高地地下水经河岸带处理强烈影响农业河流廊道沿途溶解无机碳的下游输送和河道排放

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Riparian Processing of Upland Groundwaters Strongly Influences Downstream Transport and Channel Emission of Dissolved Inorganic Carbon Along Agricultural Stream Corridors

　　

源头溪流从陆地环境获取携带溶解无机碳（dissolved inorganic carbon, DIC）的地下水，是生物地球化学过程的热点区域。Judith河流域位于蒙大拿州中部北部大平原的半干旱地区，该区域的河流廊道在高地景观、河岸含水层和溪流河道之间的水文连通性存在空间变异，从而能够评估河岸带在廊道DIC处理中的作用。流入河流廊道的高地地下水要么以地表径流（即泉水）的形式直接汇入溪流河道，要么通过河岸基质补给生物地球化学活跃的地下水流路径。在此，研究人员量化了通过泉水与河岸地下水的DIC侧向输入、河道水体的二氧化碳（CO₂）排放，并基于在三个廊道河段不同季节和年份对溶解氧（dissolved oxygen, DO）和CO₂的连续双站点监测，估算了溪流代谢。研究发现，三个溪流河段接收了不同比例的河岸地下水和泉水。以河岸地下水流入为主的河段，其DIC浓度通常比以泉水流入为主的河段高两倍，且流量（15–100 L s^-1）和气体传输速率（k₆₀₀从2到8 m d^-1）表现出更大的季节性变化。k₆₀₀值决定了不仅来自侧向输入、还来自河道内代谢过程产生的DIC的最终去向（排放与输出），其中0%–75%的净生态系统生产力（net ecosystem production, NEP）被输出至下游。该研究表明，源头溪流中的DIC循环与河流廊道的景观格局紧密相关。

**论文解读：河岸带处理对农业源头溪流溶解无机碳循环的调控作用**

**1. 研究背景与问题**

陆地生态系统固定的碳中有很大一部分通过侧向水文流动进入内陆水体，其中溶解无机碳（dissolved inorganic carbon, DIC）是核心载体。然而，当前对侧向DIC转移的估算存在高度不确定性，关键在于对河岸带地下水在碳横向迁移中的作用认识不足——尤其是高地地下水经河岸带生物地球化学改造后，其DIC浓度和通量如何影响下游溪流。现有研究多聚焦于单一站点或忽略地下水混合效应，难以区分侧向输入与河道内代谢对DIC变化的贡献。为此，研究人员在蒙大拿州中部Judith河流域的农业头水溪流中，选择了三个具有不同水文连通模式的河段（Upper Louse, Lower Louse, Porter Creek），旨在揭示河岸带处理如何通过改变地下水来源（泉水 vs. 河岸地下水）来调控溪流DIC的输送、代谢与碳排放。

**2. 主要技术方法**

研究人员在三个河段的上下游部署了高频率传感器，连续监测溶解氧（dissolved oxygen, DO）和二氧化碳分压（pCO₂），并同步采集河岸地下水（来自PVC监测井）和泉水（来自地表出露点）的水样，测定其总碱度（TA）和DIC浓度。利用双站点反应传输模型（two-station reactive transport model），结合水流时间（τ）、河道几何参数和气体传输速率（k₆₀₀），模拟并分离了河道内代谢（净生态系统生产力NEP）与侧向地下水混合对DIC变化的贡献。样本来源于蒙大拿州Moccasin阶地农业景观，包括三个典型河段，覆盖2019—2021年多季节与水文年（干旱与正常年）。

**3. 研究结果**

**3.1 地下水化学与流入速率**
通过对比河岸地下水与泉水的TA、DIC和DO，发现河岸地下水DIC浓度（均值11,261 μmol kg^-1）是泉水（均值4,480 μmol kg^-1）的两倍以上，且DO接近零。利用TA作为保守示踪剂，结合上下游流量平衡，量化了各河段河岸地下水与泉水的相对贡献。Upper Louse（UL）以河岸地下水流入为主（λ_rip≈0.9–1.1 m d^-1），Porter Creek（PC）以泉水流入为主（λ_spr≈5.6–8.3 m d^-1），而Lower Louse（LL）呈现复杂的负TA变化，暗示泉水稀释效应占主导。

**3.2 廊道DIC浓度处理**
基于模型分解，河岸地下水混合效应（M_rip）是UL河段DIC增加的主要驱动力，其强度超越了气体交换（E_CO2）和代谢通量（NEP）。LL河段中，泉水稀释导致DIC显著下降（ΔDIC达-1,898 mmol m^-2 d^-1）。PC河段尽管泉水DIC浓度低于河水，但高流量混合仍使DIC净增加。

**3.3 气体传输速率与CO₂排放变化**
k₆₀₀与流量呈强正相关（R2=0.95），且在不同河段间差异显著：UL河段k₆₀₀介于2–8 m d^-1，干旱年份（2021年）明显降低。CO₂排放通量取决于pCO₂与k₆₀₀的协同作用——高流量时源限制（高k₆₀₀加速排放），低流量时转移限制（低k₆₀₀制约排放）。

**3.4 DO与DIC代谢的差异**
通过简化主轴回归比较NEP_DO与NEP_DIC，发现两者存在系统偏差：UL河段NEP_DO常高于NEP_DIC，LL河段则相反。光合作用商（PQ_E）和呼吸商（RQ_E）变化范围大（0.34–5.05），表明DO与DIC代谢受多种厌氧过程（如反硝化）及混合误差影响而解耦。

**3.5 CO₂来源分配**
以NEP_DIC为自变量回归CO₂排放通量，发现UL河段中NEP产生的CO₂几乎全部被排放（斜率≈-1），而LL和PC河段中部分NEP被下游输出（斜率-0.26至-0.75）。干旱年份（2021年）转移限制增强，导致NEP对排放的贡献比例下降。

**4. 讨论与结论**

讨论部分指出，河岸地下水的高DIC浓度是源头溪流CO₂过饱和的主要来源，且其贡献比例随水文条件变化——UL河段依赖河岸带处理，而PC河段依赖泉水直接输入。气体传输速率k₆₀₀与流量的耦合决定了排放是源限制还是转移限制，进而影响NEP产物的去向（排放 vs. 下游输出）。DO与DIC代谢的解耦警示，仅凭DO代谢模型推断碳收支可能产生误导，需联合DIC观测与混合校正。研究结论翻译如下：**本研究结果表明，河岸含水层有潜力向溪流河道贡献高浓度的DIC，强烈影响河流廊道的DIC处理和CO₂排放。系统评估河岸带的作用将提升我们闭合陆地与水生生态系统碳收支的能力。对于水生研究，考虑相邻河岸和高地地区对溪流河道的影响可改进碳收支评估。此外，应在具有不同侧向地下水交换程度及不同河岸/泉水来源比例的河段开展更多溪流生态系统代谢与碳动态研究，以获得更广阔的视角来理解地下水负荷与溪流生产对CO₂排放和下游输出的相对贡献。确定连接土壤过程与溪流的水流路径是约束碳负荷的必要步骤。这项工作需要生态学家与水文学家之间更多的合作与知识共享，并开发能够更整体地表达河流廊道代谢、地球化学和水文过程的DIC归宿与输运双站点模型。**