由冻融过程引起的地下水流路径的季节性变化，驱动了青藏高原一个高山流域内溪流中溶解有机碳（DOC）输出和有机质组成（DOM）的变化

《Journal of Hydro-environment Research》：Seasonal variation of groundwater flow path induced by freeze?thaw process drives the changes of DOC export and DOM composition in streams in an alpine catchment, Qinghai?Tibet Plateau

青藏高原东北部季节冻土区冻融作用调控地下水流动路径，显著影响溶解有机碳（DOC）组成与侧向输出，揭示冻融循环通过改变水岩相互作用时长和温度，导致DOC浓度季节动态（4-6月峰值贡献率70%）及深度分异（浅层源贡献高，深层微生物分解主导），为寒区碳循环研究提供新机制。

　　

邹长健|马瑞|熊静|赵攀|孙子勇

中国地质大学环境学院长江流域环境水科学湖北省重点实验室，中国武汉430078

摘要

控制冻融过程对高山地区地下水流路径变化对溶解有机物质（DOM）组成及侧向溶解有机碳（DOC）向河流输送的影响，对于理解碳循环至关重要，但在流域尺度上仍不明确。为解决这一问题，我们采用了一个考虑冻融过程的数值地下水流动模型，评估了青藏高原东北部一个季节性冻土（SFG）子流域中不同含水层深度和河流水体中DOC浓度及DOM成分的季节性变化。数值模拟结果表明，地下水流速和路径在不同季节会因冻融过程而发生变化。不同含水层深度和河流水体中的DOC浓度及DOM特征存在显著的季节性差异。河流水体中的DOC浓度最高出现在10月26日至11月6日期间，而DOC通量则在4月15日至6月15日期间达到峰值。该流域主干流中地下水流DOC通量对总DOC通量的贡献在季节间有所变化：4月15日至6月15日期间占比为70%，6月15日至10月26日期间接近100%，10月26日至11月6日期间为86%。研究区域的年DOC输出通量高于具有相似水文条件的中大型SFG或永久冻土流域，这表明了季节性冻土区域地下水流对寒冷地区碳循环的重要性。我们的工作有助于更好地理解冻融过程对DOC迁移和转化的影响，也对气候变化背景下高山地区的生物地球化学过程和区域碳循环具有重大意义。

引言

冻土区域是全球重要的陆地土壤碳库，占土壤有机碳总量的23%至48%，其规模是大气碳库的两倍（Guo和Macdonald，2006；Tarnocai等，2009；Zimov等，2006）。储存在冻土中的碳可以以溶解有机碳（DOC）的形式进入地下水和地表水系统，这是土壤碳库释放碳的重要途径（Finlay等，2006；Hu等，2023）。DOC主要由高分子量的腐殖质与低分子量成分（如色氨酸）组成，约占溶解有机物质（DOM）的67%（Hu等，2023），已被用于量化DOM。DOC在地下水和地表水化学中起着重要作用，影响生物地球化学循环和水生生态系统的食物网结构（Tipping，1993）。在全球变暖的背景下，冻土的退化将导致大量DOC进入河流，从而显著影响下游水生生态环境（Cole等，2006；Temnerud等，2007）。了解冻土区域DOC的影响因素及其向河流输送的调控机制对于预测冻土区域对气候变化的碳释放响应至关重要。

作为冻土向河流输送DOC的主要控制因素之一，水文过程显著调节了DOC的输送通量、特征、迁移和转化（Hu等，2023；Vonk等，2019）。冻土区域的水文过程比非冻土区域更为复杂（Ma等，2024）。具体而言，冻土层的低渗透性和活动层的季节性变化减少了水分渗透，限制了降水入渗，降低了地下水补给，改变了原有的水文过程和水流路径（Jin等，2022；Ma等，2021；Ma等，2017；Walvoord和Kurylyk，2016）。因此，冻土区域的水文过程在关键溶质（如DOC）从土壤向河流的侧向传输中起着关键作用。季节性冻土（SFG）区域占寒冷区域总面积的51%（Zhang等，2003），在地下水流动路径和水文响应方面与永久冻土区域有所不同（Ala-Aho等，2021；Chang等，2018；Evans和Ge，2017；Ma等，2021）。当季节性冻土层完全融化时，SFG区域内不同含水层之间的地下水流动连通性良好；而在永久冻土区域，即使活动层融化，地下水流动仍受永久冻土分布的影响（Ma等，2021）。由于土壤温度较高，SFG区域的微生物活动比永久冻土区域更为活跃，导致更多微生物来源的DOC从土壤释放到河流（Grogan等，2004；Striegl等，2007）。因此，SFG区域向河流输送DOC的情况可能与永久冻土区域或同时存在永久冻土和SFG的区域不同。现有研究表明，具有永久冻土和SFG的高山流域中多孔含水层在调节流域水流和DOC输送方面起着重要作用（Chang等，2018；Evans等，2018；Hu等，2023）。虽然已有研究探讨了地下水对河流中DOC的贡献（Dornblaser和Striegl，2015；Gao等，2019；Neilson等，2018；Song等，2019；Wild等，2019），但大多数研究集中在永久冻土区域流域向河流的DOC输送上。冻融过程引起的地下水流动路径变化如何影响DOC输送和DOM组成仍不明确。

由于沉积物剖面表现出不同的化学性质分布，冻融过程引起的地下水流动路径变化可能会影响水-岩相互作用，从而改变地下水中的DOC浓度和DOM组成（Hu等，2023）。通常，浅层沉积物含有较高的DOC含量，其DOM主要来源于陆地，因为每年都会受到植被凋落物的输入（Hugelius等，2014；Xiong等，2024）。随着沉积物深度的增加，腐殖质层逐渐过渡到矿物层，DOC含量减少，DOM更多地来源于微生物分解和代谢（Hu等，2023；Wang等，2022）。相应地，不同含水层深度的地下水具有不同的DOC含量和DOM特征。冻融过程本身也可能影响地下水中的DOC含量和DOM特征。当液态水冻结成固态冰时，冰中的DOM会迁移到液态水中，其中高分子量、高芳香性的腐殖质类DOM会优先从冰迁移到液态水中（Feng等，2024；Xue等，2015）。此外，不同流动路径的滞留时间、水温和水质变化也会影响DOC含量和DOM特征。较长的滞留时间可以促进更充分的水-岩相互作用（Zhang等，2011），从而导致水中DOC含量增加。较高的水温可以促进微生物活动，影响DOC含量和DOM特征（Campbell等，2022）。关于冻土区域的相关研究主要集中在北极地区（Dornblaser和Striegl，2015；Raymond等，2007；Wild等，2019）。高山地区，以青藏高原（QTP）为代表，具有广泛的海拔范围、复杂的地形起伏、较薄的冻土层和较高的温度，这可能导致冻融过程、地下水流动路径和气候变化敏感性与北极地区不同（Cheng和Jin，2013；Hu等，2019；Zou等，2017）。这些差异可能会使高山地区的DOC输送和调控因素更加复杂（Tank等，2020）。然而，迄今为止，基于高山地区地下水流动路径变化的DOC和DOM研究仍然较少。

基于上述情况，我们选择了青藏高原东北部的一个代表性SFG流域。同时进行了水文地球化学和水分-热耦合模拟，以：1）探索冻融过程中地下水流动路径变化对SFG区域DOC浓度和DOM特征的影响；2）揭示不同冻融季节地下水流通过不同路径向主干流输送DOC的驱动机制。本研究探讨了冻融过程引起的不同深度地下水向地表水碳侧向输送的动态变化机制，有助于更好地理解寒冷地区的碳循环。

研究区域

洪尼沟（HNG）流域面积约为1.12平方公里，位于青藏高原东北部（东经99°51′25′′～99°52′45′′，北纬38°15′00′′～38°15′55′′），属于黑河盆地的二级子流域（图1a）。该流域的海拔范围为3000至3600米（图1a），属于大陆性高山寒冷山区气候（Chen等，2014）。年平均气温为0.9℃，年平均降水量和潜在蒸发量分别为

现场监测

我们在一个典型的山坡-河岸横断面上建立了监测网络，以明确捕捉从山坡到河流的水文过程。该网络包括三个监测点：A1位于山坡顶部，A2位于山坡中部，A3位于河岸带。使用HOBO Onset（H-21，美国）和Decagon（EC-5，美国）传感器每隔30分钟测量一次不同深度的土壤温度和含水量（图1a）。具体监测深度和

水文

本研究的水文年分为六个时期（图4和图5）：4月15日至6月15日、6月15日至7月15日、7月15日至9月15日、9月15日至10月26日、10月26日至11月6日以及次年的3月，根据温度变化确定的冻融周期（图5）。

在4月15日至6月15日期间，浅层冻土开始融化，河流恢复流动。在此期间，降水量较少，但对河流影响显著

冻融过程对DOC浓度和DOM组成影响的控制

地下水中DOC浓度和DOM特征存在明显的季节性变化（图9、图11a和表3），这也在青藏高原的其他高山流域（如胡鲁沟流域（Hu等，2023）和凤凰山流域（Song等，2019）中观察到。我们还发现，不同含水层深度的DOC浓度和DOM成分在不同季节发生变化，这在以往的研究中很少报道。这可能是由水流过程引起的

结论

本研究提供了关于季节性冻土地下水-河流系统中DOC和DOM输送及转化的机制性见解。通过将数值建模与地球化学追踪相结合，我们证明了冻融动态通过改变地下水流动路径来调节碳输送，这对地表水生物地球化学具有直接意义。

我们的研究结果揭示了DOC浓度和DOM组成的明显季节性和深度依赖性模式。在地下水中，DOC

作者贡献声明

邹长健：撰写——初稿、软件、方法论、调查、数据分析、数据整理。马瑞：撰写——审稿与编辑、监督、软件、项目管理、方法论、资金获取、数据分析、概念化。熊静：方法论、调查、数据分析。赵攀：方法论、调查。孙子勇：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：42425207）和教育部基础与交叉学科创新计划（编号：JYB2025XDXM911）的财政支持。本研究使用了SUTRA 4.0的预发布开发版本“SUTRA-ICE”进行模拟。SUTRA 4.0是美国地质调查局在本研究结束时发布的SUTRA-ICE的公开版本。我们感谢Clifford Voss