山区河流空气-水CO2交换估算对海拔减压和局部大气CO2变化的敏感性

《Journal of Hydrology》：Sensitivity of mountain riverine air–water CO 2 exchange estimates to elevation decompression and localized atmospheric CO 2 variability

　　通过高频监测，跨越1100米海拔梯度绘制了CO?通量分布。海拔减压效应使瞬时CO?通量变化幅度高达23.2 mmol m?2h?1。昼夜大气CO?积聚动态改变局部逐时逸散速率。模拟大气边界条件使年累计CO?排放量变化幅度小于5%。持续的地表水DIC输入维持全年水体CO?过饱和状态。**引言**内陆水体是全球碳循环中活跃的"生物反应器"和大气二氧化碳（CO?）的重要来源。全球范围内，河流和溪流每年向大气释放约2.0 ± 0.2 Pg C yr?1的CO?（Battin等人，2023；Dean等人，2025）。尽管其意义重大，但全球河流碳收支仍存在大量不确定性，主要原因在于空间覆盖范围有限，且缺乏标准监测手段来捕捉大气-水界面CO?交换的高频时间波动（Attermeyer等人，2021；Gomez-Gener等人，2021）。近期研究表明，山区河流和溪流已成为这一碳收支中不成比例的贡献者，作为全球"热点"排放区，其CO?排放面积速率通常高于低地河流（Botter等人，2022；Chiriboga和Borges，2023；Horgby等人，2019；Liu等人，2022；Wu等人，2026）。这些覆盖地球陆地表面25%、贡献全球径流逾三分之一的陡峭高能量山区河流网络，构成了大气碳交换中高度动态且至关重要的界面（Chiriboga和Borges，2023；Horgby等人，2019）。大气-水界面的CO?逸散本质上取决于该界面的热力学CO?分压梯度（△pCO? = pCO?-水 – pCO?-大气）（Lauerwald等人，2023；Zheng等人，2024）。其中，pCO?-大气表示大气中CO?的分压，pCO?-水表示与水中溶解CO?处于平衡状态的气相中CO?的分压。尽管已有大量研究致力于解析水体碳动态和水动力-地貌湍流效应（CO?气体传输速率，KCO?），但大气边界条件常被简化为静态约束，如全球值、背景值或年均值（Lauerwald等人，2015；Raymond等人，2013）。传统的碳收支核算方案和经验外推研究通常采用稳态全球背景大气CO?混合比（如2023-2024年约420 ppmV）和粗略的水平空间分辨率（如0.5°×0.5°网格）。然而，这些做法可能无法充分捕捉深山区峡谷及其他环境中局部大气环境在时空上的深刻变异性（Dong等人，2021；Scholz等人，2021）。这一简化处理可能在区域和全球尺度上引入两种重大但系统性未被检验的偏差。解决这些偏差至关重要，因为目前大气-水交换速率是河流碳收支中最不确定且约束最弱的参数之一（Lauerwald等人，2023；Zheng等人，2024）。第一个可能的偏差来源源于海拔效应。海拔升高的减压作用降低了大气绝对气压（K?rner，2007；Lugli等人，2017）。即使局部CO?混合比与全球基准一致，高海拔地区的实际pCO?-大气值也会比海平面和低地地区低（Chiriboga和Borges，2023；Gale，1972；K?rner，2007）。这建立了一个永久性的地貌梯度，放大了水体出气的基准扩散潜力。尽管地球系统模型（ESMs）从理论上考虑了海拔因素，但其相对较粗的空间分辨率可能无法准确捕捉深切流域内的格间气压变化（Dong等人，2021；Scholz等人，2021）。因此，使用未校正或低分辨率的大气压力基准会使得山区河流物理出气能力的估算产生偏差。第二个可能的偏差源于大气CO?的昼夜变异性，受微气象封闭效应驱动（Scholz等人，2021；van der Woude等人，2023）。植被覆盖的V形峡谷中空气流通受限，形成了高度动态的大气CO?微环境（Pypker等人，2007；Rotach等人，2017）。白天地面和水体光合作用消耗环境中的CO?（Attermeyer等人，2021），自然改变大气-水界面的梯度。相反，夜间频繁出现的稳定温度逆温层可能将生态系统呼吸和局部出气锁定在峡谷底部，引发所谓的"峡谷滞留效应"（de Araújo等人，2008）。这种积聚作用相当于一个局部"气态盖层"，导致夜间pCO?-大气反弹回升（Attermeyer等人，2021；de Araújo等人，2008）。使用静态的年或全球平均值本质上忽略了这种明显的昼夜波动性，掩盖了夜间大气CO?积聚是否抑制水体CO?逸散的问题。山区岩溶流域具有局部人为CO?排放，为系统量化这些偏差的幅度提供了理想的天然实验室。这些河流得益于地下水-地表水的相互作用，维持着pCO?-水的过饱和状态和较高的碳酸盐缓冲能力（Winnick和Saccardi，2024），这可能抑制短期水生生物波动（Shangguan等人，2025）。同时，在受地形限制的峡谷中，持续的水体CO?逸散、陆地生态系统代谢以及局部人为活动（如化石燃料燃烧）可能协同触发局部大气CO?混合比的反弹，尤其是在傍晚时分。本研究在中国九寨沟世界自然遗产地的亚高山CaCO?沉积水域，沿1100米海拔梯度开展了系统调查（图1）。主要目标包括：(1) 阐明局部大气CO?的时空动态，并分离海拔驱动气压减压对大气-水CO?交换速率和通量的独立影响；(2) 确定夜间"峡谷滞留效应"的强度及其对CO?出气梯度的抑制作用；(3) 定量评估当同时简化昼夜微气象变异性与海拔效应时所引入的综合估算误差。通过解决这些耦合不确定性，本研究旨在帮助改进全球地形复杂流域的区域河流碳收支核算方案。**各章节摘要****研究区与监测站**九寨沟是中国四川一个原始亚高山岩溶流域（海拔2000–4880米，图1a），以其河成岩溶景观闻名于世（Florsheim等人，2013；Lugli等人，2017）。该流域的水文以降水补给为主（年均约700毫米），并由岩溶泉大量补充。这些涌出的地下水呈碱性且富含溶解态碳酸氢钙（Zheng等人，2022）。为全面捕捉大气-水CO?通量的时空变异谱，我们……**大气CO?基准及其时空变异**在11个配备逐时大气CO?监测设备的站点中，年均CO?混合比范围约为415至430 μmol mol?1，2021年6月至2022年6月期间全流域平均值约为420 μmol mol?1（图2a）。游客可达区域内的各站点日均CO?混合比与Rize背景站相当或甚至更低（图2a和2b）。鉴于生态保护规定禁止在九寨沟内设立游客过夜住宿设施……**海拔减压效应与局部大气CO?积聚**山区流域大气-水CO?交换速率和通量的时空拼贴格局，受不同尺度上相互独立的物理机制控制。在宏观尺度上，海拔施加的气压减压效应永久性地放大了基准热力学出气驱动力，这一效应表现为1100米海拔落差所产生的约50 μatm的大气pCO?梯度（图2d）。虽然大气CO?的计算并不一定假设为标准……**结论**本研究证实了亚高山岩溶溪流是活跃的CO?出气热点，并凸显了局部通量估算对大气边界简化处理的敏感性。基于九寨沟跨越1100米海拔梯度的多站点调查和高频监测，我们详细阐述了两个关键的物理和水化学控制因素。首先，在流域尺度上，海拔驱动的气压减压永久性地加大了大气-水界面CO?分压……**CRediT作者贡献声明****乔雪：** 初稿撰写、可视化、资源支持、方法论、调查研究、经费申请、形式分析、数据整理、概念构思。**刘辉：** 数据整理。**肖伟洋：** 资源支持、项目管理、数据整理。**胡文斌：** 验证、形式分析、数据整理。**宋海亮：** 方法论、数据整理。**丁跃：** 形式分析。**许忠军：** 调查研究、数据整理。**杜杰：** 指导监督、经费申请。**唐娅：** 审阅与编辑……**利益冲突声明**作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。**致谢**本工作得到了阿坝州科技局（项目编号R25YYJSYJ0020）和四川省发展和改革委员会（项目编号513212022000246）的资助支持。我们衷心感谢姚晓、刘婷、姚谢、杨成和邱刘对密集野外工作的宝贵贡献。第一作者也感谢李红梅的指导，本文谨以此献给其纪念。乔雪 | 刘辉 | 肖伟洋 | 胡文斌 | 宋海亮 | 丁跃 | 许忠军 | 杜杰 | 唐娅