极端干旱期间野火干扰重塑亚热带喀斯特洼谷地下水溶解无机碳输出模式

《Journal of Hydrology》：Wildfire disturbance during extreme drought reshapes groundwater dissolved inorganic carbon export pattern in a subtropical karst trough valley

　　

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  植被—水文耦合作用强烈调节了火灾前地下水DIC及其δ¹³C_DIC的季节性变化。
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  极端干旱和野火破坏了植被—土壤CO₂风化耦合作用，驱动了非稳态的碳循环。
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  干旱和野火共同诱发岩溶系统中DIC通量的差异性水文响应。

引言

地球关键带（Critical Zone）对生态系统功能和人类生存至关重要，已成为21世纪地球科学研究的主要焦点（Brantley等, 2007；Karlstrom等, 2025；McCormick等, 2021）。岩溶系统以岩石风化速度快、土壤形成缓慢、土层薄而不连续、裂隙与管道网络发育充分为特征（Hu等, 2023；Li等, 2022）。这些结构和水文特征限制了土壤的储水和缓冲能力，同时促进了水和溶质的快速传输，使岩溶生态系统对气候变异和变化格外脆弱和敏感（Liu等, 2016）。在这些系统中，水文循环为地表输入与地下传输和转化过程之间提供了关键纽带（Brantley等, 2007；Reiss和Chifflard, 2017）。通过降雨入渗、地下水补给、地下径流和排泄等水文过程，调节岩溶系统中碳的来源、传输路径、滞留时间和输出通量（Austin和Ballaré, 2010；Dogan和Karpuzcu, 2022；Lin, 2010；Oni等, 2015；Sayer等, 2020）。与此同时，岩溶系统强大的水文连通性也增加了碳循环的复杂性。在降雨和补给事件中，水流路径可能在基质主导流与优势裂隙—管道流之间快速切换，导致水分滞留时间、水岩相互作用强度以及生物地球化学反应条件的短期变化。因此，岩溶地下水能够快速响应外界扰动，并同时作为碳输出的主要通道和碳传输的载体（Iván等, 2020）。水文过程与碳传输之间的这种紧密耦合作用，有助于解释岩溶系统碳循环敏感性显著这一现象——岩溶系统的碳循环对气候变化以及地表扰动尤为敏感。

IPCC《1.5 °C全球变暖特别报告》指出，即使全球平均温度再升高0.5 °C，也会增加区域乃至全球尺度极端事件的频率和空间范围。干旱和强降雨可改变水文过程、植被动态和生物地球化学循环，从而影响岩溶系统中碳的传输、转化和输出（Dahm等, 2003；Deng等, 2021；Qu等, 2023）。在这些扰动中，极端干旱可深刻影响植被，抑制植物生长、增加死亡率，并降低植被覆盖度和生物量。由此产生的退化可能减少有机质输入、削弱养分保持能力并改变矿化过程，最终导致碳循环速率和通量的改变（Berdugo等, 2022；Wang等, 2014）。鉴于岩溶区地表—地下之间强烈的水文连通性，植被扰动所生成的生态水文和生物地球化学信号可能被迅速传递至地下水系统，凸显了植被—地下水相互作用的重要性。在岩溶环境中，植被动态与碳酸盐风化及相关生物地球化学过程密切相关，表明植被可能通过生物过程和水文传输路径共同影响碳循环（Tang等, 2025；Yanes和Moral, 2024；Zeng等, 2025）。以往研究还表明，干旱引起的植被变化会影响生态系统生产力，包括总初级生产力（GPP）和净初级生产力（NPP），凸显了植被介导的碳过程对气候扰动的敏感性（Chen等, 2025；Qi等, 2025；Xu等, 2019）。尽管取得了这些进展，但植被扰动如何影响碳从陆地生态系统向岩溶地下水系统的传输和转化——即陆地生态系统中的碳进入岩溶地下水系统的机制——仍然知之甚少。

在各种扰动类型中，野火因其突发性强、空间范围广以及对生态系统结构和生物地球化学过程的持久影响而受到越来越多的关注。以往研究表明，野火可通过影响植被来源的碳输入、土壤有机碳动态、溶解有机碳的输出、土壤CO₂的产生以及溶解无机碳的来源来改变碳循环（Hohner等, 2019；**Paul等, 2022；Zeng等, 2019）。总体而言，这些发现将野火扰动确定为考察与气候相关的生态扰动如何影响岩溶系统碳循环的典型极端事件。岩溶区以土层薄、裂隙和管道网络发育、地表—地下之间水文连通性强为特征（Hartmann等, 2014）。尽管野火对流域生物地球化学过程的影响日益受到关注，但现有研究大多聚焦于表层土壤、河流或一般流域尺度的响应。相比之下，在野火和极端干旱共同影响下岩溶地下水碳响应的控制机制仍未被充分理解（Rhoades等, 2019）。因此，需要对相邻的燃烧区与非燃烧区岩溶流域进行长期对比观测，以厘清这些响应的控制因素并加深理解岩溶系统中扰动后的碳动态。

综上所述，以往研究已考察了温度、水分条件和植被恢复等各种环境因素对岩溶系统中溶解组分的影响。然而，极端干旱和野火扰动对地下水碳循环及其输出过程的长期影响仍未被充分理解。本研究系统调查了地下水碳输出对极端干旱和野火扰动的长期响应，重点关注其潜在机制及各自的相对贡献。研究在位于中国西南重庆酉阳土家族苗族自治县的龙滩岩溶槽谷区开展。该区具有典型的岩溶槽谷地貌，并经历了生态恢复和极端干旱事件。在气候、地质和水文地质条件相对均一的情况下，研究区提供了一个天然实验场景：逆坡区域受到野火影响，而顺坡区域未被燃烧。这一对比为考察极端干旱和野火扰动共同影响下地下水碳通量的响应提供了宝贵机会。本研究的主要目标如下：(1) 刻画在全球变暖背景下植被对岩溶槽谷顺坡和逆坡地下水动态季节和年际变化的影响；(2) 利用水地球化学和同位素示踪方法比较燃烧区与非燃烧区地下水中溶解无机碳（DIC，主要以HCO₃^?形式存在）的浓度及δ¹³C_DIC值，揭示生态恢复过程中野火扰动对地下水碳循环的影响及关键控制机制；(3) 在全球变暖条件下定量评估极端干旱引起的地下水DIC输出通量变化，从而评估气候变化和野火扰动对岩溶系统内养分循环的综合作用。

章节节选

研究区

研究区位于重庆市酉阳土家族苗族自治县干溪镇（北纬28°19′28″–29°24′18″，东经108°18′25″–109°19′08″）。该区属亚热带湿润季风气候。年降水量在639至1,510 mm之间，平均气温为17.01 °C。谷底宽度1–4 km，面积574.66 km²，海拔300–500 m。背斜翼部沿河过程塑造了龙滩

气象数据、植被指数和水质参数的季节与年际变化

研究区降水的季节分布与气温变化并非完全同步，而是表现出明显的 episodic（突发性）波动（图2a）。雨季集中在晚春至夏季（5月至8月）。春季降水总量约为6.3–374.0 mm，夏季1.3–437.8 mm，秋季5.5–274.6 mm，冬季0–57.9 mm。高温和强降雨主要发生在晚春和夏季。对于

季节和年际尺度上植被覆盖度与化学风化的耦合关系

在岩溶槽谷地区，地下水DIC浓度和δ¹³C_DIC值表现出显著的季和年际变率（图3）。这两个变量并非独立变化，而是与植被生长、土壤CO₂供应、水文入渗及碳酸盐风化过程密切相关（Liu等, 2007；Tang等, 2025）。温度和降水量的季节波动会影响植物光合作用、根系呼吸和微生物

结论

基于2017至2025年的长期水地球化学观测数据，本研究考察了岩溶槽谷顺坡与逆坡监测岩溶泉中地下水溶解无机碳（DIC）及DIC输出对极端干旱和野火扰动的响应。结果表明，在没有野火扰动的湿润条件下，地下水DIC和δ¹³C_DIC表现出显著的季和年际变率，且与……密切相关

CRediT作者贡献声明

胡晨澎（Chenpeng Hu）：撰写——初稿。曾思博（Sibo Zeng）：撰写——审阅与编辑。杨艳（Yan Yang）：撰写——审阅与编辑、获取经费。雷利丹（Lidan Lei）：调查。刘磊（Lei Liu）：调查。刘旭阳（Xuyang Liu）：调查。李明洋（Mingyang Li）：调查。黄新禾（Xinhe Huang）：调查。唐永浩（Yonghao Tang）：调查。

未引用参考文献

Betts和Jones, 2009；Blaen等, 2017；Parham等, 2013；Rodríguez-Cardona等, 2020；Yue等, 2019。

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的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（编号 42277048、42307070）资助。

Chenpeng Hu|Sibo Zeng|Yan Yang|Lidan Lei|Lei Liu|Xuyang Liu|Mingyang Li|Xinhe Huang|Yonghao Tang