水文因素主导泛北极河流碳氮输出的时空动态及其气候响应机制

针对北极快速变暖背景下河流碳氮循环机制不清的问题，研究人员基于六条泛北极河流2009-2021年标准化观测数据，结合随机森林模型(RF)量化了碳氮输出的驱动因素。发现这些河流年均输送35.30 Tg C yr-1和1.04 Tg N yr-1，水文因素（贡献度%IncMSE: 63.2±15.4%）是主导驱动力，揭示了冰冻圈消融与人为活动对有机质输移的协同影响，为预测气候变暖下的极地生物地球化学循环提供了新依据。

　　

随着全球变暖加速，北极地区正经历着比全球平均水平快四倍的升温过程。这片被称为"地球冰箱"的区域，其河流系统如同巨大的生物地球化学传送带，每年将数以千万吨计的碳和氮从陆地输送到海洋。然而，这些物质如何在气候变化影响下改变其迁移路径和通量，一直是困扰科学界的难题。尤其当永久冻土（permafrost）持续退化、水文格局剧烈改变时，北极河流中溶解有机碳（DOC）与氮化合物的动态变化，不仅关乎区域生态平衡，更通过温室气体（CH₄、CO₂、N₂O）释放影响着全球气候系统。

为破解这一难题，甘肃省科技计划资助的研究团队对六大泛北极河流——鄂毕河(OR)、叶尼塞河(YeR)、勒拿河(LR)、科雷马河(KR)、育空河(YuR)和麦肯锡河(MR)展开了长达12年(2009-2021)的系统监测。通过标准化采样与机器学习技术的创新结合，研究人员首次量化了水文因素与生物地球化学过程的相对贡献，相关成果发表在《Environmental Research》上。

研究团队运用三项关键技术：①基于HydroBASINS的流域数字化建模；②采用随机森林模型(Random Forest)整合30个环境变量（包括土壤湿度指数、降水温度数据等）；③稳定同位素示踪技术解析碳氮来源。所有数据均来自国际公开数据库，并通过MK检验（Mann-Kendall）分析趋势显著性。

【研究结果】

1. 碳氮通量特征
   六大河流年均输送35.30 Tg C（以DOC为主）和1.04 Tg N，其中育空河因0.236°C yr^-1的剧烈升温成为变化最显著流域。冬季无机碳氮峰值与夏季有机质高峰形成鲜明对比，印证了冰冻圈消融的季节性驱动。

2. 物质来源解析
   δ¹³C同位素显示河流碳库主要来自C₃植物源土壤有机质和浮游生物，而氮同位素则同时反映农业径流等人类活动信号，证实永久冻土退化正改变传统物质输送路径。

3. 驱动机制量化
   RF模型揭示水文因素（特别是径流量）对碳氮输出的贡献率达63.2±15.4%，远超植被覆盖变化（21.8%）等生物因素。这解释了为何尽管北极绿化加剧，部分流域氮输出仍持续增加。

【结论与意义】
该研究建立了泛北极河流物质输送对水文强迫的响应框架，证实气候变暖通过改变冻土水文连通性而非单纯增加降解速率来重塑碳氮循环。特别值得注意的是，机器学习模型预测的DOC通量比IPCC第六次评估报告高30%，这一差异突显了传统模型可能低估了北极放大效应的影响。研究为理解"北极碳泵"在气候反馈中的作用提供了关键参数，其建立的标准化数据库将成为评估北极陆海相互作用的新基准。随着北极航运与资源开发加剧，这些发现对制定兼顾生态保护与气候减缓的北极政策具有重要指导价值。