **水流条件主导生物地球化学过程**
融雪期的强水流（平均流速达0.67 m/s）和浑浊度（部分站点达109 FNU）抑制了光合作用，导致河流在夏季释放大量CO?（平均浓度达1686 μatm）。此时，水体中溶解氧（DO）含量较低（约11.5 mg/L），且氧原子比例（ΔO?/Ar）显著低于大气饱和值，表明以微生物呼吸为主的自养过程占主导。相反，低水期的缓慢流动（流速降至0.14 m/s）和较低浑浊度（平均5.5 FNU）促进了光穿透，尤其在支流交汇处形成浮游植物 blooms（叶绿素a浓度达28 μg/L），显著提升净初级生产力（NPP）。

2. **CO?排放的季节差异**
夏季河流因高流速和泥沙输入，CO?排放量达到峰值（安博利卡哈河为57 mmol/m2·d，科拉姆达河为27 mmol/m2·d）。但低水期排放量骤降96%（仅剩6%），主要因光照增强促进光合固碳，同时水体停留时间延长（从1天增至2天）为微生物分解有机物提供了条件。

3. **生物产氧的动态平衡**
通过氧同位素比值分析发现，夏季河流普遍处于负氧平衡（ΔO?/Ar为-32.9%至-12.3%），显示净呼吸作用；而低水期（如安博利卡哈河）ΔO?/Ar升至+1%，科拉姆达河支流交汇处甚至达到+6%，表明光合作用成为碳汇主导。特别是8月某支流交汇处观测到浮游植物爆发（生物量占微生物群落40%），其碳吸收量相当于全河平均的1.5倍。

4. **溶解有机物的分子指纹变化**
质谱分析显示，夏季河流DOM以木质素类大分子（如香草酸、肉桂酸衍生物）为主（占比达86%），反映陆源输入占优；低水期DOM中可降解碳水化合物比例上升（达91%），同时硫代有机物浓度增加，暗示微生物代谢活性增强。这种转变与浮游植物 blooms相关，其光合产物（如氨基酸、糖苷）占新DOM的32%。

**气候响应机制：**
- **水文条件重塑生态系统**：冬季冻土融化延长了河流开放期，低流速环境（如支流交汇处）形成稳定的微生境，促进光合细菌（如星形绿球藻）和硅藻（如 Melosira sp.）的聚集。研究显示，科拉姆达河上游因冰层消融导致水温骤升（夏季达14.5°C），加速了DOM矿化。
- **温室气体通量反转**：夏季高排放源于陆源有机物快速分解（尤其支流安博利卡哈河贡献量达总排放的47%），而秋季低排放期（仅6%夏季水平的1/16）则因光照和碳固定增强，形成局部碳汇。
- **微生物群落结构转型**：夏季优势菌群为好氧异养菌（占比60%），秋季浮游植物爆发后，光合菌比例提升至40%，同时产甲烷菌活性增强（秋季检测到0.5%甲烷排放）。

**生态 implications：**
- **碳汇潜力**：低水期浮游植物可固定约49 mmol/m2·d的碳（科拉姆达河平均值），若气候变暖导致开放期延长，单季碳汇量或提升至夏季排放量的60%。
- **物质循环加速**：春季融雪增加的流量（峰值达27.7×103 m3/s）将携带更多碎屑有机物，促进夏季微生物分解；而秋季低温减缓酶解速率，延长有机质稳定期。
- **人类活动干扰**：科拉姆达河上游的卡捷姆斯克水坝建设（2013年完成）导致下游水流减缓（降幅达30%），意外创造了浮游植物生长的“人工低水期”环境，验证了水利工程对碳循环的调节作用。

**研究局限与展望：**
- 当前仅覆盖2019年单一年份，未来需多年度观测以验证结论的稳定性。
- 未区分地下水与地表水输入的碳贡献，需结合δ2H等示踪剂进一步解析。
- 浮游植物爆发是否可逆仍存疑，需评估气候变化导致的营养盐限制效应。

该研究为理解北极河流在气候变暖中的碳汇-源转换提供了关键机制：短期高排放源于陆源物质输入，而长期低排放期则因生态系统的季节性适应形成碳吸收窗口。这一发现与北极圈“夏季碳泵”假说一致，但强调支流交汇处作为碳汇热点的作用，为区域生态修复提供新思路。