气候对酸敏感集水区水化学的影响

《Water》：Climate Effects on Water Chemistry in Acid-Sensitive Catchments

　　

欧洲范围内酸化排放的大幅减少使得挪威地表水产生了显著的化学恢复。然而近几十年来，水化学的变化越来越多地与气候变化同时发生，这使得将观察到的趋势归因于单一驱动因素变得复杂。本研究评估了持续的气候变化是否对挪威淡水化学产生了可检测的影响，以及这些影响在不同酸化敏感性的集水区之间有何差异。在本研究中，研究人员使用了流域地下水酸化模型(MAGIC)，该模型基于目前对控制土壤和水体酸碱化学过程的理解，以模拟酸沉降减少的影响。观察到的与模型模拟的水化学之间的偏差被初步解释为与气候相关的影响。然而，这些残差也可能反映了模型或参数的不确定性以及其他未明过程。该分析利用了分布在挪威的59个酸敏感趋势湖的长期监测数据(1986–2022)，以及代表截然不同的水文气候和生物地球化学条件的四个实地研究站(1986–2020)的数据。使用Mann–Kendall检验和Sen's斜率估计量评估了时间趋势，同时使用Pearson相关分析检查了推断的气候影响与气候变量之间的关系。在趋势湖中，推断的气候影响对酸中和能力(ANC)和风化衍生阳离子主要是正面的，表明气候变化可能有助于加速化学恢复，特别是在对酸化不太敏感的集水区。推断的气候影响在各个实地研究站之间存在很大差异。较高的温度通常与增强的恢复相关，可能是通过加剧的硅酸盐风化，而增加的降水和径流似乎抑制了恢复。总而言之，结果表明气候变化对挪威淡水化学产生了可测量的影响，尽管响应的幅度和方向受到集水区特定特征的强烈调节。虽然以前的研究已经确定了气候对个别化学变量的相关影响，但试图在大量酸敏感集水区中定量分离气候相关影响和酸沉降相关影响的研究仍然很少。在这里，研究人员使用观察到的水化学与MAGIC模拟的酸沉降恢复之间的偏差作为一种筛选方法，以调查是否可以在国家尺度上检测到与气候相关的信号，以及这些信号在对酸化敏感程度不同的集水区之间是否有所不同。

自20世纪80年代以来，欧洲地区酸化气体排放量大幅下降，导致挪威水体中海盐校正硫酸盐（SO₄^2?*）浓度显著降低，约为75%。这种酸雨的减少降低了强酸阴离子向集水区的输入，促进了地表水化学的持续恢复，表现为酸中和能力（ANC，即主要阳离子与强酸阴离子之间的电荷平衡）、pH值和溶解性有机物（DOM，Dissolved Organic Matter）的增加，以及有毒无机铝浓度的下降。然而，在过去的二十年中，酸沉降的下降和相关化学恢复趋势开始趋于平缓。与此同时，自19世纪末以来挪威气温总升幅约1.4 °C，降水自20世纪初以来增加了约20–21%。气候变暖导致生长期延长和生物量增加，进而可能通过增强矿物风化和有机酸产生来影响水化学。虽然已有研究指出气候变化对水化学的影响，但在大量酸敏感集水区中定量分离气候相关影响与酸沉降减少影响的尝试依然少见。为了深入评估气候变化是否改变了挪威的淡水化学以及这种影响在不同酸化敏感性的集水区中如何变化，研究人员开展了本研究。研究结果表明，气候变化对水体化学确实具有可测量的影响，且该影响的程度和方向受到集水区特征的强烈调节。这一发现强调了在未来的监测和环境评估中需更加重视气候相关过程的重要性。该论文发表在《Water》期刊上。

研究人员主要利用了国家监测项目?koFersk Trend的数据，包括59个酸敏感趋势湖（1986–2022年）和四个实地研究站（1986–2020年）的长期监测水化学数据。同时，还获取了采样点1957–2024年的气温、降水和径流日估计值。在关键技术方法上，研究人员使用了流域地下水酸化模型（MAGIC）模拟仅由酸沉降减少引起的水化学变化，并将模型模拟值与实际观测值的偏差（△）作为推断气候相关影响的依据。模型的不确定性通过蒙特卡洛模拟生成95%置信区间进行评估。时间趋势的分析采用Mann–Kendall检验（MKT）和Sen's斜率估计量，而推断气候影响与气候变量间的关系则运用Pearson相关分析。趋势湖的MAGIC模拟最初作为Austnes等人的研究的一部分进行。

趋势湖的推断气候影响
通过对59个趋势湖的模型模拟与观测值偏差进行分析，研究人员发现所有湖泊的SO₄^2?*浓度均呈显著下降趋势。气候效应的推断结果显示，在Na⁺（97%）、ANC（88%）、Ca²⁺（71%）和Mg²⁺（63%）的显著时间趋势中，积极趋势占据主导地位，表明与气候相关的过程可能通过增加ANC和阳离子浓度促进了趋势湖的化学恢复加速。然而，研究也发现模型在强酸化地区可能高估了酸沉降下降对Ca²⁺减少的影响，而在受影响较小的地区低估了这一影响。这可能与模型对有机阴离子（Org^?）的处理有关，特别是假设其功能位密度恒定，而实际上酸沉降下降会改变DOM浓度和成分。在pH值高于5.5的湖泊中，Ca²⁺的偏差更多呈现积极趋势，反映了碳酸盐系统缓冲作用与硅酸盐风化之间相对重要性的转移。

实地研究站的推断气候影响
K?rvatn：在该对酸化不太敏感且受酸沉降影响最小的集水区，推断的气候影响对Ca²⁺、ANC和Na⁺显示出积极的显著时间趋势。相关性分析表明，较高的温度与增加的ANC呈正相关，可能通过加速前寒武纪基岩的风化促进了化学恢复；而较高的径流与Ca²⁺、Na⁺和ANC的减少相关，表明水流停留时间短限制了风化强度。此外，最高温度的增加与NO₃^?的负偏差加剧有关，支持了温暖条件下生物吸收与硝酸盐滞留增加的假设。
Storgama：在该酸性山地集水区，Mg²⁺和ANC均表现出积极的时间趋势，尽管在大部分年份中NO₃^?、Mg²⁺和ANC的偏差为负。较高的温度与Na⁺的正偏差以及pH值的负偏差显著相关。由于该站pH值低于5.5，DOM动态强烈控制ANC，温度升高促进有机酸产生并增加Na⁺的迁移，最终在暖年通过增强风化使得ANC呈现正向恢复。
?ygardsbekken：该湿润的沿海集水区推断气候影响总体较弱。Ca²⁺和Org^?表现出正的时间趋势，但在高径流年份，Ca²⁺和Mg²⁺的偏差减弱，表明水停留时间短限制了风化。出乎意料的是，NO₃^?的偏差与温度呈正相关，这可能与温暖的气候增强了矿化与硝化速率，或积雪减少引起的冬季水文改变有关。
Langtjern：作为富含泥炭的营养不良集水区，该站的气候响应最弱且正负年份几乎相等。增加的降水和径流一致与Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺和ANC的负偏差相关。这里有机酸的增加和碱阳离子的生物吸收倾向于在暖干年份降低ANC，从而延缓酸化恢复。

讨论与总结部分指出，尽管研究结果总体表明气候过程（如温度升高）在多数地区促进了由硅酸盐风化主导的化学恢复，但增加的降水与径流往往会通过稀释和缩短水停留时间产生抑制作用。同时，这些关系需谨慎解读，因为酸沉降下降与温度上升在空间上存在协方差，且模型未显式包含生物过程及DOM质量随时间的变化机制。研究结论明确显示，与气候相关的水文生物地球化学过程对挪威淡水化学的影响程度各异且方向不一。集水区特定的特征调节着气候影响的幅度与方向：在具有较长水停留时间且风化活跃的低酸敏感区，气候影响为正面；在浅层土壤区，气候变暖主要增加有机酸，仅适度增加ANC；在高降水区，水文过程抵消了温度效应；而在有机物丰富的营养不良集水区，有机酸生产与生物吸收则减缓了酸化恢复。这些对比响应证明气候影响并非单一不变，而是气候、土壤学、水文学与生物地球化学过程相互作用的复杂结果。此外，由于未来森林生物量的变化仍存在不确定性，其对DOM动态及淡水化学的潜在影响也亟待进一步监测与研究。