加州中部海岸野火影响下非永久性溪流的独特径流与营养盐输出动态机制研究

这篇研究通过对比加州中部海岸两个相邻但水文地质特征迥异的流域（NDC和SDC），揭示了野火后非永久性溪流中溶解性有机碳（DOC）、总溶解氮（TDN）和磷酸盐（PO43?）的差异化输出规律。研究发现，以浅层流径为主的NDC流域年溶质输出量高达SDC流域的2-13倍，且最高浓度出现在野火后第二年高强度降雨期间，表明水文地质背景和降水特征共同主导了野火干扰下的水质响应模式。

　　

野火干扰下流域溶质输出的水文地质控制机制

1 引言

野火通过改变营养盐供应和水文过程影响水质，但响应模式受流域特性、气候和火灾特征的共同调控。加州SCU复合火灾（2020年8月）为研究相邻流域（NDC和SDC）的差异化响应提供了理想案例。尽管两流域具有相似的生物物理特征和燃烧程度（98%面积低-中度燃烧），但前期研究表明其水文行为显著不同：NDC表现出更剧烈的径流波动和更高DOC浓度，推测与基岩类型驱动的流径差异相关。

2 研究方法与场地特征

研究区域位于加州Diablo山脉的Blue Oak牧场保护区（BORR），属典型地中海气候。NDC（0.77 km²）西侧为弗朗西斯坎混杂岩（Franciscan mélange），东侧与SDC（0.91 km²）同为沉积岩基岩。通过连续2年（2021-2022水年）的高频径流监测和ISCO自动采样，获取了TDN、DOC和PO₄^3?浓度数据，采用周期加权法计算溶质负荷。

3 关键发现

3.1 水文输出的极端差异

NDC年径流持续时间仅29%，但峰值流量达SDC的8倍，且无基流；SDC则保持68%的流动时间与稳定基流（～1 L s^?1）。这种对比印证了混杂岩区浅层临界带导致的快速水文响应特性。

3.2 溶质输出的数量级差异

尽管年降水量相近（504 vs 558 mm），NDC在两年间分别输出12倍TDN（137 vs 10.9 kg）和8倍PO₄^3?（8.6 vs 1.06 kg）。浓度-流量（C-Q）关系显示NDC具有显著冲刷型斜率（b>0.2），而SDC呈化学静态特征。

3.3 事件尺度动态

最高DOC（31.1 mg L^?1）和TDN（9.3 mg L^?1）浓度出现在野火后433天的暴雨事件中，而非传统认知的"首场暴雨"。NDC单次事件可贡献年负荷的96%（如2021年1月事件输出93%DOC），凸显间歇流系统的脉冲式输出特征。

4 机制讨论

4.1 基岩控制的流径分化

混杂岩区浅层流径促进有机质接触，而沉积岩区深层流径稀释溶质。NDC更高的排水密度（7.5 vs 5.3 km km^?2）和正C-Q关系支持这一假说。

4.2 气候因子的叠加效应

干旱期溶质积累+高强度降雨的协同作用解释了第二年浓度峰值。与沿海CZU火灾区数据的时空一致性（Richardson等，2024）佐证了该区域气候驱动范式。

5 管理启示

研究强调水文地质背景评估对野火后水质预测的关键作用，建议将流域流径特征纳入风险评估框架。间歇流系统虽短暂却贡献超90%污染负荷，需针对性设计监测方案以捕捉暴雨脉冲事件。

（注：全文严格基于原文数据，未添加非文献支持内容；专业术语如TDN、DOC等均按原文格式标注；化学式如PO₄^3?保留标准下标；机构名称BORR等缩写首次出现时标注全称）