喀斯特河流溶解有机质与二氧化碳分压的时空变异机制：景观特征与水文季节性的协同调控

本研究针对人类活动干扰下喀斯特河流溶解有机质(DOM)与二氧化碳分压(pCO2 )的驱动机制不明问题，通过多季节采样结合景观生态学方法，揭示流域景观通过调控陆源输入主导DOM组成与pCO2 空间分异，水文季节性通过温度-降水耦合作用放大景观效应。成果为全球碳中和背景下河流碳封存管理提供理论依据。

　　

在全球碳循环研究中，河流作为连接陆地与海洋的关键纽带，其碳输运过程直接影响着区域乃至全球的碳收支平衡。然而，随着城市化进程加速，流域景观格局剧变与人类活动干扰正深刻改变着河流溶解有机质(DOM)的组成特征和二氧化碳(pCO₂
)排放模式。特别是在生态脆弱的喀斯特地区，强烈的岩溶作用与人为干扰的叠加效应使得河流碳循环过程更趋复杂。尽管已有研究认识到土地利用变化会影响河流碳动态，但景观特征如何与水文季节性协同调控DOM组成与pCO₂
变异，仍是当前生物地球化学研究亟待破解的科学难题。

针对这一知识空白，重庆水资源与生态环境研究团队以典型喀斯特河流——大宁河为研究对象，开展了为期一年的多季节综合调查。研究团队通过耦合水化学分析、三维荧光光谱技术和景观生态学方法，系统解析了DOM组成特征与pCO₂
时空分异规律，首次揭示了流域尺度景观驱动效应与水文节律的交互作用机制。相关成果发表在《Journal of Hydrology》上，为全球变化背景下喀斯特河流碳管理提供了新视角。

研究采用多学科交叉技术路线：基于2021-2022年丰枯水期四次全流域采样，运用原位传感器测定水温(T_water
)、pH等基础参数；采用顶空平衡法测定pCO₂
；通过紫外-可见光谱与平行因子分析(PARAFAC)解析DOM组分；结合30-1000m半径缓冲区分析景观格局指数(如香农多样性指数SHDI、斑块凝聚度COHESION)；运用冗余分析(RDA)量化环境因子贡献率。

景观特征主导空间分异
研究发现流域景观通过调控陆源输入显著影响DOM组成与pCO₂
空间格局。缓冲区分析显示，随着缓冲半径增大，建设用地比例与pCO₂
呈显著正相关(r=0.42-0.68)，而林地覆盖则与腐殖质类DOM组分呈正相关。特别值得注意的是，景观破碎化程度(以斑块密度PD表征)每增加1个单位，DOM来源多样性指数上升23%，表明人类活动通过改变景观异质性增强了碳输入的复杂性。

水文季节性放大调控效应
温度与降水表现出对景观效应的显著调制作用。八月高温期(平均22.2°C)促进陆地CO₂
输入与微生物矿化，使pCO₂
达到年均峰值(8600.65 μatm)；而五月丰水期强降雨产生的稀释效应使pCO₂
降至最低。三维荧光组分分析揭示，蛋白类DOM在旱季占比达61±8%，显著高于雨季的39±5%，证实水文连通性变化会重塑碳源贡献格局。

DOM组成动态解析
平行因子模型识别出3类荧光组分：类腐殖酸C1(Ex/Em=250/450nm)、类色氨酸C2(Ex/Em=280/350nm)和类酪氨酸C3(Ex/Em=270/310nm)。空间分析显示城市段C2占比超60%，而自然段以C1为主(55-72%)。RDA分析表明溶解性总氮(TDN)解释DOM变异的32%(p<0.01)，印证了人为氮输入对DOM转化的驱动作用。

pCO₂
驱动机制
结构方程模型显示，景观格局通过改变TDN和溶解无机碳(DIC)间接调控pCO₂
(路径系数0.51)，而水温直接促进pCO₂
升高(β=0.37)。特别在城市化河段，pCO₂
空间变异系数达47-63%，显著高于自然段(18-25%)，凸显人类活动对碳循环稳定性的干扰。

该研究创新性地构建了"景观-水文-碳过程"耦合框架，证实减缓人为干扰可促进河流CO₂
封存。发现蛋白类DOM是喀斯特河流主要活性碳库，修正了传统腐殖质主导认知；阐明缓冲区半径与景观效应强度的正相关关系，为流域精准管理提供尺度依据。成果不仅深化了对陆地-水生连续体碳交换机制的理解，更为实现"双碳"目标下喀斯特河流生态修复提供了科学支撑。研究建议未来应重点关注景观格局优化与水文过程协同调控，通过构建韧性流域体系助力全球碳中性进程。